计算电化学课题组主要发展基于第一性原理理论的电化学计算方法，针对锂（钠）离子电池材料（正极、负极、固体电解质）、锂空气（锂硫）电池正极材料、电催化剂（析氢、析氧、氧还原、固氮）等材料的电化学活性低导致高过电位、库伦效率低、循环性能差等基本科学问题，研究材料组成结构对电化学性能影响的关系规律，通过计算筛选/结构设计与实验制备表征结合，发展高性能电化学材料。 

　　1 发展先进计算电化学方法 

　　电化学计算模型方法系统集成热力学原理、分子动力学模拟、第一性原理电子结构分析、遗传算法模型等将电化学性质（电压、锂离子迁移动力学、结构相变、氧化还原机制）实现“原子、声子、电子”层次表征，建立电化学活性定量表征手段。基于计算电化学设计，利用课题组电化学表征平台，加快推进高性能电化学材料设计与筛选。 

　　基于材料基因工程概念，发展电化学材料数据库与高通量计算、数据挖掘紧密结合研究平台，开展高通量计算筛选，建立材料组成-结构-性能的“材料基因”模型，开展新材料设计与性能优化。 

　　2. 富锂相锂离子正极材料 

　　富锂相锂离子正极材料因具有超过250mAh/g的容量和较宽的工作电压范围，成为当今研究的热点。而富锂相锂离子正极材料存在首次充放电循环时较高不可逆、倍率性能和循环性能不佳、循环过程中电压易衰减等问题。通过第一性原理电子结构计算结合动力学模拟，并采用先进的热力学分析方法、准动力学方法(Metadynamics)、集团展开法(Cluster Expansion)等，研究组分-结构对富锂相正极材料稳定性、电化学活性的构效关系。分析电化学反应机理，进一步筛选潜在的具有高循环稳定性、低成本的新型富锂相正极材料。

　　3. 钠离子电极材料 

　　有机电极材料由于其环境友好、储量丰富、结构多样，而引起了越来越多的关注，但在钠离子电池的实际运用中有机电极材料仍存在储能机制不明确，储能比容量较低以及储能电压低等关键科学问题。通过第一性原理计算与实验的结合，采用改变材料的微观结构框架，拓展有机材料的类型，调控不同有机小分子间不同比例的环合等微观结构的设计手段，建立结构与材料性能的有效关系，为设计新型高效的电极材料提供理论指导和思路。

　　4. 锂空气（锂硫）电池正极材料 

　　针对锂空气（锂硫）电池的电化学性能问题，通过第一性原理电子结构计算和分子动力学模拟，研究材料组分-结构对锂空气（锂硫）电池热力学、动力学反应势垒的构效关系，分析界面库伦相互作用、电荷转移对界面催化活性的影响关系，建立高活性正极材料的筛选规则，利用高通量计算筛选潜在的高活性、低成本锂空气（锂硫）电池正极材料，并进行电化学性能实验表征。

　　5. 固态电解质 

　　无机-聚合物复合固态电解质一方面可以解决无机电解质电极之间的接触面积降低界面阻抗，另一方面可以降低纯有机电解质电导率低的问题达到取长补短的效果。建立发展复合电解质的关键是提高电导率与循环寿命（结构，电化学稳定性），需要对不同聚合物-无机固态电解质组分、结构（尺寸、界面相）进行优化筛选。研究电/热/力耦合情况下，锂离子在无机电解质相、聚合物电解质相、以及两相界面结构间的迁移机制，同时揭示各种相组成结构对力学、热力学稳定性（电化学窗口）的影响规律。 　

　　6. 析氢（析氧）电催化剂 

　　通过第一原理热力学计算为基础，构建电催化析氢与析氧热力学催化剂模型，研究不同催化剂的组成（如过渡金属电负性、d电子特性等）与微观结构（配位结构、纳米尺寸等）对析氢与析氧反应活性以及热力学稳定的构效关系，筛选新型高性能电催化剂，并通过电化学实验表征验证催化性能。