عملکرد مواد باتری به طور مستقیم چگالی انرژی، عمر چرخه و ایمنی دستگاه های ذخیره انرژی را تعیین می کند. اصول طراحی آنها تحقیقات بین رشته ای علم مواد، الکتروشیمی و علوم محاسباتی را ادغام می کند. هسته اصلی طراحی مواد باتری مدرن در بهینه سازی ساختار الکترونیکی، افزایش سینتیک انتقال یون، و بهبود پایداری رابط از طریق دستکاری سطح اتمی{2}} نهفته است.
از دیدگاه الکترونیکی، ساختار نواری مواد الکترود فعالیت اکسیداسیون و کاهش آنها را تعیین می کند. به عنوان مثال، اکسیدهای فلزات واسطه (مانند LiCoO2) وارد کردن و استخراج یون لیتیوم را از طریق افزایش و از دست دادن d-الکترون های مداری انجام می دهند. طراحی مواد کاتدی با ولتاژ بالا نیازمند دستکاری وضعیت ظرفیت و محیط هماهنگی فلزات واسطه است. معرفی افزودنی‌های رسانا (مانند نانولوله‌های کربنی) می‌تواند یک شبکه سه بعدی انتقال الکترون بسازد و مقاومت سطحی را کاهش دهد. با توجه به انتقال یون، مواد الکترولیت حالت جامد (مانند سولفید Li₆PS5Cl) پارامترهای شبکه را برای گسترش کانال های یونی بهینه می کنند و عدد انتقال یون لیتیوم را به بالای 0.9 افزایش می دهند.
طراحی ساختاری مواد نیز بسیار مهم است. استراتژی‌های مقیاس‌پذیری نانو (مانند کاهش اندازه ذرات آند سیلیکون به زیر ۱۰۰ نانومتر) می‌توانند انبساط حجمی را در حین شارژ و تخلیه کاهش دهند. طرح های ساختاری متخلخل (مانند مواد کربنی متخلخل سلسله مراتبی) با افزایش سطح ویژه، خیس شدن الکترولیت را افزایش می دهند. پیشرفت در علم مواد محاسباتی روند طراحی منطقی را تسریع می کند. محاسبات اولیه-بر اساس نظریه تابعی چگالی (DFT) می‌توانند پایداری ترمودینامیکی و موانع انتشار یون مواد را پیش‌بینی کنند، در حالی که مدل‌های یادگیری ماشینی می‌توانند به سرعت سیستم‌های مواد بالقوه را بررسی کنند.
طراحی مواد باتری آینده، بهینه‌سازی مشارکتی در مقیاس چندگانه، ایجاد مدل‌های همبستگی در سه بعد آرایش اتمی، ساختار کریستالی و مورفولوژی ماکروسکوپی را در اولویت قرار خواهد داد. این تکنیک‌ها در ترکیب با تکنیک‌های توصیف درجا، تکامل ساختاری را در طول شارژ و تخلیه در زمان واقعی ردیابی می‌کنند و در نهایت امکان ایجاد دقیق مواد باتری با کارایی بالا را فراهم می‌کنند.