ബാറ്ററി സാമഗ്രികളുടെ പ്രകടനം ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത, സൈക്കിൾ ആയുസ്സ്, ഊർജ്ജ സംഭരണ ഉപകരണങ്ങളുടെ സുരക്ഷ എന്നിവ നേരിട്ട് നിർണ്ണയിക്കുന്നു. അവരുടെ ഡിസൈൻ തത്വങ്ങൾ മെറ്റീരിയൽ സയൻസ്, ഇലക്ട്രോകെമിസ്ട്രി, കമ്പ്യൂട്ടേഷണൽ സയൻസ് എന്നിവയുടെ ഇൻ്റർ ഡിസിപ്ലിനറി ഗവേഷണത്തെ സമന്വയിപ്പിക്കുന്നു. ആധുനിക ബാറ്ററി മെറ്റീരിയൽ ഡിസൈനിൻ്റെ കാതൽ ഇലക്ട്രോണിക് ഘടന ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യുക, അയോൺ ട്രാൻസ്പോർട്ട് ചലനാത്മകത വർദ്ധിപ്പിക്കുക, ആറ്റോമിക്-ലെവൽ കൃത്രിമത്വം വഴി ഇൻ്റർഫേസ് സ്ഥിരത മെച്ചപ്പെടുത്തുക എന്നിവയാണ്.
ഒരു ഇലക്ട്രോണിക് വീക്ഷണകോണിൽ നിന്ന്, ഇലക്ട്രോഡ് മെറ്റീരിയലുകളുടെ ബാൻഡ് ഘടന അവയുടെ റെഡോക്സ് പ്രവർത്തനം നിർണ്ണയിക്കുന്നു. ഉദാഹരണത്തിന്, ട്രാൻസിഷൻ മെറ്റൽ ഓക്സൈഡുകൾ (LiCoO₂ പോലുള്ളവ) d-ഓർബിറ്റൽ ഇലക്ട്രോണുകളുടെ നേട്ടവും നഷ്ടവും വഴി ലിഥിയം അയോൺ ഉൾപ്പെടുത്തലും വേർതിരിച്ചെടുക്കലും കൈവരിക്കുന്നു. ഉയർന്ന-വോൾട്ടേജ് കാഥോഡ് സാമഗ്രികൾ രൂപകൽപ്പന ചെയ്യുന്നതിന് ട്രാൻസിഷൻ ലോഹങ്ങളുടെ വാലൻസ് നിലയും ഏകോപന പരിതസ്ഥിതിയും കൈകാര്യം ചെയ്യേണ്ടതുണ്ട്. ചാലക അഡിറ്റീവുകളുടെ ആമുഖം (കാർബൺ നാനോട്യൂബുകൾ പോലുള്ളവ) ഒരു ത്രിമാന ഇലക്‌ട്രോൺ ഗതാഗത ശൃംഖല നിർമ്മിക്കുകയും ഇൻ്റർഫേസിയൽ പ്രതിരോധം കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്യും. അയോൺ ഗതാഗതത്തെ സംബന്ധിച്ച്, സോളിഡ്-സ്റ്റേറ്റ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് മെറ്റീരിയലുകൾ (സൾഫൈഡ് Li₆PS₅Cl പോലുള്ളവ) അയോൺ ചാനലുകൾ വികസിപ്പിക്കുന്നതിനും ലിഥിയം അയോൺ ട്രാൻസ്ഫറൻസ് നമ്പർ 0.9-ന് മുകളിൽ വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിനും ലാറ്റിസ് പാരാമീറ്ററുകൾ ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യുന്നു.
മെറ്റീരിയലിൻ്റെ ഘടനാപരമായ രൂപകൽപ്പനയും നിർണായകമാണ്. നാനോസ്കെയിലിംഗ് തന്ത്രങ്ങൾ (സിലിക്കൺ ആനോഡ് കണികാ വലിപ്പം 100nm-ൽ താഴെയായി കുറയ്ക്കുന്നത് പോലുള്ളവ) ചാർജും ഡിസ്ചാർജും സമയത്ത് വോളിയം വിപുലീകരണം കുറയ്ക്കാൻ കഴിയും. പോറസ് ഘടനാപരമായ ഡിസൈനുകൾ (ശ്രേണീകൃതമായി പോറസ് കാർബൺ മെറ്റീരിയലുകൾ പോലുള്ളവ) നിർദ്ദിഷ്ട ഉപരിതല വിസ്തീർണ്ണം വർദ്ധിപ്പിച്ച് ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് നനവ് വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നു. കമ്പ്യൂട്ടേഷണൽ മെറ്റീരിയൽ സയൻസിലെ പുരോഗതി യുക്തിസഹമായ രൂപകൽപ്പനയുടെ പ്രക്രിയയെ ത്വരിതപ്പെടുത്തുന്നു. ആദ്യ-ഡെൻസിറ്റി ഫങ്ഷണൽ തിയറി (DFT) അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള തത്വങ്ങളുടെ കണക്കുകൂട്ടലുകൾക്ക് മെറ്റീരിയലുകളുടെ തെർമോഡൈനാമിക് സ്ഥിരതയും അയോൺ ഡിഫ്യൂഷൻ തടസ്സങ്ങളും പ്രവചിക്കാൻ കഴിയും, അതേസമയം മെഷീൻ ലേണിംഗ് മോഡലുകൾക്ക് സാധ്യതയുള്ള മെറ്റീരിയൽ സിസ്റ്റങ്ങളെ വേഗത്തിൽ പരിശോധിക്കാൻ കഴിയും.
ഭാവിയിലെ ബാറ്ററി മെറ്റീരിയൽ ഡിസൈൻ മൾട്ടി-സ്കെയിൽ സഹകരണ ഒപ്റ്റിമൈസേഷന് മുൻഗണന നൽകും, ആറ്റോമിക് ക്രമീകരണം, ക്രിസ്റ്റൽ സ്ട്രക്ചർ, മാക്രോസ്‌കോപ്പിക് മോർഫോളജി എന്നീ ത്രിമാനങ്ങളിൽ ഉടനീളം പരസ്പര ബന്ധ മാതൃകകൾ സ്ഥാപിക്കും. ഇൻ സിറ്റു ക്യാരക്‌ടറൈസേഷൻ ടെക്‌നിക്കുകളുമായി സംയോജിപ്പിച്ച്, ഈ ടെക്‌നിക്കുകൾ തത്സമയം ചാർജ് ചെയ്യുമ്പോഴും ഡിസ്‌ചാർജ് ചെയ്യുമ്പോഴും ഘടനാപരമായ പരിണാമം ട്രാക്ക് ചെയ്യും, ആത്യന്തികമായി ഉയർന്ന-പെർഫോമൻസ് ബാറ്ററി മെറ്റീരിയലുകളുടെ കൃത്യമായ സൃഷ്‌ടി സാധ്യമാക്കുന്നു.