Enerģijai kā cilvēces civilizācijas progresa materiālajam pamatam vienmēr ir bijusi svarīga loma. Tā ir neaizstājams cilvēku sabiedrības attīstības garants. Kopā ar ūdeni, gaisu un pārtiku tā veido nepieciešamos apstākļus cilvēku izdzīvošanai un tieši ietekmē cilvēka dzīvi.

Enerģētikas nozares attīstība ir piedzīvojusi divas būtiskas pārmaiņas – no malkas “ēras” uz ogļu “ēru” un pēc tam no ogļu “ēras” uz naftas “ēru”. Tagad tā ir sākusi mainīties no naftas “ēras” uz atjaunojamās enerģijas pārmaiņu “ēru”.

No oglēm kā galvenā avota 19. gadsimta sākumā līdz naftai kā galvenajam avotam 20. gadsimta vidū, cilvēki jau vairāk nekā 200 gadus plašā mērogā ir izmantojuši fosilo enerģiju. Tomēr globālā enerģijas struktūra, kurā dominē fosilā enerģija, vairs neļauj fosilās enerģijas izsīkumam.

Trīs tradicionālie fosilā kurināmā ekonomiskie nesēji, ko pārstāv ogles, nafta un dabasgāze, jaunajā gadsimtā strauji izsīks, un to izmantošanas un sadegšanas procesā tie izraisīs arī siltumnīcas efektu, radīs lielu daudzumu piesārņotāju un piesārņos vidi.

Tāpēc ir obligāti jāsamazina atkarība no fosilā kurināmā, jāmaina esošā neracionālā enerģijas izmantošanas struktūra un jāmeklē tīra un nepiesārņojoša jauna atjaunojamā enerģija.

Pašlaik atjaunojamā enerģija galvenokārt ietver vēja enerģiju, ūdeņraža enerģiju, saules enerģiju, biomasas enerģiju, plūdmaiņu enerģiju un ģeotermālo enerģiju utt., un vēja enerģija un saules enerģija ir pašreizējās pētniecības jomas visā pasaulē.

Tomēr joprojām ir samērā grūti panākt dažādu atjaunojamo energoresursu efektīvu pārveidošanu un uzglabāšanu, tādējādi apgrūtinot to efektīvu izmantošanu.

Šajā gadījumā, lai cilvēki varētu efektīvi izmantot jauno atjaunojamo enerģiju, ir jāizstrādā ērta un efektīva jauna enerģijas uzkrāšanas tehnoloģija, kas ir arī aktuāla tēma pašreizējos sociālajos pētījumos.

Pašlaik litija jonu akumulatori kā viens no visefektīvākajiem sekundārajiem akumulatoriem ir plaši izmantoti dažādās elektroniskās ierīcēs, transportā, kosmosa un citās jomās. Attīstības perspektīvas ir sarežģītākas.

Nātrija un litija fizikālās un ķīmiskās īpašības ir līdzīgas, un tiem piemīt enerģijas uzkrāšanas efekts. Pateicoties bagātīgajam nātrija saturam, vienmērīgam nātrija avota sadalījumam un zemajai cenai, to izmanto liela mēroga enerģijas uzkrāšanas tehnoloģijās, kurām ir zemas izmaksas un augsta efektivitāte.

Nātrija jonu akumulatoru pozitīvo un negatīvo elektrodu materiāli ietver slāņveida pārejas metālu savienojumus, polianjonus, pārejas metālu fosfātus, serdes-apvalka nanodaļiņas, metālu savienojumus, cieto ogli utt.

Kā elements ar ārkārtīgi bagātīgām rezervēm dabā, ogleklis ir lēts un viegli iegūstams, un tas ir ieguvis lielu atzinību kā anoda materiāls nātrija jonu baterijām.

Atkarībā no grafitizācijas pakāpes oglekļa materiālus var iedalīt divās kategorijās: grafītiskais ogleklis un amorfais ogleklis.

Cietajam ogleklim, kas pieder pie amorfā oglekļa, ir nātrija uzglabāšanas īpatnējā kapacitāte 300 mAh/g, savukārt oglekļa materiālus ar augstāku grafitizācijas pakāpi ir grūti komerciāli izmantot to lielās virsmas laukuma un spēcīgās kārtības dēļ.

Tāpēc praktiskajos pētījumos galvenokārt tiek izmantoti cietie oglekļa materiāli bez grafīta.

Lai vēl vairāk uzlabotu nātrija jonu akumulatoru anoda materiālu veiktspēju, oglekļa materiālu hidrofilitāti un vadītspēju var uzlabot, izmantojot jonu dopingu vai maisījumus, kas var uzlabot oglekļa materiālu enerģijas uzkrāšanas veiktspēju.

Kā nātrija jonu akumulatora negatīvā elektroda materiāls, metāla savienojumi galvenokārt ir divdimensiju metālu karbīdi un nitrīdi. Papildus divdimensiju materiālu lieliskajām īpašībām tie var ne tikai uzglabāt nātrija jonus, izmantojot adsorbciju un interkalāciju, bet arī mijiedarboties ar nātriju. Jonu kombinācija rada kapacitāti, izmantojot ķīmiskās reakcijas enerģijas uzkrāšanai, tādējādi ievērojami uzlabojot enerģijas uzkrāšanas efektu.

Augsto izmaksu un metālu savienojumu iegūšanas grūtību dēļ oglekļa materiāli joprojām ir galvenie nātrija jonu akumulatoru anoda materiāli.

Slāņveida pārejas metālu savienojumu pieaugums notika pēc grafēna atklāšanas. Pašlaik nātrija jonu baterijās izmantotie divdimensiju materiāli galvenokārt ietver uz nātrija bāzes veidotus slāņotus NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4 utt.

Polianjoniskie pozitīvo elektrodu materiāli vispirms tika izmantoti litija jonu akumulatoru pozitīvajos elektrodos, un vēlāk tie tika izmantoti nātrija jonu akumulatoros. Svarīgi reprezentatīvie materiāli ir olivīna kristāli, piemēram, NaMnPO4 un NaFePO4.

Pārejas metālu fosfāts sākotnēji tika izmantots kā pozitīva elektroda materiāls litija jonu akumulatoros. Sintēzes process ir samērā nobriedis, un ir daudz kristāla struktūru.

Fosfāts kā trīsdimensiju struktūra veido pamatstruktūru, kas veicina nātrija jonu deinterkalāciju un interkalāciju, un pēc tam iegūst nātrija jonu akumulatorus ar izcilu enerģijas uzkrāšanas veiktspēju.

Serdes-apvalka struktūras materiāls ir jauna veida anoda materiāls nātrija jonu akumulatoriem, kas parādījies tikai pēdējos gados. Balstoties uz sākotnējiem materiāliem, šis materiāls, pateicoties izsmalcinātam konstrukcijas dizainam, ir ieguvis dobu struktūru.

Biežāk sastopamie kodola-apvalka struktūras materiāli ir dobie kobalta selenīda nanokubi, Fe-N kopā leģētas kodola-apvalka nātrija vanadāta nanosfēras, porainas oglekļa dobās alvas oksīda nanosfēras un citas dobas struktūras.

Pateicoties tā lieliskajām īpašībām, apvienojumā ar maģisko dobo un poraino struktūru, elektrolītam ir pakļauta lielāka elektroķīmiskā aktivitāte, un vienlaikus tas arī ievērojami veicina elektrolīta jonu mobilitāti, lai panāktu efektīvu enerģijas uzkrāšanu.

Globālā atjaunojamo energoresursu izmantošana turpina pieaugt, veicinot enerģijas uzkrāšanas tehnoloģiju attīstību.

Pašlaik, saskaņā ar dažādām enerģijas uzkrāšanas metodēm, to var iedalīt fiziskajā enerģijas uzkrāšanā un elektroķīmiskajā enerģijas uzkrāšanā.

Elektroķīmiskā enerģijas uzkrāšana atbilst mūsdienu jaunās enerģijas uzkrāšanas tehnoloģijas attīstības standartiem, pateicoties tās priekšrocībām, ko sniedz augsta drošība, zemas izmaksas, elastīga izmantošana un augsta efektivitāte.

Saskaņā ar dažādiem elektroķīmiskajiem reakcijas procesiem, elektroķīmiskie enerģijas uzkrāšanas enerģijas avoti galvenokārt ietver superkondensatorus, svina-skābes akumulatorus, degvielas akumulatorus, niķeļa-metāla hidrīda akumulatorus, nātrija-sēra akumulatorus un litija jonu akumulatorus.

Enerģijas uzkrāšanas tehnoloģijā elastīgie elektrodu materiāli ir piesaistījuši daudzu zinātnieku pētniecības intereses, pateicoties to dizaina daudzveidībai, elastībai, zemajām izmaksām un vides aizsardzības īpašībām.

Oglekļa materiāliem ir īpaša termoķīmiskā stabilitāte, laba elektrovadītspēja, augsta izturība un neparastas mehāniskās īpašības, padarot tos par daudzsološiem elektrodiem litija jonu akumulatoriem un nātrija jonu akumulatoriem.

Superkondensatorus var ātri uzlādēt un izlādēt augstas strāvas apstākļos, un to cikla mūžs pārsniedz 100 000 reižu. Tie ir jauna veida īpašs elektroķīmiskās enerģijas uzkrāšanas barošanas avots starp kondensatoriem un baterijām.

Superkondensatoriem piemīt augsts jaudas blīvums un augsts enerģijas konversijas ātrums, taču to enerģijas blīvums ir zems, tie ir pakļauti pašizlādei un, nepareizi lietojot, tiem ir tendence uz elektrolīta noplūdi.

Lai gan degvielas enerģijas elementam ir tādas īpašības kā neuzlādēšanās, liela ietilpība, augsta īpatnējā ietilpība un plašs īpatnējās jaudas diapazons, tā augstā darba temperatūra, augstās izmaksas un zemā enerģijas pārveidošanas efektivitāte padara to pieejamu tikai noteiktās kategorijās komercializācijas procesā.

Svina-skābes akumulatoriem ir zemas izmaksas, nobriedusi tehnoloģija un augsta drošība, un tos plaši izmanto signālu bāzes stacijās, elektriskajos velosipēdos, automašīnās un tīkla enerģijas uzkrāšanā. Īsas plates, piemēram, vides piesārņojums, nevar izpildīt arvien augstākas prasības un standartus enerģijas uzkrāšanas akumulatoriem.

Ni-MH akumulatoriem piemīt spēcīga daudzpusība, zema siltumspēja, liela monomēru ietilpība un stabilas izlādes īpašības, taču to svars ir relatīvi liels, un akumulatoru sēriju pārvaldībā ir daudz problēmu, kas var viegli izraisīt atsevišķu akumulatoru separatoru kušanu.