พลังงาน ซึ่งเป็นพื้นฐานทางวัตถุสำหรับการพัฒนาอารยธรรมมนุษย์ มีบทบาทสำคัญมาโดยตลอด เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในการรับประกันการพัฒนาสังคมมนุษย์ ร่วมกับน้ำ อากาศ และอาหาร พลังงานเป็นปัจจัยจำเป็นต่อการดำรงชีวิตของมนุษย์และส่งผลกระทบโดยตรงต่อชีวิตมนุษย์

การพัฒนาอุตสาหกรรมพลังงานได้ผ่านการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญสองครั้ง คือจาก "ยุค" ฟืนไปสู่ ​​"ยุค" ถ่านหิน และจาก "ยุค" ถ่านหินไปสู่ ​​"ยุค" น้ำมัน ปัจจุบันได้เริ่มเปลี่ยนจาก "ยุค" น้ำมันไปสู่ ​​"ยุค" พลังงานหมุนเวียนแล้ว

จากถ่านหินที่เป็นแหล่งพลังงานหลักในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 จนถึงน้ำมันที่เป็นแหล่งพลังงานหลักในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 มนุษย์ได้ใช้พลังงานฟอสซิลในปริมาณมากมานานกว่า 200 ปีแล้ว อย่างไรก็ตาม โครงสร้างพลังงานโลกที่ครอบงำด้วยพลังงานฟอสซิลทำให้พลังงานฟอสซิลใกล้จะหมดลงแล้ว

พลังงานฟอสซิลแบบดั้งเดิมสามชนิด ได้แก่ ถ่านหิน น้ำมัน และก๊าซธรรมชาติ จะหมดไปอย่างรวดเร็วในศตวรรษใหม่ และในกระบวนการใช้และการเผาไหม้ จะก่อให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจก สร้างมลพิษจำนวนมาก และทำลายสิ่งแวดล้อม

ดังนั้น จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องลดการพึ่งพาพลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิล เปลี่ยนโครงสร้างการใช้พลังงานที่ไม่เหมาะสมในปัจจุบัน และแสวงหาพลังงานหมุนเวียนใหม่ที่สะอาดและปราศจากมลพิษ

ในปัจจุบัน พลังงานหมุนเวียนส่วนใหญ่ได้แก่ พลังงานลม พลังงานไฮโดรเจน พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานชีวมวล พลังงานจากกระแสน้ำ และพลังงานความร้อนใต้พิภพ เป็นต้น โดยพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์เป็นหัวข้อวิจัยที่ได้รับความสนใจอย่างมากทั่วโลกในขณะนี้

อย่างไรก็ตาม การแปลงและการจัดเก็บแหล่งพลังงานหมุนเวียนต่างๆ อย่างมีประสิทธิภาพยังคงค่อนข้างยาก ทำให้การนำพลังงานหมุนเวียนเหล่านั้นมาใช้อย่างมีประสิทธิผลเป็นไปได้ยากเช่นกัน

ในกรณีนี้ เพื่อให้มนุษย์สามารถใช้พลังงานหมุนเวียนใหม่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ จำเป็นต้องพัฒนาเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานใหม่ที่สะดวกและมีประสิทธิภาพ ซึ่งเป็นประเด็นสำคัญในการวิจัยทางสังคมในปัจจุบันด้วย

ในปัจจุบัน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งเป็นหนึ่งในแบตเตอรี่ชาร์จซ้ำที่มีประสิทธิภาพสูงสุด ได้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การขนส่ง การบินและอวกาศ และสาขาอื่นๆ อย่างไรก็ตาม โอกาสในการพัฒนาในอนาคตนั้นค่อนข้างท้าทาย

โซเดียมและลิเธียมมีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีคล้ายคลึงกัน และมีผลในการกักเก็บพลังงาน เนื่องจากมีปริมาณมาก การกระจายตัวของแหล่งโซเดียมสม่ำเสมอ และราคาต่ำ จึงถูกนำไปใช้ในเทคโนโลยีการกักเก็บพลังงานขนาดใหญ่ ซึ่งมีลักษณะเด่นคือต้นทุนต่ำและประสิทธิภาพสูง

วัสดุขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่โซเดียมไอออน ได้แก่ สารประกอบโลหะทรานซิชันแบบชั้น โพลีแอนไอออน ฟอสเฟตโลหะทรานซิชัน อนุภาคนาโนแบบแกนเปลือก สารประกอบโลหะ คาร์บอนแข็ง เป็นต้น

คาร์บอนเป็นธาตุที่มีปริมาณสำรองในธรรมชาติอย่างมหาศาล มีราคาถูก หาได้ง่าย และได้รับความนิยมอย่างมากในฐานะวัสดุขั้วบวกสำหรับแบตเตอรี่โซเดียมไอออน

