A concentrated effort for battery safety Aqueous electrolytes are limited to run below 1.23 V to avoid degradation. Suo et al. smash through this limit with an aqueous salt solution containing lithium (Li) bis(trifluoromethane sulfonyl)imide to create an electrolyte that has an electrochemical window of 3 V (see the Perspective by Smith and Dunn). They used extremely high-concentration solutions, which suppressed hydrogen evolution and electrode oxidation. At these concentrations, the Li solvation shell changes because there simply is not enough water to neutralize the Li + charge. Thus, flammable organic electrolytes could potentially be replaced with a safer aqueous alternative. Science , this issue p. 938 ; see also p. 918

Abstract Lithium metal is an ideal battery anode. However, dendrite growth and limited Coulombic efficiency during cycling have prevented its practical application in rechargeable batteries. Herein, we report that the use of highly concentrated electrolytes composed of ether solvents and the lithium bis(fluorosulfonyl)imide salt enables the high-rate cycling of a lithium metal anode at high Coulombic efficiency (up to 99.1%) without dendrite growth. With 4 M lithium bis(fluorosulfonyl)imide in 1,2-dimethoxyethane as the electrolyte, a lithium|lithium cell can be cycled at 10 mA cm −2 for more than 6,000 cycles, and a copper|lithium cell can be cycled at 4 mA cm −2 for more than 1,000 cycles with an average Coulombic efficiency of 98.4%. These excellent performances can be attributed to the increased solvent coordination and increased availability of lithium ion concentration in the electrolyte. Further development of this electrolyte may enable practical applications for lithium metal anode in rechargeable batteries.

Lithium batteries with Si, Al or Bi microsized (>10 µm) particle anodes promise a high capacity, ease of production, low cost and low environmental impact, yet they suffer from fast degradation and a low Coulombic efficiency. Here we demonstrate that a rationally designed electrolyte (2.0 M LiPF6 in 1:1 v/v mixture of tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran) enables 100 cycles of full cells that contain microsized Si, Al and Bi anodes with commercial LiFePO4 and LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 cathodes. Alloy anodes with areal capacities of more than 2.5 mAh cm−2 achieved >300 cycles with a high initial Coulombic efficiency of >90% and average Coulombic efficiency of >99.9%. These improvements are facilitated by the formation of a high-modulus LiF–organic bilayer interphase, in which LiF possesses a high interfacial energy with the alloy anode to accommodate plastic deformation of the lithiated alloy during cycling. This work provides a simple yet practical solution to current battery technology without any binder modification or special fabrication methods. Chunsheng Wang and colleagues develop an electrolyte strategy to enable the use of commercially available microsized alloys, such as Si–Li, as high-performance battery anodes. They ascribe its success to the formation of robust LiF-rich layers as the solid–electrolyte interface.

Metallic zinc is an ideal anode due to its high theoretical capacity (820 mAh g-1), low redox potential (-0.762 V versus the standard hydrogen electrode), high abundance and low toxicity. When used in aqueous electrolyte, it also brings intrinsic safety, but suffers from severe irreversibility. This is best exemplified by low coulombic efficiency, dendrite growth and water consumption. This is thought to be due to severe hydrogen evolution during zinc plating and stripping, hitherto making the in-situ formation of a solid-electrolyte interphase (SEI) impossible. Here, we report an aqueous zinc battery in which a dilute and acidic aqueous electrolyte with an alkylammonium salt additive assists the formation of a robust, Zn2+-conducting and waterproof SEI. The presence of this SEI enables excellent performance: dendrite-free zinc plating/stripping at 99.9% coulombic efficiency in a Ti||Zn asymmetric cell for 1,000 cycles; steady charge-discharge in a Zn||Zn symmetric cell for 6,000 cycles (6,000 h); and high energy densities (136 Wh kg-1 in a Zn||VOPO4 full battery with 88.7% retention for >6,000 cycles, 325 Wh kg-1 in a Zn||O2 full battery for >300 cycles and 218 Wh kg-1 in a Zn||MnO2 full battery with 88.5% retention for 1,000 cycles) using limited zinc. The SEI-forming electrolyte also allows the reversible operation of an anode-free pouch cell of Ti||ZnxVOPO4 at 100% depth of discharge for 100 cycles, thus establishing aqueous zinc batteries as viable cell systems for practical applications.

A many-body polarizable force field has been developed and validated for ionic liquids (ILs) containing 1-methyl-3-alkylimidazolium, 1-alkyl-2-methyl-3-alkylimidazolium, N-methyl-N-alkylpyrrolidinium, N-alkylpyridinium, N-alkyl-N-alkylpiperidinium, N-alkyl-N-alkylmorpholinium, tetraalkylammonium, tetraalkylphosphonium, N-methyl-N-oligoetherpyrrolidinium cations and BF(4)(-), CF(3)BF(3)(-), CH(3)BF(3)(-), CF(3)SO(3)(-), PF(6)(-), dicyanamide, tricyanomethanide, tetracyanoborate, bis(trifluoromethane sulfonyl)imide (Ntf(2)(-) or TFSI(-)), bis(fluorosulfonyl)imide (FSI(-)) and nitrate anions. Classical molecular dynamics (MD) simulations have been performed on 30 ionic liquids at 298, 333, and 393 K. The IL density, heat of vaporization, ion self-diffusion coefficient, conductivity, and viscosity were found in a good agreement with available experimental data. Ability of the developed force field to predict ionic crystal cell parameters has been tested on four ionic crystals containing Ntf(2)(-) anions. The influence of polarization on the structure and ion transport has been investigated for [emim][BF(4)] IL. A connection between the structural changes in IL resulting from turning off polarization and slowing down of ion dynamics has been found. Developed force field has also provided accurate description/prediction of thermodynamic and transport properties of alkanes, fluoroalkanes, oligoethers (1,2-dimethoxyethane), ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, hydrazine, methyhydrazine, dimethylhydrazine, acetonitrile, dimethyl amine, and dimethyl ketone.

Abstract Narrow electrochemical stability window (1.23 V) of aqueous electrolytes is always considered the key obstacle preventing aqueous sodium‐ion chemistry of practical energy density and cycle life. The sodium‐ion water‐in‐salt electrolyte (NaWiSE) eliminates this barrier by offering a 2.5 V window through suppressing hydrogen evolution on anode with the formation of a Na + ‐conducting solid‐electrolyte interphase (SEI) and reducing the overall electrochemical activity of water on cathode. A full aqueous Na‐ion battery constructed on Na 0.66 [Mn 0.66 Ti 0.34 ]O 2 as cathode and NaTi 2 (PO 4 ) 3 as anode exhibits superior performance at both low and high rates, as exemplified by extraordinarily high Coulombic efficiency (>99.2%) at a low rate (0.2 C) for >350 cycles, and excellent cycling stability with negligible capacity losses (0.006% per cycle) at a high rate (1 C) for >1200 cycles. Molecular modeling reveals some key differences between Li‐ion and Na‐ion WiSE, and identifies a more pronounced ion aggregation with frequent contacts between the sodium cation and fluorine of anion in the latter as one main factor responsible for the formation of a dense SEI at lower salt concentration than its Li cousin.