Energie, als materiële basis voor de vooruitgang van de menselijke beschaving, heeft altijd een belangrijke rol gespeeld. Het is een onmisbare garantie voor de ontwikkeling van de menselijke samenleving. Samen met water, lucht en voedsel vormt het de noodzakelijke voorwaarden voor menselijk overleven en heeft het een directe invloed op het menselijk leven.

De ontwikkeling van de energie-industrie heeft twee grote transformaties doorgemaakt: van het 'tijdperk' van brandhout naar het 'tijdperk' van kolen, en vervolgens van het 'tijdperk' van kolen naar het 'tijdperk' van olie. Nu is de overgang van het 'tijdperk' van olie naar het 'tijdperk' van hernieuwbare energie ingezet.

Van steenkool als belangrijkste energiebron in het begin van de 19e eeuw tot olie als belangrijkste energiebron in het midden van de 20e eeuw, heeft de mensheid al meer dan 200 jaar op grote schaal fossiele brandstoffen gebruikt. De wereldwijde energiestructuur, die nog steeds gedomineerd wordt door fossiele brandstoffen, maakt de uitputting van deze voorraden echter niet ver meer weg.

De drie traditionele fossiele energiebronnen – steenkool, olie en aardgas – zullen in de nieuwe eeuw snel uitgeput raken. Het gebruik en de verbranding ervan zullen bovendien het broeikaseffect veroorzaken, grote hoeveelheden vervuilende stoffen produceren en het milieu aantasten.

Het is daarom van essentieel belang om de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen, de bestaande irrationele energiestructuur te veranderen en te zoeken naar schone en milieuvriendelijke, hernieuwbare energiebronnen.

Hernieuwbare energie omvat momenteel hoofdzakelijk windenergie, waterstofenergie, zonne-energie, biomassa-energie, getijdenenergie en geothermische energie, enzovoort, waarbij windenergie en zonne-energie wereldwijd actuele onderzoeksthema's zijn.

Het is echter nog steeds relatief moeilijk om diverse hernieuwbare energiebronnen efficiënt om te zetten en op te slaan, waardoor het lastig is om ze effectief te benutten.

Om de effectieve benutting van nieuwe hernieuwbare energiebronnen door de mensheid mogelijk te maken, is het in dit geval noodzakelijk om handige en efficiënte nieuwe energieopslagtechnologieën te ontwikkelen. Dit is dan ook een belangrijk onderzoeksthema binnen de huidige maatschappij.

Lithium-ionbatterijen, die tot de meest efficiënte oplaadbare batterijen behoren, worden momenteel veelvuldig gebruikt in diverse elektronische apparaten, transportmiddelen, de lucht- en ruimtevaart en andere sectoren. De vooruitzichten voor verdere ontwikkeling zijn echter lastiger.

Natrium en lithium hebben vergelijkbare fysische en chemische eigenschappen en bezitten beide een energieopslagcapaciteit. Dankzij de ruime beschikbaarheid, de gelijkmatige verdeling van de natriumbron en de lage prijs wordt natrium veelvuldig gebruikt in grootschalige energieopslagtechnologieën, die gekenmerkt worden door lage kosten en een hoog rendement.

De positieve en negatieve elektrodematerialen van natriumionbatterijen omvatten gelaagde overgangsmetaalverbindingen, polyanionen, overgangsmetaalfosfaten, kern-mantelnanodeeltjes, metaalverbindingen, hard koolstof, enzovoort.

Koolstof is een element dat in de natuur in zeer grote hoeveelheden voorkomt, goedkoop en gemakkelijk te verkrijgen is en daarom veel erkenning heeft gekregen als anodemateriaal voor natrium-ionbatterijen.

Afhankelijk van de mate van grafitisatie kunnen koolstofmaterialen in twee categorieën worden verdeeld: grafietkoolstof en amorfe koolstof.

Hard koolstof, dat tot de amorfe koolstofsoorten behoort, heeft een specifieke natriumopslagcapaciteit van 300 mAh/g, terwijl koolstofmaterialen met een hogere graad van grafitisatie moeilijk commercieel toepasbaar zijn vanwege hun grote oppervlakte en sterke ordening.

Daarom worden in praktisch onderzoek voornamelijk harde koolstofmaterialen gebruikt die geen grafiet bevatten.

Om de prestaties van anodematerialen voor natrium-ionbatterijen verder te verbeteren, kunnen de hydrofiliteit en geleidbaarheid van koolstofmaterialen worden verbeterd door middel van ionendoping of compounding, wat de energieopslagcapaciteit van koolstofmaterialen kan verhogen.

Als negatief elektrodemateriaal voor natriumionbatterijen worden metaalverbindingen voornamelijk gebruikt, namelijk tweedimensionale metaalcarbiden en -nitriden. Naast de uitstekende eigenschappen van tweedimensionale materialen, kunnen ze niet alleen natriumionen opslaan door adsorptie en intercalatie, maar ook door zich met natriumionen te binden. Deze binding genereert capaciteit via chemische reacties voor energieopslag, waardoor het energieopslagrendement aanzienlijk wordt verbeterd.

