可充电锂离子电池包括两个电极，这两个电极浸没在电解质溶液中并被可渗透的聚合物膜分开。当锂离子电池正在充电时，锂离子通过聚合物膜从正极移动到负极。在放电期间，锂离子从阳极返回到阴极。在此过程中，电子被发送到电子设备，在此过程中为其供电。
碳石墨是用于锂离子电池的典型阳极材料，因为它具有可以在其层之间支撑和储存小锂离子的分层结构。由于电池的工作电压基于阴极和阳极之间的电化学电势的差异，因此阴极不能是石墨，并且锂离子电池的大多数性能特点基于阴极材料。
阴极通过电化学嵌入存储锂离子;锂离子从阴极材料结构内部的晶格位置放入或拉出的顺序。在最基本的阴极材料中有锂-钴-氧化物（Li-Co-O2）。当使用这种材料制成的电池充电时，锂离子从氧化物中被拉出并插入石墨电极中。在放电期间，发生相反的过程。当从阴极中的氧化物中除去锂离子时，它具有正电荷，因此钴改变其氧化态并且氧化物保持电中性。少量的钴在氧化态从3变化到4，以弥补锂离子的去除。
锂，钴，氧化物是一种嵌入化合物，锂，钴和氧以二维层排列：锂层，然后是氧层，钴层，不同氧层和不同层锂。在嵌入化合物中，可以除去锂，并且基本结构应保持不变。假如结构发生变化，将锂重新投入使用变得非常具有挑战性。钴增强结构可以在开始变化之前容许约60％的锂被去除，这在很长一段时间内发生。
为了使锂离子电池以可预测的方式运行，框架结构应保持不变。这使得这些电池可以使用数年至数十年。用相当便宜的镍替代钴仍然会出现插层结构。但是，假如从氧化镍结构中取出大量的锂，它会释放出相当数量的氧，这可能会引发火灾。对结构具有显着亲和力的铝可以包含在结构中以减少危害。这平衡了结构，但它减少了细胞的容量。