Energialla, ihmiskunnan sivilisaation edistymisen aineellisena perustana, on aina ollut tärkeä rooli. Se on välttämätön tae ihmisyhteiskunnan kehitykselle. Yhdessä veden, ilman ja ruoan kanssa se muodostaa ihmisen selviytymisen välttämättömät edellytykset ja vaikuttaa suoraan ihmisen elämään.

Energiateollisuuden kehitys on kokenut kaksi merkittävää muutosta: polttopuun "aikakaudesta" hiilen "aikakauteen" ja sitten hiilen "aikakaudesta" öljyn "aikakauteen". Nyt se on alkanut siirtyä öljyn "aikakaudesta" uusiutuvan energian "aikakauteen".

Hiilestä tärkeimpänä energianlähteenä 1800-luvun alussa öljyyn 1900-luvun puolivälissä, ihmiset ovat käyttäneet fossiilista energiaa laajamittaisesti yli 200 vuoden ajan. Fossiilisten energialähteiden hallitsema maailmanlaajuinen energiarakenne ei kuitenkaan ole enää kaukana fossiilisen energian ehtymisestä.

Kolme perinteistä fossiilisen energian taloudellista kantajaa – kivihiili, öljy ja maakaasu – ehtyvät nopeasti uudella vuosisadalla, ja käytön ja palamisen aikana ne aiheuttavat myös kasvihuoneilmiön, tuottavat suuren määrän epäpuhtauksia ja saastuttavat ympäristöä.

Siksi on välttämätöntä vähentää riippuvuutta fossiilisesta energiasta, muuttaa nykyistä irrationaalista energiankäyttörakennetta ja pyrkiä puhtaaseen ja saasteettomaan uuteen uusiutuvaan energiaan.

Tällä hetkellä uusiutuvaan energiaan kuuluvat pääasiassa tuulienergia, vetyenergia, aurinkoenergia, biomassaenergia, vuorovesienergia ja geoterminen energia jne., ja tuulienergia ja aurinkoenergia ovat tällä hetkellä maailmanlaajuisesti tutkimuksen keskipisteitä.

Erilaisten uusiutuvien energialähteiden tehokas muuntaminen ja varastointi on kuitenkin edelleen suhteellisen vaikeaa, mikä vaikeuttaa niiden tehokasta hyödyntämistä.

Tässä tapauksessa, jotta ihmiset voivat tehokkaasti hyödyntää uutta uusiutuvaa energiaa, on kehitettävä kätevää ja tehokasta uutta energian varastointiteknologiaa, mikä on myös kuuma aihe nykyisessä yhteiskuntatutkimuksessa.

Tällä hetkellä litiumioniakkuja, jotka ovat yksi tehokkaimmista toissijaisista akuista, on käytetty laajalti erilaisissa elektronisissa laitteissa, kuljetuksessa, ilmailu- ja muilla aloilla. Kehitysnäkymät ovat kuitenkin vaikeammat.

Natriumin ja litiumin fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet ovat samankaltaisia, ja niillä on energian varastointivaikutus. Rikkaan pitoisuuden, natriumlähteen tasaisen jakautumisen ja alhaisen hinnan ansiosta sitä käytetään laajamittaisessa energian varastointitekniikassa, jolla on alhaiset kustannukset ja korkea hyötysuhde.

Natriumioniakkujen positiivisiin ja negatiivisiin elektrodimateriaaleihin kuuluvat kerrostetut siirtymämetalliyhdisteet, polyanionit, siirtymämetallifosfaatit, ydin-kuori-nanopartikkelit, metalliyhdisteet, kova hiili jne.

Koska hiili on luonnossa erittäin runsasvarantojen omaava alkuaine, se on halpaa ja helppoa saada, ja se on saanut paljon tunnustusta natriumioniakkujen anodimateriaalina.

Grafitoitumisasteen mukaan hiilimateriaalit voidaan jakaa kahteen luokkaan: grafiittiseen hiileen ja amorfiseen hiileen.

Amorfiseen hiileen kuuluvan kovan hiilen natriumin varastointikapasiteetti on 300 mAh/g, kun taas korkeamman grafitoitumisasteen omaavia hiilimateriaaleja on vaikea hyödyntää kaupallisesti suuren pinta-alansa ja vahvan järjestäytyneisyytensä vuoksi.

Siksi käytännön tutkimuksessa käytetään pääasiassa ei-grafiittisia kovia hiilimateriaaleja.

Natriumioniakkujen anodimateriaalien suorituskyvyn parantamiseksi edelleen hiilimateriaalien hydrofiilisyyttä ja johtavuutta voidaan parantaa ioniseostuksen tai -seostuksen avulla, mikä voi parantaa hiilimateriaalien energianvarastointikykyä.

Natriumioniakun negatiivisena elektrodimateriaalina metalliyhdisteet ovat pääasiassa kaksiulotteisia metallikarbideja ja -nitridejä. Kaksiulotteisten materiaalien erinomaisten ominaisuuksien lisäksi ne voivat paitsi varastoida natriumioneja adsorption ja interkalaation kautta, myös yhtyä natriumiin. Ionien yhdistelmä tuottaa kemiallisten reaktioiden kautta kapasitanssia energian varastointia varten, mikä parantaa huomattavasti energian varastointivaikutusta.

