Nano-Sn/C composites are ideal anode materials for high energy and power density Li-ion batteries. However, because of the low melting point of Sn and the tendency of grain growth, especially during high temperature carbonization, it has been a significant challenge to create well-dispersed ultrasmall Sn nanoparticles within a carbon matrix. In this paper, we demonstrate an aerosol spray pyrolysis technique, as a facile and scalable method, to synthesize a nano-Sn/C composite with uniformly dispersed 10 nm nano-Sn within a spherical carbon matrix. The discharge capacity of nano-Sn/C composite sphere anodes maintains the initial capacity of 710 mAh/g after 130 cycles at 0.25 C. The nano-Sn/C composite sphere anodes can provide ∼600 mAh/g even at a high rate of 20 C. To the best of our knowledge, such high rate performance for Sn anodes has not been reported previously. The exceptional performance of the nano-Sn/C composite is attributed to the unique nano-Sn/C structure: (1) carbon matrix offers mechanical support to accommodate the stress associated with the large volume change of nano-Sn, thus alleviating pulverization; (2) the carbon matrix prevents Sn nanoparticle agglomeration upon prolonged cycling; and (3) carbon network provides continuous path for Li ions and electrons inside the nano-Sn/C composite spheres.

Abstract The realization of manganese oxide anode materials for lithium‐ion batteries is hindered by inferior cycle stability, rate capability, and high overpotential induced by the agglomeration of manganese metal grains, low conductivity of manganese oxide, and the high stress/strain in the crystalline manganese oxide structure during the repeated lithiation/delithiation process. To overcome these challenges, unique amorphous MnO x –C nanocomposite particles with interdispersed carbon are synthesized using aerosol spray pyrolysis. The carbon filled in the pores of amorphous MnO x blocks the penetration of liquid electrolyte to the inside of MnO x , thus reducing the formation of a solid electrolyte interphase and lowering the irreversible capacity. The high electronic and lithium‐ion conductivity of carbon also enhances the rate capability. Moreover, the interdispersed carbon functions as a barrier structure to prevent manganese grain agglomeration. The amorphous structure of MnO x brings additional benefits by reducing the stress/strain of the conversion reaction, thus lowering lithiation/delithiation overpotential. As the result, the amorphous MnO x ‐C particles demonstrated the best performance as an anode material for lithium‐ion batteries to date.

Abstract Sodium‐ion batteries (SIBs) show promising application in large‐scale energy storage as future alternatives to lithium‐ion batteries. Carbonaceous materials are attractive anode candidates for SIBs due to low cost, abundance, and high safety. In general, doping heteroatoms such as N, B, O, S, and P in carbon‐based materials gives rise to high electronic mobility, good sodium mobility, and enhanced capacity, showing a great potential in sodium storage. This review summarizes the recent progress in the design, synthesis, and electrochemical properties of heteroatom‐doped carbon anodes, including one‐element doped carbons and several‐elements codoped carbons, aiming to help the readers comprehensively learn how to fabricate heteroatom‐doped carbons and use them in SIBs. Additionally, the advantages, mechanism, critical issues, and possible solutions of heteroatom‐doped carbons are discussed and the future research trends are proposed. This will provide a deep insight into the development of SIBs anode materials.

Nitrogen-doped carbon is regarded as a promising anode for potassium ion batteries (PIBs) because nitrogen atoms can regulate the structures of carbon and generate abundant active sites. How to improve the nitrogen content in carbon through simple and effective methods remains to be further addressed. In this paper, a carbon material (60NC) with ultrahigh nitrogen content (16 %) was prepared from graphite phase carbon nitride (g-C3N4) by a convenient freeze-drying and high-temperature pyrolysis method, assisted by citric acid. When used as an anode for PIBs, 60NC exhibited a superior reversible capacity of 318.1 mAh g−1 after 200 cycles at 0.1 A g−1. Even at the high current density of 1A g−1, 60NC maintained a specific capacity of 261.8 mAh g−1 after 1000 cycles. The excellent electrochemical performance of 60NC mainly stems from its abundant K+ storage active sites caused by nitrogen doping, large layer spacing, and hierarchical porous structure.

Ionic liquid electrolytes (ILEs), distinguished by their nonvolatility and high thermal stability, demonstrate considerable compatibility with silicon anodes and thus are an ideal alternative electrolyte for lithium-ion batteries. However, substantial challenges are to be addressed, notably the poor rate capability predominantly due to excessively tight Li+-coordination in the solvation sheath. Here, we introduce an innovative ILE-based electrolyte tailored for micro-sized silicon (μSi) anodes to address the issue of rate capability. By incorporating nonflammable sulfolane molecules into the primary Li+-solvation sheath, we concurrently enhance de-solvation kinetics and ion-conducting capability of solid electrolyte interphase (SEI). The primary sulfolane-mediated Li+-solvation configuration weakens de-solvation barrier and strengthens inorganic-rich SEI, while impeding the precipitation of organic cations in the SEI formation. The μSi electrode with the sulfolane-mediated ILE delivers an impressive rate capability of 782.5 mA h g–1 at a high current density of 12 A g–1 over 500 cycles Accelerating rate calorimetry further verifies remarkable thermal stability of the derived SEI and superior thermal safety of the sulfolane-mediated ILE compared to the commonly used electrolyte. This work provides an effective way to boost the rate capability of μSi anodes based on ILEs without compromising the thermal safety for developing high-performance lithium-ion batteries.