A energia, como base material para o progresso da civilização humana, sempre desempenhou um papel importante. É uma garantia indispensável para o desenvolvimento da sociedade humana. Juntamente com a água, o ar e os alimentos, constitui as condições necessárias para a sobrevivência humana e afeta diretamente a vida humana.

O desenvolvimento da indústria energética passou por duas grandes transformações: da "era" da lenha para a "era" do carvão e, posteriormente, da "era" do carvão para a "era" do petróleo. Agora, inicia-se a transição da "era" do petróleo para a "era" das energias renováveis.

Do carvão como principal fonte de energia no início do século XIX ao petróleo como principal fonte em meados do século XX, a humanidade utiliza energia fóssil em larga escala há mais de 200 anos. Contudo, a estrutura energética global dominada por combustíveis fósseis torna o esgotamento desses recursos uma realidade cada vez mais próxima.

Os três vetores energéticos fósseis tradicionais, representados pelo carvão, petróleo e gás natural, se esgotarão rapidamente neste novo século e, durante o processo de utilização e combustão, causarão o efeito estufa, gerarão uma grande quantidade de poluentes e contaminarão o meio ambiente.

Portanto, é imprescindível reduzir a dependência de energia fóssil, mudar a atual estrutura irracional de uso de energia e buscar novas fontes de energia renovável, limpas e não poluentes.

Atualmente, a energia renovável inclui principalmente energia eólica, energia de hidrogênio, energia solar, energia de biomassa, energia das marés e energia geotérmica, entre outras, sendo a energia eólica e a energia solar os principais focos de pesquisa em todo o mundo.

No entanto, ainda é relativamente difícil alcançar a conversão e o armazenamento eficientes de diversas fontes de energia renováveis, o que dificulta sua utilização eficaz.

Neste caso, para que os seres humanos possam utilizar eficazmente as novas energias renováveis, é necessário desenvolver tecnologias de armazenamento de energia convenientes e eficientes, o que também constitui um tema de grande interesse na investigação social atual.

Atualmente, as baterias de íon-lítio, como uma das baterias secundárias mais eficientes, têm sido amplamente utilizadas em diversos dispositivos eletrônicos, transporte, aeroespacial e outros campos. No entanto, as perspectivas de desenvolvimento são mais difíceis.

As propriedades físicas e químicas do sódio e do lítio são semelhantes, e ambos possuem efeito de armazenamento de energia. Devido à sua abundância, distribuição uniforme das fontes de sódio e baixo custo, o sódio é utilizado em tecnologias de armazenamento de energia em larga escala, apresentando características de baixo custo e alta eficiência.

Os materiais dos eletrodos positivo e negativo das baterias de íon-sódio incluem compostos de metais de transição em camadas, polianiões, fosfatos de metais de transição, nanopartículas núcleo-casca, compostos metálicos, carbono duro, etc.

Por ser um elemento com reservas extremamente abundantes na natureza, o carbono é barato e fácil de obter, e tem ganhado muito reconhecimento como material anódico para baterias de íon-sódio.

De acordo com o grau de grafitização, os materiais de carbono podem ser divididos em duas categorias: carbono grafítico e carbono amorfo.

O carbono duro, que pertence ao carbono amorfo, apresenta uma capacidade específica de armazenamento de sódio de 300 mAh/g, enquanto materiais de carbono com um grau de grafitização mais elevado são difíceis de atender ao uso comercial devido à sua grande área superficial e forte ordenação.

Portanto, materiais de carbono duro não grafíticos são usados ​​principalmente em pesquisas práticas.

Para melhorar ainda mais o desempenho dos materiais de ânodo para baterias de íon-sódio, a hidrofilicidade e a condutividade dos materiais de carbono podem ser aprimoradas por meio de dopagem iônica ou composição, o que pode aumentar o desempenho de armazenamento de energia dos materiais de carbono.

Como material do eletrodo negativo da bateria de íons de sódio, os compostos metálicos são principalmente carbetos e nitretos metálicos bidimensionais. Além das excelentes características dos materiais bidimensionais, eles podem não apenas armazenar íons de sódio por adsorção e intercalação, mas também se combinar com o sódio. A combinação de íons gera capacitância por meio de reações químicas para armazenamento de energia, melhorando assim significativamente o efeito de armazenamento de energia.

Devido ao alto custo e à dificuldade de obtenção de compostos metálicos, os materiais de carbono ainda são os principais materiais de ânodo para baterias de íon-sódio.

