Nanocrystals with quantum-confined length scales are often considered impractical for metal-ion battery electrodes due to the dominance of solid-electrolyte interphase (SEI) layer effects on the measured storage properties. Here we demonstrate that ultrafine sizes (∼4.5 nm, average) of iron pyrite, or FeS2, nanoparticles are advantageous to sustain reversible conversion reactions in sodium ion and lithium ion batteries. This is attributed to a nanoparticle size comparable to or smaller than the diffusion length of Fe during cation exchange, yielding thermodynamically reversible nanodomains of converted Fe metal and NaxS or LixS conversion products. This is compared to bulk-like electrode materials, where kinetic and thermodynamic limitations of surface-nucleated conversion products inhibit successive conversion cycles. Reversible capacities over 500 and 600 mAh/g for sodium and lithium storage are observed for ultrafine nanoparticles, with improved cycling and rate capability. Unlike alloying or intercalation processes, where SEI effects limit the performance of ultrafine nanoparticles, our work highlights the benefit of quantum dot length-scale nanocrystal electrodes for nanoscale metal sulfide compounds that store energy through chemical conversion reactions.

Here, we demonstrate a strategy to produce high areal loading and areal capacity sulfur cathodes by using vapor-phase infiltration of low-density carbon nanotube (CNT) foams preformed by solution processing and freeze-drying. Vapor-phase capillary infiltration of sulfur into preformed and binder-free low-density CNT foams leads to a mass loading of ∼79 wt % arising from interior filling and coating of CNTs with sulfur while preserving conductive CNT–CNT junctions that sustain electrical accessibility through the thick foam. Sulfur cathodes are then produced by mechanically compressing these foams into dense composites (ρ > 0.2 g/cm3), revealing specific capacity of 1039 mAh/gS at 0.1 C, high sulfur areal loading of 19.1 mg/cm2, and high areal capacity of 19.3 mAh/cm2. This work highlights a technique broadly adaptable to a diverse group of nanostructured building blocks where preformed low-density materials can be vapor infiltrated with sulfur, mechanically compressed, and exhibit simultaneous high areal and gravimetric storage properties. This provides a route for scalable, low-cost, and high-energy density sulfur cathodes based on conventional solid electrode processing routes.

We demonstrate a room-temperature sodium sulfur battery based on a confining microporous carbon template derived from sucrose that delivers a reversible capacity over 700 mAh/gS at 0.1C rates, maintaining 370 mAh/gS at 10 times higher rates of 1C. Cycling at 1C rates reveals retention of over 300 mAh/gS capacity across 1500 cycles with Coulombic efficiency >98% due to microporous sulfur confinement and stability of the sodium metal anode in a glyme-based electrolyte. We show sucrose to be an ideal platform to develop microporous carbon capable of mitigating electrode-electrolyte reactivity and loss of soluble intermediate discharge products. In a manner parallel to the low-cost materials of the traditional sodium beta battery, our work demonstrates the combination of table sugar, sulfur, and sodium, all of which are cheap and earth abundant, for a high-performance stable room-temperature sodium sulfur battery.

A maximum sodium capacity of ∼35 mAh/g has hampered the use of crystalline carbon nanostructures for sodium ion battery anodes. We demonstrate that a diglyme solvent shell encapsulating a sodium ion acts as a "nonstick" coating to facilitate rapid ion insertion into crystalline few-layer graphene and bypass slow desolvation kinetics. This yields storage capacities above 150 mAh/g, cycling performance with negligible capacity fade over 8000 cycles, and ∼100 mAh/g capacities maintained at currents of 30 A/g (∼12 s charge). Raman spectroscopy elucidates the ordered, but nondestructive cointercalation mechanism that differs from desolvated ion intercalation processes. In situ Raman measurements identify the Na(+) staging sequence and isolates Fermi energies for the first and second stage ternary intercalation compounds at ∼0.8 eV and ∼1.2 eV.

