ترکیبات کربنی می‌تواند ساختارهای متفاوت و در نتیجه خصوصیاتی متفاوت داشته باشند. گرافیت که یکی از متداولترین ساختارهای کربن است، دارای لایه‌های کربنی با هیبرید Sp2 می‌باشد. گرافیت دارای هدایت الکتریکی بالا در درون لایه‌ها می باشد که به دلیل تحرک الکترون‌های π (الکترون های غیر مستقر) می باشد. در مقابل هدایت الکتریکی گرافیت در بین لایه‌ها کم می باشد. این ساختار ویژه کربن در گرافیت باعث می شود که لیتیم بتواند به راحتی در بین لایه‌های آن قرار گیرد و واکنش تبادل الکترون را انجام دهد. شکل 4- ب نمای کلی یک الکترود منفی را نمایش می دهد.

مهمترین تفاوت بین پیل‌های معمولی و باتری‌های لیتیم استفاده از حلال‌های آلی بجای آب به عنوان پایه الکترولیت است. در باتری‌های لیتیمی یون ⁺Li ارتباط الکتریکی بین دو الکترود را بر قرار می‌نماید و در دو الکترود تبادل الکترون انجام می‌دهد. برای حصول پایداری و یکنواختی در خروجی باتری و همچنین برای محافظت الکترودها و عوامل دیگر، علاوه بر نمک لیتیم، مواد دیگری نیز به الکترولیت اضافه می‌شود. از این مواد تحت عنوان افزودنی‌ها (Additive) یاد می‌شود. البته این مواد کمتر از 5 درصد از کل محلول الکترولیت را تشکیل می‌دهند اما همین مقدار کم نقش حیاتی در عملکرد باتری داشته و عدم وجود آن‌ها موجب از کار افتادن سریع باتری می‌شود. الکترولیت مایع معمولا محلول استاندارد لیتیم هگزافلوئوروفسفات (LiPF₆) در مخلوطی از آلکیل کربنات‌ها (Alkyl Carbonates) مثل اتیلن کربنات، دی اتیل کربنات و ... می‌باشد.

در باتری‌های لیتیم-یون با الکترولیت مایع، لایه الکترولیت جامد (, SEI Solid Electrolyte Interface) در سطح مشترک الکترولیت و الکترود تشکیل می شود. در واقع بعد از ساخت پیل این لایه الکترولیتی جامد به طور خود بخود بر سطح الکترود تشکیل می شود. تشکیل یک لایه پایدار و مقاوم از اهمیت بالایی برخوردار است. تشکیل SEI با ساختاری نارسانا، ناپایدار و ... می تواند کارآیی باتری را تضعیف نماید. همچنین با مصرف برگشت ناپذیر یون های الکترولیت، طول عمر باتری را کاهش داده و باتری را غیرقابل شارژ می کند. استفاده از افزودنی ها، برگشت ناپذیری پیل را کاهش داده، از تشکیل گاز در مسیر تشکیل SEI ممانعت نموده و باعث طولانی‌تر شدن عمر باتری شوند. همچنین افزودنی‌ها باعث بهبود پایداری دمایی LiPF₆ در حلال‌های آلی شده و از حل شدن مواد کاتد در مواقعی که باتری بیش از حد شارژ می‌شود محافظت می‌نمایند. برخی از افزودنی‌ها خواص فیزیکی الکترولیت مثل هدایت یونی، ویسکوزیته، توانایی ترشدگی برای جداکننده‌های پلی‌الفینی و ... را بهبود می‌دهند. برخی دیگر با کاهش آتشگیری الکترولیت آلی، ارتقا تحمل باتری در مقابل شارژ شده‌گی بیش از حد (Overcharge) موجب امنیت بیشتر باتری‌ها می شوند. در این حالت افزودنی باعث ختم عملکرد باتری در مواردی که از باتری به طور نامناسب استفاده می‌شود می‌گردد. این مواد به طور موثری باعث تشکیل SEI با ساختارهای بهبود یافته می‌شوند که تاثیرات مخرب کمتری بر عملکرد کل باتری می گذارد. بر این اساس افزودنی‌ها را می‌توان به طور کلی به 5 دسته تقسیم نمود که عبارتند از:

شکل 5- دو مکانیسم پشنهادی برای تشکیل SEI

در اینجا RAنشان دهنده رادیکال آنیون(Radical Anion) است. هر دو مکانسیم در فرایند تشکیل SEI حضور داشته و در رقابت با یکدیگر می‌باشند. وقتی که فرایند یک بیشتر اتفاق افتد کاهش حلال آلی محصولات گازی بیشتری را تولید نموده (گاز اتیلن)، SEI تشکیل شده شامل مقادیر فراوان Li₂CO₃ بوده و ناپایدار می‌باشد. برعکس در مکانسیم دوم محصولات گازی کمتری ایجاد شده و تولیدات حاصل به طور مناسبی در الکترولیت نامحلول می‌باشند و در نتیجه تشکیل SEI پایدار و متراکم می‌نمایند. بنابراین در پیل‌های لیتیم-یون مطلوب این است که مکانسیم دوم بیشتر رخ دهد زیرا تولید گاز در مکانسیم اول باعث کاهش پایداری و یکنواختی SEI می‌شود [5].

