Tailoring nanoarchitecture of materials offers unprecedented opportunities in utilization of their functional properties. Nanostructures of vanadium oxide, synthesized by electrochemical deposition, are studied as a cathode material for rechargeable Na-ion batteries. Ex situ and in situ synchrotron characterizations revealed the presence of an electrochemically responsive bilayered structure with adjustable intralayer spacing that accommodates intercalation of Na+ ions. Sodium intake induces organization of overall structure with appearance of both long- and short-range order, while deintercalation is accompanied with the loss of long-range order, whereas short-range order is preserved. Nanostructured electrodes achieve theoretical reversible capacity for Na2V2O5 stochiometry of 250 mAh/g. The stability evaluation during charge–discharge cycles at room temperature revealed an efficient 3 V cathode material with superb performance: energy density of ∼760 Wh/kg and power density of 1200 W/kg. These results demonstrate feasibility of development of the ambient temperature Na-ion rechargeable batteries by employment of electrodes with tailored nanoarchitectures.

ADVERTISEMENT RETURN TO ISSUEPREVEnergy FocusNEXTChallenges for and Pathways toward Li-Metal-Based All-Solid-State BatteriesPaul AlbertusPaul AlbertusDepartment of Chemical and Biomolecular Engineering, University of Maryland, College Park, Maryland 20742, United StatesMore by Paul Albertushttp://orcid.org/0000-0003-0072-0529, Venkataramani AnandanVenkataramani AnandanFord Motor Company, Dearborn, Michigan 48121, United StatesMore by Venkataramani Anandan, Chunmei BanChunmei BanMechanical Engineering Department, University of Colorado, Boulder, Colorado 80309, United StatesMore by Chunmei Banhttp://orcid.org/0000-0002-1472-1496, Nitash BalsaraNitash BalsaraDepartment of Chemical and Biomolecular Engineering and Lawrence Berkeley National Laboratory, Materials Sciences Division, University of California, Berkeley, California 94720, United StatesMore by Nitash Balsarahttp://orcid.org/0000-0002-0106-5565, Ilias BelharouakIlias BelharouakEnergy and Transportation Science Division, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 37831, United StatesMore by Ilias Belharouakhttp://orcid.org/0000-0002-3985-0278, Josh Buettner-GarrettJosh Buettner-GarrettSolid Power, Inc., Louisville, Colorado 80027, United StatesMore by Josh Buettner-Garrett, Zonghai ChenZonghai ChenChemical Sciences and Engineering Division, Argonne National Laboratory, 9700 South Cass Avenue, Argonne, Illinois 60439, United StatesMore by Zonghai Chenhttp://orcid.org/0000-0001-5371-9463, Claus DanielClaus DanielEnergy and Transportation Science Division, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 37831, United StatesMore by Claus Daniel, Marca DoeffMarca DoeffLawrence Berkeley National Laboratory, Energy Storage and Distributed Resources Division, University of California, Berkeley, California 94720, United StatesMore by Marca Doeffhttp://orcid.org/0000-0002-2148-8047, Nancy J. Dudney*Nancy J. DudneyEnergy and Transportation Science Division, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 37831, United States*Email: [email protected]More by Nancy J. Dudneyhttp://orcid.org/0000-0001-7729-6178, Bruce DunnBruce DunnDepartment of Materials Science and Engineering, University of California, Los Angeles, California 90095, United StatesMore by Bruce Dunnhttp://orcid.org/0000-0001-5669-4740, Stephen J. HarrisStephen J. HarrisLawrence Berkeley National Laboratory, Energy Storage and Distributed Resources Division, University of California, Berkeley, California 94720, United StatesMore by Stephen J. Harris, Subramanya HerleSubramanya HerleApplied Materials Inc., 3225 Oakmead Village Drive, B12_2F6, Santa Clara, California 95054, United StatesMore by Subramanya Herle, Eric HerbertEric HerbertDepartment of Materials Science and Engineering, Michigan Technological University, Houghton, Michigan 49931, United StatesMore by Eric Herbert, Sergiy KalnausSergiy KalnausEnergy and Transportation Science Division, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 37831, United StatesMore by Sergiy Kalnaus, Joesph A. LiberaJoesph A. LiberaChemical Sciences and Engineering Division, Argonne National Laboratory, 9700 South Cass Avenue, Argonne, Illinois 60439, United StatesMore by Joesph A. Libera, Dongping LuDongping LuEnergy and Environmental Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington 99352, United StatesMore by