在充電過程中，鋰離子從正極活性物質的晶格中脫出，通過有機電解質和隔膜進入到負極金屬鋰上，同時電子從外電路傳輸至負極，實現電荷平衡，正極處于高電位的貧鋰態；放電過程則與之相反，金屬鋰轉變為鋰離子，同時通過有機電解質和隔膜進入到正極活性物質的晶格中，同時電子從外電路傳輸至正極。

但是，充電過程中，由于金屬鋰電極表面凹凸不平，電沉積速率的差異造成不均勻沉積，導致樹枝狀鋰晶體在負極生成。當枝晶生長到一定程度就會折斷，出現死鋰，造成鋰的不可逆，使電池充放電實際容量降低。鋰枝晶也有可能刺穿隔膜，將正極與負極連接起來，電池出現內短路，短路生成大量的熱會令電池著火甚至發生爆炸。

正是由于循環過程中的鋰枝晶問題，電池壽命較短、安全性能差，使得鋰金屬二次電池的研究在歷史上曾經一度處于停滯狀態。近年來，隨著相關技術的發展以及關于高能量密度鋰二次電池的迫切需求，鋰-硫、鋰-空氣等新型鋰金屬二次電池紛紛出現，使得鋰金屬二次電池的研究再度成為熱點。