Material design strategies to improve the performance of rechargeable magnesium–sulfur batteries
Source abstract
Abstract
Beyond current lithium-ion technologies, magnesium-sulfur (Mg-S) batteries represent one of the most attractive battery chemistries that utilize low cost, sustainable, and high capacity materials. In addition to high gravimetric and volumetric energy densities, Mg-S batteries also enable safer operation due to the lower propensity for magnesium dendrite growth compared to lithium. However, the development of practical Mg-S batteries remains challenging. Major problems such as self-discharge, rapid capacity loss, magnesium anode passivation, and low sulfur cathode utilization still plague these batteries, necessitating advanced material design strategies for the cathode, anode, and electrolyte. This review critically appraises the latest research and design principles to address specific issues in state-of-the-art Mg-S batteries. In the process, we point out current limitations and open-ended questions, and propose future research directions for practical realization of Mg-S batteries and beyond.
Source: openalex_inverted_index · Quality: candidate unverified · Source record ↗
Research context
OpenAlex topics: Advanced Battery Materials and Technologies · Thermal Expansion and Ionic Conductivity · Advancements in Battery Materials
SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.
Affiliations
Institute of Materials Research and Engineering
Agency for Science, Technology and Research (A*STAR)
Singapore 138634
Singapore
School of Materials Science and Engineering
Department of Chemical Engineering and Applied Chemistry
Chungnam National University
Daejeon
Republic of Korea
Funding
National Research Foundation of Korea · National Research Foundation Singapore
References (100+)
Show source-provided references
1. Chen · Trans. Tianjin Univ. · 2020 · 26 · 20810.1007/s12209-020-00236-w ↗
2. Cano · Nat. Energy · 2018 · 3 · 27910.1038/s41560-018-0108-1 ↗
3. Choi · Nat. Rev. Mater. · 2016 · 1 · 1601310.1038/natrevmats.2016.13 ↗
4. Muldoon · Chem. Rev. · 2014 · 114 · 1168310.1021/cr500049y ↗
5. Wang · Adv. Funct. Mater. · 2019 · 29 · 190524810.1002/adfm.201905248 ↗
6. Gregory · J. Electrochem. Soc. · 1990 · 137 · 77510.1149/1.2086553 ↗
7. Aurbach · Nature · 2000 · 407 · 72410.1038/35037553 ↗
8. Zhao-Karger · RSC Adv. · 2013 · 3 · 1633010.1039/c3ra43206h ↗
9. Doe · Chem. Commun. · 2014 · 50 · 24310.1039/C3CC47896C ↗
10. Tutusaus · Angew. Chem., Int. Ed. · 2015 · 54 · 790010.1002/anie.201412202 ↗
11. Herb · ACS Energy Lett. · 2016 · 1 · 122710.1021/acsenergylett.6b00356 ↗
12. Zhao-Karger · J. Mater. Chem. A · 2017 · 5 · 1081510.1039/C7TA02237A ↗
13. Sun · Energy Environ. Sci. · 2016 · 9 · 227310.1039/C6EE00724D ↗
14. Nam · Nano Lett. · 2015 · 15 · 407110.1021/acs.nanolett.5b01109 ↗
15. Sai Gautam · Nano Lett. · 2016 · 16 · 242610.1021/acs.nanolett.5b05273 ↗
16. Orikasa · Sci. Rep. · 2014 · 4 · 562210.1038/srep05622 ↗
17. Bonnick · Adv. Funct. Mater. · 2020 · 30 · 191051010.1002/adfm.201910510 ↗
