Якщо зерно везе віз, запряжений волами, то скільки мішків зерна доїде до ринку? З такою проблемою стикається будь-яка транспортна система, у якій транспортний засіб перевозить власне паливо. Ключовим значенням тут є щільність енергії, виражена по відношенню до маси чи обсягу.
Епоха великих океанських лайнерів з паровим двигуном почалася у другій половині 19 століття, коли основним видом палива були дрова. Але на жодному з лайнерів дрова не використовувалися, оскільки для пасажирів і вантажів тоді не залишалося б місця. М'яка деревина, така як у ялинки або сосни, містить менше 10 мегаджоулів на літр, тоді як ККД кам'яного вугілля в 2,5 рази більше енергії за обсягом і як мінімум удвічі більше за масою. Для порівняння, у бензину – 34 МДж/л, а у дизеля – близько 38 МДж/л.
Але у світі, який прагне відмовитися від усіх видів палива (крім водню або, можливо, аміаку) і в той же час все електрифікувати, кращим показником щільності накопиченої енергії є ват-година на літр. За цим показником висушена деревина містить близько 3500 Вт-ч/л, енергетичне вугілля - 6500, бензин - 9600, авіаційний гас - 10300, а природний газ (метан) - всього 9,7 або менше 1/1000 щільності гасу.
Як батареї співвідносяться із паливом, яке вони мають витіснити? Перша практична батарея - свинцево-кислотний елемент Гастона Планте, представлений 1859 року, зросла менш ніж 60 Вт-ч/л до приблизно 90 Вт-ч/л. Нікель-кадмієва батарея, винайдена Вальдемар Юнгнер в 1899 році, в даний час має ємність більше 150 Вт-ч/л. А найкращими масовими на сьогоднішній день є літій-іонні батареї, перші комерційні версії яких з'явилися у 1991 році. Найкраща щільність енергії, доступна нині у комерційних літій-іонних батареях, становить 750 Вт-ч/л і використовується в електромобілях. У 2020 році компанія Panasonic обіцяла, що до 2025 року вона досягне показника 850 Вт-ч/л (і без дорогого кобальту). Зрештою компанія має намір досягти показника 1 000 Вт-ч/л.
За останні 50 років максимальна щільність енергії батарей, що серійно випускаються, збільшилася приблизно в п'ять разів.
Заяви про нові рекорди щільності енергії для літій-іонних батарей з'являються регулярно. У березні 2021 року компанія Sion Power анонсувала циліндричний осередок ємністю 810 Вт-ч/л; три місяці потому компанія NanoGraf представила циліндричний осередок ємністю 800 Вт-ч/л. Раніше в грудні 2020 року компанія QuantumScape заявляла про комірку на 1000 Вт-ч/л, а Sion Power ще в 2018 році - про комірку на 1400 Вт-ч/л. Але осередки Sion були зроблені на пілотній виробничій лінії, а заява QuantumScape була заснована на лабораторних випробуваннях одношарових осередків, а не на комерційно доступних багатошарових продуктах.
На сьогоднішній день реальним світовим лідером є Amprius Technologies із Фрімонту, Каліфорнія. У лютому 2022 року компанія оголосила про перше постачання батарей ємністю 1150 Вт-ч/л виробнику висотних безпілотних літаків нового покоління, які будуть використовуватися для передачі сигналів. Звичайно, це дуже нішевий ринок, набагато менший, ніж потенційний ринок електромобілів, але це довгоочікуване підтвердження постійного зростання щільності.
Має пройти довгий шлях, перш ніж батареї зможуть конкурувати із щільністю енергії рідкого палива. За останні 50 років максимальна енергетична щільність батарей, що серійно випускаються, збільшилася приблизно в п'ять разів - з менш ніж 150 до більш ніж 700 Вт-ч/л. Але за збереження таких темпів протягом наступних 50 років максимальна щільність становитиме близько 3500 Вт-ч/л, тобто. не більше третини густини гасу. Очікування супербатарів, які готові забезпечити міжконтинентальні перельоти, може не закінчитися навіть до 2070 року.