ลิเธียมแอโนดโลหะมีความจุจำเพาะทางทฤษฎีสูงมาก (3860 mA·bg) และมีศักย์ไฟฟ้าเคมีต่ำที่สุด (-3.040 V (เทียบกับ SHE)) ทำให้พวกมันถูกมองว่าเป็นอิเล็กโทรด "จอกศักดิ์สิทธิ์" ในบรรดาวัสดุอิเล็กโทรดหลายชนิด แบตเตอรี่โลหะลิเธียมประกอบด้วยแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์และลิเธียม-ออกซิเจน แบตเตอรี่ลิเธียม-}กำมะถันมีความหนาแน่นของพลังงานประมาณ 2,600 W·h/kg ในขณะที่แบตเตอรี่ลิเธียม-ออกซิเจนมีความหนาแน่นของพลังงานประมาณ 3,500 W·h/kg หรือประมาณ 7 และ 10 เท่าของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน- ทั่วไป ตามลำดับ ดังนั้นแบตเตอรี่ลิเธียมเมทัลจึงถือเป็นระบบกักเก็บพลังงานที่มีแนวโน้มมากที่สุดระบบหนึ่ง และเป็นตัวเลือกอันดับต้นๆ สำหรับระบบแบตเตอรี่เจเนอเรชั่นถัดไป ซึ่งดึงดูดความสนใจเป็นอย่างมาก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปัญหาลิเธียมเดนไดรต์ แบตเตอรี่ลิเธียมเมทัลในยุคแรกๆ จึงสามารถใช้ได้เฉพาะในสาขาเฉพาะบางสาขาเท่านั้น และการจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ก็มีความล่าช้า
แบตเตอรี่ลิเธียมโลหะแบบชาร์จได้ถูกคิดค้นขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1970 และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในนาฬิกา เครื่องคิดเลข และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ
แบตเตอรี่ลิเธียมเมทัลถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องใช้ไฟฟ้าและอุปกรณ์การแพทย์แบบพกพา อย่างไรก็ตาม การค้าขายถูกขัดขวางจากข้อบกพร่องบางประการในโลหะลิเธียม ในฐานะสมาชิกของกลุ่มที่ 1 ของตารางธาตุ อะตอมลิเธียมจะมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวในเปลือกนอกสุด ทำให้พวกมันมีปฏิกิริยาทางเคมีสูงเมื่อพวกมันสูญเสียอิเล็กตรอนตัวนี้ไปทันที เมื่อสัมผัสกับอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ โลหะลิเธียมจะก่อตัวเป็นฟิล์มที่เรียกว่าส่วนต่อประสานอิเล็กโทรไลต์แข็ง (SEI) บนพื้นผิว หน้าที่หลักของฟิล์มนี้คือการแยกโลหะลิเธียมออกจากอิเล็กโทรไลต์ เพื่อป้องกันการกัดกร่อนของลิเธียมต่อไป อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงปริมาตรที่สำคัญของโลหะลิเธียมในระหว่างการชาร์จและการคายประจุ ฟิล์ม SEI จึงแตกออกบ่อยครั้ง พื้นผิวโลหะลิเธียมที่เพิ่งเปิดออกจะทำปฏิกิริยาอีกครั้งกับอิเล็กโทรไลต์เพื่อสร้างฟิล์ม SEI ใหม่ กระบวนการนี้ไม่เพียงแต่ส่งเสริมการเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์ตามรอยแตกร้าวเท่านั้น แต่ยังอาจทะลุผ่านตัวแยกภายในแบตเตอรี่ ทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรอีกด้วย เมื่อเกิดการลัดวงจร ความร้อนจำนวนมากจะเกิดขึ้นภายในแบตเตอรี่ ซึ่งในกรณีที่รุนแรงอาจทำให้เกิดการเผาไหม้หรือการระเบิด ซึ่งส่งผลกระทบร้ายแรงต่อประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยและความสามารถทางการตลาดของแบตเตอรี่โลหะลิเธียม นอกจากนี้ เมื่อจำนวนลิเธียมเดนไดรต์เพิ่มขึ้น ก็มีโอกาสมากขึ้นที่อิเล็กโทรดเชิงลบจะสัมผัสกับอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งจะช่วยเร่งอัตราของปฏิกิริยาข้างเคียง กระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้เหล่านี้ใช้วัสดุอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ ส่งผลให้ความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่และประสิทธิภาพคูลอมบิกลดลง หลังจากใช้งานเป็นเวลานาน เดนไดรต์ลิเธียมจำนวนมากจะถูกห่อหุ้มไว้ในฟิล์ม SEI ที่ขึ้นรูปใหม่ ทำให้ไม่สามารถมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าตามปกติได้ ลิเธียมเดนไดรต์ที่อยู่ใกล้ซับสเตรตจะสลายตัวอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ลิเธียม "ตาย" ซึ่งหมายความว่าลิเธียมส่วนนี้จะไม่ทำงานทางเคมีไฟฟ้า ส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมของแบตเตอรี่ลดลงอย่างมาก ในช่วง 40 ปีที่ผ่านมา มีความก้าวหน้าที่สำคัญในการวิจัยและการจำลองกลไกการสร้างลิเธียมเดนไดรต์
หนึ่งในกลยุทธ์ที่พบบ่อยที่สุดในการยับยั้งการเจริญเติบโตของเดนไดรต์คือการเพิ่มความเสถียรและความสม่ำเสมอของชั้นส่วนต่อประสานอิเล็กโทรไลต์แข็ง (SEI) บนพื้นผิวโลหะลิเธียมโดยการปรับองค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์และเติมสารเฉพาะ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากโลหะลิเธียมมีความไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ในสารเติมแต่งอินทรีย์ การสร้างชั้นฟิล์มที่มีประสิทธิภาพบนพื้นผิวในสภาพแวดล้อมอิเล็กโทรไลต์ของเหลวจึงค่อนข้างท้าทาย นอกจากการปรับปรุงชั้น SEI ให้เหมาะสมแล้ว การแนะนำโพลีเมอร์หรือชั้นกั้นของแข็งที่มีความแข็งแรงเชิงกลสูงยังเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการป้องกันการแทรกซึมของเดนไดรต์เข้าไปในตัวแยก วิธีการเหล่านี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อป้องกันความเสียหายของลิเธียมเดนไดรต์ต่อตัวแยกโดยการปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของชั้น SEI หรือตัวแยกเอง แต่ไม่ได้ขจัดปัญหาการก่อตัวของเดนไดรต์โดยพื้นฐาน แม้ว่าการเอาชนะความท้าทายนี้อย่างสมบูรณ์นั้นยังต้องใช้เวลาอีกระยะหนึ่ง และผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่ที่ใช้แอโนดโลหะลิเธียม-ยังไม่มีจำหน่ายอย่างแพร่หลายในตลาด นักวิจัยได้เสนอการออกแบบแบตเตอรี่ลิเธียมเมทัลตามแนวคิดหลายแนวคิดในทางทฤษฎี ซึ่งแสดงให้เห็นถึงศักยภาพสำหรับการใช้งานจริง ในบรรดาแบตเตอรี่เหล่านี้ แบตเตอรี่ลิเธียม-กำมะถันที่ใช้กำมะถันเป็นวัสดุแคโทด และแบตเตอรี่ลิเธียม-ออกซิเจนที่ใช้ออกซิเจนเป็นวัสดุออกฤทธิ์ที่เป็นแคโทดได้ดึงดูดความสนใจอย่างมากเนื่องจากมีข้อได้เปรียบเฉพาะตัว และถือเป็นระบบเซลล์ทั้งหมด-ที่มีแนวโน้มทางการค้าสูงสองระบบ แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์มีความหนาแน่นของพลังงานสูงมาก (ประมาณ 2,600 วัตต์·กก.) และได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นตัวเลือกที่มีแนวโน้มสำหรับ-ระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่รุ่นต่อไป ที่สำคัญกว่านั้น ธาตุกำมะถันนั้นมีอยู่มากมายในธรรมชาติและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม และยังเน้นย้ำถึงข้อดีของแบตเตอรี่ลิเธียม-กำมะถันอีกด้วย ดังนั้นแบตเตอรี่ลิเธียม-จึงได้รับความสนใจทั่วโลกในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา
