Hard carbon microspheres (HCS) exhibit a highly reversible capacity of 262 mAh g−1 for K-ion batteries. They present a superior rate capability for K-ions to Na-ions, where at 2C, HCS/K cells deliver 190 mAh g−1 in contrast to 97 mAh g−1 from HCS/Na cells. It is determined that the K-ion diffusion coefficient of HCS is higher than that of Na-ions. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to 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.

There exist tremendous needs for sustainable storage solutions for intermittent renewable energy sources, such as solar and wind energy. Thus, systems based on Earth‐abundant elements deserve much attention. Potassium‐ion batteries represent a promising candidate because of the abundance of potassium resources. As for the choices of anodes, graphite exhibits encouraging potassium‐ion storage properties; however, it suffers limited rate capability and poor cycling stability. Here, nongraphitic carbons as K‐ion anodes with sodium carboxymethyl cellulose as the binder are systematically investigated. Compared to hard carbon and soft carbon, a hard–soft composite carbon with 20 wt% soft carbon distributed in the matrix phase of hard carbon microspheres exhibits highly amenable performance: high capacity, high rate capability, and very stable long‐term cycling. In contrast, pure hard carbon suffers limited rate capability, while the capacity of pure soft carbon fades more rapidly.

Tremendous efforts have been made to design the cathode of Li–S batteries to improve their energy density and cycling life. However, challenges remain in achieving fast electronic and ionic transport while accommodating the significant cathode volumetric change, especially for the cathode with a high practical mass loading. Here we report a cathode architecture, which is constructed by burning lithium foils in a CS2 vapour. The obtained structure features crystalline Li2S nanoparticles wrapped by few-layer graphene (Li2S@graphene nanocapsules). Because of the improvement on the volumetric efficiency for accommodating sulfur active species and electrical properties, the cathode design enables promising electrochemical performance. More notably, at a loading of 10 mgLi2S cm−2, the electrode exhibits a high reversible capacity of 1,160 mAh g−1s, namely, an area capacity of 8.1 mAh cm−2. Li2S@graphene cathode demonstrates a great potential for Li-ion batteries, where the Li2S@graphene-cathode//graphite-anode cell displays a high capacity of 730 mAh g−1s as well as stable cycle performance. Facile and scalable fabrication of high-performing sulfur cathodes is challenging in the commercialization of Li–S batteries. The authors report a strategy of simply burning Li foils in a CS2 vapour for the cathode design, which shows promising battery performance.

Hard carbon is the leading candidate anode for commercialization of Na‐ion batteries. Hard carbon has a unique local atomic structure, which is composed of nanodomains of layered rumpled sheets that have short‐range local order resembling graphene within each layer, but complete disorder along the c ‐axis between layers. A primary challenge holding back the development of Na‐ion batteries is that a complete understanding of the structure–capacity correlations of Na‐ion storage in hard carbon has remained elusive. This article presents two key discoveries: first, the characteristics of hard carbons structure can be modified systematically by heteroatom doping, and second, that these structural changes greatly affect Na‐ion storage properties, which reveals the mechanisms for Na storage in hard carbon. Specifically, via P or S doping, the interlayer spacing is dilated, which extends the low‐voltage plateau capacity, while increasing the defect concentrations with P or B doping leads to higher sloping sodiation capacity. The combined experimental studies and first principles calculations reveal that it is the Na‐ion‐defect binding that corresponds to the sloping capacity, while the Na intercalation between graphenic layers causes the low‐potential plateau capacity. The understanding suggests a new design principle of hard carbon anode: more reversibly binding defects and dilated turbostratic domains, given that the specific surface area is maintained low.

To fill the gap between batteries and supercapacitors requires integration of the following features in a single system: energy density well above that of supercapacitors, cycle life much longer than Li-ion batteries, and low cost. Along this line, we report a novel nonaqueous potassium-ion hybrid capacitor (KIC) that employs an anode of K2Ti6O13 (KTO) microscaffolds constructed by nanorods and a cathode of N-doped nanoporous graphenic carbon (NGC). K2Ti6O13 microscaffolds are studied for potential applications as the anode material in potassium-ion storage for the first time. This material exhibits an excellent capacity retention of 85% after 1000 cycles. In addition, the NGC//KTO KIC delivers a high energy density of 58.2 Wh kg-1 based on the active mass in both electrodes, high power density of 7200 W kg-1, and outstanding cycling stability over 5000 cycles. The usage of K ions as the anode charge carrier instead of Li ions and the amenable performance of this device suggest that hybrid capacitor devices may welcome a new era of beyond lithium.

