锂空氣電池:電池種類-中文百科頻道

簡介

日本産業技術綜合研究所近日發表新聞公報說，來自該所和日本學術振興會的研究人員研發出一種新型锂－空氣電池。這種無需充電的燃料電池将來有望為車輛提供動力。

迄今報告的锂－空氣電池存在固體反應生成物氧化锂堆積到正極，阻礙電解液與空氣接觸，進而導緻電池放電中止等問題。而最新研發的這種锂－空氣電池解決了這一問題，大大提高了電池的放電性能。

研究人員在負極（金屬锂）一側使用有機電解液，在正極（空氣）一側使用水性電解液，兩者之間用固體電解質隔離，防止兩種電解液混合。中間的固體電解質隻有锂離子能通過。新型锂－空氣電池放電反應生成的固體物質不是氧化锂，而是易溶于水性電解液的氫氧化锂。這樣就不會引起正極的碳孔被堵塞，從而解決了以往锂－空氣電池固體反應生成物阻礙電解液與空氣接觸的問題。

在實驗中，研究人員分别用堿性水溶性凝膠和堿性水溶液作正極的電解液，結果發現，這種新型锂－空氣電池的放電性能都比以往該類型電池大幅提高，特别是如果用堿性水溶液作正極電解液，使電池在空氣中以0.1安培／克的放電率放電，那麼電池可連續放電20天。

這種新型锂－空氣電池無需充電，隻需更換正極的水性電解液，通過卡盒等方式更換負極的金屬锂就可以連續使用。正極生成的氫氧化锂可以從使用過的水性電解液中回收，再提煉出金屬锂，金屬锂則可再次作為燃料循環使用。公報說，這種新型锂－空氣電池将來有望發展成“金屬锂燃料電池”。

設計

日本産業技術綜合研究所發布的锂空氣電池的設計構思是，隻在金屬锂的負極使用有機電解液，正極的空氣級使用水性電解液。既可以用作充電電池也可用作燃料電池使用。

如果在負極的有機電解液和空氣極的水性電解液之間，用隻能通過锂離子的固體電解質隔開的話，可防止兩電解液發生混合，而且能促進電池發生反應。這樣，能夠防止正極的固體反應生成物——氧化锂（Li2O）析出。

該電池通過放電反應生成的不是固體氧化锂（Li2O），而是易溶于水性電解液的氫氧化锂（LiOH），這樣就不會引起空氣極的碳孔堵塞。另外，由于水和氮等無法通過固體電解質隔膜，因此不存在和負極的锂金屬發生反應的危險。此外，配置了充電專用的正極，可防止充電時空氣極發生腐蝕和劣化。

負極采用金屬锂條，負極的電解液采用含有锂鹽的有機電解液。中間設有用于隔開正極和負極的锂離子固體電解質。正極的水性電解液使用堿性水溶性凝膠，與由微細化碳和廉價氧化物催化劑形成的正極組合。

放電時電極反應如下:

（1）負極反應（Li→Li++e-）

金屬锂以锂離子（Li+）的形式溶于有機電解液，電子供應給導線。溶解的锂離子（Li+）穿過固體電解質移到正極的水性電解液中。

（2）正極反應（O2+2H2O+4e-→4OH-）

通過導線供應電子，空氣中的氧氣和水在微細化碳表面發生反應後生成氫氧根離子（OH-）。在正極的水性電解液中與锂離子（Li+）結合生成水溶性的氫氧化锂（LiOH）。

充電時電極反應如下:

（1）負極反應（Li++e-→Li）

通過導線供應電子，锂離子（Li+）由正極的水性電解液穿過固體電解質到達負極表面，在負極表面發生反應生成金屬锂。

（2）正極反應（4OH-→O2+2H2O+4e-）

反應生成氧。産生的電子供應給導線。

使用了此次新開發的堿性水性電解質凝膠的锂空氣電池在空氣中以0.1A/g的放電率放電時，放電容量約為9000mAh/g。另外，充電容量也約達到9600mAh/g。與此前報道的原锂空氣電池的容量（700～3000mAh/g）相比，放電容量大幅提高。而使用堿性水溶液代替堿性水溶性凝膠後，在空氣中以0.1A/g的放電率放電時，可連續放電20天，放電容量約為50000mAh/g。

