ऊर्जा, मानव सभ्यता की प्रगति का भौतिक आधार होने के नाते, हमेशा से ही महत्वपूर्ण भूमिका निभाती रही है। यह मानव समाज के विकास की एक अनिवार्य गारंटी है। जल, वायु और भोजन के साथ मिलकर, यह मानव अस्तित्व के लिए आवश्यक शर्तें बनाती है और मानव जीवन को प्रत्यक्ष रूप से प्रभावित करती है।

ऊर्जा उद्योग के विकास में दो प्रमुख परिवर्तन हुए हैं: लकड़ी के युग से कोयले के युग में और फिर कोयले के युग से तेल के युग में। अब यह तेल के युग से नवीकरणीय ऊर्जा के युग में परिवर्तन की ओर अग्रसर है।

19वीं शताब्दी के आरंभ में कोयले के मुख्य स्रोत से लेकर 20वीं शताब्दी के मध्य में तेल के मुख्य स्रोत बनने तक, मनुष्य ने 200 से अधिक वर्षों तक बड़े पैमाने पर जीवाश्म ऊर्जा का उपयोग किया है। हालांकि, जीवाश्म ऊर्जा के प्रभुत्व वाली वैश्विक ऊर्जा संरचना के कारण अब जीवाश्म ऊर्जा के विलुप्त होने का खतरा मंडरा रहा है।

कोयला, तेल और प्राकृतिक गैस जैसे तीन पारंपरिक जीवाश्म ऊर्जा आर्थिक स्रोत नई सदी में तेजी से समाप्त हो जाएंगे, और इनके उपयोग और दहन की प्रक्रिया में ग्रीनहाउस प्रभाव भी उत्पन्न होगा, बड़ी मात्रा में प्रदूषक पैदा होंगे और पर्यावरण प्रदूषित होगा।

इसलिए, जीवाश्म ऊर्जा पर निर्भरता कम करना, ऊर्जा के उपयोग की मौजूदा तर्कहीन संरचना को बदलना और स्वच्छ और प्रदूषण मुक्त नई नवीकरणीय ऊर्जा की तलाश करना अनिवार्य है।

वर्तमान में, नवीकरणीय ऊर्जा में मुख्य रूप से पवन ऊर्जा, हाइड्रोजन ऊर्जा, सौर ऊर्जा, बायोमास ऊर्जा, ज्वारीय ऊर्जा और भूतापीय ऊर्जा आदि शामिल हैं, और पवन ऊर्जा और सौर ऊर्जा विश्व स्तर पर वर्तमान अनुसंधान के प्रमुख क्षेत्र हैं।

हालांकि, विभिन्न नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों का कुशल रूपांतरण और भंडारण अभी भी अपेक्षाकृत कठिन है, जिससे उनका प्रभावी ढंग से उपयोग करना मुश्किल हो जाता है।

इस स्थिति में, मनुष्यों द्वारा नई नवीकरणीय ऊर्जा का प्रभावी उपयोग सुनिश्चित करने के लिए, सुविधाजनक और कुशल नई ऊर्जा भंडारण प्रौद्योगिकी विकसित करना आवश्यक है, जो वर्तमान सामाजिक अनुसंधान का एक महत्वपूर्ण विषय भी है।

वर्तमान में, लिथियम-आयन बैटरी, सबसे कुशल द्वितीयक बैटरियों में से एक के रूप में, विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, परिवहन, अंतरिक्ष और अन्य क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोग की जाती हैं, लेकिन इसके विकास की संभावनाएं अधिक कठिन हैं।

सोडियम और लिथियम के भौतिक और रासायनिक गुण समान हैं, और इनमें ऊर्जा भंडारण की क्षमता होती है। सोडियम की प्रचुर मात्रा, इसके स्रोत का एकसमान वितरण और कम कीमत के कारण, इसका उपयोग बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण प्रौद्योगिकी में किया जाता है, जिसमें कम लागत और उच्च दक्षता की विशेषताएं हैं।

