钛酸锂离子电池由正、负极板（正极活性物质为三元锂，负极为钛酸锂）、隔膜、电解质、极耳、不锈钢（铝合金）外壳等组成。正负极板是电化学反应的区域，隔膜、电解质供应Li的传输通道，极耳起到引导电流的用途。
电池充电时，Li+从三元锂材料中迁移到晶体表面，从正极板材料中脱出，在电场力的用途下，进入电解液，穿过隔膜，再经电解液迁移到负极钛酸锂晶体的表面，然后嵌入负极钛酸锂尖晶石结构材料中。与此同时，电子流通过正极的铝箱，经极耳、电池极柱、负载、负极极柱、负极耳流向负极的铝箔电极，再经导电体流到钛酸锂负极，使电荷达至平衡。
电池放电时，Li从钛酸锂尖晶石结构材料中脱嵌，进入电解液，穿过隔膜，再经电解质迁移到三元锂晶体的表面，然后重新嵌入到三元锂材料中。与此同时，电子经导电体流向负极的铝箔电极，经极耳、电池负极柱、负载、正极极柱、正极极耳流向电池正极的铝箔电极，然后再经导电体流到三元锂正极，使电荷达至平衡。
由此可见，钛酸锂离子电池基本原理，就是在充、放电的过程中，对应的锂离子在正负极之间来回的嵌脱，完成电池的充放电和向负载的供电。钛酸锂离子电池的充放电示意图如图所示：
电池充电时，止极失去电子，锂离子脱出，嵌入到负极中；负极嵌入锂离子的同时得到电子成为富锂态。放电时的过程正好相反。在Li+嵌入或脱嵌的反应过程中，钛酸锂（Li4Ti5012）是一种理想的嵌入型电极材料，Li+插入和脱嵌对材料结构几乎没有影响，因此被称作零应变材料，从而保证了其良好的循环性能。
钛酸锂存在两种不同相的分子结构一Li7TI5012与Li4TI3012。出现Li7TI5012的晶体结构与Li4TI5012的晶体结构均为尖晶石结构，且晶格常数变化很小，同时体积变化也很小。能够防止充放电循环中电极材料的来回伸缩而导致结构的破坏，从而提高电极的循环性能和使用寿命，减少了随循环次数的新增而带来容量的衰减，使钛酸锂具有优良的循环性能。
钛酸锂离子电池的电化学反应方程式：
正极反应：LiNi⅓Mn⅓Co⅓02→LiNi⅓Mn⅓Co⅓02+xLi﹢+xe﹣
负极反应：Li4Ti5012+xLi﹢+xe-→Li4+xTi5012
总化学反应方程式：
LiNi⅓Mn⅓Co⅓02+Li4Ti5012→Li1-zNi⅓Mn⅓Co⅓02+Li4+xTi5012
