三元鋰電池從層狀相到尖晶石相的相轉變溫度分別為245℃、235℃、185℃和135℃，尖晶石相存在的溫度區間逐步縮減，表明隨著Ni含量提高NCM熱穩定性逐漸降低。更為重要的是，從NCM523到NCM811，材料的熱穩定性呈現急劇降低的趨勢。伴隨材料相轉變，大量的氧被釋放出來。可以看到NCM811的氧釋放量最大，是其他幾款材料的數倍之多。目前的研究表明，在全電池體系中NCM相轉變往往發生在顆粒表層，且釋放的氧會以高活性的單線態氧1O2形式存在，后者同電解液反應既會釋放大量熱量，還會產生大量氣體，從而進一步惡化電池安全。
磷酸鐵鋰電池在溫度至少高于230℃條件下才會出現顯著的失重，由此表明LFP具有良好的熱穩定性。正如前文所述，橄欖石結構的LFP的良好熱穩定性源于其結構中磷酸基，Fe-P-O鍵遠強于層狀結構NCM中的Ni-O、Co-O和Mn-O鍵，因此LFP較NCM有著更好的熱穩定性。