鋰離子電池實(shí)際上是一種鋰離子濃差電池，正負(fù)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(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)，同時電子的補(bǔ)償電荷從外電路供給到碳負(fù)極，保證負(fù)極的電荷平衡。放電時則相反，Li+從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極，正極處于富鋰態(tài)。
在正常充放電情況下，鋰離子在層狀結(jié)構(gòu)的碳材料和層狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，在充放電過程中，負(fù)極材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不變。因此，從充放電反應(yīng)的可逆性看，鋰離子電池反應(yīng)是一種理想的可逆反應(yīng)。
鋰離子電池的工作電壓與構(gòu)成電極的鋰離子嵌入化合物和鋰離子濃度有關(guān)。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(fù)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(nèi)外已商品化的鋰電池正極是LiCoO2，LiNi02，LiMn2 O2，負(fù)極是層狀石墨。
1978年，Armand提出正負(fù)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(jìn)行嵌入脫出循環(huán)，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(fā)現(xiàn)LiCoO2具有TiS2同樣的層狀結(jié)構(gòu)，同年，牛津大學(xué)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(zhì)的研究。此后，又開發(fā)了能讓鋰嵌入脫出的碳嵌入化合物。1990年日本Sony能源技術(shù)公司研制實(shí)用型Sony電池。
