Lithium metal has shown great promise as an anode material for high-energy storage systems, owing to its high theoretical specific capacity and low negative electrochemical potential. Unfortunately, uncontrolled dendritic and mossy lithium growth, as well as electrolyte decomposition inherent in lithium metal-based batteries, cause safety issues and low Coulombic efficiency. Here we demonstrate that the growth of lithium dendrites can be suppressed by exploiting the reaction between lithium and lithium polysulfide, which has long been considered as a critical flaw in lithium-sulfur batteries. We show that a stable and uniform solid electrolyte interphase layer is formed due to a synergetic effect of both lithium polysulfide and lithium nitrate as additives in ether-based electrolyte, preventing dendrite growth and minimizing electrolyte decomposition. Our findings allow for re-evaluation of the reactions regarding lithium polysulfide, lithium nitrate and lithium metal, and provide insights into solving the problems associated with lithium metal anodes.

Sulfur has a high specific capacity of 1673 mAh/g as lithium battery cathodes, but its rapid capacity fading due to polysulfides dissolution presents a significant challenge for practical applications. Here we report a hollow carbon nanofiber-encapsulated sulfur cathode for effective trapping of polysulfides and demonstrate experimentally high specific capacity and excellent electrochemical cycling of the cells. The hollow carbon nanofiber arrays were fabricated using anodic aluminum oxide (AAO) templates, through thermal carbonization of polystyrene. The AAO template also facilitates sulfur infusion into the hollow fibers and prevents sulfur from coating onto the exterior carbon wall. The high aspect ratio of the carbon nanofibers provides an ideal structure for trapping polysulfides, and the thin carbon wall allows rapid transport of lithium ions. The small dimension of these nanofibers provides a large surface area per unit mass for Li(2)S deposition during cycling and reduces pulverization of electrode materials due to volumetric expansion. A high specific capacity of about 730 mAh/g was observed at C/5 rate after 150 cycles of charge/discharge. The introduction of LiNO(3) additive to the electrolyte was shown to improve the Coulombic efficiency to over 99% at C/5. The results show that the hollow carbon nanofiber-encapsulated sulfur structure could be a promising cathode design for rechargeable Li/S batteries with high specific energy.

Abstract Lithium–sulfur batteries have attracted attention due to their six-fold specific energy compared with conventional lithium-ion batteries. Dissolution of lithium polysulfides, volume expansion of sulfur and uncontrollable deposition of lithium sulfide are three of the main challenges for this technology. State-of-the-art sulfur cathodes based on metal-oxide nanostructures can suppress the shuttle-effect and enable controlled lithium sulfide deposition. However, a clear mechanistic understanding and corresponding selection criteria for the oxides are still lacking. Herein, various nonconductive metal-oxide nanoparticle-decorated carbon flakes are synthesized via a facile biotemplating method. The cathodes based on magnesium oxide, cerium oxide and lanthanum oxide show enhanced cycling performance. Adsorption experiments and theoretical calculations reveal that polysulfide capture by the oxides is via monolayered chemisorption. Moreover, we show that better surface diffusion leads to higher deposition efficiency of sulfide species on electrodes. Hence, oxide selection is proposed to balance optimization between sulfide-adsorption and diffusion on the oxides.

The ability to intercalate guest species into the van der Waals gap of 2D layered materials affords the opportunity to engineer the electronic structures for a variety of applications. Here we demonstrate the continuous tuning of layer vertically aligned MoS2 nanofilms through electrochemical intercalation of Li(+) ions. By scanning the Li intercalation potential from high to low, we have gained control of multiple important material properties in a continuous manner, including tuning the oxidation state of Mo, the transition of semiconducting 2H to metallic 1T phase, and expanding the van der Waals gap until exfoliation. Using such nanofilms after different degree of Li intercalation, we show the significant improvement of the hydrogen evolution reaction activity. A strong correlation between such tunable material properties and hydrogen evolution reaction activity is established. This work provides an intriguing and effective approach on tuning electronic structures for optimizing the catalytic activity.

Particulate matter (PM) pollution has raised serious concerns for public health. Although outdoor individual protection could be achieved by facial masks, indoor air usually relies on expensive and energy-intensive air-filtering devices. Here, we introduce a transparent air filter for indoor air protection through windows that uses natural passive ventilation to effectively protect the indoor air quality. By controlling the surface chemistry to enable strong PM adhesion and also the microstructure of the air filters to increase the capture possibilities, we achieve transparent, high air flow and highly effective air filters of ~90% transparency with >95.00% removal of PM2.5 under extreme hazardous air-quality conditions (PM2.5 mass concentration >250 μg m(-3)). A field test in Beijing shows that the polyacrylonitrile transparent air filter has the best PM2.5 removal efficiency of 98.69% at high transmittance of ~77% during haze occurrence.

Sulfur-deficient MoS₂ nanoflakes as an electrocatalyst improve the polysulfide conversion kinetics and hence the performance of lithium–sulfur batteries.

High specific capacity battery electrode materials have attracted great research attention. Phosphorus as a low-cost abundant material has a high theoretical specific capacity of 2596 mAh/g with most of its capacity at the discharge potential range of 0.4–1.2 V, suitable as anodes. Although numerous research progress have shown other high capacity anodes such as Si, Ge, Sn, and SnO2, there are only a few studies on phosphorus anodes despite its high theoretical capacity. Successful applications of phosphorus anodes have been impeded by rapid capacity fading, mainly caused by large volume change (around 300%) upon lithiation and thus loss of electrical contact. Using the conducting allotrope of phosphorus, "black phosphorus" as starting materials, here we fabricated composites of black phosphorus nanoparticle-graphite by mechanochemical reaction in a high energy mechanical milling process. This process produces phosphorus–carbon bonds, which are stable during lithium insertion/extraction, maintaining excellent electrical connection between phosphorus and carbon. We demonstrated high initial discharge capacity of 2786 mAh·g–1 at 0.2 C and an excellent cycle life of 100 cycles with 80% capacity retention. High specific discharge capacities are maintained at fast C rates (2270, 1750, 1500, and 1240 mAh·g–1 at C/5, 1, 2, and 4.5 C, respectively).

Silicon is a promising high-capacity anode material for lithium-ion batteries yet attaining long cycle life remains a significant challenge due to pulverization of the silicon and unstable solid-electrolyte interphase (SEI) formation during the electrochemical cycles. Despite significant advances in nanostructured Si electrodes, challenges including short cycle life and scalability hinder its widespread implementation. To address these challenges, we engineered an empty space between Si nanoparticles by encapsulating them in hollow carbon tubes. The synthesis process used low-cost Si nanoparticles and electrospinning methods, both of which can be easily scaled. The empty space around the Si nanoparticles allowed the electrode to successfully overcome these problems Our anode demonstrated a high gravimetric capacity (∼1000 mAh/g based on the total mass) and long cycle life (200 cycles with 90% capacity retention).