鋰離子嵌入化合物在水溶液中的化學/電化學反應比在有機電解液中要復雜得多：要涉及到許多副反應，例如電極材料與水和氧氣的反應;電極材料嵌鋰過程中的質子協同嵌入;氧氣和氫氣的析出;電極材料在水中的溶解。

已經證實當相對與Li/Li+的電位高于3.3V時，電極材料在空氣中基本上是穩定的。而對于水系鉀離子電池的負極，嵌入電位通常低于3.3V。

首先我們要考慮電極材料在水溶液中的穩定性。水系電池通常是敞開于空氣中，我們需要考慮電極材料在水和氧氣都存在的情況下的穩定性。。

若在水和氧氣都存在時，以下反應將會發生：

Li(fimtercalated)+(1/4)O2 +(1/2)H20 →Li++HO-

嵌鋰化合物于水和氧氣達到平衡時計算得到的的平衡電位V(x)= 4.27 -0.059pH(V)

在氧氣存在的情況下，沒有材料可以用來作水系鋰離子電池的負極。這是因為水系鋰離子電池負極的鋰離子嵌入電位一般相對于Li/Li+低于3.0V，而計算得到的平衡電位在PH為7時是3.85V，在PH為13時是3.5V。這表明所有負極材料的還原態理論上將會被水和氧氣氧化，而不是進行電化學氧化反應。我們認為在氧氣存在時，適合作為水系鋰離子電池負極任何材料在放電態都會和氧氣和水反應，這是導致水系鋰離子電池容量衰減的原因。

在無氧的情況下，嵌鋰化合物將會于水發生如下反應：

Li(tintercalated)+H20→Li++OH-+(1/2)H2

嵌鋰化合物于水達到平衡時計算得到的的平衡電位是：

V(x)=3.04-0.059pH(V)

通過廣泛研究電極材料在水溶液中的穩定性，伴隨著鋰離子嵌入的質子嵌入，氧氣和氫氣的析出反應，和電極材料在水中的溶解性，研究人員發現：在氧氣存在的情況下，適合作為水系鋰離子電池負極任何材料在放電態都會和氧氣和水反應，這是導致水系鋰離子電池容量衰減的原因。通過密封電池除氧，調整電解液的pH值，使用炭包覆的電極材料，水系鋰離子電池可以具有非常長的循環壽命。