随着便携式电子设备、电动汽车的快速发展以及大规模电网储能的应用,人们对高存储能力的技术需求也在快速增长。目前广泛使用的锂离子电池,其能量密度和循环寿命有限,因而无法满足当前对能源存储的需求。锂硫电池利用硫与锂离子之间的可逆转化反应来储能,理论上可以达到比传统锂离子电池高几倍的能量密度,加之硫在地壳中储量丰富且价格便宜,因此,结合锂金属负极和硫正极发展起来的锂硫电池在实际应用方面显示出巨大的潜力。然而,尽管本身表现出优良的性能,锂硫电池仍存在许多问题亟待解决。除了硫和最终产物硫化锂电子/离子电导率低之外,锂硫电池在充放电过程中还存在着明显的体积变化(约80%)。更突出的问题是,电池的放电产物-多硫化物中间体,容易溶解于电解液中并引起穿梭效应的发生,这在循环过程中会不可避免地造成硫活性材料的损失、自放电以及低库仑效率值。虽然通过在多孔碳基底上负载硫可以一定程度上解决上述问题,但是目前大多数工作中硫的负载都较低(低于2 mg cm-2)。增加硫负载会导致正极材料开裂并从集流体上脱落。此外,由于多孔碳内部的空隙及其在正极中的占比较大,高硫负载量总是以高E/S(电解液的用量与硫活性材料质量的比值)为代价实现的,旨在完全润湿电极,然而这会相应降低整体能量密度。因此,构建具有高硫负载和低E/S比的锂硫电池至关重要。针对上述问题,本文设计并制备了新型的硫基复合材料;探讨了导电聚合物粘结剂对于改善硫正极高负载性能的积极作用;研究了原位形成的SEI膜对可溶性多硫化物的束缚作用;具体研究内容如下:通过对硫颗粒表面进行硝基功能化修饰(Nitryl-S),并在最初的充放电过程中原位形成固态电解质界面(SEI)膜,可以有效地提升库伦效率。值得注意的是,原位XRD测试可以使我们清楚地观察到硫正极表面SEI层的形成,这层SEI可以作为阻挡层,防止硫活性物质的损失。Nitryl-S正极在电流密度从0.1 C增加到2 C时,其库伦效率值高达99.5%。此外,作为锂离子导体的SEI层可以在允许锂离子传输的同时防止电解质穿过,可溶性多硫化物不能扩散出SEI层而只能被束缚在正极中,保证了Nitryl-S的循环稳定性。原位紫外/可见光谱测试表明电解液中可溶性多硫化物的浓度明显降低,进一步证实了上述结果。通过将硫以共价键的方式结合到巯基化石墨烯基底(AFG),可以有效束缚锂硫电池中的放电产物。需要指出的是,DFT计算表明,AFG/S中互相交联的硫链在放电时易于从中间位置(S4-S5键)断裂(此时的离解能最低,只有-16.14 kcalmol-1),并形成固定在石墨烯基底上的多硫化锂。进一步的放电反应则产生短链多硫化锂。原位紫外/可见光谱及其衍生曲线同样表明,整个充放电过程中仅产生短链多硫化物。通过功能化石墨烯表面的烯丙基官能团与硫之间的自由基聚合反应,可以将硫共价固定在石墨烯表面,所制备的硫正极显示出明显改善的库伦效率和倍率性能。其中,烯丙胺分子作为中间体可与氧化石墨烯反应并引入烯丙基官能团;同时,石墨烯纳米片作为固定硫物质的载体,可以提升电导性和比容量。结果,这种集成的分子结构作为锂硫电池的正极显示出优异的电化学性能,在循环200圈之后比容量仍能保持初始容量的92%,并且库伦效率始终保持在～100%。此外,该材料还表现出优异的倍率性能,在0.2、0.5、1、2、4和6C的电流密度条件下的比容量分别为1300、1091、963、834、757和702 mAh g-1,并且库伦效率始终为～100%。通过原位紫外/可见光谱测试和DFT理论计算可知,这种复合材料在充放电过程中只有短链的多硫化物产生。通过在粘性羧甲基纤维素钠基底中化学聚合4,4’-联苯二磺酸修饰吡咯单体,可以形成一种结晶结构的双链聚合物网络粘结剂(DCP)。这种DCP粘结剂有助于改善粒子间物理连接以及促进电子/离子的输运,从而实现锂硫电池的高硫负载、优越的倍率性能和良好的循环稳定性。因此,基于DCP粘结剂的硫正极(S@DCP)表现出优异的倍率性能。此外,S@DCP正极在硫负载高达9.8 mgcm-2时仍能保持结构完整性且表面没有开裂,并具有9.2 mAh cm-2的高面积比容量。原位UV/Vis光谱测试证明DCP粘结剂可以有效阻止多硫化物的溶解并提升电池的循环性能。