锂硫电池是一种由单质硫正极与金属锂负极构筑的具有高理论能量密度(2600 Wh kg^-1或2800 Wh L^-1)、快速充电特性的新一代能量储存系统。单质硫作为锂硫电池正极的主要活性物质,其原料丰富、价格低廉、环境友好,具有广阔的应用前景,尤其是在智能手机、平板显示、柔性可穿戴设备、电动汽车、智能电网和航空航天等领域显示出极大的竞争潜力。目前,锂硫电池受限于实际循环寿命低、能量密度低等原因无法实现大规模的商业应用。本论文从锂硫电池正极出发构筑过渡金属基纳米催化材料与碳基材料的复合物基体,以改善硫及其放电产物的电子电导性和离子扩散性,缓解充放电过程中巨大的体积膨胀（⁸0%）造成的正极粉化,构筑活性位点并通过化学/物理相互作用吸附可溶性的多硫化物,改善中间产物的穿梭效应,提高电化学反应的动力学特性,促进中间产物的快速转化、转移。针对硫正极的结构和电化学界面的设计与调控展开相关研发工作,构筑具有优异导电性、强多硫化物吸附和催化、稳定可控的电化学反应界面,提高硫的转化效率,改善其循环稳定性。论文的具体研究内容如下:1、通过在氮掺杂三维互联碳网上沉积高导电、高极性的过渡金属硒化物Co₃Se₄,并首次将其应用于锂硫电池正极材料。具有分级多孔结构的氮掺杂三维互联碳网可以有效减小材料堆积产生的界面电阻,增加导电性,构筑离子的快速传输通道。氮掺杂三维互联碳网上负载Co₃Se₄纳米颗粒作为硫基质可通过物理阻挡和化学吸附抑制多硫化物的穿梭反应,缓解多硫化物对锂金属负极的腐蚀,提高硫的利用率。研究结果表明,所制备的N-CN-750@Co₃Se₄具有良好的电化学性能,该材料在0.2 C电流密度下连续循环5个月（800圈）,比容量依然保持在500 mAh g^-1以上,其库伦效率超过99.3%,表现出良好的循环稳定性。2、虽然我们成功合成了Co₃Se₄纳米颗粒,但是其粒径依然较大,且分布难以做到均一。为解决纳米颗粒尺寸和分布的问题,我们通过水热法合成了粒径均匀分布的硫化镉（CdS）量子点,在其表面修饰油胺配体,并将该量子点纳米晶均匀“嫁接”于高比表面积的碳纳米管（CNT）上,构筑出高催化活性和高导电性的复合结构。通过调控CdS量子点与CNT的不同复合比例,得到催化位点丰富的CNT/CdS-QDs 30%硫基体。在该设计中,高比表面积的CNT用作电子/离子传输的通道和硫的主要载体,可缓解反应中的体积膨胀,同时CdS量子点作为CNT表面的吸附和催化位点,可与多硫化锂形成强的相互作用,减缓多硫化物的穿梭反应。电化学测试结果表明,该材料在0.2 C电流密度下的初始容量高达1237.8 mAh g^-1,在2.0 C下仍能保持918.1 mAh g^-1,表现出良好的倍率性能。在0.5 C下循环150圈后,容量可保持在820.6 mAh g^-1,并且库伦效率超过98.0%,表现出良好的循环稳定性。3、当材料的尺寸减小到纳米尺度时,材料易发生聚集,导致活性位点的减少,电子和离子导程增长,不利于与电解液和多硫化物的接触。为此,本文还探讨为过渡金属纳米材料修饰配体,引入具有高导电和高催化特性的金属有机框架（MOF）材料—Ni₃（HITP）₂。通过一步水热法合成了Ni₃（HITP）₂,并首次将高导电的MOF材料直接用于制备锂硫电池的硫正极。通过结合长程导电的CNT导电剂与短程导电的MOF构筑具有电子/离子传导的网络结构。Ni₃（HITP）₂具有类石墨烯结构,对多硫化物具有良好的吸附特性,并能促进电化学反应中硫的固-液-固转化动力学。电化学测试结果表明,所制备的S@Ni₃（HITP）₂表现出更高的倍率和循环性能,在0.2 C电流密度下具有1302.9 mAh g^-1的高初始容量,在0.5C和1 C下分别进行150和300次循环,可逆放电容量分别为807.4和629.6 mAh g^-1。