Η ενέργεια, ως υλική βάση για την πρόοδο του ανθρώπινου πολιτισμού, έπαιζε πάντα σημαντικό ρόλο.Είναι μια απαραίτητη εγγύηση για την ανάπτυξη της ανθρώπινης κοινωνίας.Μαζί με το νερό, τον αέρα και την τροφή, αποτελεί τις απαραίτητες προϋποθέσεις για την επιβίωση του ανθρώπου και επηρεάζει άμεσα την ανθρώπινη ζωή..

Η ανάπτυξη της ενεργειακής βιομηχανίας έχει υποστεί δύο μεγάλες μεταμορφώσεις από την «εποχή» των καυσόξυλων στην «εποχή» του άνθρακα και στη συνέχεια από την «εποχή» του άνθρακα στην «εποχή» του πετρελαίου.Τώρα έχει αρχίσει να αλλάζει από την «εποχή» του πετρελαίου στην «εποχή» της αλλαγής των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

Από τον άνθρακα ως κύρια πηγή στις αρχές του 19ου αιώνα έως το πετρέλαιο ως κύρια πηγή στα μέσα του 20ου αιώνα, οι άνθρωποι έχουν χρησιμοποιήσει την ορυκτή ενέργεια σε μεγάλη κλίμακα για περισσότερα από 200 χρόνια.Ωστόσο, η παγκόσμια ενεργειακή δομή που κυριαρχείται από την ορυκτή ενέργεια την καθιστά πλέον μακριά από την εξάντληση της ορυκτής ενέργειας.

Οι τρεις παραδοσιακοί οικονομικοί φορείς ορυκτών ενέργειας που αντιπροσωπεύονται από τον άνθρακα, το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο θα εξαντληθούν γρήγορα τον νέο αιώνα και στη διαδικασία χρήσης και καύσης θα προκαλέσει επίσης το φαινόμενο του θερμοκηπίου, θα δημιουργήσει μεγάλη ποσότητα ρύπων και θα ρυπάνει το περιβάλλον.

Ως εκ τούτου, είναι επιτακτική ανάγκη να μειωθεί η εξάρτηση από την ορυκτή ενέργεια, να αλλάξει η υπάρχουσα δομή παράλογης χρήσης ενέργειας και να αναζητηθεί καθαρή και χωρίς ρύπανση νέα ανανεώσιμη ενέργεια.

Επί του παρόντος, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας περιλαμβάνουν κυρίως αιολική ενέργεια, ενέργεια υδρογόνου, ηλιακή ενέργεια, ενέργεια από βιομάζα, παλιρροιακή ενέργεια και γεωθερμική ενέργεια, κ.λπ., και η αιολική ενέργεια και η ηλιακή ενέργεια είναι τα τρέχοντα ερευνητικά hotspot παγκοσμίως.

Ωστόσο, εξακολουθεί να είναι σχετικά δύσκολο να επιτευχθεί αποτελεσματική μετατροπή και αποθήκευση διαφόρων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, καθιστώντας έτσι δύσκολη την αποτελεσματική αξιοποίησή τους.

Στην περίπτωση αυτή, προκειμένου να πραγματοποιηθεί η αποτελεσματική χρήση των νέων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας από τον άνθρωπο, είναι απαραίτητο να αναπτυχθεί βολική και αποδοτική νέα τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας, η οποία είναι επίσης ένα hot spot στην τρέχουσα κοινωνική έρευνα.

Επί του παρόντος, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, ως μία από τις πιο αποτελεσματικές δευτερεύουσες μπαταρίες, έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε διάφορες ηλεκτρονικές συσκευές, τις μεταφορές, την αεροδιαστημική και άλλους τομείς., οι προοπτικές ανάπτυξης είναι πιο δύσκολες.

Οι φυσικές και χημικές ιδιότητες του νατρίου και του λιθίου είναι παρόμοιες και έχει αποτέλεσμα αποθήκευσης ενέργειας.Λόγω της πλούσιας περιεκτικότητάς του, της ομοιόμορφης κατανομής της πηγής νατρίου και της χαμηλής τιμής, χρησιμοποιείται σε τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης κλίμακας, η οποία έχει τα χαρακτηριστικά του χαμηλού κόστους και της υψηλής απόδοσης.

Τα θετικά και αρνητικά υλικά ηλεκτροδίων των μπαταριών ιόντων νατρίου περιλαμβάνουν στρώσεις ενώσεις μετάλλων μετάπτωσης, πολυανιόντα, φωσφορικά μέταλλα μεταπτώσεως, νανοσωματίδια πυρήνα-κελύφους, μεταλλικές ενώσεις, σκληρό άνθρακα κ.λπ.

Ως στοιχείο με εξαιρετικά άφθονα αποθέματα στη φύση, ο άνθρακας είναι φθηνός και εύκολος στην απόκτηση, και έχει κερδίσει μεγάλη αναγνώριση ως υλικό ανόδου για μπαταρίες ιόντων νατρίου.

