钠具有储量丰富、价格便宜等优势，因此钠离子电池（SIBs）被认为是大规模储能的强有力的候选方式之一。与锂离子电池不同，合适的负极材料一直是限制钠离子电池大规模应用的关键之一。

目前钠离子电池的负极材料是以硬碳和合金材料负极为主。但此两种材料各有一大缺点：对于硬碳，其电压平台接近金属钠的沉积电位，在大电流充电情况下极易产生钠金属枝晶，造成严重的安全问题。对于合金材料负极，由于其剧烈的体积形变，造成金属合金表面的SEI在充放电过程中持续破碎-生成，故其库伦效率较低，大大限制了全电池的循环寿命。

近日，美国马里兰大学的王春生团队的陈骥和范修林博士（共同第一作者）巧妙的利用共嵌入和后续脱出反应制备了Bi纳米颗粒嵌入石墨的负极材料。此种材料巧妙解决了合金负极材料由于体积形变大造成SEI不稳定而引起的库伦效率低等问题。

图1. Bi纳米颗粒嵌入石墨的合成示意图。

合成过程利用了K-Bi合金可以非常容易的共嵌入石墨这一现象，之后利用酒精等溶剂进行K退插层反应，之后将石墨表面的Bi纳米颗粒用酸清洗掉。而嵌入石墨层中的Bi纳米颗粒由于有石墨层的保护，酸无法进入石墨层中，故不会与石墨层中的Bi反应。整个过程不会用到强酸、强碱，故不会在石墨上引起任何缺陷。

近年来，可再生能源的存储问题引起了越来越多的关注，追求规模化、绿色环保、低成本、高性能的可逆二次电池成为一种重要趋势。与锂离子电池相比，钠离子电池具有天然的成本优势，目前正受到广泛关注。

通过借鉴在锂离子电池中广泛应用的正极材料，钠离子正极材料目前已得到长足的发展。但合适的负极材料成为钠离子电池大规模应用的关键制约因素。陈骥和范修林博士开发的此种负极材料很好的弥补了钠离子电池的负极材料的不足：

1）其充放电电压平台为0.6 V左右，从而解决了在高倍率充电过程中可能出现的钠金属枝晶问题；

2）Bi纳米颗粒嵌入到石墨层中，纳米颗粒在充放电过程中不会与电解液接触，仅有的少量的SEI仅在石墨表面生成，而不会在纳米颗粒表面生成，从而解决了金属合金负极材料在充放电过程中SEI持续破碎-生成的问题。故在充放电过程中其库伦效率高达>99.9%，与目前商业化的锂离子电池的石墨负极材料相当。

3）活性物质颗粒大小为5-10 nm，大大提高了其电化学活性，故具有极其优异的倍率性能。与目前文献报道的最为广泛的石墨烯负载纳米材料截然不同。

图2. （a）Bi纳米颗粒嵌入石墨的SEM图像；（b）SEM图像，及其C，Bi和总的Mapping图；（c，d）Bi纳米颗粒嵌入石墨复合材料的TEM和HRTEM图像。

图3.（a）Bi纳米颗粒嵌入石墨复合材料的充放电曲线；（b）不同充放电速率的倍率容量；（c）不同速率下的充放电曲线；（d）目前文献所报道的SIBs的负极材料的倍率性能对比。

这一成果近期发表在国际顶级期刊Energy & Environmental Science 上，文章的第一作者是陈骥博士和范修林博士。

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