另外，業內還進行了其他嘗試，雖然仍使用有機溶媒，但不同的是以全新的構成來提高電池的能量密度。這就是鋰-空氣電池。在這種嘗試下，日本產業技術綜合研究所與日本學術振興會開發出了新結構的鋰-空氣電池。
鋰—空氣電池的概念很早就提出來了。由于在正極上使用空氣中的氧作為活性物質，因此理論上正極的容量密度是無限的，可加大容量。另外，如果負極使用金屬鋰，理論容量會比鋰離子充電電池提高一位數。
不過，鋰-空氣電池至今都未普及。原因是存在致命缺陷，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。
日本產綜研通過將電解液分成兩種解決了這一問題。在負極(金屬鋰)一側使用有機電解液，在正極(空氣)一側使用水性電解液。在兩種電解液之間設置只有鋰離子穿過的固體電解質膜，將兩者隔開。這樣便可防止電解液混合，并促進電池發生反應。
負極采用金屬鋰條。負極用電解液組合使用的是含有鋰鹽的有機電解液。雖然不能棄用有機溶媒，但卻限定了使用方法。正極用水性電解液使用堿性水溶性凝膠，與微細化后的碳和低價氧化物催化劑形成的正極組合。
在該電池中，由放電反應生成的并非是固體的Li2O，而是容易溶解在水性電解液中的LiOH(氫氧化鋰)。因此，氧化鋰在空氣電極堆積后，不會導致工作停止。另外，水及氮等也不會穿過固體電解質的隔壁，因此不存在與負極的鋰金屬發生反應的危險。而且，在充電時，如果配置充電專用的正極，還可防止充導電致空氣電極的腐蝕和老化。
以0.1A/g的放電率進行放電時，放電容量約為9000mAh/g。以前的鋰-空氣電池的放電容量僅為700～3000mAh/g，可以說實現了容量的大幅增加。
另外，如果使用水溶液取代水溶性凝膠，便可在空氣中以0.1A/g的放電率連續放電20天，其放電容量約為5萬mAh/g，比原來高一位數。由于金屬鋰電池的容量原本就比鋰離子電池高一位數，因此該數值共比鋰離子充電電池高兩位數。水溶液的性能較高，但在易用性上凝膠更為出色。今后需要考慮對這兩者中的哪一個進行開發。
這種技術還可考慮與單純的充電電池不同的使用方法。如果不對電池進行充電，而是通過底座更換正極的水性電解液，以卡盒等方式補給負極的金屬鋰，汽車便可無需充電等待時間，立即行駛。通過回收用過的水性電解液，以電氣方式重新生成金屬鋰，還可實現鋰的反復使用。可以說是以金屬鋰為燃料的新型燃料電池。
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