硫正极具有较高的理论比容量和能量密度,且活性物质硫成本低廉、在自然界中含量丰富,这些都使得锂硫电池受到广泛关注和研究,有望成为最具潜力的下一代商业电池。然而,在长期循环过程中,锂硫电池存在一些严重问题。例如,硫及其放电产物硫化锂导电性差,充放电过程中活性物质会发生体积膨胀,正极结构易被破坏,反应的中间产物多硫化锂易溶解在电解液中等。这些问题会降低电池的循环稳定性、倍率性能和库伦效率。为了提高锂硫电池的电化学性能,需要设计出可以容纳活性物质体积膨胀、抑制多硫化物溶解、且在充放电循环时能够提供良好导电通道的锂硫电池正极结构。考虑到硫正极的放电和充电产物具有完全不同的极性、导电性、体积以及在电解液中的溶解性,本论文在之前科研工作者们的研究基础上,受生物细胞外层膜具有可选择性吸收营养物质、排出废弃物能力的启发,提出了构建一种仿生双极性结构锂硫电池正极材料。此仿生双极性结构以二氧化钛(TiO2)纳米颗粒作为仿生膜的极性端,细菌碳作为仿生结构的非极性端。制备方法是通过水热合成,将TiO2包覆在细菌表面,然后碳化处理。碳化形成的内部中空多孔碳球主要是用来限制和吸附单质硫。该仿生结构具有“选择透过性”的功能,既能够使锂离子自由来回穿梭,又能将多硫化物限制在其内部。通过相应的电化学性能测试,这种仿生双极性结构材料在0.1 Ag-1的电流密度下可提供1202 mA h g-1的放电比容量,且其倍率性能和库伦效率都得到较大的提高。此外,此电极还展示出了很好的循环稳定性,在1.5Ag-1的电流密度下,可充放电循环1500次以上,并且依旧能够保持较高的容量。本论文以外层极性TiO2颗粒作为一个示例,证明仿生双极性结构设计的构想。未来可以将其换成对多硫化物具有更强吸附作用或催化作用的物质,相信锂硫电池的电化学性能将得到进一步提高。本论文所述制备工艺将微生物培育和化学合成相结合,未来可以将药物和化学品工业制造中产生的废弃微生物重新利用起来,创造出新价值,减少环境危害,也为日后开发研究新的电极材料提供了一种新思路和新途径。