Bahan katoda biasanya menjadi faktor pembatas dalam membuat baterai lithium-ion yang andal. Dengan baterai isi ulang dalam penggunaan yang terus meningkat, para ilmuwan terus mencari bahan katoda yang menggabungkan output tinggi dengan operasi yang aman. Berbagai bahan digunakan, tergantung pada aplikasinya. Baterai untuk peralatan konsumen telah lama menggunakan oksida kobalt sebagai bahan katoda utamanya, dan fosfat besi banyak diminati untuk baterai mobil listrik.
Kualitas yang diinginkan dalam bahan katoda adalah bahwa mereka melibatkan reaksi reversibel yang dapat menghasilkan baterai yang dapat diisi ulang, dan bahwa reaksi ini tidak menyebabkan perubahan fasa di antara bahan yang terlibat. Energi ekstra yang diperlukan untuk mengubah bahan antara fase gas, cair, dan padatnya membuatnya tidak praktis untuk merancang baterai yang melibatkan perubahan seperti itu. Versi awal baterai lithium yang dapat diisi ulang menggunakan belerang cair sebagai katoda, dikelilingi oleh garam cair yang suhunya 842 derajat Fahrenheit (450 derajat Celcius). Baterai ini dapat memberikan output yang tinggi, tetapi memisahkan bahan cair merupakan masalah yang terlalu besar. Para peneliti telah mencari metode praktis menggunakan belerang sebagai bahan katoda.
Salah satu kesulitan dalam mengembangkan bahan katoda yang lebih baik adalah volatilitas yang melekat. Agar baterai berfungsi, katoda harus memiliki muatan listrik yang kuat sehubungan dengan elektroda lain, anoda. Ini membutuhkan zat dengan kandungan oksigen tinggi. Bahan tersebut berpotensi sangat mudah terbakar, terutama bila dikombinasikan dengan panas yang sering dikaitkan dengan reaksi kimia yang terjadi di dalam baterai.
Inilah salah satu alasan ketertarikan senyawa belerang untuk katoda. Sulfur memiliki kualitas listrik oksigen tanpa volatilitasnya. Masalah dengan senyawa belerang adalah mereka menghasilkan katoda dengan rentang hidup yang lebih pendek, karena reaksi kimianya meninggalkan produk sampingan yang larut ke dalam bahan elektrolit yang memisahkan kedua elektroda.
Pada awal 1970-an, sekelompok senyawa baru muncul yang menarik perhatian para peneliti yang telah menyerah pada gagasan menggunakan belerang cair. Yang paling ringan dari senyawa ini, titanium disulfida, umumnya digunakan selama dekade ini. Itu digantikan pada sekitar tahun 1980 oleh lithium cobalt oxide, yang menghasilkan baterai lithium-ion pertama yang benar-benar sukses.
Kobalt oksida adalah bahan katoda yang dominan di pasaran dan umumnya digunakan dalam baterai isi ulang ponsel dan komputer laptop. Dalam peralatan medis seperti defibrillator jantung, oksida vanadium perak umumnya digunakan untuk katoda. Baterai jenis ini memiliki perak sebagai produk sampingan dari reaksi kimianya, dan ini meningkatkan konduktivitas baterai.
Besi fosfat, dan litium titanat pada tingkat lebih rendah, telah menarik perhatian dari produsen mobil sebagai bahan katoda potensial untuk baterai mobil listrik. Salah satu alasannya adalah karena baterai dengan katoda yang terbuat dari senyawa ini dapat diisi dengan cepat hanya dalam 10 menit. Sel dengan katoda yang terbuat dari nikelat memiliki kepadatan energi tertinggi. Kepadatan energi yang tinggi ini berarti bahwa mereka pada dasarnya tidak seaman baterai fosfat besi atau lithium titanat.