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

Η ανάπτυξη της ενεργειακής βιομηχανίας έχει υποστεί δύο σημαντικούς μετασχηματισμούς, 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» των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

Από τον άνθρακα ως κύρια πηγή στις αρχές του 19ου αιώνα έως το πετρέλαιο ως κύρια πηγή στα μέσα του 20ού αιώνα, οι άνθρωποι χρησιμοποιούν την ενέργεια από ορυκτά καύσιμα σε μεγάλη κλίμακα για περισσότερα από 200 χρόνια. Ωστόσο, η παγκόσμια ενεργειακή δομή που κυριαρχείται από την ενέργεια από ορυκτά καύσιμα δεν απέχει πλέον πολύ από την εξάντληση της ενέργειας από ορυκτά καύσιμα.

Οι τρεις παραδοσιακοί ενεργειακοί φορείς που αντιπροσωπεύονται από ορυκτά καύσιμα, τον άνθρακα, το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο, θα εξαντληθούν γρήγορα τον νέο αιώνα και, κατά τη διαδικασία χρήσης και καύσης, θα προκαλέσουν επίσης το φαινόμενο του θερμοκηπίου, θα παράγουν μεγάλη ποσότητα ρύπων και θα μολύνουν το περιβάλλον.

Συνεπώς, είναι επιτακτική ανάγκη να μειωθεί η εξάρτηση από την ενέργεια από ορυκτά καύσιμα, να αλλάξει η υπάρχουσα δομή της παράλογης χρήσης ενέργειας και να αναζητηθούν καθαρές και μη ρυπογόνες νέες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.

Προς το παρόν, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας περιλαμβάνουν κυρίως την αιολική ενέργεια, την ενέργεια υδρογόνου, την ηλιακή ενέργεια, την ενέργεια βιομάζας, την παλιρροϊκή ενέργεια και τη γεωθερμική ενέργεια κ.λπ., και η αιολική ενέργεια και η ηλιακή ενέργεια αποτελούν τρέχοντα ερευνητικά κέντρα παγκοσμίως.

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

Σε αυτή την περίπτωση, προκειμένου να επιτευχθεί η αποτελεσματική αξιοποίηση των νέων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας από τον άνθρωπο, είναι απαραίτητο να αναπτυχθεί μια βολική και αποτελεσματική νέα τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας, η οποία αποτελεί επίσης ένα σημαντικό σημείο στην τρέχουσα κοινωνική έρευνα.

Προς το παρόν, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, ως μία από τις πιο αποδοτικές δευτερογενείς μπαταρίες, έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε διάφορες ηλεκτρονικές συσκευές, μεταφορές, αεροδιαστημική και άλλους τομείς. Οι προοπτικές ανάπτυξης είναι πιο δύσκολες.

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

Τα υλικά θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων των μπαταριών ιόντων νατρίου περιλαμβάνουν στρωματοποιημένες ενώσεις μεταβατικών μετάλλων, πολυανιόντα, φωσφορικά άλατα μεταβατικών μετάλλων, 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 τον βαθμό γραφιτοποίησης, τα ανθρακούχα υλικά μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: τον γραφιτικό άνθρακα και τον άμορφο άνθρακα.

Ο σκληρός άνθρακας, ο οποίος ανήκει στον άμορφο άνθρακα, παρουσιάζει ειδική χωρητικότητα αποθήκευσης νατρίου 300mAh/g, ενώ τα υλικά άνθρακα με υψηλότερο βαθμό γραφιτοποίησης είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθούν εμπορικά λόγω της μεγάλης επιφάνειας και της ισχυρής τάξης τους.

Επομένως, τα μη γραφιτικά σκληρά υλικά άνθρακα χρησιμοποιούνται κυρίως στην πρακτική έρευνα.

