可充電鋰離子電池包括兩個電極，這兩個電極浸沒在電解質(zhì)溶液中并被可滲透的聚合物膜分開。當(dāng)鋰離子電池正在充電時，鋰離子通過聚合物膜從正極移動到負(fù)極。在放電期間，鋰離子從陽極返回到陰極。在此過程中，電子被發(fā)送到電子設(shè)備，在此過程中為其供電。

碳石墨是用于鋰離子電池的典型陽極材料，因為它具有可以在其層之間支撐和儲存小鋰離子的分層結(jié)構(gòu)。由于電池的工作電壓基于陰極和陽極之間的電化學(xué)電勢的差異，因此陰極不能是石墨，并且鋰離子電池的大多數(shù)性能特點基于陰極材料。

陰極通過電化學(xué)嵌入存儲鋰離子;鋰離子從陰極材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的晶格位置放入或拉出的順序。在最基本的陰極材料中有鋰-鈷-氧化物（Li-Co-O2）。當(dāng)使用這種材料制成的電池充電時，鋰離子從氧化物中被拉出并插入石墨電極中。在放電期間，發(fā)生相反的過程。當(dāng)從陰極中的氧化物中除去鋰離子時，它具有正電荷，因此鈷改變其氧化態(tài)并且氧化物保持電中性。少量的鈷在氧化態(tài)從3變化到4，以彌補鋰離子的去除。

鋰，鈷，氧化物是一種嵌入化合物，鋰，鈷和氧以二維層排列：鋰層，然后是氧層，鈷層，不同氧層和不同層鋰。在嵌入化合物中，可以除去鋰，并且基本結(jié)構(gòu)應(yīng)保持不變。假如結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，將鋰重新投入使用變得非常具有挑戰(zhàn)性。鈷增強結(jié)構(gòu)可以在開始變化之前容許約60％的鋰被去除，這在很長一段時間內(nèi)發(fā)生。

為了使鋰離子電池以可預(yù)測的方式運行，框架結(jié)構(gòu)應(yīng)保持不變。這使得這些電池可以使用數(shù)年至數(shù)十年。用相當(dāng)便宜的鎳替代鈷仍然會出現(xiàn)插層結(jié)構(gòu)。但是，假如從氧化鎳結(jié)構(gòu)中取出大量的鋰，它會釋放出相當(dāng)數(shù)量的氧，這可能會引發(fā)火災(zāi)。對結(jié)構(gòu)具有顯著親和力的鋁可以包含在結(jié)構(gòu)中以減少危害。這平衡了結(jié)構(gòu)，但它減少了細(xì)胞的容量。