当今的移动世界离不开锂离子电池，这是目前可充电电池的最佳选择。去年，消费者们购买了 50亿只锂离子电池，用来给笔记本电脑、相机、手机和电动汽车供电。美国阿贡国家实验室能源存储联合研究中心( JCESR)的负责人乔治 ·克拉布特里( George Crabtree)说，“这是有史以来最好的电池技术”。不过，克拉布特里的目标远不止于此。
1991年，索尼公司推出第一款商业版锂离子电池，与之相比，如今锂离子电池的能量密度(单位质量所存储的能量)已经是原来的两倍多，而价格只有当初的 1/10。不过，锂离子电池的能量密度已经接近极限，许多研究者认为，对锂离子电池的改进，最多还能将能量密度再提高 30%。这意味着，锂离子电池永远不能像一箱汽油那样，让电动汽车连续行驶 800公里，也不能让“电老虎”般的智能手机续航许多天。
2012年， JCESR从美国能源部争取到 1.2亿美元的资金，用于研究超越锂离子电池的技术。据称，他们期望研发出的电池，如果做成像现在电动汽车中使用的商业电池那样的尺寸，储能将达到现在的 5倍，价格却只有现在的 1/5，而这一切都要在 5年内做到。这意味着，他们要在 2017年前，使电池的能量密度达到 400瓦时 /千克( Wh/kg)。
克拉布特里说，这个目标“相当激进”。加拿大达尔豪斯大学的资深电池研究专家杰夫 ·达恩( Jeff Dahn)直言道，这是“不可能实现的”。不过，达恩补充道， JCESR的研究目标使人们将注意力集中到一些非常重要的技术方向上，这将有助于全世界发展可再生能源，比如存储太阳能，在夜间或雨天使用。而且，美国的 JCESR并不孤单。亚洲、美洲、欧洲的许多研究团队和公司都在寻找取代并超越锂离子电池的新技术。
锂-硫电池
2013年初，化学工程师埃尔顿 ·凯恩斯( Elton Cairns)认为，自己研制出了一种新型化学电池，虽然还不太成熟，但极具潜力。他研制的硬币大小的电池，在经历了几个月的充放电后，依然状态良好。到 2013年 7月，他的电池已在美国劳伦斯伯克利国家实验室经历了 1500次充放电循环，而电池容量只损失了一半。这样的性能，基本可以媲美最好的锂离子电池了。
凯恩斯的电池基于锂–硫( Li-S)技术，所使用的材料价格非常低廉，理论上，这种电池的能量密度是锂离子电池的 5倍多。不过，研究人员怀疑，在实际应用中，这种电池的能量密度可能只能达到锂离子电池的两倍。早在 40年前，就有人提出过锂 –硫电池，但一直以来，研究人员都无法让它的使用寿命超过 100次充放电循环。如今，很多人认为，凯恩斯的电池技术最有可能在商业应用上替代锂离子电池。
不过，锂和硫之间的反应带来了一个问题。锂–硫电池在充放电时，可溶的锂–硫化合物会渗入电解液，导致电极降解，从而使电池失去电荷，并最终坏掉。为了防止这样的事情发生，凯恩斯使用了一些技巧，包括在硫中掺入石墨烯氧化物粘合剂，以及使用专门设计的不易溶解锂和硫的电解液。纳米技术和电解化学领域的一些新进展使得这些技巧得以实现。凯恩斯预测，这种电池商品化之后，能量密度将可以达到 500 Wh/kg。他说，其他一些实验室也得到了类似的结果。
一些研究者质疑，学术界的认同未必能转换成商业上的成功。在实验室，研究人员通常使用少量硫和大量电解液，这样比较易于研究，但不能制成高能量密度的电池。
至少有一家公司——英国Oxis 能源公司——看好锂–硫电池的前景。该公司声称，它们已经制造出可以充放电900 次的大型锂-硫电池，并且正在与美国Lotus 工程公司合作，他们希望在2016年前开发出可用于电动汽车的电池，能量密度将达到400 Wh/kg。
多价离子电池
一些研究者认为，下一代电池应该使用更重的元素，比如镁。每个锂离子只能携带一个电荷，而二价的镁离子能携带两个电荷，这意味着可以释放的电能提高了一倍。不过，镁也有自己的问题。锂离子能轻松通过电解液和电极，而携带两个电荷的镁离子移动速度缓慢，就像是在黏稠的糖浆中穿行。