این نوع از افزودنی ها در فرایند تشکیل SEI دخالت نموده و این فرایند را با مکانیسم دوم شرح داده شده در بالا (شکل 5) پیش می برند. تحقیقات زیادی بر روی عوامل موثر بر این دو مکانسیم انجام شده است که به عنوان یک نتیجه ریخت شناسی (Morphology) و شیمی سطح گرافیت و فعالیت کاتالیزوری آن بر مسیر مکانسیم بسیار موثر هستند. اثر کاتالیستی گرافیت به شدت به موقعیت گرافیت وابسته است و جنس SEI تشکیل شده را تغییر می¬دهد به طوری که SEI تشکیل شده در لبه‌های (Edges) یک گرافیت پیرولیتی (Pyrolitic Graphite) غنی از مواد معدنی است در حالی که SEI در قائده های صفحه ای (Basal Plane) غنی از مواد آلی می باشد. اصلاح سطح گرافیت با روش های مختلف فیزیکی و شیمیایی باعث بهبود پدیده کاتالیستی می‌شود. به عنوان مثال اکسیداسیون ملایم و پوشش فیزیکی بعضی مواد بر روی سطح گرافیت به طور موثری تشکیل SEI را تسهیل نموده و تولید گاز را در مراحل اولیه قرارگیری لیتیم در بین لایه های گرافیت کاهش می دهد.

زوال و کاهش بازده کاتد از نقطه نظر الکترولیت از دو فاکتور منشا می گیرد: اول وجود آب و ناخالصی های اسیدی و دوم اکسیداسیون برگشت ناپذیر حلال های الکترولیت. از آنجایی که میزان آب و ناخالصی های اسیدی (HF) در الکترولیت قبل از ساخت پیل به دقت کنترل می‌شود اساساً این ناخالصی‌ها در طول فرایند شارژ و به ویژه در مواقع فراشارژ (Overcharging) تولید می‌شوند.

یک مکانسیم پیشنهادی برای تولید آب این است که حلال به طور الکتروشیمیایی با اکسیژن آزاد شده از کاتد اکسید شده و تولید آب و CO₂ می‌نماید. آب حاصل نیز موجب هیدرولیز LiPF₆ به محصولات اسیدی مثل HF و POF₃ می‌شود. از آنجایی که HF منبع اصلی انحلال مواد کاتد است، در سال های اخیر تلاش های زیادی در جهت گسترش افزودنی های تمیز کننده آب و اسید صورت گرفته است. از مواد قابل استفاده برای این منظور ترکیبات آلی با پایه آمین مانند بوتیل آمین برای جذب ناخالصی اسید می باشد. همچنین می توان از ترکیبات با پایه کربودی آمید مانند N,N دی سیکلوهگزیل کربودی آمید که با آب واکنش داده و از تولید اسید جلوگیری می کند نیز استفاده نمود.

ناپایداری گرمایی الکترولیت هایی که بر پایه LiPF₆ هستند به دلیل دو فاکتور مهم می‌باشد: اولاً ثابت تعادل واکنش تولید PF₅ بزرگ بوده (LiPF₆↔LiF+PF₅) و ثانیاً واکنش پذیری PF₅ حاصل با حلال های آلی بسیار بالا می‌باشد. بر این اساس PF5 قادر خواهد بود تا یک سری از واکنش ها را با اکثر اجزای SEI مثل Li₂CO₃ RCO₂Li ,ROCO₂Li انجام دهد. در این صورت حتی در غیاب آب و اسیدهای ناخالص دیگر می تواند پایداری سطح گرافیت را از بین ببرد.

