Энергия, как материальная основа прогресса человеческой цивилизации, всегда играла важную роль. Она является незаменимой гарантией развития человеческого общества. Вместе с водой, воздухом и пищей она составляет необходимые условия для выживания человека и напрямую влияет на его жизнь.

Развитие энергетической отрасли претерпело две основные трансформации: от «эры» дров к «эре» угля, а затем от «эры» угля к «эре» нефти. Сейчас начинается переход от «эры» нефти к «эре» возобновляемой энергетики.

Начиная с угля как основного источника энергии в начале XIX века и заканчивая нефтью как основным источником энергии в середине XX века, человечество использует ископаемое топливо в больших масштабах уже более 200 лет. Однако глобальная энергетическая структура, в которой доминирует ископаемое топливо, приближает нас к истощению его запасов.

Три традиционных экономических носителя ископаемого топлива — уголь, нефть и природный газ — будут быстро исчерпаны в новом столетии, а в процессе их использования и сжигания возникнет парниковый эффект, будет генерироваться большое количество загрязняющих веществ и загрязняться окружающая среда.

Поэтому крайне важно снизить зависимость от ископаемого топлива, изменить существующую нерациональную структуру энергопотребления и искать новые, чистые и экологически безопасные источники энергии.

В настоящее время к возобновляемым источникам энергии относятся, главным образом, энергия ветра, водородная энергия, солнечная энергия, энергия биомассы, энергия приливов и геотермальная энергия и т. д., при этом ветровая и солнечная энергия являются наиболее актуальными направлениями исследований во всем мире.

Однако эффективное преобразование и хранение различных возобновляемых источников энергии по-прежнему представляют собой относительно сложную задачу, что затрудняет их эффективное использование.

В этом случае, для эффективного использования человеком новых возобновляемых источников энергии, необходимо разработать удобные и эффективные технологии хранения энергии, что также является актуальной темой современных социальных исследований.

В настоящее время литий-ионные батареи, как одни из наиболее эффективных вторичных батарей, широко используются в различных электронных устройствах, транспорте, аэрокосмической отрасли и других областях, однако перспективы их дальнейшего развития более сложны.

Физические и химические свойства натрия и лития схожи, и он обладает эффектом накопления энергии. Благодаря высокому содержанию, равномерному распределению источника натрия и низкой цене, он используется в крупномасштабных технологиях хранения энергии, отличаясь низкой стоимостью и высокой эффективностью.

В качестве материалов для положительного и отрицательного электродов натрий-ионных батарей используются слоистые соединения переходных металлов, полианионы, фосфаты переходных металлов, наночастицы с ядром и оболочкой, соединения металлов, твердый углерод и др.

Углерод, как элемент с чрезвычайно обильными запасами в природе, дешев и легкодоступен, и получил широкое признание в качестве анодного материала для натрий-ионных батарей.

В зависимости от степени графитизации углеродные материалы можно разделить на две категории: графитовый углерод и аморфный углерод.

Твердый углерод, относящийся к аморфному углероду, обладает удельной емкостью хранения натрия в 300 мАч/г, в то время как углеродные материалы с более высокой степенью графитизации трудно использовать в коммерческих целях из-за их большой площади поверхности и высокой степени упорядоченности.

Поэтому в практических исследованиях в основном используются твердые углеродные материалы, не содержащие графита.

Для дальнейшего улучшения характеристик анодных материалов для натрий-ионных батарей можно повысить гидрофильность и проводимость углеродных материалов путем ионного легирования или компаундирования, что позволит улучшить энергоемкость углеродных материалов.

В качестве материала отрицательного электрода натрий-ионных батарей используются металлические соединения, в основном представляющие собой двумерные карбиды и нитриды металлов. Помимо превосходных характеристик двумерных материалов, они способны не только накапливать ионы натрия путем адсорбции и интеркаляции, но и связываться с ионами натрия посредством химических реакций, создавая емкость для накопления энергии, что значительно повышает эффективность энергосбережения.

Из-за высокой стоимости и сложности получения металлических соединений углеродные материалы по-прежнему остаются основными анодными материалами для натрий-ионных батарей.

