隨著再生能源的發展與普及，電力供應的穩定性與持續性亦受到關注，為解決部分再生能源發電具有間歇性的特質(如太陽能及風能)，並提升消費性電子產品、運輸業等各領域的發展，高能電池的發展扮演著關鍵的角色。

一、商用高能電池

(一)高能鋰離子電池(High-energy lithium-ion cells)
1.優勢
高能鋰離子電池由鋰鈷氧化物(Lithium Cobalt Oxide)的陰極、石墨的陽極以及鋰鹽(Lithium Salts)與有機溶劑混合而成的液體電解質組成。鋰離子具有能量密度高、壽命長、多功能性及價格的優勢，使得其成為攜帶式消費性電子設備的常用電池。此外，鋰離子電池屬重量輕且體積小的電池，因此亦適合用於電動汽車及小型無人機系統。
2.挑戰及發展方向
由於鋰離子電池所儲存的液體電解質具有易燃性，在壓力下如電解質儲液罐破裂或壓碎，易造成著火或爆炸，使得其在消費性電子設備的安全性受到考驗，亦影響其在運輸設備上的使用。
為解決鋰離子電池於運輸設備上使用的安全性問題，現今汽車電池在使用前須通過嚴格的安全測試，以確保其被壓碎、刺穿或在加熱時不會起火。此外，近年來常透過將新材料使用於陽極及陰極以提升電池性能，如將矽加入石墨陽極，或以鋰鎳鈷鋁氧化物(Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide, NCA)和鋰鎳錳鈷氧化物(Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide, NMC)做為陰極的替代材料，以增加電池的容量。

(二)鋰硫電池(lithium-sulfur cells) 
1.優勢
鋰硫電池由硫基的陰極與鋰金屬的陽極組成。由於鋰硫電池的理論能量密度較高(約2800 Wh/L)，使得其續航力亦較高。此外，陰極材料的硫屬地球上豐富的元素之一，因而降低了電池的製造成本。
2.挑戰及發展方向
由於鋰硫電池中硫陰極與電解質反應會形成多硫化鋰，且多硫化鋰在電池充電及放電期間會於電極之間移動，同時降解硫陰極和鋰陽極，使得鋰硫電池與市場上的電池相比循環壽命較低，需定期更換。此外，目前開發出來的能量密度最高僅300Wh/L，且材料的低導電率與循環過程中高達80%的膨脹率，使其不適用於空間受限的應用中，如小型無人駕駛系統或手持式電子設備。
而現今商業化關鍵主要為防止多硫化物於電池間穿梭並延長電池的循環壽命，藉由透過調解電解質溶液或於硫基陰極塗上保護塗層以將溶解的物質加以留存。

(三)鋰金屬可充電電池(lithium metal rechargeable cells) 
1.優勢
鋰金屬可充電電池由鋰離子的陰極及超薄的鋰金屬陽極組成，理論比容量較一般的鋰離子電池高兩倍，目前原型機能量密度為1200Wh/L。此外，其低重量及小體積亦提高可攜帶電子設備及無人機系統的發展前景。
2.挑戰及發展方向
由於鋰金屬可充電電池在充電及放電的過程中會產生鋰沉積物，而鋰沉積物常堆積於陽極上，其形狀較為細長且易穿透傳統的分離器，導致電池短路並引發火災。
為防止樹枝狀晶體的鋰沉積物產生，可透過於鋰陽極上添加保護塗層、在液體電解質中添加化學添加劑，以及將陶瓷結合到陽極隔膜中。

二、新興高能鋰離子電池(Emerging high energy lithium-ion cells)類型

(一)富鎳陰極(Nickel-rich cathodes)
1.優勢
相較於鈷材料，鎳的成本較低且容量較高，使得其在商業市場上的應用較具優勢。現今鎳鈷錳電池(NCM)常被用於行動電話及消費性電子設備中，而鎳鈷鋁電池(NCA)則被松下(Panasonic)及特斯拉(Tsla)等製造商用於電動汽車電池的生產中。
2.挑戰及發展方向
鎳含量較高的電池雖可提供較高的能量，然而其容量越高將使其電池的循環壽命降低，因此需在電池的容量及穩定性間取得平衡。
現今主要發展方向為調整電池中金屬含量的比例，進而平衡電池的儲存容量及充放電的穩定性，內部活性物質可從原本的30%降至50%，並增加電池的使用壽命。目前已有鎳、錳及鈷的比例為NCM622及NCM811的原型機，可提供高達175及200mAh/g的電量。

