Dado que la densidad de energía en los combustibles fósiles es mucho mayor que la química convencional de las baterías, ¿por qué las baterías no están hechas de hidrógeno y carbono en lugar de iones de litio o zinc?

Porque la química de la combustión es extremadamente diferente de la electroquímica. En una reacción de combustión, los enlaces covalentes se rompen y se reforman mediante la adición de un oxidante. Los productos están agotados ya que son (para todos los fines prácticos) irreversiblemente cambiados. En una célula electroquímica, se produce una reacción redox a través de la transferencia de electrones que no necesariamente implican la ruptura o formación de enlaces covalentes. La reacción es reversible, no hay oxidante, y tanto los reactivos como los productos permanecen en la célula.

La formación de una celda de hidrógeno-carbono básicamente significa que trataría de aprovechar la diferencia potencial entre la oxidación del hidrógeno y la reducción del carbono, con metano como producto de oxidación. Esa es una celda bastante mala, ya que tiene un voltaje estándar de aproximadamente 0.26V.
[matemáticas] 2H_ {2 (g)} + C _ {(s)} \ Rightarrow CH_ {4 (g)} [/ matemáticas]

Compare eso con el óxido de litio y manganeso, para el cual la primera reacción es
[matemáticas] MnO_ {2 (s)} + 4H ^ {+} _ {(aq)} + Li \ Rightarrow Li ^ + _ {(aq)} + Mn ^ {3 +} _ {(aq)} + 2H_2O [/matemáticas]
y el potencial de reducción estándar es 3.99V.

Básicamente, el uso de carbono e hidrógeno sería bastante tonto en una batería, ya que sufre una reacción completamente diferente.

Se les llama pilas de combustible cuando hacen eso, no “baterías”
Pila de combustible
Ahí mismo, en Wikipedia, se ve una ‘celda de combustible de metanol’, por lo que en realidad no es muy diferente de ejecutar su automóvil con etanol (está bien, 1 carbono menos, pero se entiende).
¡He visto celdas de combustible que funcionan incluso con amoníaco, NH3, por lo que ni siquiera tiene que ser carbono al que se aferran los hidrógenos!