Katodni materijali obično su ograničavajući čimbenik kada je riječ o izradi pouzdanih litij-ionskih baterija. Uz punjive baterije u sve većoj upotrebi, znanstvenici nastavljaju tražiti katodne materijale koji kombiniraju visoku snagu sa sigurnim radom. Koriste se različiti materijali, ovisno o primjeni. Baterije za potrošačke uređaje već dugo koriste kobaltov oksid kao glavni materijal za katodu, a željezni fosfat je tražen za baterije električnih automobila.
Poželjne kvalitete katodnih materijala su da uključuju reverzibilnu reakciju koja može proizvesti punjivu bateriju i da ta reakcija ne uzrokuje promjenu faze između bilo kojeg od uključenih materijala. Dodatna energija potrebna za promjenu materijala između njihovih plinovitih, tekućih i čvrstih faza čini nepraktičnim projektiranje baterije koja uključuje takvu promjenu. Rane verzije punjivih litijevih baterija koristile su otopljeni sumpor kao katodu, okružen rastopljenom soli koja je bila 842 stupnja Fahrenheita (450 stupnjeva Celzija). Ove baterije mogle bi pružiti visoku snagu, ali držanje tekućih materijala odvojenih bio je prevelik problem. Istraživači su tražili praktičnu metodu korištenja sumpora kao katodnog materijala.
Jedna od poteškoća u razvoju boljih katodnih materijala je njihova inherentna hlapljivost. Da bi baterija funkcionirala, katoda mora imati jak električni naboj u odnosu na drugu elektrodu, anodu. Za to je potrebna tvar s visokim udjelom kisika. Takav materijal je potencijalno vrlo zapaljiv, posebno u kombinaciji s toplinom koja je često povezana s kemijskom reakcijom koja se odvija unutar baterije.
To je jedan od razloga interesa za spojeve sumpora za katode. Sumpor ima električne kvalitete kisika bez njegove hlapljivosti. Problem sa sumpornim spojevima je što oni proizvode katode s kraćim vijekom trajanja, jer njihove kemijske reakcije ostavljaju nusproizvode koji se otapaju u materijalu elektrolita koji razdvaja dvije elektrode.
Početkom 1970-ih pojavila se nova skupina spojeva koja je privukla pozornost istraživača koji su odustali od ideje korištenja rastaljenog sumpora. Najlakši od ovih spojeva, titanov disulfid, obično se koristio tijekom ovog desetljeća. Zamijenjena je otprilike 1980. litij kobalt oksidom, koji je proizveo prvu uistinu uspješnu litij-ionsku bateriju.
Kobaltov oksid je dominantan katodni materijal na tržištu i obično se koristi u punjivim baterijama mobilnih telefona i prijenosnih računala. U medicinskoj opremi kao što su srčani defibrilatori, srebrni vanadijev oksid se obično koristi za katode. Ova vrsta baterija ima srebro kao nusprodukt svoje kemijske reakcije, a to poboljšava vodljivost baterije.
Željezni fosfat i u manjoj mjeri litijev titanat privukli su pozornost proizvođača automobila kao potencijalni katodni materijali za baterije električnih automobila. Jedan od razloga za to je taj što se baterije s katodama napravljenim od ovih spojeva mogu brzo napuniti za samo 10 minuta. Najveću gustoću energije imaju ćelije s katodama od niklata. Ova visoka gustoća energije znači da one same po sebi nisu tako sigurne kao baterije od željeznog fosfata ili litij-titanata.