Ανάλογα με το βαθμό γραφιτοποίησης, τα υλικά άνθρακα μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: τον γραφιτικό άνθρακα και τον άμορφο άνθρακα.

Ο σκληρός άνθρακας, που ανήκει στον άμορφο άνθρακα, παρουσιάζει ειδική ικανότητα αποθήκευσης νατρίου 300 mAh/g, ενώ τα υλικά άνθρακα με υψηλότερο βαθμό γραφιτοποίησης είναι δύσκολο να ανταποκριθούν στην εμπορική χρήση λόγω της μεγάλης επιφάνειας και της ισχυρής τάξης τους.

Ως εκ τούτου, τα υλικά σκληρού άνθρακα χωρίς γραφίτη χρησιμοποιούνται κυρίως στην πρακτική έρευνα.

Προκειμένου να βελτιωθεί περαιτέρω η απόδοση των υλικών ανόδου για μπαταρίες ιόντων νατρίου, η υδροφιλία και η αγωγιμότητα των υλικών άνθρακα μπορούν να βελτιωθούν μέσω ντόπινγκ ή σύνθεσης ιόντων, που μπορεί να βελτιώσει την απόδοση αποθήκευσης ενέργειας των υλικών άνθρακα.

Ως υλικό αρνητικού ηλεκτροδίου της μπαταρίας ιόντων νατρίου, οι μεταλλικές ενώσεις είναι κυρίως δισδιάστατα μεταλλικά καρβίδια και νιτρίδια.Εκτός από τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά των δισδιάστατων υλικών, μπορούν όχι μόνο να αποθηκεύουν ιόντα νατρίου με προσρόφηση και παρεμβολή, αλλά και να συνδυάζονται με νάτριο. Ο συνδυασμός ιόντων δημιουργεί χωρητικότητα μέσω χημικών αντιδράσεων για αποθήκευση ενέργειας, βελτιώνοντας έτσι σημαντικά το αποτέλεσμα αποθήκευσης ενέργειας.

Λόγω του υψηλού κόστους και της δυσκολίας απόκτησης μεταλλικών ενώσεων, τα υλικά άνθρακα εξακολουθούν να είναι τα κύρια υλικά ανόδου για μπαταρίες ιόντων νατρίου.

Η άνοδος των στρωμάτων ενώσεων μετάλλων μετάπτωσης είναι μετά την ανακάλυψη του γραφενίου.Προς το παρόν, τα δισδιάστατα υλικά που χρησιμοποιούνται στις μπαταρίες ιόντων νατρίου περιλαμβάνουν κυρίως NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4 κ.λπ. με βάση το νάτριο.

Τα υλικά πολυιονικών θετικών ηλεκτροδίων χρησιμοποιήθηκαν αρχικά σε θετικά ηλεκτρόδια μπαταρίας ιόντων λιθίου και αργότερα χρησιμοποιήθηκαν σε μπαταρίες ιόντων νατρίου.Σημαντικά αντιπροσωπευτικά υλικά περιλαμβάνουν κρυστάλλους ολιβίνης όπως NaMnPO4 και NaFePO4.

Το φωσφορικό μέταλλο μεταπτώσεως χρησιμοποιήθηκε αρχικά ως υλικό θετικού ηλεκτροδίου σε μπαταρίες ιόντων λιθίου.Η διαδικασία σύνθεσης είναι σχετικά ώριμη και υπάρχουν πολλές κρυσταλλικές δομές.

Το φωσφορικό, ως τρισδιάστατη δομή, δημιουργεί μια δομή πλαισίου που ευνοεί την αποσυμπίεση και παρεμβολή ιόντων νατρίου και στη συνέχεια αποκτά μπαταρίες ιόντων νατρίου με εξαιρετική απόδοση αποθήκευσης ενέργειας.

Το υλικό δομής πυρήνα-κελύφους είναι ένας νέος τύπος υλικού ανόδου για μπαταρίες ιόντων νατρίου που έχει εμφανιστεί μόλις τα τελευταία χρόνια.Με βάση τα πρωτότυπα υλικά, αυτό το υλικό έχει επιτύχει μια κοίλη δομή μέσω εξαίσιας δομικής σχεδίασης.

Τα πιο κοινά υλικά δομών του πυρήνα του κελύφους περιλαμβάνουν κοίλους νανοκύβους σεληνιούχου κοβαλτίου, νανοσφαίρες βαναδικού νατρίου με συμπαραγωγή με Fe-N πυρήνα-κέλυφος, νανοσφαίρες πορώδεις κοίλους άνθρακα από οξείδιο του κασσιτέρου και άλλες κοίλες δομές.