美国阿贡国家实验室的电池研究人员彼得· 丘帕斯(Peter Chupas)正在与JCESR合作，他用高能X 射线轰击各种电解液中的镁，来研究镁为什么会受到巨大的阻力。截至目前，他和同事发现，镁离子能强烈吸引周边溶液中的氧，从而吸引一大群溶剂分子，这使得镁离子变得沉重。
美国劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学家克里斯廷· 佩尔松(Kristin Persson)正在用超级计算机模拟潜在新型电池的内部结构，她试图找到一种更好的电极与电解液的组合，让镁离子可以更顺畅地通过电解液。她说，“我们要研究大约2000 种电解液， 目前，我们正在逐个测试”。佩尔松和麻省理工学院的材料科学家赫布兰德· 塞德(Gerbrand Ceder)成立了Pellion 技术公司，来研发这种高容量电池。但公司对其进展三缄其口，目前只发表了一篇关于电极的研究论文。除此之外，包括丰田、LG、三星和日立在内的各大电子产 品公司，都在研发类似的电池，但这些公司也都很少透露相关进展。
各家公司暗中较劲的同时，佩尔松也在继续开展她的“电解液基因组”计划。这种利用超级计算机进行筛选的方法，也有助于研究用其他“多价”金属(multivalentmetals，即一个金属离子带有多个电荷，比如铝和钙)制造的电池。
氧电池
5年前，温弗里德·维尔克(Winfried Wilcke)在美国加利福尼亚州圣何塞市的IBM 纳米科学与技术部担任负责人，他们启动了一个项目，希望研发出可以让电动汽车连续行驶800 公里的电池。一开始，维尔克关注的是高能量密度电化学存储的理论极限——锂与氧气的氧化反应。与其他类型的电池相比，这种“会呼吸的”锂–氧电池有巨大的 重量优势，因为其中一种主要反应原料——氧气，不必再装载到电池中。理论上，锂– 氧(Li-O)电池的能量密度可以媲美汽油发动机，比现今电动汽车电池的能量密度高10 多倍。
维尔克说，真正的问题是钱，电动汽车的电池成本在每千瓦时500 美元以上，“电动汽车不被大众接受的真正原因，不是能量密度，而是价格”。所以，维尔克现在更看好一种基于钠的、更便宜的燃料电池。根据理论预测，钠–氧(Na-O)电池的能量密度是锂–氧电池的一半，但是，钠比锂更便宜。因此，维尔克满怀希望地说，钠–氧电池的成本或许可以接近每千瓦时100美元，这正是JCESR 等研发机构认为消费者能够承担得起的价格。
在此之前，德国吉森尤斯图斯-李比希大学的于尔根 ·雅内克( Jürgen Janek)和菲利普 ·阿德尔赫尔姆( Philipp Adelhelm)的团队发现了一个惊人的结果：钠–氧电池的充电效率比锂–氧电池更高，而且没有复杂的副反应。此外，钠–氧电池还可以使用更便宜的电极 和电解液。雅内克说，他的团队已经证实，他们的电池至少可以充放电 100次——在一项技术的早期时代，这已经很不错了。化工业巨头巴斯夫公司( BASF)正在与他们合作。
不过，也有人并不认同这个方向，比如达恩。争论的焦点在于“会呼吸的”电池是否需要沉重的过滤装置，以便从空气中提取氧气，而这将会减小甚至完全消除它们的重量优势。达恩说，“钠–氧电池不过是新一轮的狂热”，但维尔克愿意试一试。
其他技术
麻省理工学院的材料化学家唐纳德 ·萨多韦( Donald Sadoway)认为，未来的电池更像是一家冶炼厂。另外，研究人员也正在研发其他各式各样的新电池，比如锌–空气电池和钠离子电池。但大多数技术的电池 成本，都比JCESR 的目标价格——每千瓦时100 美元——高5 倍以上。还有一些研究小组正在研发不那么激进的液流电池。
达恩说，“这些新技术都还处于早期阶段，不同团队正在研发的电池系统可谓千奇百怪，所有人都想知道如何延长电池寿命，降低成本”。乔治·克拉布特里说：“大家都在寻找超越锂离子电池的系统，未来充满机会，这个领域几乎还是一片处女地。”