O surgimento de compostos de metais de transição em camadas ocorreu após a descoberta do grafeno. Atualmente, os materiais bidimensionais usados ​​em baterias de íon-sódio incluem principalmente compostos em camadas à base de sódio como NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4, etc.

Os materiais polianiônicos para eletrodos positivos foram usados ​​inicialmente em eletrodos positivos de baterias de íon-lítio e, posteriormente, em baterias de íon-sódio. Materiais representativos importantes incluem cristais de olivina, como NaMnPO4 e NaFePO4.

O fosfato de metal de transição foi originalmente utilizado como material de eletrodo positivo em baterias de íon-lítio. O processo de síntese é relativamente consolidado e existem muitas estruturas cristalinas.

O fosfato, por ser uma estrutura tridimensional, cria uma estrutura de suporte que facilita a desintercalação e intercalação de íons de sódio, resultando em baterias de íons de sódio com excelente desempenho de armazenamento de energia.

O material com estrutura núcleo-casca é um novo tipo de material anódico para baterias de íon-sódio que surgiu apenas nos últimos anos. Com base em materiais originais, esse material alcançou uma estrutura oca por meio de um design estrutural sofisticado.

Os materiais com estrutura núcleo-casca mais comuns incluem nanocubos ocos de seleneto de cobalto, nanoesferas de vanadato de sódio com estrutura núcleo-casca codopadas com Fe-N, nanoesferas ocas de óxido de estanho com carbono poroso e outras estruturas ocas.

Devido às suas excelentes características, aliadas à estrutura oca e porosa, maior atividade eletroquímica é exposta ao eletrólito e, ao mesmo tempo, promove-se significativamente a mobilidade iônica do eletrólito, resultando em armazenamento de energia eficiente.

A energia renovável em nível global continua a crescer, impulsionando o desenvolvimento da tecnologia de armazenamento de energia.

Atualmente, de acordo com os diferentes métodos de armazenamento de energia, ela pode ser dividida em armazenamento de energia física e armazenamento de energia eletroquímica.

O armazenamento eletroquímico de energia atende aos padrões de desenvolvimento da nova tecnologia de armazenamento de energia atual devido às suas vantagens de alta segurança, baixo custo, uso flexível e alta eficiência.

De acordo com os diferentes processos de reação eletroquímica, as fontes de energia para armazenamento eletroquímico incluem principalmente supercapacitores, baterias de chumbo-ácido, baterias de combustível, baterias de níquel-hidreto metálico, baterias de sódio-enxofre e baterias de íon-lítio.

Na tecnologia de armazenamento de energia, os materiais de eletrodo flexíveis têm atraído o interesse de muitos cientistas devido à sua diversidade de design, flexibilidade, baixo custo e características de proteção ambiental.

Os materiais de carbono possuem estabilidade termoquímica especial, boa condutividade elétrica, alta resistência e propriedades mecânicas incomuns, o que os torna eletrodos promissores para baterias de íon-lítio e baterias de íon-sódio.

Os supercapacitores podem ser carregados e descarregados rapidamente sob condições de alta corrente e possuem um ciclo de vida superior a 100.000 vezes. Eles representam um novo tipo especial de fonte de alimentação para armazenamento de energia eletroquímica, situando-se entre os capacitores e as baterias.

Os supercapacitores possuem características como alta densidade de potência e alta taxa de conversão de energia, mas sua densidade de energia é baixa, eles são propensos à autodescarga e ao vazamento de eletrólito quando usados ​​incorretamente.

Embora a célula de combustível tenha características como ausência de necessidade de recarga, grande capacidade, alta capacidade específica e ampla faixa de potência específica, sua alta temperatura de operação, alto custo e baixa eficiência de conversão de energia fazem com que seu uso comercial seja restrito a determinadas categorias.

As baterias de chumbo-ácido apresentam vantagens como baixo custo, tecnologia consolidada e alta segurança, sendo amplamente utilizadas em estações base de sinalização, bicicletas elétricas, automóveis e armazenamento de energia em redes elétricas. No entanto, baterias de chumbo-ácido de baixa qualidade, que poluem o meio ambiente, não atendem às exigências e padrões cada vez mais rigorosos para baterias de armazenamento de energia.

As baterias Ni-MH possuem características como grande versatilidade, baixo poder calorífico, alta capacidade de armazenamento e descarga estável, porém são relativamente pesadas e apresentam diversos problemas no gerenciamento em série, podendo facilmente levar ao derretimento dos separadores individuais.