Cực dương của pin lithium-ion thường được làm bằng các hợp chất hoạt động của lithium' trong khi cực âm là một cấu trúc phân tử đặc biệt của cacbon. Thành phần chính của vật liệu làm cực dương phổ biến là LiCoO2. Trong quá trình sạc, điện thế được thêm vào các cực của pin buộc các hợp chất ở cực dương giải phóng các ion liti và nhúng chúng vào cacbon với cấu trúc tầng được sắp xếp bởi các phân tử cực âm. Khi được phóng điện, các ion liti được kéo ra khỏi cacbon phiến và gắn lại với hợp chất dương. Sự chuyển động của các ion lithium tạo ra pin lithium dung lượng lớn.
Mặc dù nguyên lý phản ứng hóa học rất đơn giản, tuy nhiên, trong thực tế sản xuất công nghiệp, có nhiều vấn đề thực tế hơn cần quan tâm: vật liệu làm điện cực dương cần phụ gia để duy trì hoạt động của quá trình tích điện và vật liệu điện cực âm cần được thiết kế ở cấp độ cấu trúc phân tử để chứa nhiều ion liti hơn; Ngoài việc duy trì sự ổn định, chất điện phân được lấp đầy giữa các điện cực âm và dương cần phải có tính dẫn điện tốt để giảm nội trở của pin.
Mặc dù pin lithium-ion có một số hiệu ứng nhớ như pin niken-cadmium, hoạt động bằng cách kết tinh, nhưng chúng hiếm khi tạo ra phản ứng như vậy trong pin lithium-ion. Tuy nhiên, dung lượng của pin lithium-ion vẫn sẽ giảm sau nhiều lần sạc và xả. Các lý do rất phức tạp và đa dạng. Nó chủ yếu là sự thay đổi của vật liệu anốt và catốt. Từ cấp độ phân tử, cấu trúc khoang chứa các ion liti trên anốt và catốt sẽ dần dần bị sụp đổ và bị chặn lại. Từ quan điểm hóa học, đó là sự thụ động tích cực của vật liệu cực dương và cực âm, dẫn đến các phản ứng phụ và tạo ra các hợp chất ổn định khác. Trong vật lý, vật liệu điện cực dương cũng sẽ bị bong tróc dần dần, điều này cuối cùng làm giảm số lượng các ion lithium trong pin có thể di chuyển tự do trong quá trình sạc và xả.