Dongping Luhttp://orcid.org/0000-0001-9597-8500, Steve MartinSteve MartinDepartment of Materials Science & Engineering, Iowa State University of Science & Technology, Ames, Iowa 50011, United StatesMore by Steve Martinhttp://orcid.org/0000-0002-6472-509X, Bryan D. McCloskeyBryan D. McCloskeyDepartment of Chemical and Biomolecular Engineering and Lawrence Berkeley National Laboratory, Materials Sciences Division, University of California, Berkeley, California 94720, United StatesMore by Bryan D. McCloskeyhttp://orcid.org/0000-0001-6599-2336, Matthew T. McDowellMatthew T. McDowellWoodruff School of Mechanical Engineering and School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia 30332, United StatesMore by Matthew T. McDowellhttp://orcid.org/0000-0001-5552-3456, Y. Shirley MengY. Shirley MengDepartment of NanoEngineering and Materials Science and Engineering Program, University of California San Diego, La Jolla, California 92093, United StatesMore by Y. Shirley Menghttp://orcid.org/0000-0001-8936-8845, Jagjit Nanda*Jagjit NandaEnergy and Transportation Science Division, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 37831, United States*Email: [email protected]More by Jagjit Nandahttp://orcid.org/0000-0002-6875-0057, Jeff SakamotoJeff SakamotoDepartment of Materials Science and Engineering and Department of Mechanical Engineering, University of Michigan, Ann Arbor, Michigan 48109, United StatesMore by Jeff Sakamoto, Ethan C. SelfEthan C. SelfEnergy and Transportation Science Division, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 37831, United StatesMore by Ethan C. Selfhttp://orcid.org/0000-0001-6006-6317, Sanja TepavcevicSanja TepavcevicChemical Sciences and Engineering Division, Argonne National Laboratory, 9700 South Cass Avenue, Argonne, Illinois 60439, United StatesMore by Sanja Tepavcevic, Eric WachsmanEric WachsmanDepartment of Chemical and Biomolecular Engineering, University of Maryland, College Park, Maryland 20742, United StatesMore by Eric Wachsmanhttp://orcid.org/0000-0002-0667-1927, Chunsheng WangChunsheng WangDepartment of Chemical and Biomolecular Engineering, University of Maryland, College Park, Maryland 20742, United StatesMore by Chunsheng Wanghttp://orcid.org/0000-0002-8626-6381, Andrew S. WestoverAndrew S. WestoverEnergy and Transportation Science Division, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 37831, United StatesMore by Andrew S. Westoverhttp://orcid.org/0000-0003-0151-8832, Jie XiaoJie XiaoDepartment of Materials Science and Engineering, University of California, Los Angeles, California 90095, United StatesMore by Jie Xiaohttp://orcid.org/0000-0002-5520-5439, and Thomas YersakThomas YersakChemical and Materials Systems Laboratory, General Motors Global R&D, Warren, Michigan 48092-2031, United StatesMore by Thomas Yersakhttp://orcid.org/0000-0001-8275-7960Cite this: ACS Energy Lett. 2021, 6, 4, 1399–1404Publication Date (Web):March 22, 2021Publication History Received27 February 2021Accepted3 March 2021Published online22 March 2021Published inissue 9 April 2021https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c00445https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c00445newsACS PublicationsCopyright © Published 2021 by American Chemical Society. This publication is available under these Terms of Use. Request reuse permissions This publication is free to access through this site. Learn MoreArticle Views35119Altmetric-Citations255LEARN ABOUT THESE METRICSArticle Views are the COUNTER-compliant sum of full text article downloads since November 2008 (both PDF and HTML) across all institutions and individuals. These metrics are regularly updated to reflect usage leading up to the last few days.Citations are the number of other articles citing this article, calculated by Crossref and updated daily. Find more information about Crossref citation counts.The Altmetric Attention Score is a quantitative measure of the attention that a research article has received online. Clicking on the donut icon will load a page at altmetric.com with additional details about the score and the social media presence for the given article. Find more information on the Altmetric Attention Score and how the score is calculated. Share Add toView InAdd Full Text with ReferenceAdd Description ExportRISCitationCitation and abstractCitation and referencesMore Options Share onFacebookTwitterWechatLinked InRedditEmail PDF (2 MB) Get e-AlertscloseSUBJECTS:Batteries,Electrodes,Interfaces,Materials,Solid electrolytes Get e-Alerts

