Energia, jako materialna podstawa postępu ludzkiej cywilizacji, zawsze odgrywała ważną rolę. Jest niezbędnym gwarantem rozwoju społeczeństwa ludzkiego. Wraz z wodą, powietrzem i żywnością stanowi niezbędne warunki do przetrwania człowieka i bezpośrednio wpływa na jego życie.

Rozwój energetyki przeszedł dwie zasadnicze transformacje: od „ery” drewna opałowego do „ery” węgla, a następnie od „ery” węgla do „ery” ropy naftowej. Teraz rozpoczął się proces przechodzenia od „ery” ropy naftowej do „ery” odnawialnych źródeł energii.

Od węgla jako głównego źródła energii na początku XIX wieku, po ropę naftową jako główne źródło energii w połowie XX wieku, ludzie wykorzystują energię kopalną na dużą skalę od ponad 200 lat. Jednak globalna struktura energetyczna zdominowana przez energię kopalną sprawia, że ​​jesteśmy już blisko wyczerpania energii kopalnej.

Trzy tradycyjne kopalne nośniki energii, czyli węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny, szybko się wyczerpią w nadchodzącym stuleciu. W procesie ich użytkowania i spalania powstaną również efekty cieplarniane, powstaną duże ilości zanieczyszczeń i zanieczyszczą środowisko.

Dlatego też niezwykle ważne jest ograniczenie uzależnienia od energii pochodzącej ze źródeł kopalnych, zmiana obecnej nieracjonalnej struktury zużycia energii i poszukiwanie nowych, czystych i wolnych od zanieczyszczeń źródeł energii odnawialnej.

Obecnie energia odnawialna obejmuje przede wszystkim energię wiatru, energię wodorową, energię słoneczną, energię biomasy, energię pływów i energię geotermalną itd., a energia wiatru i energia słoneczna stanowią obecnie obszary zainteresowania badawczego na całym świecie.

Jednakże nadal stosunkowo trudno jest osiągnąć efektywną konwersję i magazynowanie różnych odnawialnych źródeł energii, co utrudnia ich efektywne wykorzystanie.

W tym przypadku, aby umożliwić ludziom efektywne wykorzystanie nowych, odnawialnych źródeł energii, konieczne jest opracowanie wygodnej i wydajnej technologii magazynowania energii, co jest również gorącym tematem obecnych badań społecznych.

Obecnie baterie litowo-jonowe, jako jedne z najwydajniejszych baterii wtórnych, są szeroko stosowane w różnych urządzeniach elektronicznych, transporcie, lotnictwie i innych dziedzinach. Perspektywy rozwoju są trudniejsze.

Właściwości fizyczne i chemiczne sodu i litu są podobne, a ich właściwości magazynowania energii są zbliżone. Ze względu na wysoką zawartość sodu, równomierne rozmieszczenie źródła sodu i niską cenę, jest on wykorzystywany w technologii magazynowania energii na dużą skalę, charakteryzującej się niskim kosztem i wysoką wydajnością.

Materiały elektrod dodatnich i ujemnych baterii sodowo-jonowych obejmują warstwowe związki metali przejściowych, polianiony, fosforany metali przejściowych, nanocząsteczki rdzeń-powłoka, związki metali, twardy węgiel itp.

Węgiel, jako pierwiastek występujący w niezwykle dużych ilościach w przyrodzie, jest tani i łatwy do uzyskania, dzięki czemu zyskał szerokie uznanie jako materiał anodowy w akumulatorach sodowo-jonowych.

Ze względu na stopień grafityzacji materiały węglowe można podzielić na dwie kategorie: węgiel grafitowy i węgiel amorficzny.

Węgiel twardy, należący do węgla amorficznego, charakteryzuje się pojemnością magazynowania sodu wynoszącą 300 mAh/g, natomiast materiały węglowe o wyższym stopniu grafityzacji są trudne do wykorzystania komercyjnego ze względu na dużą powierzchnię i silne uporządkowanie.

Dlatego w badaniach praktycznych stosuje się głównie twarde materiały węglowe niezawierające grafitu.

Aby jeszcze bardziej poprawić wydajność materiałów anodowych do akumulatorów sodowo-jonowych, można zwiększyć hydrofilowość i przewodność materiałów węglowych poprzez domieszkowanie jonowe lub mieszanie, co może poprawić wydajność magazynowania energii przez materiały węglowe.

Jako materiał elektrody ujemnej akumulatora sodowo-jonowego, związki metali to głównie dwuwymiarowe węgliki i azotki metali. Oprócz doskonałych właściwości materiałów dwuwymiarowych, mogą one nie tylko magazynować jony sodu poprzez adsorpcję i interkalację, ale także łączyć się z sodem. Połączenie jonów generuje pojemność poprzez reakcje chemiczne, co znacznie poprawia efekt magazynowania energii.

Ze względu na wysokie koszty i trudności w uzyskaniu związków metali, materiały węglowe są nadal głównymi materiałami anodowymi dla akumulatorów sodowo-jonowych.

