Energie, als materielle Grundlage für den Fortschritt der menschlichen Zivilisation, hat seit jeher eine wichtige Rolle gespielt. Sie ist eine unverzichtbare Voraussetzung für die Entwicklung der menschlichen Gesellschaft. Zusammen mit Wasser, Luft und Nahrung bildet sie die notwendigen Bedingungen für das menschliche Überleben und beeinflusst das menschliche Leben unmittelbar.

Die Entwicklung der Energiewirtschaft hat zwei grundlegende Wandlungen durchlaufen: vom Zeitalter des Brennholzes zum Zeitalter der Kohle und anschließend vom Zeitalter der Kohle zum Zeitalter des Erdöls. Nun hat der Wandel vom Zeitalter des Erdöls zum Zeitalter der erneuerbaren Energien begonnen.

Von Kohle als Hauptenergiequelle im frühen 19. Jahrhundert bis hin zu Erdöl als Hauptenergiequelle Mitte des 20. Jahrhunderts nutzt die Menschheit seit über 200 Jahren fossile Energieträger in großem Umfang. Die globale Energiestruktur, die von fossilen Energieträgern dominiert wird, lässt die Erschöpfung dieser Reserven jedoch nicht mehr fern erscheinen.

Die drei traditionellen fossilen Energieträger Kohle, Erdöl und Erdgas werden im neuen Jahrhundert rasch erschöpft sein und im Zuge ihrer Nutzung und Verbrennung den Treibhauseffekt verursachen, große Mengen an Schadstoffen erzeugen und die Umwelt verschmutzen.

Daher ist es unerlässlich, die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern zu verringern, die bestehende irrationale Energienutzungsstruktur zu ändern und nach sauberen und schadstofffreien neuen erneuerbaren Energien zu suchen.

Derzeit umfasst der Begriff „erneuerbare Energien“ hauptsächlich Windenergie, Wasserstoffenergie, Solarenergie, Biomasseenergie, Gezeitenenergie und Geothermie usw., wobei Windenergie und Solarenergie weltweit aktuelle Forschungsschwerpunkte darstellen.

Allerdings ist es nach wie vor relativ schwierig, eine effiziente Umwandlung und Speicherung verschiedener erneuerbarer Energiequellen zu erreichen, was ihre effektive Nutzung erschwert.

Um in diesem Fall die effektive Nutzung neuer erneuerbarer Energien durch die Menschheit zu ermöglichen, ist es notwendig, eine komfortable und effiziente neue Energiespeichertechnologie zu entwickeln, die auch ein Schwerpunkt aktueller sozialwissenschaftlicher Forschung ist.

Lithium-Ionen-Batterien zählen derzeit zu den effizientesten Sekundärbatterien und finden breite Anwendung in verschiedenen elektronischen Geräten, im Transportwesen, in der Luft- und Raumfahrt sowie in anderen Bereichen. Die Entwicklungsperspektiven gestalten sich jedoch schwieriger.

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Natrium und Lithium sind ähnlich, und es besitzt einen Energiespeichereffekt. Aufgrund seines hohen Vorkommens, der gleichmäßigen Verteilung der Natriumquellen und des niedrigen Preises wird es in großtechnischen Energiespeichertechnologien eingesetzt, die sich durch niedrige Kosten und hohe Effizienz auszeichnen.

Zu den positiven und negativen Elektrodenmaterialien von Natriumionenbatterien gehören geschichtete Übergangsmetallverbindungen, Polyanionen, Übergangsmetallphosphate, Kern-Schale-Nanopartikel, Metallverbindungen, Hartkohlenstoff usw.

Da Kohlenstoff in der Natur in extrem großen Mengen vorkommt, ist er billig und leicht zu gewinnen und hat sich als Anodenmaterial für Natriumionenbatterien einen Namen gemacht.

Nach dem Grad der Graphitisierung lassen sich Kohlenstoffmaterialien in zwei Kategorien einteilen: graphitischer Kohlenstoff und amorpher Kohlenstoff.

Hartkohlenstoff, der zu den amorphen Kohlenstoffen zählt, weist eine Natriumspeicherkapazität von 300 mAh/g auf, während Kohlenstoffmaterialien mit einem höheren Graphitisierungsgrad aufgrund ihrer großen Oberfläche und starken Ordnung nur schwer für den kommerziellen Einsatz geeignet sind.

Daher werden in der praktischen Forschung hauptsächlich nicht-graphitische Hartkohlenstoffwerkstoffe eingesetzt.

Um die Leistung von Anodenmaterialien für Natriumionenbatterien weiter zu verbessern, können die Hydrophilie und Leitfähigkeit von Kohlenstoffmaterialien durch Ionendotierung oder Compoundierung verbessert werden, was die Energiespeicherleistung von Kohlenstoffmaterialien steigern kann.

Als negatives Elektrodenmaterial von Natriumionenbatterien werden hauptsächlich zweidimensionale Metallcarbide und -nitride verwendet. Neben den hervorragenden Eigenschaften zweidimensionaler Materialien können diese Natriumionen nicht nur durch Adsorption und Interkalation speichern, sondern bilden durch chemische Reaktionen mit den Natriumionen auch Kapazitäten zur Energiespeicherung, wodurch die Energiespeicherleistung deutlich verbessert wird.