Abstract Silicon materials remain unused for supercapacitors due to extreme reactivity of silicon with electrolytes. However, doped silicon materials boast a low mass density, excellent conductivity, a controllably etched nanoporous structure and combined earth abundance and technological presence appealing to diverse energy storage frameworks. Here, we demonstrate a universal route to transform porous silicon (P-Si) into stable electrodes for electrochemical devices through growth of an ultra-thin, conformal graphene coating on the P-Si surface. This graphene coating simultaneously passivates surface charge traps and provides an ideal electrode-electrolyte electrochemical interface. This leads to 10–40X improvement in energy density and a 2X wider electrochemical window compared to identically-structured unpassivated P-Si. This work demonstrates a technique generalizable to mesoporous and nanoporous materials that decouples the engineering of electrode structure and electrochemical surface stability to engineer performance in electrochemical environments. Specifically, we demonstrate P-Si as a promising new platform for grid-scale and integrated electrochemical energy storage.

We report the first demonstration of potassium ion cointercalation into graphitic carbon electrodes including both natural graphite and multi-layered graphene in both diglyme and monoglyme based electrolytes.

Abstract Two-dimensional (2D) materials offer numerous advantages for electrochemical energy storage and conversion due to fast charge transfer kinetics, highly accessible surface area, and tunable electronic and optical properties. Stacking of 2D materials generates heterogeneous interfaces that can modify native chemical and physical material properties. Here, we demonstrate that local strain at a carbon-MoS 2 interface in a vertically stacked 2D material directs the pathway for chemical storage in MoS 2 on lithium metal insertion. With average measured MoS 2 strain of ∼0.1% due to lattice mismatch between the carbon and MoS 2 layers, lithium insertion is facilitated by an energy-efficient cation-exchange transformation. This is compared with low-voltage lithium intercalation for unstrained MoS 2 . This observation implies that mechanical properties of interfaces in heterogeneous 2D materials can be leveraged to direct energetics of chemical processes relevant to a wide range of applications such as electrochemical energy storage and conversion, catalysis and sensing.

We demonstrate a simple wafer-scale process by which an individual silicon wafer can be processed into a multifunctional platform where one side is adapted to replace platinum and enable triiodide reduction in a dye-sensitized solar cell and the other side provides on-board charge storage as an electrochemical supercapacitor. This builds upon electrochemical fabrication of dual-sided porous silicon and subsequent carbon surface passivation for silicon electrochemical stability. The utilization of this silicon multifunctional platform as a combined energy storage and conversion system yields a total device efficiency of 2.1%, where the high frequency discharge capability of the integrated supercapacitor gives promise for dynamic load-leveling operations to overcome current and voltage fluctuations during solar energy harvesting.

Despite the promise of surface engineering to address the challenge of polysulfide shuttling in sulfur-carbon composite cathodes, melt infiltration techniques limit mechanistic studies correlating engineered surfaces and polysulfide anchoring. Here, we present a controlled experimental demonstration of polysulfide anchoring using vapor phase isothermal processing to fill the interior of carbon nanotubes (CNTs) after assembly into binder-free electrodes and atomic layer deposition (ALD) coating of polar V2O5 anchoring layers on the CNT surfaces. The ultrathin submonolayer V2O5 coating on the CNT exterior surface balances the adverse effect of polysulfide shuttling with the necessity for high sulfur utilization due to binding sites near the conductive CNT surface. The sulfur loaded into the CNT interior provides a spatially separated control volume enabling high sulfur loading with direct sulfur-CNT electrical contact for efficient sulfur conversion. By controlling ALD coating thickness, high initial discharge capacity of 1209 mAh/gS at 0.1 C and exceptional cycling at 0.2 C with 87% capacity retention after 100 cycles and 73% at 450 cycles is achieved and correlated to an optimal V2O5 anchoring layer thickness. This provides experimental evidence that surface engineering approaches can be effective to overcome polysulfide shuttling by controlled design of molecular-scale building blocks for efficient binder free lithium sulfur battery cathodes.

A load-bearing, multifunctional material with the simultaneous capability to store energy and withstand static and dynamic mechanical stresses is demonstrated. This is produced using ion-conducting polymers infiltrated into nanoporous silicon that is etched directly into bulk conductive silicon. This device platform maintains energy densities near 10 W h/kg with Coulombic efficiency of 98% under exposure to over 300 kPa tensile stresses and 80 g vibratory accelerations, along with excellent performance in other shear, compression, and impact tests. This demonstrates performance feasibility as a structurally integrated energy storage material broadly applicable across renewable energy systems, transportation systems, and mobile electronics, among others.