碳材料成本低廉、性能优异,在锂离子电池中被广泛使用。不过,碳材料有着复杂多变的化学结构,不同结构下碳材料的储能机理也各不相同。为了更加清晰地认识碳材料的储能机理,我们通过第一性原理计算分别探究了锂-石墨插层化合物（Li-GICs）结构的变化、锂离子在Li-GICs中的分布规律、硬碳材料中的边缘位点对锂、钠吸附的影响以及氢元素对储锂的影响。石墨具有结构稳定性高、体积膨胀率低、循环性能好以及对锂电位低等优点,已经成功地应用于商业锂离子电池。石墨与锂的反应是一种嵌入的插层反应。随着嵌锂量的增加,石墨会经历一系列的相变,最终形成的嵌锂化合物（Li-GICs）的化学式为LiC₆。为了对整个嵌锂过程中Li-GICs结构的变化有一个清晰完整的认识,我们使用第一性原理计算探索了在嵌锂过程中Li-GICs的结构变化以及锂离子的分布与迁移规律。首先,研究了Li-GICs的层间距与堆垛形式。计算表明,嵌锂过程中,Li-GICs的层间距随着锂离子的嵌入从3.34?逐渐增加到3.65?。Li-GICs中的石墨层会随着嵌锂量的增加而出现连续的滑移。在嵌锂量小于LiC₂₄的时候,石墨层主要以AB堆垛的形式存在,当嵌锂量大于LiC₂₄的时候则以AA堆垛的形式存在。随后,为了研究锂离子在其中的分布规律,我们计算了不同锂离子排布下LiC₁₂的形成能、层间距以及锂离子的迁移势垒。计算发现,“交叉”的锂离子排布能够减小层间距,从而极大限度地降低体系的自由能。另一方面,“非交叉”排布下的锂离子更易向形成“交叉”排布的方向迁移。这种“交叉”排布的结构与Daumas–Hérold模型中的“二阶”结构非常类似。这说明“阶”的形成使LiC₁₂在热力学上更加稳定,同时动力学上锂离子也更易形成“阶”结构。无定形碳材料通常具有远高于石墨的储锂和储钠比容量。其中,硬碳的结构稳定、成本低廉,用其作为电极材料的锂（钠）离子电池有着很高的比容量、良好的循环性能。不过,这种材料有着复杂的微观结构,如孔隙丰富、比表面积高、没有特定的晶格周期等,因此有着复杂的储能环境。以有机物为前驱体合成的多孔硬碳材料一般富含氮、氢、氧等杂质元素,这些元素的存在进一步改变了锂（钠）的存储环境。为了对锂（钠）在硬碳材料中的储能机理以及氮、氢等原子带来的影响有更深入的理解,我们通过第一性原理计算,研究了与硬碳结构有很多相似之处的石墨烯纳米带的物、化性质。首先研究了锂（钠）在各种石墨烯纳米带上的吸附过程。计算结果表明在没有杂原子的影响下,锂（钠）会与边缘上的碳原子成键,并且随着锂（钠）原子吸附数量的增加,这些原子会在石墨烯边缘聚集并成核,最后形成准金属或金属。这个吸附过程在电压曲线上可以分为三个区域:电压衰减区、成核区以及金属形成区。在储锂的时候,边缘可以为电压衰减区贡献大约460 m Ah g^-1的比容量,而储钠的时候,边缘可以为衰减区贡献大约185m Ah g^-1的比容量。最后,研究了氮、氢元素的存在对硬碳储能的影响。计算结果表明,锂与石墨烯锯齿形边缘（GC）或吡啶氮边缘（GN）之间存在很强的相互作用。氢原子在边缘的占据极大地削弱了锂与边缘的相互作用。不过,锂可以很容易地取代GN-H中边缘位置的氢,形成Li-N键。而这一取代过程在GC-H上却很难发生。