Katodimateriaalit ovat yleensä rajoittava tekijä luotettavien litiumioniakkujen valmistuksessa. Kun ladattavat akut ovat jatkuvasti käytössä, tutkijat etsivät edelleen katodimateriaaleja, joissa yhdistyvät korkea teho ja turvallinen käyttö. Käytetään erilaisia materiaaleja sovelluksesta riippuen. Kuluttajalaitteiden akuissa on pitkään käytetty kobolttioksidia pääkatodimateriaalinaan, ja rautafosfaatti on kysyntää sähköautojen akuille.
Katodimateriaaleissa toivottavia ominaisuuksia ovat, että niihin liittyy palautuva reaktio, joka voi tuottaa ladattavan akun, ja että tämä reaktio ei aiheuta vaihemuutosta minkään materiaalin välillä. Lisäenergia, joka tarvitaan materiaalien vaihtamiseen kaasu-, neste- ja kiinteäfaasien välillä, tekee epäkäytännölliseksi suunnitella tällaisen muutoksen sisältävä akku. Ladattavien litiumakkujen varhaisissa versioissa käytettiin katodina sulaa rikkiä, jota ympäröi sula suola, joka oli 842 celsiusastetta (450 astetta). Nämä paristot voisivat tuottaa suuren tehon, mutta nestemäisten materiaalien eristäminen oli liian suuri ongelma. Tutkijat ovat etsineet käytännöllistä tapaa käyttää rikkiä katodimateriaalina.
Yksi vaikeuksista kehittää parempia katodimateriaaleja on niiden luontainen haihtuvuus. Jotta akku toimisi, katodilla on oltava vahva sähkövaraus toiseen elektrodiin, anodiin nähden. Tämä edellyttää ainetta, jolla on korkea happipitoisuus. Tällainen materiaali on mahdollisesti erittäin helposti syttyvää, erityisesti yhdistettynä lämpöön, joka liittyy usein akun sisällä tapahtuvaan kemialliseen reaktioon.
Tämä on yksi syy kiinnostukseen katodien rikkiyhdisteistä. Rikkillä on hapen sähköiset ominaisuudet ilman haihtuvuutta. Rikkiyhdisteiden ongelma on se, että ne tuottavat katodeja, joiden käyttöikä on lyhyempi, koska niiden kemialliset reaktiot jättävät sivutuotteita, jotka liukenevat elektrolyyttimateriaaliin, joka erottaa kaksi elektrodia.
1970 -luvun alussa syntyi uusi yhdisteiden ryhmä, joka kiinnitti tutkijoiden huomion, jotka olivat luopuneet ajatuksesta käyttää sulaa rikkiä. Kevyintä näistä yhdisteistä, titaanidisulfidia, käytettiin yleisesti tämän vuosikymmenen aikana. Se korvattiin noin vuonna 1980 litiumkobolttioksidilla, joka tuotti ensimmäisen todella onnistuneen litiumioniakun.
Kobolttioksidi on hallitseva katodimateriaali markkinoilla ja sitä käytetään yleisesti matkapuhelinten ja kannettavien tietokoneiden ladattavissa akuissa. Lääketieteellisissä laitteissa, kuten sydämen defibrillaattoreissa, katodissa käytetään yleisesti hopea -vanadiinioksidia. Tämäntyyppisten paristojen kemiallinen reaktio on sivutuote hopeaa, mikä parantaa akun johtavuutta.
Rautafosfaatti ja vähemmässä määrin litiumtitanaatti ovat kiinnittäneet autonvalmistajien huomion sähköautojen akkujen mahdollisina katodimateriaaleina. Yksi syy tähän on se, että näistä yhdisteistä valmistetut katodiset akut voidaan ladata nopeasti vain 10 minuutissa. Solut, joissa on nikkelikelaatista valmistettuja katodeja, ovat eniten energiatiheyttä. Tämä suuri energiatiheys tarkoittaa, että ne eivät ole luonnostaan yhtä turvallisia kuin rautafosfaatti- tai litiumtitanaattiparistot.