Katodni materiali so običajno omejevalni dejavnik, ko gre za izdelavo zanesljivih litij-ionskih baterij. Z baterijami za ponovno polnjenje v vedno večji uporabi znanstveniki še naprej iščejo katodne materiale, ki združujejo visoko moč z varnim delovanjem. Glede na uporabo se uporabljajo različni materiali. Baterije za potrošniške naprave že dolgo uporabljajo kobaltov oksid kot glavni katodni material, železov fosfat pa je povpraševanje po baterijah električnih avtomobilov.
Zaželene lastnosti katodnih materialov so, da vključujejo reverzibilno reakcijo, ki lahko ustvari baterijo za ponovno polnjenje, in da ta reakcija ne povzroči spremembe faze med nobenim od vključenih materialov. Zaradi dodatne energije, ki je potrebna za menjavo materialov med njihovimi plinastimi, tekočimi in trdnimi fazami, je nepraktično načrtovanje baterije, ki vključuje takšno spremembo. Zgodnje različice litijevih baterij za ponovno polnjenje so kot katodo uporabljale staljeno žveplo, obkroženo s staljeno soljo, ki je imela 842 stopinj Fahrenheita (450 stopinj Celzija). Te baterije bi lahko zagotovile visoko zmogljivost, vendar je bilo ločevanje tekočih materialov prevelik problem. Raziskovalci so iskali praktično metodo uporabe žvepla kot katodnega materiala.
Ena od težav pri razvoju boljših katodnih materialov je njihova lastna hlapnost. Da bi baterija delovala, mora imeti katoda močan električni naboj glede na drugo elektrodo, anodo. To zahteva snov z visoko vsebnostjo kisika. Tak material je potencialno zelo vnetljiv, zlasti v kombinaciji s toploto, ki je pogosto povezana s kemično reakcijo, ki poteka v bateriji.
To je eden od razlogov za zanimanje za žveplove spojine za katode. Žveplo ima električne lastnosti kisika brez njegove hlapnosti. Težava žveplovih spojin je, da proizvajajo katode s krajšo življenjsko dobo, ker njihove kemične reakcije puščajo stranske produkte, ki se raztopijo v materialu elektrolita, ki ločuje elektrodi.
V zgodnjih sedemdesetih letih se je pojavila nova skupina spojin, ki je pritegnila pozornost raziskovalcev, ki so opustili zamisel o uporabi staljenega žvepla. Najlažja od teh spojin, titanov disulfid, je bila običajno uporabljena v tem desetletju. Približno leta 1970 ga je zamenjal litij-kobaltov oksid, ki je ustvaril prvo resnično uspešno litij-ionsko baterijo.
Kobaltov oksid je prevladujoč katodni material na trgu in se običajno uporablja v polnilnih baterijah mobilnih telefonov in prenosnih računalnikov. V medicinski opremi, kot so srčni defibrilatorji, se za katode običajno uporablja srebrov vanadijev oksid. Ta vrsta baterije ima srebro kot stranski produkt svoje kemične reakcije, kar izboljša prevodnost baterije.
Železov fosfat in v manjši meri litijev titanat sta pritegnila pozornost proizvajalcev avtomobilov kot potencialni katodni material za baterije električnih avtomobilov. Eden od razlogov za to je, da se lahko baterije s katodami iz teh spojin hitro napolnijo v samo 10 minutah. Najvišjo energijsko gostoto imajo celice s katodami iz nikelata. Ta visoka energijska gostota pomeni, da same po sebi niso tako varne kot baterije iz železovega fosfata ali litijevega titanata.