Ефективността на батерийните материали директно определя енергийната плътност, цикъла на живот и безопасността на устройствата за съхранение на енергия. Техните принципи на проектиране интегрират интердисциплинарните изследвания на материалознанието, електрохимията и компютърните науки. Ядрото на съвременния дизайн на материалите за батерии се крие в оптимизирането на електронната структура, подобряването на кинетиката на йонния транспорт и подобряването на стабилността на интерфейса чрез манипулиране на атомно -ниво.
От електронна гледна точка лентовата структура на електродните материали определя тяхната редокс активност. Например оксидите на преходните метали (като LiCoO₂) постигат вмъкване и извличане на литиеви йони чрез усилване и загуба на d-орбитални електрони. Проектирането на катодни материали с високо{3}}напрежение изисква манипулиране на валентното състояние и координационната среда на преходните метали. Въвеждането на проводящи добавки (като въглеродни нанотръби) може да изгради три-измерна електронна транспортна мрежа и да намали междуфазното съпротивление. По отношение на йонния транспорт, електролитните материали в твърдо- състояние (като сулфид Li₆PS₅Cl) оптимизират параметрите на решетката, за да разширят йонните канали и да увеличат числото на пренос на литиеви йони до над 0,9.
Материалният структурен дизайн също е от решаващо значение. Стратегиите за наномащабиране (като намаляване на размера на частиците на силициевия анод до под 100 nm) могат да смекчат разширяването на обема по време на зареждане и разреждане. Порестите структурни конструкции (като йерархично порести въглеродни материали) подобряват омокрянето на електролита чрез увеличаване на специфичната повърхност. Напредъкът в науката за компютърните материали ускорява процеса на рационално проектиране. Изчисленията на първи-принципи, базирани на функционалната теория на плътността (DFT), могат да предскажат термодинамичната стабилност и бариерите за йонна дифузия на материалите, докато моделите за машинно обучение могат бързо да проверяват потенциални материални системи.
Бъдещият дизайн на материалите за батерии ще даде приоритет на много{0}}съвместната оптимизация, установявайки модели на корелация в трите измерения на атомно подреждане, кристална структура и макроскопична морфология. В комбинация с техники за характеризиране in situ, тези техники ще проследят структурната еволюция по време на зареждане и разреждане в реално време, като в крайна сметка позволяват прецизното създаване на високо-ефективни акумулаторни материали.