随着环境的变化与化石燃料的消耗,当今社会对于绿色能源的需求越来越大。能源问题引起了世界范围内专家学者的关注,寻找新的绿色能源已经成为当今世界的重要问题之一。近年来,太阳能、风能等可再生能源的研究取得了快速的发展,而新能源从诞生到广泛应用往往需要一个漫长的周期。在这个漫长的时期内,相应的先进能量存储技术显得尤为重要。锂离子电池技术即是其中的代表之一。发展至今,传统的嵌入式电极反应机制在一定程度上限制了储锂材料的进一步发展。随着Oumellal等人实验首次发现MgH2等新型转换反应型锂离子电池储锂材料,具有更丰富化学键种类及潜在掺杂效应的复杂氢化物(相比简单氢化物而言)日益受到关注。在本文中,基于第一性原理方法,我们首次针对镁基复杂氢化物作为转换反应型储锂材料进行了计算筛选及设计,在材料基因组新兴范式的背景下力图为该领域的实验研究者提供深入的指导和设计依据。本文主要研究内容如下:(1)Mg2NiH4及其掺杂体系作为转换反应型储锂材料的第一性原理设计首先计算了不同掺杂元素(Li、Na、Al、Si、K、Ca、Ti、Mn、Fe、Co)分别在四个掺杂位点的形成能,根据形成能的大小来判定每种掺杂元素最适合的掺杂位点。选取出每种元素最合适的掺杂体系,计算并比较这些体系的储锂电化学性能。根据不同体系的电化学性能,选取出了四种金属元素作为最合适的掺杂剂,并对这四种掺杂体系进行了电子结构计算。根据体系的电子结构和电化学性质,发现Li原子掺杂的Mg2NiH4体系是最优的掺杂体系。Li原子掺杂的Mg2NiH4具有比初始体系更小的电子带隙,同时具有975.35mAh·g-1的比容量和0.437 V的半电压(锂作为参比电极)。除此之外,还对纯Mg2NiH4以及Li原子掺杂的Mg2NiH4体系分别进行了基于第一性原理的分子动力学计算。发现Li原子的掺杂可明显改善锂离子在电极材料中的扩散行为。尤其是在300K时,电极材料中Li离子的扩散系数增大。这对于电极材料倍率特性的改善将具有重要意义。(2)Mg(AIH4)2及其掺杂体系作为转换反应型储锂材料的原子尺度设计根据对Mg(AlH4)2体系电子结构的计算可以得出,Mg(AlH4)2体系中有Mg原子位置和A1原子位置两个掺杂位点。为了合理的控制掺杂浓度,将Mg(AlH4)2晶胞扩展为2×2×2的超胞。根据Mg(AlH4)2体系中不同元素的性质选取Li、B、C、Na、Si、K、Ca共7种不同的掺杂元素分别对Mg(AlH4)2体系的两个掺杂位点进行掺杂。分别计算了 15种体系的形成能,根据形成能确定了每种掺杂原子的热力学稳定结构。通过比较这些体系的比容量、带隙、半电压等储锂电化学性质,确定了Li、Na、K三种原子替换Mg原子位置时,对于提高Mg(AlH4)2体系的电化学性质具有良好的效果。这三种掺杂剂都可减小体系的带隙、半电压和体积变化率。在此基础上,深入分析了这三种掺杂体系的电子结构,确定这三种掺杂原子对体系性能提高的原因。