Енергія, як матеріальна основа прогресу людської цивілізації, завжди відігравала важливу роль. Вона є невід'ємною гарантією розвитку людського суспільства. Разом з водою, повітрям та їжею вона становить необхідні умови для виживання людства та безпосередньо впливає на життя людини.

Розвиток енергетичної галузі зазнав двох значних трансформацій: від «ери» дров до «ери» вугілля, а потім від «ери» вугілля до «ери» нафти. Тепер вона почала змінюватися від «ери» нафти до «ери» відновлюваної енергетики.

Від вугілля як основного джерела на початку 19 століття до нафти як основного джерела в середині 20 століття, людство використовує викопне паливо у великих масштабах вже понад 200 років. Однак глобальна енергетична структура, в якій домінує викопне паливо, вже не так далеко від вичерпання викопного палива.

Три традиційні носії викопного палива, представлені вугіллям, нафтою та природним газом, швидко вичерпаються в новому столітті, а в процесі використання та спалювання вони також спричинятимуть парниковий ефект, генеруватимуть велику кількість забруднюючих речовин та забруднюватимуть навколишнє середовище.

Тому вкрай важливо зменшити залежність від викопного палива, змінити існуючу нераціональну структуру використання енергії та шукати чисті та екологічно чисті нові відновлювані джерела енергії.

Наразі відновлювана енергія включає в себе переважно енергію вітру, водневу енергію, сонячну енергію, енергію біомаси, енергію припливів та геотермальну енергію тощо, а енергія вітру та сонячна енергія є актуальними напрямками досліджень у всьому світі.

Однак, досі досить складно досягти ефективного перетворення та зберігання різних відновлюваних джерел енергії, що ускладнює їх ефективне використання.

У цьому випадку, для того, щоб реалізувати ефективне використання людством нової відновлюваної енергії, необхідно розробити зручну та ефективну нову технологію накопичення енергії, що також є актуальною темою сучасних соціальних досліджень.

Наразі літій-іонні акумулятори, як одні з найефективніших вторинних акумуляторів, широко використовуються в різних електронних пристроях, транспорті, аерокосмічній та інших галузях, перспективи розвитку є складнішими.

Фізичні та хімічні властивості натрію та літію схожі, і вони мають ефект накопичення енергії. Завдяки багатому вмісту, рівномірному розподілу джерела натрію та низькій ціні, він використовується у великомасштабних технологіях накопичення енергії, що характеризується низькою вартістю та високою ефективністю.

Матеріали позитивних та негативних електродів натрій-іонних батарей включають шаруваті сполуки перехідних металів, поліаніони, фосфати перехідних металів, наночастинки типу «ядро-оболонка», сполуки металів, твердий вуглець тощо.

Як елемент з надзвичайно великими запасами в природі, вуглець є дешевим і легким для отримання, і він здобув широке визнання як анодний матеріал для натрій-іонних акумуляторів.

За ступенем графітизації вуглецеві матеріали можна розділити на дві категорії: графітовий вуглець та аморфний вуглець.

Твердий вуглець, який належить до аморфного вуглецю, демонструє питому ємність зберігання натрію 300 мАг/г, тоді як вуглецеві матеріали з вищим ступенем графітизації важко знайти в комерційних цілях через їхню велику площу поверхні та сильний порядок.

Тому в практичних дослідженнях переважно використовуються неграфітові тверді вуглецеві матеріали.

Для подальшого покращення характеристик анодних матеріалів для натрій-іонних акумуляторів гідрофільність та провідність вуглецевих матеріалів можна покращити за допомогою іонного легування або компаундування, що може підвищити ефективність накопичення енергії вуглецевими матеріалами.

Як матеріал негативного електрода натрій-іонного акумулятора, металеві сполуки переважно є двовимірними карбідами та нітридами металів. Окрім чудових характеристик двовимірних матеріалів, вони можуть не тільки зберігати іони натрію шляхом адсорбції та інтеркаляції, але й взаємодіяти з натрієм. Поєднання іонів створює ємність через хімічні реакції для накопичення енергії, тим самим значно покращуючи ефект накопичення енергії.

Через високу вартість та складність отримання металевих сполук, вуглецеві матеріали досі є основними анодними матеріалами для натрій-іонних акумуляторів.

