Abstract The topic of sustainable and eco‐friendly energy storage technologies is an issue of global significance. To date, this heavy burden is solely addressed by lithium‐ion battery technology. However, the ongoing depletion of limited global lithium resources has restricted their future availability for Li‐ion battery technology, and hence, a significant price increase is expected. This grim situation is the driving force for the development of the “beyond Li‐ion battery” strategy involving alternatives that have several advantages over conventional Li‐ion batteries in terms of cost, durability, safety, and sustainability. Potassium, the closest neighboring alkali element after sodium, offers some unique advantages over lithium and sodium as a charge carrier in rechargeable batteries. Potassium intercalation chemistry in potassium‐ion batteries (KIBs) is successfully demonstrated to be compatible with Li‐ion batteries and sodium‐ion batteries. In addition to KIBs, potassium–sulfur and potassium–oxygen batteries have emerged as new energy‐storage systems due to their low costs and high specific energy densities. This review covers the key technological developments and scientific challenges for a broad range of rechargeable potassium batteries, while also providing valuable insight into the scientific and practical issues concerning the development of potassium‐based rechargeable batteries.

The development of new battery technologies requires them to be well-established given the competition from lithium ion batteries (LIBs), a well-commercialized technology, and the merits should surpass other available technologies' characteristics for battery applications. Aqueous rechargeable zinc ion batteries (ARZIBs) represent a budding technology that can challenge LIBs with respect to electrochemical features because of the safety, low cost, high energy density, long cycle life, high-volume density, and stable water-compatible features of the metal zinc anode. Research on ARZIBs utilizing mild acidic electrolytes is focused on developing cathode materials with complete utilization of their electro-active materials. This progress is, however, hindered by persistent issues and consequences of divergent electrochemical mechanisms, unwanted side reactions, and unresolved proton insertion phenomena, thereby challenging ARZIB commercialization for large-scale energy storage applications. Herein, we broadly review two important cathodes, manganese and vanadium oxides, that are witnessing rapid progress toward developing state-of-the-art ARZIB cathodes.

A novel nanocomposite cathode consisting of sulfur and hollow‐mesoporous titania (HMT) embedded within carbon nanotubes (CNT), which is designated as S‐HMT@CNT, has been obtained by encapsulating elemental sulfur into the pores of hollow‐mesoporous, spherical TiO 2 particles that are connected via CNT. A carbon‐paper interlayer, referred to as dual functional porous carbon wall (DF‐PCW), has been obtained by filling the voids in TiO 2 spheres with carbon and then etching the TiO 2 template with a chemical process. The DF‐PCW interlayer provides a medium for scavenging the lithium polysulfides and suppressing them from diffusing to the anode side when it is inserted between the sulfur cathode and the separator. Lithium–sulfur cells fabricated with the thus prepared S‐HMT@CNT cathode and the DF‐PCW interlayer exhibit superior performance due to the containment of sulfur in TiO 2 and improved lithium–ion and electron transports. The Li–S cells display high capacity with excellent capacity retention at rates as high as 1C, 2C, and 5C rates.

With the ever-increasing demand for lithium-ion batteries (LIBs) with higher energy density, tremendous attention has been paid to design various silicon-active materials as alternative electrodes due to their high theoretical capacity (ca. 3579 mAh g-1). However, totally replacing the commercially utilized graphite with silicon is still insurmountable owing to bottlenecks such as low electrode loading and insufficient areal capacity. Thus, in this study, we turn back to enhanced graphite electrode through the cooperation of modified silicon via a facile and scalable blending process. The modified nano/microstructured silicon with boron doping and carbon nanotube wedging (B-Si/CNT) can provide improved stability (88.2% retention after 200 cycles at 2000 mA g-1) and high reversible capacity (∼2426 mAh g-1), whereas the graphite can act as a tough framework for high loading. Owing to the synergistic effect, the resultant B-Si/CNT-graphite composite (B-Si/CNT@G) shows a high areal capacity of 5.2 mAh cm-2 and excellent cycle retention of 83.4% over 100 cycles, even with ultrahigh active mass loading of 11.2 mg cm-2,which could significantly surpass the commercially used graphite electrode. Notably, the composite also exhibits impressive application in Li-ion full battery using 2 mol % Al-doped full-concentration-gradient Li[Ni0.76Co0.09Mn0.15]O2 (Al2-FCG76) as the cathode with excellent capacity retention of 82.5% even after 300 cycles and an outstanding energy density (8.0 mWh cm-2) based on the large mass loading of the cathode (12.0 mg cm-2).

