本文提供電化學(xué)系統(tǒng)以及制造和使用電化學(xué)系統(tǒng)的相關(guān)方法。本發(fā)明的電化學(xué)系統(tǒng)實施新穎的電池幾何結(jié)構(gòu)以及基于復(fù)合材料碳納米材料的設(shè)計策略，該電池幾何結(jié)構(gòu)和該設(shè)計策略可用于實現(xiàn)增強的電源性能，特別是高比能量、有用的放電率性能和良好的循環(huán)壽命。本發(fā)明的電化學(xué)系統(tǒng)是用途廣泛的并且包括二次鋰離子電池，比如硅-硫鋰離子電池，其可用于一系列重要的應(yīng)用，包括用于便攜式電子裝置中。通過使用預(yù)鋰化的活性材料以消除金屬鋰的使用并且并入碳納米管和/或石墨烯、復(fù)合材料電極結(jié)構(gòu)以管理由充電和放電期間活性材料的膨脹和收縮引起的殘余應(yīng)力和機械應(yīng)變，本發(fā)明的電化學(xué)電池還呈現(xiàn)相對于本領(lǐng)域鋰離子二次電池的常規(guī)狀態(tài)增強的安全性和穩(wěn)定性。