Vanwege de hoge kosten en de moeilijkheid om metaalverbindingen te verkrijgen, zijn koolstofmaterialen nog steeds de belangrijkste anodematerialen voor natrium-ionbatterijen.

De opkomst van gelaagde overgangsmetaalverbindingen begon na de ontdekking van grafeen. Momenteel omvatten de tweedimensionale materialen die in natrium-ionbatterijen worden gebruikt voornamelijk op natrium gebaseerde gelaagde verbindingen zoals NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4, enzovoort.

Polyanionische positieve elektrodematerialen werden voor het eerst gebruikt in lithium-ionbatterijen en later ook in natrium-ionbatterijen. Belangrijke voorbeelden hiervan zijn olivijnkristallen zoals NaMnPO4 en NaFePO4.

Overgangsmetaalfosfaten werden oorspronkelijk gebruikt als positief elektrodemateriaal in lithium-ionbatterijen. Het syntheseproces is relatief volwassen en er bestaan ​​veel kristalstructuren.

Fosfaat vormt als driedimensionale structuur een raamwerk dat de de-intercalatie en intercalatie van natriumionen bevordert, waardoor natriumionbatterijen met uitstekende energieopslagprestaties worden verkregen.

Het kern-mantelstructuurmateriaal is een nieuw type anodemateriaal voor natriumionbatterijen dat pas de laatste jaren op de markt is gekomen. Gebaseerd op de oorspronkelijke materialen, heeft dit materiaal door middel van een verfijnd structureel ontwerp een holle structuur verkregen.

De meest voorkomende materialen met een kern-mantelstructuur zijn onder andere holle kobaltselenide-nanokubussen, Fe-N-gedoteerde natriumvanadaat-nanobollen met een kern-mantelstructuur, poreuze holle tinoxide-nanobollen van koolstof en andere holle structuren.

Dankzij de uitstekende eigenschappen, in combinatie met de magische holle en poreuze structuur, wordt er meer elektrochemische activiteit aan het elektrolyt blootgesteld, en tegelijkertijd wordt de ionenmobiliteit van het elektrolyt aanzienlijk bevorderd, wat leidt tot efficiënte energieopslag.

De wereldwijde groei van hernieuwbare energiebronnen stimuleert de ontwikkeling van energieopslagtechnologie.

Momenteel kan er, afhankelijk van de verschillende energieopslagmethoden, onderscheid worden gemaakt tussen fysieke energieopslag en elektrochemische energieopslag.

Elektrochemische energieopslag voldoet aan de ontwikkelingsnormen van de huidige nieuwe energieopslagtechnologie vanwege de voordelen zoals hoge veiligheid, lage kosten, flexibel gebruik en hoog rendement.

Afhankelijk van de verschillende elektrochemische reactieprocessen omvatten elektrochemische energieopslagbronnen hoofdzakelijk supercondensatoren, loodzuuraccu's, brandstofaccu's, nikkel-metaalhydrideaccu's, natrium-zwavelaccu's en lithium-ionaccu's.

In de energieopslagtechnologie hebben flexibele elektrodematerialen de onderzoeksinteresse van veel wetenschappers gewekt vanwege hun ontwerpdiversiteit, flexibiliteit, lage kosten en milieuvriendelijke eigenschappen.

Koolstofmaterialen hebben een bijzondere thermochemische stabiliteit, goede elektrische geleidbaarheid, hoge sterkte en ongebruikelijke mechanische eigenschappen, waardoor ze veelbelovende elektroden zijn voor lithium-ionbatterijen en natrium-ionbatterijen.

Supercondensatoren kunnen snel worden opgeladen en ontladen onder hoge stroomomstandigheden en hebben een levensduur van meer dan 100.000 laadcycli. Ze vormen een nieuw type speciale elektrochemische energieopslag, een soort tussenvorm tussen condensatoren en batterijen.

Supercondensatoren kenmerken zich door een hoge vermogensdichtheid en een hoge energieomzettingssnelheid, maar hun energiedichtheid is laag, ze zijn gevoelig voor zelfontlading en ze kunnen bij onjuist gebruik elektrolytlekkage veroorzaken.

Hoewel de brandstofcel de kenmerken heeft van geen opladen, een grote capaciteit, een hoog specifiek vermogen en een breed specifiek vermogensbereik, zorgen de hoge bedrijfstemperatuur, de hoge aanschafprijs en het lage energieomzettingsrendement ervoor dat deze in de commerciële praktijk slechts in bepaalde categorieën wordt gebruikt.

Loodzuuraccu's hebben als voordelen lage kosten, een volwassen technologie en hoge veiligheid, en worden alom gebruikt in zendmasten, elektrische fietsen, auto's en energieopslag in het elektriciteitsnet. Nadelen zoals milieuvervuiling voldoen echter niet aan de steeds hogere eisen en normen voor energieopslagaccu's.

Ni-MH-batterijen kenmerken zich door hun grote veelzijdigheid, lage warmteontwikkeling, hoge monomeercapaciteit en stabiele ontladingskarakteristieken. Hun gewicht is echter relatief hoog en er zijn veel problemen bij het serieel schakelen van batterijen, wat gemakkelijk kan leiden tot het smelten van de separatoren van afzonderlijke batterijen.