锂硫电池因具有高的理论比容量(1675 mAh g^-1)和高的理论能量密度(2500Wh Kg^-1),被认为是下一代最有应用前景的高比能量电池体系。除此之外,与传统的锂离子电池相比,其正极材料硫还具有储量丰富,价格低廉,环境友好等优势。然而,目前锂硫电池的商业应用仍受到电池容量低和循环寿命短等因素的制约。其中,比容量低主要是由于活性物质硫（S）及其放电产物Li₂S₂/Li₂S的导电性极差,以及多硫化物之间缓慢的转变反应动力学引起的;循环稳定性差则主要是由于多硫化物易溶解于电解液中,导致活性物质的不断损失引起的。此外,活性物质硫在循环过程中的体积效应（约80%）也可能造成电极结构坍塌,从而导致电池循环稳定性差。为了解决以上问题,近年来研究人员将各种碳材料作为活性物质硫的载体。碳材料可以有效提高电极导电性,从而提高电池的比容量。然而,由于非极性的碳材料不能有效吸附极性的多硫化物,因此多硫化物仍然极易溶解到电解液中,从而造成穿梭效应严重、活性物质流失以及锂金属负极的腐蚀,导致容量迅速衰减。近期,研究人员发现一些极性材料（TiO₂、MnO₂、Ti₄O₇等）可以与多硫化物形成较强的化学键,从而吸附多硫化物,有效缓解其溶解于电解液中。但是,目前应用在锂硫电池中的极性材料大多数为不规则的纳米颗粒。由于极性材料与多硫化物之间的吸附作用发生在极性材料的表面,当电极中的硫含量较高时,极性材料的表面难以吸附大量的多硫化物。为了解决这个问题,一种可行的方法是将极性材料设计制备成具有空心结构的载体材料。相比不规则的实心载体,空心结构的载体具有以下优势:I)为活性物质硫提供更大的内部空间;II)可以有效缓解硫的体积效应;III)相比实心载体,可以暴露更多的吸附位点;IV)通过物理封装的形式将多硫化物限制在载体的空心结构中,可以实现更有效的封装。本文制备了三种具有空心结构的极性材料作为硫的载体材料,并系统地研究了这三种载体材料与多硫化物之间的相互作用。具体工作如下:1.制备由超薄Ni（OH）₂纳米片组成的空心球作为硫的载体:首先用液相法合成空心纳米硫球。这种空心结构的硫可以有效缓解自身的体积效应,同时其纳米尺寸可以缩短锂离子和电子的传输路径,从而提高电极导电性。再在空心纳米硫球外包覆由超薄Ni（OH）₂纳米片组成的空心球。测试结果表明,核壳结构的S@Ni（OH）₂复合物中硫含量高达81 wt%;同时Ni（OH）₂与多硫化物之间还具有较强的化学相互作用。将S@Ni（OH）₂作为锂硫电池的正极材料使用时,在0.2 C的电流密度下其比容量高达1020 mAh g^-1;当电流密度增加到1 C时仍然可以稳定循环1000圈,而每圈的衰减率仅为0.04%。2.制备由空心纳米管组成的蜂巢状Co₉S₈球作为硫的载体材料:实验通过水热法和后续的硫化处理,首次合成出由空心纳米管组成的蜂巢状Co₉S₈球;再通过熔融扩散法将硫灌入空心纳米管的内部,最终得到S@Co₉S₈复合材料。实验和理论计算结果表明,Co₉S₈与多硫化物之间具有很强的相互作用。同时,我们首次发现Co₉S₈可以促进多硫化物之间的反应动力学。将S@Co₉S₈作为锂硫电池的正极材料使用时,在1 C的电流密度下,可以稳定循环600圈,而每圈的衰减率仅为0.026%;当电流密度增加到2 C时,仍具有高达806 mAh g^-1的比容量。3.制备空心纳米管组成的中国结状的NiCo₂S₄作为硫的载体材料:通过水热法和后续的硫化处理,本实验首次制备出由空心纳米管组成的中国结状NiCo₂S₄,随后通过熔融扩散法将硫灌入空心纳米管的内部,得到S@NiCo₂S₄复合物。其中,NiCo₂S₄独特的相互连通结构非常有利于锂离子和电子的传导。实验结果表明,极性的NiCo₂S₄可以有效吸附多硫化物,同时促进多硫化物之间的转换反应。将其作为锂硫电池的正极材料使用时,在0.1 C的电流密度下,具有1348 mAh g^-1的比容量;当电流密度增加至1 C时仍可以稳定循环1000圈,而每圈的衰减率仅为0.02%;当面积载硫量高达5 mg cm^-2时,仍表现出较高的比容量和良好的循环稳定性。综上所述,将精心设计的空心极性纳米材料作为活性物质硫的载体可以有效提高电池的比容量和循环稳定性,为高容量、长循环的锂硫电池的发展提供了新的思路。