พลังงานซึ่งเป็นพื้นฐานทางวัตถุสำหรับความก้าวหน้าของอารยธรรมมนุษย์ มีบทบาทสำคัญในมาโดยตลอดถือเป็นหลักประกันที่ขาดไม่ได้สำหรับการพัฒนาสังคมมนุษย์เมื่อรวมกับน้ำ อากาศ และอาหาร ก่อให้เกิดเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการอยู่รอดของมนุษย์ และส่งผลโดยตรงต่อชีวิตมนุษย์-

การพัฒนาของอุตสาหกรรมพลังงานมีการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ 2 ประการจาก “ยุค” ของฟืนไปสู่ ​​“ยุค” ของถ่านหิน และจาก “ยุค” ของถ่านหินไปสู่ ​​“ยุค” ของน้ำมันปัจจุบันได้เริ่มเปลี่ยนจาก “ยุค” ของน้ำมัน ไปสู่ ​​“ยุค” ของการเปลี่ยนแปลงพลังงานหมุนเวียนแล้ว

จากถ่านหินซึ่งเป็นแหล่งหลักในต้นศตวรรษที่ 19 ไปจนถึงน้ำมันซึ่งเป็นแหล่งหลักในกลางศตวรรษที่ 20 มนุษย์ได้ใช้พลังงานฟอสซิลในปริมาณมากมานานกว่า 200 ปีอย่างไรก็ตาม โครงสร้างพลังงานของโลกที่ถูกครอบงำด้วยพลังงานฟอสซิลทำให้ไม่ไกลจากการสิ้นเปลืองพลังงานฟอสซิลอีกต่อไป

ตัวพาทางเศรษฐกิจพลังงานฟอสซิลแบบดั้งเดิมทั้งสามชนิดที่แสดงด้วยถ่านหิน น้ำมัน และก๊าซธรรมชาติจะหมดไปอย่างรวดเร็วในศตวรรษใหม่ และในกระบวนการใช้และการเผาไหม้ก็จะทำให้เกิดภาวะเรือนกระจก สร้างมลพิษจำนวนมาก และก่อให้เกิดมลพิษ สิ่งแวดล้อม.

ดังนั้นจึงจำเป็นที่จะต้องลดการพึ่งพาพลังงานฟอสซิล เปลี่ยนโครงสร้างการใช้พลังงานอย่างไม่มีเหตุผลที่มีอยู่ และแสวงหาพลังงานหมุนเวียนใหม่ที่สะอาดและปราศจากมลภาวะ

ปัจจุบันพลังงานหมุนเวียนส่วนใหญ่ประกอบด้วยพลังงานลม พลังงานไฮโดรเจน พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานชีวมวล พลังงานน้ำขึ้นน้ำลง และพลังงานความร้อนใต้พิภพ ฯลฯ และพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์เป็นจุดสำคัญในการวิจัยทั่วโลก

อย่างไรก็ตาม การแปลงและจัดเก็บแหล่งพลังงานหมุนเวียนต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพยังค่อนข้างยาก ซึ่งทำให้ยากต่อการนำแหล่งพลังงานเหล่านั้นไปใช้อย่างมีประสิทธิผล

ในกรณีนี้ เพื่อให้มนุษย์นำพลังงานหมุนเวียนใหม่ๆ มาใช้อย่างมีประสิทธิผล จำเป็นต้องพัฒนาเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานใหม่ที่สะดวกและมีประสิทธิภาพ ซึ่งเป็นประเด็นร้อนในการวิจัยทางสังคมในปัจจุบันด้วย

ปัจจุบัน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนซึ่งเป็นหนึ่งในแบตเตอรี่สำรองที่มีประสิทธิภาพสูงสุด มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ การขนส่ง การบินและอวกาศ และสาขาอื่นๆโอกาสในการพัฒนาก็ยากขึ้น

คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของโซเดียมและลิเธียมมีความคล้ายคลึงกัน และมีผลในการกักเก็บพลังงานเนื่องจากมีเนื้อหาที่เข้มข้น การกระจายแหล่งโซเดียมสม่ำเสมอ และราคาต่ำ จึงถูกนำมาใช้ในเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ ซึ่งมีลักษณะของต้นทุนต่ำและมีประสิทธิภาพสูง

วัสดุอิเล็กโทรดขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่โซเดียมไอออน ได้แก่ สารประกอบโลหะทรานซิชันแบบชั้น, โพลีแอนไอออน, ฟอสเฟตของโลหะทรานซิชัน, อนุภาคนาโนของเปลือกแกนกลาง, สารประกอบโลหะ, คาร์บอนแข็ง ฯลฯ