اولین تلاش ها برای حل کردن دو مشکل بالا انحلال کمتر از 0.05 درصد وزنی LiF درون الکترولیت با پایه LiPF₆ بود که تولید گاز را کاهش می‌دهد. این بهبود بخشیدن را می‌توان به ممانعت از واکنش تجزیه‌ای به وسیله مقدار زیادی از LiF بر اساس اصل تعادلات شیمیایی نسبت داد (اصل لوشاتلیه- Le Chatelier's Principle). مشکل دوم یعنی واکنش پذیری بالای PF₅ را با اضافه کردن مقادیر کم باز لوئیس می توان حل نمود. باز لوئیس ساختاری الکترون دهنده است که کمبود الکترونی PF5 (اسید لوئیس) را جبران نموده و واکنش پذیری آن را کاهش می دهد.

نگرانی امنیت مانع اصلی در بکارگیری باتری‌های لیتیم یون هنگام استفاده در وسایل نقلیه و وسایل الکترونیکی است. این نگرانی از حضور الکترولیت‌های مایع کاملا اشتعال پذیر در باتری‌ها نشات است. بنابراین تحقیقات وسیعی بر روی افزودنی‌های بازدارنده آتش انجام شده است. ترکیبات آلی فلورینه شده فسفات یکی از مهمترین بازدارنده‌های آتش در باتری‌های لیتیم یون هستند که به دلیل وجود فسفر در ساختار با به دام اندازی رادیکال های ناشی از فرایندهای زنجیره ای احتراق مانع از گسترش احتراق می شوند.

این نوع افزودنی‌ها برای بهبود بازده چرخه‌ای لیتیم فلزی (تبدیلات متناوب لیتیم فلزی به یون در واکنش های بین کاتد و آند) در باتری‌های قابل شارژ مورد استفاده قرار گرفته‌اند. این نوع افزودنی‌ها اهمیت زیادی در پیشرفت باتری‌های با قدرت بالا دارند. در حقیقت کاهش قدرت باتری‌های لیتیم مربوط به رسوب صفحات لیتیم در آند گرافیتی است. رشد نامطلوب این ساختار‌ها در SEI در مواقع شارژ در زمان‌های طولانی با جریان ثابت یا در سرعت‌های بالا و دماهای پایین رخ می‌دهد.

اصولا چرخه پذیری ضعیف لیتیم فلزی به دو فاکتور نسبت داده می‌شود: 1- واکنش پذیری بالای لیتیم با حلال‌های الکترولیت 2- ریخت شناسی ضعیف لیتیم صفحه‌ای شده مثل تشکیل دندریت‌های سوزن مانند و لیتیم اسفنجی متخلخل. مورد اول به خواص ذاتی لیتیم مربوط است و بنابراین بیشتر تحقیقات در بخش دوم یعنی اصلاح مرفولوژی لیتیم تمرکز یافته است. یک ایده مناسب بر این است که یک لایه سطحی یون-هادی و یا یک لایه آلیاژی لیتیم-فلز تشکیل گردد تا رسوب یکنواخت لیتیم را تسهیل نماید.

تحقیقات نشان داده است که غلظت‌های پایین در حد ppm ترکیبات آلی مثل، پلی سولفیت‌ها، SO₂, CO₂ در بهبود اثر چرخه‌ی لیتیم موثر هستند. همچنین سورفاکتانت های (Surfactants) یونی و غیر یونی برای بهبود بازده چرخه‌ای باتری های لیتیمی پیشنهاد می‌شود.

الکترولیت‌ها نیز دستخوش تحولات بسیاری شده و سیر تکاملی سریعی را طی نموده‌اند. در ابتدا در ساختار باتری‌های لیتیومی از الکترولیت‌های مایع استفاده می‌شده که بعد با افزودن نانومواد به آن‌ها عملکردشان بهبود داده شده است. در تحول بعدی از الکترولیت‌های پلیمری استفاده شد و در مراحل بعد نیز، الکترولیت‌های پلیمری با افزودن نانو مواد تکامل یافتند.

در نگاه اول ممکن است شگفت انگیز به نظر برسد که چگونه نانو مواد می‌توانند بر خواص متعارف الکترولیت های مایع مورد استفاده در باتری‌های لیتیم یون تاثیر بگذارند. این در حالی است که شواهد و مدارک زیادی در بهبود عملکرد باتری‌ها با استفاده از این مواد وجود دارد. به عنوان مثال اضافه کردن نانو پودرها از ترکیباتی مانند Al₂O₃، SiO₂ و ZrO₂ به الکترولیت غیرآبی می‌تواند هدایت الکتریکی را تا 6 برابر افزایش دهد. شکل6 نمودار افزایش هدایت الکترولیت را با اضافه کردن نانومواد نمایش می دهد.

شکل 6-هدایت کامپوزیت‌های مختلف بر اساس کسر حجمی (Φ) از اکسیدهای مختلف