钠离子电池的关键材料主要包括正极、负极、电解液和隔膜，其面临的挑战主要包括以下几个方面：
正极材料：目前，钠离子电池正极材料的技术路线还未确定，层状氧化物、普鲁士蓝类化合物和聚阴离子化合物三种技术路线相互竞争。其中，层状氧化物具备高比容量优势，但循环性能仍有待提高；普鲁士蓝类化合物具有比容量较高，成本更加低，倍率性能高，电化学稳定性优异等优点，但循环性能存在短板，以及生产过程中产生的结晶水问题在充放电过程中会导致结构坍塌；聚阴离子化合物具有稳定性好、循环性能和安全性好的优点，但存在比容量低和导电性较差的问题。
负极材料：作为一种新型负极材料，硬炭被认为是最具有商业化潜力的钠离子电池负极材料。它由类石墨的微晶结构和开口的角状微晶组成，这种独特的微晶结构不仅可以提供丰富的储钠位点，而且其稳定的骨架结构以及较低的工作电势同样使它备受关注。然而，科研人员发现钠离子电池在实际应用中存在一定阻碍，其中硬炭电极的比容量和首次库伦效率普遍较低，严重限制了钠离子电池整体电化学性能的发挥。
电解液：钠离子电池电解液的研究主要集中在如何提高电解液的离子电导率、稳定性和安全性等方面。目前，常用的钠离子电池电解液主要包括有机电解液和水系电解液两类。有机电解液具有离子电导率高、稳定性好等优点，但也存在易燃、易爆等安全隐患；水系电解液具有安全性高、成本低等优点，但也存在离子电导率低、稳定性差等问题。
隔膜：隔膜是电池必不可少的关键组件之一，影响了电池的界面结构和内阻，以及电池的容量、循环和安全性能等特性。目前，钠离子电池隔膜的主要材料是聚乙烯、聚丙烯隔膜及其复合隔膜。聚烯烃隔膜成本低、机械性能强、化学稳定性好，但其热稳定性和电解液相容性仍然存在问题。玻璃纤维具有高孔隙率、优异的热稳定性和高离子传导性，在实验室中被广泛用作钠离子电池的隔膜，但仍存在厚度大、机械性能差等问题。