ბატარეის მასალების შესრულება პირდაპირ განსაზღვრავს ენერგიის სიმკვრივეს, ციკლის ხანგრძლივობას და ენერგიის შესანახი მოწყობილობების უსაფრთხოებას. მათი დიზაინის პრინციპები აერთიანებს მასალების მეცნიერების, ელექტროქიმიისა და გამოთვლითი მეცნიერების ინტერდისციპლინურ კვლევას. ბატარეის თანამედროვე მასალის დიზაინის ბირთვი მდგომარეობს ელექტრონული სტრუქტურის ოპტიმიზაციაში, იონების ტრანსპორტირების კინეტიკაში და ინტერფეისის სტაბილურობის გაუმჯობესებაში ატომური-დონეზე მანიპულირების გზით.
ელექტრონული პერსპექტივიდან, ელექტროდის მასალების ზოლის სტრუქტურა განსაზღვრავს მათ რედოქს აქტივობას. მაგალითად, გარდამავალი ლითონის ოქსიდები (როგორიცაა LiCoO2) აღწევენ ლითიუმის იონის შეყვანას და ექსტრაქციას d-ორბიტალური ელექტრონების მომატებისა და დაკარგვის გზით. მაღალი-ძაბვის კათოდური მასალების დაპროექტება მოითხოვს გარდამავალი ლითონების ვალენტური მდგომარეობისა და კოორდინაციის გარემოს მანიპულირებას. გამტარი დანამატების (როგორიცაა ნახშირბადის ნანომილები) დანერგვამ შეიძლება შექმნას ელექტრონების ტრანსპორტირების სამგანზომილებიანი ქსელი და შეამციროს ინტერფეისის წინააღმდეგობა. რაც შეეხება იონურ ტრანსპორტს, მყარი-ელექტროლიტური მასალები (როგორიცაა სულფიდი Li₆PS₅Cl) ოპტიმიზაციას უკეთებს მედის პარამეტრებს იონური არხების გაფართოებისთვის და ლითიუმის იონის გადაცემის რიცხვი 0,9-მდე გაზრდის.
ასევე გადამწყვეტი მნიშვნელობა აქვს მასალის სტრუქტურულ დიზაინს. ნანოსკალირების სტრატეგიებმა (როგორიცაა სილიციუმის ანოდის ნაწილაკების ზომის შემცირება 100 ნმ-მდე) შეიძლება შეამსუბუქოს მოცულობის გაფართოება დამუხტვისა და განმუხტვის დროს. ფოროვანი სტრუქტურული დიზაინი (როგორიცაა იერარქიულად ფოროვანი ნახშირბადის მასალები) აძლიერებს ელექტროლიტების დატენიანებას სპეციფიკური ზედაპირის გაზრდის გზით. გამოთვლითი მასალების მეცნიერების მიღწევები აჩქარებს რაციონალური დიზაინის პროცესს. სიმკვრივის ფუნქციონალურ თეორიაზე (DFT) დაფუძნებული პირველი-პრინციპების გამოთვლებმა შეიძლება წინასწარ განსაზღვროს მასალების თერმოდინამიკური მდგრადობა და იონური დიფუზიის ბარიერები, ხოლო მანქანური სწავლის მოდელებს შეუძლიათ სწრაფად აკონტროლონ პოტენციური მატერიალური სისტემები.
ბატარეის მასალის მომავალი დიზაინი პრიორიტეტად მიენიჭება მრავალ-მასშტაბურ თანამშრომლობით ოპტიმიზაციას, დაამყარებს კორელაციის მოდელებს ატომური განლაგების, კრისტალური სტრუქტურისა და მაკროსკოპული მორფოლოგიის სამ განზომილებაში. in situ დახასიათების ტექნიკებთან ერთად, ეს ტექნიკა თვალყურს ადევნებს სტრუქტურულ ევოლუციას დატენვისა და განმუხტვის დროს რეალურ დროში, რაც საბოლოო ჯამში შესაძლებელს გახდის მაღალი-ბატარეის მასალების ზუსტი შექმნას.