新的锂空氣電池沒電時也無需充電，隻需更換正極的水性電解液，通過卡盒等方式更換負極的金屬锂就可以連續使用。這是一種新型燃料電池，名為“金屬锂燃料電池”。理論上30kg金屬锂釋放的能量與40L汽油釋放的能量基本相同。如果從用過的水性電解液中回收空氣極生成的氫氧化锂（LiOH），很容易重新生成金屬锂，可作為燃料進行再利用。

性能

锂空氣電池這是一種由日本産業技術綜合研究所與日本學術振興會(JSPS)共同開發出的一種新構造的大容量锂空氣電池。

理論上可實現大容量的“锂空氣電池”作為新一代大容量電池而備受矚目。不過此前的锂空氣電池存在正極蓄積固體反應生成物，阻隔了電解液與空氣的接觸，導緻停止放電等問題。

負極(金屬锂)采用有機電解液，正極(空氣)方面則使用水性電解液，兩極由固體電解質隔開，以防止兩電解液發生混合。由于固體電解質隻通過锂離子，因此電池的反應可無阻礙地進行。正極的反應生成物具有水溶性，不産生固體物質。實驗證明該電池可連續放電50000mAh/g(空氣極的單位質量)。

該技術極有望用于汽車電池。如果在汽車用支架上更換正極的水性電解液，用卡盒等方式補充負極的金屬锂的話，汽車可實現連續行駛且無需充電等待時間。可以從用過的水性電解液中輕松提取金屬锂，锂能夠反複使用。可以說是用金屬锂作為燃料的新型燃料電池。

锂離子電池目前已經開始在電動汽車上應用，為了實現長距離行駛，作為蓄電池時的高性能化和低成本化備受期待。但目前的锂離子電池受制于電池容量很難實現長距離行駛，要實現長距離行駛必須在汽車上配備大量的電池，因此存在車體價格大幅上升的問題。

要實現電動汽車的普及，能源密度需達到目前的約6～7倍。因此，理論上能源密度遠遠大于锂離子電池的金屬锂空氣電池備受關注。由于锂空氣電池的正極使用空氣中的氧做活性物質，理論上正極容量無限大，因此可實現大容量。

解密

大容量锂-空氣電池并非新概念，至今都未普及原因是它存在緻命缺陷，日本的研究院克服了這個困難，但要想實現商用，可能還需要10年。減碳，對于人類福祉來說，絕對不是離譜的要求，但對于全球汽車業來說，卻是一件困難的事情。

衆所周知，锂離子電池廣泛用于手機和筆記本電腦等，目前也已經是下一代充電式混合動力車和電動車的理想之選。它比其它汽車電池的密度更高、電量更充足，但也更貴，受制于電池容量，充電後的行駛距離仍不夠遠。即将于2010年上市的雪佛蘭Volt混合動力汽車如果僅僅使用電池，隻能行駛40公裡。盡管仍有改進的空間，但锂離子電池的潛力依然有限。普遍認為，要實現電動汽車的普及，能源密度需達到目前的約6～7倍。于是，理論上能源密度遠遠大于锂離子電池的金屬锂空氣電池備受關注。雖然仍使用有機溶媒，但它卻以全新的構成極大提高電池的能量密度。

锂-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，如果負極使用金屬锂，理論容量會比锂離子充電電池提高一位數。但是，為什麼锂-空氣電池至今都未普及？原因是它存在緻命缺陷，即固體反應生成物氧化锂（Li2O）會在正極堆積，使電解液與空氣的接觸被阻斷，從而導緻放電停止。

2009年2月，日本産業技術綜合研究所能源技術研究部門能源界面技術研究小組組長周豪慎和日本學術振興會（JSPS）外籍特别研究員王永剛共同開發出了新構造的大容量锂空氣電池。他們通過将電解液分成兩種來解決上述問題。在負極（金屬锂）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隻有锂離子穿過的固體電解質膜，将兩者隔開。這樣便可防止電解液混合，并促進電池發生反應。

