鋰空氣電池是一種用鋰作陽極，以空氣中的氧氣作為陰極反應物的電池。鋰空氣電池比鋰離子電池具有更高的能量密度，因為其陰極很輕，且氧氣從環境中獲取而不用保存在電池里。鋰空氣電池采用鋰作為負極活性材料，采用多孔的氣體擴散層電極作為正極材料，按電解質體系重要分為有機電解液體、水性電解液體系、混合電解液體系和全固態電解質體系。

放電過程：陽極的鋰釋放電子后成為鋰陽離子（Li+），Li+穿過電解質材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結合生成氧化鋰（Li2O）或者過氧化鋰（Li2O2），并留在陰極。鋰空氣電池的開路電壓為2.91V。

鋰空氣電池的概念最早由Lockheed提出，電解液為堿性水溶液。氧氣在空氣電極上發生氧還原反應，形成氫氧化物。其放電反應方程為：

4Li+O2+2H2O→4LiOH（1-1）

放電過程中Li、H2O和O2被消耗，在Li表面生成了一層保護膜而阻礙電化學反應的快速進行。在開路或低功率的狀態下，Li的自放電率很高，并伴隨著Li的腐蝕反應：

Li+H2O→LiOH+1/2H2（1-2）

在水系電解液中，金屬Li極易和水反應，因此對鋰離子隔膜的阻水性有很高要求，目前還沒有商業化的產品。綜合考慮實用性和安全性，水系鋰空氣電池并非最終實際應用的首選。

非水電解液體系的鋰空氣電池使用了含有可溶性鋰鹽的有機電解液，工作原理是基于Li2O2的生成與分解：

4Li+O2→2Li2O（1-3）

2Li+O2→Li2O2（1-4）

根據1-3式計算，鋰空氣電池的理論能量密度為5200Wh/kg，在實際應用中，由于氧氣來自外界環境，排除氧氣后的能量密度高達11430Wh/kg。目前關于全固態鋰空氣電池報道較少，其具有穩定性好、循環性能好、防止形成鋰枝等優點，但其低導電性，容量和能量密度限制了其發展。