Silicon is regarded as one of the most promising anode materials for next generation lithium-ion batteries. For use in practical applications, a Si electrode must have high capacity, long cycle life, high efficiency, and the fabrication must be industrially scalable. Here, we design and fabricate a yolk-shell structure to meet all these needs. The fabrication is carried out without special equipment and mostly at room temperature. Commercially available Si nanoparticles are completely sealed inside conformal, thin, self-supporting carbon shells, with rationally designed void space in between the particles and the shell. The well-defined void space allows the Si particles to expand freely without breaking the outer carbon shell, therefore stabilizing the solid-electrolyte interphase on the shell surface. High capacity (∼2800 mAh/g at C/10), long cycle life (1000 cycles with 74% capacity retention), and high Coulombic efficiency (99.84%) have been realized in this yolk-shell structured Si electrode.

It remains a grand challenge to replace platinum group metal (PGM) catalysts with earth-abundant materials for the oxygen reduction reaction (ORR) in acidic media, which is crucial for large-scale deployment of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). Here, we report a high-performance atomic Fe catalyst derived from chemically Fe-doped zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs) by directly bonding Fe ions to imidazolate ligands within 3D frameworks. Although the ZIF was identified as a promising precursor, the new synthetic chemistry enables the creation of well-dispersed atomic Fe sites embedded into porous carbon without the formation of aggregates. The size of catalyst particles is tunable through synthesizing Fe-doped ZIF nanocrystal precursors in a wide range from 20 to 1000 nm followed by one-step thermal activation. Similar to Pt nanoparticles, the unique size control without altering chemical properties afforded by this approach is able to increase the number of PGM-free active sites. The best ORR activity is measured with the catalyst at a size of 50 nm. Further size reduction to 20 nm leads to significant particle agglomeration, thus decreasing the activity. Using the homogeneous atomic Fe model catalysts, we elucidated the active site formation process through correlating measured ORR activity with the change of chemical bonds in precursors during thermal activation up to 1100 °C. The critical temperature to form active sites is 800 °C, which is associated with a new Fe species with a reduced oxidation number (from Fe3+ to Fe2+) likely bonded with pyridinic N (FeN4) embedded into the carbon planes. Further increasing the temperature leads to continuously enhanced activity, linked to the rise of graphitic N and Fe–N species. The new atomic Fe catalyst has achieved respectable ORR activity in challenging acidic media (0.5 M H2SO4), showing a half-wave potential of 0.85 V vs RHE and leaving only a 30 mV gap with Pt/C (60 μgPt/cm2). Enhanced stability is attained with the same catalyst, which loses only 20 mV after 10 000 potential cycles (0.6–1.0 V) in O2 saturated acid. The high-performance atomic Fe PGM-free catalyst holds great promise as a replacement for Pt in future PEMFCs.

Nanostructured silicon is a promising anode material for high-performance lithium-ion batteries, yet scalable synthesis of such materials, and retaining good cycling stability in high loading electrode remain significant challenges. Here we combine in-situ transmission electron microscopy and continuum media mechanical calculations to demonstrate that large (>20 μm) mesoporous silicon sponge prepared by the anodization method can limit the particle volume expansion at full lithiation to ~30% and prevent pulverization in bulk silicon particles. The mesoporous silicon sponge can deliver a capacity of up to ~750 mAh g−1 based on the total electrode weight with >80% capacity retention over 1,000 cycles. The first cycle irreversible capacity loss of pre-lithiated electrode is <5%. Bulk electrodes with an area-specific-capacity of ~1.5 mAh cm−2 and ~92% capacity retention over 300 cycles are also demonstrated. The insight obtained from this work also provides guidance for the design of other materials that may experience large volume variation during operations. Silicon is a promising anode material for lithium ion batteries, but suffers from poor cyclability especially at high mass loading. Here, Li et al. synthesize mesoporous silicon sponge-like structures, which show promising performance at the deep lithiation and high loading conditions required for practical applications.