負極用電解液組合使用的是含有锂鹽的有機電解液。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，與微細化後的碳和低價氧化物催化劑形成的正極組合。在锂-空氣電池中，由于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（氫氧化锂）。

氧化锂在空氣電極堆積後，不會導緻工作停止。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锂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，還可防止充導電緻空氣電極的腐蝕和老化。

實驗證明，以0.1A/g的放電率進行放電時，放電容量約為9000mAh/g，而以前的锂-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（空氣極的單位質量），比原來高一位數。由于金屬锂電池的容量原本就比锂離子電池高一位數，因此該數值共比锂離子充電電池高兩位數。

現在，由于水溶液的性能較高，而在易用性上凝膠更為出色，科學家們今後需要考慮決定究竟對這兩者中的哪一個進行開發。了解到，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，而是通過汽車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锂，汽車便可實現無需充電等待時間，立即行駛。而且，通過回收用過的水性電解液，以電氣方式重新生成金屬锂，還可繼續作為電池負極燃料循環使用，避免産生其他污染。锂-空氣電池可以說是以金屬锂為燃料的新型燃料電池。

科學家認為，锂空氣電池的性能是锂離子電池的10倍，可以提供與汽油同等的能量。锂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，但如果沒有重大突破，要想實現商用可能還需要10年。

研究進展

使能量密度達到現有任何電池的三倍，研究顯示金屬催化物在提高電池效率上起到重要作用。

該校機械工程和材料科學與工程副教授Yang Shao-Horn表示，許多研究團隊如今正緻力于锂-空氣電池的研究，但目前還缺乏對何種電極材料能夠促進電池内部電化學反應發生的理解。Shao-Horn和其團隊成員在4月1日出版的《電化學與固态快報》上報道了其研究成果，在锂-空氣電池中使用金或鉑金電極作為催化劑具有比單一碳電極高得多的反應活性和效率。此外，這項研究也為進一步研究尋找更佳的電極材料，如金和鉑金或其他金屬的合金材料或金屬氧化物材料以及減少使用昂貴材料奠定基礎。

論文的第一作者、博士生Yi-Chun Lu指出，研究團隊開發了一種分析電池中不同催化劑活性的方法，現在可以基于這項研究來試驗多種可能的材料，以确定控制催化劑活性的物理特性，最終能夠預測催化劑的反應活動。

锂-空氣電池原理與锂離子電池類似，而後者目前是便攜式電子産品使用的主要電源，而且在電動汽車電源的競争中也占據了領先地位。但由于锂-空氣電池使用了碳基空氣電極和空氣流替代锂離子電池較重的傳統部件，因此電池質量更輕，這也使得包括IBM和通用汽車等大企業紛紛投身于锂-空氣電池技術的開發當中。

但锂-空氣電池在成為可商用化産品之前還有一系列的問題需要解決，其中最大的問題是如何确保在經過了許多次的充放電過程後仍能保持其電力水平，可用在電動汽車或電子産品中。研究人員還需要詳細研究充放電過程的化學問題，如産生了那些化合物，在哪裡産生，以及它們之間如何相互反應等。

Shao-Horn坦承，目前這方面的研究還處于初級階段，部分企業将锂-空氣電池研究視之為10年期的研發項目，但這是一個非常有前景的領域，如果能夠克服許多科學和工程挑戰，真正實現能量密度達到目前锂離子電池的兩到三倍，将能夠首先應用在便攜式電子産品如筆記本電腦和手機上，降低成本後更可作為電動汽車電源。

該項研究受到美國能源部的資助，Martin Family Society of Fellows for Sustainability和美國國家科學基金會也給予了支持。

