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锂硫(Li-S)电池以其超高的理论比容量(1672 mAh g-1)和能量密度(2600 Wh kg-1)在新一代储能器件中脱颖而出。此外,作为Li-S电池中正极材料的单质硫具有储量丰富、环境友好以及价格低廉等优点,相较于目前广泛使用的锂离子电池正极材料更具优势。因此,Li-S电池被视为最具有竞争力的下一代可充电电池候选者之一。但是,硫正极仍受到单质硫电导率低、循环过程中体积变化大以及多硫化锂(LiPSs)的穿梭效应等问题的制约,进而导致了电池低的硫利用率和差的循环性能。这些因素严重阻碍了Li-S电池的实际应用和商业化发展。为了解决上述问题,本论文以应用最广泛的碳基材料为出发点,针对纯碳材料对穿梭效应限制较差的问题,通过对硼碳氮(BCN)这种改性碳材料进行优化和改进,设计制备了一系列BCN基纳米复合材料作为硫的高效载体,研究了其电化学性能,并探索了 BCN基纳米复合材料在电池性能提升中的作用机制。具体研究内容如下:(1)利用简单的固相反应一步煅烧制备了 BCN纳米管(BCNNTs)材料,研究了其作为Li-S电池载硫材料时的电化学性能,并分析了其与LiPSs之间的作用机理。XRD、Raman、SEM和TEM结果证实成功制备了具有管状结构的BCNNTs材料,为硫的大量存储奠定了基础,并能缓解硫在循环过程中的体积变化。N2等温吸脱附测试显示材料的比表面积高达249.3 m2 g-1,为LiPSs的吸附提供了更丰富的活性位点。理论计算和XPS结果证明了 BCNNTs通过与LiPSs的强化学相互作用而极大地抑制了穿梭效应。所组装的Li-S电池表现出优异的电化学性能,在0.2 C下的初始比容量为1233.0 mAh g-1,并且在1 C的大倍率下循环1000次后比容量仍保持619.6 mAh g-1,平均每个循环的容量衰减仅为0.041%。(2)为进一步增强对LiPSs穿梭效应的限制作用,以高导电性的BCNNTs为基底,通过固相合成的方式制备了 Ga203/BCNNTs复合材料,并首次将其作为Li-S电池中硫的载体材料,研究了其电化学性能,同时探索了复合材料吸附LiPSs的作用机制。形貌和结构表征结果表明复合后BCNNTs的管状形貌得以保留,该结构有利于适应硫在循环过程中的体积膨胀。LiPSs吸附实验和XPS结果显示Ga203/BCNNTs对LiPSs表现出强的化学吸附作用,有效地抑制了LiPSs在电解液中的溶解。在Ga2O3和BCNNTs的协同作用下,Ga2O3/BCNNTs/S复合电极展现出了较高的比容量和良好的循环稳定性。在0.2 C的倍率下经过200次循环后,仍能保持914.1 mAh g-1的放电比容量,具有80%的容量保持率和99.5%的库伦效率。(3)通过简单的固相反应,设计合成了一种可用作硫载体的V2O3/BCNNTs复合材料,并在研究其充放电性能的基础上,分析了复合材料与LiPSs的相互作用。SEM和HRTEM证实了复合材料中BCNNTs与V2O3之间紧密界面的存在,这为LiPSs的吸附及Li+的高效传输提供了高活性空间。EIS和CV测试分析结果显示BCNNTs导电网络弥补了 V2O3导电性差的缺点,加速了其电化学动力学过程。充放电测试表明复合电极具有较高的活性物质利用率和放电比容量,其在0.2 C下循环200周后仍具有1018.3 mAh g-1的放电比容量和高达74.5%的容量保持率及99.6%的库伦效率。结合XPS、理论计算和对称电池测试结果发现,V2O3/BCNNTs不仅可以通过强化学作用对LiPSs进行吸附,而且能够催化LiPSs的快速转化,从而极大地缓解了 LiPSs的穿梭效应。(4)为了优化BCN基纳米复合材料的制备工艺并进一步分析其对LiPSs的作用机制,利用尿素为氮源,通过简单的一步热处理直接合成了 VN/BCNNTs复合材料,并研究了其作为硫载体材料时的电化学性能。该制备方法简单易行、成本低廉,并且避免了常规氮化物合成过程中高压氨气的使用,确保了材料制备中的安全性。形貌表征结果显示,这种原位生长的VN具有较小的尺寸,能够为电化学反应提供更多的活性位点。CV和GITT测试结果表明基于VN/BCNNTs制备的VN/BCNNTs/S电极具有增强的动力学行为。以此组装的电池展现出了优异的长循环寿命和倍率性能,在1.0 C的电流密度下经过1000个循环后,放电比容量仍能达到826.9 mAh g-1,每个循环仅有0.021%的平均容量衰减率,并且库伦效率高于99.5%。理论计算和XPS结果表明VN对LiPSs起到了强化学限制作用;同时,对称电池和Li2S成核沉积测试说明了高导电性的VN/BCNNTs极大地促进了 LiPSs的催化转化。