锂离子电池是众多化学电源中的“绿色能源”,在电动汽车和储能技术领域具有巨大应用潜力。然而,现阶段大容量锂离子电池的研究尚未成熟,主要受制于目前石墨负极材料理论容量偏低。硅具有理论质量比容量高(是传统石墨负极的十多倍),储量丰富,成本低的优点,被认为是最有潜力的新一代大容量锂离子电池负极材料之一。但是,在硅电极充放电过程中锂离子的嵌入会造成显著的体积膨胀,在多次充放电循环后,硅电极材料内部极易发生碎裂,甚至粉末化,进而限制了硅负极材料的应用。本文采用第一性原理方法研究了锂原子在硅材料中不同掺杂位点、不同浓度时的嵌入过程,分析锂原子在不同掺杂位点的稳定性、结构变化、能带结构和态密度,力图揭示硅负极材料嵌锂过程中体积膨胀机理。结果表明,锂原子掺杂是一种间隙掺杂而非取代掺杂,四面体中心(Td)位点是最稳定的嵌入位点。从能带结构分析可以看出,随着锂原子的嵌入,体硅材料呈现金属化特征,随着浓度变化,硅从间接带隙半导体转变为直接带隙半导体。当浓度达到12.5%时,体积膨胀率明显增大。目前常用来改善锂离子电池用硅基负极材料综合性能的手段是将硅材料纳米化和复合化。因此本文研究了锂原子在硅纳米线中的嵌入过程,分析硅纳米化对嵌锂过程硅粉碎化的改善机理。本文采用第一性原理取代掺杂和间隙掺杂硅纳米线[1 1 1]不同位点的结构变化和电子性能转变情况同时考虑了尺寸对硅纳米线嵌锂过程的影响。研究表明,间隙掺杂是最理想的掺杂方式,并且通过结合能,能带以及态密度分析,发现在表面,中间和核心位点的不同间隙插入位点处结合能有较大差异,表面位点间隙掺杂是最理想的的插入位点;同时由于硅纳米线有较大的比表面积,所以硅纳米线可以储存大量锂离子,随着硅纳米线的直径的增加,其储锂性能更加优异。本文围绕上述问题开展研究,针对硅负极材料嵌锂过程中体积膨胀过大等问题,对硅基负极材料嵌锂性能进行研究,为硅基负极材料大容量锂离子电池的开发和应用改进提供必要的理论基础和技术支持。