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

Rechargeable aqueous Zn/MnO2 battery chemistry in a neutral or mildly acidic electrolyte has attracted extensive attention recently because all the components (anode, cathode, and electrolyte) in a Zn/MnO2 battery are safe, abundant, and sustainable. However, the reaction mechanism of the MnO2 cathode remains a topic of discussion. Herein, we design a highly reversible aqueous Zn/MnO2 battery where the binder-free MnO2 cathode was fabricated by in situ electrodeposition of MnO2 on carbon fiber paper in mild acidic ZnSO4+MnSO4 electrolyte. Electrochemical and structural analysis identify that the MnO2 cathode experience a consequent H+ and Zn2+ insertion/extraction process with high reversibility and cycling stability. To our best knowledge, it is the first report on rechargeable aqueous batteries with a consequent ion-insertion reaction mechanism.

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.

Molybdenum disulfide (MoS2 ) is a promising anode for high performance sodium-ion batteries due to high specific capacity, abundance, and low cost. However, poor cycling stability, low rate capability and unclear electrochemical reaction mechanism are the main challenges for MoS2 anode in Na-ion batteries. In this study, molybdenum disulfide/carbon (MoS2 /C) nanospheres are fabricated and used for Na-ion battery anodes. MoS2 /C nanospheres deliver a reversible capacity of 520 mAh g(-1) at 0.1 C and maintain at 400 mAh g(-1) for 300 cycles at a high current density of 1 C, demonstrating the best cycling performance of MoS2 for Na-ion batteries to date. The high capacity is attributed to the short ion and electron diffusion pathway, which enables fast charge transfer and low concentration polarization. The stable cycling performance and high coulombic efficiency (∼100%) of MoS2 /C nanospheres are ascribed to (1) highly reversible conversion reaction of MoS2 during sodiation/desodiation as evidenced by ex-situ X-ray diffraction (XRD) and (2) the formation of a stable solid electrolyte interface (SEI) layer in fluoroethylene carbonate (FEC) based electrolyte as demonstrated by fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) measurements.

Solid-state batteries (SSBs) can essentially improve battery safety. Garnet-type Li7La3Zr2O12 (LLZO) is considered one of the most promising solid electrolytes for SSBs. However, the performance of LLZO-based SSBs is limited by the large cathode/electrolyte interfacial resistance. High-rate and long-cycling SSBs were achieved only after adding flammable polymer or liquid electrolyte in the cathode at the sacrifice of safety. Here, we show that an all-ceramic cathode/electrolyte with an extremely low interfacial resistance can be realized by thermally soldering LiCoO2 (LCO) and LLZO together with the Li2.3−xC0.7+xB0.3−xO3 solid electrolyte interphase through the reaction between the Li2.3C0.7B0.3O3 solder and the Li2CO3 layers that can be conformally coated on both LLZO and LCO. The all-solid-state Li/LLZO/LCO battery with such an all-ceramic cathode/electrolyte exhibits high cycling stability and high rate performance, constituting a significant step toward the practical applications of SSBs.

Magnesium-based batteries possess potential advantages over their lithium counterparts. However, reversible Mg chemistry requires a thermodynamically stable electrolyte at low potential, which is usually achieved with corrosive components and at the expense of stability against oxidation. In lithium-ion batteries the conflict between the cathodic and anodic stabilities of the electrolytes is resolved by forming an anode interphase that shields the electrolyte from being reduced. This strategy cannot be applied to Mg batteries because divalent Mg2+ cannot penetrate such interphases. Here, we engineer an artificial Mg2+-conductive interphase on the Mg anode surface, which successfully decouples the anodic and cathodic requirements for electrolytes and demonstrate highly reversible Mg chemistry in oxidation-resistant electrolytes. The artificial interphase enables the reversible cycling of a Mg/V2O5 full-cell in the water-containing, carbonate-based electrolyte. This approach provides a new avenue not only for Mg but also for other multivalent-cation batteries facing the same problems, taking a step towards their use in energy-storage applications. Mg-based batteries possess potential advantages over their lithium counterparts; however, the use of reversible oxidation-resistant, carbonate-based electrolytes has been hindered because of their undesirable electrochemical reduction reactions. Now, by engineering a Mg2+-conductive artificial interphase on a Mg electrode surface, which prevents such reactivity, highly reversible Mg deposition/stripping in carbonate-based electrolytes has been demonstrated.

Sodium ion batteries (SIBs) have been considered as a top alternative to lithium ion batteries due to the earth abundance and low cost of sodium compared with lithium. Among all proposed anode materials for SIBs, red phosphorus (P) is a very promising candidate because it has the highest theoretical capacity (∼2600 mAh/g). In this study, a red P-single-walled carbon nanotube (denoted as red P-SWCNT) composite, in which red P is uniformly distributed between tangled SWCNTs bundles, is fabricated by a modified vaporization-condensation method. Benefiting from the nondestructive preparation process, the highly conductive and mechanically strong SWCNT network is preserved, which enhances the conductivity of the composite and stabilizes the solid electrolyte interphase. As a result, the red P-SWCNT composite presents a high overall sodium storage capacity (∼700 mAh/gcomposite at 50 mA/gcomposite), fast rate capability (∼300 mAh/gcomposite at 2000 mA/gcomposite), and stable long-term cycling performance with 80% capacity retention after 2000 sodiation-desodiation cycles. The red P-SWCNT composite fabricated by the vaporization-condensation method significantly extends the cycling stability of P/carbon composite from current ∼100 cycles to ∼2000 cycles.

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.

Recent breakthroughs in aqueous electrolytes made highly safe 3.0 V class aqueous Li-ion batteries possible. However, the formed solid-electrolyte interphase therein still cannot effectively support the desired energy-dense anode and cathode materials. In this work, we report a new class of electrolytes, by hybridizing aqueous with non-aqueous solvents, that inherits the non-flammability and non-toxicity characteristics from aqueous and better electrochemical stability from non-aqueous systems. The secondary interphasial ingredient (alkylcarbonate) introduced by non-aqueous component helps to expand the electrochemical window of the hybridized electrolyte to 4.1 V, which supports the operation of a 3.2 V aqueous Li-ion battery based on Li4Ti5O12 and LiNi0.5Mn1.5O4 to deliver a high energy density of 165 Wh/kg for >1,000 cycles. The understanding of how a better interphase could be tailored by regulating the inner-Helmholtz interfacial structures of the hybridized electrolyte provides important guidelines for designing future electrolytes and interphases for new battery chemistries.