Aufgrund der hohen Kosten und der Schwierigkeit, Metallverbindungen zu gewinnen, sind Kohlenstoffmaterialien nach wie vor die wichtigsten Anodenmaterialien für Natriumionenbatterien.

Der Aufstieg geschichteter Übergangsmetallverbindungen begann nach der Entdeckung von Graphen. Aktuell werden in Natriumionenbatterien hauptsächlich zweidimensionale Materialien wie natriumbasierte Schichtmaterialien wie NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4 und NaxFeO4 verwendet.

Polyanionische positive Elektrodenmaterialien wurden zunächst in Lithium-Ionen-Batterien und später auch in Natrium-Ionen-Batterien eingesetzt. Wichtige Vertreter dieser Materialien sind Olivinkristalle wie NaMnPO₄ und NaFePO₄.

Übergangsmetallphosphat wurde ursprünglich als positives Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Das Syntheseverfahren ist relativ ausgereift und es existieren zahlreiche Kristallstrukturen.

Phosphat bildet als dreidimensionale Struktur ein Gerüst, das die Deinterkalation und Interkalation von Natriumionen begünstigt und so zu Natriumionenbatterien mit hervorragender Energiespeicherleistung führt.

Das Kern-Schale-Strukturmaterial ist ein neuartiges Anodenmaterial für Natriumionenbatterien, das erst in den letzten Jahren entwickelt wurde. Basierend auf den ursprünglichen Materialien weist dieses Material durch ein ausgeklügeltes Strukturdesign eine Hohlstruktur auf.

Zu den häufiger anzutreffenden Kern-Schale-Strukturmaterialien gehören hohle Kobaltselenid-Nanowürfel, Fe-N-kodotierte Kern-Schale-Natriumvanadat-Nanokugeln, poröse hohle Kohlenstoff-Zinnoxid-Nanokugeln und andere Hohlstrukturen.

Dank seiner hervorragenden Eigenschaften, gepaart mit der einzigartigen hohlen und porösen Struktur, wird mehr elektrochemische Aktivität dem Elektrolyten ausgesetzt, und gleichzeitig wird die Ionenmobilität des Elektrolyten stark gefördert, um eine effiziente Energiespeicherung zu erreichen.

Der weltweite Ausbau erneuerbarer Energien nimmt weiter zu und fördert damit die Entwicklung von Energiespeichertechnologien.

Gegenwärtig kann man je nach Energiespeichermethode zwischen physikalischer und elektrochemischer Energiespeicherung unterscheiden.

Die elektrochemische Energiespeicherung erfüllt die Entwicklungsstandards der heutigen neuen Energiespeichertechnologie aufgrund ihrer Vorteile wie hohe Sicherheit, niedrige Kosten, flexible Einsatzmöglichkeiten und hohe Effizienz.

Je nach elektrochemischem Reaktionsprozess lassen sich elektrochemische Energiespeicherquellen hauptsächlich in Superkondensatoren, Blei-Säure-Batterien, Brennstoffzellenbatterien, Nickel-Metallhydrid-Batterien, Natrium-Schwefel-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien einteilen.

In der Energiespeichertechnologie haben flexible Elektrodenmaterialien aufgrund ihrer Designvielfalt, Flexibilität, niedrigen Kosten und umweltfreundlichen Eigenschaften das Forschungsinteresse vieler Wissenschaftler geweckt.

Kohlenstoffmaterialien zeichnen sich durch besondere thermochemische Stabilität, gute elektrische Leitfähigkeit, hohe Festigkeit und ungewöhnliche mechanische Eigenschaften aus und sind daher vielversprechende Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien und Natrium-Ionen-Batterien.

Superkondensatoren lassen sich unter hohen Stromstärken schnell laden und entladen und weisen eine Lebensdauer von über 100.000 Ladezyklen auf. Sie stellen eine neue Art von elektrochemischen Energiespeichern dar, die zwischen Kondensatoren und Batterien angesiedelt sind.

Superkondensatoren zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte und einen hohen Energieumwandlungsgrad aus, jedoch ist ihre Energiedichte gering, sie neigen zur Selbstentladung und sind bei unsachgemäßer Verwendung anfällig für Elektrolytleckagen.

Obwohl Brennstoffzellen die Vorteile von Ladefreiheit, hoher Kapazität, hoher spezifischer Kapazität und breitem spezifischen Leistungsbereich aufweisen, schränken ihre hohe Betriebstemperatur, der hohe Anschaffungspreis und der geringe Wirkungsgrad ihre kommerzielle Nutzung auf bestimmte Anwendungsbereiche ein.

Bleiakkumulatoren bieten Vorteile wie niedrige Kosten, ausgereifte Technologie und hohe Sicherheit und werden daher häufig in Mobilfunkstationen, Elektrofahrrädern, Automobilen und zur Netzspeicherung eingesetzt. Nachteile wie Umweltbelastung können jedoch den stetig steigenden Anforderungen und Normen für Energiespeicherbatterien nicht gerecht werden.

Ni-MH-Batterien zeichnen sich durch hohe Vielseitigkeit, niedrigen Heizwert, große Monomerkapazität und stabile Entladeeigenschaften aus, jedoch ist ihr Gewicht relativ groß, und es gibt viele Probleme beim Reihenschalten der Batterien, was leicht zum Schmelzen der Separatoren einzelner Batterien führen kann.