There are reports that nano-sized zero-valent iron (Fe0) exhibits greater reactivity than micro-sized particles of Fe0, and it has been suggested that the higher reactivity of nano-Fe0 may impart advantages for groundwater remediation or other environmental applications. However, most of these reports are preliminary in that they leave a host of potentially significant (and often challenging) material or process variables either uncontrolled or unresolved. In an effort to better understand the reactivity of nano-Fe0, we have used a variety of complementary techniques to characterize two widely studied nano-Fe0 preparations: one synthesized by reduction of goethite with heat and H2 (FeH2) and the other by reductive precipitation with borohydride (FeBH). FeH2 is a two-phase material consisting of 40 nm α-Fe0 (made up of crystals approximately the size of the particles) and Fe3O4 particles of similar size or larger containing reduced sulfur; whereas FeBH is mostly 20−80 nm metallic Fe particles (aggregates of <1.5 nm grains) with an oxide shell/coating that is high in oxidized boron. The FeBH particles further aggregate into chains. Both materials exhibit corrosion potentials that are more negative than nano-sized Fe2O3, Fe3O4, micro-sized Fe0, or a solid Fe0 disk, which is consistent with their rapid reduction of oxygen, benzoquinone, and carbon tetrachloride. Benzoquinonewhich presumably probes inner-sphere surface reactionsreacts more rapidly with FeBH than FeH2, whereas carbon tetrachloride reacts at similar rates with FeBH and FeH2, presumably by outer-sphere electron transfer. Both types of nano-Fe0 react more rapidly than micro-sized Fe0 based on mass-normalized rate constants, but surface area-normalized rate constants do not show a significant nano-size effect. The distribution of products from reduction of carbon tetrachloride is more favorable with FeH2, which produces less chloroform than reaction with FeBH.

Graphene oxide is electrochemically reduced which is called electrochemically reduced graphene oxide (ER-G). ER-G is characterized with scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and X-ray diffraction. The oxygen content is significantly decreased and the sp2 carbon is restored after electrochemical reduction. ER-G exhibits much higher electrochemical capacitance and cycling durability than carbon nanotubes (CNTs) and chemically reduced graphene; the specific capacitance measured with cyclic voltammetry (20 mV s−1) is ∼165, ∼86, and ∼100 F g−1 for ER-G, CNTs, and chemically reduced graphene, respectively. The electrochemical reduction of oxygen and hydrogen peroxide are greatly enhanced on ER-G electrodes as compared with CNTs. ER-G has shown promising features for applications in energy storage, biosensors, and electrocatalysis.

Pristine Li-rich layered cathodes, such as Li1.2Ni0.2Mn0.6O2 and Li1.2Ni0.1Mn0.525Co0.175O2, were identified to exist in two different structures: LiMO2R3̅m and Li2MO3C2/m phases. Upon 300 cycles of charge/discharge, both phases gradually transform to the spinel structure. The transition from LiMO2R3̅m to spinel is accomplished through the migration of transition metal ions to the Li site without breaking down the lattice, leading to the formation of mosaic structured spinel grains within the parent particle. In contrast, transition from Li2MO3C2/m to spinel involves removal of Li+ and O2-, which produces large lattice strain and leads to the breakdown of the parent lattice. The newly formed spinel grains show random orientation within the same particle. Cracks and pores were also noticed within some layered nanoparticles after cycling, which is believed to be the consequence of the lattice breakdown and vacancy condensation upon removal of lithium ions. The AlF3-coating can partially relieve the spinel formation in the layered structure during cycling, resulting in a slower capacity decay. However, the AlF3-coating on the layered structure cannot ultimately stop the spinel formation. The observation of structure transition characteristics discussed in this paper provides direct explanation for the observed gradual capacity loss and poor rate performance of the layered composite. It also provides clues about how to improve the materials structure in order to improve electrochemical performance.

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.

To utilize high-capacity Si anodes in next-generation Li-ion batteries, the physical and chemical transformations during the Li–Si reaction must be better understood. Here, in situ transmission electron microscopy is used to observe the lithiation/delithiation of amorphous Si nanospheres; amorphous Si is an important anode material that has been less studied than crystalline Si. Unexpectedly, the experiments reveal that the first lithiation occurs via a two-phase mechanism, which is contrary to previous understanding and has important consequences for mechanical stress evolution during lithiation. On the basis of kinetics measurements, this behavior is suggested to be due to the rate-limiting effect of Si–Si bond breaking. In addition, the results show that amorphous Si has more favorable kinetics and fracture behavior when reacting with Li than does crystalline Si, making it advantageous to use in battery electrodes. Amorphous spheres up to 870 nm in diameter do not fracture upon lithiation; this is much larger than the 150 nm critical fracture diameter previously identified for crystalline Si spheres.