Năng lượng, với tư cách là nền tảng vật chất cho sự tiến bộ của nền văn minh nhân loại, luôn đóng vai trò quan trọng. Nó là sự đảm bảo không thể thiếu cho sự phát triển của xã hội loài người. Cùng với nước, không khí và thực phẩm, nó tạo thành những điều kiện cần thiết cho sự sống còn của con người và ảnh hưởng trực tiếp đến cuộc sống con người.

Ngành công nghiệp năng lượng đã trải qua hai giai đoạn chuyển đổi lớn: từ “kỷ nguyên” củi đốt sang “kỷ nguyên” than đá, rồi từ “kỷ nguyên” than đá sang “kỷ nguyên” dầu mỏ. Hiện nay, nó đang bắt đầu chuyển mình từ “kỷ nguyên” dầu mỏ sang “kỷ nguyên” năng lượng tái tạo.

Từ than đá là nguồn năng lượng chính vào đầu thế kỷ 19 đến dầu mỏ là nguồn năng lượng chính vào giữa thế kỷ 20, con người đã sử dụng năng lượng hóa thạch trên quy mô lớn trong hơn 200 năm. Tuy nhiên, cơ cấu năng lượng toàn cầu vẫn chủ yếu dựa vào năng lượng hóa thạch khiến cho nguy cơ cạn kiệt nguồn năng lượng này không còn xa vời.

Ba nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống là than đá, dầu mỏ và khí đốt tự nhiên sẽ nhanh chóng cạn kiệt trong thế kỷ mới, và trong quá trình sử dụng và đốt cháy, chúng cũng sẽ gây ra hiệu ứng nhà kính, tạo ra một lượng lớn chất gây ô nhiễm và làm ô nhiễm môi trường.

Do đó, việc giảm sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch, thay đổi cơ cấu sử dụng năng lượng không hợp lý hiện có và tìm kiếm các nguồn năng lượng tái tạo sạch và không gây ô nhiễm là điều vô cùng cần thiết.

Hiện nay, năng lượng tái tạo chủ yếu bao gồm năng lượng gió, năng lượng hydro, năng lượng mặt trời, năng lượng sinh khối, năng lượng thủy triều và năng lượng địa nhiệt, v.v., trong đó năng lượng gió và năng lượng mặt trời hiện là những lĩnh vực nghiên cứu trọng điểm trên toàn thế giới.

Tuy nhiên, việc chuyển đổi và lưu trữ hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo khác nhau vẫn còn tương đối khó khăn, do đó việc sử dụng chúng một cách hiệu quả gặp nhiều trở ngại.

Trong trường hợp này, để con người có thể sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng tái tạo mới, cần phải phát triển công nghệ lưu trữ năng lượng mới tiện lợi và hiệu quả, đây cũng là một vấn đề nóng trong nghiên cứu xã hội hiện nay.

Hiện nay, pin lithium-ion, một trong những loại pin sạc hiệu quả nhất, đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị điện tử, giao thông vận tải, hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác, nhưng triển vọng phát triển của nó ngày càng khó khăn hơn.

Tính chất vật lý và hóa học của natri và liti tương tự nhau, và chúng có tác dụng lưu trữ năng lượng. Do hàm lượng dồi dào, nguồn natri phân bố đồng đều và giá thành thấp, chúng được sử dụng trong công nghệ lưu trữ năng lượng quy mô lớn, có đặc điểm là chi phí thấp và hiệu quả cao.

Vật liệu điện cực dương và âm của pin ion natri bao gồm các hợp chất kim loại chuyển tiếp dạng lớp, polyanion, photphat kim loại chuyển tiếp, hạt nano lõi-vỏ, hợp chất kim loại, carbon cứng, v.v.

Là một nguyên tố có trữ lượng cực kỳ dồi dào trong tự nhiên, carbon có giá thành rẻ và dễ khai thác, và đã được công nhận rộng rãi như một vật liệu điện cực dương cho pin ion natri.

Dựa theo mức độ graphit hóa, vật liệu carbon có thể được chia thành hai loại: carbon graphit và carbon vô định hình.

Carbon cứng, thuộc loại carbon vô định hình, có dung lượng lưu trữ natri riêng là 300mAh/g, trong khi các vật liệu carbon có độ graphit hóa cao hơn khó đáp ứng nhu cầu thương mại do diện tích bề mặt lớn và cấu trúc trật tự cao.

Do đó, các vật liệu cacbon cứng không phải graphit chủ yếu được sử dụng trong nghiên cứu thực tiễn.

Để nâng cao hơn nữa hiệu suất của vật liệu điện cực dương cho pin ion natri, tính ưa nước và độ dẫn điện của vật liệu carbon có thể được cải thiện bằng cách pha tạp ion hoặc kết hợp các hợp chất, từ đó tăng cường hiệu suất lưu trữ năng lượng của vật liệu carbon.

Là vật liệu điện cực âm của pin ion natri, các hợp chất kim loại chủ yếu là các cacbua và nitrua kim loại hai chiều. Ngoài những đặc tính tuyệt vời của vật liệu hai chiều, chúng không chỉ có thể lưu trữ ion natri bằng cách hấp phụ và xen kẽ, mà còn kết hợp với natri để tạo ra điện dung thông qua các phản ứng hóa học nhằm lưu trữ năng lượng, từ đó cải thiện đáng kể hiệu quả lưu trữ năng lượng.

