Rechargeable lithium metal batteries are considered the "Holy Grail" of energy storage systems. Unfortunately, uncontrollable dendritic lithium growth inherent in these batteries (upon repeated charge/discharge cycling) has prevented their practical application over the past 40 years. We show a novel mechanism that can fundamentally alter dendrite formation. At low concentrations, selected cations (such as cesium or rubidium ions) exhibit an effective reduction potential below the standard reduction potential of lithium ions. During lithium deposition, these additive cations form a positively charged electrostatic shield around the initial growth tip of the protuberances without reduction and deposition of the additives. This forces further deposition of lithium to adjacent regions of the anode and eliminates dendrite formation in lithium metal batteries. This strategy may also prevent dendrite growth in lithium-ion batteries as well as other metal batteries and transform the surface uniformity of coatings deposited in many general electrodeposition processes.

Hollow carbon nanowires (HCNWs) were prepared through pyrolyzation of a hollow polyaniline nanowire precursor. The HCNWs used as anode material for Na-ion batteries deliver a high reversible capacity of 251 mAh g–1 and 82.2% capacity retention over 400 charge–discharge cycles between 1.2 and 0.01 V (vs Na+/Na) at a constant current of 50 mA g–1 (0.2 C). Excellent cycling stability is also observed at an even higher charge–discharge rate. A high reversible capacity of 149 mAh g–1 also can be obtained at a current rate of 500 mA g–1 (2C). The good Na-ion insertion property is attributed to the short diffusion distance in the HCNWs and the large interlayer distance (0.37 nm) between the graphitic sheets, which agrees with the interlayered distance predicted by theoretical calculations to enable Na-ion insertion in carbon materials.

A novel vulcanized polyaniline nanotube/sulfur composite was prepared successfully via an in situ vulcanization process by heating a mixture of polyaniline nanotube and sulfur at 280 °C. The electrode could retain a discharge capacity of 837 mAh g−1 after 100 cycles at a 0.1 C rate and manifested 76% capacity retention up to 500 cycles at a 1 C rate. Detailed facts of importance to specialist readers are published as ”Supporting Information”. Such documents are peer-reviewed, but not copy-edited or typeset. They are made available as submitted by the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

The lithium–air battery is one of the most promising technologies among various electrochemical energy storage systems. We demonstrate that a novel air electrode consisting of an unusual hierarchical arrangement of functionalized graphene sheets (with no catalyst) delivers an exceptionally high capacity of 15000 mAh/g in lithium–O2 batteries which is the highest value ever reported in this field. This excellent performance is attributed to the unique bimodal porous structure of the electrode which consists of microporous channels facilitating rapid O2 diffusion while the highly connected nanoscale pores provide a high density of reactive sites for Li–O2 reactions. Further, we show that the defects and functional groups on graphene favor the formation of isolated nanosized Li2O2 particles and help prevent air blocking in the air electrode. The hierarchically ordered porous structure in bulk graphene enables its practical applications by promoting accessibility to most graphene sheets in this structure.

Carbon materials have been playing a significant role in the development of alternative clean and sustainable energy technologies. This review article summarizes the recent research progress on the synthesis of nanostructured carbon and its application in energy storage and conversion. In particular, we will systematically discuss the synthesis and applications of nanoporous carbon as electrodes for supercapacitors and electrodes in lithium-ion batteries, and the development of nanoporous media for methane gas storage, coherent nanocomposites for hydrogen storage, electrocatalysts and catalyst supports for fuel cells, new porous carbon for lithium–sulfur batteries, and porous carbon for lithium–oxygen batteries. The common challenges in developing simple, scalable, and environmentally friendly synthetic and manufacturing processes, in controlling the nanoscale and high level structures and functions, and in integrating such materials with suitable device architectures are reviewed. Possible new directions to overcome the current limitations on the performance are discussed.

Pristine Li-rich layered cathodes, such as Li1.2Ni0.2Mn0.6O2 and Li1.2Ni0.1Mn0.525Co0.175O2, were identified to exist in two different structures: LiMO2R3̅m and Li2MO3C2/m phases. Upon 300 cycles of charge/discharge, both phases gradually transform to the spinel structure. The transition from LiMO2R3̅m to spinel is accomplished through the migration of transition metal ions to the Li site without breaking down the lattice, leading to the formation of mosaic structured spinel grains within the parent particle. In contrast, transition from Li2MO3C2/m to spinel involves removal of Li+ and O2-, which produces large lattice strain and leads to the breakdown of the parent lattice. The newly formed spinel grains show random orientation within the same particle. Cracks and pores were also noticed within some layered nanoparticles after cycling, which is believed to be the consequence of the lattice breakdown and vacancy condensation upon removal of lithium ions. The AlF3-coating can partially relieve the spinel formation in the layered structure during cycling, resulting in a slower capacity decay. However, the AlF3-coating on the layered structure cannot ultimately stop the spinel formation. The observation of structure transition characteristics discussed in this paper provides direct explanation for the observed gradual capacity loss and poor rate performance of the layered composite. It also provides clues about how to improve the materials structure in order to improve electrochemical performance.

Abstract LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 -layered cathode is often fabricated in the form of secondary particles, consisting of densely packed primary particles. This offers advantages for high energy density and alleviation of cathode side reactions/corrosions, but introduces drawbacks such as intergranular cracking. Here, we report unexpected observations on the nucleation and growth of intragranular cracks in a commercial LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 cathode by using advanced scanning transmission electron microscopy. We find the formation of the intragranular cracks is directly associated with high-voltage cycling, an electrochemically driven and diffusion-controlled process. The intragranular cracks are noticed to be characteristically initiated from the grain interior, a consequence of a dislocation-based crack incubation mechanism. This observation is in sharp contrast with general theoretical models, predicting the initiation of intragranular cracks from grain boundaries or particle surfaces. Our study emphasizes that maintaining structural stability is the key step towards high-voltage operation of layered-cathode materials.

Disordered nanocomposites comprised of polyethylene oxide and exfoliated MoS2 are cycled in the voltage range of 0.01−3.0 V. The nanocomposites showed a significant increase in reversible capacity and cycle stability when compared to exfoliated or bulk MoS2 and may be used as anode material in lithium ion batteries.