The key bottleneck troubling the application of solid electrolyte is the contradictory requirements from Li-metal and cathode, which need high modulus to block Li-dendrite penetration and flexibility to enable low interface resistance, respectively. This study describes a thin asymmetrical design of solid electrolyte to address these shortcomings. In this architecture, a rigid ceramic-layer modified with an ultrathin polymer is toward Li-metal to accomplish dendrite-suppression of Li-anode, and a soft polymer-layer spreads over the exterior and interior of cathode to endow connected interface simultaneously. This ingenious arrangement endows solid Li-metal batteries with extremely high Coulombic efficiency and cyclability. This work will open up one avenue for realizing safe and long-life energy storage systems.

In situ gelation adds fresh potential for conventional liquid electrolytes in applications to lithium metal batteries.

Abstract Electrochemical energy storage devices with a high energy density are an important technology in modern society, especially for electric vehicles. The most effective approach to improve the energy density of batteries is to search for high‐capacity electrode materials. According to the concept of energy quality, a high‐voltage battery delivers a highly useful energy, thus providing a new insight to improve energy density. Based on this concept, a novel and successful strategy to increase the energy density and energy quality by increasing the discharge voltage of cathode materials and preserving high capacity is proposed. The proposal is realized in high‐capacity Li‐rich cathode materials. The average discharge voltage is increased from 3.5 to 3.8 V by increasing the nickel content and applying a simple after‐treatment, and the specific energy is improved from 912 to 1033 Wh kg −1 . The current work provides an insightful universal principle for developing, designing, and screening electrode materials for high energy density and energy quality.

Gradient surface Na-ion doping is realized and demonstrated as an effective strategy to enhance the kinetics of Li-rich cathode materials. Owing to the pinning effect of Na-doping in the Li layer, the resultant Li-rich particles exhibit superior electrochemical performances in terms of specific capacity, Coulombic efficiency, and cycling stability. 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.

Abstract With the enormous development of the electric vehicle market, fast charging battery technology is highly required. However, the slow kinetics and lithium plating under fast charging condition of traditional graphite anode hinder the fast charging capability of lithium‐ion batteries. To develop anode materials with rapid Li‐ions diffusion capability and fast reaction kinetics has received widely attentions. This review summarizes the current status in the exploration of fast charging anode materials, mainly including the critical challenge of achieving fast charging capability, the inherent structures and lithium storage mechanisms of various anode materials, as well as the recent progress to improve the rate performance involving morphology regulation, structure design, surface/interface modification, as well as forming multiphase systems. Finally, the challenges and future directions of developing fast charging Li‐ion batteries are highlighted.

The fast-ionic-conducting ceramic electrolyte is promising for next-generation high-energy-density Li-metal batteries, yet its application suffers from the high interfacial resistance and poor interfacial stability. In this study, the compatible solid-state electrolyte was designed by coating Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3 (LATP) with polyacrylonitrile (PAN) and polyethylene oxide (PEO) oppositely to satisfy deliberately the disparate interface demands. Wherein, the upper PAN constructs soft-contact with LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2, and the lower PEO protects LATP from being reduced, guaranteeing high-voltage tolerance and improved stability toward Li-metal anode performed in one ceramic. Moreover, the core function of LATP is amplified to guide homogeneous ions distribution and hence suppresses the formation of a space-charge layer across interfaces, uncovered by the COMSOL Multiphysics concentration field simulation. Thus, such a bifunctional modified ceramic electrolyte integrates the respective superiority to render Li-metal batteries with excellent cycling stability (89% after 120 cycles), high Coulombic efficiency (exceeding 99.5% per cycle), and a dendrite-free Li anode at 60 °C, which represents an overall design of ceramic interface engineering for future practical solid battery systems.