เนื่องจากเป็นองค์ประกอบที่มีปริมาณสำรองในธรรมชาติอยู่มาก คาร์บอนจึงมีราคาถูกและหาได้ง่าย และได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นวัสดุแอโนดสำหรับแบตเตอรี่โซเดียมไอออน

ตามระดับของการสร้างกราฟ วัสดุคาร์บอนสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: คาร์บอนกราไฟต์และคาร์บอนอสัณฐาน

คาร์บอนแข็งซึ่งเป็นของคาร์บอนอสัณฐานมีความจุจำเพาะในการกักเก็บโซเดียมที่ 300mAh/g ในขณะที่วัสดุคาร์บอนที่มีระดับกราฟิคที่สูงกว่านั้นยากที่จะนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์เนื่องจากมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่และเป็นระเบียบเรียบร้อย

ดังนั้นวัสดุคาร์บอนแข็งที่ไม่ใช่กราไฟท์จึงถูกนำมาใช้ในการวิจัยเชิงปฏิบัติเป็นหลัก

เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุแอโนดสำหรับแบตเตอรี่โซเดียมไอออน ความสามารถในการชอบน้ำและการนำไฟฟ้าของวัสดุคาร์บอนสามารถปรับปรุงได้โดยการเติมไอออนหรือการผสม ซึ่งสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการจัดเก็บพลังงานของวัสดุคาร์บอนได้

เนื่องจากวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบของแบตเตอรี่โซเดียมไอออน สารประกอบโลหะส่วนใหญ่เป็นโลหะคาร์ไบด์และไนไตรด์สองมิตินอกเหนือจากคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมของวัสดุสองมิติแล้ว พวกเขาไม่เพียงแต่สามารถกักเก็บโซเดียมไอออนโดยการดูดซับและการแทรกซึมเท่านั้น แต่ยังรวมกับโซเดียม การรวมกันของไอออนจะสร้างความจุผ่านปฏิกิริยาเคมีเพื่อกักเก็บพลังงาน ซึ่งจะช่วยปรับปรุงผลการเก็บกักพลังงานได้อย่างมาก

เนื่องจากต้นทุนสูงและความยากลำบากในการรับสารประกอบโลหะ วัสดุคาร์บอนจึงยังคงเป็นวัสดุแอโนดหลักสำหรับแบตเตอรี่โซเดียมไอออน

การเพิ่มขึ้นของสารประกอบโลหะทรานซิชันแบบชั้นเกิดขึ้นหลังจากการค้นพบกราฟีนปัจจุบัน วัสดุสองมิติที่ใช้ในแบตเตอรี่โซเดียมไอออนส่วนใหญ่ประกอบด้วย NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4 เป็นต้น

วัสดุอิเล็กโทรดขั้วบวกโพลีแอนไอออนถูกนำมาใช้ครั้งแรกในอิเล็กโทรดขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และต่อมาถูกนำมาใช้ในแบตเตอรี่โซเดียมไอออนวัสดุที่เป็นตัวแทนที่สำคัญ ได้แก่ ผลึกโอลิวีน เช่น NaMnPO4 และ NaFePO4

เดิมทีโลหะทรานซิชันฟอสเฟตถูกใช้เป็นวัสดุอิเล็กโทรดบวกในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกระบวนการสังเคราะห์ค่อนข้างสมบูรณ์และมีโครงสร้างผลึกจำนวนมาก

ฟอสเฟตเป็นโครงสร้างสามมิติที่สร้างโครงสร้างเฟรมเวิร์กที่เอื้อต่อการดีอินเทอร์คาเลชันและการอินเทอร์คาเลชันของโซเดียมไอออน จากนั้นจึงได้แบตเตอรี่โซเดียมไอออนที่มีประสิทธิภาพการจัดเก็บพลังงานที่ดีเยี่ยม

วัสดุโครงสร้างแกนและเปลือกเป็นวัสดุแอโนดชนิดใหม่สำหรับแบตเตอรี่โซเดียมไอออนที่เพิ่งเกิดขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาจากวัสดุดั้งเดิม วัสดุนี้มีโครงสร้างกลวงผ่านการออกแบบโครงสร้างอันประณีต

วัสดุโครงสร้างเปลือกแกนกลางทั่วไป ได้แก่ นาโนคิวบ์โคบอลต์เซเลไนด์แบบกลวง, นาโนสเฟียร์โซเดียมวานาเดตที่มีเปลือกแกนกลางเจือด้วย Fe-N, นาโนสเฟียร์คาร์บอนกลวงดีบุกออกไซด์ออกไซด์ที่มีรูพรุน และโครงสร้างกลวงอื่นๆ

