Der Lithium-Luft- Akku ist eine Zukunftstechnologie für leistungsfähige Batterien, die sich noch in der Entwicklung befindet. Mit solchen Metall-Luft-Batterien werden Energiedichten erzielt, die die Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus um ein Vielfaches übersteigen. Theoretisch sollen mit einem Lithium-Luft-Akku Energiedichten von 11 kWh/kg erzielt werden, in der Praxis werden bereits Energiedichten von etwa 2 kWh/kg realisiert. Im Gegensatz zum Lithium-Luft-Akku hat ein Lithium-Ionen-Akku eine Energiedichte von ca. 250 Wh/kg.
Lithium-Luft-Batterien bestehen aus zwei Elektroden zwischen denen sich der Elektrolyt befindet. Die Anode besteht aus metallischem Lithium aus Lithium-Kobaltoxid, die Kathode ist ein luftdurchlässiges Kohlenstoffgitter in Nanostruktur, in das Sauerstoff eingelagert ist. Der für die Reaktion erforderliche Sauerstoff wird aus der Luft entnommen.
Der elektrisch leitfähige Elektrolyt ist ein Festelektrolyt oder ein organisches Lösungsmittelt. Beim Ladevorgang wandern die Lithium-Ionen von der Kathode durch den Elektrolyten zur Anode und geben dabei Sauerstoff in die Luft ab. Beim Entladen geben die Lithium-Atome an der Anode Elektronen ab, die den angeschlossenen Schaltkreis mit Strom versorgen. Die Lithium-Ionen wandern von der Anode durch den Elektrolyt zur Kathode wo sie mit Sauerstoff aus der Luft reagieren.