Τα υλικά καθόδου είναι συνήθως ο περιοριστικός παράγοντας όταν πρόκειται για την κατασκευή αξιόπιστων μπαταριών ιόντων λιθίου. Με τις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες σε ολοένα αυξανόμενη χρήση, οι επιστήμονες συνεχίζουν να αναζητούν υλικά καθόδου που συνδυάζουν υψηλή απόδοση με ασφαλή λειτουργία. Χρησιμοποιείται ποικιλία υλικών, ανάλογα με την εφαρμογή. Οι μπαταρίες για καταναλωτικές συσκευές χρησιμοποιούν από καιρό το οξείδιο του κοβαλτίου ως κύριο υλικό καθόδου και ο φωσφορικός σίδηρος είναι σε ζήτηση για μπαταρίες ηλεκτρικών αυτοκινήτων.
Οι επιθυμητές ιδιότητες στα υλικά καθόδου είναι ότι περιλαμβάνουν μια αναστρέψιμη αντίδραση που μπορεί να παράγει μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία και ότι αυτή η αντίδραση δεν προκαλεί αλλαγή φάσης μεταξύ κανενός από τα εμπλεκόμενα υλικά. Η επιπλέον ενέργεια που απαιτείται για την αλλαγή των υλικών μεταξύ της αέριας, υγρής και στερεάς φάσης τους καθιστά ανέφικτο τον σχεδιασμό μιας μπαταρίας που περιλαμβάνει μια τέτοια αλλαγή. Οι πρώτες εκδόσεις επαναφορτιζόμενων μπαταριών λιθίου χρησιμοποιούσαν λιωμένο θείο ως κάθοδο, που περιβαλλόταν από τηγμένο αλάτι που ήταν 842 βαθμούς Φαρενάιτ (450 βαθμοί Κελσίου). Αυτές οι μπαταρίες θα μπορούσαν να παρέχουν υψηλή απόδοση, αλλά η διατήρηση των υγρών υλικών διαχωρισμένα ήταν πολύ μεγάλο πρόβλημα. Οι ερευνητές αναζήτησαν μια πρακτική μέθοδο χρήσης του θείου ως υλικού καθόδου.
Μία από τις δυσκολίες στην ανάπτυξη καλύτερων καθοδικών υλικών είναι η εγγενής πτητότητά τους. Για να λειτουργήσει η μπαταρία, η κάθοδος πρέπει να έχει ισχυρό ηλεκτρικό φορτίο σε σχέση με το άλλο ηλεκτρόδιο, την άνοδο. Αυτό απαιτεί μια ουσία με υψηλή περιεκτικότητα σε οξυγόνο. Ένα τέτοιο υλικό είναι δυνητικά πολύ εύφλεκτο, ειδικά όταν συνδυάζεται με τη θερμότητα που συχνά συνδέεται με τη χημική αντίδραση που λαμβάνει χώρα μέσα σε μια μπαταρία.
Αυτός είναι ένας από τους λόγους για το ενδιαφέρον για τις θειούχες ενώσεις για τις καθόδους. Το θείο έχει τις ηλεκτρικές ιδιότητες του οξυγόνου χωρίς την πτητικότητά του. Το πρόβλημα με τις ενώσεις θείου είναι ότι παράγουν καθόδους με μικρότερη διάρκεια ζωής, επειδή οι χημικές τους αντιδράσεις αφήνουν υποπροϊόντα που διαλύονται στο υλικό ηλεκτρολύτη που χωρίζει τα δύο ηλεκτρόδια.
Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, μια νέα ομάδα ενώσεων εμφανίστηκε που τράβηξε την προσοχή των ερευνητών που είχαν εγκαταλείψει την ιδέα της χρήσης λιωμένου θείου. Η ελαφρύτερη από αυτές τις ενώσεις, το δισουλφίδιο του τιτανίου, χρησιμοποιήθηκε συνήθως κατά τη διάρκεια αυτής της δεκαετίας. Αντικαταστάθηκε περίπου το 1980 από οξείδιο του κοβαλτίου λιθίου, το οποίο παρήγαγε την πρώτη πραγματικά επιτυχημένη μπαταρία ιόντων λιθίου.
Το οξείδιο του κοβαλτίου είναι το κυρίαρχο υλικό καθόδου στην αγορά και χρησιμοποιείται συνήθως στις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες κινητών τηλεφώνων και φορητών υπολογιστών. Σε ιατρικό εξοπλισμό όπως οι καρδιακοί απινιδωτές, το οξείδιο του αργύρου βαναδίου χρησιμοποιείται συνήθως για τις καθόδους. Αυτός ο τύπος μπαταρίας έχει το ασήμι ως υποπροϊόν της χημικής του αντίδρασης και αυτό βελτιώνει την αγωγιμότητα της μπαταρίας.
Ο φωσφορικός σίδηρος, και σε μικρότερο βαθμό το τιτανικό λίθιο, έχουν τραβήξει την προσοχή από τους κατασκευαστές αυτοκινήτων ως πιθανά υλικά καθόδου για μπαταρίες ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Ένας λόγος για αυτό είναι επειδή οι μπαταρίες με καθόδους που κατασκευάζονται από αυτές τις ενώσεις μπορούν να φορτιστούν γρήγορα σε μόλις 10 λεπτά. Τα κύτταρα με καθόδους από νικελικό έχουν την υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα. Αυτή η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα σημαίνει ότι από τη φύση τους δεν είναι τόσο ασφαλείς όσο οι μπαταρίες φωσφορικού σιδήρου ή τιτανικού λιθίου.