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“碳达峰,碳中和”目标的实现需要开发新能源材料体系。锂离子电池（LIBs）由于低自放电、高比能量密度和零记忆效应等优点是重要的电化学能量转换和存储装置,被广泛应用于日常生活中,包括但不限于消费电子设备、医疗保健设备、电动汽车（EV）和大型电源等。作为非活性材料,隔膜在LIBs中不仅起着隔绝正负极,防止内部短路的作用,其微观结构更能影响锂离子在电池内部的传输行为,从而进一步影响电池的电化学行为。聚烯烃聚合物由于具有优异的电化学稳定性、良好的机械强度以及低廉的价格已成为商用主流隔膜的制备材料。然而,聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）高结晶度、非极性分子结构以及较低的熔融点温度导致聚烯烃隔膜较差的电解液浸润性和较低的热稳定性,从而降低液态电解液中锂离子流在界面传输的均匀性与增加因热收缩导致内部短路的风险。固态锂电池（SLBs）已成为下一代锂电池重要的发展方向。锂金属具有的高能量密度(3860 m Ah g-1),轻重量密度(0.534 g cm-3)以及低还原电位（-3.04 V vs标准氢电极）被认为是下一代最理想的负极材料。但高反应活性锂负极与传统的液态电解质易发生副反应。另一方面,液态电解液其有毒、易燃、易漏液等隐患进一步增加了LIBs的安全性隐患。因此固态电解质（SSEs）的使用可以有效改善了电池的安全性问题,并进一步增加了电池的能量密度。聚合物固态电解质兼具柔性、易加工成型、高界面稳定性等优点近年来得到了广泛的研究,但也存在电导率低、机械强度不足等缺点。鉴于此,本文将通过实验与理论模拟计算相结合,从材料结构设计出发,制备出一系列物理化学稳定性显著增强的隔膜与聚合物固态电解质。并深入探究了新材料对锂离子传输动力学、界面锂沉积均匀性、电池高温安全性的影响,为下一代新型隔膜与电解质的开发提供思路。本论文主要研究内容如下:（1）采用极性聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）共聚物为基材,设计并研究了一种一体化负极/隔膜结构。该结构基于氧化铜@石墨烯（CuO@graphene）负极和掺有活性陶瓷材料CuO的PVDF-HFP复合聚合物隔膜。研究表明,无机陶瓷掺杂的PVDF-HFP复合隔膜具有显著提高的热稳定性。聚合物基底中的陶瓷颗粒会阻碍PVDF-HFP链的运动,从而抑制聚合物的结晶并降低PVDF-HFP隔膜的结晶度。PVDF-HFP/CuO复合物非晶区的增加进一步提高了隔膜的吸液率。理论计算表明CuO@graphene和PVDF-HFP/CuO隔膜之间的强相互作用增强显著缩短了Li+传输路径,加速了电子传输,并缓和了负极活性氧化物在电化学反应中的体积变化大的缺陷。LIBs基于此结构在0.5 C充放电循环100次后,依然拥有超高的可逆容量（637.2 m Ah g-1）,以及99%的容量保持率。（2）为了进一步降低LIBs中非活性物质质量以提高电池能量密度,基于超薄3微米多孔聚四氟乙烯（PTFE）薄膜,利用浸泡法制备了富含PVDF-HFP电解液亲和力强的双聚合物复合隔膜（UP3D）。UP3D复合隔膜仅有11微米厚度与74%的超高孔隙率,将Li+转移电阻降低了4倍以上(2.67 mΩmm-1),实现高Li+通量转移能力(22.7 m A cm-2)。实验结合理论模拟证明,UP3D隔膜显著降低了充放电时正负极之间的锂离子浓度梯度,提高了锂金属表面的平均锂离子浓度水平,从而实现锂离子沉积均匀化。在1 m A cm-2电流密度下持续320小时无明显的枝晶生长。基于磷酸铁锂（LiFePO4）正极的半电池在2 C电流密度下循环1000次后,容量保持率高达90%。该工作为开发高能量密度、长寿命锂离子电池提供了方向。（3）通过复合高热稳定性的聚苯并咪唑（PBI）高分子强化α相聚偏二氟乙烯（PVDF）聚合物基体,设计了一种具有锂润湿、阻燃的二元聚合物固态电解质（SPE）,以构建安全的室温固态电池。相场模拟和密度泛函理论计算表明,带负电荷的刚性直链PBI分子对双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI）具有优异的亲和力,与锂负极界面具有重叠的电子密度,从而加速Li+在室温下的传导,均匀化Li+在SPE/Li金属界面上的沉积,实现3.7×10-4 S cm-1高电导率。在0.1 m A cm-2的电流密度下的枝晶测试能够稳定循环2000小时。PBI的质子位点-NH-与PVDF形成多重氢键,SPE在300℃下热收缩率降低40%。X射线光电子能谱（XPS）与固相核磁共振谱（NMR）证实在燃烧过程中PVDF链段中部分-CH2-CF2-结构转化为不燃的-CF2-CF2-基团。该工作定义了一个有效的策略来实现无枝晶,室温高容量固态电池。（4）利用AIMD模拟了高分子聚合物链在溶剂中的溶解过程。低分子量丙酮（acetone）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶剂分子具有较快的移动速度,扩散进入PVDF-HFP聚合物链段中,逐步使高分子链解缠、膨胀并溶解。实验证明:高极性NMP相比于低极性acetone溶剂分子诱导PVDF-HFP重结晶后将极性γ相比例由59%提高到81%。低极性acetone相比于高极性NMP溶剂分子诱导PVDF-HFP重结晶后将非极性α相比例由19%提高到41%。差示扫描量热法（DSC）表明极性γ相PVDF-HFP具有更高熔点以提升隔膜的热稳定性。为制备高安全性隔膜提供了新的思路。