锂硫电池由于具有高的理论质量比容量(1675 mAh g-1)和能量密度(2600 Wh kg-1),被认为是最具潜力的下一代二次电池技术之一。然而,锂硫电池的商业化道路上仍面临着诸多挑战,诸如活性物质硫利用率低、循环稳定性差和库伦效率低等,造成这些问题的原因主要是活性物质硫导电性差、充放电过程中严重的穿梭效应和多硫化锂动力学转化迟缓等。针对上述问题,本文对碳基材料进行改性,构建了三种高性能正极宿主材料。借助多种物理化学手段和电化学测试技术并结合理论计算,详细表征了材料的形貌及原子级尺度的微观结构,研究了其对锂硫电池电化学性能的改善效果和作用机制。主要研究工作如下:通过水热-煅烧两步法,在CoAl氧化物纳米片上原位构建了垂直的氮掺杂碳纳米管阵列（Co-NCNTs/NS）。该三维多级结构不仅保留了碳纳米管间长程导电性的优点,提高电极的整体导电性;同时能减缓碳纳米管间的团聚和纳米片间的堆叠,为熔融硫扩散、电解液浸润和充放电过程中的锂离子传输提供传输通道;此外,氮掺杂、金属钴及Co Al氧化物纳米片提供了大量多硫化锂吸附与催化位点,有效的缓解穿梭效应,提高电池循环寿命及稳定性。基于该三维碳纳米材料的锂硫电池在2 C电流密度下循环550次后,每循环容量衰减率为0.04%。以氮化碳（CN）作为载体,构建了具有Fe-N2配位结构的单原子Fe催化剂（Fe-N2/CN）。得益于单原子Fe中心的不饱和配位结构,Fe-N2位点作为多功能活性中心,一方面,通过Fe-S键和Li-S相互作用,锚定多硫化锂并加速多硫化锂的氧化还原动力学转化,抑制穿梭效应;另一方面,降低充放电过程中Li2S的沉积和解离能垒,促进其成核与分解,提高活性物质利用率。因此,Fe-N2/CN@S电极表现出优异的倍率性能及循环寿命。在5 C电流密度下,展示出607 m Ah g-1的可逆容量;此外,在2 C电流密度下,充放电循环2000圈后,每圈平均容量衰减率仅为0.011%。通过二次浸渍法构建了氮掺杂石墨烯负载的双原子Fe催化剂（Fe DAs-NC）。理论分析表明,双原子Fe中心的两个铁原子可以分别与多硫化锂中的两个S原子成键,诱导双原子Fe位点与多硫化锂间的电子转移,并拉长S-S桥键,从而活化多硫化锂,降低反应能垒,实现多硫化锂在放电过程中的快速转化。同时,双原子Fe位点还能通过拉长Li-S键和增大Li-S-Li键角来活化Li2S分子,降低Li2S在充电过程中的解离能垒,提高活性物质利用率。此外,氮掺杂石墨烯可以提高材料的导电性,有利于促进多硫化锂在充放电转化中的电子转移,提升锂硫电池的倍率表现。因此,Fe DAs-NC@S电极在0.05 C电流密度下,展示出高达1615 m Ah g-1的初始放电容量,当电流密度提升至5 C时,具有706 m Ah g-1的可逆容量。在7.9mg cm-2的高硫面载量下循环200次,面容量仍能稳定在6.7 mAh cm-2。