ตัวกลางโพลีซัลไฟด์ที่เกิดขึ้นระหว่างการชาร์จและการคายประจุแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์จะละลายในอิเล็กโทรไลต์และส่งไปยังขั้วลบ ดังนั้น การปราบปรามของลิเธียมเดนไดรต์จึงซับซ้อนมากขึ้นเมื่อมีสารตัวกลางโพลีซัลไฟด์อยู่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีการโหลดแคโทดของซัลเฟอร์สูง โพลีซัลไฟด์สามารถทะลุฟิล์ม SEI และกัดกร่อนโลหะลิเธียมใหม่ใต้ชั้นพื้นผิว ส่งผลให้สูญเสียกำลังการผลิต ดังนั้น การป้องกันกระสวยโพลีซัลไฟด์จึงจำเป็นไม่เพียงแต่สำหรับการปรับปรุงความจุแคโทดระหว่างการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียม-กำมะถันเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความเสถียรของฟิล์ม SEI และการได้รับอิเล็กโทรดลบเดนไดรต์-อีกด้วย ด้วยความพยายามอย่างต่อเนื่อง มีการพัฒนาวิธีการมากมาย รวมถึงการจำกัดโดเมนและการดูดซับเชิงบวก การดัดแปลงอิเล็กโทรไลต์ และการออกแบบตัวแยก อย่างไรก็ตาม วิธีการเหล่านี้ดูเหมือนจะมุ่งเน้นไปที่การปราบปรามกระสวยโพลีซัลไฟด์และปรับปรุงอัตราการใช้ประโยชน์ของแคโทดกำมะถัน โดยไม่ยับยั้งการเจริญเติบโตของเดนไดรต์ในขั้วบวกโลหะลิเธียมโดยตรง ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียม-ขึ้นอยู่กับการป้องกันของขั้วบวกของโลหะลิเธียม ผลการทำงานร่วมกันของวิธีการยับยั้งการเจริญเติบโตของเดนไดรต์ต่างๆ สามารถเร่งการใช้งานจริงของแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ได้
แบตเตอรี่ลิเธียม-เป็นแบตเตอรี่ประเภทหนึ่งที่ใช้ออกซิเจนจากอากาศเป็นขั้วบวก บางครั้งเรียกว่าแบตเตอรี่อากาศลิเธียม- ความหนาแน่นพลังงานตามทฤษฎีของแบตเตอรี่ลิเธียม-ออกซิเจนสูงถึง 3500 Wh/kg ซึ่งสูงกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์-มาก ดังนั้น แบตเตอรี่ลิเธียม-ออกซิเจนจึงกลายเป็นความก้าวหน้าทางการปฏิวัติในด้านการจัดเก็บพลังงาน ซึ่งดึงดูดความสนใจจากทั่วโลก และได้รับการพิจารณาว่าเป็นคู่แข่งที่แข็งแกร่งในระบบการจัดเก็บพลังงานรุ่นต่อไป-
เช่นเดียวกับสารตัวกลางโพลีซัลไฟด์ ออกซิเจนข้าม-ที่เชื่อมโยงจากอิเล็กโทรดบวกกับอิเล็กโทรดลบของโลหะลิเธียมในแบตเตอรี่ลิเธียม- ออกซิเจนสามารถนำไปสู่การย่อยสลายพื้นผิวโลหะลิเธียมอย่างค่อยเป็นค่อยไป ส่งผลให้เกิดการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์และการก่อตัวของ LiOH และ LiCO3 ในระหว่างการชาร์จ ดังนั้น จึงมีการพัฒนากลยุทธ์หลายอย่างเพื่อระงับการเชื่อมโยงข้าม-ของออกซิเจน นอกจากปัญหาอิเล็กโทรดเชิงบวกแล้ว ลิเธียมพร่องซึ่งเกิดจากการเจริญเติบโตของเดนไดรต์และความเสียหายต่อฟิล์มฟิล์มเป็นอุปสรรคอย่างมากต่อการใช้โลหะลิเธียมในแบตเตอรี่ลิเธียม-ออกซิเจนแบบชาร์จซ้ำได้ กลยุทธ์ที่กล่าวมาข้างต้นในการยับยั้งการเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์ยังใช้ได้กับแบตเตอรี่ลิเธียม-ออกซิเจนอีกด้วย ด้วยสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์ การปรับเปลี่ยนตัวแยก และการออกแบบอิเล็กโทรดเชิงลบ ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมสามารถปรับปรุงได้อย่างมีนัยสำคัญ