基于单质硫能量密度高、储量丰富、成本低廉和环境友好等优点,以单质硫为正极材料的锂硫电池相关技术逐渐成为近年来化学电源材料领域的研究热点。但是,由于锂硫电池电化学反应中间产物聚硫离子(S_n^2-,8≥n≥3)易溶于有机电解液,在浓度梯度作用下会逐渐向金属锂负极扩散并与之反应,导致电池内部产生飞梭现象及金属锂负极表面腐蚀钝化,造成锂硫电池硫利用率低和循环性能差等问题,阻碍了锂硫电池的产业化发展。为了解决以上问题,本论文提出基于PP/LiPON复合膜与聚乙二醇甲基丙烯酸酯（PEGMA）基凝胶聚合物电解质（GPE）膜的两种新型锂硫电池聚硫离子(S_n^2-,8≥n≥3)阻隔方式,旨在达到传导锂离子而抑制硫正极电化学活性物质向金属锂负极扩散迁移,从而提高电池硫利用率和循环性能的目的。本论文系统开展了LiPON薄膜电解质低温溅射工艺研究,PP/LiPON复合膜的设计和电化学性能研究以及PP/LiPON复合膜锂硫电池充放电性能研究,并对新型PEGMA基GPE膜应用于锂硫电池的可行性及其对电池充放电性能的影响进行了系统研究。主要研究工作包括:开展了LiPON薄膜电解质的低温溅射沉积工艺研究。以Li₃PO₄为靶材,高纯氮气为反应溅射活性气体,采用射频磁控溅射法在低温（10¹5οC）循环冷却水基台上沉积制备了LiPON薄膜电解质。系统研究了氮气压强、氮气流量和溅射功率等溅射条件对LiPON薄膜电解质离子电导率的影响。通过优化溅射工艺参数确定了LiPON薄膜电解质的最佳沉积条件:当氮气压强为1.5 Pa,氮气流量为70 sccm,溅射功率为120 W时沉积制备的LiPON薄膜离子传导性能最优,室温离子电导率达1.5×10^-6 S/cm。开展了LiPON薄膜离子电导率影响因素的研究。通过SEM、EIS、EDS、XRD及XPS等分析测试手段对LiPON薄膜电解质的传导性能、化学成分和键合结构进行了系统表征和分析,探讨了影响LiPON薄膜离子电导率的影响因素。研究表明,LiPON薄膜离子电导率的提高和锂离子迁移活化能的降低主要得益于锂离子迁移率的增加,而锂离子迁移率的增加与LiPON薄膜结构的改变有关。N原子插入到γ-Li₃PO₄四面体结构,以N_d和N+_t的形式取代O_b和O_d,使薄膜中形成微交联的网络结构。其中,带两个N+_t结构单元的PO₂N₂四面体结构单元比其它氮化磷酸盐四面体结构单元能提供交联密度更高、静电能更低、锂离子迁移率更高的玻璃网络结构。开展了PP/LiPON复合膜的制备和阻隔性能研究。SEM和AFM结果表明,通过控制溅射时间,可制备出“部分覆盖”、“生长覆盖”和“基本覆盖”等三种覆盖类型的PP/LiPON复合膜。通过正极S₈（l）和S_n^2-（8≥n≥3）等含硫粒子的扩散实验及数据分析,对PP/LiPON复合膜的覆盖程度进行了定量描述。其中,LiPON层表观膜厚为1.0μm的“基本覆盖”型复合膜覆盖度达94%,含硫粒子在该复合膜中扩散至锂负极半电池中的浓度仅为相同条件下PP微孔膜扩散量的1/12。开展了三种覆盖类型PP/LiPON复合膜体系的电化学性能研究。采用EIS和LSV等测试技术系统研究了三种覆盖类型PP/LiPON复合膜体系的离子电导率和电化学稳定窗口。结果表明,三种覆盖类型的复合膜体系离子电导率(10^-4 S/cm)均比PP微孔膜体系降低了一个数量级,但仍基本满足锂硫电池对室温离子电导率的需求。此外,“生长覆盖”和“基本覆盖”型复合膜体系表现出了优异的电化学稳定性。开展了在常规充放电电流密度下（100 mA/g）PP/LiPON复合膜覆盖类型与锂硫电池硫利用率和循环性能相互关系的研究。充放电性能测试结果表明,锂硫电池的首次放电容量、循环稳定性和库仑效率随LiPON层覆盖程度的增加而提高。其中,由于高覆盖度的PP/LiPON复合膜较好地阻塞了硫正极聚硫离子向金属锂负极扩散迁移的通道,电池内部飞梭现象和金属锂负极的腐蚀得到控制,使电池容量损失明显降低。其中,采用覆盖度为94%的“基本覆盖”型复合膜的锂硫电池经50次循环以后仍保持有初始放电容量的56%（483 mAh/g）,首次循环库仑效率接近100%,且随循环进行较为稳定。开展了PEGMA基GPE膜应用于锂硫电池的可行性研究,评估了PEGMA基GPE膜在常规充放电电流密度下（100 mA/g）对电池硫利用率和循环性能的影响。结果表明,由于B-PEG和Al-PEG的空间位阻效应和Lewis酸特性,PEGMA基GPE膜对硫活性物质的扩散具有较好的抑制作用,使锂硫电池硫利用率和循环性能均得到了显著提高。采用PEGMA基GPE膜的电池首次放电容量达1267 mAh/g,经20次循环后仍保持有790 mAh/g的放电容量。电池首次循环库仑效率达97%且随循环进行较稳定。开展了PP/LiPON复合膜与PEGMA基GPE膜两种固体电解质隔膜对锂硫电池循环性能改善作用的对比研究,明确了阻隔的两种可能形式在锂硫电池中的表观差异。结果表明,在常规充放电电流密度（100 mA/g）条件下,采用“基本覆盖”型PP/LiPON复合膜的锂硫电池循环过程是一个以较低容量衰减率（0.9%）渐降的过程;而PEGMA基GPE锂硫电池经首次循环后其循环过程表现为平均容量衰减率仅0.4%的较稳定过程。这表明以空间位阻效应及Lewis酸特性相结合的物理-化学阻隔方式优于纯物理阻隔方式。开展了PEGMA基GPE膜在不同放电电流密度下对电池硫利用率和循环性能的研究。结果表明,由于PEGMA基GPE膜有效抑制了飞梭现象和金属锂负极的腐蚀钝化,并保持活性物质在正极内部的均匀分布,采用PEGMA基GPE膜的锂硫电池在50⁵00 mA/g的放电电流范围内硫利用率和循环性能均得到了显著改善。特别是,当放电电流为50 mA/g时,PEGMA基GPE锂硫电池能提供1404 mAh/g的首次放电容量,是相同电流密度下有机电解液锂硫电池的两倍多;当放电电流为500 mA/g时,PEGMA基GPE锂硫电池经20次循环以后放电容量仍保持在585 mAh/g。此外,无论在100 mA/g还是500 mA/g的放电电流下,由EIS测试得出PEGMA基GPE锂硫电池导电相界面电荷迁移电阻R_t值变化较小,仅为相同循环条件下有机电解液电池R_t值变化率的1/6和1/8。