Abstract Lattice oxygen can play an intriguing role in electrochemical processes, not only maintaining structural stability, but also influencing electron and ion transport properties in high-capacity oxide cathode materials for Li-ion batteries. Here, we report the design of a gas–solid interface reaction to achieve delicate control of oxygen activity through uniformly creating oxygen vacancies without affecting structural integrity of Li-rich layered oxides. Theoretical calculations and experimental characterizations demonstrate that oxygen vacancies provide a favourable ionic diffusion environment in the bulk and significantly suppress gas release from the surface. The target material is achievable in delivering a discharge capacity as high as 301 mAh g −1 with initial Coulombic efficiency of 93.2%. After 100 cycles, a reversible capacity of 300 mAh g −1 still remains without any obvious decay in voltage. This study sheds light on the comprehensive design and control of oxygen activity in transition-metal-oxide systems for next-generation Li-ion batteries.

Abstract Although layered lithium oxides have become the cathode of choice for state‐of‐the‐art Li‐ion batteries, substantial gaps remain between the practical and theoretical energy densities. With the aim of supporting efforts to close this gap, this work reviews the fundamental operating mechanisms and challenges of Li intercalation in layered oxides, contrasts how these challenges play out differently for different materials (with emphasis on Ni–Co–Al (NCA) and Ni–Mn–Co (NMC) alloys), and summarizes the extensive corpus of modifications and extensions to the layered lithium oxides. Particular emphasis is given to the fundamental mechanisms behind the operation and degradation of layered intercalation electrode materials as well as novel modifications and extensions, including Na‐ion and cation‐disordered materials.

Lithium metal batteries hold promise for pushing cell-level energy densities beyond 300 Wh kg−1 while operating at ultra-low temperatures (below −30 °C). Batteries capable of both charging and discharging at these temperature extremes are highly desirable due to their inherent reduction in the need for external warming. Here we demonstrate that the local solvation structure of the electrolyte defines the charge-transfer behaviour at ultra-low temperature, which is crucial for achieving high Li metal Coulombic efficiency and avoiding dendritic growth. These insights were applied to Li metal full-cells, where a high-loading 3.5 mAh cm−2 sulfurized polyacrylonitrile (SPAN) cathode was paired with a onefold excess Li metal anode. The cell retained 84% and 76% of its room temperature capacity when cycled at −40 and −60 °C, respectively, which presented stable performance over 50 cycles. This work provides design criteria for ultra-low-temperature lithium metal battery electrolytes, and represents a defining step for the performance of low-temperature batteries. Charging and discharging Li-metal batteries (LMBs) at low temperatures is problematic due to the sluggish charge-transfer process. Here the authors discuss the roles of solvation structures of Li-ions in the charge-transfer kinetics and design an electrolyte to enable low-temperature operations of LMBs.

Rechargeable lithium-ion batteries with high energy density that can be safely charged and discharged at high rates are desirable for electrified transportation and other applications1–3. However, the sub-optimal intercalation potentials of current anodes result in a trade-off between energy density, power and safety. Here we report that disordered rock salt4,5 Li3+xV2O5 can be used as a fast-charging anode that can reversibly cycle two lithium ions at an average voltage of about 0.6 volts versus a Li/Li+ reference electrode. The increased potential compared to graphite6,7 reduces the likelihood of lithium metal plating if proper charging controls are used, alleviating a major safety concern (short-circuiting related to Li dendrite growth). In addition, a lithium-ion battery with a disordered rock salt Li3V2O5 anode yields a cell voltage much higher than does a battery using a commercial fast-charging lithium titanate anode or other intercalation anode candidates (Li3VO4 and LiV0.5Ti0.5S2)8,9. Further, disordered rock salt Li3V2O5 can perform over 1,000 charge–discharge cycles with negligible capacity decay and exhibits exceptional rate capability, delivering over 40 per cent of its capacity in 20 seconds. We attribute the low voltage and high rate capability of disordered rock salt Li3V2O5 to a redistributive lithium intercalation mechanism with low energy barriers revealed via ab initio calculations. This low-potential, high-rate intercalation reaction can be used to identify other metal oxide anodes for fast-charging, long-life lithium-ion batteries. A vanadium-based lithium-rich disordered rock salt oxide is shown to work as a low-potential anode with rapid intercalation kinetics for lithium-ion batteries.