ตามระดับการเกิดกราไฟต์ วัสดุคาร์บอนสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท ได้แก่ คาร์บอนกราไฟต์และคาร์บอนอสัณฐาน

คาร์บอนแข็ง ซึ่งจัดอยู่ในกลุ่มคาร์บอนอสัณฐาน มีความจุจำเพาะในการกักเก็บโซเดียมอยู่ที่ 300 mAh/g ในขณะที่วัสดุคาร์บอนที่มีระดับการกราไฟต์สูงกว่านั้น ยากที่จะนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้ เนื่องจากมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่และมีความเป็นระเบียบสูง

ดังนั้น วัสดุคาร์บอนแข็งที่ไม่ใช่กราไฟต์จึงถูกนำมาใช้เป็นหลักในการวิจัยเชิงปฏิบัติ

เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุขั้วบวกสำหรับแบตเตอรี่โซเดียมไอออนให้ดียิ่งขึ้น สามารถปรับปรุงคุณสมบัติการดูดซับน้ำและการนำไฟฟ้าของวัสดุคาร์บอนได้โดยการเติมไอออนหรือการผสมสาร ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการเก็บพลังงานของวัสดุคาร์บอนได้

วัสดุขั้วลบของแบตเตอรี่โซเดียมไอออนส่วนใหญ่เป็นสารประกอบโลหะสองมิติ เช่น คาร์ไบด์และไนไตรด์ นอกจากคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมของวัสดุสองมิติแล้ว พวกมันไม่เพียงแต่สามารถกักเก็บโซเดียมไอออนโดยการดูดซับและการแทรกตัวเท่านั้น แต่ยังสามารถรวมตัวกับโซเดียมไอออนเพื่อสร้างความจุผ่านปฏิกิริยาเคมีในการกักเก็บพลังงาน ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการกักเก็บพลังงานได้อย่างมาก

เนื่องจากต้นทุนสูงและความยากลำบากในการจัดหาวัสดุโลหะ วัสดุคาร์บอนจึงยังคงเป็นวัสดุหลักสำหรับขั้วบวกของแบตเตอรี่โซเดียมไอออน

การพัฒนาสารประกอบโลหะทรานซิชันแบบหลายชั้นเกิดขึ้นหลังจากการค้นพบกราฟีน ปัจจุบัน วัสดุสองมิติที่ใช้ในแบตเตอรี่โซเดียมไอออนส่วนใหญ่ประกอบด้วยสารประกอบโซเดียมแบบหลายชั้น เช่น NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4 เป็นต้น

วัสดุขั้วบวกโพลีแอนไอออนิกถูกนำมาใช้ครั้งแรกในขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และต่อมาถูกนำมาใช้ในแบตเตอรี่โซเดียมไอออน วัสดุตัวอย่างที่สำคัญ ได้แก่ ผลึกโอลิวีน เช่น NaMnPO4 และ NaFePO4

เดิมทีฟอสเฟตของโลหะทรานซิชันถูกนำมาใช้เป็นวัสดุขั้วบวกในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน กระบวนการสังเคราะห์ค่อนข้างสมบูรณ์และมีโครงสร้างผลึกหลายแบบ

ฟอสเฟตซึ่งมีโครงสร้างสามมิติ สร้างโครงสร้างพื้นฐานที่เอื้อต่อการแทรกและการนำไอออนโซเดียมออก ส่งผลให้ได้แบตเตอรี่โซเดียมไอออนที่มีประสิทธิภาพในการเก็บพลังงานที่ยอดเยี่ยม

วัสดุโครงสร้างแกนและเปลือกเป็นวัสดุขั้วบวกชนิดใหม่สำหรับแบตเตอรี่โซเดียมไอออนที่เพิ่งปรากฏขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โดยวัสดุนี้พัฒนามาจากวัสดุเดิม แต่มีโครงสร้างกลวงผ่านการออกแบบโครงสร้างที่ประณีต

วัสดุที่มีโครงสร้างแบบแกนและเปลือกที่พบได้ทั่วไป ได้แก่ นาโนคิวบ์โคบอลต์เซเลไนด์กลวง นาโนสเฟียร์โซเดียมวานาเดตแบบแกนและเปลือกที่เจือด้วย Fe-N นาโนสเฟียร์ทินออกไซด์กลวงที่มีรูพรุนจากคาร์บอน และโครงสร้างกลวงอื่นๆ

