近年来,随着各类可移动储能设备的兴起和蓬勃发展,开发具有高安全性、高比能量和长循环寿命的储能器件已成为了当前的研究热点。在众多新型的储能体系中,锂硫电池因拥有超高的理论比容量、原材料价格低、对环境友好等优点而被寄予厚望是下一代最具潜力的锂二次电池之一。然而,在充放电过程中,硫和硫化锂的低电子传导性、多硫化锂的“穿梭效应”、金属锂枝晶的无限生长以及硫正极和锂负极均存在的体积变化等问题导致了电池的活性物质利用率低、循环稳定性差以及可能出现起火等安全隐患,这些不利因素严重制约了其大规模商业化的进程。针对上述的这些问题,本论文分别研究了通过设计新型的正极材料来提高活性物质硫的利用率,限制多硫化锂的“穿梭效应”,从而大幅提升硫正极的循环稳定性;通过构建复合金属锂负极和界面保护来引导锂的均匀沉积,缓解锂的体积效应,进而显著改善锂金属负极的库伦效率和循环寿命。最后将改进后的硫正极与复合金属锂负极进行配对,组装成具有优越电化学性能的锂硫全电池。具体研究内容如下:（1）为了有效解决硫正极中多硫化物的溶解和穿梭问题,以ZIF-67为前驱体,经过高温碳化与硫化后,一种由多硫化钴（CoSx）纳米颗粒内嵌在N掺杂碳多面体中载硫后形成的复合材料（Co Sx-NC-S）被成功合成,用作锂硫电池正极材料。其中,多孔的N掺杂碳多面体层不仅可以提高电极材料的电子导电性,还可以有效缓解循环过程中活性物质的体积变化。此外,含N碳层对多硫化物的物理限域,与内嵌在多面体中的Co Sx纳米颗粒对多硫化物的强化学吸附力相结合,能很好地抑制多硫化物的扩散与穿梭,有利于提高电池的循环稳定性。基于以上这些优点,Co Sx-NC-S电极对应电池展示出了优越的电化学性能。在2 C的大电流密度下充放电循环600圈后,依然能展现出570 m Ah g-1的可逆比容量。（2）为了缓解锂金属负极中锂枝晶的生长问题,一种由锌纳米颗粒均匀内嵌在N掺杂碳多面体中且生长在碳布上的三维材料（Zn@NC@CC）被成功合成,来充当锂金属负极的载体。基于理论计算和实验数据发现,锌纳米颗粒和N掺杂的碳多面体均具有很强的亲锂性,在它们协同作用下,Zn@NC可以诱导Li离子在Zn@NC@CC中自上而下地均匀沉积,有效地抑制了锂枝晶的生长。此外,在碳布上均匀分布的多孔N掺杂碳多面体可以有效缓解锂金属在充放电过程中的体积变化,有助于保持整个电极结构的完整性,从而提高其循环稳定性。得益于这些协同效应的影响,在Zn@NC@CC基底上沉积12 m Ah cm-2的Li容量后形成的Li-Zn@NC@CC电极,能在面电流密度为1 m A cm-2,循环容量为1 m Ah cm-2的对称电池测试中,提供超过1200 h的稳定循环寿命。（3）进一步采用静电纺丝的方法制备了一种LiN3掺杂PAN纳米纤维隔层（LiN3@PAN）来保护锂金属负极。在充放电过程中,LiN3会分解生成具有超高离子电导率(6×10-3 S cm-1)的Li3N,能大幅提高PAN纳米纤维隔层的离子传导能力,从而加速Li离子的传递动力学;伴随产生的N2也能与锂片表面的Li快速反应原位生成Li3N膜对锂负极进行界面保护。而绝缘性的PAN三维骨架不仅可以很好地适应锂在脱/嵌循环中的体积变化,而且其表层的极性键也可以引导锂在纤维层中实现由下向上的均匀沉积,从而消除锂枝晶的生长。因此,在Li N3@PAN隔层的保护下,金属锂负极在电化学测试中,在1 m A cm-2的面电流密度下可以实现超过4000 h的超长稳定循环寿命。（4）提出“房屋策略”构建了一种稳定的锂金属负极。即采用NiO纳米片修饰的Ni泡沫作为三维框架去容纳锂,并在其上表面原位合成了一层具有高离子电导率和强机械韧性的[Li NBH]n聚合物层作为“屋顶”保护膜,从而得到了一种具有“类房屋结构”的复合锂金属负极（Li NBH-Li@Ni）。在三维Ni骨架和[Li NBH]n保护层的共同作用下,Li NBH-Li@Ni不仅可以很好地适应锂在长循环过程中的体积变化,维持电极的结构完整性,而且还可以避免直接遭受电解液或从正极一侧穿梭而来的多硫化物的侵蚀。因此,Li NBH-Li@Ni负极展示出了优异的电化学性能。在对称电池中,Li NBH-Li@Ni电极在循环锂容量高达5 m Ah cm-2时,在面电流密度分别为1和3 m A cm-2下均提供了超过800 h的循环寿命。与第3章中的Co Sx-NC-S正极配对组成Li NBH-Li@Ni//Co Sx-NC-S全电池后,同样也展现出了优异的循环稳定性。