Abstract As one of the most promising cathode candidates for room‐temperature sodium‐ion batteries (SIBs), P2‐type layered oxides face the challenge of simultaneously realizing high‐rate performance while achieving long cycle life. Here, a stable Na 2/3 Ni 1/6 Mn 2/3 Cu 1/9 Mg 1/18 O 2 cathode material is proposed that consists of multiple‐layer oriented stacking nanoflakes, in which the nickel sites are partially substituted by copper and magnesium, a characteristic of the material that is confirmed by multiscale scanning transmission electron microscopy and electron energy loss spectroscopy techniques. Owing to the optimal morphology structure modulation and chemical element substitution strategy, the electrode displays remarkable rate performance (73% capacity retention at 30C compared to 0.5C) and outstanding cycling stability in Na half‐cell system couple with unprecedented full battery performance. The underlying thermal stability, phase stability, and Na + storage mechanisms are clearly elucidated through the systematical characterizations of electrochemical behaviors, in situ X‐ray diffraction at different temperatures, and operando X‐ray diffraction upon Na + deintercalation/intercalation. Surprisingly, a quasi‐solid‐solution reaction is switched to an absolute solid‐solution reaction and a capacitive Na + storage mechanism is demonstrated via quantitative electrochemical kinetics calculation during charge/discharge process. Such a simple and effective strategy might reveal a new avenue into the rational design of excellent rate capability and long cycle stability cathode materials for practical SIBs.

Metallic lithium affords the highest theoretical capacity and lowest electrochemical potential and is viewed as a leading contender as an anode for high-energy-density rechargeable batteries. However, the poor wettability of molten lithium does not allow it to spread across the surface of lithiophobic substrates, hindering the production and application of this anode. Here we report a general chemical strategy to overcome this dilemma by reacting molten lithium with functional organic coatings or elemental additives. The Gibbs formation energy and newly formed chemical bonds are found to be the governing factor for the wetting behavior. As a result of the improved wettability, a series of ultrathin lithium of 10-20 μm thick is obtained together with impressive electrochemical performance in lithium metal batteries. These findings provide an overall guide for tuning the wettability of molten lithium and offer an affordable strategy for the large-scale production of ultrathin lithium, and could be further extended to other alkali metals, such as sodium and potassium.

Li-rich layered materials have been considered as the most promising cathode materials for future high-energy-density lithium-ion batteries. However, they suffer from severe voltage decay upon cycling, which hinders their further commercialization. Here, we report a Li-rich layered material 0.5Li2MnO3·0.5LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 with high nickel content, which exhibits much slower voltage decay during long-term cycling compared to conventional Li-rich materials. The voltage decay after 200 cycles is 201 mV. Combining in situ X-ray diffraction (XRD), ex situ XRD, ex situ X-ray photoelectron spectroscopy, and scanning transmission electron microscopy, we demonstrate that nickel ions act as stabilizing ions to inhibit the Jahn–Teller effect of active Mn3+ ions, improving d–p hybridization and supporting the layered structure as a pillar. In addition, nickel ions can migrate between the transition-metal layer and the interlayer, thus avoiding the formation of spinel-like structures and consequently mitigating the voltage decay. Our results provide a simple and effective avenue for developing Li-rich layered materials with mitigated voltage decay and a long lifespan, thereby promoting their further application in lithium-ion batteries with high energy density.

Abstract Na-ion cathode materials operating at high voltage with a stable cycling behavior are needed to develop future high-energy Na-ion cells. However, the irreversible oxygen redox reaction at the high-voltage region in sodium layered cathode materials generates structural instability and poor capacity retention upon cycling. Here, we report a doping strategy by incorporating light-weight boron into the cathode active material lattice to decrease the irreversible oxygen oxidation at high voltages (i.e., >4.0 V vs. Na + /Na). The presence of covalent B–O bonds and the negative charges of the oxygen atoms ensures a robust ligand framework for the NaLi 1/9 Ni 2/9 Fe 2/9 Mn 4/9 O 2 cathode material while mitigating the excessive oxidation of oxygen for charge compensation and avoiding irreversible structural changes during cell operation. The B-doped cathode material promotes reversible transition metal redox reaction enabling a room-temperature capacity of 160.5 mAh g −1 at 25 mA g −1 and capacity retention of 82.8% after 200 cycles at 250 mA g −1 . A 71.28 mAh single-coated lab-scale Na-ion pouch cell comprising a pre-sodiated hard carbon-based anode and B-doped cathode material is also reported as proof of concept.