18. Rashad · Energy Storage Mater. · 2020 · 25 · 34210.1016/j.ensm.2019.10.004 ↗
19. Canepa · Chem. Rev. · 2017 · 117 · 428710.1021/acs.chemrev.6b00614 ↗
20. Song · J. Phys. Chem. Lett. · 2016 · 7 · 173610.1021/acs.jpclett.6b00384 ↗
21. Zu · Energy Environ. Sci. · 2011 · 4 · 261410.1039/c0ee00777c ↗
22. Xu · Nano Lett. · 2019 · 19 · 292810.1021/acs.nanolett.8b05208 ↗
23. Zhao-Karger · Adv. Energy Mater. · 2015 · 5 · 140115510.1002/aenm.201401155 ↗
24. Robba · Chem. Mater. · 2017 · 29 · 955510.1021/acs.chemmater.7b03956 ↗
25. Gao · Adv. Mater. · 2018 · 30 · 170431310.1002/adma.201704313 ↗
26. Canepa · Nat. Commun. · 2017 · 8 · 175910.1038/s41467-017-01772-1 ↗
27. Häcker · Electrochim. Acta · 2020 · 338 · 13578710.1016/j.electacta.2020.135787 ↗
28. Gao · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2018 · 10 · 1476710.1021/acsami.8b02425 ↗
29. Li · Nat. Rev. Mater. · 2020 · 5 · 27610.1038/s41578-019-0166-4 ↗
30. Gao · Angew. Chem., Int. Ed. · 2017 · 56 · 1352610.1002/anie.201708241 ↗
31. Ding · J. Electrochem. Soc. · 2018 · 165 · A198310.1149/2.1471809jes ↗
32. Zhao · Angew. Chem., Int. Ed. · 2020 · 59 · 590210.1002/anie.201902842 ↗
33. Muldoon · Energy Environ. Sci. · 2013 · 6 · 48210.1039/C2EE23686A ↗
34. Wall · ECS Electrochem. Lett. · 2014 · 4 · C810.1149/2.0111501eel ↗
35. Zhang · Adv. Energy Mater. · 2017 · 7 · 160205510.1002/aenm.201602055 ↗
36. Yu · ACS Energy Lett. · 2016 · 1 · 43110.1021/acsenergylett.6b00213 ↗
37. Zhao-Karger · ACS Energy Lett. · 2018 · 3 · 200510.1021/acsenergylett.8b01061 ↗
38. Xu · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2018 · 10 · 2375710.1021/acsami.8b04674 ↗
39. Zhou · Adv. Mater. · 2018 · 30
40. Gao · Angew. Chem., Int. Ed. · 2017 · 56 · 1352610.1002/anie.201708241 ↗
41. Yang · J. Mater. Chem. A · 2019 · 7 · 1829510.1039/C9TA05769B ↗
42. Yang · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2019 · 11 · 906210.1021/acsami.8b20180 ↗
43. Li · Adv. Energy Mater. · 2018 · 8 · 170172810.1002/aenm.201701728 ↗
44. Muthuraj · ChemElectroChem · 2019 · 6 · 68410.1002/celc.201801526 ↗
45. Vinayan · Nanoscale · 2016 · 8 · 329610.1039/C5NR04383B ↗
46. Vinayan · J. Mater. Chem. A · 2019 · 7 · 2549010.1039/C9TA09155F ↗
47. Huang · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2020 · 12 · 1747410.1021/acsami.0c00196 ↗
48. Zhao · Chem. Commun. · 2019 · 55 · 608610.1039/C9CC02556A ↗
49. Xu · Energy Storage Mater. · 2018 · 14 · 25310.1016/j.ensm.2018.03.020 ↗
50. Du · Small · 2017 · 13 · 170227710.1002/smll.201702277 ↗
51. Sun · ACS Appl. Energy Mater. · 2020 · 3 · 251610.1021/acsaem.9b02232 ↗
52. Fan · Adv. Funct. Mater. · 2020 · 30 · 190937010.1002/adfm.201909370 ↗
53. Kim · Nat. Commun. · 2011 · 2 · 42710.1038/ncomms1435 ↗
54. Seh · Chem. Soc. Rev. · 2016 · 45 · 560510.1039/C5CS00410A ↗
55. Ji · Nat. Mater. · 2009 · 8 · 50010.1038/nmat2460 ↗
56. Ha · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2014 · 6 · 406310.1021/am405619v ↗
57. Du · Energy Environ. Sci. · 2017 · 10 · 261610.1039/C7EE02304A ↗
58. Zeng · Electrochim. Acta · 2018 · 284 · 110.1016/j.electacta.2018.07.111 ↗
