Graphite, as the most common anode for commercial Li-ion batteries, has been reported to have a very low capacity when used as a Na-ion battery anode. It is well known that electrochemical insertion of Na+ into graphite is significantly hindered by the insufficient interlayer spacing. Here we report expanded graphite as a Na-ion battery anode. Prepared through a process of oxidation and partial reduction on graphite, expanded graphite has an enlarged interlayer lattice distance of 4.3 Å yet retains an analogous long-range-ordered layered structure to graphite. In situ transmission electron microscopy has demonstrated that the Na-ion can be reversibly inserted into and extracted from expanded graphite. Galvanostatic studies show that expanded graphite can deliver a high reversible capacity of 284 mAh g−1 at a current density of 20 mA g−1, maintain a capacity of 184 mAh g−1 at 100 mA g−1, and retain 73.92% of its capacity after 2,000 cycles. Graphite is a common anode material for lithium-ion batteries, but small interlayer spacing makes it unsuitable for sodium-ion batteries. Here, Wen et al.synthesize a graphite material with expanded layer distances, which could be a promising anodic material for sodium-ion batteries.

The commercialization of lithium–sulfur batteries is hindered by low cycle stability and low efficiency, which are induced by sulfur active material loss and polysulfide shuttle reaction through dissolution into electrolyte. In this study, sulfur-impregnated disordered carbon nanotubes are synthesized as cathode material for the lithium–sulfur battery. The obtained sulfur–carbon tube cathodes demonstrate superior cyclability and Coulombic efficiency. More importantly, the electrochemical characterization indicates a new stabilization mechanism of sulfur in carbon induced by heat treatment.

Abstract The electrochemical performance of mesoporous carbon (C)/tin (Sn) anodes in Na‐ion and Li‐ion batteries is systematically investigated. The mesoporous C/Sn anodes in a Na‐ion battery shows similar cycling stability but lower capacity and poorer rate capability than that in a Li‐ion battery. The desodiation potentials of Sn anodes are approximately 0.21 V lower than delithiation potentials. The low capacity and poor rate capability of C/Sn anode in Na‐ion batteries is mainly due to the large Na‐ion size, resulting in slow Na‐ion diffusion and large volume change of porous C/Sn composite anode during alloy/dealloy reactions. Understanding of the reaction mechanism between Sn and Na ions will provide insight towards exploring and designing new alloy‐based anode materials for Na‐ion batteries.

Sodium-ion batteries (SIBs) are considered a top alternative to lithium-ion batteries (LIBs) for large-scale renewable energy storage units due to their low cost and the abundance of sodium-bearing precursors in the earth's mineral deposits. However, the development of anode materials for SIBs to date has been mainly limited to carbonaceous materials with minimal research devoted to high capacity alloy-based materials. In this study, an antimony (Sb)/carbon (C) electrode with ∼30 nm Sb nanoparticles (NPs) uniformly encapsulated in interconnecting one-dimensional (1D) 400 nm carbon fibers (denoted as SbNP@C) was fabricated using a simple and scalable electrospinning method. This binder-free, current collector-free SbNP@C electrode demonstrated high capacity and stable long-term cycling performance at various current densities. The SbNP@C electrode showed an initial total capacity of 422 mAh/gelectrode and retained 350 mAh/gelectrode after 300 deep charge–discharge cycles under 100 mA/gSb. Moreover, because of the efficient 1D sodium-ion transport pathway and the highly conductive network of SbNP@C, the electrode preserved high overall capacities even when cycled at high currents, extending its usability to high power applications.

Exceptional cycling performance of graphite anode in K‐ion batteries is demonstrated with a reversible capacity of 246 mAh g –1 and 89% retention of the initial capacity after 200 cycles. Although the graphite anode experiences huge volume change and worse kinetics during K intercalation/deintercalation, the cycling stability delivered in K‐ion batteries is comparable to that of Li‐ion batteries using the same graphite anode. The combination of excellent electrochemical performance, the abundance and wide availability of K in earth's crust, and the well‐developed technology of the graphite anode make the K‐ion battery very attractive for offering a low cost battery chemistry for large‐scale energy storage applications.

Nano-Sn/C composites are ideal anode materials for high energy and power density Li-ion batteries. However, because of the low melting point of Sn and the tendency of grain growth, especially during high temperature carbonization, it has been a significant challenge to create well-dispersed ultrasmall Sn nanoparticles within a carbon matrix. In this paper, we demonstrate an aerosol spray pyrolysis technique, as a facile and scalable method, to synthesize a nano-Sn/C composite with uniformly dispersed 10 nm nano-Sn within a spherical carbon matrix. The discharge capacity of nano-Sn/C composite sphere anodes maintains the initial capacity of 710 mAh/g after 130 cycles at 0.25 C. The nano-Sn/C composite sphere anodes can provide ∼600 mAh/g even at a high rate of 20 C. To the best of our knowledge, such high rate performance for Sn anodes has not been reported previously. The exceptional performance of the nano-Sn/C composite is attributed to the unique nano-Sn/C structure: (1) carbon matrix offers mechanical support to accommodate the stress associated with the large volume change of nano-Sn, thus alleviating pulverization; (2) the carbon matrix prevents Sn nanoparticle agglomeration upon prolonged cycling; and (3) carbon network provides continuous path for Li ions and electrons inside the nano-Sn/C composite spheres.

