能源储存问题是当今社会发展的重要问题,电子设备和交通工具的快速发展极大地刺激了人们对更高能量密度、更长循环寿命的可充电二次电池的需求。目前,二次电池发展的瓶颈主要在于缺少高性能的电极材料,以及对电池内部充放电机理的研究还不够深入。和传统的实验研究方法相比,第一性原理计算方法在原子和电子尺度上能够更好地理解电池反应机理和设计新型高性能电池材料。目前商业化的锂电池容量仍然较低,为了改善这一问题,科研人员通过采用硫基正极构建了锂硫电池。锂硫电池拥有超高的能量密度和理论容量,但正极材料和放电产物导电性很差,还存在“穿梭效应”和电极膨胀等问题,解决办法之一就是寻找合适的宿主材料作为正极材料吸附多硫化物。与锂硫电池的工作原理类似,室温钠硫电池比目前商用的高温钠硫电池更加安全,潜在的应用范围也更加广泛。但是目前室温钠硫电池的问题主要在于放电产物和放电机理的不明确,而传统的实验手段在这个过程中发挥的作用非常有限。进一步地,为了寻找元素储量更加丰富、能量密度更高的电池体系,除Li、Na之外的新型金属离子电池（K、Mg、Ca、Al）也吸引了越来越多的关注,并且很有希望满足未来电子设备和很多大型储能场景的要求。目前新型金属离子电池的发展主要受限于缺乏具有优异性能的负极材料。二维材料的比表面积很大,非常适合作为二次电池的电极材料。其中,二维MXene材料具有导电性好、结构稳定性强、表面活性高等优点,越来越多的实验和理论工作尝试研究将其作为储能系统的电极材料。近期的研究结果表明,MXene材料在储能系统中的表现很大程度上取决于其表面官能团的类型,并且有目的地表面改性策略如表面硫化能够显著提高MXene作为电极材料时的性能。在本论文中,首先,我们选择MXene材料中最轻的Ti₂C作为代表系统性地研究了表面硫化的MXene材料（Ti₂CS₂）作为金属离子电池（包括Li、Na、K、Mg、Ca、Al离子电池）负极材料的性能。结果表明Ti₂CS₂应用于金属离子电池负极材料时,显示出优异的动力学迁移性质和良好的充放电倍率性能。极高的理论电池容量意味着Ti₂CS₂非常适合应用于钠离子和镁离子电池。接着,我们设计了表面硫化的MXene材料V₂CS₂作为锂硫电池的正极材料,并研究了其物化性质和电池性能。结果表明V₂CS₂不仅动力学和热力学稳定,还具有像V₂C和V₂CO₂一样的金属性质。此外,V₂CS₂对锂硫分子有适当的吸附作用,同时又不会使锂硫分子变形分解。V₂CS₂表面较低的Li₂S分解势垒和Li原子迁移势垒能够极大地促进锂硫分子的转换并促进整个电化学过程,这些结果都表明V₂CS₂是很有前景的锂硫电池正极宿主材料。最后,结合第一性原理计算和晶体结构预测,我们找到了室温钠硫电池之前未知的Na₂S₃的结构和一个Na₂S₂的新相（即γ-Na₂S₂）,并研究了它们的物性。我们也复现了Na₂S、α-Na₂S₂和β-Na₂S₂的结构,确定了它们的结构信息和物理化学性质,并和实验结果很吻合。结合这些钠硫化物的物化性质,我们也讨论了它们在充放电过程中所扮演的角色。这些结果能够帮助我们更好地理解室温钠硫电池的放电过程和放电机理,更能推动室温钠硫电池的进一步发展。