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溶液中并被可滲透的聚合物膜分開。當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，電子被發送到電子設備，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構。由于電池的工作電壓基于陰極和陽極之間的電化學電勢的差異，因此陰極不能是石墨，并且鋰離子電池的大多數性能特點基于陰極材料。

陰極通過電化學嵌入存儲鋰離子;鋰離子從陰極材料結構內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，發生相反的過程。當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并且氧化物保持電中性。少量的鈷在氧化態從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，并且基本結構應保持不變。假如結構發生變化，將鋰重新投入使用變得非常具有挑戰性。鈷增強結構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發生。

為了使鋰離子電池以可預測的方式運行，框架結構應保持不變。這使得這些電池可以使用數年至數十年。用相當便宜的鎳替代鈷仍然會出現插層結構。但是，假如從氧化鎳結構中取出大量的鋰，它會釋放出相當數量的氧，這可能會引發火災。對結構具有顯著親和力的鋁可以包含在結構中以減少危害。這平衡了結構，但它減少了細胞的容量。