大功率及高能量密度设备,如电动汽车及混合动力汽车等的发展提高了人们对锂离子电池电化学性能的要求。电极材料作为锂离子电池中的核心部分,是改善电池性能的关键。当前锂离子电池电极材料开发中存在两个关键性问题:（1）部分传统电极材料的储锂机制尚不明确,导致对材料是否具有良好储锂性能存在巨大争议;（2）新型设计的电极材料普遍存在导电性能较差、锂离子吸附强度较弱,以及嵌锂容量较低等单方面或多方面性质的不足。本文通过选取b-MnO₂、MX2单层以及磷烯三种具有代表性的电极材料进行研究,一方面分别探讨了三种电极材料的储锂机制,另一方面揭示了纳米带及异质双层等材料的应用对电极导电性、充放电电压平台以及比容量等性质的改善作用。最终为锂离子电池电极材料的设计与优化提供理论指导。实验研究表明不同的合成条件、晶粒尺寸以及形貌都将导致β-MnO₂电极电化学性能的巨大差异。然而由于其充放电过程及储锂机制尚不明确,难以判断导致其性能差异的根本原因。本论文结合团簇展开方法及第一性原理计算对β-MnO₂电化学过程进行研究发现,β-MnO₂电极有着稳定在2.8 V左右的放电电压平台,与实验观察到的结果相一致。另外,锂离子在b-MnO₂一维扩散通道中的扩散势垒为0.26 eV,说明其具有良好的快速充放电性质,以上结论也解决了实验中对于b-MnO₂电极（1×1）通道是否适合嵌锂存在的争议。此外,嵌锂过程中Mn3+的形成所产生的Jahn-teller效应是导致实验中观察b-MnO₂嵌锂结构发生畸变的根本原因。因此,通过掺杂等方式抑止Mn3+的产生,也将进一步改善b-MnO₂的电化学性能。针对二维负极材料中广泛存在的导电性较差,比容量不足等问题,本论文系统研究了双层异质结构及纳米带对二维电极材料电化学性质的改善作用。首先研究MX2双层异质结构对单层材料电化学性质的影响发现,双层异质结构不仅能提高锂离子的吸附稳定性,同时极大提高了材料的导电性质。另外,在晶格失配的MoS2/MoSe2双层异质体系中,吸附位置的多样化导致锂离子扩散性能的极大增强。在研究纳米带对磷烯单层电化学性质的影响发现,边界效应导致锂离子在纳米带上的吸附强度明显增强;并且,由于扶手型（AC）纳米带具有较低的形变刚度,使得其在嵌锂过程中产生严重的结构畸变,最终导致锂离子吸附强度及比容量的降低。因此,限制扶手型纳米带在充电过程中的体积膨胀,也是进一步改善其电化学性质的关键。