Մարտկոցի նյութերի աշխատանքը ուղղակիորեն որոշում է էներգիայի խտությունը, ցիկլի կյանքը և էներգիայի պահպանման սարքերի անվտանգությունը: Նրանց նախագծման սկզբունքները միավորում են նյութագիտության, էլեկտրաքիմիայի և հաշվողական գիտության միջդիսցիպլինար հետազոտությունները: Ժամանակակից մարտկոցների նյութի դիզայնի առանցքը կայանում է էլեկտրոնային կառուցվածքի օպտիմալացման, իոնների փոխադրման կինետիկայի բարելավման և միջերեսի կայունության բարելավման մեջ՝ ատոմային-մակարդակի մանիպուլյացիայի միջոցով:
Էլեկտրոնային տեսանկյունից էլեկտրոդային նյութերի ժապավենային կառուցվածքը որոշում է դրանց ռեդոքս ակտիվությունը: Օրինակ՝ անցումային մետաղների օքսիդները (օրինակ՝ LiCoO2) հասնում են լիթիումի իոնների ներդրմանը և արդյունահանմանը d-օրբիտալ էլեկտրոնների ավելացման և կորստի միջոցով։ Բարձր լարման կաթոդային նյութերի նախագծումը պահանջում է անցումային մետաղների վալենտային վիճակի և կոորդինացիոն միջավայրի մանիպուլյացիա: Հաղորդող հավելումների (օրինակ՝ ածխածնային նանոխողովակների) ներդրումը կարող է կառուցել եռաչափ էլեկտրոնների տեղափոխման ցանց և նվազեցնել միջերեսային դիմադրությունը: Ինչ վերաբերում է իոնային փոխադրմանը, ապա պինդ վիճակի էլեկտրոլիտային նյութերը (օրինակ՝ սուլֆիդային Li₆PS₅Cl) օպտիմիզացնում են ցանցի պարամետրերը՝ իոնային ալիքներն ընդլայնելու և լիթիումի իոնների փոխանցման թիվը հասցնելով 0,9-ից բարձր:
Նյութի կառուցվածքային ձևավորումը նույնպես կարևոր է: Նանոմաշտաբային ռազմավարությունները (օրինակ՝ սիլիցիումի անոդի մասնիկների չափը 100 նմ-ից ցածր նվազեցնելը) կարող են նվազեցնել ծավալի ընդլայնումը լիցքավորման և լիցքաթափման ժամանակ: Ծակոտկեն կառուցվածքային նմուշները (օրինակ՝ հիերարխիկ ծակոտկեն ածխածնային նյութերը) ուժեղացնում են էլեկտրոլիտների թրջումը` մեծացնելով հատուկ մակերեսը: Հաշվարկային նյութերի գիտության առաջընթացն արագացնում է ռացիոնալ դիզայնի գործընթացը: Առաջին-սկզբունքների հաշվարկները, որոնք հիմնված են խտության ֆունկցիոնալ տեսության (DFT) վրա, կարող են կանխատեսել նյութերի թերմոդինամիկական կայունությունը և իոնային դիֆուզիոն խոչընդոտները, մինչդեռ մեքենայական ուսուցման մոդելները կարող են արագորեն զննել պոտենցիալ նյութական համակարգերը:
Ապագա մարտկոցի նյութի նախագծումը առաջնահերթություն կտա բազմամասշտաբ համագործակցային օպտիմիզացմանը՝ հաստատելով փոխկապակցման մոդելներ ատոմների դասավորության, բյուրեղային կառուցվածքի և մակրոսկոպիկ ձևաբանության երեք չափումների միջև: Տեղում բնութագրման տեխնիկայի հետ համատեղ՝ այս տեխնիկան իրական ժամանակում կհետևի կառուցվածքային էվոլյուցիային լիցքավորման և լիցքաթափման ժամանակ՝ ի վերջո հնարավորություն տալով ճշգրիտ ստեղծել-բարձր արդյունավետությամբ մարտկոցների նյութեր: