锂硫电池作为下一代高能量密度储能体系,具有能量密度高(2600 Whkg-1)、成本低、环境友好等优点,在电动汽车、无人飞行器、卫星和其他能源储存领域显示了广阔的应用前景。但活性物质硫及其充放电产物多硫化锂相对较低的导电性和锂离子传导效率,影响了锂硫电池的倍率性能;硫在充放电过程中的体积膨胀及产生的中间产物多硫化锂容易溶解在电解液中,导致循环稳定性下降;单位面积硫负载量较高时,硫的利用降低,导致面积比容量偏低等。硫正极存在的上述问题导致锂硫电池难以满足实际应用需求,阻碍了其商业化进程。因而通过优化设计硫正极材料,构筑具有高能量密度、高循环稳定性的硫正极材料,可以有效解决锂硫电池存在的问题,提高锂硫电池的性能。本文从锂硫电池正极材料的设计、合成方面开展相关工作,提出了采用电解法制备炭/硫复合正极材料的新策略,测试并分析了相关炭/硫复合材料的电化学性能。通过一步法制备了具有高导电性并对多硫化锂具有化学吸附作用的氮化硼/碳纳米管复合材料,将其用作活性物质硫的载体,制备了具有良好循环性能和倍率性能的硫正极材料。设计合成了氮、氧共掺杂的三维自支撑多孔炭材料,并通过电解法负载硫,获得了具有高单位面积载硫量、高面积比容量和良好的循环稳定性的硫正极材料。具体包括如下几个方面:(1)以导电性好、孔道贯通、骨架连续的整体式多孔炭为工作电极,多硫化钠溶液为电解液,采用电解的方法制备了硫均匀分布的多孔炭/硫正极材料。上述整体式多孔炭由微孔炭片相互搭接而成,形成了联通的导电网络和相互贯通的大孔,利于电子的快速传输和电解液离子的扩散,提高了电解效率。电解过程中,电解液中的多硫离子在电场和毛细作用下进入整体式多孔炭电极的微孔中,原位氧化成单质硫。该方法形成的硫被限制在多孔炭的微孔中,使得硫与炭接触紧密,并抑制硫颗粒的长大,有效地解决了常规方法制备炭/硫复合材料时,硫易在炭材料表面团聚的问题。电解法制备的炭/硫复合材料表现出良好的循环稳定性和倍率性能。电池性能测试结果显示制备的炭/硫复合材料在0.5 C电流密度下循环500次后容量保持为612mAhg-1;在4C大电流密度下容量达到652 mA h g-1,明显优于传统熔融浸渍法制备的炭/硫复合材料的电化学性能。(2)通过共热解硼酸、尿素、醋酸钴的混合物,制备了共生型的氮化硼/碳纳米管复合材料。碳纳米管具有高的导电性,并且共生结构减小了碳纳米管与氮化硼之间的接触电阻,使得该共生型氮化硼/碳纳米管复合材料具有高的导电率1884Sm-1。该材料还具有高的比表面积和孔容(168 m2g-1和0.33 cm3 g-1),高于大多数极性化合物的比表面积和孔容。此外,共生型氮化硼/碳纳米管复合材料中的氮、氧共掺杂的碳纳米管和氧掺杂的氮化硼可以化学吸附多硫化锂,抑制“穿梭效应”。同时,氮化硼/碳纳米管复合材料与硫之间有强的相互作用,使得硫高度分散并且以单斜硫的形式存在于样品中,提高了硫的利用率。电池性能测试结果显示以共生型氮化硼/碳纳米管为载体制备的硫正极材料具有优异的倍率性能和循环稳定性。在4 C大电流下,其比容量达到840 mAh g-1。在1 C的电流密度下,其比容量达到1052 mA h g-1;循环500次后,其比容量保持在816 mAhg-1,库伦效率始终高于99%。(3)以二氧化锰纳米线为模板,通过CVD法制备了氮、氧共掺杂的自支撑式多孔炭载体,并采用电解的方法负载硫,制备了自支撑硫正极材料,提高了硫正极的单位面积载硫量。该自支撑式多孔炭载体由碳纳米管和氮、氧共掺杂的空心炭纤维相互搭接而成,具有高的导电性和稳定的结构。碳纳米管和炭纤维相互搭接,形成大孔,利于电解液的快速传输。空心炭纤维的空腔可以填装硫,利于硫的分散和封装。氮、氧共掺杂的空心炭纤维可以通过化学吸附多硫化锂固硫,有效抑制“穿梭效应”。采用电解法负载硫,硫均匀分散并具有高的电化学活性,因此制备的自支撑硫正极具有高的单位面积容量。当单位面积硫负载量为4.7 mg cm-2时,在0.1 C的电流密度下,其比容量达到了 1362 mAhg-1,对应的面积容量为6.4mAhcm-2;在0.2C的电流密度下循环100次后,比容量保持为1076.5mAhg-1。其单位面积硫最高负载量达到10.2mgcm-2,在0.1 C的电流密度下,其面积容量达到11.5mAhcm-2。