59. Yang · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2019 · 11 · 906210.1021/acsami.8b20180 ↗
60. Xin · J. Am. Chem. Soc. · 2012 · 134 · 1851010.1021/ja308170k ↗
61. Salama · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2018 · 10 · 3691010.1021/acsami.8b11123 ↗
62. Gao · J. Am. Chem. Soc. · 2015 · 137 · 1238810.1021/jacs.5b07820 ↗
63. Elazari · Adv. Mater. · 2011 · 23 · 564110.1002/adma.201103274 ↗
64. Li · Angew. Chem., Int. Ed. · 2016 · 55 · 640610.1002/anie.201600256 ↗
65. Xu · Adv. Sci. · 2019 · 6 · 180098110.1002/advs.201800981 ↗
66. Itaoka · J. Power Sources · 2015 · 297 · 32310.1016/j.jpowsour.2015.08.029 ↗
67. Zhou · Adv. Mater. · 2018 · 30 · 170416610.1002/adma.201704166 ↗
68. Huang · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2020 · 12 · 1747410.1021/acsami.0c00196 ↗
69. Wang · Batteries Supercaps · 2020 · 3 · 123910.1002/batt.202000097 ↗
70. Du · Energy Storage Mater. · 2020 · 26 · 2310.1016/j.ensm.2019.12.030 ↗
71. Zeng · J. Electrochem. Soc. · 2017 · 164 · A250410.1149/2.1131712jes ↗
72. Zhang · Adv. Funct. Mater. · 2018 · 28 · 170171810.1002/adfm.201701718 ↗
73. Robba · J. Power Sources · 2020 · 450 · 22767210.1016/j.jpowsour.2019.227672 ↗
74. Xiong · Nano Energy · 2018 · 47 · 21010.1016/j.nanoen.2018.02.060 ↗
75. Kravchyk · Sci. Rep. · 2019 · 9 · 798810.1038/s41598-019-43639-z ↗
76. Zhang · Adv. Funct. Mater. · 2015 · 25 · 730010.1002/adfm.201503639 ↗
77. Duffort · Chem. Commun. · 2016 · 52 · 1245810.1039/C6CC05363G ↗
78. Tashiro · Chem. Lett. · 2017 · 46 · 124010.1246/cl.170503 ↗
79. Li · Electrochim. Acta · 2018 · 263 · 16810.1016/j.electacta.2018.01.067 ↗
80. Wu · Nanoscale · 2018 · 10 · 1252610.1039/C8NR03375G ↗
81. Liao · J. Mater. Chem. A · 2015 · 3 · 608210.1039/C5TA00118H ↗
82. Lu · J. Electroanal. Chem. · 1999 · 466 · 20310.1016/S0022-0728(99)00146-1 ↗
83. Davidson · ACS Energy Lett. · 2019 · 4 · 37510.1021/acsenergylett.8b02470 ↗
84. Sievert · ECS Trans. · 2017 · 77 · 41310.1149/07711.0413ecst ↗
85. Meng · ACS Energy Lett. · 2019 · 4 · 204010.1021/acsenergylett.9b01389 ↗
86. Arthur · Electrochem. Commun. · 2012 · 16 · 10310.1016/j.elecom.2011.12.010 ↗
87. Kravchyk · ACS Nano · 2018 · 12 · 829710.1021/acsnano.8b03572 ↗
88. Shao · Nano Lett. · 2014 · 14 · 25510.1021/nl403874y ↗
89. Tan · ACS Nano · 2018 · 12 · 585610.1021/acsnano.8b01847 ↗
90. Murgia · J. Mater. Chem. A · 2015 · 3 · 1647810.1039/C5TA04077A ↗
91. Lee · J. Mater. Chem. A · 2018 · 6 · 1698310.1039/C7TA11181A ↗
92. Matsui · Front. Chem. · 2019 · 7 · 710.3389/fchem.2019.00007 ↗
93. Singh · Chem. Commun. · 2013 · 49 · 14910.1039/C2CC34673G ↗
94. Cheng · Adv. Mater. · 2015 · 27 · 659810.1002/adma.201502378 ↗
95. Murgia · Electrochem. Commun. · 2015 · 60 · 5610.1016/j.elecom.2015.08.007 ↗
96. Periyapperuma · Electrochim. Acta · 2015 · 165 · 16210.1016/j.electacta.2015.03.006 ↗
97. Nguyen · ChemElectroChem · 2016 · 3 · 181310.1002/celc.201600400 ↗
98. Nguyen · J. Power Sources · 2017 · 368 · 1110.1016/j.jpowsour.2017.09.054 ↗
99. Yaghoobnejad Asl · Chem. Mater. · 2018 · 30 · 181510.1021/acs.chemmater.7b04124 ↗
100. Niu · Nanoscale · 2019 · 11 · 1527910.1039/C9NR05399A ↗