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本论文主要研究了锂离子电池两种极具潜力的-极材料LiMn2O4以及LiFePO4的离子动力学性能，并对其研究背景和研究方法做了简单介绍。
应用电位驰豫技术测量了LixMn2O4中锂离子在常温下的化学扩散系数，给出了x从0.1到0.9之间扩散系数的变化趋势。结果显示了在锂离子的嵌入和脱出过程中，两相共存区x=0.3和0.7附近锂离子的扩散系数比单相区的要高。应用蒙特卡罗模拟方法，模拟了锂离子在LixMn2O4中的离子电导率σ随锂离子含量x的变化规律。当温度T=293K时，结果在电导率σ对x的图中显示出一条M状的曲线，其两个最大峰的位置和实验测量的扩散系数最大峰位置相符，这一结论验证了PRT技术测量的实验结果。而当模拟温度继续上升，两个最大峰慢慢变平坦，且处于x=0.5附近的最小峰却逐渐上升，最后当温度升高到453K时，反而变为最大峰。
为了验证上述蒙特卡罗模拟的结论，本论文通过第一性原理分子动力学方法，继续研究了LiMn2O4材料的结构和动力学特性。第一性原理分子动力学方法考虑了所有离子之间的相互作用，因此所得结果比经典的分子动力学方法更为可靠。应用完全分子动力学研究了材料的结构以及扩散性质，而选择性分子动力学研究了锂离子的扩散势垒。结果首先显示，材料中Mn和O原子在常温下没有明显的扩散行为，这推翻了Suzuki等人通过经典分子动力学模拟的结论。同时还发现Li0.5Mn2O4中锂离子倾向于占据一个面心立方亚格子，而锂离子从一个8a位扩散到另一个8a位的扩散势垒对于LiMn2O4和Li0.5Mn2O4来说分别为0.23和0.61eV。这一方面说明LiMn2O4中锂离子的扩散系数比Li0.5Mn2O4要高，佐证了上述蒙特卡罗模拟的结论，同时也说明锂离子在Li0.5Mn2O4中占据一个面心立方亚格子从能量上来说具有更高的稳定性。
通过第一性原理计算研究了锂离子在橄榄石结构的LiFePO4中的扩散机理。应用绝热轨道方法，对不同的可能扩散路径的迁移势垒进行了计算，结果表明对于LiFePO4，FePO4以及Li0.5FePO4来说，其扩散势垒在沿着c-轴方向大约分别为0.6，1.2和1.5eV。而在其他迁移路径上，其扩散势垒非常大，以至于锂离子不可能在那些方向上扩散。这说明锂离子在LiFePO4中的扩散是一维的。这种一维的扩散行为通过第一性原理的完全分子动力学模拟得到了更进一步的验证，并且直观地观察到了锂离子的一维扩散行为。
为了进一步解释Cr的Li位掺杂的LiFePO4材料电子电导率得到了大幅度提高而其电化学性能却没有得到明显改善，计算研究了纯的和掺铬的LiFePO4中锂离子和铬离子沿着一维扩散通道的输运的能量势垒。结果发现锂离子可以很容易的沿着扩散通道扩散，但是铬离子很难离开本来的位置。这意味着Cr原子堵塞了材料的一维扩散通道。然后，采用蒙特卡罗方法模拟了Cr离子的堵塞行为对LiFePO4电池正极材料电化学性能的影响。结果表明容量高低对掺杂量、模拟采用的超晶格大小(正极材料的颗粒尺寸)以及统计的蒙特卡罗步骤(充放电电流密度)非常敏感。最后，从不阻塞一维离子输运通道的角度出发，考虑了低价态Na原子的Li位掺杂以及其他金属离子的Fe位掺杂对材料动力学性能的影响，并发现两种方法都能够不同程度的提高了材料的电子电导率，且不会阻塞Li离子的一维输运通道。