磷酸鐵鋰電池一端為橄欖石結構的LiFePO4材料構成的正極；另一端是由碳（石墨）組成的電池負極；中間是聚合物的隔膜，它把正極與負極隔開，鋰離子可以通過隔膜而電子不能通過隔膜。電池內部充有電解質溶液，電池由金屬外殼密閉封裝。
磷酸鐵鋰電池結構示意圖
磷酸鐵鋰的晶格結構圖
磷酸鐵鋰電池的充放電反應是在LiFePO4和FePO4兩相之間進行。
電池充電時，鋰離子從磷酸鐵鋰晶體遷移到晶體表面，在電場力的作用下，進入電解液，然后穿過隔膜，再經電解液遷移到石墨晶體的表面，而后嵌入石墨晶格中。與此同時，電子經導電體流向正極的鋁箔集電極，經極耳、電池正極柱、外電路、負極極柱、負極極耳流向電池負極的銅箔集流體，再經導電體流到石墨負極，使負極的電荷達至平衡。鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌后，磷酸鐵鋰轉化成磷酸鐵。
電池放電時，鋰離子從石墨晶體中脫嵌出來，進入電解液，然后穿過隔膜，經電解液遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面，然后重新嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內。與此同時，電子經導電體流向負極的銅箔集電極，經極耳、電池負極柱、外電路、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔集流體，再經導電體流到磷酸鐵鋰正極，使正極的電荷達至平衡。鋰離子嵌入到磷酸鐵晶體后，磷酸鐵轉化為磷酸鐵鋰。
充放電過程正極材料的變化
與其它鋰電池正極材料相比，橄欖石結構的磷酸鐵鋰具有安全、環保、廉價、循環壽命長、高溫性能好等優點（磷酸鐵鋰晶體中有穩固的P-O鍵，難以分解，在過充和高溫時不會結構崩塌發熱或生成強氧化性物質，過充安全性較高）是最具潛力的鋰離子電池正極材料之一。