Direktang tinutukoy ng pagganap ng mga materyales ng baterya ang density ng enerhiya, buhay ng cycle, at kaligtasan ng mga device sa pag-iimbak ng enerhiya. Pinagsasama ng kanilang mga prinsipyo sa disenyo ang interdisciplinary na pananaliksik ng mga materyales sa agham, electrochemistry, at computational science. Ang core ng modernong disenyo ng materyal ng baterya ay nakasalalay sa pag-optimize ng electronic na istraktura, pagpapahusay ng kinetics ng transportasyon ng ion, at pagpapabuti ng katatagan ng interface sa pamamagitan ng atomic-level manipulation.
Mula sa isang elektronikong pananaw, tinutukoy ng istraktura ng banda ng mga materyales sa elektrod ang kanilang aktibidad sa redox. Halimbawa, ang mga transition metal oxide (gaya ng LiCoO₂) ay nakakamit ng lithium ion insertion at extraction sa pamamagitan ng pagkuha at pagkawala ng d-orbital electron. Ang pagdidisenyo ng mataas na-voltage cathode na materyales ay nangangailangan ng pagmamanipula sa valence state at koordinasyon na kapaligiran ng mga transition metal. Ang pagpapakilala ng mga conductive additives (gaya ng carbon nanotubes) ay maaaring bumuo ng isang three-dimensional na electron transport network at mabawasan ang interfacial resistance. Tungkol sa transportasyon ng ion, ang mga solid-state na electrolyte na materyales (gaya ng sulfide Li₆PS₅Cl) ay nag-o-optimize ng mga parameter ng lattice upang palawakin ang mga channel ng ion at pataasin ang lithium ion transference number sa itaas ng 0.9.
Mahalaga rin ang disenyo ng istrukturang materyal. Ang mga diskarte sa nanoscaling (tulad ng pagbabawas ng laki ng particle ng silicon anode sa mas mababa sa 100nm) ay maaaring mabawasan ang pagpapalawak ng volume sa panahon ng charge at discharge. Ang mga buhaghag na disenyong istruktura (gaya ng mga hierarchically porous na carbon na materyales) ay nagpapahusay ng electrolyte na basa sa pamamagitan ng pagtaas ng partikular na lugar sa ibabaw. Ang mga pag-unlad sa agham ng computational na materyales ay nagpapabilis sa proseso ng makatwirang disenyo. Maaaring hulaan ng mga unang-prinsipyong kalkulasyon batay sa density functional theory (DFT) ang thermodynamic stability at ion diffusion barrier ng mga materyales, habang ang mga machine learning model ay maaaring mabilis na mag-screen ng mga potensyal na material system.
Ang disenyo ng materyal ng baterya sa hinaharap ay uunahin ang multi-scale collaborative optimization, na nagtatatag ng mga modelo ng ugnayan sa tatlong dimensyon ng atomic arrangement, crystal structure, at macroscopic morphology. Kasabay ng mga in situ na diskarte sa characterization, susubaybayan ng mga diskarteng ito ang ebolusyon ng istruktura sa panahon ng pag-charge at pag-discharge nang real time, na sa huli ay magbibigay-daan sa tumpak na paggawa ng mga materyal na baterya na mataas ang-performance.