Lithium–sulfur batteries are attractive alternatives to lithium-ion batteries because of their high theoretical specific energy and natural abundance of sulfur. However, the practical specific energy and cycle life of Li–S pouch cells are significantly limited by the use of thin sulfur electrodes, flooded electrolytes and Li metal degradation. Here we propose a cathode design concept to achieve good Li–S pouch cell performances. The cathode is composed of uniformly embedded ZnS nanoparticles and Co–N–C single-atom catalyst to form double-end binding sites inside a highly oriented macroporous host, which can effectively immobilize and catalytically convert polysulfide intermediates during cycling, thus eliminating the shuttle effect and lithium metal corrosion. The ordered macropores enhance ionic transport under high sulfur loading by forming sufficient triple-phase boundaries between catalyst, conductive support and electrolyte. This design prevents the formation of inactive sulfur (dead sulfur). Our cathode structure shows improved performances in a pouch cell configuration under high sulfur loading and lean electrolyte operation. A 1-A-h-level pouch cell with only 100% lithium excess can deliver a cell specific energy of >300 W h kg−1 with a Coulombic efficiency >95% for 80 cycles. The shuttling effect in Li–S batteries can be drastically suppressed by using a single-atom Co catalyst and polar ZnS nanoparticles embedded in a macroporous conductive matrix as a cathode. Using this strategy, Li–S pouch cells show stable cycling and high energy performances.

Computational screening techniques have been found to be an effective alternative to the trial and error of experimentation for discovery of new materials. With increased interest in development of advanced electrical energy storage systems, it is essential to find new electrolytes that function effectively. This Perspective reviews various methods for screening electrolytes and then describes a hierarchical computational scheme to screen multiple properties of advanced electrical energy storage electrolytes using high-throughput quantum chemical calculations. The approach effectively down-selects a large pool of candidates based on successive property evaluation. As an example, results of screening are presented for redox potentials, solvation energies, and structural changes of ∼1400 organic molecules for nonaqueous redox flow batteries. Importantly, on the basis of high-throughput screening, in silico design of suitable candidate molecules for synthesis and electrochemical testing can be achieved. We anticipate that the computational approach described in this Perspective coupled with experimentation will have a significant role to play in the discovery of materials for future energy needs.

Energy storage is an integral part of modern society. A contemporary example is the lithium (Li)-ion battery, which enabled the launch of the personal electronics revolution in 1991 and the first commercial electric vehicles in 2010. Most recently, Li-ion batteries have expanded into the electricity grid to firm variable renewable generation, increasing the efficiency and effectiveness of transmission and distribution. Important applications continue to emerge including decarbonization of heavy-duty vehicles, rail, maritime shipping, and aviation and the growth of renewable electricity and storage on the grid. This perspective compares energy storage needs and priorities in 2010 with those now and those emerging over the next few decades. The diversity of demands for energy storage requires a diversity of purpose-built batteries designed to meet disparate applications. Advances in the frontier of battery research to achieve transformative performance spanning energy and power density, capacity, charge/discharge times, cost, lifetime, and safety are highlighted, along with strategic research refinements made by the Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) and the broader community to accommodate the changing storage needs and priorities. Innovative experimental tools with higher spatial and temporal resolution, in situ and operando characterization, first-principles simulation, high throughput computation, machine learning, and artificial intelligence work collectively to reveal the origins of the electrochemical phenomena that enable new means of energy storage. This knowledge allows a constructionist approach to materials, chemistries, and architectures, where each atom or molecule plays a prescribed role in realizing batteries with unique performance profiles suitable for emergent demands.

Moving to lighter and less expensive battery chemistries compared to contemporary lithium-ion requires the control of energy storage mechanisms based on chemical transformations rather than intercalation. Lithium–sulfur (Li/S) has tremendous theoretical specific energy, but contemporary approaches to control this solution-mediated, precipitation–dissolution chemistry require large excesses of electrolyte to fully solubilize the polysulfide intermediates. Achieving reversible electrochemistry under lean electrolyte operation is the most promising path for Li/S to move beyond niche applications to potentially transformational performance. An emerging Li/S research area is the use of sparingly solvating electrolytes and the creation of design rules for discovering new electrolyte systems that fundamentally decouple electrolyte volume from sulfur and polysulfide reaction mechanism. This Perspective presents an outlook for sparingly solvating electrolytes as a key path forward for long-lived, high energy density Li/S batteries including an overview of this promising new concept and some strategies for accomplishing it.

Redox-active molecules, or redoxmers, in nonaqueous redox flow batteries often suffer from membrane crossover and low electrochemical stability. Transforming inorganic polyionic redoxmers established for aqueous batteries into nonaqueous candidates is an attractive strategy to address these challenges. Here we demonstrate such tailoring for hexacyanoferrate (HCF) by pairing the anions with tetra-n-butylammonium cation (TBA+). TBA3HCF has good solubility in acetonitrile and >1 V lower redox potential vs the aqueous counterpart; thus, the familiar aqueous catholyte becomes a new nonaqueous anolyte. The lowering of redox potential correlates with replacement of water by acetonitrile in the solvation shell of HCF, which can be traced to H-bond formation between water and cyanide ligands. Symmetric flow cells indicate exceptional stability of HCF polyanions in nonaqueous electrolytes and Nafion membranes completely block HCF crossover in full cells. Ion pairing of metal complexes with organic counterions can be effective for developing promising redoxmers for nonaqueous flow batteries.

ABSTRACT Nanopore sequencing, a third-generation sequencing technology, has revolutionized the gene sequencing industry with its advantages of long reads, fast speed, real-time sequencing and analysis, and potential in detecting base modifications. This technology allows researchers to sequence longer DNA fragments in a single read, providing more comprehensive genomic information compared to previous methods. Nanopore sequencing operates on electrical signals generated by a nanopore embedded in a membrane separating two electrolyte-filled chambers. When single-stranded DNA (ssDNA) passes through the nanopore, it creates variations in the current that correspond to different DNA bases. By analyzing these current fluctuations with machine learning algorithms, the DNA sequence can be determined. In this study, we introduced several improvements to nanopore sequencing, including nanopore local chemistry sequencing, novel motor and pore proteins, chip design, and basecalling algorithms. Our new nanopore sequencing platform, CycloneSEQ, demonstrated long-duration sequencing (107 hours) on a single chip with high yield (>50 Gb). In human genomic DNA sequencing, CycloneSEQ was able to produce long reads with N50 33.6 kb and modal identity 97.0%. Preliminary findings on human whole-genome de novo assembly, variant calling, metagenomics sequencing, and single-cell RNA sequencing have further highlighted CycloneSEQ’s potential across different areas of genomics.