Rozwój warstwowych związków metali przejściowych nastąpił po odkryciu grafenu. Obecnie dwuwymiarowe materiały stosowane w bateriach sodowo-jonowych obejmują głównie warstwowe materiały NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4 itp. na bazie sodu.

Polianionowe materiały elektrod dodatnich zostały po raz pierwszy zastosowane w elektrodach dodatnich akumulatorów litowo-jonowych, a później w akumulatorach sodowo-jonowych. Ważnymi reprezentatywnymi materiałami są kryształy oliwinu, takie jak NaMnPO4 i NaFePO4.

Fosforan metalu przejściowego był pierwotnie stosowany jako materiał na elektrody dodatnie w bateriach litowo-jonowych. Proces syntezy jest stosunkowo dojrzały i występuje w wielu strukturach krystalicznych.

Fosforan, jako struktura trójwymiarowa, buduje strukturę szkieletową sprzyjającą deinterkalacji i interkalacji jonów sodu, dzięki czemu powstają baterie sodowo-jonowe o doskonałych parametrach magazynowania energii.

Materiał o strukturze rdzenia i powłoki to nowy rodzaj materiału anodowego do akumulatorów sodowo-jonowych, który pojawił się dopiero w ostatnich latach. Oparty na oryginalnych materiałach, materiał ten uzyskał pustą strukturę dzięki znakomitej konstrukcji.

Do bardziej powszechnych materiałów o strukturze rdzeń-powłoka zaliczają się puste nanosześciany z selenku kobaltu, nanosfery wanadanu sodu z rdzeniem-powłoką domieszkowane Fe-N, porowate puste nanosfery tlenku cyny i węgla oraz inne puste struktury.

Dzięki swoim doskonałym właściwościom, w połączeniu z magiczną, pustą i porowatą strukturą, elektrolit jest wystawiony na większą aktywność elektrochemiczną, a jednocześnie w dużym stopniu zwiększa się mobilność jonów elektrolitu, co przekłada się na efektywne magazynowanie energii.

Globalny udział energii odnawialnej stale rośnie, co sprzyja rozwojowi technologii magazynowania energii.

Obecnie, ze względu na różne metody magazynowania energii, można ją podzielić na magazynowanie fizyczne i magazynowanie elektrochemiczne.

Magazynowanie energii elektrochemicznej odpowiada standardom rozwojowym dzisiejszej nowej technologii magazynowania energii ze względu na swoje zalety: wysoki poziom bezpieczeństwa, niskie koszty, elastyczność użytkowania i wysoką wydajność.

Ze względu na różne procesy reakcji elektrochemicznych, źródła energii magazynowanej elektrochemicznie obejmują głównie superkondensatory, akumulatory kwasowo-ołowiowe, akumulatory paliwowe, akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe, akumulatory sodowo-siarkowe i akumulatory litowo-jonowe.

W technologii magazynowania energii elastyczne materiały elektrodowe cieszą się zainteresowaniem wielu naukowców ze względu na różnorodność konstrukcji, elastyczność, niskie koszty i właściwości chroniące środowisko.

Materiały węglowe charakteryzują się szczególną stabilnością termochemiczną, dobrą przewodnością elektryczną, wysoką wytrzymałością i niezwykłymi właściwościami mechanicznymi, co czyni je obiecującymi elektrodami do akumulatorów litowo-jonowych i sodowo-jonowych.

Superkondensatory można szybko ładować i rozładowywać w warunkach wysokiego prądu, a ich cykl życia wynosi ponad 100 000 cykli. Stanowią one nowy rodzaj specjalnego elektrochemicznego źródła energii magazynowanej pomiędzy kondensatorami a bateriami.

Superkondensatory charakteryzują się dużą gęstością mocy i wysokim współczynnikiem konwersji energii, ale ich gęstość energetyczna jest niska, są podatne na samorozładowanie i wyciek elektrolitu w przypadku niewłaściwego użytkowania.

Chociaż ogniwo paliwowe charakteryzuje się brakiem konieczności ładowania, dużą pojemnością, wysoką pojemnością właściwą i szerokim zakresem mocy właściwej, jego wysoka temperatura pracy, wysoka cena i niska sprawność konwersji energii sprawiają, że jest ono dostępne jedynie w procesie komercjalizacji. Używane jest w określonych kategoriach.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe charakteryzują się niskim kosztem, zaawansowaną technologią i wysokim poziomem bezpieczeństwa. Są szeroko stosowane w stacjach bazowych sygnału, rowerach elektrycznych, samochodach i systemach magazynowania energii w sieciach elektroenergetycznych. Krótkie płytki, ze względu na zanieczyszczenie środowiska, nie są w stanie sprostać coraz wyższym wymaganiom i standardom dotyczącym akumulatorów magazynujących energię.

Akumulatory Ni-MH charakteryzują się dużą wszechstronnością, niską wartością kaloryczną, dużą pojemnością monomeru i stabilnymi właściwościami rozładowania, ale ich masa jest stosunkowo duża i istnieje wiele problemów w zarządzaniu seriami akumulatorów, które mogą łatwo doprowadzić do stopienia się pojedynczych separatorów akumulatorowych.