当前我国能源结构中占比最大的依然是煤、石油、天然气等化石能源。作为不可再生能源,化石燃料不仅面临着剩余储量有限、开采量大等危机,在利用过程中还存在着能量转化效率低、资源浪费严重、加剧环境污染等问题。为了应对能源危机,近年来研究者们不断探索太阳能、风能以及生物质能等清洁高效的新型能源的开发与利用。当前的生产生活体系构筑在化石燃料之上,要过渡到低排放可再生的能源系统,需要发展可靠的储能以及高效的化学燃料电池作为替代方案。一方面,由于风能和太阳能间歇性发电的特点,需要将其所发电能进行储存;另一方面,燃料电池通过对生物质燃料的高效反应,可以极大地减少对化石燃料的依赖。以密度泛函（Density Functional Theory,DFT）为理论基础的多尺度模拟分析方法在储能以及电化学催化领域发挥着越来越关键的作用。本文利用多尺度模拟分析手段,分别对储能领域的锂金属电池中局部高浓电解液的分解机理和电化学催化领域的甲醇和乙醇燃料电池进行了深入的研究,阐释了相应的反应机理。（1）锂金属电池体系中局部高浓电解液在锂金属负极表面的分解机理。锂金属负极拥有最低电化学电位和最高的理论容量,但是锂枝晶生长所造成的安全隐患问题,一直制约着其发展。本研究中,我们对一种局部高浓电解液体系进行了深入系统的研究。通过课题组独立开发的HAIR（hybrid ab initio and reactive molecule dynamics）方法,研究了纳秒尺度的电解液分解过程以及高性能的SEI（Solid Electrolyte Interphase）生成机理。并用XPS分析验证了模拟分析结果与实验结果的一致性。（2）对增强直接甲醇氧化电池性能的三元合金纳米线的机理分析。金属铂有着优越的活化甲醇的能力,但由于反应中间体CO的毒化作用,使得该反应的动力学过程缓慢。本研究中,着手于实验合作者开发的三元合金纳米线,通过DFT计算以及Bader电荷分析揭示其独特的电子性质,阐释了其催化活性提升的机理。（3）对核壳纳米粒子提升直接乙醇燃料电池氧化活性的机理研究。乙醇作为一种生物质燃料,能量密度高并且环保,但是乙醇氧化是一个动力学缓慢过程。实验合作者合成出具有拉伸应变效应的核壳纳米粒子,具有良好的催化性能。由DFT计算分析了纳米粒子的拉伸效应如何影响反应中各中间体的相互作用强度,进而通过反应能垒的变化影响反应路径。证明了拉伸应变在提高C1路径选择性和乙醇反应活性的关键作用。