Aku materjalide jõudlus määrab otseselt energiatiheduse, tsükli tööaja ja energiasalvestuse ohutuse. Nende kujunduspõhimõtted integreerivad materjaliteaduse, elektrokeemia ja arvutusteaduse interdistsiplinaarseid uuringuid. Kaasaegse aku materjali kujunduse tuum seisneb elektroonilise struktuuri optimeerimises, ioonide transpordi kineetika suurendamisel ja liidese stabiilsuse parandamisel aatomi - taseme manipuleerimise kaudu.
Elektroonilisest vaatenurgast määrab elektroodimaterjalide riba struktuur nende redoksiaktiivsuse. Näiteks saavutavad üleminekumetalloksiidid (näiteks LICOOE₂) liitiumioonide sisestamise ja ekstraheerimise D - orbitaal -elektronide võimenduse ja kadumise kaudu. Kõrge - pinge katoodimaterjalide kujundamine nõuab üleminekumetallide valentse oleku ja koordinatsioonikeskkonna manipuleerimist. Juhtivate lisandite (näiteks süsiniknanotorude) kasutuselevõtt võib konstrueerida kolme - mõõtmete elektronide transpordivõrgu ja vähendada pindadevahelist takistust. Ionitranspordi osas optimeerib tahked - oleku elektrolüütide materjalid (näiteks sulfiidi li₆ps₅cl) võre parameetreid, et laiendada ioonikanaleid ja suurendada liitiumiioonide ülekande arvu üle 0,9.
Samuti on ülioluline materiaalne konstruktsiooni kujundus. Nanoskaalsete strateegiad (näiteks räni anoodiosakeste suuruse vähendamine alla 100 nm) võivad mahu laienemist laengu ja tühjenemise ajal leevendada. Poorsed konstruktsioonid (näiteks hierarhiliselt poorsed süsinikmaterjalid) suurendavad elektrolüütide niisutamist, suurendades spetsiifilist pinda. Arvutusmaterjaliteaduse edusammud kiirendavad ratsionaalse disaini protsessi. Esimene - põhimõtted Tiheduse funktsionaalsel teoorial (DFT) põhinevad arvutused võivad ennustada materjalide termodünaamilisi stabiilsust ja ioonide difusioonbarjääre, samas kui masinõppe mudelid võivad potentsiaalseid materjalisüsteeme kiiresti sõeluda.
Tulevane aku materjali kujundamine seab prioriteediks multi - skaala ühise optimeerimise, luues korrelatsioonimudeleid aatomseade, kristallide struktuuri ja makroskoopilise morfoloogia kolmes mõõtmes. Koos in situ iseloomustusmeetoditega jälgivad need tehnikad reaalajas laadimise ja tühjendamise ajal struktuurilist arengut, võimaldades lõppkokkuvõttes kõrge - jõudlusaku materjalide täpset loomist.