ด้วยคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม ประกอบกับโครงสร้างกลวงและมีรูพรุนอันมหัศจรรย์ ทำให้สารละลายอิเล็กโทรไลต์สัมผัสกับกิจกรรมทางเคมีไฟฟ้าได้มากขึ้น และในขณะเดียวกันก็ช่วยส่งเสริมการเคลื่อนที่ของไอออนในสารละลายอิเล็กโทรไลต์อย่างมาก ส่งผลให้การจัดเก็บพลังงานมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น

พลังงานหมุนเวียนทั่วโลกยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งส่งเสริมการพัฒนาเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงาน

ในปัจจุบัน ตามวิธีการกักเก็บพลังงานที่แตกต่างกัน สามารถแบ่งออกได้เป็น การกักเก็บพลังงานทางกายภาพ และการกักเก็บพลังงานทางเคมีไฟฟ้า

การกักเก็บพลังงานด้วยไฟฟ้าเคมีตรงตามมาตรฐานการพัฒนาเทคโนโลยีการกักเก็บพลังงานใหม่ในปัจจุบัน เนื่องจากมีข้อดีหลายประการ เช่น ความปลอดภัยสูง ต้นทุนต่ำ ใช้งานได้ยืดหยุ่น และมีประสิทธิภาพสูง

ตามกระบวนการปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าที่แตกต่างกัน แหล่งพลังงานสำหรับการจัดเก็บพลังงานทางเคมีไฟฟ้าส่วนใหญ่ได้แก่ ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ แบตเตอรี่ตะกั่วกรด แบตเตอรี่เชื้อเพลิง แบตเตอรี่นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ แบตเตอรี่โซเดียมซัลเฟอร์ และแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ในเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงาน วัสดุอิเล็กโทรดแบบยืดหยุ่นดึงดูดความสนใจของนักวิทยาศาสตร์จำนวนมากในการวิจัย เนื่องจากความหลากหลายในการออกแบบ ความยืดหยุ่น ต้นทุนต่ำ และคุณลักษณะที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

วัสดุคาร์บอนมีเสถียรภาพทางเคมีเชิงความร้อนพิเศษ การนำไฟฟ้าที่ดี ความแข็งแรงสูง และคุณสมบัติทางกลที่โดดเด่น ทำให้เป็นวัสดุที่มีศักยภาพสูงสำหรับใช้เป็นอิเล็กโทรดในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและแบตเตอรี่โซเดียมไอออน

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถชาร์จและคายประจุได้อย่างรวดเร็วภายใต้สภาวะกระแสไฟฟ้าสูง และมีอายุการใช้งานมากกว่า 100,000 รอบ นับเป็นอุปกรณ์เก็บพลังงานไฟฟ้าเคมีชนิดใหม่ที่อยู่ระหว่างคาปาซิเตอร์และแบตเตอรี่

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์มีคุณสมบัติเด่นคือมีความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าสูงและอัตราการแปลงพลังงานสูง แต่มีความหนาแน่นของพลังงานต่ำ มีแนวโน้มที่จะคายประจุเอง และมีแนวโน้มที่จะเกิดการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์หากใช้งานไม่ถูกต้อง

แม้ว่าเซลล์พลังงานเชื้อเพลิงจะมีคุณสมบัติที่ไม่ต้องชาร์จไฟ มีความจุสูง มีกำลังจำเพาะสูง และมีช่วงกำลังจำเพาะกว้าง แต่ด้วยอุณหภูมิการทำงานสูง ต้นทุนสูง และประสิทธิภาพการแปลงพลังงานต่ำ ทำให้เซลล์พลังงานเชื้อเพลิงสามารถนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้เฉพาะในบางประเภทเท่านั้น

แบตเตอรี่ตะกั่วกรดมีข้อดีคือต้นทุนต่ำ เทคโนโลยีที่พัฒนาแล้ว และความปลอดภัยสูง จึงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในสถานีฐานสัญญาณ จักรยานไฟฟ้า รถยนต์ และระบบกักเก็บพลังงานในโครงข่ายไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ข้อเสีย เช่น การก่อให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม ไม่สามารถตอบสนองความต้องการและมาตรฐานที่สูงขึ้นเรื่อยๆ สำหรับแบตเตอรี่กักเก็บพลังงานได้

แบตเตอรี่ Ni-MH มีคุณสมบัติที่โดดเด่นคือ ใช้งานได้หลากหลาย มีค่าความร้อนต่ำ มีความจุโมโนเมอร์สูง และมีลักษณะการคายประจุที่เสถียร แต่มีน้ำหนักค่อนข้างมาก และมีปัญหาหลายอย่างในการจัดการแบตเตอรี่แบบอนุกรม ซึ่งอาจทำให้แผ่นกั้นแบตเตอรี่แต่ละก้อนละลายได้ง่าย