A concentrated effort for battery safety Aqueous electrolytes are limited to run below 1.23 V to avoid degradation. Suo et al. smash through this limit with an aqueous salt solution containing lithium (Li) bis(trifluoromethane sulfonyl)imide to create an electrolyte that has an electrochemical window of 3 V (see the Perspective by Smith and Dunn). They used extremely high-concentration solutions, which suppressed hydrogen evolution and electrode oxidation. At these concentrations, the Li solvation shell changes because there simply is not enough water to neutralize the Li + charge. Thus, flammable organic electrolytes could potentially be replaced with a safer aqueous alternative. Science , this issue p. 938 ; see also p. 918

Significance Rechargeable lithium metal battery (RLMB) is the holy grail of high-energy-density batteries. If lithium metal anode (LMA) could be combined with 5-V LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 cathode, energy density could exceed 600 Wh/kg based on the cathode and anode electrode mass. Despite such promises, 5-V RLMB is still a vacant research space so far due to the unavailability of electrolytes which simultaneously satisfy a wide enough electrochemical stability window, good compatibility with LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , and superior reversibility of LMA. In this work, a class of full-fluoride (FF) electrolyte is invented for 5-V RLMB which not only has good compatibility with cathode and a wide stability window but also possesses the capability to make LMA more stable and reversible.

Abstract Narrow electrochemical stability window (1.23 V) of aqueous electrolytes is always considered the key obstacle preventing aqueous sodium‐ion chemistry of practical energy density and cycle life. The sodium‐ion water‐in‐salt electrolyte (NaWiSE) eliminates this barrier by offering a 2.5 V window through suppressing hydrogen evolution on anode with the formation of a Na + ‐conducting solid‐electrolyte interphase (SEI) and reducing the overall electrochemical activity of water on cathode. A full aqueous Na‐ion battery constructed on Na 0.66 [Mn 0.66 Ti 0.34 ]O 2 as cathode and NaTi 2 (PO 4 ) 3 as anode exhibits superior performance at both low and high rates, as exemplified by extraordinarily high Coulombic efficiency (>99.2%) at a low rate (0.2 C) for >350 cycles, and excellent cycling stability with negligible capacity losses (0.006% per cycle) at a high rate (1 C) for >1200 cycles. Molecular modeling reveals some key differences between Li‐ion and Na‐ion WiSE, and identifies a more pronounced ion aggregation with frequent contacts between the sodium cation and fluorine of anion in the latter as one main factor responsible for the formation of a dense SEI at lower salt concentration than its Li cousin.

Solid-electrolyte interphase (SEI) is the key component that enables all advanced electrochemical devices, the best representative of which is Li-ion battery (LIB). It kinetically stabilizes electrolytes at potentials far beyond their thermodynamic stability limits, so that cell reactions could proceed reversibly. Its ad hoc chemistry and formation mechanism has been a topic under intensive investigation since the first commercialization of LIB 25 years ago. Traditionally SEI can only be formed in nonaqueous electrolytes. However, recent efforts successfully transplanted this concept into aqueous media, leading to significant expansion in the electrochemical stability window of aqueous electrolytes from 1.23 V to beyond 4.0 V. This not only made it possible to construct a series of high voltage/energy density aqueous LIBs with unprecedented safety, but also brought high flexibility and even “open configurations” that have been hitherto unavailable for any LIB chemistries. While this new class of aqueous electrolytes has been successfully demonstrated to support diversified battery chemistries, the chemistry and formation mechanism of the key component, an aqueous SEI, has remained virtually unknown. In this work, combining various spectroscopic, electrochemical and computational techniques, we rigorously examined this new interphase, and comprehensively characterized its chemical composition, microstructure and stability in battery environment. A dynamic picture obtained reveals how a dense and protective interphase forms on anode surface under competitive decompositions of salt anion, dissolved ambient gases and water molecule. By establishing basic laws governing the successful formation of an aqueous SEI, the in-depth understanding presented in this work will assist the efforts in tailor-designing better interphases that enable more energetic chemistries operating farther away from equilibria in aqueous media.

