Werden Li-Ionen-Zellen überladen oder hohen Temperaturen ausgesetzt, dann bricht die Schichtstruktur der Metalloxide zusammen. Bei diesem Vorgang - er verläuft stark exotherm, d.h. hohe Energiemengen werden freigesetzt - wird elementarer Sauerstoff gebildet. Die hohe Wärmeenergie führt zu einer Verdampfung der organischen Elektrolytflüssigkeit, wodurch leichtbrennbare Gase entstehen.
Überschreitet die Temperatur in der Zelle den Flammpunkt eines Gases, dann entzündet sich dieses organische Gas und die Li-Ionen-Zelle brennt. Da dies ein sich selbst verstärkender Prozess ist, kann er zum thermischen Durchgehen führen und die eingelagerten Li-Atome entzünden (Metallbrand). Ein solcher Brand lässt sich nur schwer löschen. Auf keinen Fall darf mit Wasser gelöscht werden! Auch Löschversuche mit speziellen Metallbrandlöschern (Feuerlöscher Klasse D) können erfolglos bleiben, da Li-Ionen-Zellen den zum Brand benötigten Sauerstoff selbst erzeugen.
Das Tiefentladen einer Li-Ionen-Zelle kann ebenfalls zu einem Brand führen. Wiederum zersetzt sich die Elektrolytflüssigkeit und bildet dabei leicht brennbares Gas. Aus dem Kupferblech, das auf Anodenseite als Ableitermaterial genutzt wird, gehen Kupfer-Ionen in Lösung. Wird solch eine tiefentladene Li-Ionen-Zelle geladen, kann die zugeführte Energiemenge durch das Fehlen von Elektrolytflüssigkeit nicht mehr in chemische Energie gespeichert werden. Die Lade-Energie wird in Wärme umgesetzt. Außerdem scheiden sich die gelösten Kupfer-Ionen als Kupfer-Nadeln auf dem Graphit (Anode) ab. Sie können die Separatorfolie durchstechen und einen Kurzschluss herbeiführen.
