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，可謂綠色電池放電過程：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-空氣電池并非新概念。由于在正極上使用空氣中的氧作為活性物質，理論上正極的容量密度是無限的，可加大容量。另外，假如負極使用金屬鋰，理論容量會比鋰離子充電電池提高一位數。但是，為何鋰-空氣電池至今都未普及?原因是它存在致命缺陷，即固體反應生成物氧化鋰(Li2O)會在正極堆積，使電解液與空氣的接觸被阻斷，從而導致放電停止。

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(以多孔碳為主)很輕，且氧氣從環境中獲取而不用保存在電池里。理論上，由于氧氣作為陰極反應物不受限，該電池的容量僅取決于鋰電極，其比能為5.21kWh/kg(包括氧氣質量)，或11.14kWh/kg(不包括氧氣)。相對與其他的金屬-空氣電池，鋰空氣電池具有更高的比能]，因此，它非常有吸引力。

科學家認為，鋰空氣電池的性能是鋰離子電池的10倍，可以供應與汽油同等的能量。鋰空氣電池從空氣中吸收氧氣充電，因此這種電池可以更小、更輕。全球不少實驗室都在研究這種技術，但假如沒有重大突破，要想實現商用可能還要較長時間。