Προκειμένου να βελτιωθεί περαιτέρω η απόδοση των υλικών ανόδου για μπαταρίες ιόντων νατρίου, η υδροφιλικότητα και η αγωγιμότητα των υλικών άνθρακα μπορούν να βελτιωθούν μέσω προσθήκης ιόντων ή σύνθετων ουσιών, γεγονός που μπορεί να ενισχύσει 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 μέσω προσρόφησης και παρεμβολής, αλλά και να συνδυάζονται με νάτριο. Ο συνδυασμός ιόντων νατρίου δημιουργεί χωρητικότητα μέσω χημικών αντιδράσεων για αποθήκευση ενέργειας, βελτιώνοντας έτσι σημαντικά το αποτέλεσμα αποθήκευσης ενέργειας.

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

Η άνοδος των στρωματοποιημένων ενώσεων μεταβατικών μετάλλων οφείλεται στην ανακάλυψη του γραφενίου. Προς το παρόν, τα δισδιάστατα υλικά που χρησιμοποιούνται σε μπαταρίες ιόντων νατρίου περιλαμβάνουν κυρίως στρωματοποιημένα NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4, κ.λπ. με βάση το νάτριο.

Τα υλικά πολυανιονικών θετικών ηλεκτροδίων χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά σε θετικά ηλεκτρόδια μπαταριών ιόντων λιθίου και αργότερα χρησιμοποιήθηκαν σε μπαταρίες ιόντων νατρίου. Σημαντικά αντιπροσωπευτικά υλικά περιλαμβάνουν κρυστάλλους ολιβίνης όπως NaMnPO4 και NaFePO4.

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

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

Το υλικό δομής πυρήνα-κελύφους είναι ένας νέος τύπος υλικού ανόδου για μπαταρίες ιόντων νατρίου που εμφανίστηκε μόλις τα τελευταία χρόνια. Με βάση τα αρχικά υλικά, αυτό το υλικό έχει επιτύχει μια κοίλη δομή μέσω εξαιρετικού δομικού σχεδιασμού.

Τα πιο συνηθισμένα υλικά δομής πυρήνα-κελύφους περιλαμβάνουν κοίλους νανοκύβους σεληνιούχου κοβαλτίου, νανοσφαίρες βαναδικού νατρίου πυρήνα-κελύφους με συν-ντοπαρισμένους Fe-N, πορώδεις νανοσφαίρες οξειδίου του κασσιτέρου με κοίλο άνθρακα και άλλες κοίλες δομές.

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

Η παγκόσμια χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας συνεχίζει να αυξάνεται, προωθώντας την ανάπτυξη της τεχνολογίας αποθήκευσης ενέργειας.

Προς το παρόν, σύμφωνα με τις 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, όπως η υψηλή ασφάλεια, το χαμηλό κόστος, η ευέλικτη χρήση και η υψηλή απόδοση.

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

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

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

Οι υπερπυκνωτές μπορούν να φορτιστούν και να αποφορτιστούν γρήγορα υπό συνθήκες υψηλού ρεύματος και έχουν διάρκεια ζωής άνω των 100.000 φορές. Είναι ένας νέος τύπος ειδικής ηλεκτροχημικής τροφοδοσίας αποθήκευσης ενέργειας μεταξύ πυκνωτών και μπαταριών.

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

Παρόλο που η κυψέλη καυσίμου έχει τα χαρακτηριστικά της μηδενικής φόρτισης, της μεγάλης χωρητικότητας, της υψηλής ειδικής χωρητικότητας και του ευρέος εύρους ειδικής ισχύος, η υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας, το υψηλό κόστος 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 συστήματα αποθήκευσης ενέργειας στο δίκτυο. Οι κοντές πλακέτες, όπως αυτές που ρυπαίνουν το περιβάλλον, δεν μπορούν να ανταποκριθούν στις ολοένα και υψηλότερες απαιτήσεις και πρότυπα για τις μπαταρίες αποθήκευσης ενέργειας.

Οι μπαταρίες Ni-MH έχουν τα χαρακτηριστικά της ισχυρής ευελιξίας, της χαμηλής θερμαντικής αξίας, της μεγάλης χωρητικότητας μονομερών και των σταθερών χαρακτηριστικών εκφόρτισης, αλλά το βάρος τους είναι σχετικά μεγάλο και υπάρχουν πολλά προβλήματα στη διαχείριση σειρών μπαταριών, τα οποία μπορούν εύκολα να οδηγήσουν στην τήξη των διαχωριστών μίας μόνο μπαταρίας.