Energi, sebagai dasar material bagi kemajuan peradaban manusia, selalu memainkan peran penting. Energi merupakan jaminan yang sangat diperlukan untuk perkembangan masyarakat manusia. Bersama dengan air, udara, dan makanan, energi merupakan kondisi yang diperlukan untuk kelangsungan hidup manusia dan secara langsung memengaruhi kehidupan manusia.

Perkembangan industri energi telah mengalami dua transformasi besar, dari "era" kayu bakar ke "era" batu bara, dan kemudian dari "era" batu bara ke "era" minyak. Kini, industri energi mulai beralih dari "era" minyak ke "era" energi terbarukan.

Dari batu bara sebagai sumber utama di awal abad ke-19 hingga minyak sebagai sumber utama di pertengahan abad ke-20, manusia telah menggunakan energi fosil dalam skala besar selama lebih dari 200 tahun. Namun, struktur energi global yang didominasi oleh energi fosil membuat penipisan energi fosil tidak lagi jauh dari kenyataan.

Tiga sumber energi fosil tradisional yang diwakili oleh batu bara, minyak, dan gas alam akan habis dengan cepat di abad baru ini, dan dalam proses penggunaan dan pembakarannya, juga akan menyebabkan efek rumah kaca, menghasilkan sejumlah besar polutan, dan mencemari lingkungan.

Oleh karena itu, sangat penting untuk mengurangi ketergantungan pada energi fosil, mengubah struktur penggunaan energi yang tidak rasional yang ada, dan mencari energi terbarukan yang bersih dan bebas polusi.

Saat ini, energi terbarukan terutama meliputi energi angin, energi hidrogen, energi surya, energi biomassa, energi pasang surut, dan energi panas bumi, dan energi angin serta energi surya merupakan topik penelitian yang sedang hangat di seluruh dunia.

Namun, masih relatif sulit untuk mencapai konversi dan penyimpanan berbagai sumber energi terbarukan secara efisien, sehingga menyulitkan pemanfaatannya secara efektif.

Dalam hal ini, untuk mewujudkan pemanfaatan energi terbarukan baru secara efektif oleh umat manusia, diperlukan pengembangan teknologi penyimpanan energi baru yang praktis dan efisien, yang juga merupakan topik hangat dalam penelitian sosial saat ini.

Saat ini, baterai lithium-ion, sebagai salah satu baterai sekunder yang paling efisien, telah banyak digunakan dalam berbagai perangkat elektronik, transportasi, kedirgantaraan, dan bidang lainnya. Namun, prospek pengembangannya semakin menantang.

Sifat fisik dan kimia natrium dan litium serupa, dan keduanya memiliki efek penyimpanan energi. Karena kandungan yang melimpah, distribusi sumber natrium yang seragam, dan harga yang rendah, keduanya digunakan dalam teknologi penyimpanan energi skala besar, yang memiliki karakteristik biaya rendah dan efisiensi tinggi.

Material elektroda positif dan negatif baterai ion natrium meliputi senyawa logam transisi berlapis, polianion, fosfat logam transisi, nanopartikel inti-kulit, senyawa logam, karbon keras, dan lain sebagainya.

Sebagai unsur dengan cadangan yang sangat melimpah di alam, karbon murah dan mudah diperoleh, serta telah mendapatkan banyak pengakuan sebagai bahan anoda untuk baterai ion natrium.

Berdasarkan tingkat grafitisasi, material karbon dapat dibagi menjadi dua kategori: karbon grafit dan karbon amorf.

Karbon keras, yang termasuk dalam karbon amorf, menunjukkan kapasitas penyimpanan natrium spesifik sebesar 300 mAh/g, sedangkan material karbon dengan tingkat grafitisasi yang lebih tinggi sulit untuk memenuhi penggunaan komersial karena luas permukaannya yang besar dan keteraturannya yang kuat.

Oleh karena itu, material karbon keras non-grafit terutama digunakan dalam penelitian praktis.

Untuk lebih meningkatkan kinerja material anoda untuk baterai ion natrium, hidrofilisitas dan konduktivitas material karbon dapat ditingkatkan melalui doping ion atau penggabungan, yang dapat meningkatkan kinerja penyimpanan energi material karbon.

Sebagai material elektroda negatif baterai ion natrium, senyawa logam terutama berupa karbida dan nitrida logam dua dimensi. Selain karakteristik unggul dari material dua dimensi, senyawa ini tidak hanya dapat menyimpan ion natrium melalui adsorpsi dan interkalasi, tetapi juga dapat berikatan dengan ion natrium. Kombinasi ion natrium menghasilkan kapasitansi melalui reaksi kimia untuk penyimpanan energi, sehingga sangat meningkatkan efek penyimpanan energi.

Karena biaya yang tinggi dan kesulitan dalam memperoleh senyawa logam, material karbon masih menjadi material anoda utama untuk baterai ion natrium.

