本文提供電化學系統(tǒng)以及制造和使用電化學系統(tǒng)的相關方法。本發(fā)明的電化學系統(tǒng)實施新穎的電池幾何結構以及基于復合材料碳納米材料的設計策略，該電池幾何結構和該設計策略可用于實現(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用，包括用于便攜式電子裝置中。通過使用預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、復合材料電極結構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力和機械應變，本發(fā)明的電化學電池還呈現(xiàn)相對于本領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。