锂离子电池和直接甲醇燃料电池是目前备受关注的便携和移动能源体系，如何通过电池材料性能的改善而进一步提高这两种电池体系的性能是这一领域的研究重点和热点。尽管文献中人们已对这两种电池体系进行过大量的研究，然而对新型锂离子电池正极材料和DMFC用聚合物质子交换膜的研究还远未达到理想的目标。我们知道，材料的性能与其微观结构密切相关，固体核磁共振(Solid State Nuclear Magnetic Resonance，SSNMR)技术在表征材料的短程，局部结构，特别是纳米材料和无定形态结构上是一个强有力的工具，而且它还可提供固体中离子迁移和反应动力学的信息。本论文通过固体核磁共振技术并结合其它表征手段对一些锂离子电池正极材料结构性能的关系、充放电机理和直接甲醇燃料电池用芳香类质子交换膜的阻醇机理进行了研究。　　我们首先通过高分辨固体核磁共振谱(High resolution solid state NMR)对甲醇在Nation117和芳香类磺化聚醚醚砜sPEES膜中的状态进行了表征。研究结果表明:甲醇在Nation117膜中主要以“自由”态存在于亲水区，与Nation117结构框架几乎无相互作用;而甲醇在sPEES膜内主要以“束缚”态存在，“束缚”态甲醇分子不仅羟基束缚在磺酸根上，甲基也与sPEES的苯环有一强相互作用，阻碍甲醇运动。我们认为甲醇分子在这两种膜内不同的存在状态是其具有不同甲醇渗透率的原因之一，也是sPEES为何具有较好的阻醇性能的原因。通过NMR研究还发现:“束缚”态甲醇分子比例在sPEES膜内随着磺化度增大而减小，而且甲醇分子与sPEES分子之间的相互作用减弱，也因此sPEES膜甲醇渗透率随着磺化度增大而增大。甲醇的状态，水的状态和质子交换膜中的微观结构是影响其性能的三大因素。　　随后我们通过6，7Li，29Si MAS NMR和测定T1对不同富锂硅酸锰锂材料的结构组成以及该材料内锂位之间的相互作用进行了研究。研究表明富锂硅酸锰锂材料主要由Pmnb和Pmn21晶型硅酸锰锂相以及无定形态正硅酸锂和偏硅酸锂组成;相对Pmn21晶相，Pmnb晶相比例随着富锂量增加而增大;富余锂以无定形态正硅酸锂和偏硅酸锂包裹在硅酸锰锂颗粒表面，微观上与Li2MnSiO4相距离相近导致交叉弛豫的产生，且很可能两者之间存在化学交换，无定形态正硅酸锂和偏硅酸锂在这里起到分散颗粒度的作用，增加离子扩散路径，离子扩散率，从而提高了有效电化学面积，因此相对计量比硅酸锰锂材料，富锂硅酸锰锂能放出更多的容量。研究还发现，碳包覆不仅提高了富锂硅酸锰锂材料的电子电导率，而且改变了其组分，未包碳富锂正硅酸锰锂材料富余锂主要以偏硅酸锂存在，而包碳后同时存在偏硅酸锂和正硅酸锂，良离子导体正硅酸锂的存在可能有利于离子扩散。　　本论文工作设计并构建了电化学原位NMR探头和与其配套的原位锂离子电池，搭建了电化学原位NMR测试系统。构建的电化学原位NMR探头具有很好的B1均一性，并表现出良好的分辨率和信噪比，可用于探测23Na，7Li，31p核等。本论文工作还对滤波器的使用进行了优化，发现在恒电位仪和探头之间添加滤波器降低了甚至完全屏蔽了由恒电位仪传入的电磁波噪音，提高了核磁共振谱图的信噪比。　　通过自建的电化学原位NMR测试系统结合固体NMR技术对锂离子电池正极材料磷酸铜的充放电机理进行了研究。研究表明磷酸铜在放电过程首先是锂嵌入过程而后发生转化反应，最终生成Cu和Li3PO4。首先锂嵌入磷酸铜可能生成LixCu3(PO4)2，当嵌锂量较低也就是当x较小时，Li主要位于Cu2+附近，随着放电，嵌锂量增大，x变大，Cu2+逐渐变为Cu+，最后转化为零价Cu，并且生成Li3PO4。另外还有少部分磷酸铜颗粒较小锂更易进入，二价铜被还原为Cu+，可能生成Li2CuPO4而后转化为Cu单质和Li3PO4。而磷酸铜锂离子电池在充电过程中，可能经过了LixCuPO4的中间态，Cu和Li3PO4首先生成LixCuPO4而后脱锂转化为磷酸铜。