เนื่องจากคุณลักษณะที่ยอดเยี่ยม ประกอบกับโครงสร้างกลวงและมีรูพรุนอันมหัศจรรย์ ทำให้อิเล็กโทรไลต์เกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าได้มากขึ้น และในขณะเดียวกัน ยังส่งเสริมการเคลื่อนที่ของไอออนของอิเล็กโทรไลต์อย่างมากเพื่อให้กักเก็บพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

พลังงานทดแทนทั่วโลกยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งส่งเสริมการพัฒนาเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงาน

ปัจจุบันตามวิธีการจัดเก็บพลังงานที่แตกต่างกันสามารถแบ่งออกเป็นการจัดเก็บพลังงานทางกายภาพและการจัดเก็บพลังงานเคมีไฟฟ้า

การจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าเคมีเป็นไปตามมาตรฐานการพัฒนาของเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานใหม่ในปัจจุบัน เนื่องจากมีข้อดีด้านความปลอดภัยสูง ต้นทุนต่ำ การใช้งานที่ยืดหยุ่น และประสิทธิภาพสูง

ตามกระบวนการปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่แตกต่างกัน แหล่งพลังงานเก็บพลังงานไฟฟ้าเคมีส่วนใหญ่ประกอบด้วยซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ แบตเตอรี่กรดตะกั่ว แบตเตอรี่พลังงานเชื้อเพลิง แบตเตอรี่นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ แบตเตอรี่โซเดียมซัลเฟอร์ และแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ในเทคโนโลยีกักเก็บพลังงาน วัสดุอิเล็กโทรดที่ยืดหยุ่นได้ดึงดูดความสนใจในการวิจัยของนักวิทยาศาสตร์จำนวนมาก เนื่องจากการออกแบบที่หลากหลาย ความยืดหยุ่น ต้นทุนต่ำ และคุณลักษณะการปกป้องสิ่งแวดล้อม

วัสดุคาร์บอนมีความเสถียรทางความร้อนเคมีเป็นพิเศษ มีการนำไฟฟ้าที่ดี มีความแข็งแรงสูง และมีคุณสมบัติทางกลที่ผิดปกติ ทำให้วัสดุเหล่านี้มีแนวโน้มเป็นอิเล็กโทรดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและแบตเตอรี่โซเดียมไอออน

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถชาร์จและคายประจุได้อย่างรวดเร็วภายใต้สภาวะกระแสไฟสูง และมีวงจรชีวิตมากกว่า 100,000 ครั้งเป็นแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าเคมีชนิดพิเศษชนิดใหม่ระหว่างตัวเก็บประจุและแบตเตอรี่

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีลักษณะความหนาแน่นของพลังงานสูงและอัตราการแปลงพลังงานสูง แต่ความหนาแน่นของพลังงานต่ำ มีแนวโน้มที่จะคายประจุเอง และมีแนวโน้มที่จะเกิดการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์เมื่อใช้อย่างไม่เหมาะสม

แม้ว่าเซลล์พลังงานเชื้อเพลิงจะมีลักษณะของการไม่ชาร์จ แต่ความจุขนาดใหญ่ ความจุจำเพาะสูง และช่วงพลังงานจำเพาะที่กว้าง อุณหภูมิการทำงานที่สูง ราคาต้นทุนสูง และประสิทธิภาพการแปลงพลังงานต่ำ ทำให้มีเฉพาะในกระบวนการเชิงพาณิชย์เท่านั้นใช้ในหมวดหมู่บางประเภท

แบตเตอรี่กรดตะกั่วมีข้อดีคือต้นทุนต่ำ เทคโนโลยีที่สมบูรณ์ และมีความปลอดภัยสูง และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในสถานีฐานสัญญาณ รถจักรยานไฟฟ้า รถยนต์ และการจัดเก็บพลังงานแบบกริดกระดานขนาดสั้น เช่น การสร้างมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมไม่สามารถตอบสนองข้อกำหนดและมาตรฐานที่สูงขึ้นสำหรับแบตเตอรี่เก็บพลังงานได้

แบตเตอรี่ Ni-MH มีลักษณะของความเก่งกาจที่แข็งแกร่ง ค่าความร้อนต่ำ ความจุโมโนเมอร์ขนาดใหญ่ และลักษณะการปล่อยที่เสถียร แต่น้ำหนักของมันค่อนข้างใหญ่ และมีปัญหามากมายในการจัดการชุดแบตเตอรี่ ซึ่งสามารถนำไปสู่การละลายของแบตเตอรี่ก้อนเดียวได้อย่างง่ายดาย ตัวแยกแบตเตอรี่