氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)表面具有许多含氧官能团,这些官能团有助于改善石墨烯的溶液加工性,而且具有高反应性,易与表面改性剂发生作用而形成石墨烯衍生物,进而调节石墨烯的结构和光、电、磁等性能。目前,基于石墨烯的三维空间框架结构在包覆和存储纳米颗粒领域的研究备受关注,也已经在能源存储方面获得初步应用。锂硫电池是最具备发展潜力的能源存储技术之一。然而,单质硫的电子导电率和离子电导率较低,且在充放电循环中易发生体积膨胀;另外,在电池的充放电过程中,中间产物多硫化锂会产生穿梭效应,降低了锂硫电池的稳定性。研究表明,氮掺杂的GO主体可以与多硫化锂形成强静电相互作用,进而抑制多硫化锂的穿梭效应。基于此,本论文以三胺作为交联剂,制备三维氮掺杂石墨烯复合材料,并应用于锂硫电池,以获得优异的稳定性。主要工作总结如下:(1)氮含量对GO/TAPA复合材料结构及电化学性能的影响。在室温环境下,以小分子三(4-氨基苯基)胺(TAPA)作为氮源,根据酰胺化反应机理制备了不同氮含量三维网络结构的石墨烯基复合材料。探索了硫负载工艺,分析了溶液法中出现的相分离现象,用溶液法与热处理熔融法相结合的方法,制备了负载活性物质硫的含氮的部分还原GO复合材料。结果表明,复合材料中氮元素含量随着TAPA添加量的增加而提高,并且宿主材料中的氮含量与载硫能力呈正相关。一系列电化学测试结果证明,在0.2C倍率下,氮含量最高的S@rGO-TAPA复合材料的电化学性能最佳,其中首周放电比容量为965 mAh/g,100周循环后容量保持率为66.8%。(2)S@rNGO作为正极材料在锂硫电池中的性能研究。通过共价键作用,在GO片层中引入不同链段结构和极性的小分子胺,系统地分析了不同载体的物理性能以及复合电极的电化学性能。结果表明,不同于芳香族的TAPA和1,3,5-三(4-氨基苯基)苯(TAPB)的酰胺化反应,脂肪族的三(2-氨基乙基)胺(TAEA)是通过亲核反应与GO片层连接。相比之下,这种柔性的小分子与GO复合时氮元素的含量可达13.35%,在所设计的体系中含量最高。但是,也正因为TAEA柔软的分子链结构,与GO所构筑的空间结构能负载的硫含量以及硫完全脱出的温度最低。TAPB是体系中所选刚性最强的小分子胺,当其作为GO片层间隔物时,能负载的硫含量最高,可达72.6%,而且TAPB小分子上的苯环结构有助于改善电池的电化学反应条件。但是,TAPB分子的弱极性导致S@rGO-TAPB电极在长循环时容量衰减较快。TAPA小分子具有适当的刚性-柔性结构以及较强的极性,所以无论是循环稳定性还是倍率性能都最为突出。(3)GO-TAPA/PP复合隔膜的制备及性能研究。高性能的隔膜可以通过物理和化学的共同作用抑制锂硫电池的穿梭效应。选择GO-TAPA复合材料作为传统聚丙烯(PP)隔膜的涂覆层,通过真空抽滤的方法,制备了 GO-TAPA/PP改性隔膜。这种功能化隔膜有助于对电解液的浸润和保存,从而改善电化学性能,并且能有效抑制电池的自放电行为。此外,这种以S@rGO-TAPA复合材料作为正极,GO-TAPA/PP作为隔膜组装的电池首次放电比容量为1267mAh/g,经100周循环过后容量的保持率可达70.2%。相比于普通PP隔膜,由于改性后的隔膜存在极性的表面,有助于捕获多硫化锂并能再利用,所以电池在充放电过程中活性物质的利用率和电池的循环稳定性均有提高。本研究以小分子三胺作为氮源以及GO片层的间隔物,在室温条件下采用两步法构筑本征型三维网络结构的氮掺杂石墨烯复合材料。这种复合材料不仅可以通过溶液法实现硫纳米颗粒均匀负载,并辅助以熔融法实现GO的部分还原和进一步地分散硫颗粒,而且可以作为PP隔膜的涂覆层以提高锂硫电池的电化学性能。