Lithium (Li) metal is an ideal anode material for rechargeable batteries due to its extremely high theoretical specific capacity (3860 mA h g−1), low density (0.59 g cm−3) and the lowest negative electrochemical potential (−3.040 V vs. the standard hydrogen electrode). Unfortunately, uncontrollable dendritic Li growth and limited Coulombic efficiency during Li deposition/stripping inherent in these batteries have prevented their practical applications over the past 40 years. With the emergence of post-Li-ion batteries, safe and efficient operation of Li metal anodes has become an enabling technology which may determine the fate of several promising candidates for the next generation energy storage systems, including rechargeable Li–air batteries, Li–S batteries, and Li metal batteries which utilize intercalation compounds as cathodes. In this paper, various factors that affect the morphology and Coulombic efficiency of Li metal anodes have been analyzed. Technologies utilized to characterize the morphology of Li deposition and the results obtained by modelling of Li dendrite growth have also been reviewed. Finally, recent development and urgent need in this field are discussed.

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.

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.

Summary

 Considering the limited energy density of traditional graphite-anode-based lithium (Li)-ion batteries, alternative high-capacity anodes are greatly needed for the next-generation high-energy-density battery systems. In this regard, Li metal is well known to be one of the most promising anodes due to its ultrahigh capacity (3,860 mAh g⁻¹) and the very low standard negative electrochemical potential (−3.040 V). However, dendrite growth and high reactivity of Li metal anodes result in low cycling efficiency and severe safety concerns. The recent revival of research and development on Li metal anodes has brought new, in-depth understanding and key experimental progress toward Li metal protection and enhanced performance of Li metal batteries. In this Perspective, we concisely review recent discoveries in this field and suggest possible new research directions for further development of Li metal batteries.

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.

The lithium–air battery is one of the most promising technologies among various electrochemical energy storage systems. We demonstrate that a novel air electrode consisting of an unusual hierarchical arrangement of functionalized graphene sheets (with no catalyst) delivers an exceptionally high capacity of 15000 mAh/g in lithium–O2 batteries which is the highest value ever reported in this field. This excellent performance is attributed to the unique bimodal porous structure of the electrode which consists of microporous channels facilitating rapid O2 diffusion while the highly connected nanoscale pores provide a high density of reactive sites for Li–O2 reactions. Further, we show that the defects and functional groups on graphene favor the formation of isolated nanosized Li2O2 particles and help prevent air blocking in the air electrode. The hierarchically ordered porous structure in bulk graphene enables its practical applications by promoting accessibility to most graphene sheets in this structure.

Carbon materials have been playing a significant role in the development of alternative clean and sustainable energy technologies. This review article summarizes the recent research progress on the synthesis of nanostructured carbon and its application in energy storage and conversion. In particular, we will systematically discuss the synthesis and applications of nanoporous carbon as electrodes for supercapacitors and electrodes in lithium-ion batteries, and the development of nanoporous media for methane gas storage, coherent nanocomposites for hydrogen storage, electrocatalysts and catalyst supports for fuel cells, new porous carbon for lithium–sulfur batteries, and porous carbon for lithium–oxygen batteries. The common challenges in developing simple, scalable, and environmentally friendly synthetic and manufacturing processes, in controlling the nanoscale and high level structures and functions, and in integrating such materials with suitable device architectures are reviewed. Possible new directions to overcome the current limitations on the performance are discussed.