Aku materjalide jõudlus määrab otseselt energiatiheduse, tsükli eluea ja energiasalvestusseadmete ohutuse. Nende disainipõhimõtted integreerivad materjaliteaduse, elektrokeemia ja arvutusteaduse interdistsiplinaarseid uuringuid. Kaasaegse akumaterjalide disaini tuum seisneb elektroonilise struktuuri optimeerimises, ioonide transpordi kineetika parandamises ja liidese stabiilsuse parandamises aatomitasemega manipuleerimise abil.
Elektroonilisest vaatenurgast määrab elektroodide materjalide ribastruktuur nende redoksaktiivsuse. Näiteks siirdemetallioksiidid (nagu LiCoO₂) saavutavad liitiumioonide sisestamise ja ekstraheerimise d-orbitaalelektronide võimenduse ja kadumise kaudu. Kõrgepinge-katoodimaterjalide kujundamine nõuab siirdemetallide valentsoleku ja koordinatsioonikeskkonna manipuleerimist. Juhtivate lisandite (nagu süsinik-nanotorud) kasutuselevõtt võib luua kolmemõõtmelise elektronide transpordivõrgu ja vähendada liideste takistust. Seoses ioonide transpordiga optimeerivad tahke oleku elektrolüütide materjalid (nagu sulfiid Li₆PS₅Cl) võre parameetreid, et laiendada ioonikanaleid ja suurendada liitiumioonide ülekandearvu üle 0,9.
Samuti on ülioluline materjali struktuur. Nanoskaleerimise strateegiad (nt räni anoodi osakeste suuruse vähendamine alla 100 nm) võivad leevendada mahu suurenemist laadimise ja tühjenemise ajal. Poorsed konstruktsioonid (nagu hierarhiliselt poorsed süsinikmaterjalid) suurendavad elektrolüütide märgumist, suurendades eripinda. Arvutusliku materjaliteaduse edusammud kiirendavad ratsionaalse disaini protsessi. Tiheduse funktsionaalteoorial (DFT) põhinevad esimesed-põhimõtted võimaldavad ennustada materjalide termodünaamilist stabiilsust ja ioonide difusioonitõkkeid, samas kui masinõppemudelid suudavad potentsiaalseid materjalisüsteeme kiiresti sõeluda.
Tulevases akumaterjalide kavandamises seatakse prioriteediks mitme{0}}skaala koostöö optimeerimine, luues korrelatsioonimudelid kolme mõõtme – aatomipaigutus, kristallstruktuur ja makroskoopiline morfoloogia – vahel. Koos in situ iseloomustamise tehnikatega jälgivad need tehnikad reaalajas konstruktsiooni arengut laadimise ja tühjenemise ajal, võimaldades lõpuks luua suure jõudlusega akumaterjale.