A series of Ni-enriched Li[NixCoyAlz]O2 cathodes (x = 0.80–0.95) were synthesized and evaluated comprehensively to investigate the capacity fading mechanism. Capacity retention was shown to be strongly related to the extent of microcracking within the secondary particles. Moreover, the range and limit of the depth of discharge (DOD), which determined the extent of microcracking, critically affected the cycling stability such that the extremely Ni-rich Li[Ni0.95Co0.04Al0.01]O2 cathode cycled at an upper DOD of 60% exhibited the poorest capacity retention. The anisotropic strain produced by the H2–H3 phase transition was not fully relieved, and persistent microcracks in the discharged state (3.76 V) allowed the electrolyte to penetrate the particle interior. Resultant extended exposure of the interior primary particles within secondary particle to electrolyte attack accelerated structural damage and eventually undermined the mechanical integrity of the cathode particles.

A Li-rechargeable battery system based on state-of-the-art cathode and anode technologies demonstrated high energy density, meeting demands for vehicle application.

Graphite anodes are not stable in most noncarbonate solvents (e.g., ether, sulfoxide, sulfone) upon Li ion intercalation, known as an urgent issue in present Li ions and next-generation Li–S and Li–O2 batteries for storage of Li ions within the anode for safety features. The solid electrolyte interphase (SEI) is commonly believed to be decisive for stabilizing the graphite anode. However, here we find that the solvation structure of the Li ions, determined by the electrolyte composition including lithium salts, solvents, and additives, plays a more dominant role than SEI in graphite anode stability. The Li ion intercalation desired for battery operation competes with the undesired Li+–solvent co-insertion, leading to graphite exfoliation. The increase in organic lithium salt LiN(SO2CF3)2 concentration or, more effectively, the addition of LiNO3 lowers the interaction strength between Li+ and solvents, suppressing the graphite exfoliation caused by Li+–solvent co-insertion. Our findings refresh the knowledge of the well-known SEI for graphite stability in metal ion batteries and also provide new guidelines for electrolyte systems to achieve reliable and safe Li–S full batteries.

Delivery of high capacity with good retention is a challenge in developing cathodes for rechargeable sodium-ion batteries. Here we present a radially aligned hierarchical columnar structure in spherical particles with varied chemical composition from the inner end (Na[Ni0.75Co0.02Mn0.23]O2) to the outer end (Na[Ni0.58Co0.06Mn0.36]O2) of the structure. With this cathode material, we show that an electrochemical reaction based on Ni2+/3+/4+ is readily available to deliver a discharge capacity of 157 mAh (g-oxide)−1 (15 mA g−1), a capacity retention of 80% (125 mAh g−1) during 300 cycles in combination with a hard carbon anode, and a rate capability of 132.6 mAh g-1 (1,500 mA g-1, 10 C-rate). The cathode also exhibits good temperature performance even at −20°C. These results originate from rather unique chemistry of the cathode material, which enables the Ni redox reaction and minimizes the surface area contacting corrosive electrolyte. There are intensive efforts in developing cathode materials for sodium-ion batteries. Here, the authors present a spherical particle with a radially aligned hierarchical columnar structure as a cathode material which leads to good performance of capacity, retention, rate capability and thermal stability.

This review provides important insight into the scientific and practical issues involved with the development of lithium–sulfur (Li–S) batteries.

High-power, long-life carbon-coated TiO2 microsphere electrodes were synthesized by a hydrothermal method for sodium ion batteries, and the electrochemical properties were evaluated as a function of carbon content. The carbon coating, introduced by sucrose addition, had an effect of suppressing the growth of the TiO2 primary crystallites during calcination. The carbon coated TiO2 (sucrose 20 wt % coated) electrode exhibited excellent cycle retention during 50 cycles (100%) and superior rate capability up to a 30 C rate at room temperature. This cell delivered a high discharge capacity of 155 mAh gcomposite–1 at 0.1 C, 149 mAh gcomposite–1 at 1 C, and 82.7 mAh gcomposite–1 at a 10 C rate, respectively.