可逆的离子脱出-嵌入、相变和能带结构转变等不仅可以引起电能-化学能转化,还可能伴随着载流子种类、浓度的变化等,研究这些现象在探索材料物性、控制能量转化和设计新颖功能器件中的作用具有重要的学术意义和应用前景。本论文以双电层现象和离子可逆脱出-嵌入引发的相变现象（晶体结构转变、能带结构转变）为基础,研究了相关材料应用于储能器件、突触晶体管器件等方面涉及多学科交叉的几个重要的基础科学和技术问题。同时,适当辅以碳纳米材料,制备了电化学储能、仿生突触等功能器件,并通过实验与模拟探索了相关机制和/或原理。基于离子可逆脱出-嵌入导致的电能-化学能转化,进行了储能器件的相关研究。针对柔性储能器件中机械强度与能量密度难以兼得的现状,设计并制备了一体化层级结构的LiFePO4（LFP）和Li4Ti5O12（LTO）基柔性锂离子电池电极。将连续碳纳米管网络薄膜出色的力学强度、良好的电子电导,与还原氧化石墨烯更强的分散能力、更低的接触电阻结合,配合电化学活性材料共同构建了高能量密度的层级结构柔性锂离子电池电极。综合碳纳米材料各自的优势,并使其互相弥补劣势,一定程度上解决了活性材料占比和柔性难以兼得的矛盾。所制备的自支撑电极仅包含～5 wt.%非活性物质（包括集流体）,其能量密度以电极质量计算达到～480 Wh kg-1（达到LFP材料理论值的85%）,且至少耐受20000次弯折。进一步利用柔性电极与原位聚合的凝胶电解质制备了可耐10000次动态弯折的柔性锂离子电池。测试了柔性电极和电池在静态、动态形变中的物理和电化学性质,为相关实际应用积累了数据,提供了思路。设计并组装了一种可穿戴传感系统,验证了柔性电池在弯曲状态下对下游器件供电的应用潜力。基于离子可逆脱出-嵌入导致的相变（晶体结构转变、能带结构转变）,进行了突触晶体管器件方面的相关探究。首先,针对快速筛选潜力材料的现实需求,基于改进的恒电流间歇滴定技术,研发出一种可以追踪电化学活性材料电阻变化的实验方法,并利用已知材料LiCoO2（LCO）和LTO进行了验证。成功判断了LTO与LCO两种金属绝缘体相变（Insulator-metal transition,IMT）材料的电阻变化规律。该筛选方法可以在不同体系中快速识别潜力材料。随即利用该筛选方法考察了锌离子电池体系中的电极材料Na2V6O16（NVO）与α-Mn O2在离子脱出-嵌入过程中的电阻变化规律,发现两者随着外场诱导的锌离子嵌入或锌离子与氢离子共嵌入,发生相变使电阻增加,并可以在相应离子脱出后恢复初态。以这两种材料为沟道制备出相应的突触晶体管器件,均展示出与筛选方法预测结果一致的长时程突触可塑性。阐明了NVO沟道失稳的可能原因,并利用氧化石墨烯、聚乙烯醇与水互相形成氢键网络的特性,制备了一种凝胶电解质（锌离子、氢离子导体）,成功改善了该问题。进一步地,基于电解质与活性材料相界面附近的双电层现象,开展了突触晶体管器件的相关研究。首次提出在电解质栅控晶体管器件中,存在着非对称双电层（Asymmetric electric double layer,AEDL）现象,可以作为基于电荷的易失性信息存储手段。通过比对α-Al2O3沟道和LTO沟道、不锈钢栅极和金属锂栅极的实验数据,基本厘清了其主要影响因素:即AEDL调控的阈值电位与栅电极、沟道材料电极电势之差有关,而非沟道材料的能带结构;AEDL调控的幅度与调控电压偏离阈值电位的程度和调控电压脉宽正相关。在Li||LTO体系突触晶体管中,利用AEDL现象实现了短时程突触可塑性。率先在Li||LTO体系的器件中实现栅电压与沟道电流双依赖的调控行为,且在特定沟道电流下,实现单次调控中按时间顺序先后出现的兴奋性信号/抑制性信号和抑制性信号/兴奋性信号。实验验证了利用LTO在可逆脱出-嵌入锂离子时发生IMT,改变沟道载流子浓度,进而影响沟道电阻并实现长时程突触可塑性的可行性。在此基础上,阐明了非易失性的IMT与易失性的AEDL对单次调控所得的沟道反馈信号的贡献。同时在Li||LTO体系中观察到,IMT所导致的沟道表观电阻变化总是与AEDL相反。并发现两者对沟道表观电阻改变量的贡献权重可由沟道电流调节,进而使器件在不同工作模式之间转换:在高沟道电流测试条件下,器件表现为IMT依赖的调控模式。在低沟道电流测试条件下,器件展现为AEDL依赖的调控模式。在两者之间时,器件表现为先由AEDL主导后由IMT主导的调控模式。在这种模式中,器件依赖不同时间特征、不同调控方向的两种现象（IMT/AEDL）产生沟道信号。这与细胞膜上依赖不同时间特征、不同流动方向的离子流产生动作电位具有相似性,从而自然地达到动作电位的硬件级实现。通过抽象与简化,将可发生相变的多晶沟道建模,发展了一种模拟多晶沟道在相变过程中电阻变化规律的方法。模拟结果与基于LTO沟道的突触晶体管器件的实验结果在规律上相符。分析模拟数据后认为对于多晶阻性器件,沟道行为可能与多晶粒的统计性质有关。由于较高的高、低阻态阻值比的材料在模拟中出现第一条导电通路的放电深度值与LTO材料在沟道调控实验中两个准线性区域的分界点放电深度值十分接近,揭示了导电通路的建立可能是导致LTO沟道阻变调控产生非线性的原因。通过比对不同参数的模拟结果,认为依赖场诱导电化学相变的多晶沟道在调控中的演化规律和器件性能的一致性可能受到以下几方面因素的影响:（1）沟道材料高、低阻态的电阻率之比;（2）沟道材料在相变中存在中间产物的数量;（3）沟道的物理尺寸与晶粒的特征尺寸。