Sodium-ion batteries are a potentially low-cost and safe alternative to the prevailing lithium-ion battery technology. However, it is a great challenge to achieve fast charging and high power density for most sodium-ion electrodes because of the sluggish sodiation kinetics. Here we demonstrate a high-capacity and high-rate sodium-ion anode based on ultrathin layered tin(II) sulfide nanostructures, in which a maximized extrinsic pseudocapacitance contribution is identified and verified by kinetics analysis. The graphene foam supported tin(II) sulfide nanoarray anode delivers a high reversible capacity of ∼1,100 mAh g(-1) at 30 mA g(-1) and ∼420 mAh g(-1) at 30 A g(-1), which even outperforms its lithium-ion storage performance. The surface-dominated redox reaction rendered by our tailored ultrathin tin(II) sulfide nanostructures may also work in other layered materials for high-performance sodium-ion storage.

High‐performance electrode materials are the key to advances in the areas of energy conversion and storage (e.g., fuel cells and batteries). In this Review, recent progress in the synthesis and electrochemical application of transition metal carbides (TMCs) and nitrides (TMNs) for energy storage and conversion is summarized. Their electrochemical properties in Li‐ion and Na‐ion batteries as well as in supercapacitors, and electrocatalytic reactions (oxygen evolution and reduction reactions, and hydrogen evolution reaction) are discussed in association with their crystal structure/morphology/composition. Advantages and benefits of nanostructuring (e.g., 2D MXenes) are highlighted. Prospects of future research trends in rational design of high‐performance TMCs and TMNs electrodes are provided at the end.

The high performance of a pseudocapacitor electrode relies largely on a scrupulous design of nanoarchitectures and smart hybridization of bespoke active materials. We present a powerful two-step solution-based method for the fabrication of transition metal oxide core/shell nanostructure arrays on various conductive substrates. Demonstrated examples include Co3O4 or ZnO nanowire core and NiO nanoflake shells with a hierarchical and porous morphology. The "oriented attachment" and "self-assembly" crystal growth mechanisms are proposed to explain the formation of the NiO nanoflake shell. Supercapacitor electrodes based on the Co3O4/NiO nanowire arrays on 3D macroporous nickel foam are thoroughly characterized. The electrodes exhibit a high specific capacitance of 853 F/g at 2 A/g after 6000 cycles and an excellent cycling stability, owing to the unique porous core/shell nanowire array architecture, and a rational combination of two electrochemically active materials. Our growth approach offers a new technique for the design and synthesis of transition metal oxide or hydroxide hierarchical nanoarrays that are promising for electrochemical energy storage, catalysis, and gas sensing applications.

The abundant reserve and low cost of sodium have provoked tremendous evolution of Na-ion batteries (SIBs) in the past few years, but their performances are still limited by either the specific capacity or rate capability. Attempts to pursue high rate ability with maintained high capacity in a single electrode remains even more challenging. Here, an elaborate self-branched 2D SnS2 (B-SnS2) nanoarray electrode is designed by a facile hot bath method for Na storage. This interesting electrode exhibits areal reversible capacity of ca. 3.7 mAh cm–2 (900 mAh g–1) and rate capability of 1.6 mAh cm–2 (400 mAh g–1) at 40 mA cm–2 (10 A g–1). Improved extrinsic pseudocapacitive contribution is demonstrated as the origin of fast kinetics of an alloying-based SnS2 electrode. Sodiation dynamics analysis based on first-principles calculations, ex-situ HRTEM, in situ impedance, and in situ Raman technologies verify the S-edge effect on the fast Na+ migration and reversible and sensitive structure evolution during high-rate charge/discharge. The excellent alloying-based pseudocapacitance and unsaturated edge effect enabled by self-branched surface nanoengineering could be a promising strategy for promoting development of SIBs with both high capacity and high rate response.

We report a facile hydrothermal synthesis method for the large-area growth of self-supported hollow Co3O4 nanowire arrays. The Co3O4 nanowires have an average diameter of 200 nm and grow vertically to the substrates forming aligned nanowire arrays. Interestingly, the as-prepared Co3O4 nanowire arrays combine properties of hollow structure and quasi-single crystallinity. A plausible formation mechanism of hollow Co3O4 nanowire arrays is proposed here. The Co3O4 nanowire arrays grown on the nickel foam are tested as a cathode electrode material for supercapacitor by cyclic voltammograms (CVs) and galvanostatic charge–discharge tests in 1 M KOH. The self-supported hollow Co3O4 nanowire arrays exhibit superior supercapacitor performances with high specific capacitances (599 F g−1 at 2 A g−1 and 439 F g−1 at 40 A g−1) as well as excellent cycle life, making them suitable for high-rate supercapacitor application. The enhanced supercapacitor performances are due to its unique porous structure providing fast ion and electron transfer, large reaction surface area and good strain accommodation.

