Although being the standard anode material in lithium-ion batteries (LIBs), graphite so far is considered to fail application in sodium-ion batteries (NIBs) because the Na-C system lacks suitable binary intercalation compounds. Here we show that this limitation can be circumvented by using co-intercalation phenomena in a diglyme-based electrolyte. The resulting compound is a stage-I ternary intercalation compound with an estimated stoichiometry of Na(diglyme)2C20. Highlights of the electrode reaction are its high energy efficiency, the small irreversible loss during the first cycle, and a superior cycle life with capacities close to 100 mAh g(-1) for 1000 cycles and coulomb efficiencies >99.87%. A one-to-one comparison with the analogue lithium-based cell shows that the sodium-based system performs better and also withstands higher currents.

Abstract In this paper, we report on Li storage in hierarchically porous carbon monoliths with a relatively higher graphite‐like ordered carbon structure. Macroscopic carbon monoliths with both mesopores and macropores were successfully prepared by using meso‐/macroporous silica as a template and using mesophase pitch as a precursor. Owing to the high porosity (providing ionic transport channels) and high electronic conductivity (ca. 0.1 S cm –1 ), this porous carbon monolith with a mixed conducting 3D network shows a superior high‐rate performance if used as anode material in electrochemical lithium cells. A challenge for future research as to its applicability in batteries is the lowering of the irreversible capacity.

Abstract Li and Mn‐rich layered oxides, x Li 2 MnO 3 ·(1– x )LiMO 2 (M=Ni, Mn, Co), are promising cathode materials for Li‐ion batteries because of their high specific capacity that can exceed 250 mA h g −1 . However, these materials suffer from high 1 st cycle irreversible capacity, gradual capacity fading, low rate capability, a substantial charge‐discharge voltage hysteresis, and a large average discharge voltage decay during cycling. The latter detrimental phenomenon is ascribed to irreversible structural transformations upon cycling of these cathodes related to potentials ≥4.5 V required for their charging. Transition metal inactivation along with impedance increase and partial layered‐to‐spinel transformation during cycling are possible reasons for the detrimental voltage fade. Doping of Li, Mn‐rich materials by Na, Mg, Al, Fe, Co, Ru, etc. is useful for stabilizing capacity and mitigating the discharge‐voltage decay of x Li 2 MnO 3 ·(1– x )LiMO 2 electrodes. Surface modifications by thin coatings of Al 2 O 3 , V 2 O 5 , AlF 3 , AlPO 4 , etc. or by gas treatment (for instance, by NH 3 ) can also enhance voltage and capacity stability during cycling. This paper describes the recent literature results and ongoing efforts from our groups to improve the performance of Li, Mn‐rich materials. Focus is also on preparation of cobalt‐free cathodes, which are integrated layered‐spinel materials with high reversible capacity and stable performance.

Current kinetic limitations of carbon anode materials in sodium-ion batteries can be effectively tackled by using tailor-made carbon materials with hierarchical porosity prepared via the nanocasting route. Capacities exceeding 100 mA h g−1 at C/5 are found while exhibiting excellent rate capability and reasonable cycle life.

We report on the transport properties of lithium ion conducting glass ceramics represented by the general composition Li1+x–yAlx3+My5+M2–x–y4+(PO4)3 with NASICON-type structure and their stability in contact with lithium metal. In particular, solid electrolyte phases with M = Ge, M = Ti, Ge, and M = Ti, Ta were investigated. AC impedance spectroscopy and DC polarization measurements were applied to determine the conductivity as a function of temperature, and to extract the partial electronic conductivity. The maximum total conductivity at room temperature was found to be about 4 × 10–4 S/cm for the solely Ge containing sample. We demonstrate that the combination of vacuum-based lithium thin film deposition and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is well suited to study the reactivity of the solid electrolyte membranes in contact with lithium. As a major result, we show that none of the materials investigated is stable in contact with lithium metal, and we discuss the reactive interaction between solid electrolytes and Li metal in terms of the formation of a mixed (ionic/electronic) conducting interphase (MCI) following the well-known SEI concept in liquid electrolytes.

Abstract A high‐performance polyaniline electrode was prepared by potentiostatic deposition of aniline on a hierarchically porous carbon monolith (HPCM), which was carbonized from the mesophase pitch. A capacitance value as high as 2200 F g –1 (per weight of polyaniline) is obtained at a power density of 0.47 kW kg –1 and an energy density of 300 W h kg –1 . This active material deposited on HPCM also has the advantageous of high stability. These properties can be essentially attributed to the backbone role of HPCM. The method also has the advantage of a topology that is favorable for kinetics at high power densities, thus, contributing to the increase of ionic conductivity and power density. There is also no need for a binder, which not only lowers the preparation costs but also offers advantages in terms of stability and performance.

Research on sodium-ion batteries has recently been rediscovered and is currently mainly focused on finding suitable electrode materials that enable cell reactions of high energy densities combined with low cost. Naturally, an assessment of potential electrode materials requires a rational comparison with the analogue reaction in lithium-ion batteries. In this paper, we systematically discuss the broad range of different conversion reactions for sodium-ion batteries based on their basic thermodynamic properties and compare them with their lithium analogues. Capacities, voltages, energy densities and volume expansions are summarized to sketch out the scope for future studies in this research field. We show that for a given conversion electrode material, replacing lithium by sodium leads to a constant shift in cell potential ΔEo(Li–Na) depending on the material class. For chlorides ΔEo(Li–Na) equals nearly zero. The theoretical energy densities of conversion reactions of sodium with fluorides or chlorides as positive electrode materials typically reach values between 700 W h kg−1 and 1000 W h kg−1. Next to the thermodynamic assessment, results on several conversion reactions between copper compounds (CuS, CuO, CuCl, CuCl2) and sodium are being discussed. Reactions with CuS and CuO were chosen because these compounds are frequently studied for conversion reactions with lithium. Chlorides are interesting because of ΔEo(Li–Na) ≈ 0 V. As a result of chloride solubility in the electrolyte, the conversion process proceeds at defined potentials under rather small kinetic limitations.

This work reports on the cell chemistry of a room temperature sodium–oxygen battery using an electrolyte of diethylene glycol dimethyl ether (diglyme) and sodium trifluoromethanesulfonate (NaSO3CF3, sodium triflate). Different from lithium–oxygen cells, where lithium peroxide is found as the discharge product, sodium superoxide (NaO2) is formed in the present cell, with overpotentials as low as 100 mV during charging. Several analytical methods are used to follow the cell reaction during discharge and charge. Changes in structure and morphology are studied by SEM and XRD. It is found that NaO2 grows as cubic particles with feed sizes in the range of 10–50 μm; upon recharge the particles consecutively decompose. Pressure monitoring during galvanostatic cycling shows that the coulombic efficiency (e−/O2) for discharge and charge is approx. 1.0, the expected value for NaO2 formation. Also optical spectroscopy is identified as a convenient and useful tool to follow the discharge–charge process. The maximum discharge capacity is found to be limited by oxygen transport within the electrolyte soaked carbon fiber cathode and pore blocking near the oxygen interface is observed. Finally electrolyte decomposition and sodium dendrite growth are identified as possible reasons for the limited capacity retention of the cell. The occurrence of undesired side reactions is analyzed by DEMS measurements during cycling as well as by post mortem XPS investigations.