鈉具有儲(chǔ)量豐富、價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)，因此鈉離子電池（SIBs）被認(rèn)為是大規(guī)模儲(chǔ)能的強(qiáng)有力的候選方式之一。與鋰離子電池不同，合適的負(fù)極材料一直是限制鈉離子電池大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵之一。

目前鈉離子電池的負(fù)極材料是以硬碳和合金材料負(fù)極為主。但此兩種材料各有一大缺點(diǎn)：對(duì)于硬碳，其電壓平臺(tái)接近金屬鈉的沉積電位，在大電流充電情況下極易產(chǎn)生鈉金屬枝晶，造成嚴(yán)重的安全問(wèn)題。對(duì)于合金材料負(fù)極，由于其劇烈的體積形變，造成金屬合金表面的SEI在充放電過(guò)程中持續(xù)破碎-生成，故其庫(kù)倫效率較低，大大限制了全電池的循環(huán)壽命。

近日，美國(guó)馬里蘭大學(xué)的王春生團(tuán)隊(duì)的陳驥和范修林博士（共同第一作者）巧妙的利用共嵌入和后續(xù)脫出反應(yīng)制備了Bi納米顆粒嵌入石墨的負(fù)極材料。此種材料巧妙解決了合金負(fù)極材料由于體積形變大造成SEI不穩(wěn)定而引起的庫(kù)倫效率低等問(wèn)題。

圖1. Bi納米顆粒嵌入石墨的合成示意圖。

合成過(guò)程利用了K-Bi合金可以非常容易的共嵌入石墨這一現(xiàn)象，之后利用酒精等溶劑進(jìn)行K退插層反應(yīng)，之后將石墨表面的Bi納米顆粒用酸清洗掉。而嵌入石墨層中的Bi納米顆粒由于有石墨層的保護(hù)，酸無(wú)法進(jìn)入石墨層中，故不會(huì)與石墨層中的Bi反應(yīng)。整個(gè)過(guò)程不會(huì)用到強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，故不會(huì)在石墨上引起任何缺陷。

近年來(lái)，可再生能源的存儲(chǔ)問(wèn)題引起了越來(lái)越多的關(guān)注，追求規(guī)模化、綠色環(huán)保、低成本、高性能的可逆二次電池成為一種重要趨勢(shì)。與鋰離子電池相比，鈉離子電池具有天然的成本優(yōu)勢(shì)，目前正受到廣泛關(guān)注。

通過(guò)借鑒在鋰離子電池中廣泛應(yīng)用的正極材料，鈉離子正極材料目前已得到長(zhǎng)足的發(fā)展。但合適的負(fù)極材料成為鈉離子電池大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵制約因素。陳驥和范修林博士開(kāi)發(fā)的此種負(fù)極材料很好的彌補(bǔ)了鈉離子電池的負(fù)極材料的不足：

1）其充放電電壓平臺(tái)為0.6 V左右，從而解決了在高倍率充電過(guò)程中可能出現(xiàn)的鈉金屬枝晶問(wèn)題；

2）Bi納米顆粒嵌入到石墨層中，納米顆粒在充放電過(guò)程中不會(huì)與電解液接觸，僅有的少量的SEI僅在石墨表面生成，而不會(huì)在納米顆粒表面生成，從而解決了金屬合金負(fù)極材料在充放電過(guò)程中SEI持續(xù)破碎-生成的問(wèn)題。故在充放電過(guò)程中其庫(kù)倫效率高達(dá)>99.9%，與目前商業(yè)化的鋰離子電池的石墨負(fù)極材料相當(dāng)。

3）活性物質(zhì)顆粒大小為5-10 nm，大大提高了其電化學(xué)活性，故具有極其優(yōu)異的倍率性能。與目前文獻(xiàn)報(bào)道的最為廣泛的石墨烯負(fù)載納米材料截然不同。

圖2. （a）Bi納米顆粒嵌入石墨的SEM圖像；（b）SEM圖像，及其C，Bi和總的Mapping圖；（c，d）Bi納米顆粒嵌入石墨復(fù)合材料的TEM和HRTEM圖像。

圖3.（a）Bi納米顆粒嵌入石墨復(fù)合材料的充放電曲線；（b）不同充放電速率的倍率容量；（c）不同速率下的充放電曲線；（d）目前文獻(xiàn)所報(bào)道的SIBs的負(fù)極材料的倍率性能對(duì)比。

這一成果近期發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Energy & Environmental Science 上，文章的第一作者是陳驥博士和范修林博士。

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