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随着日趋严重的环境污染问题的出现、移动便携式电子设备以及纯电动交通工具迅猛发展对能源需求量的大幅增长，业界呼吁采用更高能量密度、更长循环寿命和低成本的电化学储能设备[1]。八元环结构的单质硫(S8)具有优异的热力学稳定性，丰富的氧化价态，高的理论比容量(1680mA·h/g)，以及来源丰富等优点。因此，锂硫电池被认为是最有希望实现低成本、高能量密度的储能设备之一。目前，锂硫电池商业化所面临的挑战主要来源于单质硫的绝缘性、中间产物易溶于电解液以及在循环过程中正极体积变化。二维平面的石墨烯具有高电子电导率(2×105cm2/V·s)，能大幅提高硫正极的导电性；其超大的比表面积(2630m2/g)及高机械强度等优异性能，能够容纳活性物相变引起的体积膨胀/收缩和防止纳米粒子的聚集。因此，本文通过氧化还原法制备石墨烯和改性石墨烯，再通过化学沉淀法将单质硫与其复合制备出一系列石墨烯基碳/硫复合材料，并研究其电化学性能。具体工作内容如下：
(1)以改进Hummer’s法制备氧化石墨烯(GO)，通过微波法将其还原，再以化学沉淀法将单质硫与还原氧化石墨烯(MRGO)复合，得到石墨烯/硫复合材料(MRGO/S)，其中单质硫粒径约为20nm。导电性优异的石墨烯和纳米尺寸的硫的共同作用提高了正极活性硫的电子电导率和利用率。MRGO-5/S复合正极材料在室温0.1C倍率下首次放电比容量达1247mA·h/g，循环50次后可逆容量保持为559mA·h/g；1C倍率下放电比容量为680mA·h/g，并且2C倍率长循环下放电比容量保持在430mA·h/g，具有良好的倍率性能。
(2)以硫脲为杂原子(N，S)掺杂源，通过微波法制得氮，硫共掺杂石墨烯材料(NSG)。通过杂原子掺杂来改变石墨烯的电化学活性和吸附性，提高导电基体与活性硫之间的亲和性，从而减少活性物质流失，提高电池循环寿命。经SEM和TEM观察发现NSG具有石墨烯的片层结构，片层发生扭曲且表面出现较多褶皱。其中NSG-4材料的氮元素含量为2.47wt%，硫元素含量为6.31wt%，NSG-4/S复合材料在0.1C倍率下的首次放电比容量达1581mA·h/g，100次循环后可逆容量保持为819mA·h/g，与未掺杂石墨烯相比，循环稳定性显著提高。
(3)将氧化石墨烯与碳纳米管超声分散均匀，经化学沉淀法覆硫后再还原，制得具有孔洞的三维分层结构的石墨烯/碳纳米管/硫复合材料(GC/S)。通过碳纳米管与石墨烯复合后形成的三维网络结构来有效抑制石墨烯团聚和减缓充放电过程中硫电极的体积变化，碳纳米管在石墨烯片层间均匀分散并且石墨烯将硫颗粒包裹在其中。在室温0.1C倍率下，GC/S复合材料的首次放电比容量为1405mA·h/g，循环50次后保持有593mA·h/g的可逆容量，并且GC/S复合材料循环后仍能保持三维网络骨架，在一定程度上减缓了体积膨胀对正极结构破坏，表现出良好的循环稳定性。
(1)以改进Hummer’s法制备氧化石墨烯(GO)，通过微波法将其还原，再以化学沉淀法将单质硫与还原氧化石墨烯(MRGO)复合，得到石墨烯/硫复合材料(MRGO/S)，其中单质硫粒径约为20nm。导电性优异的石墨烯和纳米尺寸的硫的共同作用提高了正极活性硫的电子电导率和利用率。MRGO-5/S复合正极材料在室温0.1C倍率下首次放电比容量达1247mA·h/g，循环50次后可逆容量保持为559mA·h/g；1C倍率下放电比容量为680mA·h/g，并且2C倍率长循环下放电比容量保持在430mA·h/g，具有良好的倍率性能。
(2)以硫脲为杂原子(N，S)掺杂源，通过微波法制得氮，硫共掺杂石墨烯材料(NSG)。通过杂原子掺杂来改变石墨烯的电化学活性和吸附性，提高导电基体与活性硫之间的亲和性，从而减少活性物质流失，提高电池循环寿命。经SEM和TEM观察发现NSG具有石墨烯的片层结构，片层发生扭曲且表面出现较多褶皱。其中NSG-4材料的氮元素含量为2.47wt%，硫元素含量为6.31wt%，NSG-4/S复合材料在0.1C倍率下的首次放电比容量达1581mA·h/g，100次循环后可逆容量保持为819mA·h/g，与未掺杂石墨烯相比，循环稳定性显著提高。
(3)将氧化石墨烯与碳纳米管超声分散均匀，经化学沉淀法覆硫后再还原，制得具有孔洞的三维分层结构的石墨烯/碳纳米管/硫复合材料(GC/S)。通过碳纳米管与石墨烯复合后形成的三维网络结构来有效抑制石墨烯团聚和减缓充放电过程中硫电极的体积变化，碳纳米管在石墨烯片层间均匀分散并且石墨烯将硫颗粒包裹在其中。在室温0.1C倍率下，GC/S复合材料的首次放电比容量为1405mA·h/g，循环50次后保持有593mA·h/g的可逆容量，并且GC/S复合材料循环后仍能保持三维网络骨架，在一定程度上减缓了体积膨胀对正极结构破坏，表现出良好的循环稳定性。