鋰離子電池實際上是一種鋰離子濃差電池，正負電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成。
充電時，Li+從正極脫嵌經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰態，正極處于貧鋰態，同時電子的補償電荷從外電路供給到碳負極，保證負極的電荷平衡。放電時則相反，Li+從負極脫嵌，經過電解質嵌入正極，正極處于富鋰態。
在正常充放電情況下，鋰離子在層狀結構的碳材料和層狀結構氧化物的層間嵌入和脫出，一般只引起層面間距變化，不破壞晶體結構，在充放電過程中，負極材料的化學結構基本不變。因此，從充放電反應的可逆性看，鋰離子電池反應是一種理想的可逆反應。
鋰離子電池的工作電壓與構成電極的鋰離子嵌入化合物和鋰離子濃度有關。目前，用作鋰離子電池的正極材料是過渡金屬和錳的離子嵌入化合物，負極材料是鋰離子嵌入碳化合物，常用的碳材料有石油焦和石墨等。國內外已商品化的鋰電池正極是LiCoO2，LiNi02，LiMn2 O2，負極是層狀石墨。
1978年，Armand提出正負極都用能讓鋰離子嵌入-脫出的材料組成濃差電池。這種電池在充放電過程中，是鋰離子在兩電極間進行嵌入脫出循環，被形象地稱為“搖椅式”(RCB)鋰離子二次電池。但該電池電壓僅0-2V，不具備鋰電池高電壓的特性。1980年初，發現LiCoO2具有TiS2同樣的層狀結構，同年，牛津大學Goodendugh等人提出用LiCoO2，LiNiO2，LiMn2O4作正極材料，開始了4V級鋰離子二次電池正極活性物質的研究。此后，又開發了能讓鋰嵌入脫出的碳嵌入化合物。1990年日本Sony能源技術公司研制實用型Sony電池。
