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本文分为两部分，第一部分阐述一类新的碳管的化学反应:碳管的自由基化学，并展示其在轻质高强复合材料的应用潜力。第二部分阐述针对锂硫电池正极的研究，包括硫的纳米化效应对锂硫电池电化学行为的影响，以及引入电子中介体以提高电池的容量和倍率性能的两部分工作。 碳纳米管有希望被应用于例如轻质高强材料或纳米器件等领域。这些研究或应用面临的首要挑战是碳管的可处理性（可加工性）的问题，因此碳管的化学是支撑碳管研究领域的基石之一。 长久以来因为碳管自身的电子结构的π-共轭体系而被认为是一类有效的自由基吸收剂，我们的研究表明与传统观点相反的是，事实上可以通过氟化-去氟的化学反应得到碳管自由基，即存在在碳管骨架碳原子上的未成对电子。这些独特的碳管自由基的信号可以被电子顺磁共振谱捕捉验证，并且此类碳管自由基具有独特的化学活性，可以用以引发烯烃类分子的聚合，这开辟了一类新碳管化学的路线。我们证明了这些碳管自由基独特的化学特性使得它们可以在室温下相互结合，从而形成交联的碳管。我们将其应用在碳管纤维的力学增强，发现可以使得纤维的拉伸强度提高约70％。碳管自由基的存在可以使得单根微米级别长度的碳管真正变成一个具有自由基反应能力的“大分子”，这为材料的合成和设计提供了崭新的思路。 锂硫电池因为其高能量密度以及无毒价廉的优点而被认为是极有潜力的下一代储能电池。其主要问题是硫的电子离子绝缘特性以及电化学循环过程的中间产物多硫离子的扩散。 我们以解决硫的绝缘性为切入点，考察硫的尺寸的变化对电池性能的影响。首先利用膜分散法制备了各种尺寸的硫纳米颗粒，同时为了限制多硫离子扩散，采用简单的溶液聚合法对颗粒进行包覆导电聚合物聚（3，4-乙烯二氧噻吩）(PEDOT)，得到核壳结构的S@PEDOT。结果表明随着硫颗粒尺寸的减小，硫的导电性随之提高，因此硫的利用率也得到提高，并且发现当尺寸下降到约4.5nm时，电池可以发挥出理论容量;PEDOT包覆层的存在可以限制多硫离子的扩散从而提高电池的循环性能。 另外，我们首次提出了电子中介体在锂硫电池的应用。电子中介体是指可以发生可逆电化学氧化还原反应，可以充当固态电极和正极活性物质硫之间电子传递载体的物质。氮氧自由基聚合物（PTMA）和醌类聚合物(PAQS)是两类典型的中介体。中介体的引入可以显著提高电池的容量和倍率性能。