能量密度是给定体积内所含的能量。在工程领域，这个术语有时也指单位质量的能量，不过这一物理量更准确的名称是比能量。区分二者很重要：某种物质相对于其重量而言可能储存了大量能量，却需要占用很大的空间。能量密度既可描述分布于物理场中的能量，也可描述燃料或储能装置能够提供的能量。因此，它的含义取决于计入哪些能量，以及如何划定系统边界。(openstax.org)
定义与单位
对于均匀系统，体积能量密度为
[ u=\frac{E}{V}, ]
其中，(E) 为能量，(V) 为体积。在国际单位制中，其单位是焦耳每立方米，记为 J/m³。它与压强具有相同的量纲：1 J/m³ 等于 1 帕斯卡。量纲相同并不意味着能量密度与压强在物理上可以互换。(nist.gov)
对于非均匀分布，局部密度 (u(\mathbf{x},t)) 描述能量如何随位置和时间变化。某一区域内的能量可通过体积积分求得：
[ E=\int_V u(\mathbf{x},t),dV. ]
例如，这种方法可用于计算随空间位置变化的磁场中储存的能量。(openstax.org)
比能量为 (e=E/m)，通常以 J/kg 表示。对于质量密度为 (\rho=m/V) 的均匀材料，由上述定义可得 (u=\rho e)。储能工程中还使用 Wh/kg 和 Wh/L。根据单位换算，1 Wh 等于 3,600 J，1 Wh/L 等于 3.6 MJ/m³。质量能量密度和体积能量密度这两个名称明确指出了分母所采用的物理量。(nist.gov)
电磁场中的能量
在电磁学中，能量密度描述的是与场相关的能量，而非可燃物质所含的能量。在真空中，电场与磁场的总能量密度为
[ u=\frac{\varepsilon_0}{2}|\mathbf{E}|^2+ \frac{1}{2\mu_0}|\mathbf{B}|^2, ]
其中，(\varepsilon_0) 和 (\mu_0) 分别是真空介电常数和真空磁导率。各项贡献均取决于相应场强的平方。对于任意场，电场与磁场的能量贡献不一定相等。(openstax.org)
对于真空中的电磁辐射平面波，两项贡献相等。其时间平均强度满足
[ I=c\langle u\rangle, ]
其中，(c) 为光速。能量密度衡量单位体积内存在的能量；强度衡量单位时间内通过单位面积传输的能量。因此，若电场和磁场的振幅均增至原来的两倍，波的能量密度和强度都会增至原来的四倍。(openstax.org)
燃料与热值
燃料能量密度通常指化学反应所释放的能量，其中最常见的反应是燃烧。比较时必须区分高位热值与低位热值。高位热值包括燃烧生成的水凝结时可回收的能量；低位热值则将这些水视为水蒸气。采用这两种不同约定的数值，未经调整不应混用。(afdc.energy.gov)
氢体现了按质量和按体积衡量时的差异。按低位热值计算，美国能源部给出的氢的数值约为 120 MJ/kg，汽油约为 44 MJ/kg。然而，液氢每升所含的能量约为 8 MJ，而汽油约为 32 MJ/L。因此，按燃料质量计算，氢的能量密度高于汽油；但按液体体积计算，氢则低于汽油。这些数值描述的是燃料本身，而非完整的储存系统，也不是最终输出的机械能。(energy.gov)
储存条件同样重要。压缩气体或将其液化，会改变给定体积内能够容纳的燃料量。储罐、隔热层、阀门及其他设备会增加质量并占据空间。因此，系统层面的数值不同于仅考虑材料本身的数值，而比较气体燃料时必须指明温度和压强。(energy.gov)
电池与系统边界
对于电池，能量密度表示储存或可输出的电能与其质量或体积之比。锂离子电池可在活性材料、单体电池、模组或电池包层面进行评估。这些层面对应不同的测量边界，并非对同一性能数值的可互换描述。(energy.gov)
一种电极材料可能具有很高的储能潜力，但完整的单体电池还需要集流体、隔膜、电解质和外壳。电池包则进一步增加结构防护、连接部件、监测电子装置和温控设备。与仅考虑活性材料时相比，这些部件通常会降低能量密度。因此，有意义的比较应明确测量所处的层面，以及分子所表示的是标称储存能量还是可用输出能量。(energy.gov)
储热
在热力学中，储热容量可用指定运行区间内传递的能量来表示。对于不发生相变的显热储存，若密度和比热容近似恒定，则有
[ \frac{Q}{V}\approx\rho c_p\Delta T. ]
该式由 (Q=mc_p\Delta T) 推得，其中 (c_p) 为适用于定压加热的比热容。结果取决于温度区间，而不只是材料的种类。(openstax.org)
相变可在转变过程中温度不发生相应变化的情况下，储存或释放潜热。对于完整的相变，(Q=mL)，其中 (L) 为比潜热；除以选定的参考体积，可得 (Q/V=\rho L)。如果材料的体积发生变化，所采用的密度与体积基准必须一致。(openstax.org)
能量密度与功率密度的区别
功率密度描述的是单位质量或单位体积的能量输出速率，而不是储存的能量总量。储存大量能量的电池不一定能快速输出这些能量：功率受到能量传递至用电负载的速度限制。(www1.eere.energy.gov)
因此，能量密度只是衡量储能性能的指标之一。电池研究还会评估安全性、使用寿命和成本；储氢评估则还会考虑供氢速率、效率、耐久性和燃料品质。比较时明确说明能量的计算约定、储存条件、系统边界以及可用能量的计算基准，才能提供最有价值的信息。(energy.gov)