אנרגיה, כבסיס החומרי להתקדמות הציוויליזציה האנושית, תמיד מילאה תפקיד חשוב. זוהי ערובה הכרחית להתפתחות החברה האנושית. יחד עם מים, אוויר ומזון, היא מהווה את התנאים ההכרחיים להישרדות האנושית ומשפיעה ישירות על חיי אדם.

התפתחות תעשיית האנרגיה עברה שתי תמורות עיקריות, מ"עידן" עצי ההסקה ל"עידן" הפחם, ולאחר מכן מ"עידן" הפחם ל"עידן" הנפט. כעת היא החלה לעבור מ"עידן" הנפט ל"עידן" שינוי האנרגיה המתחדשת.

מפחם כמקור העיקרי בתחילת המאה ה-19 ועד נפט כמקור העיקרי באמצע המאה ה-20, בני האדם השתמשו באנרגיה מאובנים בקנה מידה גדול במשך יותר מ-200 שנה. עם זאת, מבנה האנרגיה העולמי הנשלט על ידי אנרגיה מאובנת הופך אותו עוד למשהו שאינו רחוק מדלדול האנרגיה המאובנת.

שלושת נושאי האנרגיה המאובנים המסורתיים המיוצגים על ידי פחם, נפט וגז טבעי יאזלו במהירות במאה החדשה, ובתהליך השימוש והבעירה הם גם יגרום לאפקט החממה, ייצרו כמות גדולה של מזהמים ויזהמו את הסביבה.

לכן, חיוני להפחית את התלות באנרגיה מאובנים, לשנות את מבנה צריכת האנרגיה הלא רציונלית הקיים, ולחפש אנרגיה מתחדשת חדשה, נקייה ונטולת זיהום.

כיום, אנרגיה מתחדשת כוללת בעיקר אנרגיית רוח, אנרגיית מימן, אנרגיה סולארית, אנרגיית ביומסה, אנרגיית גאות ושפל ואנרגיה גיאותרמית ועוד, ואנרגיית רוח ואנרגיה סולארית הן מוקדי מחקר חמים עכשוויים ברחבי העולם.

עם זאת, עדיין קשה יחסית להשיג המרה ואחסון יעילים של מקורות אנרגיה מתחדשים שונים, ובכך מקשה על ניצולם ביעילות.

במקרה זה, על מנת לממש את ניצול יעיל של אנרגיה מתחדשת חדשה על ידי בני אדם, יש צורך לפתח טכנולוגיית אחסון אנרגיה חדשה ונוחה ויעילה, שהיא גם נקודה חמה במחקר החברתי הנוכחי.

כיום, סוללות ליתיום-יון, כאחת הסוללות המשניות היעילות ביותר, נמצאות בשימוש נרחב במגוון מכשירים אלקטרוניים, תחבורה, תעופה וחלל ותחומים אחרים, אך סיכויי הפיתוח קשים יותר.

התכונות הפיזיקליות והכימיות של נתרן וליתיום דומות, ויש להם אפקט אגירת אנרגיה. בשל תכולתם העשירה, פיזור אחיד של מקור נתרן ומחירם הנמוך, הם משמשים בטכנולוגיית אגירת אנרגיה בקנה מידה גדול, בעלת מאפיינים של עלות נמוכה ויעילות גבוהה.

חומרי האלקטרודה החיוביים והשליליים של סוללות יוני נתרן כוללים תרכובות מתכת מעבר שכבות, פוליאוניונים, פוספטים של מתכות מעבר, ננו-חלקיקי ליבה-קליפה, תרכובות מתכת, פחמן קשה וכו'.

בתור יסוד בעל עתודות שופעות ביותר בטבע, פחמן הוא זול וקל להשגה, וזכה להכרה רבה כחומר אנודה לסוללות נתרן-יון.

לפי מידת הגרפיטיזציה, ניתן לחלק חומרי פחמן לשתי קטגוריות: פחמן גרפיטי ופחמן אמורפי.

פחמן קשה, השייך לפחמן אמורפי, מציג קיבולת אחסון נתרן ספציפית של 300mAh/g, בעוד שחומרי פחמן בעלי דרגת גרפיטיזציה גבוהה יותר קשים לשימוש מסחרי בשל שטח הפנים הגדול והסדר החזק שלהם.

לכן, חומרי פחמן קשים שאינם גרפיט משמשים בעיקר במחקר מעשי.

על מנת לשפר עוד יותר את ביצועי חומרי האנודה עבור סוללות נתרן-יון, ניתן לשפר את ההידרופיליות והמוליכות של חומרי פחמן באמצעות סימום יונים או הרכבה, מה שיכול לשפר את ביצועי אחסון האנרגיה של חומרי פחמן.

כחומר האלקטרודה השלילית של סוללות יוני נתרן, תרכובות המתכת הן בעיקר קרבידים וניטרידים מתכתיים דו-ממדיים. בנוסף למאפיינים המצוינים של חומרים דו-ממדיים, הם יכולים לא רק לאגור יוני נתרן באמצעות ספיחה ואינטרקלציה, אלא גם להתחבר עם נתרן. שילוב היונים יוצר קיבול באמצעות תגובות כימיות לאגירת אנרגיה, ובכך משפר מאוד את אפקט אחסון האנרגיה.

בשל העלות הגבוהה והקושי בהשגת תרכובות מתכת, חומרי פחמן הם עדיין חומרי האנודה העיקריים עבור סוללות נתרן-יון.

