Progress and Prospects of Solid-State Electrolytes in Metal–Sulfur Batteries
Source abstract
Abstract
Metal–sulfur (M-S) batteries, including lithium–sulfur (Li–S), sodium–sulfur (Na–S), zinc–sulfur (Zn–S), and magnesium–sulfur (Mg–S), combine very high theoretical capacities with low active-material cost and minimal reliance on transition metals. Their practical deployment is still limited by polysulfide dissolution, poor cathode conductivity, large volume change, and dendrite formation at metal anodes. This review focuses on solid-state electrolytes (SSEs) based on inorganic ceramics, polymers, and hybrid frameworks that are being developed to address these issues. We adopt an interphase-centered, problem-solving perspective and discuss how SSE ionic transport, interfacial chemistry, and mechanical properties jointly control polysulfide confinement, sulfur utilization, volume-change accommodation, and metal-anode stability. By comparing representative systems, we extract design rules for composite architecture and interface engineering. Remaining challenges, including modest room-temperature conductivity, interfacial resistance, brittleness, and scalable processing, are highlighted, and future research directions are outlined for safe, high-energy-density M-S batteries.
Source: openalex_inverted_index · Quality: baseline
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
Nanoscience and Technology Centre
University of Central Florida
Department of Material Science and Engineering
Department of Physics
CREOL, The College of Optics and Photonics
Funding
Division of Industrial Innovation and Partnerships
References (100+)
Show source-provided references
1. Nagaura T. · Prog. Batter. Sol. Cells · 1990 · 9 · 209
2. 10.1016/j.cej.2025.16029010.1016/j.cej.2025.160290 ↗
3. 10.1016/j.nanoen.2024.10990810.1016/j.nanoen.2024.109908 ↗
4. 10.1038/s41560-019-0390-610.1038/s41560-019-0390-6 ↗
5. 10.1016/j.jechem.2021.04.00510.1016/j.jechem.2021.04.005 ↗
6. 10.1021/acs.nanolett.4c0585710.1021/acs.nanolett.4c05857 ↗
7. 10.1021/acsanm.4c0644610.1021/acsanm.4c06446 ↗
8. 10.1002/adfm.20241358010.1002/adfm.202413580 ↗
9. 10.1016/j.joule.2020.02.00610.1016/j.joule.2020.02.006 ↗
10. 10.1002/advs.20210391010.1002/advs.202103910 ↗
11. 10.1007/s41918-018-0022-z10.1007/s41918-018-0022-z ↗
12. 10.1038/s41467-018-06443-310.1038/s41467-018-06443-3 ↗
13. 10.1002/aenm.20240151510.1002/aenm.202401515 ↗
14. 10.1039/C5NR04383B10.1039/C5NR04383B ↗
15. 10.1016/j.jpowsour.2014.02.08210.1016/j.jpowsour.2014.02.082 ↗
16. 10.1021/acs.macromol.8b0171710.1021/acs.macromol.8b01717 ↗
17. 10.1002/adma.20190395210.1002/adma.201903952 ↗
18. 10.1038/s41467-023-37564-z10.1038/s41467-023-37564-z ↗
19. 10.1016/j.est.2024.11166610.1016/j.est.2024.111666 ↗
20. 10.1016/j.ensm.2024.10335310.1016/j.ensm.2024.103353 ↗
21. 10.1016/j.eml.2016.05.00710.1016/j.eml.2016.05.007 ↗
22. 10.1016/j.ensm.2017.05.01710.1016/j.ensm.2017.05.017 ↗
23. 10.1002/adma.20200307010.1002/adma.202003070 ↗
24. 10.1002/aenm.20160292310.1002/aenm.201602923 ↗
25. 10.1016/j.est.2024.11211010.1016/j.est.2024.112110 ↗
26. 10.1038/s41563-019-0431-310.1038/s41563-019-0431-3 ↗
27. 10.1016/j.jechem.2020.10.00910.1016/j.jechem.2020.10.009 ↗
28. 10.1149/2.0441504jes10.1149/2.0441504jes ↗
29. 10.1016/j.electacta.2011.04.08410.1016/j.electacta.2011.04.084 ↗
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33. 10.1021/acsami.4c0035810.1021/acsami.4c00358 ↗
