在20世纪70年代至80年代,钠离子电池和锂离子电池的研究几乎是同时发展起来的。但是,由于锂离子电池具有较高的能量密度使其更适用于小型便携式电子设备,所以大家将研究重心主要集中在锂离子电池领域。近几年,在大型固定式储能应用的驱动下,钠离子电池的研发得到复苏,与此同时新型钠离子电池电极材料的开发也备受重视。对于正极材料,具有3d电子的过渡金属的化合物进入了人们视线中,其中过渡金属氟化物MF3(M=Fe,Ti,V,Mn,Co和Bi)作为潜在的锂离子电池电极材料已被广泛研究。除此之外,锂离子电池正硅酸盐材料Li2MSiO4(M=Mn,Fe,Co)也在这几年内取得巨大的突破,尤其是在Li2FeSiO4材料的研究上获得的成果更为突出。正因如此,钠离子电池作为锂离子电池的类似物,钠离子电池过渡金属氟化物MF3和正硅酸盐材料Na2MSiO4(M=Mn,Fe,Co),也吸引了许多人的目光,成为目前钠离子电池正极材料的研究热点。对于负极材料,事实上,负极是钠离子电池中最困难的部分之一。在锂离子电池中,被广泛使用的典型负极材料石墨并不适用,因为石墨在正常情况下几乎不能嵌入任何钠。而由于形成枝晶和界面老化的问题,直接使用金属钠作为钠离子电池负极也是不可取的。随后,人们把目光聚焦到合金负极材料上。具有极高的理论容量是这类材料的特点,但仍需解决体积膨胀较大和合金过程复杂等问题。针对上述正负极材料,本文通过基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算,对钠离子电池正极材料,过渡金属氟化物和铁的正硅酸盐材料的物理和电化学性质进行了计算模拟与讨论。同时,我们还使用自适应遗传算法(Adaptive genetic algorithm,AGA)结合DFT计算,对钠离子电池合金负极材料Na-Sb金属间化合物进行了结构预测与研究。第一部分,通过使用广义梯度近似(GGA)+U框架中的第一性原理理论计算,我们对钠离子电池正极材料NaFeF3及脱钠后相应产物进行了研究。研究结果表明,Na0.5FeF3是脱钠过程中唯一能量稳定的中间相。因此,NaFeF3存在两个电压平台,即2.63V(1≥x≥0.5)和2.82V(0.5≥x≥0)。此外,我们针对钠离子电池正极材料NaFeF3及脱钠后相应产物的晶体结构特性和电子结构特性进行讨论。我们发现,从电子状态密度上看,在整个脱钠过程中只发生Fe2+/Fe3+的氧化还原反应。在中间相Na0.5FeF3中,Fe被明显的分割成Fe2+和Fe3+两种不同的价态。通过晶体结构中FeF6八面体键长变化的分析,这一结果也得到了佐证。第二部分,我们通过第一性原理的计算,对钠离子电池正硅酸盐材料Na2FeSiO4的同质异形体及其脱钠过程中的产物NaxFeSiO4(x=1,0)的结构稳定性和电化学性质进行研究。计算结果表明,对于不同钠离子组分下,其对应的同质异形体能量最低的结构相是不同的。这表明,在脱钠过程中很可能发生了在不同结构之间的相变。从结构的分析结果看,在这些同质异形体结构中,Si04四面体中键长键角分布的变化很小,而FeO4和NaO4四面体具有不同程度的变形。因此,材料中Si04四面体起到了支撑这类材料结构框架的作用。除此之外,我们发现(除P21/c结构相外)在第一个钠脱出的过程中,二价铁离子Fe2+被氧化,形成三价铁离子Fe3+,其平均电压大约为2V。在第二个钠脱出的过程中,部分氧离子O2-和少量的三价铁离子Fe3+被进一步氧化。第三部分,我们采用自适应遗传算法(AGA)结合第一性原理计算,对NaxSb(x=1,1.5,2,2.5,3)在不同的钠组分下Na-Sb合金的晶体结构进行了预测,并对预测得到结构的稳定性进行了研究。通过形成能的分析与讨论,我们发现,在Na-Sb合金过程中,只有NaSb是能量上稳定的中间相。因此,Na-Sb合金过程可以表述为:Sb→NaSb→Na3Sb,其电压平台分别为0.68V和1.1V。对于NaSb的结构预测,我们得到了空间群对称性为Immm的正交结构,与先前实验上观测到的单斜结构P21/c完全不同。同时,声子色散谱的计算结果表明其在动力学上是稳定的。对于Na3Sb的结构预测,我们得到了与实验结构相同的结构。