单质硫的储量大,开采成本低且安全环保,同时以硫为正极的锂硫电池具有超高的比容量和能量密度,是理想的储能器件。目前锂硫电池主要存在以下问题:单质硫及其放电产物导电性差,活性物质利用率低,电化学活性不高;放电过程中生成可溶的多硫化物,会造成穿梭效应,导致活性物质损失和比容量降低;充放电过程中电极材料的体积变化会破坏电极结构,降低循环稳定性。针对以上问题,本文制备了基于3D自支撑多孔结构的碳纳米管阵列/硫以及碳纳米管海绵/硫复合锂硫电池正极材料(CNTA/S,CNTS/S),通过与无规碳纳米管/硫复合正极材料(RCNT/S)对比,详细考察了含硫量、填充方法以及不同孔隙结构的含硫碳管电极对于锂硫电池电化学容量、离子迁移效率、倍率性能以及循环稳定性的影响规律,为进一步设计与开发高性能锂硫电池正极材料提供了必要的实验参考。本文中我们制备的两种具有3D自支撑结构的碳管阵列和碳管海绵材料具有三维导电网络和孔道结构,均可有效提高硫的利用率及电化学活性,同时抑制多硫化物的穿梭效应,并缓冲充放电过程中的体积变化,比相同条件下无规碳管复合硫材料具有更低的内阻,更高的比容量,以及更长的循环寿命。熔融填充法相较溶液法更易获得晶态硫,并获得更高的初始容量。碳管阵列具有取向排列孔结构,更有利于电解液的渗透以及电子和离子的传输,使得器件电阻更小,倍率性能更佳。碳管海绵具有三维交叉互连的网络结构,孔隙率大,可获得更高的硫负载量。同时其弹性网络结构有利于缓冲充放电过程中的体积变化,提高循环稳定性。其中含硫量高达60%的熔融法硫填充碳管海绵(M-CNTS/S)复合材料在0.5 C、1 C和3 C电流密度下的首次放电比容量分别达到1285.5、1029.6和899.7 mAh g-1,在3 C电流密度下循环100次后放电比容量的保持率可达88%。