Orka, sem efnislegur grundvöllur framfara mannkynssiðmenningarinnar, hefur alltaf gegnt mikilvægu hlutverki. Hún er ómissandi trygging fyrir þróun mannlegs samfélags. Ásamt vatni, lofti og matvælum myndar hún nauðsynleg skilyrði fyrir afkomu mannkynsins og hefur bein áhrif á líf mannsins.

Þróun orkuiðnaðarins hefur gengið í gegnum tvær meginbreytingar, frá „öld“ eldiviðar til „öld“ kola og síðan frá „öld“ kola til „öld“ olíu. Nú hefur hún hafið breytinguna frá „öld“ olíu til „öld“ endurnýjanlegrar orku.

Frá því að kol voru aðalorkugjafinn snemma á 19. öld til olíu sem aðalorkugjafans um miðja 20. öld, hefur mannkynið notað jarðefnaeldsneyti í stórum stíl í meira en 200 ár. Hins vegar, vegna þess hve jarðefnaeldsneyti er í orkuskipan heimsins, er ekki lengur langt frá því að jarðefnaeldsneyti rjúki upp.

Þrír hefðbundnir jarðefnaeldsneytisflutningsaðilar, kol, olía og jarðgas, munu klárast hratt á nýrri öld og við notkun og bruna munu þeir einnig valda gróðurhúsaáhrifum, mynda mikið magn mengunarefna og menga umhverfið.

Þess vegna er brýnt að draga úr ósjálfstæði gagnvart jarðefnaorku, breyta núverandi órökréttri orkunotkunaruppbyggingu og leita að hreinni og mengunarlausri nýrri endurnýjanlegri orku.

Sem stendur nær endurnýjanleg orka aðallega yfir vindorku, vetnisorku, sólarorku, lífmassaorku, sjávarfallaorku og jarðvarma o.s.frv., og vindorka og sólarorka eru núverandi rannsóknarspottar um allan heim.

Hins vegar er enn tiltölulega erfitt að ná fram skilvirkri umbreytingu og geymslu ýmissa endurnýjanlegra orkugjafa, sem gerir það erfitt að nýta þær á áhrifaríkan hátt.

Í þessu tilviki, til þess að mannkynið geti nýtt sér nýja endurnýjanlega orku á skilvirkan hátt, er nauðsynlegt að þróa þægilega og skilvirka nýja orkugeymslutækni, sem er einnig vinsælt svið í núverandi félagsrannsóknum.

Sem stendur eru litíumjónarafhlöður, sem eru ein af skilvirkustu aukarafhlöðunum, mikið notaðar í ýmsum rafeindatækjum, samgöngum, geimferðum og öðrum sviðum, en þróunarhorfur eru erfiðari.

Eðlis- og efnafræðilegir eiginleikar natríums og litíums eru svipaðir og það hefur orkugeymsluáhrif. Vegna ríks innihalds, jafnrar dreifingar natríumgjafa og lágs verðs er það notað í stórfelldri orkugeymslutækni, sem einkennist af lágum kostnaði og mikilli skilvirkni.

Jákvæð og neikvæð rafskautsefni natríumjónarafhlöðu eru meðal annars lagskipt umbreytingarmálmsambönd, pólýanjónir, umbreytingarmálmfosföt, kjarna-skel nanóagnir, málmsambönd, hart kolefni o.s.frv.

Kolefni er frumefni með afar miklar birgðir í náttúrunni, er ódýrt og auðvelt að nálgast það og hefur hlotið mikla viðurkenningu sem anóðuefni fyrir natríumjónarafhlöður.

Samkvæmt grafítmyndunargráðu má skipta kolefnisefnum í tvo flokka: grafítkolefni og ókristölluð kolefni.

Hart kolefni, sem tilheyrir ókristölluðu kolefni, hefur geymslugetu natríums upp á 300mAh/g, en kolefnisefni með hærra grafítmyndunarstig eiga erfitt með að nota í atvinnuskyni vegna stórs yfirborðsflatarmáls og sterkrar skipulags.

Þess vegna eru hörð kolefnisefni sem ekki eru grafít aðallega notuð í hagnýtum rannsóknum.

Til að bæta enn frekar afköst anóðuefna fyrir natríumjónarafhlöður er hægt að bæta vatnssækni og leiðni kolefnisefna með jónadópun eða efnablöndun, sem getur aukið orkugeymslugetu kolefnisefna.

Sem neikvæða rafskautsefni natríumjónarafhlöðu eru málmsamböndin aðallega tvívíð málmkarbíð og nítríð. Auk framúrskarandi eiginleika tvívíðra efna geta þau ekki aðeins geymt natríumjónir með aðsogi og innskoti, heldur einnig sameinast natríumjónum. Samsetning jóna myndar rafrýmd með efnahvörfum til orkugeymslu og bætir þannig orkugeymsluáhrifin til muna.

Vegna mikils kostnaðar og erfiðleika við að fá málmblöndur eru kolefnisefni enn aðal anóðuefnin fyrir natríumjónarafhlöður.

