随着信息时代的快速发展,人们对可充电储能设备的需求日益增长。目前,大多数的研究致力于开发性能优异的新型电池或高能量密度的电极材料。近年来,二维（2D）层状材料因其良好的电化学性能和高的比表面而成为了新一代可充电电池可选的理想电极材料。同时,随着计算机硬件的不断发展与进步,基于密度泛函理论（density functional theory,DFT）的第一性原理计算方法在新型二维材料结构预测及性质研究等方面发挥着不可或缺的作用。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对新型二维层状材料锑烯、半导体硼烯和δ-SiO₂在离子电池中的应用进行了系统研究。简述如下:（1）碱金属原子在二维锑烯表面的吸附和扩散特性研究。锑烯,间接带隙半导体,带隙约为1.08 eV,具有高的载流子迁移率和良好的化学稳定性。计算结果显示:Li、Na、K原子在锑烯表面且具有较大的吸附能（Li:-2.36 eV,Na:-1.84 eV,K:-1.60 eV）和较小的扩散势垒（Li:0.09 eV,Na:0.08 eV,K:0.04eV）,所以它们可以在锑烯表面迅速扩散,不会团聚在一起。此外,当引入垂直于二维锑烯表面的外加电场时,能有效的增强吸附行为,吸附能和转移电荷都随着外加电场的增加而线性增加,其中,外加电场对K原子的影响最明显。（2）二维半导体硼烯作为锂离子电池和钠离子电池负极材料的性能研究。半导体硼烯的带隙为0.74 eV,小范围内的机械双轴应变可诱导其带隙线性调谐,具有高的动力学和热力学稳定性。研究结果显示,Li、Na原子在硼烯表面吸附时,具有较大的吸附能（Li:-1.62 eV,Na:-1.41 eV）,能较好的避免金属原子团聚,从而为抑制枝晶生长打下基础。同时,当Li、Na原子在硼烯表面扩散时,具有较小的扩散势垒（Li:0.4 eV,Na:0.22 eV）,这为提高电池的充放电效率提供了可能。随着吸附原子的增加,硼烯表现出金属特性,当其表面的最稳吸附位完全由Li、Na原子覆盖时,锂离子和钠离子电池的平均开路电压分别为1.11 V和0.88 V,理论比容量均为1239.56 mAh g^-1。进一步,从头分子动力学研究结果表明饱和吸附的半导体硼烯在温度为400 K时整体结构仍然稳定。（3）二维δ-SiO₂作为锂电池阳极保护层的研究。δ-SiO₂是电子带隙大于5 eV的绝缘材料,也是一种杨氏模量较大（346 GPa）的超硬材料,具有强的各向异性力学性能和高的热力学稳定性。研究结果显示,Li原子在δ-SiO₂表面吸附时,具有相对较大的吸附能（-1.23 eV）、较小的表面扩散势垒（0.08 eV）。当Li原子穿过完整δ-SiO₂材料时,具有较大的扩散势垒（2.24 eV）。引入缺陷后,可以有效地降低穿过势垒（O缺陷:1.96 eV,Si缺陷:0.52 eV）,这提高了金属离子的传导性。最后,我们还探讨了Li（110）/δ-SiO₂的界面特性,发现当金属Li阳极表面覆盖两层δ-SiO₂时,能阻止电极和电解质之间的电子转移。