انرژی، به عنوان پایه مادی پیشرفت تمدن بشری، همواره نقش مهمی ایفا کرده است. این یک تضمین ضروری برای توسعه جامعه بشری است. انرژی به همراه آب، هوا و غذا، شرایط لازم برای بقای انسان را تشکیل می‌دهد و مستقیماً بر زندگی انسان تأثیر می‌گذارد.

توسعه صنعت انرژی دو تحول عمده را از «عصر» هیزم به «عصر» زغال سنگ و سپس از «عصر» زغال سنگ به «عصر» نفت پشت سر گذاشته است. اکنون شروع به تغییر از «عصر» نفت به «عصر» انرژی‌های تجدیدپذیر کرده است.

از زغال سنگ به عنوان منبع اصلی در اوایل قرن نوزدهم تا نفت به عنوان منبع اصلی در اواسط قرن بیستم، انسان‌ها بیش از ۲۰۰ سال است که از انرژی فسیلی در مقیاس وسیع استفاده می‌کنند. با این حال، ساختار انرژی جهانی که تحت سلطه انرژی فسیلی است، دیگر فاصله زیادی با اتمام انرژی فسیلی ندارد.

سه حامل اقتصادی انرژی فسیلی سنتی که شامل زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی می‌شوند، در قرن جدید به سرعت تمام خواهند شد و در فرآیند استفاده و احتراق، باعث ایجاد اثر گلخانه‌ای، تولید مقدار زیادی آلاینده و آلودگی محیط زیست نیز می‌شوند.

بنابراین، کاهش وابستگی به انرژی فسیلی، تغییر ساختار مصرف انرژی غیرمنطقی موجود و جستجوی انرژی‌های تجدیدپذیر جدید، پاک و بدون آلودگی، امری ضروری است.

در حال حاضر، انرژی‌های تجدیدپذیر عمدتاً شامل انرژی باد، انرژی هیدروژن، انرژی خورشیدی، انرژی زیست‌توده، انرژی جزر و مد و انرژی زمین‌گرمایی و غیره هستند و انرژی باد و انرژی خورشیدی از نقاط داغ تحقیقاتی فعلی در سراسر جهان هستند.

با این حال، دستیابی به تبدیل و ذخیره‌سازی کارآمد منابع مختلف انرژی تجدیدپذیر هنوز نسبتاً دشوار است، بنابراین استفاده مؤثر از آنها را دشوار می‌سازد.

در این مورد، برای تحقق استفاده مؤثر از انرژی‌های تجدیدپذیر جدید توسط انسان‌ها، توسعه فناوری ذخیره‌سازی انرژی جدید، مناسب و کارآمد ضروری است که این موضوع نیز از موضوعات داغ در تحقیقات اجتماعی فعلی است.

در حال حاضر، باتری‌های لیتیوم-یونی، به عنوان یکی از کارآمدترین باتری‌های ثانویه، به طور گسترده در دستگاه‌های الکترونیکی مختلف، حمل و نقل، هوافضا و سایر زمینه‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌اند. چشم‌انداز توسعه آنها دشوارتر است.

خواص فیزیکی و شیمیایی سدیم و لیتیوم مشابه است و خاصیت ذخیره انرژی دارد. به دلیل محتوای غنی، توزیع یکنواخت منبع سدیم و قیمت پایین، در فناوری ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ استفاده می‌شود که دارای ویژگی‌های هزینه پایین و راندمان بالا است.

مواد الکترود مثبت و منفی باتری‌های سدیم یون شامل ترکیبات لایه‌ای فلزات واسطه، پلی‌آنیون‌ها، فسفات‌های فلزات واسطه، نانوذرات هسته-پوسته، ترکیبات فلزی، کربن سخت و غیره هستند.

کربن به عنوان عنصری با ذخایر بسیار فراوان در طبیعت، ارزان و به راحتی قابل تهیه است و به عنوان ماده آند برای باتری‌های سدیم-یون به رسمیت شناخته شده است.

