锂硫电池具有价格低廉、物产丰富和高理论比容量等优点,成为广泛研究的热点。然而,锂硫电池不仅正极存在着高内阻、严重的多硫化物“穿梭效应”以及巨大的体积膨胀问题,而且负极存在锂枝晶生长和体积膨胀等问题。因此,构建具有独特结构的正负极的锂硫电池是有效解决上述瓶颈的有效途径之一,也是高性能锂硫电池研究的关键及挑战。本论文围绕锂硫电池的正负极,设计并构建了多级三维复合导电网络结构,有效地改善正极的低电导性,缓解多硫化物的“穿梭效应”,抑制正负极的体积膨胀和锂枝晶生长等问题。主要研究结果如下:（1）利用高温碳化法结合湿法刻蚀,设计并构建了基于管/纳米片（HPCF）同轴多级结构的高性能全碳泡沫纤维锂硫电池正极。全碳材料解决了正极的低电导性,三维结构的多级多孔碳纳米片结构有效地抑制多硫化物的“穿梭效应”,缓解体积膨胀问题,并提供电子/离子传输快速通道。制备的HPCF-1000具有72wt%的高硫负载量,0.2 C的电流密度下,初始放电比容量达到1097.3 m Ah/g,500圈周期循环后,仍具有68.7%的较高的容量保持率。（2）提出了可规模化的湿法刻蚀结合热还原膨胀法,构建出基于缺陷氧调制的三维石墨烯筛（Hr GO）网络锂硫电池负极。制备Hr GO薄膜的缺陷氧提供丰富的亲锂位点,大的比表面积降低电压的分布势垒,抑制锂枝晶生长。三维多孔片层结构增加电解液的浸润性,缓解金属锂的体积膨胀。Li-Hr GO-4复合薄膜的对称电池在0.2 m A/cm~2面电流密度下,运行1900小时后极化电压热仍可以稳定在11 m V。第一性原理计算表明Hr GO纳米片孔洞缺陷上的C-O和O-C=O含氧官能团对Li具有很强的亲和力,使其均匀沉积。Li Fe PO4/Li-Hr GO-4全电池在1 C的电流密度下,300圈周期循环后具有86.1%的容量保持率。同时,在0.2C电流密度下,HPCF-1000/S-Li-Hr GO-4全电池在500圈周期循环后仍具有75.5%的容量保持率。（3）提出了液相化学反应结合高温退火法,构建出基于三维镍/氧化镍（Ni@Ni O）多级芯鞘结构的自支撑薄膜,实现了锂硫电池负极的长效稳定性。Ni@Ni O薄膜高导电骨架加速电子的传输,三维多级芯鞘结构成为金属锂的有效沉积位点并缓解较大的体积膨胀。Li-Ni@Ni O-400复合薄膜的对称电池在面电流密度为1.0 m A/cm~2时,运行2020小时后极化电压稳定在13 m V。Li Fe PO4/Li-Ni@Ni O-400在1 C的电流密度下,经过500圈周期循环后具有93.8%的容量保持率。同时,在0.2 C电流密度下,HPCF-1000/S-Li-Ni@Ni O-400全电池在500圈周期循环后显示了83.3%的容量保持率。综上所述,本论文通过多级三维复合导电网络结构的设计及构建,解决了正极的多硫化物“穿梭效应”、低电导率和负极面临的体积膨胀、锂枝晶生长等问题,为高性能的锂硫电池正负极结构的设计及应用奠定了基础。