高能量密度和高安全性的电化学能源设备的逐步发展为解决当前能源危机提供了有效策略。离子导体材料是这些能源设备关键部件,它决定了设备内部的离子存储和转移,从而影响设备的最终性能。传统的离子导体传导率低、安全系数低、界面电阻高,难以满足当前对高能量密度的能源设备的要求,因此设计合成新型离子导体材料迫在眉睫。本论文以快速离子导体材料为研究目标,通过提高材料内部可传输离子浓度、改善离子传导网络、促进离子的解离等策略制备了具有高离子传导率、性能稳定的离子导体材料;另外,采用原位界面凝固、聚合物包覆等策略来降低能源设备的界面阻抗,从而提升电化学性能。具体研究思路如下:1.利用溶胶凝胶法将金属盐水溶液原位水解,合成了一种简单且易于放大合成的新型质子导体材料——无定形氢氧氧化铬,Cr O（OH）·x H2O。该材料具有450 mg g-1的高吸水值,有助于在材料内部大量水分子的捕获和构建连续有序的氢键网络。在90℃和98%的相对湿度下,Cr O（OH）·x H2O获得了0.31 S cm-1的超高质子电导率,同时活化能为0.39 e V,遵循质子跳跃机理。将Cr O（OH）·x H2O作为质子导体填料添加到磺化聚醚醚酮（SPEEK）中,形成SPEEK-Cr O（OH）质子交换膜,进一步研究Cr O（OH）·x H2O在质子交换膜中的应用潜力。该复合膜具有与商业Nafion相当的质子电导率,在80°C时为0.17 S cm-1,性能在36小时内没有下降。该工作为通过简单可行的策略制备金属氢氧氧化物作为高效的质子导体提供了思路。2.本章既利用多金属氧簇的质子传导特性,又利用其氧化还原特性,将其与聚合物复合形成固态电解质,利用活性聚苯胺为电极,一起协同提高固态超级电容器（SCs）的电容和能量密度。本章研究了多金属氧簇的种类(H3PMo12O40和H3PW12O40)和电极活性之间的电化学匹配活性,发现钼系H3PMo12O40具有更高的氧化还原活性,和聚苯胺协同作用,能够提高的固态超级电容器的赝电容。通过在界面原位凝固电解质的方法极大地降低了SCs的界面电阻。利用H3PW12O40的高质子传导性和H3PMo12O40的高氧化还原活性,以混合体系H3PMo12O40＆H3PW12O40作为电解质的SCs具有在0.5 m A cm-2电流密度下具有7.69 F cm-2(3840 F g-1)的电容,能量密度为533μWh cm-2(266.6Wh kg-1)。此外,得益于POMs和聚合物之间丰富的氢键网络,POMs电解质表现出优异的自修复能力。该工作通过使用多金属氧簇作为质子传导和氧化还原电解质,来提高固态超级电容器的电容,同时该策略也适用于其他储能设备。3.利用两性离子（MIMPS）解离多金属氧簇（POMs）的特性,提高了多金属氧簇基电解质的质子传导率,进一步提升聚苯胺电容器的电容性能。MIMPS能够促进多金属氧簇（POMs）在聚合物溶液中的溶解和解离,释放更多可移动的质子,有利于质子快速运输。MIMPS修饰的电容器具有更高的电容性能,在0.5 m A cm-2的电流密度下,面积电容为13 F cm-2,而没有MIMPS修饰的电容器的面积电容仅为9.5 F cm-2。另外MIMPS修饰的电容器具有更低的界面阻抗,表明MIMPS的修饰不仅可以提高传导率,同时还可以改善界面传导。这项工作通过两性离子优化多金属氧簇基电解质,为提升超级电容器整体性能提供了一种新策略。4.本章中我们针对固态电解质传导率低和界面阻抗高的问题,提出了一种使用共价有机骨架（TPBD）和聚环氧乙烷（PEO）制备固态电解质（TPBD-Li PF6@PEO）的新设计,并将其应用于无溶剂的固态锂离子电池。固态核磁共振实验和密度泛函理论计算表明,TPBD中的-C=O位点与Li+离子之间的强相互作用极大地促进了Li PF6的解离。PEO聚合物的包覆降低了离子导体之间的晶界电阻,优化了Li+离子传输网络,改善了固态电池的界面离子传输。室温下,TPBD-Li PF6@PEO具有0.543 m S cm-1的高离子电导率。在不添加液体电解液的情况下,组装的Li Fe PO4|TPBD-Li PF6@PEO|Li电池在室温下稳定运行,在0.2 C时的比容量为140 m Ah g-1,循环200次后的库伦效率为99.6%。该工作为固态电解质的制备和固态能源器件的发展提供了实用的思路和建议。