锂硫电池以单质硫作为正极材料,在理论容量和能量密度方面具有很大的优势,而且单质硫还具有储量丰富、成本低廉、环境友好、安全可靠等优点,所以被认为是下一代极具应用前景的储能系统。然而,锂硫电池在实际应用中还存在许多问题,单质硫和硫化锂是电子/离子绝缘体,硫正极在放电过程中产生体积膨胀,多硫化物易溶于电解液引起穿梭效应,通过改善硫正极的导电性和抑制多硫化物的溶解可以提高锂硫电池的电化学性能。本文主要通过对硫/碳黑复合材料进行高导电碳纤维嵌入、导电聚合物包覆和金属化合物添加改性,以及利用具有特殊结构的生物质碳与单质硫复合制备高性能锂硫电池复合正极材料,具体研究内容和结果如下:(1)采用溶剂分散和熔融渗硫制备桥连结构S@CB/VGCF复合材料。S@CB/VGCF复合材料中硫/碳黑块状聚集物尺寸明显减小,硫充分接触电解液,利用率提高;高导电VGCF嵌入硫/碳黑团簇,连接团簇颗粒,构建高导电网络,提供电子快速传输通道。改性制备的桥连结构S@CB/VGCF电极电化学性能得到明显改善:0.2 C电流密度下首次放电容量达到1062 mAh g-1,200次循环后容量容量保持53.9%;1C电流密度下首次放电容量达到758 mAh g-1,循环200次后容量保持76%;5C大电流密度下放电容量可达到500 mAh g-1。(2)采用熔融渗硫和聚合反应制备核壳结构S/C@pDA复合材料。S/C@pDA复合材料由大量均匀地包覆pDA层的硫/碳黑团簇组成。导电碳黑作为内核,可以负载大量的硫,促进电子快速转移;pDA保护层作为外壳,可以维持结构稳定,抑制多硫化物溶解。改性制备的核壳结构S/C@pDA电极电化学性能得到明显改善:0.2 C电流密度下活化过程之后最高放电容量可达到1185 mAh g-1,200次循环之后容量可保持965 mAh g-1,容量保持85%;5 C大电流密度下容量可达到533 mAh g-1。(3)采用溶液燃烧、溶剂分散和热处理制备自组装微球结构CB/Co3O4/S复合材料。CB/Co3O4/S微球呈现开口形貌,表面相对粗糙,有利于活性物质和电解液充分接触。Co3O4纳米颗粒均匀分布于微球中,提供大量的吸附多硫化物活性位点。溶剂分散和热处理渗硫过程产生部分β-S,β-S更容易溶于电解液参与电化学反应。由于Co3O4的催化作用CB石墨化程度增加,进一步改善载硫基体的导电性。自组装微球结构CB/Co3O4/S电极表现出优异的电化学性能:0.2 C电流密度下首次放电容量达到1173 mAh g-1,300次循环之后容量保持79.7%;5 C大电流密度下放电容量达到630.6 mAh g-1。(4)采用KOH活化、高温碳化、水热反应和熔融渗硫制备等级多孔结构CHPC/CoS2/S复合材料。CHPC/CoS2导电骨架呈现蜂窝状等级多孔结构,具有很高的比表面积和孔体积,保证高载硫量,缓解反应体积膨胀,有利于硫和电解液充分接触。等级孔洞和表面修饰的极性CoS2位点对多硫化物进行“物理限制和化学吸附”双重作用。CoS2还具有半金属性质和电催化活性,有利于提升电子传输和反应动力学。等级多孔结构CHPC/CoS2/S电极具有优异的电化学性能:0.2 C电流密度下首次放电容量高达1230.9 mAh g-1,250次循环之后容量容量保持85.2%;5 C大电流密度下放电容量达到506.1 mAh g-1。(5)采用水热反应、NiC12造孔和超临界CO2渗硫制备多孔纤维结构PGCF/Ni/S复合材料。PGCF/Ni复合材料呈现嵌满Ni纳米金属颗粒的纤维状结构,且碳纤维内外布满相互连通的孔洞。高孔隙率高和大比表面积能够提供空间负载高含量硫,有利于反应中离子快速传输。石墨化碳纤维和Ni纳米颗粒构建高导电多孔纤维网络结构,提供大量的电子快速传输通道。多孔纤维结构PGCF/Ni/S电极的电化学性能相当突出:0.2 C电流密度下首次放电容量达到1198 mAh g-1,200次循环之后容量保持率86%;1 C电流密度下首次放电容量达到856 mAh g-1,300次循环之后容量保持83%;5 C大电流密度下放电容量达到746 mAh g-1。