Na-ion batteries (NIBs) have attracted great attention for scalable electrical energy storage considering the abundance and wide availability of Na resources. However, it remains elusive whether carbon anodes can achieve the similar scale of successes in Na-ion batteries as in Li-ion batteries. Currently, much attention is focused on hard carbon while soft carbon is generally considered a poor choice. In this study, we discover that soft carbon can be a high-rate anode in NIBs if the preparation conditions are carefully chosen. Furthermore, we discover that the turbostratic lattice of soft carbon is electrochemically expandable, where d-spacing rises from 3.6 to 4.2 Å. Such a scale of lattice expansion only due to the Na-ion insertion was not known for carbon materials. It is further learned that portions of such lattice expansion are highly reversible, resulting in excellent cycling performance. Moreover, soft carbon delivers a good capacity at potentials above 0.2 V, which enables an intrinsically dendrite-free anode for NIBs.

We synthesized a new type of carbon-polynanocrystalline graphite-by chemical vapor deposition on a nanoporous graphenic carbon as an epitaxial template. This carbon is composed of nanodomains being highly graphitic along c-axis and very graphenic along ab plane directions, where the nanodomains are randomly packed to form micron-sized particles, thus forming a polynanocrystalline structure. The polynanocrystalline graphite is very unique, structurally different from low-dimensional nanocrystalline carbon materials, e.g., fullerenes, carbon nanotubes, and graphene, nanoporous carbon, amorphous carbon and graphite, where it has a relatively low specific surface area of 91 m2/g as well as a low Archimedes density of 0.92 g/cm3. The structure is essentially hollow to a certain extent with randomly arranged nanosized graphite building blocks. This novel structure with disorder at nanometric scales but strict order at atomic scales enables substantially superior long-term cycling life for K-ion storage as an anode, where it exhibits 50% capacity retention over 240 cycles, whereas for graphite, it is only 6% retention over 140 cycles.

The capacity of hard carbon anodes in Na-ion batteries rarely reaches values beyond 300 mAh/g. We report that doping POx into local structures of hard carbon increases its reversible capacity from 283 to 359 mAh/g. We confirm that the doped POx is redox inactive by X-ray adsorption near edge structure measurements, thus not contributing to the higher capacity. We observe two significant changes of hard carbon's local structures caused by doping. First, the (002) d-spacing inside the turbostratic nanodomains is increased, revealed by both laboratory and synchrotron X-ray diffraction. Second, doping turns turbostratic nanodomains more defective along ab planes, indicated by neutron total scattering and the associated pair distribution function studies. The local structural changes of hard carbon are correlated to the higher capacity, where both the plateau and slope regions in the potential profiles are enhanced. Our study demonstrates that Na-ion storage in hard carbon heavily depends on carbon local structures, where such structures, despite being disordered, can be tuned toward unusually high capacities.

Laser-induced fluorescence spectroscopy plays an important role in rapid detection and identification of oil spills at sea. The fluorescence spectra of different thicknesses of oil films of the same type of oil are very similar, which makes it difficult for the method to detect and recognize the thickness of oil films. In this paper, a laser-induced fluorescence detection method based on convolutional neural network algorithm is proposed to measure the thickness of oil films. Experimental studies of laser-induced fluorescence were conducted for different oil spill film thicknesses, and fluorescence spectral data were obtained for oil-free water and for 10 different oil film thicknesses. The recognition of 11 samples with different oil film thicknesses was realized by Matlab software using convolutional neural network algorithm. It was verified that the method can completely recognize different thicknesses of oil film with high accuracy and low training set error. Based on the convolutional neural network algorithm, the oil spill volume can be calculated by detecting the oil spill thickness, which has certain application value for the protection of marine environment.