锂硫电池由于其成本低、储量丰富、环境友好和理论质量比容量高,受到了国内外众多研究人员的关注与研究,被认为是下一代储能系统的候选者之一。然而,由于其差的循环性能、低库伦效率、低活性材料利用率、低倍率性能和自放电等诸多问题,锂硫电池商业化应用一直难以实现。其中,硫正极存在的主要挑战如下:(1)活性材料S及其放电产物Li2S的导电性差;(2)充放电循环过程中产生的多硫离子易溶于有机电解液,导致“穿梭效应”;(3)充放电循环过程中体积膨胀等。本论文旨在改善或减轻硫正极存在的固有问题,重点在于提高硫正极导电性及减少或降低循环过程中多硫化物的溶解和迁移,通过设计和制备新型材料及构建新型电极结构,改善锂硫电池的电化学性能。研究内容主要分为以下5个部分:(1)通过简便球磨和溶液包覆的方法制备了近球形S-CNT复合材料(S-CNT-PEG-NNH),以改善其锂硫电池的电化学性能。研究结果表明,此复合材料的活性物质利用率和容量保持率得以改善。在200 mA g-1的电流密度下充放电时,首次放电比容量为974 mAh g—1,200次循环后的比容量为575 mAh g-1,容量保持率为59.0%。这是由于此复合材料利用CNT形成的多孔导电网络确保连续的e-/Li+传输路径、适应大的体积效应,最重要的是CNT缠绕形成的孔结构、PEG和层状的镍基氢氧化物(NNH)中极性基团能很好地抑制多硫化物的溶出。(2)利用一种简便的方法制备了单分散纳米S-部分还原氧化石墨烯(prGO)-聚多巴胺(PDA)(S-prGO-PDA)复合材料,研究还原氧化石墨烯的还原程度对硫正极电化学性能的影响。研究结果表明:控制还原氧化石墨烯的还原程度在一定值,S-prGO-PDA复合材料表现出较好的循环性能和库伦效率。当以200mA g-1的电流密度循环100圈后,S-prGO-PDA复合材料的比容量仍保持在650 mAh g-1左右且库伦效率保持在98%。同时,本章研究证明了 prGO的还原程度决定S-prGO复合材料硫正极的电化学性能,即控制prGO的还原程度,使prGO的固S能力和导电能力达到平衡,硫正极才能获得较好的电化学性能。(3)制备了一种富含S的碳硫聚合物,用于锂硫电池硫正极,通过化学限域作用抑制多硫化物溶解穿梭,以改善其锂硫电池电化学性能。研究结果表明,碳硫聚合物显示出与S8类似的电化学活性,表现出优异的循环稳定性和高的库仑效率。这是因为碳硫聚合物结构具有以下几个优点:(1)碳硫聚合物具有高度均匀的结构和高硫含量;(2)硫与碳框架(C-S键)的强烈化学相互作用可以抑制多硫化物穿梭效应;(3)碳硫聚合物的π电子加速了电子和Li+的转移;(4)在制备过程中可以加入一定的石墨烯,其可以提供快速的电子传输路径并适应S体积膨胀。(4)构建了一种双集流体硫正极(该电极简称为A1-S-VGCF),以改善其锂硫电池的电化学性能。研究结果表明,双集流体硫正极表现出高S利用率和较好的循环稳定性。即使在S负载量为～5 mgcm-2的情况下,双集流体电极的可逆比容量高达650 mAh g-1,面积比容量高达3 mAh cm-2,同时具有良好的循环稳定性。此双集流体硫正极电化学性能的改善是由于与常规硫电极结构相比,下集流体Al箔和上集流体VGCF层与S活性物质层紧密接触,可以从下到上充当双集流体,加速电子传输到S层,同时它们也可以作为阻挡层缓冲循环过程中硫正极的体积变化。此外,包含PEO关键组分的上集流体VGCF层可以有效储存溶解的多硫化物,使其保留在正极区域内,抑制穿梭效应。(5)通过简便的碳热反应制备多层石墨烯负载的Ni纳米粒子(G/Ni),确保与多硫化物高的接触表面积,以起到有效的促进多硫化物转化的作用。研究结果表明,G/Ni复合材料能很好地促进多硫化物的转化,即提高锂硫电池的比容量及库伦效率。同时,利用原位电化学Raman光谱,结合非原位XPS、非原位XRD技术,研究G/Ni复合材料促进多硫化物转化反应的过程及机理。