עלייתן של תרכובות מתכות מעבר שכבות היא לאחר גילוי הגרפן. כיום, החומרים הדו-ממדיים המשמשים בסוללות נתרן-יון כוללים בעיקר NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4 שכבות על בסיס נתרן ועוד.

חומרים של אלקטרודות חיוביות פוליאוניות שימשו לראשונה באלקטרודות חיוביות של סוללות ליתיום-יון, ומאוחר יותר שימשו בסוללות נתרן-יון. חומרים מייצגים חשובים כוללים גבישי אוליבין כגון NaMnPO4 ו-NaFePO4.

פוספט מתכת מעבר שימש במקור כחומר אלקטרודה חיובית בסוללות ליתיום-יון. תהליך הסינתזה שלו יחסית בוגר ויש לו מבנים גבישיים רבים.

פוספט, כמבנה תלת-ממדי, בונה מבנה מסגרת התורם לדה-אינטרקלציה ואינטרקלציה של יוני נתרן, ולאחר מכן משיג סוללות יוני נתרן עם ביצועי אחסון אנרגיה מצוינים.

חומר מבנה הליבה-קליפה הוא סוג חדש של חומר אנודה עבור סוללות נתרן-יון שצץ רק בשנים האחרונות. בהתבסס על החומרים המקוריים, חומר זה השיג מבנה חלול באמצעות עיצוב מבני מעודן.

חומרי מבנה הליבה-קליפה הנפוצים יותר כוללים ננו-קוביות סלניד קובלט חלולות, ננו-כדורים של נתרן ונדאט ליבה-קליפה מסוממים יחד עם Fe-N, ננו-כדורים של תחמוצת בדיל חלולות מפחמן נקבובי ומבנים חלולים אחרים.

בשל תכונותיו המצוינות, בשילוב עם המבנה החלול והנקבובי הקסום, נחשפת יותר פעילות אלקטרוכימית לאלקטרוליט, ובמקביל, הוא גם מקדם מאוד את ניידות היונים של האלקטרוליט כדי להשיג אחסון אנרגיה יעיל.

צריכת האנרגיה המתחדשת העולמית ממשיכה לעלות, מה שמקדם את פיתוח טכנולוגיית אחסון אנרגיה.

כיום, על פי שיטות אחסון אנרגיה שונות, ניתן לחלק אותן לאחסון אנרגיה פיזי ואחסון אנרגיה אלקטרוכימי.

אגירת אנרגיה אלקטרוכימית עומדת בתקני הפיתוח של טכנולוגיית אגירת אנרגיה חדשה כיום, הודות ליתרונותיה של בטיחות גבוהה, עלות נמוכה, שימוש גמיש ויעילות גבוהה.

בהתאם לתהליכי תגובה אלקטרוכימיים שונים, מקורות כוח לאגירת אנרגיה אלקטרוכימית כוללים בעיקר סופר-קבלים, סוללות עופרת-חומצה, סוללות דלק, סוללות ניקל-מטאל הידריד, סוללות נתרן-גופרית וסוללות ליתיום-יון.

בטכנולוגיית אחסון אנרגיה, חומרי אלקטרודה גמישים משכו את תשומת ליבם המחקרית של מדענים רבים בשל גיוון העיצוב שלהם, גמישותם, עלותם הנמוכה ומאפייני הגנת הסביבה שלהם.

לחומרי פחמן יש יציבות תרמוכימית מיוחדת, מוליכות חשמלית טובה, חוזק גבוה ותכונות מכניות יוצאות דופן, מה שהופך אותם לאלקטרודות מבטיחות עבור סוללות ליתיום-יון וסוללות נתרן-יון.

סופר-קבלים ניתנים לטעינה ופריקה מהירה בתנאי זרם גבוה, ויש להם מחזור חיים של יותר מפי 100,000. הם סוג חדש של ספק כוח לאגירת אנרגיה אלקטרוכימית מיוחדת בין קבלים לסוללות.

לסופר-קבלים יש מאפיינים של צפיפות הספק גבוהה וקצב המרת אנרגיה גבוה, אך צפיפות האנרגיה שלהם נמוכה, הם נוטים לפריקה עצמית, והם נוטים לדליפת אלקטרוליטים כאשר משתמשים בהם בצורה לא נכונה.

למרות שלתא כוח דלק יש מאפיינים של חוסר טעינה, קיבולת גדולה, קיבולת ספציפית גבוהה וטווח הספק ספציפי רחב, טמפרטורת הפעולה הגבוהה שלו, מחיר העלות הגבוה ויעילות המרת האנרגיה הנמוכה הופכים אותו לזמין בתהליך המסחור לשימוש בקטגוריות מסוימות בלבד.

לסוללות עופרת-חומצה יש יתרונות של עלות נמוכה, טכנולוגיה בוגרת ובטיחות גבוהה, והן נמצאות בשימוש נרחב בתחנות בסיס איתות, אופניים חשמליים, מכוניות ואחסון אנרגיה ברשת החשמל. לוחות קצרים המזהמים את הסביבה אינם יכולים לעמוד בדרישות ובתקנים ההולכים וגדלים עבור סוללות אחסון אנרגיה.

לסוללות Ni-MH יש מאפיינים של רב-תכליתיות חזקה, ערך קלורי נמוך, קיבולת מונומר גדולה ומאפייני פריקה יציבים, אך משקלן גדול יחסית, וישנן בעיות רבות בניהול סדרות סוללות, אשר יכולות להוביל בקלות להמסה של מפרידי סוללה בודדים.