Akkumateriaalien suorituskyky määrittää suoraan energian varastointilaitteiden energiatiheyden, syklin käyttöiän ja turvallisuuden. Niiden suunnitteluperiaatteet yhdistävät materiaalitieteen, sähkökemian ja laskennallisen tieteen monitieteisen tutkimuksen. Nykyaikaisen akun materiaalisuunnittelun ydin on elektronisen rakenteen optimoinnissa, ioninkuljetuskinetiikan parantamisessa ja rajapinnan stabiilisuuden parantamisessa atomic - -tason manipuloinnin avulla.
Elektrodimateriaalien kaistan rakenne määrittää elektronisesta näkökulmasta niiden redox -aktiivisuuden. Esimerkiksi siirtymämetallioksidit (kuten licoo₂) saavuttavat litiumionien lisäyksen ja uuttamisen D - kiertoradan elektronien vahvistamisen ja menetyksen kautta. Korkean - jännitekatodimateriaalien suunnittelu vaatii siirtymämetallien valenssitilan ja koordinointiympäristön manipulointia. Johtavien lisäaineiden (kuten hiilinanoputkien) käyttöönotto voi rakentaa kolmen - mittaelektronin kuljetusverkon ja vähentää rajapintojen vastus. Ioninkuljetusten osalta kiinteä - Tilan elektrolyyttimateriaalit (kuten sulfidi li₆ps₅cl) optimoi hilaparametrit ionikanavien laajentamiseksi ja litium -ioninsiirtojen määrän lisäämiseksi yli 0,9: een.
Aineellinen rakennesuunnittelu on myös ratkaisevan tärkeää. Nanoskalointistrategiat (kuten piin anodihiukkasten pienentäminen alle 100 nm) voivat lieventää tilavuuden laajenemista varauksen ja purkauksen aikana. Huokoiset rakennemallit (kuten hierarkkisesti huokoiset hiilimateriaalit) parantavat elektrolyyttien kostuttamista lisäämällä tiettyjä pinta -alaa. Laskennallisen materiaalitieteen edistyminen kiihdyttää rationaalista suunnitteluprosessia. Ensimmäinen - periaatteiden laskelmat tiheysfunktionaaliseen teoriaan (DFT) perustuvat termodynaamisen stabiilisuuden ja ionin diffuusioesteet materiaalien, kun taas koneoppimismallit voivat nopeasti seuloa potentiaaliset materiaalijärjestelmät.
Tuleva akun materiaalisuunnittelu priorisoidaan moni - asteikon yhteistyöhön liittyvä optimointi, korrelaatiomallien luominen atomijärjestelyn, kiderakenteen ja makroskooppisen morfologian kolmen ulottuvuuden yli. Yhdessä in situ -karakterisointitekniikoiden kanssa nämä tekniikat seuraavat rakenteellista kehitystä varauksen ja purkautumisen aikana reaaliajassa, mikä mahdollistaa lopulta korkean - suorituskyvyn akkumateriaalien tarkan luomisen.