Katodik malzemeler, güvenilir lityum-iyon piller üretme konusunda genellikle sınırlayıcı faktördür. Sürekli artan kullanımda olan şarj edilebilir pillerle, bilim adamları yüksek çıktıyı güvenli çalışma ile birleştiren katot malzemeleri aramaya devam ediyorlar. Uygulamaya bağlı olarak çeşitli malzemeler kullanılır. Tüketici cihazları için kullanılan bataryalar, uzun süredir ana katod malzemesi olarak kobalt oksit kullanmaktadır ve elektrikli otomobil bataryaları için demir fosfat talep edilmektedir.
Katot malzemelerde istenen özellikler, şarj edilebilir bir batarya üretebilen tersinir bir reaksiyon içermeleri ve bu reaksiyonun dahil olan herhangi bir malzeme arasında bir faz değişikliğine neden olmamasıdır. Malzemeleri gaz, sıvı ve katı fazlar arasında değiştirmek için gereken ekstra enerji, böyle bir değişimi içeren bir batarya tasarlamayı pratik yapmaz. Şarj edilebilir lityum pillerin ilk versiyonlarında, 842 derece Fahrenheit (450 derece Santigrat) olan erimiş tuzla çevrili bir katot olarak erimiş sülfür kullanıldı. Bu bataryalar yüksek çıkış sağlayabilir, ancak sıvı malzemeleri ayırmak çok büyük bir problemdi. Araştırmacılar, bir katot materyali olarak kükürt kullanmanın pratik bir yöntemini aradılar.
Daha iyi katot malzemeleri geliştirmedeki zorluklardan biri, doğal oynaklıklarıdır. Bataryanın çalışması için katodun, diğer elektrot olan anot ile ilgili olarak güçlü bir elektrik yüküne sahip olması gerekir. Bu, yüksek oksijen içeriğine sahip bir madde gerektirir. Bu tür malzeme, özellikle de bir batarya içerisinde gerçekleşen kimyasal reaksiyon ile ilişkilendirilen ısı ile birleştirildiğinde potansiyel olarak çok yanıcıdır.
Bu, katotlar için kükürt bileşiklerine duyulan ilginin nedenlerinden biridir. Kükürt, uçuculuğu olmadan oksijenin elektriksel niteliklerine sahiptir. Sülfür bileşiklerinin sorunu, daha kısa ömürlü katot üretmeleridir, çünkü kimyasal reaksiyonları iki elektrotu ayıran elektrolit materyaline çözünen yan ürünler bırakır.
1970'lerin başında, erimiş kükürt kullanma fikrinden vazgeçen araştırmacıların dikkatini çeken yeni bir bileşikler grubu ortaya çıktı. Bu bileşiklerin en hafif olanı, titanyum disülfit, bu on yıl boyunca yaygın olarak kullanıldı. İlk başarılı lityum-iyon bataryayı üreten, 1980 yılında lityum kobalt oksit ile değiştirildi.
Kobalt oksit, pazardaki baskın katod malzemesidir ve cep telefonlarının ve dizüstü bilgisayarların şarj edilebilir pillerinde yaygın olarak kullanılır. Kardiyak defibrilatörler gibi tıbbi cihazlarda katotlar için gümüş vanadyum oksit kullanılır. Bu tip pil, kimyasal reaksiyonunun bir yan ürünü olarak gümüşe sahiptir ve bu, pilin iletkenliğini arttırır.
Demir fosfat ve daha az miktarda lityum titanat, otomobil üreticilerinden elektrikli otomobil aküleri için potansiyel katot malzemeleri olarak dikkat çekti. Bunun bir nedeni, bu bileşiklerden yapılan katotlu pillerin 10 dakika kadar kısa sürede hızlı bir şekilde şarj edilebilmesidir. Nickelattan yapılan katotlu hücreler en yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir. Bu yüksek enerji yoğunluğu, doğal olarak demir fosfat veya lityum titanat piller kadar güvenli olmadıkları anlamına gelir.
