随着能源危机与环境污染日益严重,研究开发可再生清洁能源替代不可再生化石能源成为亟待解决的重大问题。二次电池是一类重要的能量储存装置,其中锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长等优点而得到广泛应用。正极材料是锂离子电池的核心部件,LiFe PO₄和镍钴锰三元正极材料是目前最具应用潜力的锂离子电池正极材料,然而各自均存在自身的缺点,导致高倍率性能及循环稳定性较差。因此,开发性能优异、价格低廉的正极材料是锂离子电池研究的重点。而锂硫电池具有高理论比能量和理论比容量,被公认为下一代最具前景的锂二次电池,但锂硫电池中存在单质硫和Li₂S的电导率低、多硫化物在电解质中的溶解度高和充放电过程中的体积变化大等缺点,导致锂硫电池正极活性物质利用率低、倍率性能差以及循环寿命短,严重制约其商业化发展。因此,如何提高活性物质利用率、循环寿命以及倍率性能成为锂硫电池的研究热点。构建三维多孔碳基复合材料可以显著提高活性物质电导率、增大比表面积并缓解其体积变化,从而促进电子和Li⁺的快速扩散、降低电极反应的极化、提高电极的反应动力学和稳定性。因此,设计简单可控的方法构造三维多孔碳基复合材料具有重要的研究意义。基于此,本论文主要研究如下:（1）分别采用快速冷冻干燥技术和水热法成功将三维多孔石墨烯气凝胶框架引入到Li FePO₄亚微米棒和LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂纳米颗粒中,实现三维多孔石墨烯气凝胶增强与微纳结构增强的协同效应。结果表明,当三维多孔石墨烯气凝胶与上述Li FePO₄亚微米棒和Li Ni_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂纳米颗粒结合时,复合材料的电化学性能得到显著提高,有望成为高性能锂离子电池的优良正极材料。（2）用于锂硫电池的理想硫载体材料应同时具备大的空间结构、强的多硫化锂亲和力和良好的导电性,本文成功制备三维多孔石墨烯气凝胶负载NiCo₂O₄或Co₉S₈纳米颗粒复合材料作为高性能硫载体。由高导电石墨烯相互交织组成的三维多孔石墨烯气凝胶结构可以显著提高活性材料的利用率、抑制充放电过程中多硫化物的流失、缓解充放电过程中的体积变化和加快电子/Li⁺的转移,提高复合材料的倍率性能和稳定性。同时,NiCo₂O₄或Co₉S₈纳米颗粒不仅可化学吸附充放电过程中产生的多硫化物,而且能促进多硫化锂的催化转化,显著抑制“穿梭效应”。结果表明,由于高导电、多孔、强化学吸附和催化转化之间的协同效应,三维多孔石墨烯气凝胶负载NiCo₂O₄或Co₉S₈纳米颗粒复合材料有望成为高性能锂硫电池的硫载体。该设计思路为高性能长寿命锂硫电池正极材料的制备提供了一条新的可行途径。（3）为了实现锂硫电池电极材料的高面积硫载量和低E/S值,采用溶剂热法成功在碳布基底上原位生长出分级多孔极性NiCo₂O₄纳米片或多孔极性Co₉S₈纳米片。所得复合材料可以容纳大量硫或多硫化锂,并可直接用作锂硫电池的电极材料。由于三维多孔导电碳布所产生的快速电子传递框架与互连的纳米片构成的多孔结构之间的协同作用,所得三维多孔复合电极直接充当硫载体时,能显著加速电子/Li⁺的传输速率并有效缓解循环过程中的体积变化。此外,极性的Ni Co₂O₄或Co₉S₈纳米片相互交织形成的多孔结构不仅能提供大的空间来物理吸附多硫化锂,而且能通过与多硫化锂之间的化学相互作用捕获多硫化锂,从而有效抑制连续充放电过程中的“穿梭效应”。更重要的是,极性NiCo₂O₄与Co₉S₈和多硫化锂之间的化学相互作用也显著增强了多硫化锂转化的氧化还原反应动力学。由于高导电性、强的物理/化学吸附多硫化锂能力、大的三维孔隙结构和高催化活性之间的协同作用,用于锂硫电池的三维多孔复合电极即使在高面硫载量和低E/S值时也表现出高的比容量、优异的倍率性能和良好的循环稳定性,有望用于高性能商用锂硫电池。