钠具有储量丰富、价格便宜等优势，因此钠离子电池被认为是大规模储能强有力的候选方式之一。但钠离子电池负极材料存在如低钠离子存储能力、较低的循环稳定性等诸多缺陷，限制了其大规模应用。马里兰大学Chunsheng Wang教授研究团队在全球首次设计制备了铋（Bi）金属纳米颗粒嵌入的石墨（Graphite）插层复合负极，应用于钠离子电池，获得了超长循环寿命和高倍率性能，为钠离子的规模化应用奠定了关键技术基础。
研究人员首先通过真空高温反应制备了铋化钾合金（KBi），接着通过插层反应将KBi嵌入到石墨的插层间隙中，随后通过化学脱嵌反应将K离子从石墨插层脱嵌出来并通过硝酸盐酸的清洗形成Bi纳米颗粒嵌入的石墨插层复合负极Bi@Graphite。石墨插层可以作为缓冲层克服Bi金属负极在充放电循环过程中产生的剧烈的体积形变导致的SEI膜持续破碎-生成问题，同时能够为离子传输提供快速通道。X射线衍射表征显示相比单纯的Bi- Graphite物理混合物，Bi嵌入的Bi@Graphite复合材料的Bi衍射峰宽化且强度弱化，表明了Bi纳米颗粒确实嵌入到了Graphite插层当中（外围的石墨插层使得X射线探测到被包围其中的钠离子信号弱化）。扫描电镜测试结果显示Graphite和Bi@Graphite两者呈现一致的微观结构，即均为片状形貌且表面光滑，进一步证实了Bi纳米颗粒的确嵌入到Graphite插层当中。在确认Bi@Graphite复合负极结构后，研究人员将其应用到钠离子电池，并进行一系列的电化学性能测试。在0.1-1.8V电压窗口、1C（160 mA•g−1）电流密度下进行恒电流充放电结果显示，电池获得了160 mAh•g−1；而将倍率翻倍到2C，电池初始放电比容量可达158 mAh•g−1，且经过1000次循环后仍可维持初始容量的98.7%，库伦效率接近100%（99.9%），与目前商业化的锂离子电池的石墨负极材料相当。当进一步将倍率提高到20C时，电池依然可以获得高达142 mAh•g−1的放电比容量，且经过10000次充放电循环后可以获得90%的容量保持率，展现极其优异的高倍率性能和循环稳定性。研究人员指出，上述新型的Bi@Graphite复合负极之所以能够有效增强钠离子电池性能的原因有两点，一是放电电压平台为0.6 V左右与金属钠的沉积电位错开，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；二是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，避免在纳米颗粒表面生成固态电解质（SEI）膜，从而解决了金属合金负极材料在充放电过程中体积过度变化引起SEI持续破碎-生成的问题。
该项研究精心设计了Bi纳米颗粒嵌入的石墨复合负极，提高了钠离子电池的倍率性能和循环稳定性，为设计开发高效的钠离子负极材料开辟了新路径。相关研究成果发表在《Energy & Environmental Science》。
