Батарея материалдарының өнімділігі энергияның тығыздығын, циклдің қызмет ету мерзімін және энергия сақтау құрылғыларының қауіпсіздігін тікелей анықтайды. Олардың жобалау принциптері материалтану, электрохимия және есептеу ғылымының пәнаралық зерттеулерін біріктіреді. Заманауи аккумуляторлық материал дизайнының негізі электрондық құрылымды оңтайландыруда, иондарды тасымалдау кинетикасын жақсартуда және атомдық деңгейдегі манипуляция арқылы интерфейс тұрақтылығын жақсартуда жатыр.
Электрондық тұрғыдан алғанда электродтық материалдардың жолақ құрылымы олардың тотығу-тотықсыздану белсенділігін анықтайды. Мысалы, өтпелі металл оксидтері (мысалы, LiCoO₂) литий ионын енгізу мен экстракциялауға d-орбиталь электрондарының түсуі және жоғалуы арқылы жетеді. Жоғары вольтты катодты материалдарды жобалау өтпелі металдардың валенттік күйін және координациялық ортасын басқаруды талап етеді. Өткізгіш қоспаларды енгізу (мысалы, көміртекті нанотүтіктер) үш өлшемді электронды тасымалдау желісін құруға және фазааралық кедергіні азайтуға мүмкіндік береді. Иондарды тасымалдауға қатысты, қатты күйдегі электролит материалдары (мысалы, сульфид Li₆PS₅Cl) иондық арналарды кеңейту және литий ионының тасымалдау санын 0,9-дан жоғарылату үшін тор параметрлерін оңтайландырады.
Материалдық құрылымдық дизайн да маңызды. Наномасштабтау стратегиялары (мысалы, кремний анодының бөлшектерінің өлшемін 100 нм-ден төменге дейін азайту) зарядтау және разряд кезінде көлемнің кеңеюін азайта алады. Кеуекті құрылымдық конструкциялар (мысалы, иерархиялық кеуекті көміртекті материалдар) беттің меншікті ауданын ұлғайту арқылы электролиттің сулануын күшейтеді. Есептеу материалтануындағы жетістіктер ұтымды жобалау процесін жеделдетуде. Тығыздық функционалдық теориясына (DFT) негізделген бірінші-принциптерді есептеу материалдардың термодинамикалық тұрақтылығы мен иондық диффузиялық кедергілерді болжай алады, ал машиналық оқыту үлгілері әлеуетті материалдық жүйелерді жылдам экранға шығара алады.
Болашақ батарея материалының дизайны атомдық орналасудың, кристалдық құрылымның және макроскопиялық морфологияның үш өлшемі бойынша корреляциялық модельдерді орнату арқылы көп масштабты бірлескен оңтайландыруға басымдық береді. In situ сипаттама әдістерімен бірге бұл әдістер нақты уақытта зарядтау және разрядтау кезінде құрылымдық эволюцияны бақылап, сайып келгенде, өнімділігі жоғары батарея материалдарын дәл жасауға мүмкіндік береді.