सोडियम आयन बैटरी के धनात्मक और ऋणात्मक इलेक्ट्रोड पदार्थों में स्तरित संक्रमण धातु यौगिक, पॉलिएनायन, संक्रमण धातु फॉस्फेट, कोर-शेल नैनोकण, धातु यौगिक, हार्ड कार्बन आदि शामिल हैं।

प्रकृति में अत्यंत प्रचुर मात्रा में पाए जाने वाले तत्व के रूप में, कार्बन सस्ता और आसानी से प्राप्त होने वाला है, और सोडियम-आयन बैटरी के लिए एनोड सामग्री के रूप में इसे काफी मान्यता मिली है।

ग्राफिटाइजेशन की डिग्री के अनुसार, कार्बन सामग्रियों को दो श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: ग्राफिटिक कार्बन और अनाकार कार्बन।

कठोर कार्बन, जो अनाकार कार्बन से संबंधित है, 300mAh/g की सोडियम भंडारण विशिष्ट क्षमता प्रदर्शित करता है, जबकि उच्च स्तर के ग्रेफाइटीकरण वाले कार्बन पदार्थ अपने बड़े सतह क्षेत्र और मजबूत क्रम के कारण व्यावसायिक उपयोग के लिए उपयुक्त नहीं होते हैं।

इसलिए, गैर-ग्रेफाइट कठोर कार्बन सामग्री का उपयोग मुख्य रूप से व्यावहारिक अनुसंधान में किया जाता है।

सोडियम-आयन बैटरी के लिए एनोड सामग्री के प्रदर्शन को और बेहतर बनाने के लिए, आयन डोपिंग या मिश्रण के माध्यम से कार्बन सामग्री की जल-संरक्षणशीलता और चालकता को बढ़ाया जा सकता है, जिससे कार्बन सामग्री के ऊर्जा भंडारण प्रदर्शन में वृद्धि हो सकती है।

सोडियम आयन बैटरी के ऋणात्मक इलेक्ट्रोड पदार्थ के रूप में, धातु यौगिक मुख्य रूप से द्वि-आयामी धातु कार्बाइड और नाइट्राइड होते हैं। द्वि-आयामी पदार्थों के उत्कृष्ट गुणों के अलावा, ये न केवल अधिशोषण और अंतर्संयोजन द्वारा सोडियम आयनों को संग्रहित कर सकते हैं, बल्कि सोडियम आयनों के साथ मिलकर रासायनिक अभिक्रियाओं के माध्यम से धारिता उत्पन्न करके ऊर्जा भंडारण भी कर सकते हैं, जिससे ऊर्जा भंडारण प्रभाव में काफी सुधार होता है।

धातु यौगिकों की उच्च लागत और उन्हें प्राप्त करने में कठिनाई के कारण, कार्बन सामग्री अभी भी सोडियम-आयन बैटरी के लिए मुख्य एनोड सामग्री है।

ग्राफीन की खोज के बाद स्तरित संक्रमण धातु यौगिकों का उदय हुआ। वर्तमान में, सोडियम-आयन बैटरी में उपयोग होने वाली द्वि-आयामी सामग्रियों में मुख्य रूप से सोडियम-आधारित स्तरित NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4 आदि शामिल हैं।

पॉलीएनायनिक धनात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री का उपयोग सर्वप्रथम लिथियम-आयन बैटरी के धनात्मक इलेक्ट्रोड में किया गया था, और बाद में इनका उपयोग सोडियम-आयन बैटरी में किया जाने लगा। महत्वपूर्ण प्रतिनिधि सामग्रियों में NaMnPO4 और NaFePO4 जैसे ओलिविन क्रिस्टल शामिल हैं।

ट्रांजिशन मेटल फॉस्फेट का उपयोग मूल रूप से लिथियम-आयन बैटरी में धनात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में किया जाता था। संश्लेषण प्रक्रिया अपेक्षाकृत परिपक्व है और इसकी कई क्रिस्टल संरचनाएं मौजूद हैं।

फॉस्फेट, एक त्रि-आयामी संरचना के रूप में, एक ढांचागत संरचना का निर्माण करता है जो सोडियम आयनों के विकेंद्रीकरण और अंतर्केंद्रीकरण के लिए अनुकूल है, और फिर उत्कृष्ट ऊर्जा भंडारण प्रदर्शन वाली सोडियम-आयन बैटरी प्राप्त करता है।