Do chi phí cao và khó khăn trong việc thu được các hợp chất kim loại, vật liệu carbon vẫn là vật liệu điện cực dương chính cho pin ion natri.

Sự nổi lên của các hợp chất kim loại chuyển tiếp dạng lớp bắt nguồn từ sau phát hiện graphene. Hiện nay, các vật liệu hai chiều được sử dụng trong pin ion natri chủ yếu bao gồm các hợp chất dạng lớp gốc natri như NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4, v.v.

Vật liệu điện cực dương đa anion lần đầu tiên được sử dụng trong điện cực dương của pin lithium-ion, và sau đó được sử dụng trong pin natri-ion. Các vật liệu tiêu biểu quan trọng bao gồm các tinh thể olivine như NaMnPO4 và NaFePO4.

Photphat kim loại chuyển tiếp ban đầu được sử dụng làm vật liệu điện cực dương trong pin lithium-ion. Quy trình tổng hợp tương đối hoàn thiện và có nhiều cấu trúc tinh thể khác nhau.

Photphat, với cấu trúc ba chiều, tạo nên một khung cấu trúc thuận lợi cho quá trình tách và chèn ion natri, từ đó thu được pin ion natri với hiệu suất lưu trữ năng lượng tuyệt vời.

Vật liệu cấu trúc lõi-vỏ là một loại vật liệu điện cực dương mới cho pin ion natri, chỉ mới xuất hiện trong những năm gần đây. Dựa trên các vật liệu ban đầu, vật liệu này đã đạt được cấu trúc rỗng thông qua thiết kế cấu trúc tinh tế.

Các vật liệu có cấu trúc lõi-vỏ phổ biến hơn bao gồm các khối lập phương nano coban selenua rỗng, các quả cầu nano natri vanadat lõi-vỏ pha tạp Fe-N, các quả cầu nano oxit thiếc rỗng xốp và các cấu trúc rỗng khác.

Nhờ những đặc tính vượt trội, kết hợp với cấu trúc rỗng và xốp kỳ diệu, hoạt tính điện hóa được tiếp xúc với chất điện giải nhiều hơn, đồng thời thúc đẩy mạnh mẽ khả năng di chuyển ion của chất điện giải để đạt được hiệu quả lưu trữ năng lượng cao.

Ngành năng lượng tái tạo toàn cầu tiếp tục phát triển, thúc đẩy sự phát triển của công nghệ lưu trữ năng lượng.

Hiện nay, dựa theo các phương pháp lưu trữ năng lượng khác nhau, có thể chia thành lưu trữ năng lượng vật lý và lưu trữ năng lượng điện hóa.

Công nghệ lưu trữ năng lượng điện hóa đáp ứng các tiêu chuẩn phát triển của công nghệ lưu trữ năng lượng mới hiện nay nhờ những ưu điểm về độ an toàn cao, chi phí thấp, tính linh hoạt trong sử dụng và hiệu quả cao.

Theo các quá trình phản ứng điện hóa khác nhau, các nguồn năng lượng lưu trữ điện hóa chủ yếu bao gồm siêu tụ điện, pin axit chì, pin nhiên liệu, pin niken-kim loại hydrua, pin natri-lưu huỳnh và pin lithium-ion.

Trong công nghệ lưu trữ năng lượng, vật liệu điện cực linh hoạt đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học nhờ tính đa dạng trong thiết kế, tính linh hoạt, chi phí thấp và đặc tính thân thiện với môi trường.

Vật liệu carbon có độ ổn định nhiệt hóa đặc biệt, độ dẫn điện tốt, độ bền cao và các đặc tính cơ học khác thường, khiến chúng trở thành vật liệu điện cực đầy triển vọng cho pin lithium-ion và pin natri-ion.

Siêu tụ điện có thể được sạc và xả nhanh chóng trong điều kiện dòng điện cao, và có tuổi thọ chu kỳ hơn 100.000 lần. Chúng là một loại nguồn cung cấp năng lượng lưu trữ điện hóa đặc biệt mới, nằm giữa tụ điện và pin.

Siêu tụ điện có đặc điểm là mật độ công suất cao và tỷ lệ chuyển đổi năng lượng cao, nhưng mật độ năng lượng thấp, dễ bị tự phóng điện và dễ bị rò rỉ chất điện phân nếu sử dụng không đúng cách.

Mặc dù pin nhiên liệu có đặc điểm không cần sạc, dung lượng lớn, dung lượng riêng cao và dải công suất riêng rộng, nhưng nhiệt độ hoạt động cao, giá thành cao và hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp khiến nó chỉ khả thi trong quá trình thương mại hóa ở một số lĩnh vực nhất định.

Pin axit chì có ưu điểm là chi phí thấp, công nghệ đã hoàn thiện và độ an toàn cao, được sử dụng rộng rãi trong các trạm gốc tín hiệu, xe đạp điện, ô tô và lưu trữ năng lượng lưới điện. Tuy nhiên, những nhược điểm như gây ô nhiễm môi trường không đáp ứng được các yêu cầu và tiêu chuẩn ngày càng cao đối với pin lưu trữ năng lượng.

Pin Ni-MH có đặc điểm là tính linh hoạt cao, giá trị nhiệt thấp, dung lượng đơn lẻ lớn và đặc tính phóng điện ổn định, nhưng trọng lượng của chúng tương đối lớn và gặp nhiều vấn đề trong việc quản lý nối tiếp pin, dễ dẫn đến hiện tượng chảy các tấm ngăn cách pin đơn lẻ.