Energija, kaip materialus žmonių civilizacijos pažangos pagrindas, visada vaidino svarbų vaidmenį. Ji yra nepakeičiama žmonių visuomenės vystymosi garantija. Kartu su vandeniu, oru ir maistu ji sudaro būtinas žmonių išlikimo sąlygas ir tiesiogiai veikia žmonių gyvenimą.

Energetikos pramonės raida patyrė du didelius pokyčius: nuo malkų „eros“ iki anglies „eros“, o vėliau – nuo ​​anglies „eros“ iki naftos „eros“. Dabar ji pradėjo keistis iš naftos „eros“ į atsinaujinančios energijos pokyčių „erą“.

Nuo anglies kaip pagrindinio šaltinio XIX a. pradžioje iki naftos kaip pagrindinio šaltinio XX a. viduryje, žmonės iškastinį kurą dideliu mastu naudoja jau daugiau nei 200 metų. Tačiau pasaulinė energijos struktūra, kurioje dominuoja iškastinis kuras, nebėra toli nuo iškastinio kuro išeikvojimo.

Trys tradiciniai iškastinio kuro ekonominiai nešėjai – anglis, nafta ir gamtinės dujos – naujajame amžiuje sparčiai išseks, o naudojimo ir degimo procese sukels šiltnamio efektą, išskirs daug teršalų ir terš aplinką.

Todėl būtina mažinti priklausomybę nuo iškastinio kuro, keisti esamą neracionalią energijos vartojimo struktūrą ir ieškoti švarios bei netaršios naujos atsinaujinančios energijos.

Šiuo metu atsinaujinanti energija daugiausia apima vėjo energiją, vandenilio energiją, saulės energiją, biomasės energiją, potvynių energiją ir geoterminę energiją ir kt., o vėjo ir saulės energija yra dabartinės tyrimų sritys visame pasaulyje.

Tačiau vis dar gana sunku efektyviai konvertuoti ir kaupti įvairius atsinaujinančius energijos šaltinius, todėl sunku juos efektyviai panaudoti.

Šiuo atveju, norint, kad žmonės galėtų efektyviai naudoti naują atsinaujinančią energiją, būtina sukurti patogią ir efektyvią naują energijos kaupimo technologiją, kuri taip pat yra aktuali dabartinių socialinių tyrimų tema.

Šiuo metu ličio jonų baterijos, kaip vienos efektyviausių antrinių baterijų, plačiai naudojamos įvairiuose elektroniniuose prietaisuose, transporte, aviacijos ir kosmoso pramonėje bei kitose srityse, tačiau jų plėtros perspektyvos yra sudėtingesnės.

Natrio ir ličio fizikinės ir cheminės savybės yra panašios, todėl jie turi energijos kaupimo efektą. Dėl didelio kiekio, tolygaus natrio šaltinio pasiskirstymo ir mažos kainos jis naudojamas didelio masto energijos kaupimo technologijose, pasižyminčiose maža kaina ir dideliu efektyvumu.

Natrio jonų akumuliatorių teigiamų ir neigiamų elektrodų medžiagos apima sluoksniuotus pereinamųjų metalų junginius, polianionus, pereinamųjų metalų fosfatus, šerdies ir apvalkalo nanodaleles, metalo junginius, kietąją anglį ir kt.

Anglis, kaip elementas, turintis itin gausių atsargų gamtoje, yra pigi ir lengvai gaunama, todėl sulaukė didelio pripažinimo kaip natrio jonų baterijų anodinė medžiaga.

Pagal grafitizacijos laipsnį anglies medžiagas galima suskirstyti į dvi kategorijas: grafitinę anglį ir amorfinę anglį.

Kietoji anglis, priklausanti amorfinei angliai, pasižymi 300 mAh/g natrio kaupimo specifine talpa, o anglies medžiagas, turinčias didesnį grafitizacijos laipsnį, sunku komerciškai panaudoti dėl didelio paviršiaus ploto ir stiprios tvarkos.

Todėl praktiniuose tyrimuose daugiausia naudojamos negrafitinės kietosios anglies medžiagos.

Siekiant dar labiau pagerinti natrio jonų akumuliatorių anodinių medžiagų našumą, anglies medžiagų hidrofiliškumą ir laidumą galima pagerinti jonų legiravimo arba junginių pagalba, o tai gali padidinti anglies medžiagų energijos kaupimo efektyvumą.

Kaip natrio jonų akumuliatoriaus neigiamo elektrodo medžiaga, metalų junginiai daugiausia yra dvimačiai metalų karbidai ir nitridai. Be puikių dvimačių medžiagų savybių, jos gali ne tik kaupti natrio jonus adsorbcijos ir interkaliacijos būdu, bet ir jungtis su natriu. Jonų derinys per chemines reakcijas sukuria talpą energijos kaupimui, taip žymiai pagerindamas energijos kaupimo efektą.

Dėl didelių sąnaudų ir sunkumų gaunant metalų junginius, anglies medžiagos vis dar yra pagrindinės natrio jonų baterijų anodinės medžiagos.

