材料产业是国名经济和国防安全的物质基础。我国新材料产业起步较晚、基础薄弱,正处在快速发展的关键时期。全球新材料产业垄断加剧,在高端新材料研发领域存在严重技术壁垒。在国际新材料产业发展迅速和国际贸易保护主义抬头的形势下,利用先进理论知识对新型能源材料和工业关键技术性材料的研发尤为重要。伴随着计算机算力的持续加强和计算化学理论的不断发展完善,使用计算机辅助材料设计的方法,进行新能源材料研究和新材料的预测一直是科学研究的热点。本论文基于第一性原理密度泛函理论对工业能源领域的关键技术性储锂负极材料进行了深入研究,还使用粒子群优化算法和密度泛函理论相结合的策略,预测了工业生产领域中尤为重要的耐高温超硬材料的结构和性能。本论文研究工作的主要内容和发现如下:一、我们基于密度泛函理论研究了单侧氟化石墨烯（CnF）作为锂离子电池负极材料的性能表现。我们选取了三种不同氟化浓度的单侧氟化石墨烯,计算并比较了它们对于锂离子的吸附能,使用差分电荷密度分布、电荷转移、分波电子能态密度投影和过渡态搜索等方法研究了它们吸附锂离子的性能表现。我们预测C2F不仅可以提供较为不错的开路电压和储锂容量,还具有非常快的表面锂离子扩散速率。二、硅化二铜（Cu2Si）具有稳定平面结构和良好导电性能,我们研究了其作为碱金属离子电池负极材料的性能表现。计算了碱金属（Li、Na、K、Mg、Al和Zn）离子吸附在单层Cu2Si表面所有理论位点的吸附能,分析其结果并预测Cu2Si表面可以稳定的吸附Li、Na和K离子。使用过渡态搜索计算方法分别计算了 Li、Na和K离子在Cu2Si表面的迁移路径和扩散能垒,并计算了其作为对应离子电池负极材料时的开路电压和储能密度。三、我们使用粒子群优化算法与密度泛函理论相结合的策略对硼氮化硅（Si2BN）的体相晶体结构进行搜索,根据声子谱结构稳定性的计算筛选,得出三种硼氮化硅的体相结构（α相、β相和γ相）。我们通过局域电子密度分布和电子能带结构图分析了硼氮化硅三种体相结构内部的化学键分布和电子性质。我们使用能量应力应变的方法计算了 α相硼氮化硅的弹性刚度系数矩阵和德拜温度（1002K）,预测其具有优异力学弹性性能和表面硬度。总结,我们的计算模拟数据表明C2F是一个很有潜力的锂离子电池负极材料,这对于锂离子电池的碳基负极材料优化改进具有指导意义。此外我们还预测Cu2Si是很有潜力的碱金属（Li、Na和K）离子电池负极材料,这为碱金属离子电池负极材料家族增加了新成员,也拓宽了 Cu2Si的应用方向,对于Cu2Si在能源电池领域的应用具有重要意义。关于硼氮化硅结构的计算模拟工作,其结果表明硼氮化硅是一个非常优秀的耐高温超硬材料。我们的预测工作为其实验合成提供了思路,为其工业应用的理论基础。