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镁离子电池凭借着其优异的安全性能以及低廉的价格优势在后锂离子电池时代中脱颖而出。目前该领域的研究重点是开发具有良好电化学性能的镁离子电池电极材料。本文采用密度泛函理论方法,从原子层次对镁离子电池电极材料脱镁/嵌镁过程的电化学反应的影响因素进行深入研究,揭示掺杂和表面等因素对电极材料镁化行为影响的微观机理,并预测几种新型二维材料作为镁离子电池电极材料的可能性。1.研究了Ni掺杂对尖晶石型MgMn2O4材料作为镁离子电池正极材料的表面稳定性的影响。研究结果表明,用掺杂浓度x=0.5的Ni替代相应的Mn可以有效地防止MgMn2O4晶体结构的Jahn-Teller畸变。对于MgNi0.5Mn1.5O4和MgMn2O4材料,具有Mg-原子终端的（001）晶面的表面最稳定,表面能大小为0.08 J/m2。对于MgNi0.5Mn1.5O4来说,大部分表面终端的表面能在0.10-0.13 J/m2范围内,非常接近最低表面能0.08 J/m2,材料的表面结构稳定。对比掺杂前后材料的表面能,Ni掺杂对该材料的表面能影响并不明显,表明尖晶石型MgNi0.5Mn1.5O4仍可以作为镁离子电池的正极材料。且Ni不易在MgMn2O4表面偏析,掺杂后的MgNi0.5Mn1.5O4材料表面结构稳定,可以有效防止表面偏析。2.研究了镁离子电池负极材料铋和锡材料中镁离子的扩散行为。研究结果显示,单个镁离子在β-Sn和Bi中的扩散能垒分别为0.43和0.67 eV,数值大小很接近锂离子在Sn和Bi中的能垒,说明这两种材料均可以作为镁离子电池的负极材料。但是当增加镁离子浓度时,由于Mg-Mg的相互作用,镁离子在β-Sn中的扩散能垒有所增加,而在Bi中则没有明显改变。说明相较于β-Sn材料,Mg更容易在Bi材料中扩散。继续增加Mg浓度,最终会分别形成化合物Mg2Sn和Bi2Mg3,镁离子在Bi2Mg3中的扩散速率比在Mg2Sn中更快。分子动力学模拟进一步表明Bi显示出更高的充/放电速率,它比β-Sn更适合做镁离子电池的负极材料。3.研究了镁离子电池负极材料Sn和Bi的表面镁化行为。研究结果表明,Mg从β-Sn（100）面往材料内部迁移的扩散能垒在0.31到0.55 eV之间,表面对Mg的渗透影响并不明显。Bi（111）内部的Mg扩散能垒在0.37-0.54 eV,但是从表面向次表面渗透时的能垒高达1.27 eV,表面扩散能垒成为Mg渗透时的限速步骤。Mg从α-Sn的（100）、（110）和（111）表面渗透至下表面的扩散能垒分别为1.05、1.58和1.27eV,均比Mg在体相α-Sn内部的扩散能垒大,即Mg从表面扩散到次表层的过程中会出现速率被限制的情况。因此Bi和α-Sn材料用作镁离子电池负极时,有必要对其表面改性以提高其电化学行为。4.研究了Mg原子在单层黑磷上的吸附和扩散特性。研究结果表明,由于单层黑磷独特的褶皱结构,Mg在单层黑磷上的扩散行为表现出各向异性。Mg在单层黑磷上存在两个主要的扩散路径,其中沿着armchair方向迁移的扩散能垒为0.57eV,而沿着zigzag方向的扩散能垒只有0.08 eV。Mg沿zigzag方向的扩散比沿armchair方向的快得多。随Mg浓度增加,MgxP形成能的计算结果表明Mg嵌入单层黑磷引起的晶体变形和膨胀相对较小,材料结构稳定。结果表明单层黑磷可以作为镁离子电池的潜在负极材料。5.研究了-F和-OH官能团表面非对称功能化对M2X（M=Sc、Ti、V、Mn、Nb、Mo、Hf;X=C、N）MXenes物理性质的影响,并探讨了这类材料作为镁离子电池电极材料的可能性。研究结果表明:（1）除了单层Mo2C和Mo2N的稳定结构为H构型,原始的单层M2X体系的T构型比H相更稳定;（2）除Janus Nb2CFOH、Nb2NFOH和Hf2NFOH具有III构型外,大部分非对称功能化的MXenes的能量最稳定构型均为II构型;（3）除Sc2C以外,所有不对称官能团功能化的单层M2X均为金属材料;（4）除了Janus单层V2CFOH,非对称功能化后的MXenes均表现出力学稳定性;（5）除了单层V2C（OH）2和Mn2X MXenes,Mg在单层M2X上的吸附能力比在表面功能化后的MXenes上的更强;（6）表面非对称功能化后,大部分Janus MXenes上的Mg扩散能垒较低,且Mg在具有-F官能团的表面比-OH官能团表面的扩散速度快。结果表明Janus MXenes可以作为具有快速充放电速率的潜在镁离子电池电极材料。