با توجه به درجه گرافیتی شدن، مواد کربنی را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد: کربن گرافیتی و کربن آمورف.

کربن سخت، که به کربن آمورف تعلق دارد، ظرفیت ویژه ذخیره‌سازی سدیم 300 میلی‌آمپر ساعت بر گرم را نشان می‌دهد، در حالی که مواد کربنی با درجه گرافیتی شدن بالاتر به دلیل مساحت سطح بزرگ و نظم قوی، برای استفاده تجاری دشوار هستند.

بنابراین، مواد کربنی سخت غیر گرافیتی عمدتاً در تحقیقات عملی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

به منظور بهبود بیشتر عملکرد مواد آند برای باتری‌های سدیم-یون، می‌توان آب‌دوستی و رسانایی مواد کربنی را با استفاده از آلایش یا ترکیب یونی بهبود بخشید که می‌تواند عملکرد ذخیره‌سازی انرژی مواد کربنی را افزایش دهد.

به عنوان ماده الکترود منفی باتری یون سدیم، ترکیبات فلزی عمدتاً کاربیدها و نیتریدهای فلزی دو بعدی هستند. علاوه بر ویژگی‌های عالی مواد دو بعدی، آنها نه تنها می‌توانند یون‌های سدیم را با جذب و جابجایی ذخیره کنند، بلکه با سدیم نیز ترکیب می‌شوند. ترکیب یون‌ها از طریق واکنش‌های شیمیایی برای ذخیره انرژی، ظرفیت خازنی ایجاد می‌کند و در نتیجه اثر ذخیره انرژی را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد.

با توجه به هزینه بالا و دشواری تهیه ترکیبات فلزی، مواد کربنی هنوز هم مواد اصلی آند برای باتری‌های سدیم-یون هستند.

ظهور ترکیبات فلزات واسطه لایه‌ای پس از کشف گرافن رخ داد. در حال حاضر، مواد دوبعدی مورد استفاده در باتری‌های سدیم-یون عمدتاً شامل NaxMO4، NaxCoO4، NaxMnO4، NaxVO4، NaxFeO4 و غیره با لایه‌های سدیمی هستند.

مواد الکترود مثبت پلی آنیونی ابتدا در الکترودهای مثبت باتری لیتیوم-یون استفاده شدند و بعداً در باتری‌های سدیم-یون نیز مورد استفاده قرار گرفتند. مواد مهم نماینده شامل کریستال‌های الیوین مانند NaMnPO4 و NaFePO4 هستند.

فسفات فلزات واسطه در ابتدا به عنوان ماده الکترود مثبت در باتری‌های لیتیوم-یونی مورد استفاده قرار می‌گرفت. فرآیند سنتز نسبتاً بالغ شده و ساختارهای کریستالی زیادی وجود دارد.

فسفات، به عنوان یک ساختار سه‌بعدی، یک ساختار چارچوبی ایجاد می‌کند که برای جدا شدن و جابجایی یون‌های سدیم مساعد است و سپس باتری‌های سدیم-یون را با عملکرد ذخیره‌سازی انرژی عالی به دست می‌آورد.

ماده‌ی دارای ساختار هسته-پوسته، نوع جدیدی از ماده‌ی آند برای باتری‌های سدیم-یون است که در سال‌های اخیر ظهور کرده است. این ماده که بر اساس مواد اولیه ساخته شده است، از طریق طراحی ساختاری نفیس، به ساختاری توخالی دست یافته است.

مواد با ساختار هسته-پوسته رایج‌تر شامل نانومکعب‌های توخالی سلنید کبالت، نانوکره‌های هسته-پوسته سدیم وانادات آلاییده شده با Fe-N، نانوکره‌های اکسید قلع توخالی کربن متخلخل و سایر ساختارهای توخالی هستند.

با توجه به ویژگی‌های عالی آن، همراه با ساختار جادویی توخالی و متخلخل، فعالیت الکتروشیمیایی بیشتری در معرض الکترولیت قرار می‌گیرد و در عین حال، تحرک یونی الکترولیت را نیز به میزان زیادی افزایش می‌دهد تا به ذخیره‌سازی انرژی کارآمد دست یابد.