Развитие слоистых соединений переходных металлов началось после открытия графена. В настоящее время в натрий-ионных батареях в основном используются двумерные материалы на основе натрия, такие как слоистые соединения NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4 и др.

Полианионные материалы для положительных электродов впервые были использованы в положительных электродах литий-ионных батарей, а позже — в натрий-ионных батареях. К важным представительным материалам относятся кристаллы оливина, такие как NaMnPO4 и NaFePO4.

Фосфаты переходных металлов первоначально использовались в качестве материала положительного электрода в литий-ионных батареях. Процесс синтеза достаточно развит, и существует множество кристаллических структур.

Фосфат, как трехмерная структура, формирует каркас, способствующий деинтеркаляции и интеркаляции ионов натрия, что позволяет получать натрий-ионные батареи с превосходными характеристиками накопления энергии.

Материал с сердцевинно-оболочечной структурой — это новый тип анодного материала для натрий-ионных батарей, появившийся лишь в последние годы. На основе оригинальных материалов этот материал благодаря изысканному конструктивному решению имеет полую структуру.

К наиболее распространенным материалам со структурой «ядро-оболочка» относятся полые нанокубы селенида кобальта, наносферы ванадата натрия с совместным легированием Fe и N, пористые углеродные полые наносферы оксида олова и другие полые структуры.

Благодаря своим превосходным характеристикам, а также уникальной полой и пористой структуре, материал обладает большей электрохимической активностью, что одновременно значительно повышает подвижность ионов в электролите и обеспечивает эффективное накопление энергии.

Мировые объемы возобновляемой энергии продолжают расти, что способствует развитию технологий хранения энергии.

В настоящее время, в зависимости от используемых методов хранения энергии, её можно разделить на физическое и электрохимическое хранение энергии.

Электрохимические системы хранения энергии соответствуют современным стандартам развития новых технологий хранения энергии благодаря таким преимуществам, как высокая безопасность, низкая стоимость, гибкость использования и высокая эффективность.

В зависимости от характера электрохимических реакций, к основным источникам энергии, накапливаемым с помощью электрохимических технологий, относятся суперконденсаторы, свинцово-кислотные батареи, топливные батареи, никель-металлгидридные батареи, натрий-серные батареи и литий-ионные батареи.

В технологиях хранения энергии гибкие электродные материалы привлекают исследовательский интерес многих ученых благодаря разнообразию их конструкций, гибкости, низкой стоимости и экологичности.

Углеродные материалы обладают особой термохимической стабильностью, хорошей электропроводностью, высокой прочностью и необычными механическими свойствами, что делает их перспективными электродами для литий-ионных и натрий-ионных батарей.

Суперконденсаторы способны быстро заряжаться и разряжаться при высоких токах и имеют срок службы более 100 000 циклов. Они представляют собой новый тип специальных электрохимических накопителей энергии, находящихся на стыке конденсаторов и батарей.

Суперконденсаторы обладают такими характеристиками, как высокая удельная мощность и высокая степень преобразования энергии, но при этом имеют низкую удельную мощность, склонны к саморазряду и утечке электролита при неправильном использовании.

Несмотря на то, что топливный элемент обладает такими характеристиками, как отсутствие необходимости в зарядке, большая емкость, высокая удельная емкость и широкий диапазон удельной мощности, его высокая рабочая температура, высокая себестоимость и низкая эффективность преобразования энергии делают его доступным для коммерческого использования лишь в определенных категориях.

Свинцово-кислотные батареи обладают преимуществами низкой стоимости, отработанной технологии и высокой безопасности, и широко используются в базовых станциях сигнализации, электровелосипедах, автомобилях и системах хранения энергии в электросетях. Недостатки, такие как загрязнение окружающей среды, не позволяют соответствовать постоянно ужесточающимся требованиям и стандартам к батареям для хранения энергии.

Никель-металлгидридные аккумуляторы обладают такими характеристиками, как высокая универсальность, низкая теплотворная способность, большая емкость монослоя и стабильные характеристики разряда, но они имеют относительно большой вес, и существует множество проблем с последовательным соединением элементов, что может легко привести к расплавлению сепараторов отдельных аккумуляторов.