Uppgangur lagskipta umskiptamálmasambanda á sér stað eftir uppgötvun grafens. Eins og er eru tvívíð efni sem notuð eru í natríumjónarafhlöðum aðallega natríum-byggð lagskipt NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4 o.s.frv.

Efni fyrir pólýanjónísk jákvæð rafskaut voru fyrst notuð í jákvæðum rafskautum fyrir litíumjónarafhlöður og síðar í natríumjónarafhlöður. Mikilvæg dæmigerð efni eru meðal annars ólivínkristallar eins og NaMnPO4 og NaFePO4.

Umbreytingarmálmfosfat var upphaflega notað sem jákvætt rafskautsefni í litíumjónarafhlöðum. Myndunarferlið er tiltölulega þroskað og kristallabyggingarnar eru margar.

Fosfat, sem þrívíddarbygging, byggir upp rammabyggingu sem stuðlar að afinnfellingu og innfellingu natríumjóna og fær síðan natríumjónarafhlöður með framúrskarandi orkugeymslugetu.

Kjarna-skeljarbyggingarefnið er ný tegund af anóðuefni fyrir natríumjónarafhlöður sem hefur ekki komið fram fyrr en á undanförnum árum. Byggt á upprunalegu efnunum hefur þetta efni náð holri uppbyggingu með einstakri byggingarhönnun.

Algengustu kjarna-skeljar byggingarefnin eru meðal annars holir kóbalt seleníð nanóteningar, Fe-N sam-dópaðar natríumvanadat nanókúlur úr kjarna-skel, holar kolefnis-tínoxíð nanókúlur úr porous kolefni og aðrar holar byggingar.

Vegna framúrskarandi eiginleika þess, ásamt töfrandi holri og porous uppbyggingu, er meiri rafefnafræðileg virkni útsett fyrir raflausninni og á sama tíma stuðlar það einnig mjög að jónahreyfanleika raflausnarinnar til að ná fram skilvirkri orkugeymslu.

Endurnýjanleg orka heldur áfram að aukast um allan heim og stuðlar að þróun orkugeymslutækni.

Samkvæmt mismunandi orkugeymsluaðferðum er hægt að skipta orkugeymslunni í líkamlega orkugeymslu og rafefnafræðilega orkugeymslu.

Rafefnafræðileg orkugeymsla uppfyllir þróunarstaðla nútímans fyrir nýja orkugeymslutækni vegna kosta eins og mikils öryggis, lágs kostnaðar, sveigjanlegrar notkunar og mikillar skilvirkni.

Samkvæmt mismunandi rafefnafræðilegum viðbragðsferlum eru rafefnafræðilegar orkugeymsluaflgjafar aðallega ofurþéttar, blýsýrurafhlöður, eldsneytisrafhlöður, nikkel-málmhýdríð rafhlöður, natríum-brennisteinsrafhlöður og litíum-jón rafhlöður.

Í orkugeymslutækni hafa sveigjanleg rafskautsefni vakið rannsóknaráhuga margra vísindamanna vegna fjölbreytileika í hönnun, sveigjanleika, lágs kostnaðar og umhverfisverndareiginleika.

Kolefnisefni hafa sérstakan hitaefnafræðilegan stöðugleika, góða rafleiðni, mikinn styrk og óvenjulega vélræna eiginleika, sem gerir þau að efnilegum rafskautum fyrir litíum-jón rafhlöður og natríum-jón rafhlöður.

Ofurþétta er hægt að hlaða og tæma hratt við mikla straumskilyrði og hafa meira en 100.000 sinnum endingartíma. Þeir eru ný tegund af sérstakri rafefnafræðilegri orkugeymsluaflgjafa milli þétta og rafhlöðu.

Ofurþéttir hafa einkenni mikils aflþéttleika og mikils orkubreytingarhlutfalls, en orkuþéttleiki þeirra er lágur, þeir eru viðkvæmir fyrir sjálflosun og þeir eru viðkvæmir fyrir rafvökvaleka þegar þeir eru notaðir á rangan hátt.

Þó að eldsneytisorkuselurinn hafi þá eiginleika að vera ekki hlaðinn, hafa mikla afkastagetu, mikla sértæka afkastagetu og breitt sértækt aflsvið, þá gerir hátt rekstrarhitastig, hátt kostnaðarverð og lág orkunýtni það að verkum að hann er aðeins fáanlegur í markaðssetningu og er notaður í ákveðnum flokkum.

Blýsýrurafhlöður hafa þá kosti að vera lágur kostur, með þroskaða tækni og mikla öryggi og hafa verið mikið notaðar í merkjastöðvum, rafmagnshjólum, bílum og orkugeymslum í raforkukerfinu. Stuttar plötur sem menga umhverfið geta ekki uppfyllt sífellt strangari kröfur og staðla fyrir orkugeymslurafhlöður.

Ni-MH rafhlöður eru fjölhæfar, með lágt hitagildi, mikla einliðugetu og stöðuga útskriftareiginleika, en þyngd þeirra er tiltölulega mikil og mörg vandamál eru í raðstýringu rafhlöðu sem geta auðveldlega leitt til bráðnunar á aðskildum einstökum rafhlöðum.