(二)釩基陰極(Vanadium-based cathodes)
1.優勢
透過釩基材料搭配鋰離子製造的電池具有較高的容量，且與富鎳陰極相同，釩基陰極亦具有成本較低的優勢。而電活性磷酸氧釩鋰(LiVOPO4)為常見的釩基陰極。
2.挑戰及發展方向
釩基陰極屬較新穎之技術，其技術準備水準較低。此外，釩基陰極(如電活性磷酸氧釩鋰)的導電率較低且循環壽命亦較差，而現今技術可透過於釩基陰極上增加碳塗層來保護。

(三)高壓陰極(High-voltage cathodes)
1.優勢
高壓陰極由新型陰極材料組成，如鋰鎳錳氧化物(Lithium-Nickel-Manganese Oxide, LNMO)、磷酸鈷鋰(Lithium Cobalt Phosphate, LCP)或其他過渡金屬(如錳或釩)。由於現行大型電池組(如電動汽車的電池組)是由多個電池串連而成的，使得發電時的電阻增加進而影響發電效率。而透過高壓陰極材料可提高單一電池的電壓，進而提升電池的發電效率及能量密度。
2.挑戰及發展方向
現行高壓陰極電池所使用的有機溶劑電解質在較高的電壓下將進行分解，使得電池在充電及放電的過程中較不穩定。現行製造商主要針對無機固態電解質和離子液體電解質進行開發以解決電池穩定性問題，並致力於優化電解質成分以延長電池的循環壽命。

(四)矽陽極(Silicon anodes)
1.優勢
與石墨相比，矽的成分較為緻密並具有較高的容量(理論容量為3600mAh/g)，因此由矽為陽極製造出的電池應較一般電池體積更小且容量更大，亦更適合用於攜帶式消費性電子設備。
2.挑戰及發展方向
矽陽極電池在充電的過程中會吸收鋰離子進而膨脹，使得其尺寸增加幅度高達320%。此外，電池充電及放電時反復膨脹和收縮將導致陽極破損及裂解，進而使其容量大幅下降。
為改善上述問題，現今有許多公司致力於開發不同類型的矽材料，例如英國Nexeon公司所開發的矽複合粉末可用於石墨陽極中以提高容量，而此公司亦研發出另一項矽基材料，透過優化其空隙率以減輕膨脹與收縮帶來的影響；而美國Amprius公司則開發出多恐無定型奈米結構，可將膨脹及收縮的幅度將低至30%以下。

(五)錫基陽極(Tin-based anodes)
1.優勢
錫基陽極雖具有較高的重量及體積，然而錫材料本身對於環境較無害，且價格較低並具有安全性。
2.挑戰及發展方向
與矽陽極電池相同，錫基陽極在充電及放電的過程中亦會產生較大的體積變化(300%)，導致電池的電極衰退及容量減少。
目前可透過將錫基材料與碳基材料(如奈米碳管及微孔碳)結合，或與金屬(如鈷、銅、鑭及鎳)結合產生合金，或與化合物(如氧、氟、硫)形成錫化合物，藉由發展複合材料以減少體積變化的幅度。