Silicon (Si)-based materials have the highest capacity among the investigated anode materials and have been recognized as one of the most promising materials for lithium-ion batteries. However, it is still a significant challenge to obtain good performance for practical applications due to the huge volume change during the electrochemical process. To date, the most successful strategy is to introduce other components into Si to form composite or alloy materials. In this review, the recent progress in Si-based materials utilized in lithium-ion batteries is reviewed in terms of composite systems, nano-structure designs, material synthesis methods, and electrochemical performances. The merits and disadvantages of different Si-based materials, the understanding of the mechanisms behind the performance enhancement as well as the challenges faced in Si anodes are also discussed. We are trying to present a full scope of the Si-based materials, and help understand and design future structures of Si anodes in lithium-ion batteries.

Carbon-coated olivine NaFePO4 (C-NaFePO4) spherical particles with a uniform diameter of ∼80 nm are obtained by chemical delithiation and subsequent electrochemical sodiation of carbon-coated olivine LiFePO4 (C-LiFePO4), which is synthesized by a solvothermal method. The C-NaFePO4 electrodes are identical (particle size, particle size distribution, surface coating, and active material loading, etc.) to C-LiFePO4 except that Li ions in C-LiFePO4 are replaced by Na ions, making them ideal for comparison of thermodynamics and kinetics between C-NaFePO4 cathode in sodium-ion (Na-ion) batteries and C-LiFePO4 in lithium-ion (Li-ion) batteries. In this paper, the equilibrium potentials, reaction resistances, and diffusion coefficient of Na in C-NaFePO4 are systematically investigated by using the galvanostatic intermittent titration technique (GITT), electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV), and compared to those of the well-known LiFePO4 cathodes in Li-ion batteries. Due to the lower diffusion coefficient of Na-ion and higher contact and charge transfer resistances in NaFePO4 cathodes, the rate performance of C-NaFePO4 in Na-ion batteries is much worse than that of C-LiFePO4 in Li-ion batteries. However, the cycling stability of C-NaFePO4 is almost comparable to C-LiFePO4 by retaining 90% of its capacity even after 100 charge–discharge cycles at a charge–discharge rate of 0.1 C.

Selenium-impregnated carbon composites were synthesized by infusing Se into mesoporous carbon at a temperature of 600 °C under vacuum. Ring-structured Se8 was produced and confined in the mesoporous carbon, which acts as an electronic conductive matrix. During the electrochemical process in low-cost LiPF6/EC/DEC electrolyte, low-order polyselenide intermediates formed and were stabilized by mesoporous carbon, which avoided the shuttle reaction of polyselenides. Exceptional electrochemical performance of Se/mesoporous carbon composites was demonstrated in both Li-ion and Na-ion batteries. In lithium-ion batteries, Se8/mesoporous carbon composite cathodes delivered a reversible capacity of 480 mAh g–1 for 1000 charge/discharge cycles without any capacity loss, while in Na-ion batteries, it provided initial capacity of 485 mAh g–1 and retained 340 mAh g–1 after 380 cycles. The Se8/mesoporous carbon composites also showed excellent rate capability. As the current density increased from 0.1 to 5 C, the capacity retained about 46% in Li-ion batteries and 34% in Na-ion batteries.

Designed as a high-capacity alloy host for Na-ion chemistry, a forest of Sn nanorods with a unique core–shell structure was synthesized on viral scaffolds, which were genetically engineered to ensure a nearly vertical alignment upon self-assembly onto a metal substrate. The interdigital spaces thus formed between individual rods effectively accommodated the volume expansion and contraction of the alloy upon sodiation/desodiation, while additional carbon-coating engineered over these nanorods further suppressed Sn aggregation during extended electrochemical cycling. Due to the unique nanohierarchy of multiple functional layers, the resultant 3D nanoforest of C/Sn/Ni/TMV1cys, binder-free composite electrode already and evenly assembled on a stainless steel current collector, exhibited supreme capacity utilization and cycling stability toward Na-ion storage and release. An initial capacity of 722 mA·h (g Sn)−1 along with 405 mA·h (g Sn)−1 retained after 150 deep cycles demonstrates the longest-cycling nano-Sn anode material for Na-ion batteries reported in the literature to date and marks a significant performance improvement for neat Sn material as alloy host for Na-ion chemistry.