本发明公开了一种集流体、电极和隔膜一体化结构和半液态锂硫电池，属于电化学能量储存的二次电池技术领域。将与多硫化物强相互作用的碳材料与高导电石墨烯均匀混合，通过抽滤或涂覆过程获得碳层/聚合物复合结构，并以多硫化物电解液作为硫源，将复合结构组装成集流体电极隔膜一体化结构的半液态锂硫电池。复合结构中的聚合物作为隔膜，碳层一方面作为内置导电网络实现高效电子传导，实现集流体的功能；另一方面作为电极来担载活性物质，并抑制多硫离子向负极扩散。本发明通过碳层/聚合物复合结构，实现集流体电极隔膜一体化设计，可简化电池制作程序，易实现工业化应用。