The rational design of non-precious transition metal perovskite oxide catalysts holds exceptional promise for understanding and mastering the kinetics of oxygen electrocatalysis instrumental to artificial photosynthesis, solar fuels, fuel cells, electrolyzers, and metal–air batteries.

The electronic structure of transition metal oxides governs the catalysis of many central reactions for energy storage applications such as oxygen electrocatalysis. Here we exploit the versatility of the perovskite structure to search for oxide catalysts that are both active and stable. We report double perovskites (Ln0.5Ba0.5)CoO3−δ (Ln=Pr, Sm, Gd and Ho) as a family of highly active catalysts for the oxygen evolution reaction upon water oxidation in alkaline solution. These double perovskites are stable unlike pseudocubic perovskites with comparable activities such as Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3−δ which readily amorphize during the oxygen evolution reaction. The high activity and stability of these double perovskites can be explained by having the O p-band centre neither too close nor too far from the Fermi level, which is computed from ab initio studies. New catalysts for the oxygen evolution reaction in basic solution are important for energy storage applications. Here, the authors report the high activity and stability of double perovskites in this role, and their performance is attributed to the proximity of the oxygenp-band to the Fermi level.

Understanding reactions at the electrode/electrolyte interface (EEI) is essential to developing strategies to enhance cycle life and safety of lithium batteries. Despite research in the past four decades, there is still limited understanding by what means different components are formed at the EEI and how they influence EEI layer properties. We review findings used to establish the well-known mosaic structure model for the EEI (often referred to as solid electrolyte interphase or SEI) on negative electrodes including lithium, graphite, tin, and silicon. Much less understanding exists for EEI layers for positive electrodes. High-capacity Li-rich layered oxides yLi2-xMnO3·(1-y)Li1-xMO2, which can generate highly reactive species toward the electrolyte via oxygen anion redox, highlight the critical need to understand reactions with the electrolyte and EEI layers for advanced positive electrodes. Recent advances in in situ characterization of well-defined electrode surfaces can provide mechanistic insights and strategies to tailor EEI layer composition and properties.

The development of efficient and low-cost electrocatalysts for the oxygen evolution reaction (OER) is critical for improving the efficiency of water electrolysis. Here, we report a strategy using Fe substitution to enable the inactive spinel CoAl2O4 to become highly active and superior to the benchmark IrO2. The Fe substitution is revealed to facilitate surface reconstruction into active Co oxyhydroxides under OER conditions. It also activates deprotonation on the reconstructed oxyhydroxide to induce negatively charged oxygen as an active site, thus significantly enhancing the OER activity of CoAl2O4. Furthermore, it promotes the pre-oxidation of Co and introduces great structural flexibility due to the uplift of the oxygen 2p levels. This results in the accumulation of surface oxygen vacancies along with lattice oxygen oxidation that terminates as Al3+ leaches, preventing further reconstruction. We showcase a promising way to achieve tunable electrochemical reconstruction by optimizing the electronic structure for low-cost and robust spinel oxide OER catalysts. The development of efficient and low-cost electrocatalysts for the oxygen evolution reaction is critical for improving the efficiency of water electrolysis. Here, the inactive spinel CoAl2O4 is activated via iron substitution to achieve high activity and stability for water oxidation.

Understanding and controlling anionic redox processes is pivotal for the design of new Li-ion battery and water-splitting materials.

Perovskites such as Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3−δ (BSCF82) can be highly active for the oxygen evolution reaction (OER) upon water oxidation in alkaline solution. Here we report that BSCF82 can quickly undergo amorphization of its surface at OER potentials, which is accompanied by reduced surface concentrations of Ba2+ and Sr2+ ions as well as increased pseudocapacitive and OER currents. Such quick amorphization during OER was also observed for perovskite catalysts with similar OER activities such as Ba0.5Sr0.5Co0.4Fe0.6O3−δ and SrCo0.8Fe0.2O3−δ. In contrast, perovskite oxides with lower OER activities than BSCF82 did not undergo this transformation when subjected to identical electrochemical conditions. These findings demonstrate that the active chemistry and structure of oxide catalysts during OER can significantly differ from those of the as-synthesized material and that understanding how the oxide surface may change and impact the OER activity is critical to the design of highly active and stable OER catalysts.

The oxygen evolution reaction (OER) is of prime importance in multiple energy storage devices; however, deeper mechanistic understanding is required to design enhanced electrocatalysts for the reaction. Current understanding of the OER mechanism based on oxygen adsorption on a metallic surface site fails to fully explain the activity of iridium and ruthenium oxide surfaces, and the drastic surface reconstruction observed for the most active OER catalysts. Here we demonstrate, using La2LiIrO6 as a model catalyst, that the exceptionally high activity found for Ir-based catalysts arises from the formation of active surface oxygen atoms that act as electrophilic centres for water to react. Moreover, with the help of transmission electron microscopy, we observe drastic surface reconstruction and iridium migration from the bulk to the surface. Therefore, we establish a correlation between surface activity and surface stability for OER catalysts that is rooted in the formation of surface reactive oxygen. Electrocatalytic water oxidation is key in energy storage technologies, but deeper mechanistic understanding is still required. Grimaud et al. show that surface oxygen atoms in a model oxide catalyst act as electrophilic centres for reactions and observe drastic reconstruction of the catalyst surface.

Abstract Modern batteries are highly complex devices. The cells contain many components—which in turn all have many variations, both in terms of chemistry and physical properties. A few examples: the active materials making the electrodes are coated on current collectors using solvents, binders and additives; the multicomponent electrolyte, contains salts, solvents, and additives; the electrolyte can also be a solid ceramic, polymer or a glass material; batteries also contain a separator, which can be made of glass fibres, polymeric, ceramic, composite, etc. Moving up in scale all these components are assembled in cells of different formats and geometries, coin cells and Swagelok cells for funamental testing and understanding, and pouch, prismatic and cylindrical cells for application. Given this complexity dictated by so many components and variations, there is no wonder that addressing the crucial issue of true sustainability is an extremely challenging task. How can we make sure that each component is sustainable? How can the performance can be delivered using more sustainable battery components? What actions do we need to take to address battery sustainability properly? How do we actually qualify and quantify the sustainability in the best way possible? And perhaps most importantly; how can we all work—academia and battery industry together—to enable the latter to manufacture more sustainable batteries for a truly cleaner future? This Roadmap assembles views from experts from academia, industry, research institutes, and other organisations on how we could and should achieve a more sustainable battery future. The palette has many colours: it discusses the very definition of a sustainable battery, the need for diversification beyond lithium-ion batteries (LIBs), the importance of sustainability assessments, the threat of scarcity of raw materials and the possible impact on future manufacturing of LIBs, the possibility of more sustainable cells by electrode and electrolyte chemistries as well as manufacturing, the important role of new battery chemistries, the crucial role of AI and automation in the discovery of the truly sustainable batteries of the future and the importance of developimg a circular battery economy.