Gęstość energii lodu jest bardzo wysoka i wynosi około 85 kWh/m³ (305–390 MJ/m³) w ujęciu objętościowym oraz około 92,5 Wh/kg w ujęciu masowym. Dzięki temu bateria termiczna z przemianą fazową oparta na lodzie oferuje gęstość energetyczną od 5,6 do nawet 9,7 raza wyższą niż tradycyjne magazyny wykorzystujące wyłącznie wodę.
Istotną właściwością fizyczną jest anomalia gęstości wody, która osiąga maksimum (1000 kg/m³) w temperaturze 3,98°C, podczas gdy gęstość lodu w 0°C to 917 kg/m³. Proces zamarzania wiąże się ze wzrostem objętości o około 8,5%, co wymusza zarezerwowanie w zbiorniku baterii od 10% do 15% wolnej przestrzeni na ekspansję lodu, aby zapobiec uszkodzeniom mechanicznym.
Właściwości przewodzenia energii w baterii zmieniają się skokowo podczas zmiany fazy: przewodność cieplna lodu (ok. 2,25 W/(m·K)) jest około cztery razy wyższa niż wody ciekłej (ok. 0,56 W/(m·K)). Ta różnica powoduje asymetrię cyklu pracy – lód przewodzi ciepło lepiej niż woda, co przy odpowiednim zaprojektowaniu systemu pozwala na szybsze rozładowanie chłodu niż jego ładowanie.
Dynamikę pracy baterii definiuje bezwymiarowa liczba Stefana (Ste), która dla układów lodowych mieści się w zakresie 0,1–0,3. Tak niska wartość potwierdza, że proces magazynowania jest niemal całkowicie zdominowany przez energię przemiany fazowej, a głębokość penetracji ciepła w lodzie rozwija się jako pierwiastek czasu. Lód wykazuje również niższą pojemność cieplną właściwą od wody, wynoszącą około 2,05–2,09 kJ/(kg·K).
W rzeczywistych instalacjach kluczowe jest zjawisko przechłodzenia (supercooling), polegające na pozostawaniu wody w stanie ciekłym poniżej 0°C. W bateriach komercyjnych efekt ten jest ograniczany do 1–3°C za pomocą nukleatorów, co ułatwia inicjację krystalizacji. Na wydajność systemu wpływa także morfologia lodu – lód przezroczysty, powstający przy powolnym zamarzaniu, posiada wyższą przewodność cieplną i jest bardziej pożądany w bateriach termicznych niż lód mleczny