All-solid-state lithium–sulfur batteries (ASSLSBs) using highly conductive sulfide-based solid electrolytes suffer from low sulfur utilization, poor cycle life, and low rate performance due to the huge volume change of the electrode and the poor electronic and ionic conductivities of S and Li2S. The most promising approach to mitigate these challenges lies in the fabrication of a sulfur nanocomposite electrode consisting of a homogeneous distribution of nanosized active material, solid electrolyte, and carbon. Here, we reported a novel bottom-up method to synthesize such a nanocomposite by dissolving Li2S as the active material, polyvinylpyrrolidone (PVP) as the carbon precursor, and Li6PS5Cl as the solid electrolyte in ethanol, followed by a coprecipitation and high-temperature carbonization process. Li2S active material and Li6PS5Cl solid electrolyte with a particle size of ∼4 nm were uniformly confined in a nanoscale carbon matrix. The homogeneous nanocomposite electrode consisting of different nanoparticles with distinct properties of lithium storage capability, mechanical reinforcement, and ionic and electronic conductivities enabled a mechanical robust and mixed conductive (ionic and electronic conductive) sulfur electrode for ASSLSB. A large reversible capacity of 830 mAh/g (71% utilization of Li2S) at 50 mA/g for 60 cycles with a high rate performance was achieved at room temperature even at a high loading of Li2S (∼3.6 mg/cm2). This work provides a new strategy to design a mechanically robust, mixed conductive nanocomposite electrode for high-performance all-solid-state lithium sulfur batteries.

Using molecular dynamics simulations, small-angle neutron scattering, and a variety of spectroscopic techniques, we evaluated the ion solvation and transport behaviors in aqueous electrolytes containing bis(trifluoromethanesulfonyl)imide. We discovered that, at high salt concentrations (from 10 to 21 mol/kg), a disproportion of cation solvation occurs, leading to a liquid structure of heterogeneous domains with a characteristic length scale of 1 to 2 nm. This unusual nano-heterogeneity effectively decouples cations from the Coulombic traps of anions and provides a 3D percolating lithium-water network, via which 40% of the lithium cations are liberated for fast ion transport even in concentration ranges traditionally considered too viscous. Due to such percolation networks, superconcentrated aqueous electrolytes are characterized by a high lithium-transference number (0.73), which is key to supporting an assortment of battery chemistries at high rate. The in-depth understanding of this transport mechanism establishes guiding principles to the tailored design of future superconcentrated electrolyte systems.

Abstract Sodium (Na) is one of the more abundant elements on earth and exhibits similar chemical properties as lithium (Li), indicating that Na could be applied to a similar battery system. Like aqueous Li‐ion batteries, aqueous sodium‐ion batteries (ASIBs) are also demonstrated to be one of the most promising stationary power sources for sustainable energies such as wind and solar power. Compared to traditional nonaqueous batteries, ASIBs may solve the safety problems associated with the highly toxic and flammable organic electrolyte in the traditional lithium‐ion and sodium‐ion batteries. During the past decades, many efforts are made to improve the performance of the ASIBs. The present review focuses on the latest advances in the exploration and development of ASIB systems and related components, including cathodes, anodes, and electrolytes. Previously reported studies are briefly summarized, together with the presentation of new findings based on the electrochemical performance, cycling stability, and morphology approaches. In addition, the main opportunities, achievements, and challenges in this field are briefly commented and discussed.

Abstract A new super‐concentrated aqueous electrolyte is proposed by introducing a second lithium salt. The resultant ultra‐high concentration of 28 m led to more effective formation of a protective interphase on the anode along with further suppression of water activities at both anode and cathode surfaces. The improved electrochemical stability allows the use of TiO 2 as the anode material, and a 2.5 V aqueous Li‐ion cell based on LiMn 2 O 4 and carbon‐coated TiO 2 delivered the unprecedented energy density of 100 Wh kg −1 for rechargeable aqueous Li‐ion cells, along with excellent cycling stability and high coulombic efficiency. It has been demonstrated that the introduction of a second salts into the “water‐in‐salt” electrolyte further pushed the energy densities of aqueous Li‐ion cells closer to those of the state‐of‐the‐art Li‐ion batteries.