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目前,离子电池（ion battery）以其非常出色的能量转换效率和良好的存储容量在市场上已被广泛使用。其中锂离子电池是应用最为广泛的离子电池之一,但是在自然界中锂金属资源十分有限以及高昂的生产成本,直接导致了锂离子电池的发展受到了巨大的挑战。因此寻找代替锂的材料成为了攻克该难题的一个重要研究方向。钾和钠元素跟锂元素是同一主族的元素,其化学性质相似。此外,钾和钠的资源丰富,且成本相对较低。对于离子电池而言,电化学性能主要依赖于它们的电极材料,电解液和隔膜等。相较于电解液和隔膜而言,电池材料,尤其是负极材料的研发是当前电池技术的首要关注点之一。以石墨烯为代表的二维材料（2D）作为离子电池电极拥有巨大的潜力。首先,因为它们的完整暴露表面被认为供应快速离子扩散和最大离子插入通道;其次,二维材料因其物理化学性质可根据维度进行剪裁,相较于三维材料具有良好的可塑性。迄今为止,石墨烯,过渡金属二硫化物,过渡金属二硝化物等已在锂、钠离子电池电极材料中获得了广泛的关注。本论文拟采用第一性原理的方法,结合分子动力学模拟等研究手段,探究新型的二维单层状结构作为离子电池的负极材料的可行性,并且对相关电池参数进行设计。主要研究内容和成果如下:1、首先,论文针对g-SiC5和g-Si2C4作为钾离子电池的负极材料进行了理论研究。其计算结果表明,硅碳复合的新型二维材料不但具备石墨烯的稳定性,还具备硅的高容量特点。通过第一性原理计算得出作为钾离子电池负极的g-SiC5和g-Si2C4的理论容量分别为304.1 m Ah/g和128.6 m Ah/g,其平均电压分别约为0.4 V和0.3V。此外,为了研究g-SiC5和g-Si2C4作为电池材料的电输运特性,针对g-SiC5和g-Si2C4吸附钾离子前后的模型进行了态密度和能带的计算,计算结果表明它们呈现出金属特性,表明该材料作为电池负极材料具有很好的导电性。同时,根据过渡态计算来明晰其离子迁移能力,得出g-SiC5和g-Si2C4的扩散势垒分别为为23me V和132 me V,相较于其他的二维材料而言具有良好的离子迁移率和良好的倍率性能。最后集合分子动力学计算表明硅石墨烯吸附钾离子之后有良好的热力学稳定性。这表明硅碳石墨烯结构是一种有前景的钾离子电池负极材料,特别是g-SiC5,其比容量有望超越石墨烯。2、其次,本文研究了层状二维VN2作为碱金属离子（锂,钾或钠）电池的负极材料的可能性,并且针对其主要参数进行了评价分析。由于VN2是一个新型的层状材料,首先形成能和声子谱计算表明,VN2是一个动力学稳定性良好的电极材料。其次通过第一性原理计算得出VN2作为锂离子,钾离子和钠离子电池电极材料的理论容量分别为678.8、339.4和1357.6 m Ah/g;为了获得VN2离子迁移参数,从而计算了对锂离子,钾离子和钠离子在VN2表面的扩散势垒,其数值分别为201.1 me V,34.7 me V,84.1 me V,相较于其他的二维材料而言具有较大的迁移率。此外,也针对VN2作为对锂,钾和钠离子电池电极材料做了开路电压的计算,其作为锂,钾和钠离子电池平均电压值分别为0.81 V,0.77 V和0.29 V。此外,电子结构计算也表明VN2也具备优良的导电性。这些理论计算表明VN2是一种有前途的离子电池负极材料,特别对钠离子电池电极材料具有较高的比容量。3、最后,论文研究了采用AB2型Mxene层状二维Ti2C,Ti2N,V2C和V2N作为碱性金属离子（钾,锂或钠）电池的负极材料的可行性。通过计算吸附能得出Ti2C,Ti2N,V2C和V2N最大吸附浓度分别为K0.75(Li2/Na0.75)Ti2C,K0.5(Li3/Na0.75)Ti2N,K0.5(Li2/Na0.75)V2C和K0.75(Li2/Na0.75)V2N,其对应的理论容量分别为186.5（497.4/186.5）,122.1（732.0/183.1）,117.7（470.6/176.5）,173.4（462.5/173.4）m Ah/g。通过电子结构计算表明所有计算的AB2型MXenes在吸附钾,锂和钠离子前后都表现为金属性,说明其具有良好的导电特性。此外,AB2型MXenes对钾,锂和钠离子的扩散势垒非常低,其数值都在40me V以下。AB2型MXenes对钾,锂和钠离子的平均电压也很低,都在0.1V到1V之间,符合良好的离子电池所需要的充电电压的范围。分子动力学表明AB2型MXenes在吸附钾,钠和锂离子后具有良好的热力学稳定性,除了钾离子吸附会在一定程度上破坏V2N的结构。这些理论研究表明AB2型MXenes有可能作为一类优异的离子电池的负极材料,特别是AB2型氮化物Mxenes,在电池相关性能上表现的更优秀,同时对钠离子的迁移率极高。论文通过第一性原理的计算方法结合分子动力学,针对几类新型的二维材料作为离子电池的负极材料进行的评价分析。该方法在材料基因组学,新型离子电池材料的设计和挖掘上具有一定的价值,为新的电池电极材料的研究提供了一种新的思路。