ಬ್ಯಾಟರಿ ವಸ್ತುಗಳ ಕಾರ್ಯಕ್ಷಮತೆಯು ಶಕ್ತಿಯ ಸಾಂದ್ರತೆ, ಚಕ್ರದ ಜೀವನ ಮತ್ತು ಶಕ್ತಿಯ ಶೇಖರಣಾ ಸಾಧನಗಳ ಸುರಕ್ಷತೆಯನ್ನು ನೇರವಾಗಿ ನಿರ್ಧರಿಸುತ್ತದೆ. ಅವರ ವಿನ್ಯಾಸ ತತ್ವಗಳು ವಸ್ತುಗಳ ವಿಜ್ಞಾನ, ಎಲೆಕ್ಟ್ರೋಕೆಮಿಸ್ಟ್ರಿ ಮತ್ತು ಕಂಪ್ಯೂಟೇಶನಲ್ ಸೈನ್ಸ್ನ ಅಂತರಶಿಸ್ತೀಯ ಸಂಶೋಧನೆಯನ್ನು ಸಂಯೋಜಿಸುತ್ತವೆ. ಆಧುನಿಕ ಬ್ಯಾಟರಿ ವಸ್ತು ವಿನ್ಯಾಸದ ತಿರುಳು ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ ರಚನೆಯನ್ನು ಉತ್ತಮಗೊಳಿಸುವುದು, ಅಯಾನು ಸಾರಿಗೆ ಚಲನಶಾಸ್ತ್ರವನ್ನು ಹೆಚ್ಚಿಸುವುದು ಮತ್ತು ಪರಮಾಣು-ಮಟ್ಟದ ಕುಶಲತೆಯ ಮೂಲಕ ಇಂಟರ್ಫೇಸ್ ಸ್ಥಿರತೆಯನ್ನು ಸುಧಾರಿಸುತ್ತದೆ.
ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ ದೃಷ್ಟಿಕೋನದಿಂದ, ಎಲೆಕ್ಟ್ರೋಡ್ ವಸ್ತುಗಳ ಬ್ಯಾಂಡ್ ರಚನೆಯು ಅವುಗಳ ರೆಡಾಕ್ಸ್ ಚಟುವಟಿಕೆಯನ್ನು ನಿರ್ಧರಿಸುತ್ತದೆ. ಉದಾಹರಣೆಗೆ, ಪರಿವರ್ತನಾ ಲೋಹದ ಆಕ್ಸೈಡ್ಗಳು (ಉದಾಹರಣೆಗೆ LiCoO₂) d-ಕಕ್ಷೆಯ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳ ಲಾಭ ಮತ್ತು ನಷ್ಟದ ಮೂಲಕ ಲಿಥಿಯಂ ಅಯಾನ್ ಅಳವಡಿಕೆ ಮತ್ತು ಹೊರತೆಗೆಯುವಿಕೆಯನ್ನು ಸಾಧಿಸುತ್ತವೆ. ಹೆಚ್ಚಿನ-ವೋಲ್ಟೇಜ್ ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ವಸ್ತುಗಳನ್ನು ವಿನ್ಯಾಸಗೊಳಿಸಲು ಪರಿವರ್ತನಾ ಲೋಹಗಳ ವೇಲೆನ್ಸಿ ಸ್ಥಿತಿ ಮತ್ತು ಸಮನ್ವಯ ಪರಿಸರವನ್ನು ಕುಶಲತೆಯಿಂದ ನಿರ್ವಹಿಸುವ ಅಗತ್ಯವಿದೆ. ವಾಹಕ ಸೇರ್ಪಡೆಗಳ (ಕಾರ್ಬನ್ ನ್ಯಾನೊಟ್ಯೂಬ್ಗಳಂತಹ) ಪರಿಚಯವು ಮೂರು ಆಯಾಮದ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ ಟ್ರಾನ್ಸ್ಪೋರ್ಟ್ ನೆಟ್ವರ್ಕ್ ಅನ್ನು ನಿರ್ಮಿಸುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ಇಂಟರ್ಫೇಶಿಯಲ್ ರೆಸಿಸ್ಟೆನ್ಸ್ ಅನ್ನು ಕಡಿಮೆ ಮಾಡುತ್ತದೆ. ಅಯಾನು ಸಾಗಣೆಗೆ ಸಂಬಂಧಿಸಿದಂತೆ, ಘನ-ಸ್ಥಿತಿಯ ವಿದ್ಯುದ್ವಿಚ್ಛೇದ್ಯ ವಸ್ತುಗಳು (ಉದಾಹರಣೆಗೆ ಸಲ್ಫೈಡ್ Li₆PS₅Cl) ಅಯಾನು ಚಾನೆಲ್ಗಳನ್ನು ವಿಸ್ತರಿಸಲು ಲ್ಯಾಟಿಸ್ ಪ್ಯಾರಾಮೀಟರ್ಗಳನ್ನು ಆಪ್ಟಿಮೈಜ್ ಮಾಡುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ಲಿಥಿಯಂ ಅಯಾನ್ ವರ್ಗಾವಣೆ ಸಂಖ್ಯೆಯನ್ನು 0.9 ಕ್ಕಿಂತ ಹೆಚ್ಚಿಗೆ ಹೆಚ್ಚಿಸುತ್ತದೆ.