技術解析

小電池，高科技

我們有必要先來了解一下電池技術的重要性，也許許多讀者會這樣認為，“一顆小小的電池算得了什麼，沒有必要去研究吧？”其實不然，電力一直都是我們生活中最重要的能源之一，而電池就是産生或存儲它的一個重要的方式。IBM成立了一個Almaden實驗室，它與龍頭企業、研究所等機構合作開展研究锂和氧元素結合材料的電池技術。

在此之前，筆記本電腦和手機電池的技術突破是在美國完成的，而現在，日本和韓國已經成為了電池技術的主導國家，IBM希望讓電池技術的領導權由亞洲轉向美國。

就如同美國依賴中東的石油一樣，在汽車行業從傳統的汽油動力汽車轉向綠色的電動汽車發展之後，這個汽車大國并不想依賴于亞洲的汽車電池。因此美國企業擔心會錯失這個曆史上最重要的技術變革機會以及其帶來的市場。除了IBM，在過去5年，通用電氣也投入1.5億美元資助了新型電池的開發。

就連芯片巨頭Intel也欲投入電池的生産，Intel前CEO Andy Grove說道：“我們在上世紀70年代失去了電池技術的控制權。電池技術将決定未來，如果我們不迅速行動，我們将被韓國和日本甩在身後。”

由于衆多企業的重視和研發，現有的電池技術不少，主流的就是锂離子電池，相信随意打開手機、數碼相機、筆記本，我們都可以看到其中的锂電池，現有的電動汽車也多配備了锂離子電池。電池性能一般以單位重量的能來表示，锂離子電池在放電時的能為鎳氫（Ni-MH）電池的兩倍左右。

但是，锂離子電池存在嚴重的局限性，就像筆記本出現過的着火事故一樣，一旦锂離子電池存在内部短路就會導緻過熱、燃燒甚至爆炸等安全性問題。而且锂離子電池在壽命以及大能成本方面也存在難題。IBM的研究人員認為，锂元素結合氧氣才是最有前途的電池技術，因為它能夠提供相當于锂離子電池10倍的能。

不斷進步的電池技術

一般手機或筆記本電腦中的普通锂電池，是由有機電解質的石墨（負電極）和锂氧化钴（正電極）組成。在充電時，锂離子離開正電極，而充電後，随着锂電池的放電使用，锂離子(Li+)漸漸回到正電極。

電子(e-)在外部電路中流動，從而産生電能。要提高锂離子電池能和性能的一個主要因素是，嵌入電極的材料設計和合成以及其優化生産，其他因素包括電解質作用、隔層和電池設計與組裝等。锂空氣電池就是在正極上使用空氣中的氧作為活性物質，因此理論上正極的能是無限的，可加大能。而負極使用了金屬锂，理論能會比锂離子電池更高。

不過，最早研發出的锂空氣電池沒有普及的原因在于其存在着緻命的缺陷，通過化學反應，在正極會堆積固體反應生成物——氧化锂（Li2O），它将使電解液與空氣的接觸被阻斷，從而導緻放電停止。于是日本産業技術綜合研究所發布了新的锂空氣電池設計，隻在金屬锂的負極使用有機電解液，而在正極的空氣一側使用水性電解液，在兩種電解液之間設置隻有锂離子穿過的固體電解質隔膜，将兩者隔開，這樣便可防止電解液混合，并促進電池發生高效反應。

空氣化學反應發電

新的锂空氣電池在放電時，負極的金屬锂以锂離子（Li+）的形式溶于含有锂鹽的有機電解液，并将帶負電的電子(e-)供應給導線。溶解的锂離子穿過固體電解質移到正極的水性電解液中。正極通過導線得到電子，空氣中的氧氣(O2)和水(H2O)在微細化碳表面發生反應後生成氫氧根離子（OH-）。

在正極的水性電解液中與锂離子結合生成易溶于水性電解液的氫氧化锂（LiOH）。由于不是固體氧化锂，這樣就不會引起空氣正極的碳孔堵塞。另外，由于水和氮等無法通過固體電解質隔膜，因此不存在和負極的锂金屬發生反應的危險。

