鋰離子電池是指使用能吸入或解吸鋰離子的碳素材料作為負極活性物質，使用能吸入或解吸鋰離子並含有鋰離子的金屬氧化物作為正極活性物質，依據化學原理製成的可充電電池。
電池充放電時，在正、負極反覆吸入或解吸的是鋰離子（Li+），故而稱之為鋰離子電池。
鋰離子電池主要包括正極、負極和電解質，它利用鋰離子在正極和負極之間形成嵌入化合物的鋰狀態和電位的不同，通過自由電子的得失來實現充電和放電過程。充電時，Li+從正極脫嵌。
反應式為：
負極反應：LixCxLi++xe-+C
正極反應：MO2+xLi++xe-LixMO2
總反應：LixC+MO2C+LixMO2
在充電過程中，鋰離子和電子從層狀過渡金屬氧化物晶格中脫出，產生一個電子空穴和一個鋰空穴。產生的鋰離子經由電解液，通過隔膜到達負極，嵌入到石墨層中。同時，電子通過外電路到達負極與鋰離子結合。在充放電過程中，鋰離子反覆在正極和負極之間嵌入和脫出。
鋰離子在正負極之間並不是簡單地發生濃差變化，正負極也不是簡單地存儲和釋放鋰離子，因為鋰離子在正負極材料中嵌入和脫出的同時引起材料中其它元素的氧化還原反應，正是這種氧化還原反應完成了化學能和電能之間的轉變，通過氧化還原電勢差提供了正負極之間的電壓。
電極材料的電極電位須與電解液匹配：正極及負極的電化學勢（μC和μA）
必須與電解液的電化學窗口（Eg）相適應（μA-μC≤Eg）。當正極電化學勢低於電解液的最高占據分子軌道能量（HOMO）時，在沒有SEI膜存在的情況下，正極材料參加電化學反應失去電子時會引起電解液同時失去電子而被氧化，所以正極材料的電化學勢μC必須高於電解液的最高占據分子軌道能量（HOMO）。
同樣的為了避免電解液的還原，負極材料的電化學勢μA必須低於電解液的最低空分子軌道能（LUMO）。但在實際應用中，由於電極表面SEI膜的形成，使正負極材料有更多的選擇。
通常對於一個給定的電池，可以通過標準電極電勢來計算實際電池正負極之間的電勢差。
考慮如下的電化學反應：
pA+qB==rC+sD ❶
❶式中，p、q、r和s是化學物質A、B、C和D的化學計量係數。上面方程式的吉布斯自由能變化可用方程式❷表示其中a是活度。
ΔG = ❷
（平衡狀態下的電功（Wrev）是最大的可能電能（Wmax），電池發生化學反應時，可以通過吉布斯自由能的變化ΔG來表示。
Wrev=Wmax ❸
-Wmax=ΔG ❹
同時，電能與電荷Q（單位為庫侖，C）和電勢E有如下關係：
-Wmax=QE ❺
Q可用電池單元內的電子數和基本電荷電量的乘積表示：
Q=nNAe ❻
NA為阿伏伽德羅常數，NA=6.023×1023。 Q還可以用下面的方程式表示。
Q=nF ❼
式中，F是法拉第常數，即每摩爾電子的基本電荷數，96485C/mol。n （mol）電子在電勢差的作用下在兩電極間運動可用下述公式進行表達：
Wmax=nFE ❽
ΔG=-nFE ❾
上式表明了平衡時吉布斯自由能的變化與電池電動勢之間的關係。 當所有反應物和產物都處於標準狀態時，標準電勢用E0表示。
ΔG0=-nFE0 ❿
由方程式❶ 和式❿可導出下面的能斯特方程式，其中電勢差受參與化學反應的組分的濃度的影響。
鋰離子電池正極材料 鋰離子電池的正極是整個電池中可嵌脫鋰離子的來源，其基本要求包括：
①放電反應應該有較負的吉布斯自由能放電電壓較高。
②基體結構的分子量要低並且能夠插入大量的Li+高質量比容量。
③主體結構的Li+擴散和電子遷移速度必須快，高功率密度。
④Li+嵌入與脫出可逆，嵌脫過程中主體結構的變化要小循環長、壽命長。
⑤化學穩定性要好，無毒，性價比高。