Batterien sind elektrochemische Energiespeicher, in denen chemische Energie reversibel in elektrische Energie umgewandelt wird. Zentrale Elemente sind Anode, Kathode, Elektrolyt sowie Separator. Die materialspezifischen Eigenschaften dieser Komponenten bestimmen Energiedichte, Leistungsdichte, Lebensdauer, Sicherheit und Kosten eines Batteriesystems.

Die Funktionsweise beruht auf Redoxreaktionen: Beim Entladen laufen an der Anode Oxidations- und an der Kathode Reduktionsprozesse ab, wobei Ionen durch den Elektrolyten und Elektronen über den äußeren Stromkreis transportiert werden. Die Zellspannung ergibt sich aus der Differenz der elektrochemischen Potentiale der Elektrodenmaterialien, während die Kapazität durch die reversible stöchiometrische Einlagerung von Ionen (z. B. Li⁺, Na⁺) in die Elektrodenstrukturen bestimmt wird.

In der modernen Forschung stehen insbesondere Lithium‑Ionen‑ und Natrium‑Ionen‑Batterien, Festkörperbatterien sowie Redox‑Flow‑Batterien im Fokus. Lithium‑Ionen‑Zellen nutzen interkalationsfähige Elektroden (z. B. Graphit, Schichtoxid‑ oder Phosphatkathoden) mit organischen Flüssigelektrolyten, während Festkörperbatterien ionenleitende Festelektrolyte (Keramiken, Gläser, Polymere) einsetzen, um Sicherheit und Energiedichte zu erhöhen. Redox‑Flow‑Systeme, etwa Vanadium‑Redox‑Flussbatterien, trennen Energiespeicher (gelöste Redoxpaare) und Leistungsbereitstellung (Zelle) räumlich und sind daher besonders für stationäre Großspeicher geeignet.

Werkstoffwissenschaftlich stehen Stabilität der Elektroden/Elektrolyt‑Grenzflächen, mechanische Integrität bei zyklischer Volumenänderung, ionische und elektronische Leitfähigkeit, Degradationsmechanismen (SEI‑Bildung, Übergangsmetallauflösung, Elektrolyt‑Zersetzung) sowie Rohstoffverfügbarkeit und Nachhaltigkeit im Zentrum. Fortschritte in der gezielten Entwicklung von Batteriematerialien auf atomarer bis makroskopischer Skala sind entscheidend für zukünftige Energiespeichertechnologien.