正極材料是決定鋰離子電池性能的關鍵材料之一，目前研制成功并得到應用的正極材料重要有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料鎳鈷錳酸鋰(NCM)和鎳鈷鋁酸鋰(NCA)等。

鈷酸鋰

鈷酸鋰是第一代商業化正極材料，在幾十年的發展中逐漸改性和提高，可以認為是最成熟的鋰離子電池正極材料。鈷酸鋰具有放電平臺高、比容量較高、循環性能好、合成工藝簡單等優點。但該材料含鈷較多，成本較高。

鈷酸鋰理論容量高，但實際容量卻只有理論的一半。原因是在充電過程中鋰離子要從鈷酸鋰材料中脫出，但脫出量小于50%時，材料的形態和晶型可以保持穩定。隨著鋰離子脫出量增大至50%時，鈷酸鋰材料將發生相變，假如此時繼續充電，鈷將溶解在電解液中并出現氧氣，嚴重影響電池循環穩定性和安全性能，因此一般的鈷酸鋰充電截止電壓為4.2V。

磷酸鐵鋰

磷酸鐵鋰是目前廣受關注的正極材料之一，理論比容量為170mAh/g,實際比容量可達150mAh/g以上。其重要特點是成本低廉，安全性非常好，循環壽命高，這些特點使得磷酸鐵鋰材料迅速成為研究熱點，磷酸鐵鋰離子電池也在電動汽車領域有了廣泛的應用。

磷酸鐵鋰的缺點為能量密度低。原因有兩點：

一是磷酸鐵鋰材料的電壓僅有3.3V左右，低于其他正極材料，這使得磷酸鐵鋰離子電池儲存能量較低;二是磷酸鐵鋰導電性較差，要納米化并進行包覆才能獲得良好的電化學性能，這使得材料變得蓬松，壓實密度較低。兩者綜合用途，使得磷酸鐵鋰離子電池的能量密度低于鈷酸鋰和三元電池。因此磷酸鐵鋰離子電池重要應用于電動大巴車及少量乘用車中。

三元材料

三元材料是與鈷酸鋰結構極為相似的鋰鎳鈷錳氧化物的俗稱，這種材料在比能量、循環性、安全性和成本方面可以進行均衡和調控。鎳鈷錳三種元素的不同配置將為材料帶來不同的性能：鎳含量新增將新增材料的容量，但會使循環性能變差;鈷的存在可使材料結構更加穩定，但含量過高會使容量降低;錳的存在可以降低成本并改善安全性能，但含量過高則會破壞材料的層狀結構，因此找到三種材料的比例關系以達到綜合性能最優化，是三元材料研發的重點。