电池是应用最为广泛的储能装置,锂离子电池则是商业化程度最高和应用最广泛的可充电电池。然而,传统锂离子电池已经不能满足当前日益飙升的能量需求,亟需开发高容量、长循环、低成本和安全性能高的电池材料。因此,大量的研究聚焦于电池材料的开发和设计,基于量子力学的第一性原理计算在其中发挥了重要作用。本论文基于第一性原理计算方法,预测并研究了多种新型二维钒基材料在碱金属离子电池体系中的储能机制,寻求目前锂离子电池中存在的有限锂资源储量、高成本和安全性问题的解决方案,提高可充电电池的比容量和离子传输性能。研究工作充分发挥了理论计算的优势,探索了二维钒基材料的晶体结构、稳定性和本征物理性质,以及离子存储与传输机制等电化学性质。此外,还探讨了晶体微观结构和本征性质与电极材料的宏观性质之间的关系,为开发和设计新型电极材料提供了可靠的理论依据。主要研究内容如下:（1）应用粒子群结构搜索方法,预测了一种包含C₂二聚体的新型VC₂二维过渡金属化合物。通过第一性原理计算系统研究了单层和堆垛结构的VC₂化合物的结构性质和锂离子存储能力,研究表明材料的高结构稳定性和导电性使其具备锂离子存储的潜力。基于多层锂离子吸附,单层VC₂表现出1073 mA h g^-1的理论容量,而堆垛的VC₂由于在两个VC₂层之间嵌入的锂离子形成了有序排列,并保持了良好的有序层状结构,甚至表现出更高的1430 mA h g^-1的理论容量。在堆垛的VC₂多层结构中,靠近VC₂层的锂离子与母体材料之间形成离子键,然而,中间层的锂之间形成了Li-Li金属键,所有存储在层内的锂离子都具有低扩散能垒,说明VC₂化合物用作锂离子电池时拥有高倍率性能。显然,预测的VC₂化合物,无论是在单层还是在堆垛的VC₂多层结构中,都能获得超过1000 mA h g^-1的容量和优异的倍率性能,以及较低的工作电压,表明VC₂化合物是一种具有良好发展潜力的新型锂离子电池负极材料。（2）识别高能量密度的电极材料,特别是具有大容量和适中的工作电压的材料,是提高可充电电池能量密度的最具潜力的方法之一。本工作中,以能量和稳定性为导向,筛选出一种有前景的二维可充电碱金属离子电池电极材料tetra-VN₂,并描述了其本征热力学稳定性和导电行为。研究表明tetra-VN₂最大的碱金属存储浓度分别为Li₂VN₂、Na₄VN₂和K₄VN₂,分别对应比容量为679、1358和1358 mA h g^-1。tetra-VN₂在锂、钠和钾离子电池中的平均工作电压分别是2.59、1.59和1.62 V,分别能提供1761、2162和2206 Wh kg^-1的理论比能量,超过了大量众所周知的正极材料。这些结果表明tetra-VN₂具有作为高能量密度碱金属离子电池正极材料的潜力。有趣的是,不同于嵌入型正极材料,tetra-VN₂的碱金属离子存储是基于吸附/脱附过程。在这种表面存储机制下,锂、钠、钾离子在电极中分别以0.237、0.018和0.075 eV的低能垒进行迁移,这表明tetra-VN₂在可充电电池体系中具有优异的倍率性能。（3）开发高性能电极材料是提高可充电电池比容量、满足日益增长的能量需求最为有效的方式。利用基于全局结构搜索方法的粒子群优化算法和第一性原理计算,我们揭示了二维VB₂双硼化物能被用作一个非常有竞争力的可充电电池负极材料。VB₂不仅力学和热学稳定,而且在离子化前后均呈现本征金属性质,表现出优异的电子导电性。VB₂完全离子化的相分别是Li₂VB₂和Na₃VB₂,对应的比容量分别是739和1108 mA h g^-1,优于传统电极材料和之前已经报道的很多二维材料。同时,VB₂在钠离子电池中的扩散能垒（0.28 eV）低于在锂离子电池中的0.57 eV。另外,在钠离子电池中的平均开路电压是0.83 V,低于锂离子电池中的1.48 V。这些结果表明VB₂可以作为一个有应用前景的可充电电池、特别是钠离子电池负极材料。（4）最后,应用CALYPSO软件包成功预测了新型二维V₂B₂化合物。随后,基于第一性原理计算对V₂B₂作为可充电电池负极材料的稳定性、电子结构和电化学性质进行了系统研究。声子谱和从头算分子动力学模拟表明V₂B₂是热力学稳定的,而且,能承受1500 K的高温。锂/钠离子可以在V₂B₂上稳定吸附,实现434和543 mA h g^-1的理论比容量。在锂/钠离子电池中的平均开路电压为⁰.7V。特别需要指出的是,锂离子和钠离子在V₂B₂表面的迁移能垒仅为⁷.5和10meV,显示出它们的超快离子传输性能。本工作表明V₂B₂具有优秀的快速充放电能力的锂/钠离子电池负极材料的潜在应用。总之,我们应用粒子群结构搜索,结合第一性原理计算,研究了四种二维钒基材料的结构和性质,并进一步探讨其在二次电池领域的潜在应用,为新型二维电极材料的设计提供了可靠的理论参考依据。