正極材料的容量和電壓是限制電池能量密度最重要的因素，正極材料的質量占到單體電池的40%～45%，因此采用高工作電壓和高容量的正極材料能夠顯著提升電池的能量密度。
三元鎳鈷錳酸鋰(NCM)材料可通過調配鎳、鈷、錳三者比例，從而獲得不同材料特性，目前三元鋰離子電池重要應用是NCM111和NCM523。而三元材料鎳鈷錳比例從1:1:1、5:2:3到6:2:2、8:1:1，能夠將電極材料的克容量提高，使得高鎳三元材料高容量備受關注。一般來說三元材料中含鎳比例越高，材料單位質量所貢獻的能量越多，其制備的電池能量密度越高，但是電池的循環性能和穩定性有所下降。
鎳鈷鋁酸鋰(NCA)是高鎳三元材料的另一種，高含量的鎳元素使得NCA比容量較高，達到190Ah/kg，是最具發展前景的高能量密度鋰離子電池正極材料之一。鎳鈷鋁酸鋰的結構類似于三元NCM811體系，但摻鋁后材料的穩定性和循環性能更好，目前已經成功應用在電動汽車上。
特斯拉頂配的ModelS使用的電池為松下電池，其正極材料即為NCA，其單體電池容量達3100mAh，其比能量達250Wh/kg，使得ModelS續航里程達到480km。雖然NCA鋰離子電池有優越的電池性能，但是生產技術門檻高。NCA材料在制備技術上難度較大、材料生產成本高、生產設備要求特殊及電池設計和制造難度較高，國內目前只有少數廠家進行小批量生產。
另外，高壓鈷酸鋰通過電壓的提升來新增能量密度，但鈷的價格較高，不適合用于對電池成本比較敏感的汽車電池中；富鋰三元具有較高的比容量，磷酸錳鐵鋰提高了電壓平臺，均有望應用于動力鋰離子電池中，但此類正極材料的技術成熟度上仍然不夠，要進行進一步的研究和產業化驗證。