ವಸ್ತುವಿನ ರಚನಾತ್ಮಕ ವಿನ್ಯಾಸವು ಸಹ ನಿರ್ಣಾಯಕವಾಗಿದೆ. ನ್ಯಾನೋಸ್ಕೇಲಿಂಗ್ ತಂತ್ರಗಳು (ಉದಾಹರಣೆಗೆ ಸಿಲಿಕಾನ್ ಆನೋಡ್ ಕಣದ ಗಾತ್ರವನ್ನು 100nm ಗಿಂತ ಕಡಿಮೆಗೊಳಿಸುವುದು) ಚಾರ್ಜ್ ಮತ್ತು ಡಿಸ್ಚಾರ್ಜ್ ಸಮಯದಲ್ಲಿ ಪರಿಮಾಣದ ವಿಸ್ತರಣೆಯನ್ನು ತಗ್ಗಿಸಬಹುದು. ಸರಂಧ್ರ ರಚನಾತ್ಮಕ ವಿನ್ಯಾಸಗಳು (ಉದಾಹರಣೆಗೆ ಕ್ರಮಾನುಗತವಾಗಿ ರಂಧ್ರವಿರುವ ಇಂಗಾಲದ ವಸ್ತುಗಳು) ನಿರ್ದಿಷ್ಟ ಮೇಲ್ಮೈ ವಿಸ್ತೀರ್ಣವನ್ನು ಹೆಚ್ಚಿಸುವ ಮೂಲಕ ಎಲೆಕ್ಟ್ರೋಲೈಟ್ ತೇವವನ್ನು ಹೆಚ್ಚಿಸುತ್ತವೆ. ಕಂಪ್ಯೂಟೇಶನಲ್ ಮೆಟೀರಿಯಲ್ ಸೈನ್ಸ್ನಲ್ಲಿನ ಪ್ರಗತಿಗಳು ತರ್ಕಬದ್ಧ ವಿನ್ಯಾಸದ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯನ್ನು ವೇಗಗೊಳಿಸುತ್ತಿವೆ. ಮೊದಲ-ಸಾಂದ್ರತೆಯ ಕ್ರಿಯಾತ್ಮಕ ಸಿದ್ಧಾಂತದ (DFT) ಆಧಾರದ ಮೇಲೆ ತತ್ವಗಳ ಲೆಕ್ಕಾಚಾರಗಳು ಥರ್ಮೋಡೈನಾಮಿಕ್ ಸ್ಥಿರತೆ ಮತ್ತು ವಸ್ತುಗಳ ಅಯಾನು ಪ್ರಸರಣ ತಡೆಗಳನ್ನು ಊಹಿಸಬಹುದು, ಆದರೆ ಯಂತ್ರ ಕಲಿಕೆಯ ಮಾದರಿಗಳು ಸಂಭಾವ್ಯ ವಸ್ತು ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳನ್ನು ತ್ವರಿತವಾಗಿ ಪರಿಶೀಲಿಸಬಹುದು.
ಭವಿಷ್ಯದ ಬ್ಯಾಟರಿ ವಸ್ತು ವಿನ್ಯಾಸವು ಬಹು-ಸ್ಕೇಲ್ ಸಹಯೋಗದ ಆಪ್ಟಿಮೈಸೇಶನ್ಗೆ ಆದ್ಯತೆ ನೀಡುತ್ತದೆ, ಪರಮಾಣು ವ್ಯವಸ್ಥೆ, ಸ್ಫಟಿಕ ರಚನೆ ಮತ್ತು ಮ್ಯಾಕ್ರೋಸ್ಕೋಪಿಕ್ ರೂಪವಿಜ್ಞಾನದ ಮೂರು ಆಯಾಮಗಳಲ್ಲಿ ಪರಸ್ಪರ ಸಂಬಂಧದ ಮಾದರಿಗಳನ್ನು ಸ್ಥಾಪಿಸುತ್ತದೆ. ಇನ್ ಸಿತು ಕ್ಯಾರೆಕ್ಟರೈಸೇಶನ್ ತಂತ್ರಗಳ ಸಂಯೋಜನೆಯಲ್ಲಿ, ಈ ತಂತ್ರಗಳು ನೈಜ ಸಮಯದಲ್ಲಿ ಚಾರ್ಜ್ ಮತ್ತು ಡಿಸ್ಚಾರ್ಜ್ ಸಮಯದಲ್ಲಿ ರಚನಾತ್ಮಕ ವಿಕಸನವನ್ನು ಟ್ರ್ಯಾಕ್ ಮಾಡುತ್ತದೆ, ಅಂತಿಮವಾಗಿ ಹೆಚ್ಚಿನ-ಕಾರ್ಯಕ್ಷಮತೆಯ ಬ್ಯಾಟರಿ ಸಾಮಗ್ರಿಗಳ ನಿಖರವಾದ ರಚನೆಯನ್ನು ಸಕ್ರಿಯಗೊಳಿಸುತ್ತದೆ.