Metalliyhdisteiden korkean hinnan ja vaikean hankinnan vuoksi hiilimateriaalit ovat edelleen natriumioniakkujen tärkeimmät anodimateriaalit.

Kerrostettujen siirtymämetalliyhdisteiden nousu on seurausta grafeenin löytämisestä. Tällä hetkellä natriumioniakuissa käytettyjä kaksiulotteisia materiaaleja ovat pääasiassa natriumpohjaiset kerrostetut NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4 jne.

Polyanionisia positiivisia elektrodimateriaaleja käytettiin ensin litiumioniakkujen positiivisissa elektrodeissa ja myöhemmin natriumioniakuissa. Tärkeitä edustavia materiaaleja ovat oliviinikiteet, kuten NaMnPO4 ja NaFePO4.

Siirtymämetallifosfaattia käytettiin alun perin positiivisena elektrodimateriaalina litiumioniakuissa. Synteesiprosessi on suhteellisen kypsä ja kiderakenteita on monia.

Kolmiulotteisena rakenteena fosfaatti muodostaa kehysrakenteen, joka edistää natriumionien deinterkalaatiota ja interkalaatiota, ja tuottaa siten natriumioniakkuja, joilla on erinomainen energian varastointikyky.

Ydin-kuorirakennemateriaali on uudentyyppinen anodimateriaali natriumioniakkuihin, joka on ilmestynyt vasta viime vuosina. Alkuperäisiin materiaaleihin perustuen tässä materiaalissa on saavutettu ontto rakenne hienostuneen rakennesuunnittelun avulla.

Yleisempiä ydin-kuorirakenteisia materiaaleja ovat ontot kobolttiselenidinanokuutiot, Fe-N-seostetut ydin-kuorinatriumvanadaattinanosfäärit, huokoiset hiiliontot tinaoksidinanosfäärit ja muut ontot rakenteet.

Erinomaisten ominaisuuksiensa ja maagisen onton ja huokoisen rakenteensa ansiosta elektrolyytti altistuu enemmän sähkökemialliselle aktiivisuudelle, ja samalla se edistää merkittävästi elektrolyytin ionien liikkuvuutta tehokkaan energian varastoinnin saavuttamiseksi.

Maailmanlaajuinen uusiutuvan energian käyttö kasvaa jatkuvasti, mikä edistää energian varastointiteknologian kehitystä.

Tällä hetkellä energian varastointimenetelmien mukaan se voidaan jakaa fyysiseen energian varastointiin ja sähkökemialliseen energian varastointiin.

Sähkökemiallinen energian varastointi täyttää nykypäivän uuden energian varastointiteknologian kehitysstandardit korkean turvallisuuden, alhaisten kustannusten, joustavan käytön ja korkean hyötysuhteen etujen ansiosta.

Erilaisten sähkökemiallisten reaktioprosessien mukaan sähkökemiallisiin energian varastointivirtalähteisiin kuuluvat pääasiassa superkondensaattorit, lyijyakut, polttoaineakut, nikkelimetallihydridiakut, natriumrikkiakut ja litiumioniakut.

Energian varastointitekniikassa joustavat elektrodimateriaalit ovat herättäneet monien tutkijoiden tutkimusintressejä niiden suunnittelun monimuotoisuuden, joustavuuden, alhaisten kustannusten ja ympäristönsuojeluominaisuuksien vuoksi.

Hiilimateriaaleilla on erityinen termokemiallinen stabiilius, hyvä sähkönjohtavuus, korkea lujuus ja epätavalliset mekaaniset ominaisuudet, mikä tekee niistä lupaavia elektrodeja litiumioniakuille ja natriumioniakuille.

Superkondensaattorit voidaan ladata ja purkaa nopeasti suurilla virroilla, ja niiden käyttöikä on yli 100 000 kertaa. Ne ovat uudentyyppinen erityinen sähkökemiallinen energian varastointivirtalähde kondensaattoreiden ja akkujen välillä.

Superkondensaattoreilla on korkea tehotiheys ja korkea energianmuunnosnopeus, mutta niiden energiatiheys on alhainen, ne ovat alttiita itsepurkautumiselle ja elektrolyyttivuotoille, jos niitä käytetään väärin.

Vaikka polttokennolla on ominaisuuksia, kuten lataustarve, suuri kapasiteetti, korkea ominaiskapasiteetti ja laaja ominaistehoalue, sen korkea käyttölämpötila, korkea kustannushinta ja alhainen energianmuunnoshyötysuhde tekevät siitä saatavilla kaupallisessa prosessissa vain tietyissä käyttökohteissa.

Lyijyakuilla on edullinen hinta, kypsä teknologia ja korkea turvallisuus, ja niitä on käytetty laajalti signaalitukiasemissa, sähköpyörissä, autoissa ja verkkoenergian varastoinnissa. Lyhyet piirilevyt, kuten ympäristöä saastuttavat, eivät pysty täyttämään yhä tiukempia energian varastointiakkujen vaatimuksia ja standardeja.

NiMH-akuilla on ominaisuuksia, kuten vahva monipuolisuus, alhainen lämpöarvo, suuri monomeerikapasiteetti ja vakaa purkausominaisuus, mutta niiden paino on suhteellisen suuri, ja akkusarjan hallinnassa on monia ongelmia, jotka voivat helposti johtaa yksittäisten akkujen erottimien sulamiseen.