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.

Rechargeable lithium metal batteries are considered the "Holy Grail" of energy storage systems. Unfortunately, uncontrollable dendritic lithium growth inherent in these batteries (upon repeated charge/discharge cycling) has prevented their practical application over the past 40 years. We show a novel mechanism that can fundamentally alter dendrite formation. At low concentrations, selected cations (such as cesium or rubidium ions) exhibit an effective reduction potential below the standard reduction potential of lithium ions. During lithium deposition, these additive cations form a positively charged electrostatic shield around the initial growth tip of the protuberances without reduction and deposition of the additives. This forces further deposition of lithium to adjacent regions of the anode and eliminates dendrite formation in lithium metal batteries. This strategy may also prevent dendrite growth in lithium-ion batteries as well as other metal batteries and transform the surface uniformity of coatings deposited in many general electrodeposition processes.

To improve fuel efficiency, advanced combustion engines are being designed to minimize the amount of heat wasted in the exhaust. Hence, future generations of catalysts must perform at temperatures that are 100°C lower than current exhaust-treatment catalysts. Achieving low-temperature activity, while surviving the harsh conditions encountered at high engine loads, remains a formidable challenge. In this study, we demonstrate how atomically dispersed ionic platinum (Pt2+) on ceria (CeO2), which is already thermally stable, can be activated via steam treatment (at 750°C) to simultaneously achieve the goals of low-temperature carbon monoxide (CO) oxidation activity while providing outstanding hydrothermal stability. A new type of active site is created on CeO2 in the vicinity of Pt2+, which provides the improved reactivity. These active sites are stable up to 800°C in oxidizing environments.

The objectives of this study were to assess the relative importance of either biotic or abiotic oxidation of biomass-derived black carbon (BC) and to characterize the surface properties and charge characteristics of oxidized BC. We incubated BC and BC–soil mixtures at two temperatures (30 °C and 70 °C), with and without microbial inoculation, nutrient addition, or manure amendment for four months. Abiotic processes were more important for oxidation of BC than biotic processes during this short-term incubation, as inoculation with microorganisms at 30 °C did not change any of the measured indicators of surface oxidation. Black C incubated at both 30 °C and 70 °C without microbial activity showed a decrease in pH (in water) from 5.4 to 5.2 and 3.4, as well as an increase in cation exchange capacity (CEC at pH 7) by 53% and 538% and in oxygen (O) content by 4% and 38%, respectively. Boehm titration and Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy suggested that formation of carboxylic functional groups was the reason for the enhanced CEC during oxidation. Analysis of surface properties of BC using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) indicated that the oxidation of BC particles was initiated on the surface. Incubation at 30 °C only enhanced oxidation on particle surfaces, while oxidation during incubation at 70 °C penetrated into the interior of particles. Such short-term oxidation of BC has significance for the stability of BC in soils as well as for its effects on soil fertility and biogeochemistry.

Nitrogen-doped graphene (N-graphene) is obtained by exposing graphene to nitrogen plasma. N-graphene exhibits much higher electrocatalytic activity toward oxygen reduction and H2O2 reduction than graphene, and much higher durability and selectivity than the widely-used expensive Pt for oxygen reduction. The excellent electrochemical performance of N-graphene is attributed to nitrogen functional groups and the specific properties of graphene. This indicates that N-graphene is promising for applications in electrochemical energy devices (fuel cells, metal–air batteries) and biosensors.

A novel vulcanized polyaniline nanotube/sulfur composite was prepared successfully via an in situ vulcanization process by heating a mixture of polyaniline nanotube and sulfur at 280 °C. The electrode could retain a discharge capacity of 837 mAh g−1 after 100 cycles at a 0.1 C rate and manifested 76% capacity retention up to 500 cycles at a 1 C rate. Detailed facts of importance to specialist readers are published as ”Supporting Information”. Such documents are peer-reviewed, but not copy-edited or typeset. They are made available as submitted by 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.

Rechargeable lithium-metal batteries (LMBs) are regarded as the "holy grail" of energy-storage systems, but the electrolytes that are highly stable with both a lithium-metal anode and high-voltage cathodes still remain a great challenge. Here a novel "localized high-concentration electrolyte" (HCE; 1.2 m lithium bis(fluorosulfonyl)imide in a mixture of dimethyl carbonate/bis(2,2,2-trifluoroethyl) ether (1:2 by mol)) is reported that enables dendrite-free cycling of lithium-metal anodes with high Coulombic efficiency (99.5%) and excellent capacity retention (>80% after 700 cycles) of Li||LiNi1/3 Mn1/3 Co1/3 O2 batteries. Unlike the HCEs reported before, the electrolyte reported in this work exhibits low concentration, low cost, low viscosity, improved conductivity, and good wettability that make LMBs closer to practical applications. The fundamental concept of "localized HCEs" developed in this work can also be applied to other battery systems, sensors, supercapacitors, and other electrochemical systems.

Due to the Fenton reaction, the presence of Fe and peroxide in electrodes generates free radicals causing serious degradation of the organic ionomer and the membrane. Pt-free and Fe-free cathode catalysts therefore are urgently needed for durable and inexpensive proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). Herein, a high-performance nitrogen-coordinated single Co atom catalyst is derived from Co-doped metal-organic frameworks (MOFs) through a one-step thermal activation. Aberration-corrected electron microscopy combined with X-ray absorption spectroscopy virtually verifies the CoN4 coordination at an atomic level in the catalysts. Through investigating effects of Co doping contents and thermal activation temperature, an atomically Co site dispersed catalyst with optimal chemical and structural properties has achieved respectable activity and stability for the oxygen reduction reaction (ORR) in challenging acidic media (e.g., half-wave potential of 0.80 V vs reversible hydrogen electrode (RHE). The performance is comparable to Fe-based catalysts and 60 mV lower than Pt/C -60 μg Pt cm-2 ). Fuel cell tests confirm that catalyst activity and stability can translate to high-performance cathodes in PEMFCs. The remarkably enhanced ORR performance is attributed to the presence of well-dispersed CoN4 active sites embedded in 3D porous MOF-derived carbon particles, omitting any inactive Co aggregates.

The aim of this work was to investigate changes in molecular form and surface charge of black carbon (BC) due to long-term natural oxidation and to examine how climatic and soil factors affect BC oxidation. Black C was collected from 11 historical charcoal blast furnace sites with a geographic distribution from Quebec, Canada, to Georgia, USA, and compared to BC that was newly produced (new BC) using rebuilt historical kilns. The results showed that the historical BC samples were substantially oxidized after 130 years in soils as compared to new BC or BC incubated for one year. The major alterations by natural oxidation of BC included: (1) changes in elemental composition with increases in oxygen (O) from 7.2% in new BC to 24.8% in historical BC and decreases in C from 90.8% to 70.5%; (2) formation of oxygen-containing functional groups, particularly carboxylic and phenolic functional groups, and (3) disappearance of surface positive charge and evolution of surface negative charge after 12 months of incubation. Although time of exposure significantly increased natural oxidation of BC, a significant positive relationship between mean annual temperature (MAT) and BC oxidation (O/C ratio with r = 0.83; P < 0.01) explained that BC oxidation was increased by 87 mmole kg C−1 per unit Celsius increase in MAT. This long-term oxidation was more pronounced on BC surfaces than for entire particles, and responded 7-fold stronger to increases in MAT. Our results also indicated that oxidation of BC was more important than adsorption of non-BC. Thus, natural oxidation of BC may play an important role in the effects of BC on soil biogeochemistry.