锂硫电池以其极高的理论比容量(1675 mAh g-1)和能量密度(2600 Wh kg-1)在满足便携式设备、电动汽车和电网储能系统日益增长的需求方面有着巨大的潜力,近几年来引起了人们的极大关注。此外,作为正极活性物质的硫单质具有储量丰富、价格低廉和环境友好等特点。然而,单质硫及其放电产物(Li2S和Li2S2)的电子绝缘性、充放电过程中巨大体积变化、严重的穿梭效应以及锂金属负极的污染和腐蚀,这些因素都会导致硫利用率低(<80%)、循环寿命有限、容量衰减快和严重自放电的后果,严重制约了锂硫电池的实际应用和商业化进程。针对锂硫电池中存在的问题,设计能有效固定多硫化物,避免其溶于电解液的载硫材料或夹层材料是提高锂硫电池电化学性能的有效途径。基于此,本文以碳质材料为研究对象,对其进行结构和功能上的设计与优化,制备了多种碳基复合材料,在结构和组成方面进行了详细的表征和研究,作为载硫基底或夹层,测试锂硫电池的电化学性能。主要研究内容如下:(1)利用水合肼与硫的化学反应,通过一步法合成了含硫量76%的氮掺杂的还原氧化石墨烯(S@N-rGO),并将其作为锂硫电池正极材料。经过回流反应,氧化石墨烯(GO)被还原和掺杂生成N-rGO,同时硫单质均匀沉积在N-rGO基质表面。利用SEM和TEM对复合材料S@N-rGO进行观测,均未发现大块聚集的硫,也证实了利用水合胼进行化学载硫的优越性。此方法通过一步法实现了氧化石墨烯的还原掺杂及硫在其表面的均匀分布,水合肼在其中承担了作为硫单质的溶剂和氧化石墨烯还原掺杂剂的双重作用。多功能碳基体N-rGO中掺杂的氮原子和残余的氧原子作为化学吸附中心,保证了对多硫化物的有效约束和硫与导电基体的紧密接触。同时,碳基体N-rGO的多孔网络框架可以满足充放电反应过程中体积的巨大变化。因此,制备的S@N-rGO复合材料具有良好的循环稳定性和较高的倍率性能。(2)以海蜇皮为生物质碳的前躯体,磷酸二氢铵作为氮源和磷源,成功制备了氮磷共掺杂的活化碳材料(NPAC),并将其作为硫的载体。由于NPAC具有三维交联的多孔结构,高的比表面积,大的孔隙体积以及氮和磷的双重掺杂,能够提高硫的利用率,提升电池的容量保持率。载硫量达到72%时,NPAC-S72在1 C电流密度下循环300圈后的放电比容量仍可维持在517 mAhg-1,库仑效率接近100%。即使当载硫量提高到82%时,NPAC-S82电池仍显示出与NPAC-S72相当的循环性能。本工作表明了生物质碳材料的独特性质,提出了具有前景的锂硫电池硫载体的合成方法。(3)利用毛细吸附、可接触浸泡、石墨涂层、煅烧过程,将纸基(PC)碳架与Fe3O4纳米颗粒子、还原氧化石墨烯(rGO)和表面石墨层巧妙结合起来,研制了一种基于滤纸的新型高性能PC||Fe3O4@arGO||graphite夹层材料。该复合材料具有比表面积高、3D纤维交织网络,分级多孔结构,较强极性、导电性好等优点,有利于吸附多硫化物并阻碍其扩散穿梭,促进电解液的疏导及锂离子和电子的快速传输,与原位紫外-可见吸收光谱结果和电化学动力学分析相吻合。采用PC||Fe3O4@rGO||graphite作为夹层,在不需要复杂合成过程或表而改性的情况下,使硫正极表现出高容量、长循环稳定性和超高倍率性能。在1 C电流密度下,循环500圈后可逆比容量为653 mAh g-1,在2 C、4 C、10 C电流密度下,循环500圈后可逆比容量分别为660,590和418 mAh g-1。即使在硫面载量高达8.05 mg cm-2时,在0.1 C电流密度下循环100圈后,容量仍能保持在518 mA h g-1(4.17 mAh cm-2),容量保持率为第五圈的76.3%。综上所述,本文所提出的策略对于探索和应用新型多功能夹层有一定的启发作用,也朝着先进锂硫电池的应用迈出了一步。(4)通过一种简便环境友好的“分步浸润和碳化”的方法制备了纸基自支撑复合材料GPC||Fe@Fe2O3||Fe1-xS@Fe2O3。通过FESEM、HAADF-HRTEM和XRD表征,证实GPC||Fe@Fe2O3|Fe1-xS@Fe2O3由核壳结构的纳米颗粒Fe@Fe2O3和Fei-xS@Fe2O3嵌入还原石墨烯包覆的纸基组成。调节铁源的用量,调控Fe@Fe2O3和Fe1-xS@Fe2O3在复合材料中的比例和颗粒尺寸。采用复合材料GPC||Fe@Fe2O3||Fe1-xS@Fe2O3-1作为硫载体和功能化夹层来制备自支撑三明治结构的锂硫电池,并对其电化学性能进行测试。由于具有比表面积高、导电性好、3D纤维交织的分级多孔结构以及较强的极性,使得GPC||Fe@Fe2O3||Fe1-xS@Fe2O3-1/S电极在倍率和长循环测试中都表现出优异的性能。在倍率性能测试中,GPC||Fe@Fe2O3||Fe1-xS@Fe2O3-1/S电极在电流密度增加至为5C时,放电比容量仍高达714 mAh·g-1。在1 C,2 C,5 C电流密度下分别循环1000圈后放电比容量分别为486,421和356 mAh·g-1。即使在硫面载量高达10.46 mg cm-2时,在0.1 C电流密度下循环60圈后,可逆比容量仍可保持在638 mAh g-1。综上所述,本文提出的采用GPC||Fe@Fe2O3||Fe1-xS@Fe2O3复合材料作为硫载体和夹层组装自支撑三明治电池的方法对于探索制备高能量密度的锂硫电池具有很大启发作用。