วัสดุแคโทดมักเป็นปัจจัย จำกัด เมื่อกล่าวถึงการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เชื่อถือได้ ด้วยแบตเตอรี่ที่ชาร์จซ้ำได้ในการใช้งานที่เพิ่มมากขึ้นนักวิทยาศาสตร์ยังคงค้นหาวัสดุแคโทดที่รวมเอาท์พุทสูงกับการทำงานที่ปลอดภัย มีการใช้วัสดุหลากหลายขึ้นอยู่กับการใช้งาน แบตเตอรี่สำหรับเครื่องใช้ของผู้บริโภคมีการใช้โคบอลต์ออกไซด์เป็นวัสดุแคโทดหลักเป็นเวลานานและเหล็กฟอสเฟตเป็นที่ต้องการสำหรับแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า
คุณสมบัติที่ต้องการในวัสดุแคโทดคือพวกมันเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาย้อนกลับที่สามารถผลิตแบตเตอรี่แบบชาร์จได้และปฏิกิริยานี้ไม่ได้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสในวัสดุใด ๆ ที่เกี่ยวข้อง พลังงานพิเศษที่จำเป็นในการเปลี่ยนวัสดุระหว่างก๊าซของเหลวและขั้นตอนของแข็งทำให้ไม่สามารถออกแบบแบตเตอรี่ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวได้ แบตเตอรี่ลิเธียมที่ชาร์จไฟได้รุ่นแรก ๆ นั้นใช้กำมะถันหลอมเหลวเป็นแคโทดล้อมรอบด้วยเกลือหลอมเหลวที่มีอุณหภูมิ 842 องศาฟาเรนไฮต์ (450 องศาเซลเซียส) แบตเตอรี่เหล่านี้ให้ผลผลิตสูง แต่การแยกวัสดุของเหลวออกเป็นปัญหามากเกินไป นักวิจัยได้มองหาวิธีการปฏิบัติของการใช้กำมะถันเป็นวัสดุแคโทด
หนึ่งในปัญหาในการพัฒนาวัสดุแคโทดที่ดีกว่าคือความผันผวนโดยธรรมชาติ เพื่อให้แบตเตอรี่ทำงานได้แคโทดจะต้องมีประจุไฟฟ้าที่แรงเมื่อเทียบกับขั้วบวกตัวอื่นคือขั้วบวก ต้องใช้สารที่มีปริมาณออกซิเจนสูง วัสดุดังกล่าวอาจติดไฟได้มากโดยเฉพาะเมื่อรวมกับความร้อนที่มักเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาทางเคมีที่เกิดขึ้นภายในแบตเตอรี่
นี่คือหนึ่งในเหตุผลที่ความสนใจในสารประกอบกำมะถันสำหรับแคโทด ซัลเฟอร์มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าของออกซิเจนโดยไม่มีความผันผวน ปัญหาของสารประกอบกำมะถันคือพวกมันผลิตแคโทดที่มีอายุการใช้งานสั้นลงเพราะปฏิกิริยาทางเคมีของพวกมันทำให้เกิดผลพลอยได้ที่ละลายลงในวัสดุอิเล็กโทรไลต์ที่แยกขั้วไฟฟ้าทั้งสอง
ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 กลุ่มสารประกอบใหม่ได้ก่อให้เกิดความสนใจของนักวิจัยที่เลิกใช้ความคิดในการใช้กำมะถันเหลว สารประกอบที่เบาที่สุดของไทเทเนียมไดซัลไฟด์นี้ถูกใช้กันทั่วไปในช่วงทศวรรษนี้ มันถูกแทนที่ในประมาณ 1980 โดยลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ซึ่งผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ประสบความสำเร็จอย่างแท้จริงครั้งแรก
โคบอลต์ออกไซด์เป็นวัสดุแคโทดที่โดดเด่นในตลาดและมักใช้ในแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ของโทรศัพท์มือถือและคอมพิวเตอร์แล็ปท็อป ในอุปกรณ์ทางการแพทย์เช่นเครื่องกระตุ้นหัวใจ, ซิลเวอร์วานาเดียมออกไซด์มักใช้สำหรับแคโทด แบตเตอรี่ประเภทนี้มีสีเงินเป็นผลพลอยได้จากปฏิกิริยาทางเคมีและช่วยปรับปรุงการนำไฟฟ้าของแบตเตอรี่
Iron phosphate และ lithium titanate ที่น้อยกว่าได้รับความสนใจจากผู้ผลิตรถยนต์เป็นวัสดุแคโทดสำหรับแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า เหตุผลหนึ่งที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะว่าแบตเตอรี่ที่มีแคโทดที่ทำจากสารประกอบเหล่านี้สามารถชาร์จได้อย่างรวดเร็วในเวลาเพียง 10 นาที เซลล์ที่มีแคโทดที่ทำจากนิกเกิลมีความหนาแน่นของพลังงานสูงที่สุด ความหนาแน่นพลังงานสูงนี้หมายความว่าไม่ปลอดภัยเหมือนแบตเตอรี่เหล็กฟอสเฟตหรือลิเธียมไททาเนต
