Energia kui inimtsivilisatsiooni progressi materiaalne alus on alati mänginud olulist rolli. See on inimühiskonna arengu asendamatu tagatis. Koos vee, õhu ja toiduga moodustab see inimeste ellujäämiseks vajalikud tingimused ja mõjutab otseselt inimelu.

Energiatööstuse areng on läbinud kaks suurt muutust: küttepuude „ajastust“ söe „ajastusse“ ja seejärel söe „ajastust“ nafta „ajastusse“. Nüüd on see hakanud muutuma nafta „ajastust“ taastuvenergia „ajastusse“.

Alates kivisöest kui peamisest energiaallikast 19. sajandi alguses kuni nafta kui peamise energiaallikani 20. sajandi keskpaigas on inimesed fossiilset energiat suures mahus kasutanud enam kui 200 aastat. Kuid fossiilse energia domineeriv globaalne energiastruktuur ei tee fossiilse energia ammendumisest enam kaugele.

Kolm traditsioonilist fossiilse energia majanduslikku kandjat – kivisüsi, nafta ja maagaas – ammenduvad uuel sajandil kiiresti ning kasutamise ja põlemise käigus põhjustab see ka kasvuhooneefekti, tekitab suures koguses saasteaineid ja saastab keskkonda.

Seetõttu on hädavajalik vähendada sõltuvust fossiilkütustest, muuta olemasolevat irratsionaalset energiakasutuse struktuuri ning otsida puhast ja saastevaba uut taastuvenergiat.

Praegu hõlmab taastuvenergia peamiselt tuuleenergiat, vesinikuenergiat, päikeseenergiat, biomassienergiat, loodete energiat ja geotermilist energiat jne ning tuuleenergia ja päikeseenergia on praegused uurimisvaldkonnad kogu maailmas.

Siiski on erinevate taastuvate energiaallikate tõhusa muundamise ja salvestamise saavutamine endiselt suhteliselt keeruline, mistõttu on neid raske tõhusalt kasutada.

Sellisel juhul on uute taastuvenergiaallikate tõhusa kasutamise realiseerimiseks inimeste poolt vaja välja töötada mugav ja tõhus uus energiasalvestustehnoloogia, mis on ka praeguste sotsiaaluuringute kuum teema.

Praegu on liitiumioonakud kui üks tõhusamaid sekundaarakusid laialdaselt kasutusel erinevates elektroonikaseadmetes, transpordis, lennunduses ja muudes valdkondades. Arenguväljavaated on keerulisemad.

Naatriumi ja liitiumi füüsikalised ja keemilised omadused on sarnased ning neil on energia salvestamise efekt. Tänu rikkalikule sisaldusele, naatriumiallika ühtlasele jaotumisele ja madalale hinnale kasutatakse seda suuremahulises energia salvestamise tehnoloogias, millel on madalad kulud ja kõrge efektiivsus.

Naatriumioonakude positiivsete ja negatiivsete elektroodide materjalide hulka kuuluvad kihilised siirdemetallide ühendid, polüanioonid, siirdemetallide fosfaadid, südamiku-kesta nanoosakesed, metalliühendid, kõva süsinik jne.

Looduses äärmiselt rikkalike varudega elemendina on süsinik odav ja hõlpsasti kättesaadav ning on pälvinud palju tunnustust naatriumioonakude anoodimaterjalina.

Grafitiseerumisastme järgi saab süsinikmaterjale jagada kahte kategooriasse: grafiitne süsinik ja amorfne süsinik.

Amorfse süsiniku hulka kuuluva kõva süsiniku naatriumi salvestusmaht on 300 mAh/g, samas kui suurema grafitiseerumisastmega süsinikmaterjale on nende suure pindala ja tugeva korrastatuse tõttu raske kaubanduslikult kasutada.

Seetõttu kasutatakse praktilistes uuringutes peamiselt mittegrafiiti sisaldavaid kõva süsinikmaterjale.

Naatriumioonakude anoodimaterjalide toimivuse edasiseks parandamiseks saab süsinikmaterjalide hüdrofiilsust ja juhtivust parandada ioonide lisamise või segamise abil, mis võib parandada süsinikmaterjalide energiasalvestusvõimet.

Naatriumioonaku negatiivse elektroodi materjalina on metalliühendid peamiselt kahemõõtmelised metallkarbiidid ja -nitriidid. Lisaks kahemõõtmeliste materjalide suurepärastele omadustele suudavad nad mitte ainult naatriumioone adsorptsiooni ja interkalatsiooni teel säilitada, vaid ka naatriumiga ühenduda. Ioonide kombinatsioon tekitab keemiliste reaktsioonide kaudu mahtuvuse energia salvestamiseks, parandades seeläbi oluliselt energia salvestamise efekti.

Metalliühendite kõrge hinna ja raskuste tõttu on süsinikmaterjalid naatriumioonakude peamised anoodimaterjalid endiselt.

