Baterien materialen errendimenduak zuzenean zehazten ditu energia biltegiratzeko gailuen energia-dentsitatea, ziklo-bizitza eta segurtasuna. Haien diseinu-printzipioek materialen zientzia, elektrokimika eta konputazio zientziaren diziplinarteko ikerketa integratzen dute. Baterien material modernoaren diseinuaren oinarria egitura elektronikoa optimizatzean datza, ioien garraioaren zinetika hobetzean eta interfazearen egonkortasuna hobetzean-maila atomikoko manipulazioaren bidez.
Ikuspegi elektronikotik, elektrodoen materialen banda-egiturak haien redox-jarduera zehazten du. Adibidez, trantsizio-metal oxidoek (adibidez, LiCoO₂) litio ioiaren txertaketa eta erauzketa lortzen dute d-orbital-elektroien irabaziaren eta galeraren bidez. -Tentsio handiko katodoen materialak diseinatzeak trantsizio metalen balentzia-egoera eta koordinazio-ingurunea manipulatzea eskatzen du. Gehigarri eroaleak (adibidez, karbono-nanohodiak) sartzeak hiru-dimentsioko elektroiak garraiatzeko sare bat eraiki dezake eta interfaze-erresistentzia murrizten du. Ioi-garraioari dagokionez,-egoera solidoko elektrolito-materialek (Li₆PS₅Cl sulfuroa, esaterako) sare-parametroak optimizatzen dituzte ioi-kanalak zabaltzeko eta litio-ioiaren transferentzia-kopurua 0,9tik gora handitzeko.
Materialen egituraren diseinua ere funtsezkoa da. Nanoeskalatze-estrategiek (adibidez, silizio anodoaren partikulen tamaina 100 nm-tik behera murriztea) bolumenaren hedapena arin dezakete karga eta deskargan zehar. Egitura-diseinu porotsuek (adibidez, karbono-material hierarkikoki porotsuak) elektrolitoen hezetasuna hobetzen dute azalera espezifikoa handituz. Material konputazionalen zientziaren aurrerapenak diseinu arrazionalaren prozesua bizkortzen ari dira. Dentsitate funtzionalaren teorian (DFT) oinarritutako lehen -printzipioen kalkuluak materialen egonkortasun termodinamikoa eta ioien hedapen-hesiak iragar ditzakete, ikaskuntza automatikoko ereduek material-sistema potentzialak azkar azter ditzaketen bitartean.
Etorkizuneko bateria-materialen diseinuak eskala anitzeko lankidetza-optimizazioa lehenetsiko du, antolamendu atomikoaren, kristal-egituraren eta morfologia makroskopikoaren hiru dimentsiotan korrelazio-ereduak ezarriz. In situ karakterizazio teknikekin batera, teknika hauek karga eta deskargan zehar egituraren bilakaeraren jarraipena egingo dute denbora errealean, eta, azken finean, errendimendu handiko -bateria-materialak zehatz-mehatz sortzea ahalbidetuko dute.