Un des objectifs dans l’amélioration d’une batterie est d’en augmenter sa capacité spécifique massique exprimée en Ah/kg et sa densité d’énergie massique exprimée en Wh/kg. Les deux facteurs  augmentent si le matériau est léger. Le lithium étant le plus léger des métaux est donc un élément de choix sur ce critère.

Les densités d’énergie massique et volumique croissent avec la différence du potentiel entre les deux électrodes ou avec le nombre d’électrons échangés ou avec les deux à la fois.

L’exposé détaille comment influencer ces facteurs en jouant sur les composés et la structure des matériaux qui constituent les électrodes, dans le cas de la batterie lithium-ion. Il s’agit tout particulièrement de faire des substitutions de cations ou d’anions.

De base une batterie Li-ion est constituée d’une électrode en carbone et d’une autre en oxyde de cobalt lithié. L’ion lithium est un constituant d’insertion dans les deux électrodes. Le principe de la migration des ions lithium, Li⁺, est rappelé.

Les matériaux d’insertion dans les électrodes sont présentés sur l’exemple des alcalins avec la théorie des bandes. Une démarche inductive est présentée à propos de l’influence de l’ionicité de la liaison sur le potentiel

Des exemples de réalisation de substitutions partielles des cations lithium sont exposés ; d’abord par le molybdène (sous forme de sulfure de molybdène) mais la formation de dendrite peut entrainer des explosions…, puis par le cobalt conduisant à des composés de formule Li_1-xC _xO₂ et donnant des structures en feuillets ou par des mélanges nickel, cobalt, manganèse (Ni²⁺, Co³⁺, Mn⁴⁺), ou encore par l’introduction de ruthénium (Ru) ou d’étain (Sn).

Des composés polyanioniques sont utilisés tels que des composés de phosphate et de fluorophosphate de cobalt.

L’exemple de matériaux 3D de type spinelles jouant le rôle de tunnel à ions Li⁺ , comme par exemple Mn_2-yAl_yO_4-zF_z utilisé par Renault-Nissan, est évoqué.

Des substitutions d’anions sont aussi utilisées pour augmenter le potentiel et la puissance.

Ces substituions d’anions ou de cations s’appuient sur des études de DFT (Density Functional Theory) qui permettent de calculer les potentiels des électrodes réalisées.