锂硫电池虽然具有高比能量（理论值可达2600 Wh kg–1、2800 Wh L–1）、高容量,环境友好及价格低廉等优点,但是目前同样面临着实际活性物质利用率低、循环寿命低和安全性差等一系列制约着锂硫电池进一步发展的重要问题。造成上述问题的主要原因是硫单质及其放电产物低的离子/电子导电性,电池在不断地充放电过程中的体积膨胀,锂硫电池所独有的中间产物可溶性的多硫化锂在正负极之间的穿梭效应以及放电产物硫化锂的不可逆沉积。本论文主要从硫正极的微纳结构设计、界面性质及改善放电产物的不可逆沉积入手,解决锂硫电池循环寿命差,比容量低等问题。1.以多孔碳为储硫基底,制备出相互交联的具有核壳结构的氮掺杂热解聚丙烯腈@碳-硫复合材料（pPAN@C/S）作为锂硫电池正极材料。制备出的复合材料在缓解硫电极在充放电过程中的体积膨胀效应的同时,实现对多硫化锂的物理和化学的双重吸附作用。探讨了氮掺杂的聚合物包覆层在锂硫电池放电过程中的作用,表征了氮元素掺杂对电化学性能的影响。提高了硫电极的电化学利用率,改善了其循环稳定性以及倍率性能。得益于材料对多硫化锂的双重吸附作用,pPAN@C/S材料表现出了优异的电化学性能。电化学测试结果表明,pPAN1@C/S材料在0.5C的电流密度下,具有高达1269 mAh g–1的初始放电比容量,同时材料显示出了优异的倍率性能。该材料提高了硫电极的电化学利用率,有效改善了其循环稳定性以及倍率性能。2.通过改善储硫基底碳材料的内部结构、孔道结构和表面性质可以提高锂硫电池的电化学性能。以氧化锌为自模板原位生成ZIF-8,制备出了具有内部多壳层结构的氮掺杂分级多孔碳球（N-ZDC）,其特殊的内部多壳层结构、大的比表面和孔体积可以缓冲硫电极在充放电过程中的体积膨胀以及中间产物多硫化锂向电解液中的溶解和扩散,高的电子导电性等可以有效提高硫电极的电子/离子导电率、确保了活性物的利用率。同时,掺杂的氮原子可以与多硫离子之间形成化学键作用,从化学作用方面进一步提高了碳材料对多硫离子的吸附作用。电化学测试结果表明,N-ZDC/S电极在0.5 C、1 C和2 C的电流密度小,分别具有1343 mAh g^-1、1182 mAh g^-1和698 mAh g^-1的初始比容量。并且,在2 C的电流密度下,电池循环了800圈,平均每圈只有0.048%的容量衰减。3.以ZIF材料为基础,在锂硫电池中引入催化剂的概念,通过合理设计制备出兼具结构优势和催化性能的多功能氮掺杂的碳基富钴催化剂（Co-HC-NCNTs）,初步探究了氮掺杂及钴对锂硫电池中硫化锂的可逆沉积及其电化学活性的影响。研究了其在稳定电化学反应界面以及改善硫电极的循环稳定性与倍率性能方面的优势。电化学测试结果表明,在0.5 C的电流密度下,Co-HC-CNTs/S电极的初始放电比容量达到1225 mAh g^-1,循环300圈后,其放电比容量依然可以保持在约1112 mAh g^-1。在1 C的电流密度下初始放电比容量达到902 mAh g^-1,循环300圈后,放电比容量依然可以保持在约776 mAh g^-1,平均每圈只有0.046%的容量衰减。4.通过合理设计制备出多功能四氧化三钴纳米阵列（CC@Co₃O₄）,运用非原位拉曼和其他电化学表征方法,探究了四氧化三钴在锂硫电池充放电循环过程中对多硫化锂的吸附及其催化硫化锂的高效分解的机制,并讨论了其对电池可逆性的影响。电化学测试结果表明,在0.5 C的电流密度下,CC@Co₃O₄纳米阵列电极的初始放电比容量达到1231 mAh g^-1,在0.5 C的电流密度下循环500圈后,电极容量衰减率保持在约为0.049%。本实验表明,将催化剂引入锂硫电池可以大大提高其电化学性能,得到高容量、长循环的锂硫电池。