随着科学技术的不断进步和工业水平的迅速发展,人类对能源的需求日益增长。传统能源的不断枯竭以及生态环境的逐渐恶化使人们开始意识到开发可持续清洁能源的必要性。新能源的开发与储能电池的发展相辅相成,因此寻找可持续、高性能、低污染、低成本的储能材料成为了近几年来的研究热点。低维的纳米材料因具有独特的表面效应、尺寸效应和量子限域效应而在电学、光学、磁学和热力学等方面表现出新奇而优异的性能。通常,材料的结构决定着材料的性质,为了使低维材料在纳米电子学、催化和储能等领域具有更广泛的应用价值,我们通过金属原子吸附和异原子掺杂的方法来调控低维材料的电子结构性质。在本文中,我们通过第一性原理计算研究了低维材料对金属原子的吸附及其在锂离子电池中的应用。首先,我们研究了金属原子吸附对二维BC3/AlC3电磁结构性质的影响,预测了部分金属吸附体系在可充电电池、储氢、催化、自旋半导体等领域的应用前景。为了在缓解能源危机的工作中做出一定贡献,我们针对可充电电池的领域进行了更加深入的研究,从微观电子学角度证明了异原子掺杂对锂离子电池负极材料性能的影响,主要内容如下:一、我们通过第一性原理计算研究了部分碱金属原子、碱土金属原子、第三主族金属原子和过渡金属原子在二维BC3和二维AlC3上的吸附性质。通过分析体系态密度,我们发现二维BC3和二维AlC3在与金属原子成键过程中起主要贡献作用的是碳原子的p轨道,掺杂原子的作用是增强周围碳原子与电子给体间的相互作用。通过计算和分析能带结构、态密度以及磁性,我们预测了各类金属原子吸附的二维BC3和二维A;C3体系在可充电电池、高温超导、储氢、单原子催化以及自旋电子学等领域中潜在的应用价值。二、在二维BC3材料的基础上,我们进一步研究了一维硼掺杂石墨烯纳米带(BGNR)用作锂离子电池负极材料的理论可行性。通过第一性原理计算,我们研究了锂原子在BGNR上的吸附性能、迁移行为以及存储容量。BGNR中最有利的吸附位点是硼原子对位掺杂的六元环中心位点,其吸附能为-1.55 eV。通过计算锂原子在BGNR上吸附的分波态密度,我们得出BGNR中碳原子的p轨道在电荷转移过程中起主要贡献作用,硼原子掺杂有效促进了碳原子和锂原子之间的电荷转移。通过过渡态搜索我们得到锂原子倾向于沿着BGNR的生长方向迁移,并且7个碳原子宽度的BGNR能够为锂原子的迁移提供固定的方向,避免无效迁移。最后我们计算了 BGNR和GNR的储锂容量,BGNR的储锂容量为783mAh/g,GNR的储锂容量为52mAh/g,硼原子的掺杂能够将GNR的储锂容量提升将近15倍。我们的研究表明在GNR上掺杂硼原子能有效增强锂原子的吸附、大幅度提升储锂容量,为BGNR作为锂离子电池负极材料的应用提供了有用的理论指导。三、在研究了石墨烯基负极材料的基础上,我们对另一类热门负极材料(过渡金属二硫化物)中的磷掺杂二硫化钼(P-MoS2)作为锂离子电池负极材料可行性进行了理论研究。我们利用第一性原理计算了锂原子在P-MoS2上的吸附性能、迁移行为以及存储容量。研究发现本征二硫化钼(MoS2)是直接带隙的半导体,磷原子掺杂使得体系显金属性,掺杂的磷原子周围明显处于缺电子的状态,有利于吸附锂原子。通过分析锂原子的吸附性能,我们发现磷原子掺杂显著提升了基底对锂原子的吸附能力,并且离掺杂原子越近的位点吸附越强。通过过渡态搜索我们发现磷原子的掺杂对迁移能垒的影响较小,锂原子能在P-MoS2两侧以锯齿形的迁移路线快速扩散。P-MoS2的理论储锂容量比较小,这将会影响它在锂离子电池负极材料中的应用,但是锂原子在P-MoS2上优越的吸附和迁移能力将为P-MoS2在其他领域的研究起到有用的参考价值。