34. 10.1016/j.jpowsour.2023.23324710.1016/j.jpowsour.2023.233247 ↗
35. 10.1021/acs.iecr.2c0415810.1021/acs.iecr.2c04158 ↗
36. 10.1016/j.jpowsour.2023.23305010.1016/j.jpowsour.2023.233050 ↗
37. 10.1016/j.ensm.2017.09.00710.1016/j.ensm.2017.09.007 ↗
38. 10.1016/j.jallcom.2018.02.13410.1016/j.jallcom.2018.02.134 ↗
39. 10.1016/j.ceramint.2021.03.13810.1016/j.ceramint.2021.03.138 ↗
40. 10.1021/acsami.9b1143910.1021/acsami.9b11439 ↗
41. 10.1016/j.nanoen.2020.10463310.1016/j.nanoen.2020.104633 ↗
42. 10.1039/D3TA06229E10.1039/D3TA06229E ↗
43. 10.1016/j.jpowsour.2017.11.06310.1016/j.jpowsour.2017.11.063 ↗
44. 10.1002/celc.20200113110.1002/celc.202001131 ↗
45. 10.1021/acsami.7b0705710.1021/acsami.7b07057 ↗
46. 10.1149/MA2023-024551mtgabs10.1149/MA2023-024551mtgabs ↗
47. 10.1021/acsami.8b1512110.1021/acsami.8b15121 ↗
48. 10.1016/j.cej.2025.16122710.1016/j.cej.2025.161227 ↗
49. 10.1021/acsenergylett.3c0147310.1021/acsenergylett.3c01473 ↗
50. 10.1016/j.cej.2024.15453410.1016/j.cej.2024.154534 ↗
51. 10.1038/s41586-024-07101-z10.1038/s41586-024-07101-z ↗
52. 10.5796/electrochemistry.22-0001310.5796/electrochemistry.22-00013 ↗
53. 10.1038/s41467-024-55634-810.1038/s41467-024-55634-8 ↗
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61. 10.1016/j.jpowsour.2010.12.05210.1016/j.jpowsour.2010.12.052 ↗
62. 10.1007/s10853-021-05832-210.1007/s10853-021-05832-2 ↗
63. 10.1038/s41598-020-61373-910.1038/s41598-020-61373-9 ↗
64. 10.1016/j.ssi.2012.09.02010.1016/j.ssi.2012.09.020 ↗
65. 10.1002/smll.20240804510.1002/smll.202408045 ↗
66. 10.1002/anie.20210970910.1002/anie.202109709 ↗
67. 10.1016/j.electacta.2015.03.22810.1016/j.electacta.2015.03.228 ↗
68. 10.1021/am505448a10.1021/am505448a ↗
69. 10.1039/C6TA02907H10.1039/C6TA02907H ↗
70. 10.1016/S0167-2738(98)00166-010.1016/S0167-2738(98)00166-0 ↗
71. 10.1002/adfm.20220327210.1002/adfm.202203272 ↗
72. 10.1039/C4TA00597J10.1039/C4TA00597J ↗
73. 10.1002/app.4459410.1002/app.44594 ↗
74. 10.1039/C9TA03123E10.1039/C9TA03123E ↗
75. 10.1002/ente.20180017010.1002/ente.201800170 ↗
76. 10.1016/j.memsci.2019.03.04810.1016/j.memsci.2019.03.048 ↗
77. 10.1021/acsaem.4c0104910.1021/acsaem.4c01049 ↗
78. 10.3390/gels904033610.3390/gels9040336 ↗
79. 10.1016/j.ssi.2011.09.00110.1016/j.ssi.2011.09.001 ↗
80. 10.1038/s41467-019-11960-w10.1038/s41467-019-11960-w ↗
81. 10.1007/s40843-022-2252-110.1007/s40843-022-2252-1 ↗
82. 10.1016/j.jpowsour.2010.02.02610.1016/j.jpowsour.2010.02.026 ↗
83. 10.1016/j.ssi.2017.08.01810.1016/j.ssi.2017.08.018 ↗
84. 10.1039/D4RA07551J10.1039/D4RA07551J ↗
85. 10.1038/s41699-023-00411-210.1038/s41699-023-00411-2 ↗
86. 10.1039/C6EE00789A10.1039/C6EE00789A ↗
87. 10.1038/s41467-021-23209-610.1038/s41467-021-23209-6 ↗
88. 10.1021/acsnano.2c0905110.1021/acsnano.2c09051 ↗
89. 10.1016/j.jelechem.2023.11801710.1016/j.jelechem.2023.118017 ↗
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91. 10.1021/acsaem.9b0095310.1021/acsaem.9b00953 ↗
92. 10.1038/s42004-024-01405-x10.1038/s42004-024-01405-x ↗
93. 10.1002/chem.20240275410.1002/chem.202402754 ↗
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95. 10.1038/s41467-023-43467-w10.1038/s41467-023-43467-w ↗
96. 10.1016/j.ensm.2022.01.01810.1016/j.ensm.2022.01.018 ↗
97. 10.1002/adfm.20241549510.1002/adfm.202415495 ↗
98. 10.1039/D4CC03177F10.1039/D4CC03177F ↗
99. 10.1016/j.jechem.2022.09.02910.1016/j.jechem.2022.09.029 ↗
100. 10.1002/advs.20210391010.1002/advs.202103910 ↗