(六)轉換電極(Conversion electrodes) 
1.優勢
一般電池透過將鋰離子嵌入透過鋰離子於陰極的鋰金屬氧化物與陽極的石墨間來回穿梭進而達到發電，而轉換電極電池則是透過可逆化學反應產生電流，相較一般電池，其具有更大的容量。目前已有金屬氧化物、磷化物、硫化物或氮化物轉化陽極的相關研究，其具有高於石墨之理論比容量約500-1800mAh/g。亦有氟化物或硫族化物轉化陰極的研究，如CuF2在與鋰陽極反應下能量密度可達1896Wh/L。
2.挑戰及發展方向
由於充電及放電過程化學反應路徑不同，加上須在反應中消耗能量，使得其在充電及放電過程電壓間存在磁滯(hysteresis)現象，導致能源效率較低(通常小於80%)。而轉換反應亦導致主要結構重組，進而造成電極退化並降低循環壽命。此外，與傳統陽極相比，轉換陽極在化學反應中常為不可逆性，需透過大量的陰極材料輔佐。
此技術目前尚在基礎研究階段，主要研究方向在透過研發轉換陽極及陰極的材料以提高化學反應效率，如具有高能量密度及可逆性的氟化鐵(Iron fluoride)陰極，可使循環壽命提升，並具備良好的可逆性。

三、鋰金屬電池

(一)鋰氧電池(Lithium-oxygen cells)
1. 優勢
鋰氧電池(也稱為鋰-空氣電池)使用空氣中的氧氣做為活性陰極材料及活性金屬做為陽極，並透過陽極氧化及陰極還原進而產生電流。鋰氧電池的能量密度潛力為現今鋰離子技術的五倍，此外，由於其使用空氣做為陰極材料，因此成本較低。
2. 挑戰及發展方向
由於現行多數鋰氧電池皆使用純氧陰極進行測試，為使其在商業上具有發展力，需在正常空氣中進行測試，然而空氣中含有濕氣及二氧化碳，將可能使電池組件退化，導致循環壽命降低。此外，由於充放電時電壓的不平衡，亦導致每次循環皆有30%的電能損耗，且其放電速率低於一般鋰離子電池。
為提升鋰氧電池的循環效率，研究人員開發了無機電解質超氧化鋰，其可使電池在高溫攝氏150度下運行，並達到100%的發電效率，未來將持續研究其可運用的範疇與領域。

四、固態電池(Solid-state batteries)

1.優勢
固態電池以無機固態物(如陶瓷、矽酸鹽及硫化物)做為電解質之電池，導電率雖低於液態電解質，但具有體積可以更薄的優勢。由於固態電解質並不具有易燃的液體電解質，使其可承受更高的電壓，進而達到較高的能量密度。
2.挑戰及發展方向
為解決固體電解質電導率低於液體電解質的問題，美國Ionic Materials公司研發新型固態聚合物電解質以提高導電率，並欲將新型電解質用於多項化學物質中，以加速此技術商業化程度。

五、非鋰電池

(一)多價離子化學電池(Multivalent ion chemistries batteries)
1.優勢
多價離子化學電池以多價金屬(如鎂、鈣及鋁)做為陽極材料，透過多價金屬使每個原子可轉移一個以上的電子，以提高其能量轉換效率。
2.挑戰及發展方向
現今多價離子化學電池面臨的主要問題為缺乏適合的陰極材料，雖可將鎂金屬做為陽極搭配鋰離子的陰極，然而這種配置方式需要大量的電解液，將對電池的能量密度產生負面影響。由於此技術仍處於發展階段，現今許多研究皆致力解決此項問題。

(二)鋁空氣電池(Aluminium-air batteries) 
1.優勢
鋁空氣電池為透過鋁陽極及空氣中的氧氣發生反應進而產生電能，其中氧氣可透過膜或相似的組件被動導入，亦可透過泵或風扇主動傳送。鋁空氣電池具有高達8,000Wh/kg的比能量，雖無法充電，但廢棄的鋁易於回收，可減少電池廢棄物對環境的影響。
2.挑戰及發展方向
電流的流動會被鋁表面上所形成的氧化層抑制，從而限制了電池的性能。為解決此項問題，需使用專用的鋁合金或使用腐蝕性的電解質，然而這對安全性及環保皆是一項挑戰。目前英國Métalectrique公司已開發出無腐蝕性的電解質，並持續提升產品可商業化程度。