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用于便携式电子设备、电动车和智能电网的先进电能存储系统需要满足以下要求:高能量密度、高功率密度、低成本、安全可靠、长寿命、环境友好。目前锂离子电池由于电极材料的限制，其比能量已接近理沦值，很难满足未来应用的需求。因此，开发新型的电化学储能体系势在必行。在新型电化学储能体系中，基于两电子反应的以金属锂为负极、单质硫为正极的锂硫电池理论上具有远高于锂离子电池的比能量。同时，单质硫廉价和环境友好等特点使其极具商业价值。然而，锂硫电池正极用的单质硫及其放电产物存在导电性差、中间产物多硫化物的溶解和穿梭、充放电过程中体积变化等问题，造成活性材料利用率低、库伦效率低、循环性能差，阻碍了锂硫电池的实用化。针对锂硫电池正极存在的问题，本论文采用纳米碳材料来构造功能化导电网络，利用纳米碳材料的物理抑制和有机聚合物硫中的碳-硫键化学抑制来解决上述问题，设计、制备了锂硫电池正极用纳米碳/硫材料，并开展了电池整体结构进行设计和器件开发等相关工作。取得的主要研究成果如下: （一）获得了具有优异电化学性能的多级杂化嵌套的三维石墨烯材料。将高导电的石墨烯泡沫与含丰富含氧官能团的还原氧化石墨烯气凝胶相结合，利用化学气相沉积和气凝胶过程，获得了具有多级杂化嵌套网络的三维石墨烯材料。将该材料作为锂硫电池正极的硫载体和集流体，利用多孔结构和大表面积实现了高达9.8mg cm-2的载硫量和89.4wt％的硫含量的正极材料。在0.2C倍率下，表现出高达10.3mAh cm-2的面积容量，是商用锂离子电池正极的两倍以上。利用该材料易于放大的特点，组装了正极面积达10cm2的大尺寸软包锂硫全电池，其比容量与扣式电池相当，表现出极大的实用化前景。改进了多级杂化嵌套的三维石墨烯材料，制备出具有含氧官能团梯度分布的双功能材料，含氧官能团缺乏面具有较高的导电性，含氧官能团富集面则具有较高的电催化活性，应用于全钒液流电池获得了优异的电化学性能，表明该材料可在多个电化学储能体系中获得应用。 （二）制备出具有物理和化学双重抑制多硫化物穿梭的碳纳米管/有机聚合物硫材料。提出了将碳纳米中空管腔的物理抑制多硫化物与有机聚合物硫中碳-硫成键固定多硫化物的化学抑制相结合的思路。通过将有机聚合物硫装填到以阳极氧化铝为模板获得的碳纳米管中空管腔中，获得了碳纳米管/有机聚合物硫材料。该材料通过物理和化学作用协同抑制了多硫化物穿梭的同时，利用碳纳米管提高有机聚合物硫的导电性，并调节碳纳米管的预留空间来缓冲活性物质在充放电过程中的体积变化，从而保证了电极结构的稳定性，实现了良好的电化学性能。将该材料制成无粘结剂、导电剂和金属集流体的一体式极片，用于锂硫电池时，在1C的放电倍率下循环100周，容量高达880mAh g-1，容量保持率为98％，远优于仅物理抑制的碳纳米管/硫材料的电化学性能。采用物理和化学双重作用抑制多硫化物穿梭的思路为获得高性能锂硫电池提供了全新的解决途径。 （三）获得了化学抑制多硫化物穿梭的高硫含量石墨烯/有机聚合物硫材料。提出了利用在有机聚合物硫中形成的短链小分子硫(-C-S-S-S-C-)，将反应固定在活性物质表面发生来抑制多硫化物穿梭的思路。采用1，2，3-三氯丙烷与三硫化钠为原料，在石墨烯水溶液中添加相转移催化剂，通过控制界面聚合过程得到了石墨烯/有机聚合物硫材料。该有机聚合物硫中的碳硫比为1∶1.4，硫含量高达75wt％，显著高于现有的含有小硫分子的聚合物材料。将石墨烯/有机聚合物硫材料应用于锂硫电池正极，石墨烯作为电子传导基体，可通过构建的导电网络来有效改善有机聚合物硫的电化学性能。将此石墨烯/有机聚合物硫材料用作锂硫电池正极，对充放电过程中生成的中间产物进行分析，发现有机聚合物硫材料在整个充放电过程中没有长链的多硫化物产生，在未使用LiNO3的情况下，库伦效率接近100％，从活性物质源头上抑制了穿梭效应的发生。此外，作为弹性胶体的有机聚合物硫，可适应充放电过程中的体积变化，提高电极的结构稳定性，进而实现了良好的电化学性能。