Munculnya senyawa logam transisi berlapis terjadi setelah penemuan grafena. Saat ini, material dua dimensi yang digunakan dalam baterai ion natrium terutama meliputi senyawa berlapis berbasis natrium seperti NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4, dan lain-lain.

Material elektroda positif polianionik pertama kali digunakan dalam elektroda positif baterai ion litium, dan kemudian digunakan dalam baterai ion natrium. Material representatif yang penting meliputi kristal olivin seperti NaMnPO4 dan NaFePO4.

Fosfat logam transisi awalnya digunakan sebagai material elektroda positif dalam baterai ion litium. Proses sintesisnya relatif sudah mapan dan terdapat banyak struktur kristal.

Fosfat, sebagai struktur tiga dimensi, membangun struktur kerangka yang kondusif untuk deinterkalasi dan interkalasi ion natrium, dan kemudian menghasilkan baterai ion natrium dengan kinerja penyimpanan energi yang sangat baik.

Material struktur inti-cangkang merupakan jenis material anoda baru untuk baterai ion natrium yang baru muncul beberapa tahun terakhir. Berdasarkan material aslinya, material ini telah mencapai struktur berongga melalui desain struktural yang sangat baik.

Material dengan struktur inti-kulit yang lebih umum meliputi nanokubus kobalt selenida berongga, nanosfer natrium vanadat inti-kulit yang didoping bersama Fe-N, nanosfer timah oksida berongga karbon berpori, dan struktur berongga lainnya.

Karena karakteristiknya yang sangat baik, ditambah dengan struktur berongga dan berpori yang ajaib, lebih banyak aktivitas elektrokimia terpapar pada elektrolit, dan pada saat yang sama, juga sangat meningkatkan mobilitas ion elektrolit untuk mencapai penyimpanan energi yang efisien.

Penggunaan energi terbarukan secara global terus meningkat, mendorong pengembangan teknologi penyimpanan energi.

Saat ini, berdasarkan metode penyimpanan energi yang berbeda, dapat dibagi menjadi penyimpanan energi fisik dan penyimpanan energi elektrokimia.

Penyimpanan energi elektrokimia memenuhi standar pengembangan teknologi penyimpanan energi baru saat ini karena keunggulannya dalam hal keamanan tinggi, biaya rendah, penggunaan fleksibel, dan efisiensi tinggi.

Berdasarkan proses reaksi elektrokimia yang berbeda, sumber daya penyimpanan energi elektrokimia terutama meliputi superkapasitor, baterai timbal-asam, baterai bahan bakar, baterai nikel-metal hidrida, baterai natrium-sulfur, dan baterai lithium-ion.

Dalam teknologi penyimpanan energi, material elektroda fleksibel telah menarik minat penelitian banyak ilmuwan karena keragaman desainnya, fleksibilitas, biaya rendah, dan karakteristik ramah lingkungan.

Material karbon memiliki stabilitas termokimia khusus, konduktivitas listrik yang baik, kekuatan tinggi, dan sifat mekanik yang luar biasa, menjadikannya elektroda yang menjanjikan untuk baterai lithium-ion dan baterai sodium-ion.

Superkapasitor dapat diisi dan dikosongkan dengan cepat dalam kondisi arus tinggi, dan memiliki masa pakai siklus lebih dari 100.000 kali. Superkapasitor merupakan jenis baru dari catu daya penyimpanan energi elektrokimia khusus yang berada di antara kapasitor dan baterai.

Superkapasitor memiliki karakteristik kepadatan daya tinggi dan tingkat konversi energi tinggi, tetapi kepadatan energinya rendah, rentan terhadap pelepasan muatan sendiri, dan rentan terhadap kebocoran elektrolit jika digunakan secara tidak tepat.

Meskipun sel bahan bakar memiliki karakteristik tanpa pengisian daya, kapasitas besar, kapasitas spesifik tinggi, dan rentang daya spesifik yang luas, suhu operasinya yang tinggi, harga pokok yang tinggi, dan efisiensi konversi energi yang rendah membuatnya hanya tersedia dalam proses komersialisasi dan digunakan dalam kategori tertentu.

Baterai asam timbal memiliki keunggulan biaya rendah, teknologi yang matang, dan keamanan tinggi, serta telah banyak digunakan di stasiun pemancar sinyal, sepeda listrik, mobil, dan penyimpanan energi jaringan. Kekurangannya, seperti pencemaran lingkungan, tidak dapat memenuhi persyaratan dan standar yang semakin tinggi untuk baterai penyimpanan energi.

Baterai Ni-MH memiliki karakteristik keserbagunaan yang tinggi, nilai kalor rendah, kapasitas monomer besar, dan karakteristik pelepasan yang stabil, tetapi bobotnya relatif besar, dan terdapat banyak masalah dalam pengelolaan seri baterai, yang dapat dengan mudah menyebabkan melelehnya pemisah baterai tunggal.