Nanoscale surface engineering is playing important role in enhancing the performance of battery electrode. VO2 is one of high-capacity but less-stable materials and has been used mostly in the form of powders for Li-ion battery cathode with mediocre performance. In this work, we design a new type of binder-free cathode by bottom-up growth of biface VO2 arrays directly on a graphene network for both high-performance Li-ion and Na-ion battery cathodes. More importantly, graphene quantum dots (GQDs) are coated onto the VO2 surfaces as a highly efficient surface "sensitizer" and protection to further boost the electrochemical properties. The integrated electrodes deliver a Na storage capacity of 306 mAh/g at 100 mA/g, and a capacity of more than 110 mAh/g after 1500 cycles at 18 A/g. Our result on Na-ion battery may pave the way to next generation postlithium batteries.

Hollow porous micro/nanostructures with high surface area and shell permeability have attracted tremendous attention. Particularly, the synthesis and structural tailoring of diverse hollow porous materials is regarded as a crucial step toward the realization of high-performance electrode materials, which has several advantages including a large contact area with electrolyte, a superior structural stability, and a short transport path for Li(+) ions. Meanwhile, owing to the inexpensive, abundant, environmentally benign, and renewable biological resources provided by nature, great efforts have been devoted to understand and practice the biotemplating technology, which has been considered as an effective strategy to achieve morphology-controllable materials with structural specialty, complexity, and related unique properties. Herein, we are inspired by the natural microalgae with its special features (easy availability, biological activity, and carbon sources) to develop a green and facile biotemplating method to fabricate monodisperse MnO/C microspheres for lithium-ion batteries. Due to the unique hollow porous structure in which MnO nanoparticles were tightly embedded into a porous carbon matrix and form a penetrative shell, MnO/C microspheres exhibited high reversible specific capacity of 700 mAh g(-1) at 0.1 A g(-1), excellent cycling stability with 94% capacity retention, and enhanced rate performance of 230 mAh g(-1) at 3 A g(-1). This green, sustainable, and economical strategy will extend the scope of biotemplating synthesis for exploring other functional materials in various structure-dependent applications such as catalysis, gas sensing, and energy storage.

A thin polymer shell helps V2O5 a lot. Short V2O5 nanobelts are grown directly on 3D graphite foam as a lithium-ion battery (LIB) cathode material. A further coating of a poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) thin shell is the key to the high performance. An excellent high-rate capability and ultrastable cycling up to 1000 cycles are demonstrated. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

A new and generic strategy to construct interwoven carbon nanotube (CNT) branches on various metal oxide nanostructure arrays (exemplified by V 2 O 3 nanoflakes, Co 3 O 4 nanowires, Co 3 O 4 –CoTiO 3 composite nanotubes, and ZnO microrods), in order to enhance their electrochemical performance, is demonstrated for the first time. In the second part, the V 2 O 3 /CNTs core/branch composite arrays as the host for Na + storage are investigated in detail. This V 2 O 3 /CNTs hybrid electrode achieves a reversible charge storage capacity of 612 mAh g −1 at 0.1 A g −1 and outstanding high‐rate cycling stability (a capacity retention of 100% after 6000 cycles at 2 A g −1 , and 70% after 10 000 cycles at 10 A g −1 ). Kinetics analysis reveals that the Na + storage is a pseudocapacitive dominating process and the CNTs improve the levels of pseudocapacitive energy by providing a conductive network.

The low utilization of active sites and sluggish reaction kinetics of MoSe 2 severely impede its commercial application as electrocatalyst for hydrogen evolution reaction (HER). To address these two issues, the first example of introducing 1T MoSe 2 and N dopant into vertical 2H MoSe 2 /graphene shell/core nanoflake arrays that remarkably boost their HER activity is herein described. By means of the improved conductivity, rich catalytic active sites and highly accessible surface area as a result of the introduction of 1T MoSe 2 and N doping as well as the unique structural features, the N‐doped 1T‐2H MoSe 2 /graphene (N‐MoSe 2 /VG) shell/core nanoflake arrays show substantially enhanced HER activity. Remarkably, the N‐MoSe 2 /VG nanoflakes exhibit a relatively low onset potential of 45 mV and overpotential of 98 mV (vs RHE) at 10 mA cm −2 with excellent long‐term stability (no decay after 20 000 cycles), outperforming most of the recently reported Mo‐based electrocatalysts. The success of improving the electrochemical performance via the introduction of 1T phase and N dopant offers new opportunities in the development of high‐performance MoSe 2 ‐based electrodes for other energy‐related applications.