在充電時，負極通過電源導線得到電子，锂離子（Li+）由正極的水性電解液穿過中間的固體電解質到達負極表面，在負極表面發生反應生成金屬锂。

正極反應生成氧，産生的電子供應給導線。此外，正極的水性電解液使用堿性水溶性凝膠，與由微細化碳和廉價氧化物催化劑形成的正極組合，因此相比以前使用锂氧化钴正極的成本更低。而且锂空氣電池還配置了充電專用的正極，可防止充電時空氣極發生腐蝕和劣化。

優勢高達100倍

新型锂空氣電池在空氣中以0.1A/g的放電率進行放電時，放電能約為9000mAh/g。以前的锂空氣電池的放電能僅為700～3000mAh/g，可以說實現了能的大幅增加。

另外，充電能也達到約9600mAh/g。如果使用水溶液取代水溶性凝膠，便可在空氣中連續放電20天，其放電能約為50000mAh/g，比原來約高10倍。由于锂空氣電池的能量原本就比锂離子電池約高10倍，因此使用新技術後共比锂離子電池約高100倍。盡管水溶液性能較高，但凝膠的易用性更為出色，今後使用哪種材料就要廠家根據需要進行開發。

新結構的锂空氣電池還在考慮與傳統電池不同的使用方法，如果锂空氣電池沒電了也可以不必進行充電，隻需要通過更換正極的水性電解液，以卡盒等方式補給負極的金屬锂，就可以連續使用。

基于這種新技術，筆記本、電動汽車便可無需充電等待時間，立即使用或行駛。而且通過回收用過的水性電解液中空氣極生成的氫氧化锂，以化學反應的方式很容易重新生成金屬锂，還可實現锂的反複使用，可以說這是一種以金屬锂作為消耗物質的新型電池，理論上30kg金屬锂釋放的能量與40L汽油釋放的能量基本相同。

首次實用化

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，這就是锂-空氣電池。在這種嘗試下，日本産業技術綜合研究所與日本學術振興會開發出了新結構的锂-空氣電池。

锂—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，如果負極使用金屬锂，理論容量會比锂離子充電電池提高一位數。

不過，锂-空氣電池至今都未普及。原因是存在緻命缺陷，即固體反應生成物氧化锂（Li2O）會在正極堆積，使電解液與空氣的接觸被阻斷，從而導緻放電停止。

日本産綜研通過将電解液分成兩種解決了這一問題。在負極（金屬锂）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隻有锂離子穿過的固體電解質膜，将兩者隔開。這樣便可防止電解液混合，并促進電池發生反應。

負極采用金屬锂條。負極用電解液組合使用的是含有锂鹽的有機電解液。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，與微細化後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（氫氧化锂）。因此，氧化锂在空氣電極堆積後，不會導緻工作停止。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锂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，還可防止充導電緻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。以前的锂-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。由于金屬锂電池的容量原本就比锂離子電池高一位數，因此該數值共比锂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。今後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锂，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锂，還可實現锂的反複使用。可以說是以金屬锂為燃料的新型燃料電池。

美國科學家利用石墨烯提高锂空氣電池容量

技聯網報道，美國西北太平洋國家實驗室（PNNL）的研究團隊利用新途徑，構建出了可用于锂空氣電池的多孔分層石墨烯。這種基于氣泡構建的石墨烯結構的形态與破損的蛋殼相似，可大大提高锂空氣電池的儲能容量，未來有望取代應用于電動汽車的傳統光滑石墨烯片，解決普通石墨烯在使用中易被微粒阻塞的困擾。

科研人員表示，自我裝配的多層石墨烯片不僅是锂空氣電池的理想設計，也可以應用于許多其他潛在的能源存儲領域。此外，新型石墨烯材料将不依賴于鉑或其他貴金屬，可有效降低成本和對環境的影響。

锂空氣電池可支持遠程電動汽車，雖然自身重量很輕，但其應用仍受限于實際的儲能容量和較差的循環壽命。此次研究展示了如何實現電池容量的最大化。材料學家表示，這對于電動汽車和能量存儲領域的應用十分關鍵。

