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.

The electrolyte solution structure for acetonitrile (AN)-lithium salt mixtures has been examined for highly dissociated salts. Phase diagrams are reported for (AN)n-LiN(SO2CF3)2 (LiTFSI) and -LiPF6 electrolytes. Single crystal structures and Raman spectroscopy have been utilized to provide information regarding the solvate species present in the solid-state and liquid phases, as well as the average solvation number variation with salt concentration. Molecular dynamics (MD) simulations of the mixtures have been correlated with the experimental data to provide additional insight into the molecular-level interactions. Quantum chemistry (QC) calculations were performed on (AN)n-Li-(anion)m clusters to validate the ability of the developed many-body polarizable force field (used for the simulations) to accurately describe cluster stability (ionic association). The combination of these techniques provides tremendous insight into the solution structure within these electrolyte mixtures.

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.

Through coupled experimental analysis and computational techniques, we uncover the origin of anodic stability for a range of nonaqueous zinc electrolytes. By examination of electrochemical, structural, and transport properties of nonaqueous zinc electrolytes with varying concentrations, it is demonstrated that the acetonitrile–Zn(TFSI)2, acetonitrile–Zn(CF3SO3)2, and propylene carbonate–Zn(TFSI)2 electrolytes can not only support highly reversible Zn deposition behavior on a Zn metal anode (≥99% of Coulombic efficiency) but also provide high anodic stability (up to ∼3.8 V vs Zn/Zn2+). The predicted anodic stability from DFT calculations is well in accordance with experimental results, and elucidates that the solvents play an important role in anodic stability of most electrolytes. Molecular dynamics (MD) simulations were used to understand the solvation structure (e.g., ion solvation and ionic association) and its effect on dynamics and transport properties (e.g., diffusion coefficient and ionic conductivity) of the electrolytes. The combination of these techniques provides unprecedented insight into the origin of the electrochemical, structural, and transport properties in nonaqueous zinc electrolytes.

Direct evidence of Mg2+ intercalation into a spinel-type Mn2O4 is provided. By com­bining tools with different sensitivities, from atomic-resolution X-ray spectro­scopy to bulk X-ray diffraction, it is demonstrated that Mg2+ reversibly occupies the tetrahedral sites of the spinel structure through the reduction of Mn when the electrochemical reaction is performed. 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.