Зростання використання шаруватих сполук перехідних металів відбулося після відкриття графену. Наразі двовимірні матеріали, що використовуються в натрій-іонних батареях, включають переважно шаруваті натрієві NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4 тощо.

Поліаніонні матеріали для позитивних електродів вперше були використані в позитивних електродах літій-іонних акумуляторів, а пізніше - в натрій-іонних акумуляторах. Важливими репрезентативними матеріалами є кристали олівіну, такі як NaMnPO4 та NaFePO4.

Фосфат перехідного металу спочатку використовувався як матеріал для позитивних електродів у літій-іонних акумуляторах. Процес синтезу є відносно зрілим, і існує багато кристалічних структур.

Фосфат, як тривимірна структура, утворює каркасну структуру, яка сприяє деінтеркаляції та інтеркаляції іонів натрію, а потім дозволяє отримати натрій-іонні акумулятори з чудовими характеристиками накопичення енергії.

Матеріал зі структурою «ядро-оболонка» – це новий тип анодного матеріалу для натрій-іонних акумуляторів, який з'явився лише в останні роки. Цей матеріал, заснований на оригінальних матеріалах, завдяки вишуканому структурному дизайну досяг порожнистої структури.

До більш поширених матеріалів зі структурою ядро-оболонка належать порожнисті нанокуби селеніду кобальту, наносфери ванадату натрію з ядро-оболонкою, леговані Fe-N, порожнисті наносфери з пористого вуглецю та оксиду олова та інші порожнисті структури.

Завдяки своїм чудовим характеристикам у поєднанні з магічною порожнистою та пористою структурою, електроліт піддається більшій електрохімічній активності, і водночас він значно сприяє рухливості іонів електроліту для досягнення ефективного накопичення енергії.

Глобальна відновлювана енергетика продовжує зростати, сприяючи розвитку технологій накопичення енергії.

Наразі, відповідно до різних методів накопичення енергії, її можна розділити на фізичне накопичення енергії та електрохімічне накопичення енергії.

Електрохімічне накопичення енергії відповідає стандартам розвитку сучасних технологій накопичення енергії завдяки своїм перевагам: високій безпеці, низькій вартості, гнучкому використанню та високій ефективності.

Відповідно до різних процесів електрохімічних реакцій, джерела живлення для електрохімічного накопичення енергії включають переважно суперконденсатори, свинцево-кислотні акумулятори, паливні акумулятори, нікель-металгідридні акумулятори, натрій-сірчані акумулятори та літій-іонні акумулятори.

У технології накопичення енергії гнучкі електродні матеріали привернули дослідницький інтерес багатьох вчених завдяки різноманітності дизайну, гнучкості, низькій вартості та екологічним характеристикам.

Вуглецеві матеріали мають особливу термохімічну стабільність, добру електропровідність, високу міцність та незвичайні механічні властивості, що робить їх перспективними електродами для літій-іонних акумуляторів та натрій-іонних акумуляторів.

Суперконденсатори можна швидко заряджати та розряджати за умов високого струму, а термін служби становить понад 100 000 разів. Вони є новим типом спеціального електрохімічного накопичувача енергії, що знаходиться між конденсаторами та акумуляторами.

Суперконденсатори мають характеристики високої щільності потужності та високого коефіцієнта перетворення енергії, але їхня щільність енергії низька, вони схильні до саморозряду та витоку електроліту при неправильному використанні.

Хоча паливний енергетичний елемент має такі характеристики, як відсутність зарядки, велика ємність, висока питома ємність та широкий діапазон питомої потужності, його висока робоча температура, висока собівартість та низька ефективність перетворення енергії роблять його доступним для комерціалізації лише в певних категоріях.

Свинцево-кислотні акумулятори мають переваги низької вартості, зрілої технології та високої безпеки, і широко використовуються в базових станціях сигналів, електричних велосипедах, автомобілях та мережевих накопичувачах енергії. Короткі плати, такі як забруднювачі навколишнього середовища, не можуть відповідати дедалі вищим вимогам та стандартам до акумуляторів для зберігання енергії.

Нікель-металгідридні акумулятори мають такі характеристики, як висока універсальність, низька теплотворна здатність, велика ємність мономерів та стабільні характеристики розряду, але їхня вага відносно велика, і існує багато проблем із серійним керуванням акумуляторами, що може легко призвести до плавлення сепараторів окремих акумуляторів.