The impact of surface chemistry on the interfacial resistance between the Li7La3Zr2O12 (LLZO) solid-state electrolyte and a metallic Li electrode is revealed. Control of surface chemistry allows the interfacial resistance to be reduced to 2 Ω cm2, lower than that of liquid electrolytes, without the need for interlayer coatings. A mechanistic understanding of the origins of ultra-low resistance is provided by quantitatively evaluating the linkages between interfacial chemistry, Li wettability, and electrochemical phenomena. A combination of Li contact angle measurements, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), first-principles calculations, and impedance spectroscopy demonstrates that the presence of common LLZO surface contaminants, Li2CO3 and LiOH, result in poor wettability by Li and high interfacial resistance. On the basis of this mechanism, a simple procedure for removing these surface layers is demonstrated, which results in a dramatic increase in Li wetting and the elimination of nearly all interfacial resistance. The low interfacial resistance is maintained over one-hundred cycles and suggests a straightforward pathway to achieving high energy and power density solid-state batteries.

The oxide known as LLZO, with nominal composition Li7La3Zr2O12, is a promising solid electrolyte for Li-based batteries due to its high Li-ion conductivity and chemical stability with respect to lithium. Solid electrolytes may also enable the use of metallic Li anodes by serving as a physical barrier that suppresses dendrite initiation and propagation during cycling. Prior linear elasticity models of the Li electrode/solid electrolyte interface suggest that the stability of this interface is highly dependent on the elastic properties of the solid separator. For example, dendritic suppression is predicted to be enhanced as the electrolyte's shear modulus increases. In the present study a combination of first-principles calculations, acoustic impulse excitation measurements, and nanoindentation experiments are used to determine the elastic constants and moduli for high-conductivity LLZO compositions based on Al and Ta doping. The calculated and measured isotropic shear moduli are in good agreement and fall within the range of 56–61 GPa. These values are an order of magnitude larger than that for Li metal and far exceed the minimum value (∼8.5 GPa) believed to be necessary to suppress dendrite initiation. These data suggest that LLZO exhibits sufficient stiffness to warrant additional development as a solid electrolyte for Li batteries.

Few hydrogen adsorbents balance high usable volumetric and gravimetric capacities. Although metal-organic frameworks (MOFs) have recently demonstrated progress in closing this gap, the large number of MOFs has hindered the identification of optimal materials. Here, a systematic assessment of published databases of real and hypothetical MOFs is presented. Nearly 500,000 compounds were screened computationally, and the most promising were assessed experimentally. Three MOFs with capacities surpassing that of IRMOF-20, the record-holder for balanced hydrogen capacity, are demonstrated: SNU-70, UMCM-9, and PCN-610/NU-100. Analysis of trends reveals the existence of a volumetric ceiling at ∼40 g H2 L-1. Surpassing this ceiling is proposed as a new capacity target for hydrogen adsorbents. Counter to earlier studies of total hydrogen uptake in MOFs, usable capacities in the highest-capacity materials are negatively correlated with density and volumetric surface area. Instead, capacity is maximized by increasing gravimetric surface area and porosity. This suggests that property/performance trends for total capacities may not translate to usable capacities.

The thermodynamic stability and electronic structure of 40 surfaces of lithium peroxide (Li(2)O(2)) and lithium oxide (Li(2)O) were characterized using first-principles calculations. As these compounds constitute potential discharge products in Li-oxygen batteries, their surface properties are expected to play a key role in understanding electrochemical behavior in these systems. Stable surfaces were identified by comparing 23 distinct Li(2)O(2) surfaces and 17 unique Li(2)O surfaces; crystallite areal fractions were determined through application of the Wulff construction. Accounting for the oxygen overbinding error in density functional theory results in the identification of several new Li(2)O(2) oxygen-rich {0001} and {1 ̅100} terminations that are more stable than those previously reported. Although oxygen-rich facets predominate in Li(2)O(2), in Li(2)O stoichiometric surfaces are preferred, consistent with prior studies. Surprisingly, surface-state analyses reveal that the stable surfaces of Li(2)O(2) are half-metallic, despite the fact that Li(2)O(2) is a bulk insulator. Surface oxygens in these facets are ferromagnetic with magnetic moments ranging from 0.2 to 0.5 μ(B). In contrast, the stable surfaces of Li(2)O are insulating and nonmagnetic. The distinct surface properties of these compounds may explain observations of electrochemical reversibility for systems in which Li(2)O(2) is the discharge product and the irreversibility of systems that discharge to Li(2)O. Moreover, the presence of conductive surface pathways in Li(2)O(2) could offset capacity limitations expected to arise from limited electron transport through the bulk.

Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO) reacts with humid air; the most favorable reaction pathway involves protonation of LLZO and formation of Li₂CO₃. The air exposure-induced contamination layer impacts the Li–LLZO interfacial resistance.

The mechanisms and efficiency of charge transport in lithium peroxide (Li2O2) are key factors in understanding the performance of non-aqueous Li–air batteries. Towards revealing these mechanisms, here we use first-principles calculations to predict the concentrations and mobilities of charge carriers and intrinsic defects in Li2O2 as a function of cell voltage. Our calculations reveal that changes in the charge state of O2 dimers controls the defect chemistry and conductivity of Li2O2. Negative lithium vacancies (missing Li+) and small hole polarons are identified as the dominant charge carriers. The electronic conductivity associated with polaron hopping (5 × 10−20 S cm−1) is comparable to the ionic conductivity arising from the migration of Li-ions (4 × 10−19 S cm−1), suggesting that charge transport in Li2O2 occurs through a mixture of ionic and polaronic contributions. These data indicate that the bulk regions of crystalline Li2O2 are insulating, with appreciable charge transport occurring only at moderately high charging potentials that drive partial delithiation. The implications of limited charge transport on discharge and recharge mechanisms are discussed, and a two-stage charging process linking charge transport, discharge product morphology, and overpotentials is described. We conclude that achieving both high discharge capacities and efficient charging will depend upon access to alternative mechanisms that bypass bulk charge transport. More generally, we describe how the presence of a species that can change charge state – e.g., O2 dimers in alkaline metal-based peroxides – may impact rechargeability in metal–air batteries.

The recent discovery of fast ion-conducting solid electrolytes could enable solid-state and other advanced battery chemistries with higher energy densities and enhanced safety. In addition to high ionic conductivity, a viable electrolyte should also exhibit an electrochemical window that is wide enough to suppress undesirable electronic transport (i.e., self-discharge and/or short circuiting) arising from charge injection or extraction from the electrodes. Here, direct current chronoamperometry, alternating current electrochemical impedance spectroscopy, and optical absorption band gap measurements are combined with first-principles calculations to systematically characterize the electrochemical window of the promising superionic conductor Li7La3Zr2O12 (LLZO). Negligible electronic current was measured within LLZO for a wide range of voltages relevant for high-voltage cathodes. This auspicious behavior is consistent with both the large band gap (∼6 eV) predicted for LLZO and the absolute positions of its band edges. These features imply that a wide electrochemical window is an intrinsic property of LLZO, facilitating its use in next-generation batteries.

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.

Because of their high surface areas, crystallinity, and tunable properties, metal–organic frameworks (MOFs) have attracted intense interest as next-generation materials for gas capture and storage. While much effort has been devoted to the discovery of new MOFs, a vast catalog of existing MOFs resides within the Cambridge Structural Database (CSD), many of whose gas uptake properties have not been assessed. Here we employ data mining and automated structure analysis to identify, "cleanup," and rapidly predict the hydrogen storage properties of these compounds. Approximately 20 000 candidate compounds were generated from the CSD using an algorithm that removes solvent/guest molecules. These compounds were then characterized with respect to their surface area and porosity. Employing the empirical relationship between excess H2 uptake and surface area, we predict the theoretical total hydrogen storage capacity for the subset of ∼4000 compounds exhibiting nontrivial internal porosity. Our screening identifies several overlooked compounds having high theoretical capacities; these compounds are suggested as targets of opportunity for additional experimental characterization. More importantly, screening reveals that the relationship between gravimetric and volumetric H2 density is concave downward, with maximal volumetric performance occurring for surface areas of 3100–4800 m2/g. We conclude that H2 storage in MOFs will not benefit from further improvements in surface area alone. Rather, discovery efforts should aim to achieve moderate mass densities and surface areas simultaneously, while ensuring framework stability upon solvent removal.