Katodinės medžiagos paprastai yra ribojantis veiksnys, kai reikia gaminti patikimas ličio jonų baterijas. Kadangi įkraunamos baterijos vis dažniau naudojamos, mokslininkai ir toliau ieško katodinių medžiagų, kurios derina didelę galią ir saugų veikimą. Priklausomai nuo paskirties, naudojamos įvairios medžiagos. Vartotojų prietaisų baterijos ilgą laiką naudoja kobalto oksidą kaip pagrindinę katodo medžiagą, o geležies fosfatas yra paklausus elektromobilių akumuliatoriams.
Pageidautinos katodinių medžiagų savybės yra tai, kad jose vyksta grįžtamoji reakcija, kuri gali sukurti įkraunamą bateriją, ir kad ši reakcija nesukelia fazės pasikeitimo tarp bet kurios dalyvaujančios medžiagos. Dėl papildomos energijos, reikalingos medžiagoms pakeisti dujinę, skystąją ir kietąją fazes, nepraktiška kurti bateriją, kuri būtų susijusi su tokiu pakeitimu. Ankstyvosiose įkraunamų ličio baterijų versijose kaip katodas buvo naudojama išlydyta siera, apsupta išlydyta druska, kurios temperatūra buvo 842 laipsniai Farenheito (450 laipsnių Celsijaus). Šios baterijos gali užtikrinti didelę galią, tačiau atskirti skystas medžiagas buvo per didelė problema. Tyrėjai ieškojo praktinio metodo, kaip panaudoti sierą kaip katodo medžiagą.
Vienas iš sunkumų kuriant geresnes katodines medžiagas yra joms būdingas nepastovumas. Kad baterija veiktų, katodas turi turėti stiprų elektros krūvį kito elektrodo – anodo – atžvilgiu. Tam reikia medžiagos, turinčios didelį deguonies kiekį. Tokia medžiaga gali būti labai degi, ypač kai kartu su šiluma, kuri dažnai siejama su chemine reakcija, vykstančia akumuliatoriuje.
Tai viena iš priežasčių, kodėl domimasi sieros junginiais katodams. Siera turi deguonies elektrines savybes be jos nepastovumo. Sieros junginių problema yra ta, kad jie gamina katodus, kurių eksploatavimo trukmė yra trumpesnė, nes jų cheminės reakcijos palieka šalutinius produktus, kurie ištirpsta į elektrolito medžiagą, skiriančią du elektrodus.
Aštuntojo dešimtmečio pradžioje atsirado nauja junginių grupė, kuri patraukė tyrėjų, atsisakiusių minties naudoti išlydytą sierą, dėmesį. Šį dešimtmetį dažniausiai buvo naudojamas lengviausias iš šių junginių – titano disulfidas. Maždaug 1970 m. jį pakeitė ličio kobalto oksidas, iš kurio buvo pagaminta pirmoji tikrai sėkminga ličio jonų baterija.
Kobalto oksidas yra dominuojanti katodo medžiaga rinkoje ir dažniausiai naudojama mobiliųjų telefonų ir nešiojamųjų kompiuterių įkraunamose baterijose. Medicininėje įrangoje, pavyzdžiui, širdies defibriliatoriuose, katodams dažniausiai naudojamas sidabro vanadžio oksidas. Šio tipo baterijose cheminės reakcijos šalutinis produktas yra sidabras, o tai pagerina akumuliatoriaus laidumą.
Geležies fosfatas ir, kiek mažesniu mastu, ličio titanatas atkreipė automobilių gamintojų dėmesį kaip galimos katodinės medžiagos elektromobilių akumuliatoriams. Viena iš priežasčių yra ta, kad baterijas su katodais, pagamintus iš šių junginių, galima greitai įkrauti vos per 10 minučių. Celės, kurių katodai pagaminti iš nikelio, turi didžiausią energijos tankį. Šis didelis energijos tankis reiškia, kad jie iš prigimties nėra tokie saugūs kaip geležies fosfato ar ličio titanato baterijos.