L'energia, in quanto base materiale per il progresso della civiltà umana, ha sempre svolto un ruolo fondamentale. È una garanzia imprescindibile per lo sviluppo della società umana. Insieme all'acqua, all'aria e al cibo, costituisce le condizioni necessarie alla sopravvivenza umana e influenza direttamente la vita dell'uomo.

Lo sviluppo dell'industria energetica ha subito due grandi trasformazioni: dall'era della legna da ardere all'era del carbone, e poi dall'era del carbone all'era del petrolio. Ora è iniziato il passaggio dall'era del petrolio all'era delle energie rinnovabili.

Dal carbone come fonte principale all'inizio del XIX secolo al petrolio come fonte principale a metà del XX secolo, l'umanità ha utilizzato l'energia fossile su larga scala per oltre 200 anni. Tuttavia, la struttura energetica globale dominata dai combustibili fossili fa sì che l'esaurimento di queste risorse sia ormai imminente.

Le tre tradizionali fonti energetiche fossili, ovvero carbone, petrolio e gas naturale, si esauriranno rapidamente nel nuovo secolo e, durante il loro utilizzo e la loro combustione, contribuiranno all'effetto serra, genereranno grandi quantità di inquinanti e deturperanno l'ambiente.

Pertanto, è imperativo ridurre la dipendenza dai combustibili fossili, modificare l'attuale struttura irrazionale di utilizzo dell'energia e ricercare nuove fonti di energia rinnovabile, pulite e non inquinanti.

Attualmente, le energie rinnovabili comprendono principalmente l'energia eolica, l'energia a idrogeno, l'energia solare, l'energia da biomassa, l'energia mareomotrice e l'energia geotermica, ecc., e l'energia eolica e l'energia solare sono attualmente tra i principali temi di ricerca a livello mondiale.

Tuttavia, è ancora relativamente difficile ottenere una conversione e uno stoccaggio efficienti delle varie fonti di energia rinnovabile, il che rende difficile il loro utilizzo efficace.

In questo caso, per consentire all'umanità di sfruttare efficacemente le nuove energie rinnovabili, è necessario sviluppare tecnologie di accumulo energetico convenienti ed efficienti, tema di grande attualità nella ricerca sociale.

Attualmente, le batterie agli ioni di litio, in quanto una delle batterie secondarie più efficienti, sono ampiamente utilizzate in vari dispositivi elettronici, nei trasporti, nell'industria aerospaziale e in altri settori. Tuttavia, le prospettive di sviluppo sono più difficili.

Le proprietà fisiche e chimiche del sodio e del litio sono simili, e il sodio possiede proprietà di accumulo di energia. Grazie al suo elevato contenuto, alla distribuzione uniforme della fonte di sodio e al basso costo, viene utilizzato nelle tecnologie di accumulo di energia su larga scala, che presentano le caratteristiche di basso costo ed elevata efficienza.

I materiali degli elettrodi positivo e negativo delle batterie agli ioni di sodio includono composti di metalli di transizione stratificati, polianioni, fosfati di metalli di transizione, nanoparticelle core-shell, composti metallici, carbonio duro, ecc.

Essendo un elemento con riserve estremamente abbondanti in natura, il carbonio è economico e facile da ottenere, e ha acquisito grande notorietà come materiale anodico per le batterie agli ioni di sodio.

In base al grado di grafitizzazione, i materiali a base di carbonio possono essere suddivisi in due categorie: carbonio grafitico e carbonio amorfo.

Il carbonio duro, che appartiene al carbonio amorfo, presenta una capacità specifica di accumulo di sodio di 300 mAh/g, mentre i materiali carboniosi con un grado di grafitizzazione più elevato sono difficili da utilizzare commercialmente a causa della loro ampia superficie e del forte ordine strutturale.

Pertanto, nella ricerca applicata si utilizzano principalmente materiali in carbonio duro non grafitico.

Al fine di migliorare ulteriormente le prestazioni dei materiali anodici per le batterie agli ioni di sodio, l'idrofilia e la conduttività dei materiali a base di carbonio possono essere migliorate tramite drogaggio ionico o composizione, il che può incrementare le prestazioni di accumulo di energia dei materiali a base di carbonio.

Come materiale per l'elettrodo negativo delle batterie agli ioni di sodio, i composti metallici sono principalmente carburi e nitruri metallici bidimensionali. Oltre alle eccellenti caratteristiche dei materiali bidimensionali, essi non solo possono immagazzinare ioni di sodio tramite adsorbimento e intercalazione, ma possono anche combinarsi con gli ioni di sodio. La combinazione di questi ioni genera capacità attraverso reazioni chimiche per l'immagazzinamento di energia, migliorando così notevolmente l'effetto di accumulo energetico.

A causa degli alti costi e della difficoltà di reperire i composti metallici, i materiali a base di carbonio rimangono tuttora i principali materiali anodici utilizzati nelle batterie agli ioni di sodio.

