Katodmaterial är vanligtvis den begränsande faktorn när det gäller att tillverka pålitliga litiumjonbatterier. Med uppladdningsbara batterier i ständigt ökande användning, fortsätter forskarna att söka katodmaterial som kombinerar hög effekt med säker drift. En mängd olika material används, beroende på applikation. Batterier för hushållsapparater har länge använt koboltoxid som huvudkatodmaterial, och järnfosfat är efterfrågat för elbilsbatterier.
Önskvärda egenskaper hos katodmaterial är att de involverar en reversibel reaktion som kan producera ett uppladdningsbart batteri, och att denna reaktion inte orsakar en fasförändring bland något av de inblandade materialen. Den extra energi som krävs för att byta material mellan deras gas-, flytande och fasta faser gör det opraktiskt att designa ett batteri som innebär en sådan förändring. Tidiga versioner av laddningsbara litiumbatterier använde smält svavel som en katod, omgiven av smält salt som var 842 grader Fahrenheit (450 grader Celsius). Dessa batterier kunde ge en hög effekt, men att hålla de flytande materialen åtskilda var ett för stort problem. Forskare har letat efter en praktisk metod för att använda svavel som katodmaterial.
En av svårigheterna med att utveckla bättre katodmaterial är deras inneboende flyktighet. För att batteriet ska fungera behöver katoden ha en stark elektrisk laddning i förhållande till den andra elektroden, anoden. Detta kräver ett ämne med hög syrehalt. Sådant material är potentiellt mycket brännbart, särskilt när det kombineras med värmen som ofta är förknippad med den kemiska reaktion som äger rum i ett batteri.
Detta är en av anledningarna till intresset för svavelföreningar för katoder. Svavel har syres elektriska egenskaper utan dess flyktighet. Problemet med svavelföreningar är att de producerar katoder med kortare livslängd, eftersom deras kemiska reaktioner lämnar biprodukter som löses upp i elektrolytmaterialet som separerar de två elektroderna.
I början av 1970-talet uppstod en ny grupp av föreningar som uppmärksammade forskare som hade gett upp tanken på att använda smält svavel. Den lättaste av dessa föreningar, titandisulfid, användes vanligen under detta decennium. Det ersattes omkring 1980 av litiumkoboltoxid, som producerade det första riktigt framgångsrika litiumjonbatteriet.
Koboltoxid är det dominerande katodmaterialet på marknaden och används ofta i de laddningsbara batterierna i mobiltelefoner och bärbara datorer. I medicinsk utrustning som hjärtdefibrillatorer används vanligtvis silvervanadinoxid för katoderna. Denna typ av batteri har silver som en biprodukt av dess kemiska reaktion, och detta förbättrar batteriets konduktivitet.
Järnfosfat, och i mindre utsträckning litiumtitanat, har uppmärksammats från biltillverkare som potentiella katodmaterial för elbilsbatterier. En anledning till detta är att batterier med katoder gjorda av dessa föreningar snabbt kan laddas på så få som 10 minuter. Celler med katoder gjorda av nickelat har den högsta energitätheten. Denna höga energitäthet innebär att de inte är lika säkra som järnfosfat- eller litiumtitanatbatterier.