Kinerja bahan baterai secara langsung menentukan kepadatan energi, siklus hidup, dan keamanan perangkat penyimpanan energi. Prinsip desain mereka mengintegrasikan penelitian interdisipliner ilmu material, elektrokimia, dan ilmu komputasi. Inti dari desain material baterai modern terletak pada pengoptimalan struktur elektronik, peningkatan kinetika transpor ion, dan peningkatan stabilitas antarmuka melalui manipulasi tingkat-atom.
Dari perspektif elektronik, struktur pita bahan elektroda menentukan aktivitas redoksnya. Misalnya, oksida logam transisi (seperti LiCoO₂) menghasilkan penyisipan dan ekstraksi ion litium melalui perolehan dan hilangnya elektron orbital d-. Merancang material katoda bertegangan tinggi memerlukan manipulasi keadaan valensi dan lingkungan koordinasi logam transisi. Pengenalan aditif konduktif (seperti tabung nano karbon) dapat membangun jaringan transpor elektron tiga-dimensi dan mengurangi hambatan antar muka. Mengenai transpor ion, bahan elektrolit padat (seperti Li₆PS₅Cl sulfida) mengoptimalkan parameter kisi untuk memperluas saluran ion dan meningkatkan bilangan transferensi ion litium hingga di atas 0,9.
Desain struktur material juga penting. Strategi penskalaan nano (seperti mengurangi ukuran partikel anoda silikon hingga di bawah 100nm) dapat mengurangi perluasan volume selama pengisian dan pengosongan. Desain struktur berpori (seperti bahan karbon berpori hierarki) meningkatkan pembasahan elektrolit dengan meningkatkan luas permukaan spesifik. Kemajuan dalam ilmu material komputasi mempercepat proses desain rasional. Penghitungan-prinsip pertama berdasarkan teori fungsional kepadatan (DFT) dapat memprediksi stabilitas termodinamika dan hambatan difusi ion material, sementara model pembelajaran mesin dapat dengan cepat menyaring sistem material potensial.
Desain material baterai di masa depan akan memprioritaskan pengoptimalan kolaboratif multi{0}}skala, membangun model korelasi di tiga dimensi susunan atom, struktur kristal, dan morfologi makroskopis. Dikombinasikan dengan teknik karakterisasi in situ, teknik ini akan melacak evolusi struktural selama pengisian dan pengosongan secara real-time, yang pada akhirnya memungkinkan pembuatan material baterai berperforma tinggi-secara presisi.