L'avvento dei composti di metalli di transizione stratificati è avvenuto dopo la scoperta del grafene. Attualmente, i materiali bidimensionali utilizzati nelle batterie agli ioni di sodio includono principalmente composti stratificati a base di sodio come NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4, ecc.

I materiali polianionici per elettrodi positivi sono stati inizialmente utilizzati negli elettrodi positivi delle batterie agli ioni di litio e successivamente in quelle agli ioni di sodio. Tra i materiali più rappresentativi si annoverano i cristalli di olivina, come NaMnPO4 e NaFePO4.

I fosfati di metalli di transizione erano originariamente utilizzati come materiale per l'elettrodo positivo nelle batterie agli ioni di litio. Il processo di sintesi è relativamente consolidato e sono disponibili numerose strutture cristalline.

Il fosfato, in quanto struttura tridimensionale, crea una struttura reticolare che favorisce la deintercalazione e l'intercalazione degli ioni sodio, ottenendo così batterie agli ioni di sodio con eccellenti prestazioni di accumulo di energia.

Il materiale con struttura core-shell è un nuovo tipo di materiale anodico per batterie agli ioni di sodio, emerso solo negli ultimi anni. Partendo da materiali originali, questo materiale ha ottenuto una struttura cava grazie a un'accurata progettazione strutturale.

Tra i materiali con struttura core-shell più comuni si annoverano nanocubi cavi di seleniuro di cobalto, nanosfere di vanadato di sodio core-shell co-dopate con Fe-N, nanosfere cave di ossido di stagno in carbonio poroso e altre strutture cave.

Grazie alle sue eccellenti caratteristiche, unite alla magica struttura cava e porosa, una maggiore attività elettrochimica viene esposta all'elettrolita e, allo stesso tempo, promuove notevolmente la mobilità ionica dell'elettrolita per ottenere un efficiente accumulo di energia.

La produzione globale di energie rinnovabili continua ad aumentare, favorendo lo sviluppo di tecnologie di accumulo energetico.

Attualmente, in base ai diversi metodi di accumulo di energia, si può distinguere tra accumulo di energia fisica e accumulo di energia elettrochimica.

L'accumulo elettrochimico di energia soddisfa gli standard di sviluppo delle moderne tecnologie di accumulo energetico grazie ai suoi vantaggi in termini di elevata sicurezza, basso costo, flessibilità d'uso ed elevata efficienza.

In base ai diversi processi di reazione elettrochimica, le principali fonti di energia per l'accumulo elettrochimico includono supercondensatori, batterie al piombo-acido, batterie a combustibile, batterie al nichel-metallo idruro, batterie sodio-zolfo e batterie agli ioni di litio.

Nel campo delle tecnologie di accumulo di energia, i materiali per elettrodi flessibili hanno attirato l'interesse di molti scienziati grazie alla loro versatilità, flessibilità, basso costo e caratteristiche di rispetto dell'ambiente.

I materiali a base di carbonio possiedono una particolare stabilità termochimica, una buona conduttività elettrica, un'elevata resistenza e proprietà meccaniche insolite, che li rendono elettrodi promettenti per batterie agli ioni di litio e batterie agli ioni di sodio.

I supercondensatori possono essere caricati e scaricati rapidamente in condizioni di corrente elevata e hanno una durata di oltre 100.000 cicli. Rappresentano una nuova tipologia di sistema di accumulo di energia elettrochimica, intermedio tra condensatori e batterie.

I supercondensatori presentano caratteristiche di elevata densità di potenza e alto tasso di conversione energetica, ma la loro densità energetica è bassa, sono soggetti ad autoscarica e, se utilizzati in modo improprio, possono presentare perdite di elettrolita.

Sebbene la cella a combustibile abbia le caratteristiche di non necessitare di ricarica, elevata capacità, alta capacità specifica e ampio intervallo di potenza specifica, la sua elevata temperatura di esercizio, il costo elevato e la bassa efficienza di conversione energetica ne limitano l'utilizzo, in fase di commercializzazione, ad alcune categorie specifiche.

Le batterie al piombo-acido presentano i vantaggi di un basso costo, una tecnologia consolidata e un'elevata sicurezza, e sono ampiamente utilizzate nelle stazioni base di segnalazione, nelle biciclette elettriche, nelle automobili e nei sistemi di accumulo di energia per la rete elettrica. Le schede con difetti, come l'inquinamento ambientale, non sono in grado di soddisfare i requisiti e gli standard sempre più elevati per le batterie di accumulo di energia.

Le batterie Ni-MH presentano caratteristiche di grande versatilità, basso potere calorifico, elevata capacità di accumulo di monomero e caratteristiche di scarica stabili, ma il loro peso è relativamente elevato e la gestione in serie delle batterie presenta diverse problematiche, che possono facilmente portare alla fusione dei separatori delle singole batterie.