Sluoksniuotų pereinamųjų metalų junginių atsiradimas įvyko po grafeno atradimo. Šiuo metu natrio jonų baterijose daugiausia naudojamos dvimatės medžiagos, tokios kaip natrio pagrindu pagaminti sluoksniuoti NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4 ir kt.

Polianioninės teigiamų elektrodų medžiagos pirmą kartą buvo panaudotos ličio jonų akumuliatorių teigiamuose elektroduose, o vėliau – natrio jonų akumuliatoriuose. Svarbios reprezentatyvios medžiagos yra olivino kristalai, tokie kaip NaMnPO4 ir NaFePO4.

Pereinamojo metalo fosfatas iš pradžių buvo naudojamas kaip teigiamas elektrodas ličio jonų baterijose. Sintezės procesas yra gana brandus ir yra daug kristalinių struktūrų.

Fosfatas, kaip trimatė struktūra, sukuria karkasinę struktūrą, kuri yra palanki natrio jonų deinterkaliacijai ir interkaliacijai, o tada gaunamos natrio jonų baterijos, pasižyminčios puikiu energijos kaupimo našumu.

Šerdies ir apvalkalo struktūros medžiaga yra naujo tipo natrio jonų akumuliatorių anodo medžiaga, atsiradusi tik pastaraisiais metais. Remiantis originaliomis medžiagomis, ši medžiaga, pasitelkdama išskirtinį konstrukcinį dizainą, pasiekė tuščiavidurę struktūrą.

Dažnesnės šerdies-apvalkalo struktūros medžiagos yra tuščiaviduriai kobalto selenido nanokubai, Fe-N legiruotos šerdies-apvalkalo natrio vanadato nanosferos, porėtos anglies tuščiavidurės alavo oksido nanosferos ir kitos tuščiavidurės struktūros.

Dėl puikių savybių, kartu su magiška tuščiavidure ir porėta struktūra, elektrolitas patiria didesnį elektrocheminį aktyvumą, tuo pačiu metu jis taip pat labai skatina elektrolito jonų judrumą, kad būtų pasiektas efektyvus energijos kaupimas.

Pasaulinė atsinaujinančios energijos plėtra toliau skatina energijos kaupimo technologijų plėtrą.

Šiuo metu, atsižvelgiant į skirtingus energijos kaupimo metodus, jį galima suskirstyti į fizinį energijos kaupimą ir elektrocheminį energijos kaupimą.

Elektrocheminis energijos kaupimas atitinka šiandienos naujų energijos kaupimo technologijų plėtros standartus dėl savo privalumų, tokių kaip didelis saugumas, maža kaina, lankstus naudojimas ir didelis efektyvumas.

Pagal skirtingus elektrocheminės reakcijos procesus, elektrocheminiai energijos kaupimo šaltiniai daugiausia apima superkondensatorius, švino-rūgšties baterijas, kuro baterijas, nikelio-metalo hidrido baterijas, natrio-sieros baterijas ir ličio jonų baterijas.

Energijos kaupimo technologijose lanksčios elektrodų medžiagos pritraukė daugelio mokslininkų tyrimų interesus dėl savo dizaino įvairovės, lankstumo, mažos kainos ir aplinkos apsaugos savybių.

Anglies medžiagos pasižymi ypatingu termocheminiu stabilumu, geru elektriniu laidumu, dideliu stiprumu ir neįprastomis mechaninėmis savybėmis, todėl jos yra perspektyvūs elektrodai ličio jonų ir natrio jonų akumuliatoriams.

Superkondensatoriai gali būti greitai įkraunami ir iškraunami esant didelėms srovėms, o jų ciklo trukmė yra daugiau nei 100 000 kartų. Tai naujo tipo specialus elektrocheminis energijos kaupimo maitinimo šaltinis tarp kondensatorių ir baterijų.

Superkondensatoriai pasižymi dideliu galios tankiu ir dideliu energijos konversijos greičiu, tačiau jų energijos tankis yra mažas, jie linkę savaime išsikrauti ir netinkamai naudojant gali nutekėti elektrolitas.

Nors kuro elementas pasižymi tuo, kad jam nereikia įkrovimo, jis turi didelę talpą, didelę savitąją talpą ir platų savitosios galios diapazoną, dėl aukštos darbinės temperatūros, didelės savitosios kainos ir mažo energijos konversijos efektyvumo jis naudojamas tik tam tikrose komercinėse srityse.

Švino rūgšties akumuliatoriai pasižymi maža kaina, brandžia technologija ir dideliu saugumu, todėl yra plačiai naudojami signalų bazinėse stotyse, elektriniuose dviračiuose, automobiliuose ir tinklo energijos kaupimo sistemose. Trumpos plokštės, tokios kaip teršiančios aplinką, negali atitikti vis aukštesnių energijos kaupimo akumuliatorių reikalavimų ir standartų.

Ni-MH baterijos pasižymi dideliu universalumu, mažu šiluminiu krūviu, didele monomerų talpa ir stabiliomis iškrovimo savybėmis, tačiau jų svoris yra gana didelis, o akumuliatorių serijos valdymas kelia daug problemų, kurios gali lengvai sukelti atskirų akumuliatorių separatorių išsilydymą.