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.

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.

Co3O4 nanotubes, nanorods, and nanoparticles are used as the anode materials of lithium-ion batteries. The results show that the Co3O4 nanotubes prepared by a porous-alumina-template method display high discharge capacity and superior cycling reversibility. Furthermore, Co3O4 nanotubes exhibit excellent sensitivity to hydrogen and alcohol, owing to their hollow, nanostructured character.

Tremendous effort has been put into developing viable lithium sulfur batteries, due to their high specific energy and relatively low cost. Despite recent progress in addressing the various problems of sulfur cathodes, lithium sulfur batteries still exhibit significant capacity decay over cycling. Herein, we identify a new capacity fading mechanism of the sulfur cathodes, relating to Li(x)S detachment from the carbon surface during the discharge process. This observation is confirmed by ex-situ transmission electron microscopy study and first-principles calculations. We demonstrate that this capacity fading mechanism can be overcome by introducing amphiphilic polymers to modify the carbon surface, rendering strong interactions between the nonpolar carbon and the polar Li(x)S clusters. The modified sulfur cathode show excellent cycling performance with specific capacity close to 1180 mAh/g at C/5 current rate. Capacity retention of 80% is achieved over 300 cycles at C/2.

Lithium sulfur batteries have brought significant advancement to the current state-of-art battery technologies because of their high theoretical specific energy, but their wide-scale implementation has been impeded by a series of challenges, especially the dissolution of intermediate polysulfides species into the electrolyte. Conductive polymers in combination with nanostructured sulfur have attracted great interest as promising matrices for the confinement of lithium polysulfides. However, the roles of different conductive polymers on the electrochemical performances of sulfur electrode remain elusive and poorly understood due to the vastly different structural configurations of conductive polymer–sulfur composites employed in previous studies. In this work, we systematically investigate the influence of different conductive polymers on the sulfur cathode based on conductive polymer-coated hollow sulfur nanospheres with high uniformity. Three of the most well-known conductive polymers, polyaniline (PANI), polypyrrole (PPY), and poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), were coated, respectively, onto monodisperse hollow sulfur nanopsheres through a facile, versatile, and scalable polymerization process. The sulfur cathodes made from these well-defined sulfur nanoparticles act as ideal platforms to study and compare how coating thickness, chemical bonding, and the conductivity of the polymers affected the sulfur cathode performances from both experimental observations and theoretical simulations. We found that the capability of these three polymers in improving long-term cycling stability and high-rate performance of the sulfur cathode decreased in the order of PEDOT > PPY > PANI. High specific capacities and excellent cycle life were demonstrated for sulfur cathodes made from these conductive polymer-coated hollow sulfur nanospheres.

This paper describes a simple, one-pot method that generates dimers of silver nanospheres in one step without any additional assembly steps. The dimers are consisted of single-crystal silver nanospheres ∼30 nm in diameter and separated by a gap of 1.8 nm wide. The key to the success of this method lies in the control of colloidal stability and oxidative etching by optimizing the amount of chloride added to a polyol synthesis. The dimers provide a well-defined system for studying the hot spot phenomenon (hot spot: the gap region of a pair of strongly coupled silver or gold nanoparticles), an extremely important but poorly understood subject in surface-enhanced Raman scattering (SERS). Because of the relatively small size of the silver nanospheres, only those molecules trapped in the hot spot region are expected to contribute to the detected SERS signals. By correlating SERS measurements with SEM imaging, we found that the SERS enhancement factor within the hot spot region of such a dimer was on the order of 2 × 107.

Gold nanohexapods represent a novel class of optically tunable nanostructures consisting of an octahedral core and six arms grown on its vertices. By controlling the length of the arms, their localized surface plasmon resonance peaks could be tuned from the visible to the near-infrared region for deep penetration of light into soft tissues. Herein we compare the in vitro and in vivo capabilities of Au nanohexapods as photothermal transducers for theranostic applications by benchmarking against those of Au nanorods and nanocages. While all these Au nanostructures could absorb and convert near-infrared light into heat, Au nanohexapods exhibited the highest cellular uptake and the lowest cytotoxicity in vitro for both the as-prepared and PEGylated nanostructures. In vivo pharmacokinetic studies showed that the PEGylated Au nanohexapods had significant blood circulation and tumor accumulation in a mouse breast cancer model. Following photothermal treatment, substantial heat was produced in situ and the tumor metabolism was greatly reduced for all these Au nanostructures, as determined with 18F-flourodeoxyglucose positron emission tomography/computed tomography (18F-FDG PET/CT). Combined together, we can conclude that Au nanohexapods are promising candidates for cancer theranostics in terms of both photothermal destruction and contrast-enhanced diagnosis.

Fully lithiated lithium sulphide (Li2S) is currently being explored as a promising cathode material for emerging energy storage applications. Like their sulphur counterparts, Li2S cathodes require effective encapsulation to reduce the dissolution of intermediate lithium polysulphide (Li2Sn, n=4–8) species into the electrolyte. Here we report, the encapsulation of Li2S cathodes using two-dimensional layered transition metal disulphides that possess a combination of high conductivity and strong binding with Li2S/Li2Sn species. In particular, using titanium disulphide as an encapsulation material, we demonstrate a high specific capacity of under high C-rate conditions (4C) as well as high areal capacity of 3.0 mAh cm−2 under high mass-loading conditions ( ). This work opens up the new prospect of using transition metal disulphides instead of conventional carbon-based materials for effective encapsulation of high-capacity electrode materials. Lithium sulphide is a promising battery cathode material, but it suffers from fast capacity decay. Here, the authors demonstrate the use of two-dimensional transition metal disulphides, in contrast to conventional carbon-based materials, for effective encapsulation of the cathode.

This paper describes a facile method for generating Au@Ag core−shell nanocubes with edge lengths controllable in the range of 13.4−50 nm. The synthesis involved the use of single-crystal, spherical Au nanocrystals of 11 nm in size as the seeds in an aqueous system, with ascorbic acid serving as the reductant and cetyltrimethylammonium chloride (CTAC) as the capping agent. The thickness of the Ag shells could be finely tuned from 1.2 to 20 nm by varying the ratio of AgNO3 precursor to Au seeds. We also investigated the growth mechanism by examining the effects of seeds (capped by CTAC or cetyltrimethylammonium bromide(CTAB)) and capping agent (CTAC vs CTAB) on both size and shape of the resultant core−shell nanocrystals. Our results clearly indicate that CTAC worked much better than CTAB as a capping agent in both the syntheses of Au seeds and Au@Ag core−shell nanocubes. We further studied the localized surface plasmon resonance properties of the Au@Ag nanocubes as a function of the Ag shell thickness. By comparing with the extinction spectra obtained from theoretical calculations, we derived a critical value of ca. 3 nm for the shell thickness at which the plasmon excitation of the Au cores would be completely screened by the Ag shells. Moreover, these Au@Ag core−shell nanocubes could be converted into Au-based hollow nanostructures containing the original Au seeds in the interiors through a galvanic replacement reaction.