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锂硫电池是一种新型能源储存系统,其具有高理论比容量(1675 mAh g-1)、高能量密度(2600 Wh kg-1),并且环境友好、价格低廉等优点。然而,锂硫电池还存在一系列瓶颈问题至今未决,例如体积膨胀、多硫化物的穿梭、导电性不佳、反应动力学滞后等,这些问题直接限制了锂硫电池走向实际应用。针对以上问题,本论文工作以金属有机骨架化合物为前驱体合成多种碳纳米复合材料,通过材料的结构和组成调控,立足于提高锂硫电池正极材料的循环稳定性能。本文主要研究内容如下:(1)金属有机气凝胶衍生氮掺杂分级多孔碳的构筑。以富氮的交联剂辅助制备微米棒为构成单元的三维金属有机气凝胶,经过高温碳化、刻蚀处理制备得到棒状氮掺杂分级多孔碳材料(NHPC)。基于氮掺杂多孔碳与多硫化物间的吸附作用,棒状结构有利于电荷传输,以及分级多孔结构有助于物理限域硫的损失,使得S/NHPC作为锂硫电池正极展现出优异的倍率性能和循环稳定性。在0.5 C的电流密度下,循环100次,比容量高达697 mAh g-1。在500次的长循环测试中,其具有0.083%超低单圈容量衰减率。(2)双溶剂法辅助构筑石墨相氮化碳(g-C3N4)纳米点复合材料。借助双溶剂法,将硫氰酸铵注入金属有机骨架化合物NH2-MIL-101(A1)纳米孔道,通过孔道限域热解效应,制备得到氮化碳纳米点/氮硫共掺杂的中空多孔碳(CN@NSHPC)。得益于超小尺寸的g-C3N4(3 nm)、氮硫共掺杂碳对多硫化物的协同化学固硫,以及独特中空结构的物理固硫共同作用,所制备S/CN@NSHPC电极展现出超过1400 mAh g-1的首圈放电比容量,能承受5.0 C的高倍率性能,1.0 C的电流密度下可稳定循环500圈,单次电池衰减率只有0.054%。(3)镶嵌Co4N纳米颗粒的碳片阵列复合自支撑电极构筑。以碳布作为基体,在其表面生长片状金属有机骨架化合物ZIF-67(CC@ZIF-67),通过顺序的碳化-氧化-氮化转化处理,得到Co4N纳米颗粒镶嵌的多孔碳片阵列复合材料(CC@Co4N-PCNA)。实验测试和理论计算结果表明,Co4N具有优异的催化转化与导电能力,不仅催化多硫化物间的转化,加快电池的氧化还原离子传输速率,同时具有对硫及其放电产物的强吸附能力。得益于Co4N的吸附与催化多硫化物特性,以及阵列均一的有序微观结构,S/CC@Co4N-PCNA电极展现出优异的倍率性能及循环稳定性,在5.0 C的电流密度下,比容量高达746 mAh g-1,长达500次高倍率长循环,其单圈衰减率只有0.034%。(4)p-n型Co9S8/Co4N异质复合电极(CC@Co9S8-Co4N)的构筑。以表面生长片状ZIF-67阵列的碳布为前驱体,首先液相硫化处理,然后原位氮化转换,得到一种空心结构的鞘状阵列碳材料,其鞘壁镶嵌p-n型Co9S8/C04N异质纳米颗粒。得益于Co9S8/C04N丰富的催化活性位点、异质界面以及碳空心结构,促进了多硫化物间液-液(Li2S8→Li2S6→Li2S4)、液-固(Li2Sn,4≤S≤8→Li2S)的转化,大幅缩短了离子扩散距离,加快了离子的传输,同时强极性、高导电的Co9S8-Co4N异质结有效抑制多硫化物的扩散。S/CC@Co9S8-Co4N电极在高倍率5.0 C下可展现出1000次的循环寿命以及0.027%的单圈超低容量衰减率。