يحدد أداء مواد البطارية بشكل مباشر كثافة الطاقة وعمر الدورة وسلامة أجهزة تخزين الطاقة. تدمج مبادئ تصميمها بين الأبحاث متعددة التخصصات في علوم المواد والكيمياء الكهربائية والعلوم الحسابية. يكمن جوهر التصميم الحديث لمواد البطارية في تحسين البنية الإلكترونية، وتعزيز حركية النقل الأيوني، وتحسين استقرار الواجهة من خلال معالجة المستوى الذري-.
من منظور إلكتروني، يحدد هيكل شريط مواد الإلكترود نشاط الأكسدة والاختزال. على سبيل المثال، تحقق أكاسيد الفلزات الانتقالية (مثل LiCoO₂) إدخال أيون الليثيوم واستخلاصه من خلال كسب وفقدان الإلكترونات المدارية d-. يتطلب تصميم مواد الكاثود- ذات الجهد العالي معالجة حالة التكافؤ وبيئة التنسيق للمعادن الانتقالية. يمكن أن يؤدي إدخال الإضافات الموصلة (مثل أنابيب الكربون النانوية) إلى إنشاء شبكة نقل إلكترون ثلاثية الأبعاد وتقليل المقاومة البينية. فيما يتعلق بنقل الأيونات، تعمل مواد الإلكتروليت ذات الحالة الصلبة - (مثل كبريتيد Li₆PS₅Cl) على تحسين معلمات الشبكة لتوسيع القنوات الأيونية وزيادة رقم نقل أيون الليثيوم إلى أعلى من 0.9.
التصميم الهيكلي المادي أمر بالغ الأهمية أيضًا. يمكن لاستراتيجيات القياس النانوي (مثل تقليل حجم جسيمات أنود السيليكون إلى أقل من 100 نانومتر) أن تخفف من توسع الحجم أثناء الشحن والتفريغ. تعمل التصميمات الهيكلية المسامية (مثل المواد الكربونية المسامية هرميًا) على تعزيز ترطيب المنحل بالكهرباء عن طريق زيادة مساحة السطح المحددة. يؤدي التقدم في علوم المواد الحسابية إلى تسريع عملية التصميم العقلاني. يمكن لحسابات المبادئ- الأولى المستندة إلى نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) التنبؤ بالاستقرار الديناميكي الحراري وحواجز انتشار الأيونات للمواد، بينما يمكن لنماذج التعلم الآلي فحص أنظمة المواد المحتملة بسرعة.
سيعطي التصميم المستقبلي لمواد البطارية الأولوية- للتحسين التعاوني متعدد النطاقات، وإنشاء نماذج الارتباط عبر الأبعاد الثلاثة للترتيب الذري، والبنية البلورية، والتشكل العياني. بالاشتراك مع تقنيات تحديد الخصائص في الموقع، ستقوم هذه التقنيات بتتبع التطور الهيكلي أثناء الشحن والتفريغ في الوقت الفعلي، مما يؤدي في النهاية إلى تمكين الإنشاء الدقيق لمواد البطاريات عالية الأداء-.