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随着绿色能源时代的到来，发展低成本、长循环寿命、高安全性的电能存储体系对智能电网、电动汽车具有非常重要的意义。为满足电动汽车行驶里程的要求，中国科学院在2013年底部署了中国科学院战略性先导科技专项，积极探索了锂-空气电池和锂-硫电池等新型高能量密度电池体系。其中，锂-硫电池，因其具有能量密度高、原料来源丰富、成本低廉和环境友好等优点，成为最有发展前景的可替代能量存储体系之一。然而，锂-硫电池存在着活性物质导电性差、放电中间产物的溶解性和活性物质体积变化大等问题，从而导致活性物质利用率低、容量衰减快以及低的倍率性能，阻碍了其广泛的实际应用。为解决以上存在的问题，本文从碳基材料结构设计出发，制备合成微-介孔碳基载体材料，从而改善电池的综合性能，并研究其内部机制。采用单壁碳纳米角作为新型碳基载体，研究其形貌结构对锂-硫电池电化学性能的影响;设计合成三维多孔石墨烯层状结构的碳材料，研究孔道结构与电池电化学性能之间的关系;设计合成自支撑的微孔碳纤维膜和多壁碳纳米管/二氧化锰膜，插入到正极和隔膜之间来优化电池组成结构，探讨微孔结构和金属氧化物对穿梭效应的抑制行为与相关机理。 本研究主要内容包括：⑴利用新型单壁碳纳米角(SWCNHs)作为硫的载体材料，通过简单熔融法制备合成含硫量高达76 wt％的SWCNHs-S复合材料。因为单壁碳纳米角大的比表面积、高的孔体积、良好的导电性和独特的角状结构，所以这种结构的碳/硫复合材料可以提高硫正极的比容量和循环稳定性。在300 mA g-1的电流密度下，该复合材料的首次放电容量高达1218 mAh g-1;70次循环后，电池容量仍然有849 mAh g-1。即使在大的电流密度1.6A g-1，电池的初始容量仍有1030mAh g-1;100次循环后，容量仍维持在693 mAhg-1。⑵通过在氧化石墨烯表面原位生长作为造孔剂的二氧化硅，设计合成新型的三维多孔石墨烯层状结构(GLs)，并以此作为负载硫的导电基体，制备了含硫量73 wt％的GLs-S复合材料。由于GLs高的比表面积和孔体积，所以该碳/硫复合材料表现出优异的电化学性能。在0.2 C的电流密度下，经过100次循环后，其放电容量仍有800 mAh g-1;即使在1C的高倍率下，200次循环后，可逆容量仍然有596 mAhg-1。⑶通过静电纺丝技术大规模生产微孔碳纳米纤维膜(MCNF)，并作为碳夹层来大幅提高硫正极的性能。MCNF中丰富的微孔隙能有效捕获可溶性多硫化物，从而有效抑制严重的穿梭效应。此外，相互连接的三维导电网络可以提高电极性活性物质对电解液浸润性和快速电子转移，致使硫的重新再利用。电池性能测试表明，在0.2 C下，硫-MCNF2正极的首次可逆比容量可高达1164 mAhg-1，经过150次循环后，其容量仍然稳定在823 mAh g-1。在1C的高倍率下进一步评估电池的长循环稳定性，可观察到经过200次循环后，硫-MCNF2正极依然保持着651 mAh g-1的可逆比容量，且容量衰减率只有0.054％/次。⑷采用高锰酸钾氧化活化多壁碳纳米管，制备合成MWCNTs/MnO2自支撑双功能夹层用于锂-硫电池。它不仅能大大减小电极的传输电阻，而且能有效的捕获多硫化物，缓解电池的穿梭效应，从而提高活性物质的利用率和循环稳定性。因此，在0.2C下，面积硫载量为2.5mgcm-2的S-MWCNTs/MnO2正极的首次放电容量达到1208mAhg-1(3.02mAh cm-2);100次循环后，容量仍然有568mAhg-1（1.42mAhcm-2）。在1C下，100次循环以后，容量仍然有503mAhg-1（1.26mAhcm-2）。