锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。
充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡。放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。
在正常充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距变化，不破坏晶体结构，在充放电过程中，负极材料的化学结构基本不变。因此，从充放电反应的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。
锂离子电池的工作电压与构成电极的锂离子嵌入化合物和锂离子浓度有关。目前，用作锂离子电池的正极材料是过渡金属和锰的离子嵌入化合物，负极材料是锂离子嵌入碳化合物，常用的碳材料有石油焦和石墨等。国内外已商品化的锂电池正极是LiCoO2，LiNi02，LiMn2 O2，负极是层状石墨。
1978年，Armand提出正负极都用能让锂离子嵌入-脱出的材料组成浓差电池。这种电池在充放电过程中，是锂离子在两电极间进行嵌入脱出循环，被形象地称为“摇椅式”(RCB)锂离子二次电池。但该电池电压仅0-2V，不具备锂电池高电压的特性。1980年初，发现LiCoO2具有TiS2同样的层状结构，同年，牛津大学Goodendugh等人提出用LiCoO2，LiNiO2，LiMn2O4作正极材料，开始了4V级锂离子二次电池正极活性物质的研究。此后，又开发了能让锂嵌入脱出的碳嵌入化合物。1990年日本Sony能源技术公司研制实用型Sony电池。
