鈦酸鋰離子電池由正、負極板（正極活性物質為三元鋰，負極為鈦酸鋰）、隔膜、電解質、極耳、不銹鋼（鋁合金）外殼等組成。正負極板是電化學反應的區域，隔膜、電解質供應Li+的傳輸通道，極耳起到引導電流的用途。

電池充電時，Li+從三元鋰材料中遷移到晶體表面，從正極板材料中脫出，在電場力的用途下，進入電解液，穿過隔膜，再經電解液遷移到負極鈦酸鋰晶體的表面，然后嵌入負極鈦酸鋰尖晶石結構材料中。與此同時，電子流通過正極的鋁箔，經極耳、電池極柱、負載、負極極柱、負極耳流向負極的鋁箔電極，再經導電體流到鈦酸鋰負極，使電荷達至平衡。

電池放電時，Li+從鈦酸鋰尖晶石結構材料中脫嵌，進入電解液，穿過隔膜，再經電解質遷移到三元鋰晶體的表面，然后重新嵌入到三元鋰材料中。與此同時，電子經導電體流向負極的鋁箔電極，經極耳、電池負極柱、負載、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔電極，然后再經導電體流到三元鋰正極，使電荷達至平衡。

由此可見，鈦酸鋰離子電池基本原理，就是在充、放電的過程中，對應的鋰離子在正負極之間來回的嵌脫，完成電池的充放電和向負載的供電。鈦酸鋰離子電池的充放電示意圖如圖所示。

電池充電時，正極失去電子，鋰離子脫出，嵌入到負極中;負極嵌入鋰離子的同時得到電子成為富鋰態。放電時的過程正好相反。在Li+嵌入或脫嵌的反應過程中，鈦酸鋰（Li4TI5O12）是一種理想的嵌入型電極材料，Li+插入和脫嵌對材料結構幾乎沒有影響，因此被稱作零應變材料，從而保證了其良好的循環性能。

鈦酸鋰存在兩種不同相的分子結構Li7TI5O12與Li4TI5O12。出現Li7TI5O12的晶體結構與Li4Ti5O12的晶體結構均為尖晶石結構，且晶格常數變化很小，同時體積變化也很小。能夠防止充放電循環中電極材料的來回伸縮而導致結構的破壞，從而提高電極的循環性能和使用壽命，減少了隨循環次數的新增而帶來容量的衰減，使鈦酸鋰具有優良的循環性能。