锂空氣電池成明日之星

锂離子電池想提升容量，就會有産生過重的問題。于是有研究人員開始将锂離子電池中不發電的石墨電極等傳統零件的比例降到最低，改用一整面的锂金屬當作陽極，并在陰極使用重量極輕的多孔碳材取代重金屬觸媒，将電池重量減到最輕，同時也減小體積，來提升能量密度。這正是目前備受關注的技術–锂空氣電池。

根據IBM“Battery 500”計劃指出，目前的锂離子電池充滿電可讓電動車行駛約100英哩，雖對于一個普通家庭來說已經足夠，但是如要遠程旅行，仍必須大幅提升續航力。

因此，IBM在2009年開始投入锂空氣電池的研究，預計能将目前锂離子電池的能量密度(~100–200Wh/Kg)提升10倍，讓電動車充電一次至少可行駛500英哩(約800公裡)。以能量密度來計算，锂空氣電池是最能夠取代汽油的電池種類，也因此，锂空氣電池已成為電動車電池的明日之星。

锂空氣電池的發電原理是在陽極将锂金屬氧化産生電子與锂離子，電子供給外部電路電力，而锂離子則經由電池内部的電解質傳導至陰極，與空氣中的氧分子及外電路流入的電子進行還原反應，形成完整的電化學反應，從而産生電能。由于空氣随處可得，讓锂空氣電池可做的更輕、更小，不必再擔心燃料儲存空間的問題。

美日作法大不同

而根據國情不同，各國對锂空氣電池的充換也有不同的研究。以美國為例，由于美國土地較大，換電站或充電站距離遠，不易随時充換電，因此IBM研究主題專注于如何做出二次電池。

當電池為二次電池時，重複充放電的效能及相關電池壽命與安全問題變成重要的考量。目前使用多孔膜材(mesoporous membrane)吸附電解液做為分隔正負極的隔離膜(separator)的锂二次電池在安全上最大的問題是充放電時，”dendrite”會成長并穿越多孔隔離膜間的空隙，當正負極因dendrite成長而接觸了，将會使電池短路、迅速放熱，這正是時常聽到锂二次電池爆炸的原因。而在需要大電流充放電的操作環境下的電動車電池，這樣的問題會更顯嚴重。

為了解決這樣的問題，IBM不用多孔隔離膜的形式，而是改采純有機液态電解質的形式以提高離子傳導度，另一方面則是在锂金屬表面加上一層具有良好锂離子傳導特性的氧化物來穩定電極與電解液之間的接觸介面，以抑制dendrite的成長。然而，液态電池卻又有漏液的安全問題，很難兩全齊美。

此外，這樣的方式所面臨的問題是，锂空氣電池在放電的過程中，固體反應生成物–氧化锂(Li2O)及過氧化锂(Li2O2)并不溶解于有機電解液中，而會在正極堆積，導緻空氣流量下降，這時電解液與空氣的接觸逐漸被阻斷，發電效能愈來愈低。因此，如何在放電後期維持一樣的發電效能是電極設計所需克服的難題。

和美國走不同路線的日本則是選擇換電池的方式。就像一般燃料電池燃料用完，更換氫氣或甲醇，日本的設計是锂空氣電池沒電了，就将整顆電池換掉，不需要花費兩三個小時等待充電時間;而沒電的電池則由專門的工廠回收再生。

趙基揚表示，這樣的方式和汽油車開車習慣較為相近，且日本使用的系統為有機液态電解質與水溶液電解質的混合系統，在陽極與锂金屬相接觸的電解質為有機溶液相，而在陰極則使用電解質水溶液，此兩種電解質中間以一層可傳導锂離子的陶瓷薄膜(LISICON)做阻隔。在陰極由于锂氧化物會被溶解在水溶液裡，因此也較不會有電極孔洞被塞住，降低效能的問題。但锂氧化物溶于水溶液後會産生鹼性物質氫氧化锂(LiOH)，而LISICON薄膜在鹼性環境下不穩定，對長期操作的穩定性是一大挑戰。