El rendiment dels materials de la bateria determina directament la densitat d’energia, la vida del cicle i la seguretat dels dispositius d’emmagatzematge d’energia. Els seus principis de disseny integren la investigació interdisciplinària de la ciència de materials, l’electroquímica i la ciència computacional. El nucli del disseny de materials de bateries moderns rau en l’optimització de l’estructura electrònica, la millora de la cinètica del transport d’ions i la millora de l’estabilitat de la interfície mitjançant la manipulació de nivell atòmic -.
Des d’una perspectiva electrònica, l’estructura de la banda dels materials d’elèctrodes determina la seva activitat redox. Per exemple, els òxids metàl·lics de transició (com ara LiCoo₂) aconsegueixen una inserció i una extracció d’ions de liti mitjançant el guany i la pèrdua d’electrons orbitals d -. Dissenyar els materials del càtode de tensió alta - requereix manipular l'estat de valència i l'entorn de coordinació dels metalls de transició. La introducció d’additius conductors (com els nanotubs de carboni) pot construir una xarxa de transport d’electrons dimensional de tres - i reduir la resistència interfacial. Pel que fa al transport d’ions, sòlid - Estat de materials d’electròlits (com ara sulfur li₆ps₅cl) optimitzen els paràmetres de gelosia per ampliar els canals d’ions i augmentar el nombre de transferència d’ions de liti fins a 0,9.
El disseny estructural de materials també és crucial. Les estratègies de nanoscalització (com ara reduir la mida de la partícula d'anodes de silici fins a menys de 100 nm) poden mitigar l'expansió del volum durant la càrrega i la descàrrega. Els dissenys estructurals porosos (com els materials de carboni jeràrquicament porosos) milloren la humectació dels electròlits augmentant la superfície específica. Els avenços en la ciència dels materials computacionals estan accelerant el procés de disseny racional. Primer - Els càlculs de principis basats en la teoria funcional de la densitat (DFT) poden predir les barreres de difusió termodinàmica i de difusió dels ions, mentre que els models d'aprenentatge automàtic poden seleccionar ràpidament sistemes de materials potencials.
El futur disseny de materials de bateries prioritzarà l’optimització col·laborativa a escala multi -, establint models de correlació a través de les tres dimensions de la disposició atòmica, l’estructura de cristall i la morfologia macroscòpica. En combinació amb tècniques de caracterització in situ, aquestes tècniques faran un seguiment de l'evolució estructural durant la càrrega i la descàrrega en temps real, permetent finalment la creació precisa de materials de bateria de rendiment alts {{2-.