האנודה של סוללת ליתיום-יון עשויה בדרך כלל מתרכובות פעילות של ליתיום, בעוד הקתודה היא מבנה מולקולרי מיוחד של פחמן. המרכיב העיקרי של חומר האנודה הנפוץ הוא LiCoO2. במהלך הטעינה, הפוטנציאל החשמלי שנוסף לעמודי הסוללה מאלץ את תרכובות האנודה לשחרר יונים ליתיום ולהטביע אותם לתוך הפחמן עם מבנה הלמינאר מסודר על ידי מולקולות קתודה. כאשר הם משוחררים, יונים הליתיום נשלף מפחמן lamellar וחוברים מחדש לתרכובת החיובית. התנועה של יונים ליתיום יוצר סוללות ליתיום קיבולת גדולה.
למרות עקרון התגובה הכימית הוא פשוט מאוד, עם זאת, בייצור התעשייתי בפועל, יש הרבה יותר בעיות מעשיות שיש לקחת בחשבון: חומר אלקטרודה חיובי צריך תוספים כדי לשמור על הפעילות של טעינה מרובה, ואת החומר אלקטרודה שלילי צריך להיות מתוכנן ברמת המבנה המולקולרי כדי להכיל יותר יונים ליתיום; בנוסף לשמירה על יציבות, האלקטרוליט התמלא בין אלקטרודות חיוביות ושליליות צריך להיות מוליכות חשמלית טובה כדי להפחית את ההתנגדות הפנימית של הסוללה.
למרות שלסוללות ליתיום-יון יש מעט מאוד השפעות זיכרון של סוללות ניקל-קדמיום, שעובדות על ידי התגבשות, הן כמעט ולא מייצרות תגובה כזו בסוללות ליתיום-יון. עם זאת, הקיבולת של סוללות ליתיום-יון עדיין תקטין לאחר טעינה ופירוק מרובים. הסיבות מורכבות ומגוונות. זה בעיקר שינוי של אנודה וחומרי קתודה עצמם. מהרמה המולקולרית, מבנה החלל המכיל יונים ליתיום על אנודה וקתודה יתמוטט בהדרגה וייחסם. מנקודת מבט כימית, זה פאסיבציה פעילה של האנודה וחומרי קתודה, אשר גורמת לתגובות צד ומייצרת תרכובות אחרות יציבות. בפיזיקה, יהיה גם פילינג הדרגתי של חומר האלקטרודה החיובי, אשר בסופו של דבר מפחית את מספר יונים ליתיום בסוללה שיכול לנוע בחופשיות במהלך טעינה ופירוק.
