Ähnlich wie bei Elektroautos ist auch bei Hybridfahrzeugen der Energiespeicher von besonderer Bedeutung. Die wichtigsten Anforderungen an die Energiespeicher sind die Energie- und Leistungsdichte, Lebensdauer, energetischer Wirkungsgrad, Umweltverträglichkeit, Kosten und Verfügbarkeit. Die Hauptanforderungen für den Einsatz in Hybridantrieben ist eine möglichst hohe Leistungsdichte, um mit einer möglichst kleinen und leichten Batterie die Entlade- und Ladevorgänge zu erreichen.
Gleichzeitig muss die Batterie über eine große Energiedichte verfügen, um eine ausreichende Reichweite zu ermöglichen.
Den Forderungen nach hoher Leistungsdichte bei gleichzeitig hohem Energieinhalt kommen derzeit Nickel-Cadmium oder Nickel-Metallhydrid-Batterien am nächsten. Die Bleibatterie ist vor allem wegen der geringeren Kosten und der großen Verfügbarkeit weiter eine ernsthafte Alternative. Hochtemperatursysteme wie Natrium-Nickelchlorid-Batterien kommen, wenn nur für serielle Konzepte in Frage, wobei die im Vergleich zu Nickel-Cadmium oder Nickel-Metallhydrid niedrigere Leistungsdichte zu zwangsweise größeren Batteriesätzen führt.
Lithium-Systeme (Li-Ion, Lithium-Polymer), die sich durch eine hohe Leistungs- und Energiedichte auszeichnen, sind derzeit noch in der Entwicklungsphase. Durch die notwendige elektrische als auch thermische Einzellzellenüberwachung bei der Li-Ion-Technologie ist das System technisch aufwendig.
Diese Batterien zeichnen sich durch eine sehr hohe Zyklenfestigkeit aus. Sie stellen die Standardausrüstung in elektrischen Kleingeräten, bei denen erhöhte Anforderungen an das Leistungsgewicht gestellt werden. In letzten Jahren konnten Leistungsdichte, Energiedichte und Zyklenfestigkeit weiter verbessert werden. Kritisch wird jedoch nachwievor das negative Kurzschlussverhalten betrachtet, da die Zelle schnell explodieren kann.
Hinzu kommt, dass die Herstellung noch sehr teuer ist. Trotz der hohen Energiedichte von etwa 0,12 kWh/kg und einer möglichen Verbesserung auf über 0,20 kWh/kg steht dieser Wert einem Liter Dieselkraftstoff mit gut 10 kWh/kg erheblich nach. Kurze Ladezeiten von weniger als 15 Minuten sind mit keinem der anderem bekannten Batterietypen möglich.
Mit Lithium-Ionen Batterien streben die Hersteller Reichweiten von 200 bis 400 Kilometern an. Als weitere Energiespeicher werden elektrische Schwungräder und Superkondensatoren genutzt. Während sich letztere für den Einsatz im Fahrzeug noch im Entwicklungsstadium befinden, werden Schwungräder bereits mit Erfolg bei Standardlinienbusse eingesetzt.
