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正极材料
正极材料的性能是制约锂离子电池容量的关键因素。这是因为锂离子电池的容量主要由正负极材料的短板来决定。目前商用的正极材料的实际容量最大在200 mAh/g左右，而成熟的石墨负极材料可以达到300 mAh/g。所以正极材料的研发是锂离子电池行业发展的重要领域。目前已经市场化的锂离子电池正极材料包括钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)和三元材料等产品。钴酸锂是国内小型锂电领域正极材料的主力;磷酸铁锂、三元材料目前主要使用在电动汽车领域。
钴酸锂是最早被商业化的锂离子电池正极材料。钴酸锂具有工作电压高、充放电电压平稳，适合大电流充放电，比能量高、循环性能好等优点，目前是小型充电电池正极材料的主流。但钴资源日益匮乏，价格昂贵，且钴酸锂电池在使用过程中存在安全隐患，钴金属本身具有很大的毒性。所以未来的发展方向是寻找钴的替代品。
磷酸铁锂是目前国内动力锂离子电池的主流正极材料。动力电池与小型便携锂离子电池相比，更加要求批次一致性与安全性。磷酸铁锂该类材料具有较高的能量密度、低廉的价格、优异的安全性等特点，特别适用于动力电池。国内最大动力电池制造商比亚迪公司主要研究和生产磷酸铁锂电池。但是目前磷酸铁锂电池的能量密度已经逐渐接近其理论极限，发展空间受限。磷酸铁锂电池理论能量密度大概在160Wh/kg，比亚迪的单体电池目前能量密度已达到130Wh/kg，几乎触碰能量密度的天花板。人们逐渐将目光投向能量密度更高的三元材料。
三元材料是动力锂离子电池的发展方向。三元材料指的是Ni、Co、Mn或Ni、Co、Al三种金属元素为核心元素的正极材料。目前最常见的是镍钴猛酸锂(NCM)和镍钴铝酸锂(NCA)。三元材料电池能量密度比磷酸铁锂要大，即同样的电池重量续航时间更长。国内2015年2月16日，科技部发布了《国家重点研发计划新能源汽车重点专项实施方案(征求意见稿)》，其中明确要求了2015年底轿车动力电池能量密度要达到200Wh/kg。
美国特斯拉Model S系列的电池组就采用以NCA为正极材料的18650电芯。其电池组的能量密度约156 Wh/Kg。比国内广泛使用的磷酸铁锂电池组的能量密度( 80-100 Wh/Kg)高出约60%。但是其缺点也是明显的：三元材料晶体结构在充放电过程中不够稳定，与磷酸铁锂、锰酸锂等材料相比对碰撞更为敏感。以特斯拉的Model S为例，松下生产的单个NCA18650电芯能量密度已经达到252 Wh/Kg，但是为了保证电池组的安全，特斯拉Model S在电池组外围安装防冲击的保护装置，这个装置贡献了整个电池组50%以上的质量，将电池组比质量能量密度降低一半。正是因为这样的原因，虽然磷酸铁锂在能量密度上无法与三元材料比拟，但以磷酸铁锂为电芯所组成的电池较为简单，安全性更高。所以在目前市场上各有侧重：磷酸铁锂电池越来越多的活跃在电动客车市场。2015年11月，磷酸铁锂电池的电动大巴装机量占到了64.9%，三元锂电池装机量只有27.6%。相反，在纯电动乘用车市场，三元锂电池在去年11月的装机量超过76%。
负极材料
目前锂离子电池的负极基本都采用碳材料。从锂离子电池的发展历史来看，负极材料的研究对锂离子电池的出现起着决定性作用。前文提到，锂离子电池最早研究的负极材料是金属锂，由于电池的安全问题以及循环性能不佳，锂二次电池未能实用。90年代SONY公司首次将碳材料用于锂离子电池负极，实现了锂离子电池的商业化。
大能量密度的非碳负极材料是目前负极材料的研究方向。碳材料当中，石墨类碳材料目前被研究得比较透彻，应用范围最广。目前市面上绝大多数锂离子电池都是采用石墨类的碳材料作为负极材料。但是，碳材料的局限性也是明显的：比容量与一些非碳材料相比较低，并且还存在首次充放电效率低，有机溶剂共嵌入等问题。所以人们在开放碳材料的同时也在积极研究非碳材料作为负极材料，如硅基负极材料、钛基复合材料等。
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