Kihiliste siirdemetallide ühendite esiletõus toimus pärast grafeeni avastamist. Praegu on naatriumioonakudes kasutatavate kahemõõtmeliste materjalide hulgas peamiselt naatriumipõhised kihilised NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4 jne.

Polüanioonseid positiivseid elektroodimaterjale kasutati esmakordselt liitiumioonakude positiivsetes elektroodides ja hiljem naatriumioonakudes. Oluliste tüüpiliste materjalide hulka kuuluvad oliviinikristallid, näiteks NaMnPO4 ja NaFePO4.

Siirdemetallfosfaati kasutati algselt liitiumioonakude positiivse elektroodi materjalina. Sünteesiprotsess on suhteliselt küps ja kristallstruktuure on palju.

Kolmemõõtmelise struktuurina moodustab fosfaat raamstruktuuri, mis soodustab naatriumioonide deinterkalatsiooni ja interkalatsiooni ning annab seejärel suurepärase energiasalvestusvõimega naatriumioonakud.

Südamiku-kesta struktuuriga materjal on uut tüüpi anoodimaterjal naatriumioonakude jaoks, mis on ilmunud alles viimastel aastatel. Algsetel materjalidel põhinev materjal on peene konstruktsioonilise disaini abil saavutanud õõnsa struktuuri.

Levinumate südamiku-kesta struktuurimaterjalide hulka kuuluvad õõnsad koobaltseleniidi nanokuubikud, Fe-N-ga kaasdopteeritud südamiku-kesta naatriumvanadaadi nanosfäärid, poorsed süsiniku õõnsad tinaoksiidi nanosfäärid ja muud õõnsad struktuurid.

Tänu oma suurepärastele omadustele koos maagilise õõnsa ja poorse struktuuriga puutub elektrolüüt kokku suurema elektrokeemilise aktiivsusega ning samal ajal soodustab see oluliselt ka elektrolüüdi ioonide liikuvust, et saavutada tõhus energia salvestamine.

Taastuvenergia osakaal maailmas kasvab jätkuvalt, mis soodustab energia salvestamise tehnoloogia arengut.

Praegu saab vastavalt erinevatele energia salvestamise meetoditele jagada füüsiliseks energia salvestamiseks ja elektrokeemiliseks energia salvestamiseks.

Elektrokeemiline energia salvestamine vastab tänapäeva uue energiasalvestustehnoloogia arendusstandarditele tänu oma eelistele, nagu kõrge ohutus, madal hind, paindlik kasutamine ja kõrge efektiivsus.

Erinevate elektrokeemiliste reaktsiooniprotsesside kohaselt hõlmavad elektrokeemilised energiasalvestusallikad peamiselt superkondensaatoreid, pliiakusid, kütuseakusid, nikkel-metallhüdriid-akusid, naatriumväävliakusid ja liitiumioonakusid.

Energia salvestamise tehnoloogias on painduvad elektroodimaterjalid oma disaini mitmekesisuse, paindlikkuse, madala hinna ja keskkonnakaitseomaduste tõttu äratanud paljude teadlaste uurimishuvi.

Süsinikmaterjalidel on eriline termokeemiline stabiilsus, hea elektrijuhtivus, kõrge tugevus ja ebatavalised mehaanilised omadused, mis teeb neist paljulubavad elektroodid liitiumioonakude ja naatriumioonakude jaoks.

Superkondensaatoreid saab suure voolutugevuse korral kiiresti laadida ja tühjendada ning nende tsükli eluiga on üle 100 000 korra. Need on uut tüüpi spetsiaalne elektrokeemiline energia salvestamise toiteallikas kondensaatorite ja akude vahel.

Superkondensaatoritel on kõrge võimsustihedus ja kõrge energia muundamise kiirus, kuid nende energiatihedus on madal, nad on altid isetühjenemisele ja elektrolüütide lekkele, kui neid kasutatakse valesti.

Kuigi kütuseelemendil on laadimise puudumine, suur mahtuvus, suur erimahtuvus ja lai erivõimsuse vahemik, muudavad selle kõrge töötemperatuur, kõrge hind ja madal energia muundamise efektiivsus selle turustamisprotsessis kättesaadavaks ainult teatud kategooriates.

Pliiakude eelised on madal hind, küps tehnoloogia ja kõrge ohutus ning neid on laialdaselt kasutatud signaali baasjaamades, elektrijalgratastes, autodes ja võrguenergia salvestamisel. Lühikesed plaadid, mis saastavad keskkonda, ei suuda täita energia salvestamise akude üha kõrgemaid nõudeid ja standardeid.

Ni-MH akudel on tugev mitmekülgsus, madal kütteväärtus, suur monomeeride mahutavus ja stabiilsed tühjenemisomadused, kuid nende kaal on suhteliselt suur ja akude seeriahalduses on palju probleeme, mis võivad kergesti viia üksikute akueraldajate sulamiseni.