Katoda materiāli parasti ir ierobežojošais faktors, kad runa ir par uzticamu litija jonu akumulatoru izgatavošanu. Tā kā uzlādējamās baterijas tiek arvien biežāk izmantotas, zinātnieki turpina meklēt katoda materiālus, kas apvieno lielu jaudu ar drošu darbību. Atkarībā no pielietojuma tiek izmantoti dažādi materiāli. Patēriņa ierīču akumulatoriem jau sen ir izmantots kobalta oksīds kā galvenais katoda materiāls, un pēc elektromobiļu akumulatoriem ir pieprasīts dzelzs fosfāts.
Katoda materiālu vēlamās īpašības ir tādas, ka tie ietver atgriezenisku reakciju, kas var radīt atkārtoti uzlādējamu akumulatoru, un šī reakcija neizraisa fāzes izmaiņas nevienā no iesaistītajiem materiāliem. Papildu enerģija, kas nepieciešama, lai mainītu materiālus starp to gāzes, šķidro un cieto fāzi, padara nepraktisku izstrādāt akumulatoru, kas ietver šādas izmaiņas. Agrīnās uzlādējamo litija bateriju versijas kā katodu izmantoja izkausētu sēru, ko ieskauj izkusis sāls, kura temperatūra bija 842 grādi pēc Fārenheita (450 grādi pēc Celsija). Šīs baterijas varētu nodrošināt lielu jaudu, taču šķidro materiālu atdalīšana bija pārāk liela problēma. Pētnieki ir meklējuši praktisku metodi sēra kā katoda materiāla izmantošanai.
Viena no grūtībām labāku katoda materiālu izstrādē ir to raksturīgā nepastāvība. Lai akumulators darbotos, katodam ir jābūt spēcīgam elektriskam lādiņam attiecībā pret otru elektrodu, anodu. Tam nepieciešama viela ar augstu skābekļa saturu. Šāds materiāls ir potenciāli ļoti viegli uzliesmojošs, īpaši, ja to apvieno ar siltumu, kas bieži ir saistīts ar ķīmisko reakciju, kas notiek akumulatorā.
Tas ir viens no iemesliem interesei par sēra savienojumiem katodiem. Sēram piemīt skābekļa elektriskās īpašības bez tā nepastāvības. Sēra savienojumu problēma ir tāda, ka tie ražo katodus ar īsāku kalpošanas laiku, jo to ķīmiskās reakcijas atstāj blakusproduktus, kas izšķīst elektrolīta materiālā, kas atdala divus elektrodus.
1970. gadu sākumā radās jauna savienojumu grupa, kas pievērsa to pētnieku uzmanību, kuri bija atteikušies no idejas par kausēta sēra izmantošanu. Šajā desmitgadē parasti tika izmantots vieglākais no šiem savienojumiem, titāna disulfīds. Aptuveni 1980. gadā to nomainīja litija kobalta oksīds, kas radīja pirmo patiesi veiksmīgo litija jonu akumulatoru.
Kobalta oksīds ir dominējošais katoda materiāls tirgū, un to parasti izmanto mobilo tālruņu un klēpjdatoru uzlādējamās baterijās. Medicīnas iekārtās, piemēram, sirds defibrilatoros, katodiem parasti izmanto sudraba vanādija oksīdu. Šāda veida akumulatoriem ķīmiskās reakcijas blakusprodukts ir sudrabs, un tas uzlabo akumulatora vadītspēju.
Dzelzs fosfāts un mazākā mērā litija titanāts ir pievērsuši automašīnu ražotāju uzmanību kā potenciālie katoda materiāli elektrisko automašīnu akumulatoriem. Viens no iemesliem ir tas, ka baterijas ar katodiem, kas izgatavoti no šiem savienojumiem, var ātri uzlādēt tikai 10 minūtēs. Šūnām ar katodiem, kas izgatavoti no nikelāta, ir visaugstākais enerģijas blīvums. Šis lielais enerģijas blīvums nozīmē, ka tie pēc būtības nav tik droši kā dzelzs fosfāta vai litija titanāta baterijas.