Lithium-rich layered oxides (LRLO) are among the leading candidates for the next-generation cathode material for energy storage, delivering 50% excess capacity over commercially used compounds. Despite excellent prospects, voltage fade has prevented effective use of the excess capacity, and a major challenge has been a lack of understanding of the mechanisms underpinning the voltage fade. Here, using operando three-dimensional Bragg coherent diffractive imaging, we directly observe the nucleation of a mobile dislocation network in LRLO nanoparticles. The dislocations form more readily in LRLO as compared with a classical layered oxide, suggesting a link between the defects and voltage fade. We show microscopically how the formation of partial dislocations contributes to the voltage fade. The insights allow us to design and demonstrate an effective method to recover the original high-voltage functionality. Our findings reveal that the voltage fade in LRLO is reversible and call for new paradigms for improved design of oxygen-redox active materials. Voltage fade is a major obstacle for the efficient use of lithium-rich layered oxide materials in batteries. Here, the authors reveal the link between voltage fade and nucleation of a mobile dislocation network in the oxide nanoparticles, offering design ideas to restore the voltage.

The Li-excess layered oxide compound is one of the most promising positive electrode materials for next generation batteries exhibiting high capacities of >300 mA h g⁻¹ due to the unconventional participation of the oxygen anion redox in the charge compensation mechanism.

Abstract Air-stability is one of the most important considerations for the practical application of electrode materials in energy-harvesting/storage devices, ranging from solar cells to rechargeable batteries. The promising P2-layered sodium transition metal oxides (P2-Na x TmO 2 ) often suffer from structural/chemical transformations when contacted with moist air. However, these elaborate transitions and the evaluation rules towards air-stable P2-Na x TmO 2 have not yet been clearly elucidated. Herein, taking P2-Na 0.67 MnO 2 and P2-Na 0.67 Ni 0.33 Mn 0.67 O 2 as key examples, we unveil the comprehensive structural/chemical degradation mechanisms of P2-Na x TmO 2 in different ambient atmospheres by using various microscopic/spectroscopic characterizations and first-principle calculations. The extent of bulk structural/chemical transformation of P2-Na x TmO 2 is determined by the amount of extracted Na + , which is mainly compensated by Na + /H + exchange. By expanding our study to a series of Mn-based oxides, we reveal that the air-stability of P2-Na x TmO 2 is highly related to their oxidation features in the first charge process and further propose a practical evaluating rule associated with redox couples for air-stable Na x TmO 2 cathodes.

Conversion-type transition-metal phosphide anode materials with high theoretical capacity usually suffer from low-rate capability and severe capacity decay, which are mainly caused by their inferior electronic conductivities and large volumetric variations together with the poor reversibility of discharge product (Li3P), impeding their practical applications. Herein, guided by density functional theory calculations, these obstacles are simultaneously mitigated by confining amorphous FeP nanoparticles into ultrathin 3D interconnected P-doped porous carbon nanosheets (denoted as FeP@CNs) via a facile approach, forming an intriguing 3D flake-CNs-like configuration. As an anode for lithium-ion batteries (LIBs), the resulting FeP@CNs electrode not only reaches a high reversible capacity (837 mA h g-1 after 300 cycles at 0.2 A g-1) and an exceptional rate capability (403 mA h g-1 at 16 A g-1) but also exhibits extraordinary durability (2500 cycles, 563 mA h g-1 at 4 A g-1, 98% capacity retention). By combining DFT calculations, in situ transmission electron microscopy, and a suite of ex situ microscopic and spectroscopic techniques, we show that the superior performances of FeP@CNs anode originate from its prominent structural and compositional merits, which render fast electron/ion-transport kinetics and abundant active sites (amorphous FeP nanoparticles and structural defects in P-doped CNs) for charge storage, promote the reversibility of conversion reactions, and buffer the volume variations while preventing pulverization/aggregation of FeP during cycling, thus enabling a high rate and highly durable lithium storage. Furthermore, a full cell composed of the prelithiated FeP@CNs anode and commercial LiFePO4 cathode exhibits impressive rate performance while maintaining superior cycling stability. This work fundamentally and experimentally presents a facile and effective structural engineering strategy for markedly improving the performance of conversion-type anodes for advanced LIBs.

Aqueous batteries with zinc metal anodes are promising alternatives to Li-ion batteries for grid storage because of their abundance and benefits in cost, safety, and nontoxicity. However, short cyclability due to zinc dendrite growth remains a major obstacle. Here, we report a cross-linked polyacrylonitrile (PAN)-based cation exchange membrane that is low cost and mechanically robust. Li2S3 reacts with PAN, simultaneously leading to cross-linking and formation of sulfur-containing functional groups. Hydrolysis of the membrane results in the formation of a membrane that achieves preferred cation transport and homogeneous ionic flux distribution. The separator is thin (30 μm-thick), almost 9 times stronger than hydrated Nafion, and made of low-cost materials. The membrane separator enables exceptionally long cyclability (>350 cycles) of Zn/Zn symmetric cells with low polarization and effective dendrite suppression. Our work demonstrates that the design of new separators is a fruitful pathway to enhancing the cyclability of aqueous batteries.