Λόγω των εξαιρετικών χαρακτηριστικών του, σε συνδυασμό με τη μαγική κοίλη και πορώδη δομή, εκτίθεται περισσότερη ηλεκτροχημική δραστηριότητα στον ηλεκτρολύτη και ταυτόχρονα προάγει σημαντικά την κινητικότητα ιόντων του ηλεκτρολύτη για την επίτευξη αποτελεσματικής αποθήκευσης ενέργειας.

Η παγκόσμια ανανεώσιμη ενέργεια συνεχίζει να αυξάνεται, προωθώντας την ανάπτυξη της τεχνολογίας αποθήκευσης ενέργειας.

Επί του παρόντος, σύμφωνα με διαφορετικές μεθόδους αποθήκευσης ενέργειας, μπορεί να χωριστεί σε φυσική αποθήκευση ενέργειας και ηλεκτροχημική αποθήκευση ενέργειας.

Η ηλεκτροχημική αποθήκευση ενέργειας πληροί τα πρότυπα ανάπτυξης της σημερινής νέας τεχνολογίας αποθήκευσης ενέργειας λόγω των πλεονεκτημάτων της υψηλής ασφάλειας, χαμηλού κόστους, ευέλικτης χρήσης και υψηλής απόδοσης.

Σύμφωνα με διαφορετικές διαδικασίες ηλεκτροχημικής αντίδρασης, οι πηγές ενέργειας αποθήκευσης ηλεκτροχημικής ενέργειας περιλαμβάνουν κυρίως υπερπυκνωτές, μπαταρίες μολύβδου-οξέος, μπαταρίες ισχύος καυσίμου, μπαταρίες νικελίου-υδριδίου μετάλλου, μπαταρίες θείου νατρίου και μπαταρίες ιόντων λιθίου.

Στην τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας, τα εύκαμπτα υλικά ηλεκτροδίων έχουν προσελκύσει τα ερευνητικά ενδιαφέροντα πολλών επιστημόνων λόγω της ποικιλομορφίας σχεδιασμού, της ευελιξίας, του χαμηλού κόστους και των χαρακτηριστικών προστασίας του περιβάλλοντος.

Τα υλικά άνθρακα έχουν ιδιαίτερη θερμοχημική σταθερότητα, καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, υψηλή αντοχή και ασυνήθιστες μηχανικές ιδιότητες, καθιστώντας τα πολλά υποσχόμενα ηλεκτρόδια για μπαταρίες ιόντων λιθίου και μπαταρίες ιόντων νατρίου.

Οι υπερπυκνωτές μπορούν να φορτιστούν και να εκφορτιστούν γρήγορα υπό συνθήκες υψηλών ρευμάτων και έχουν διάρκεια ζωής πάνω από 100.000 φορές.Είναι ένας νέος τύπος ειδικής τροφοδοσίας ηλεκτροχημικής αποθήκευσης ενέργειας μεταξύ πυκνωτών και μπαταριών.

Οι υπερπυκνωτές έχουν τα χαρακτηριστικά της υψηλής πυκνότητας ισχύος και του υψηλού ρυθμού μετατροπής ενέργειας, αλλά η ενεργειακή τους πυκνότητα είναι χαμηλή, είναι επιρρεπείς σε αυτοεκφόρτιση και είναι επιρρεπείς σε διαρροή ηλεκτρολυτών όταν χρησιμοποιούνται ακατάλληλα.

Αν και η κυψέλη ισχύος καυσίμου έχει τα χαρακτηριστικά της μη φόρτισης, της μεγάλης χωρητικότητας, της υψηλής ειδικής χωρητικότητας και του μεγάλου ειδικού εύρους ισχύος, η υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας, η υψηλή τιμή κόστους και η χαμηλή απόδοση μετατροπής ενέργειας την καθιστούν διαθέσιμη μόνο στη διαδικασία εμπορευματοποίησης.χρησιμοποιείται σε ορισμένες κατηγορίες.

Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος έχουν τα πλεονεκτήματα του χαμηλού κόστους, της ώριμης τεχνολογίας και της υψηλής ασφάλειας και έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε σταθμούς βάσης σήματος, ηλεκτρικά ποδήλατα, αυτοκίνητα και αποθήκευση ενέργειας στο δίκτυο.Οι κοντές σανίδες, όπως η ρύπανση του περιβάλλοντος, δεν μπορούν να ανταποκριθούν στις ολοένα υψηλότερες απαιτήσεις και πρότυπα για τις μπαταρίες αποθήκευσης ενέργειας.

Οι μπαταρίες Ni-MH έχουν τα χαρακτηριστικά της ισχυρής ευελιξίας, της χαμηλής θερμογόνου δύναμης, της μεγάλης χωρητικότητας μονομερούς και των χαρακτηριστικών σταθερής εκφόρτισης, αλλά το βάρος τους είναι σχετικά μεγάλο και υπάρχουν πολλά προβλήματα στη διαχείριση της σειράς μπαταριών, τα οποία μπορούν εύκολα να οδηγήσουν στην τήξη των μεμονωμένων διαχωριστές μπαταριών.