انرژی‌های تجدیدپذیر جهانی همچنان در حال افزایش هستند و این امر توسعه فناوری ذخیره‌سازی انرژی را ارتقا می‌دهد.

در حال حاضر، با توجه به روش‌های مختلف ذخیره‌سازی انرژی، می‌توان آن را به ذخیره‌سازی انرژی فیزیکی و ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی تقسیم کرد.

ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی به دلیل مزایایی مانند ایمنی بالا، هزینه پایین، استفاده انعطاف‌پذیر و راندمان بالا، استانداردهای توسعه فناوری جدید ذخیره‌سازی انرژی امروزی را برآورده می‌کند.

با توجه به فرآیندهای مختلف واکنش الکتروشیمیایی، منابع ذخیره انرژی الکتروشیمیایی عمدتاً شامل ابرخازن‌ها، باتری‌های سرب-اسیدی، باتری‌های سوختی، باتری‌های نیکل-فلز هیدرید، باتری‌های سدیم-گوگرد و باتری‌های لیتیوم-یونی هستند.

در فناوری ذخیره‌سازی انرژی، مواد الکترود انعطاف‌پذیر به دلیل تنوع طراحی، انعطاف‌پذیری، هزینه پایین و ویژگی‌های حفاظت از محیط زیست، توجه بسیاری از دانشمندان را به خود جلب کرده‌اند.

مواد کربنی پایداری ترموشیمیایی ویژه، رسانایی الکتریکی خوب، استحکام بالا و خواص مکانیکی غیرمعمول دارند که آنها را به الکترودهای امیدوارکننده‌ای برای باتری‌های لیتیوم-یون و باتری‌های سدیم-یون تبدیل می‌کند.

ابرخازن‌ها می‌توانند تحت شرایط جریان بالا به سرعت شارژ و دشارژ شوند و عمر چرخه‌ای بیش از ۱۰۰۰۰۰ بار دارند. آن‌ها نوع جدیدی از منبع تغذیه ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی ویژه بین خازن‌ها و باتری‌ها هستند.

ابرخازن‌ها دارای ویژگی‌های چگالی توان بالا و نرخ تبدیل انرژی بالا هستند، اما چگالی انرژی آنها کم است، مستعد دشارژ خودکار هستند و در صورت استفاده نادرست، مستعد نشت الکترولیت می‌باشند.

اگرچه پیل سوختی دارای ویژگی‌هایی مانند عدم نیاز به شارژ، ظرفیت بالا، ظرفیت ویژه بالا و محدوده توان ویژه وسیع است، اما دمای عملیاتی بالا، قیمت تمام‌شده بالا و راندمان تبدیل انرژی پایین آن، آن را فقط در فرآیند تجاری‌سازی در دسترس قرار می‌دهد. این پیل در دسته‌های خاصی استفاده می‌شود.

باتری‌های سرب-اسید مزایایی مانند هزینه پایین، فناوری بالغ و ایمنی بالا را دارند و به طور گسترده در ایستگاه‌های پایه سیگنال، دوچرخه‌های برقی، خودروها و ذخیره‌سازی انرژی شبکه مورد استفاده قرار گرفته‌اند. بردهای کوتاه مانند آلودگی محیط زیست نمی‌توانند الزامات و استانداردهای فزاینده باتری‌های ذخیره‌سازی انرژی را برآورده کنند.

باتری‌های Ni-MH دارای ویژگی‌های تطبیق‌پذیری قوی، ارزش حرارتی پایین، ظرفیت مونومر بالا و ویژگی‌های دشارژ پایدار هستند، اما وزن آنها نسبتاً زیاد است و مشکلات زیادی در مدیریت سری باتری وجود دارد که به راحتی می‌تواند منجر به ذوب شدن جداکننده‌های باتری منفرد شود.