现代社会发展至今,随着传统化石燃料的逐渐消耗,能源危机问题日益凸显,新能源的开发和利用迫在眉睫。目前,新能源的研究方向主要包括太阳能、潮汐能、风能以及地热能等清洁能源。尽管取得了很多进展,然而这些新能源的能量产生是间歇式的,不利于实际使用。将这些能量存储起来,研究开发电化学储能体系势在必行。同时,飞速发展的电动车和电子设备也提高了对高性能储能体系的需求。锂离子电池、超级电容器等新一代储能体系的发展如火如荼。当前研究型锂离子电池的比能量能够达到250 Wh kg-1,但受制于正极材料其比能量很难再有大幅度提升,这对新型储能体系的研发产生了迫切需求。其中,以单质硫、金属锂作为正负极的锂硫电池吸引越来越多的关注,其高达2600 Wh kg-1的理论比能量以及1675 mAh g-1的理论比容量,远大于现阶段使用的商业化二次电池。此外,活性物质单质硫来源广泛、廉价以及环境友好的特点将有利于其商业化,在新型的能源储存设备,并在电子器件的动力设备、混合动力汽车等领域具有潜在的应用前景。在本论文中,我们成功设计合成新型三维多孔碳材料,并对其进行修饰和掺杂,系统研究了复合材料作为锂硫电池的性能,具体研究内容如下:(1)氮硼共掺杂多孔碳材料的制备及其性能研究。通过简单的一步碳化法对聚天冬氨酸和硼砂进行处理,得到一种类蚁穴的多孔硼氮共掺杂碳材料。其中硼砂起到了双重的作用:作为造孔剂可以促进材料内部孔结构的形成;作为掺杂剂能够在孔道表层引入硼原子,这种协同作用保证了大部分掺杂位点在孔表面分布,进而增强了在电池中对多硫化物的限制作用。多孔硼氮共掺杂碳材料与硫复合后作为正极应用到锂硫电池中,在0.1 C的倍率下,120圈循环后仍然保留有703 mAh g-1的放电比容量和101.3%的库伦效率。当倍率增大到0.5C,复合正极能够得到650 mAh g-1的初始放电比容量,100圈后还保持500 mAh g-1的容量,作为一种简单的多孔碳材料展现了较好的容量性能和倍率性能。(2)在(1)基础上,通过引入碳夹层来优化电池结构进一步改善锂硫电池综合性能。夹层作为一个独立的单元存在,相比复合碳正极能够最大限度发挥其阻隔作用进而极大缓解锂硫电池面临的“穿梭效应”,同时避免了电循环过程中体积效应导致的结构崩塌。采用喷涂法将多孔硼氮共掺杂碳材料涂覆于隔膜之上,在覆盖均匀的同时提高了电池整体的稳定性。将导电碳夹层放置在电池隔膜与硫正极之间,显著提高了电池的循环性能和倍率性能。0.5 C的倍率下,夹层体系有着高达1400 mAh g-1的初始放电比容量,250圈后仍然维持着约800 mAh g-1的容量和大约100%的库伦效率。当倍率增加到1 C时,经历初始25圈的容量起伏后最终稳定在750 mAh g-1,400圈后仍保留有700 mAh g-1左右的容量,展示了良好的循环稳定性和可逆性。