A beyond Li-ion battery based on Zn metal, aprotic electrolyte, and a hydrated bilayered V2O5 cathode with a large gallery spacing of 11–13 Å is introduced. The battery exhibits high 20 C rate capability with good specific capacity of 130 mA h g−1. This work provides some design rules for Zn intercalation behavior in host electrodes in a nonaqueous environment. 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 Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO) garnet‐based materials doped with Al, Nb, or Ta to stabilize the Li + ‐conductive cubic phase are a particularly promising class of solid electrolytes for all‐solid‐state lithium metal batteries. Understanding of the intrinsic reactivity between solid electrolytes and relevant electrode materials is crucial to developing high voltage solid‐state batteries with long lifetimes. Using a novel, surface science‐based approach to characterize the intrinsic reactivity of the Li–solid electrolyte interface, it is determined that, surprisingly, some degree of Zr reduction takes place for all three dopant types, with the extent of reduction increasing as Ta < Nb < Al. Significant reduction of Nb also takes place for Nb‐doped LLZO, with electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of Li||Nb–LLZO||Li symmetric cells further revealing significant increases in impedance with time and suggesting that the Nb reduction propagates into the bulk. Density functional theory (DFT) calculations reveal that Nb‐doped material shows a strong preference for Nb dopants toward the interface between LLZO and Li, while Ta does not exhibit a similar preference. EIS and DFT results, coupled with the observed reduction of Zr at the interface, are consistent with the formation of an “oxygen‐deficient interphase” (ODI) layer whose structure determines the stability of the LLZO–Li interface.

Unlike the more established lithium-ion based energy storage chemistries, the complex intercalation chemistry of multivalent cations in a host lattice is not well understood, especially the relationship between the intercalating species solution chemistry and the prevalence and type of side reactions. Among multivalent metals, a promising model system can be based on nonaqueous Zn2+ ion chemistry. Several examples of these systems support the use of a Zn metal anode, and reversible intercalation cathodes have been reported. This study utilizes a combination of analytical tools to probe the chemistry of a nanostructured δ-MnO2 cathode in association with a nonaqueous acetonitrile–Zn(TFSI)2 electrolyte and a Zn metal anode. As many of the issues related to understanding a multivalent battery relate to the electrolyte–electrode interface, the high surface area of a nanostructured cathode provides a significant interface between the electrolyte and cathode host that maximizes the spectroscopic signal of any side reactions or minor mechanistic pathways. Numerous factors affecting capacity fade and issues associated with the second phase formation including Mn dissolution in heavily cycled Zn/δ-MnO2 cells are presented including dramatic mechanistic differences in the storage mechanism of this couple when compared to similar aqueous electrolytes are noted.

Nanostructured bilayered V2O5 was electrochemically deposited within a carbon nanofoam conductive support. As-prepared electrochemically synthesized bilayered V2O5 incorporates structural water and hydroxyl groups, which effectively stabilizes the interlayers and provides coordinative preference to the Mg(2+) cation in reversible cycling. This open-framework electrode shows reversible intercalation/deintercalation of Mg(2+) ions in common electrolytes such as acetonitrile. Using a scanning transmission electron microscope we demonstrate that Mg(2+) ions can be effectively intercalated into the interlayer spacing of nanostructured V2O5, enabling electrochemical magnesiation against a Mg anode with a specific capacity of 240 mAh/g. We employ HRTEM and X-ray fluorescence (XRF) imaging to understand the role of environment in the intercalation processes. A rebuilt full cell was tested by employing a high-energy ball-milled Sn alloy anode in acetonitrile with Mg(ClO4)2 salt. XRF microscopy reveals effective insertion of Mg ions throughout the V2O5 structure during discharge and removal of Mg ions during electrode charging, in agreement with the electrode capacity. We show using XANES and XRF microscopy that reversible Mg intercalation is limited by the anode capacity.