鎂正極材料
理想的二次鎂電池的正極材料，具有高比能量、高電極電位、良好的充放電反應可逆性、較高的電子導電性、資源豐富、價格低廉，以及在電解液中好的化學穩定性且溶解度低（自放電低）等特性。對二次鎂電池來說，正極可嵌入材料大都為無機過渡金屬化合物，集中為氧化物、硫化物、硼化物、聚陰離子化合物以及含硫導電材料等。
鎂主要在正極材料中進行嵌入和脫嵌，目前正極材料的主要研究方向是找出能使鎂離子進行可逆的插入與脫嵌，並能在電解液中穩定存在的材料。正極材料的選擇一般集中在無機過渡金屬氧化物、硫化物、硼化物、磷酸鹽以及其它化合物上面。
首次組裝並研究二次鎂電池的Gregory等人使用了Co3O4作為正極材料，發現大部分的氧化物和硫化物不能用於鎂二次電池，而只有Co3O4、Mn2O3、RuO2、ZrS2等有可能用於鎂二次電池。
2008年，努麗燕娜課題組採用溶膠-凝膠法合成了Mg1.03Mn0.97SiO4正極材料，由於其導電性能差，該材料在0.25mol/LMg（AlCl2EtBu）2/THF溶液中表現出了相對較低的可逆比容量，而採用了改性溶膠-凝膠同時碳包覆的方法後，得到了高達224mAh/g的放電比容量。高的放電比容量與好的循環性能使該材料成為了頗具潛力的鎂二次電池正極材料。
相比於應用比較廣泛的鋰離子電池，鎂二次電池的研究還較為有限。阻礙鎂二次電池發展的因素主要有兩點。其一，正極材料的限制。Mg2＋電荷密度大，相較於Li＋更易溶劑化，因此Mg2＋的嵌入以及在正極材料之中的移動更為困難。其二，電解液限制。在絕大多數電解液中，鎂在表面形成緻密的鈍化膜，使得Mg2＋不能通過。因此，尋找適於鎂嵌入、並在其中移動的正極材料和能夠使鎂可逆沉積－溶出的電解液是研究的關鍵。
鎂負極材料
在鎂電池工作過程中，鎂離子在負極材料表面進行可逆的沉積和溶解。鎂容易在表面形成一層比較緻密的鈍化膜，鎂離子很難通過，影響了鎂的溶解/沉積。另外，在多次循環後，鎂表面易形成鎂枝晶，使電池性能變差，甚至造成電池短路。
鎂二次電池的負極材料要求鎂離子能進行可逆的沉積與溶解。目前，鎂二次電池研究集中在正極材料和電解液方面，而一般採用純鎂作為負極材料，有關其它負極材料的報導相對較少。負極的鈍化、枝晶等問題在一定程度上影響了電池的性能，因此在正極材料和電解液性能得到一定改善的基礎上，研究並開發出新的負極材料，是得到穩定、高性能鎂二次電池體系的重要途徑。
目前，負極材料主要有金屬鎂、鎂合金、有機聚合物和無機嵌入材料（層狀結構的石墨、乙炔黑、微珠碳、石油焦、碳纖維等嵌入材料）。
鎂二次電池的負極材料要求鎂離子能進行可逆的沉積與溶解，其沉積-溶解的電極電位較低。由於Mg比較活潑，容易與水和大氣雜質進行反應，在表面會形成一層鈍化膜。鋰的這種覆蓋層疏鬆易於鋰離子通過，而且有利於鋰金屬的穩定，但是鎂的鈍化層緻密，鎂離子不易通過，使鎂在電解液中的可逆溶解與沉澱變得困難。目前，鎂二次電池研究集中在正極材料和電解液方面，一般採用純鎂作為負極材料，有關其它負極材料的研究報導相對較少。