得益于高比容量、成本低廉和环境友好等优势,锂硫电池被认为是非常有发展前景的新一代高效储能体系。然而其规模化生产及商业化应用受到许多问题的阻碍,包括活性物质电导率低,充放电过程中存在体积变化,可溶于电解液中间产物导致的穿梭效应等问题。由于钴基硫化物不仅能够强烈吸附可溶性的多硫化锂（LiPS）,而且能够有效地加速电化学氧化还原反应的进行,故其被广泛应用来解决以上问题。然而,随着载硫量的增加,它们有限的吸附位和催化活性位不足以有效抑制LiPS的穿梭效应。本文通过异质结构设计和杂原子掺杂来进一步提高钴基硫化物的电化学催化和吸附能力。具体研究内容如下:首先,针对钴基硫化物吸附或催化位点有限和导电性不足的问题,利用基于柯肯达尔效应的自牺牲模板法制备了Co₃S₄/MnS异质结构纳米管阵列（CC@CMS-NA）。阵列结构避免了粘合剂的使用,构建了高效的3D导电网络,因此有利于电子的快速传输和活性位的充分暴露。理论计算和实验结果也表明,Co₃S₄/MnS异质结构可以提高Co₃S₄对可溶性LiPS的吸附能力和催化转化能力。得益于阵列结构和异质结构的上述优势,采用CC@CMS-NA正极的锂硫电池表现出良好的循环性能,在2.67 mA cm^-2电流密度和3.2 mg cm^-2的载硫量条件下,经过200循环后比容量能保持95.8%。为进一步提升钴基硫化物的吸附和催化性能,采用冷冻干燥和高温热解二步法制备了P掺杂的Co₉S₈纳米粒子,将其嵌入3D海绵碳片作为锂硫电池的电化学催化剂和吸附剂。Co₉S₈拥有混合价金属离子(Co³⁺和Co²⁺),可以为LiPS的电化学反应提供良好的固有催化活性;纳米化使得活性位点得以充分暴露;P原子掺杂可以调节Co₉S₈的电子结构进一步促进其吸附和催化能力。采用所制备的P掺杂Co₉S₈纳米颗粒嵌入的3D海绵碳对锂硫电池的隔膜进行修饰,使电池显示出高的面容量和优秀的循环稳定性。在1C下的初始放电比容量为961 mAh g^-1,900循环后的比容量保留率为53.3%,对应每个循环的衰减率为0.05%;即使在5.6 mg cm^-2高面积载硫量条件下,电池以0.1 C倍率放电,比容量仍可达到783 mAh g^-1(相当于4.38 mAh cm^-2的面容量)。综上所述,异质结构设计和杂原子掺杂可以促进钴基硫化物的对LiPS的吸附和催化转化能力,将改性的钴基硫化物应用至锂硫电池使得电池的循环性能和硫的利用率得到了很大的提升。本文为高效的LiPS催化剂的设计提供了新思路。