电化学能源存储与转换技术在当今时代与我们的生活息息相关,其主要应用包括电池、超级电容器、电催化等多个方面。电化学器件的性能很大程度上是由电极材料决定的。本文通过第一性原理模拟为主,相关实验为辅的方式,对新型电极材料进行设计和探索,旨在对现有的电化学能源存储与转换器件的电极界面现象与界面过程进行更深入的研究。主要内容包括:第一章介绍了第一性原理密度泛函理论模拟的基本原理以及电化学储能相关的基本知识以及如何使用第一性原理的方法对电极材料进行设计。第一章前半部分介绍了密度泛函理论的发展,几种交换关联能的描述方式,常用的密度泛函理论模拟软件。讨论了如何使用密度泛函理论计算材料的多种基本物理化学性质和研究化学反应过程。第一章后半部分介绍了电化学储能的基本概念,着重讨论了电化学反应原理和如何使用密度泛函理论研究对应体系中的关键问题。第二章介绍了锂离子电池体系中电极界面问题的相关研究。第一小节为单层石墨烯的储锂机制的研究,本文指出单层石墨烯的储锂容量可以比之前的理论计算预期的更高,这是由于锂可以形成多层锂堆叠的密堆结构贡献容量。另外锂的吸附使得石墨烯上的缺陷更容易产生。第二小节设计了新型硼硅二维材料作为锂离子电池负极。通过理论模拟考察了该材料的锂吸附特性、锂迁移特性,并对该电极材料的理论储锂容量,平均电极电势与硼硅比例的关系进行了预测。第三小节则对氮掺杂的活化富勒烯材料的储锂能力进行了研究,结合理论计算与实验,讨论了不同氮掺杂形式和材料的曲率因素对锂吸附的影响。第三章介绍了析氢电催化反应中的电极材料理论设计。第一小节讨论了二氧化钼-镍协同调控掺氮碳材料的HER性能,指出HER催化活性的位点在与氮连接的碳原子上。而由于下层金属/金属氧化物的协同调控作用,使得氢与所在六元环邻位的氮原子的反键轨道削弱,而与所在六元环间位的碳原子形成成键作用,增强了氢吸附。第二小结讨论了二氧化钼-镍的界面效应增强HER性能,指出催化活性位点在界面处的氧原子上。提出析氢机制源于界面处的电荷增强效应,以及对氧原子2p轨道的调控作用。第四章介绍了析氧电催化反应中的电极材料设计,讨论了新型NiOOH材料的OER反应机制。研究了OER反应吉布斯自由能变化图,指出了表面羟基的不饱和覆盖是该材料展现OER活性的关键。第五章对全文进行总结,并展望未来的研究。