कोर-शेल संरचना वाली यह सामग्री सोडियम-आयन बैटरी के लिए एक नए प्रकार की एनोड सामग्री है जो हाल के वर्षों में ही सामने आई है। मूल सामग्रियों के आधार पर, इस सामग्री ने उत्कृष्ट संरचनात्मक डिजाइन के माध्यम से खोखली संरचना प्राप्त की है।

कोर-शेल संरचना वाली सामग्रियों में अधिक सामान्य रूप से खोखले कोबाल्ट सेलेनाइड नैनोक्यूब्स, Fe-N सह-मिश्रित कोर-शेल सोडियम वैनेडेट नैनोस्फीयर, छिद्रयुक्त कार्बन खोखले टिन ऑक्साइड नैनोस्फीयर और अन्य खोखली संरचनाएं शामिल हैं।

अपनी उत्कृष्ट विशेषताओं के साथ-साथ जादुई खोखली और छिद्रपूर्ण संरचना के कारण, इलेक्ट्रोलाइट के लिए अधिक विद्युत रासायनिक गतिविधि उजागर होती है, और साथ ही, यह कुशल ऊर्जा भंडारण प्राप्त करने के लिए इलेक्ट्रोलाइट की आयन गतिशीलता को भी बहुत बढ़ावा देता है।

वैश्विक नवीकरणीय ऊर्जा में लगातार वृद्धि हो रही है, जिससे ऊर्जा भंडारण प्रौद्योगिकी के विकास को बढ़ावा मिल रहा है।

वर्तमान में, ऊर्जा भंडारण की विभिन्न विधियों के अनुसार, इसे भौतिक ऊर्जा भंडारण और विद्युत रासायनिक ऊर्जा भंडारण में विभाजित किया जा सकता है।

उच्च सुरक्षा, कम लागत, लचीले उपयोग और उच्च दक्षता जैसे फायदों के कारण विद्युत रासायनिक ऊर्जा भंडारण आज की नई ऊर्जा भंडारण प्रौद्योगिकी के विकास मानकों को पूरा करता है।

विभिन्न विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया प्रक्रियाओं के अनुसार, विद्युत रासायनिक ऊर्जा भंडारण विद्युत स्रोतों में मुख्य रूप से सुपरकैपेसिटर, लेड-एसिड बैटरी, ईंधन आधारित बैटरी, निकेल-मेटल हाइड्राइड बैटरी, सोडियम-सल्फर बैटरी और लिथियम-आयन बैटरी शामिल हैं।

ऊर्जा भंडारण प्रौद्योगिकी में, लचीली इलेक्ट्रोड सामग्री ने अपनी डिजाइन विविधता, लचीलेपन, कम लागत और पर्यावरण संरक्षण विशेषताओं के कारण कई वैज्ञानिकों की अनुसंधान रुचि को आकर्षित किया है।

कार्बन पदार्थों में विशेष ऊष्मीय रासायनिक स्थिरता, अच्छी विद्युत चालकता, उच्च शक्ति और असामान्य यांत्रिक गुण होते हैं, जो उन्हें लिथियम-आयन बैटरी और सोडियम-आयन बैटरी के लिए आशाजनक इलेक्ट्रोड बनाते हैं।

सुपरकैपेसिटर को उच्च धारा की स्थिति में तेजी से चार्ज और डिस्चार्ज किया जा सकता है, और इनका चक्र जीवन 100,000 से अधिक बार होता है। ये कैपेसिटर और बैटरी के बीच एक विशेष प्रकार की विद्युत रासायनिक ऊर्जा भंडारण विद्युत आपूर्ति हैं।

सुपरकैपेसिटर में उच्च शक्ति घनत्व और उच्च ऊर्जा रूपांतरण दर की विशेषताएं होती हैं, लेकिन उनका ऊर्जा घनत्व कम होता है, वे स्वतः डिस्चार्ज होने के लिए प्रवण होते हैं, और अनुचित तरीके से उपयोग किए जाने पर उनमें इलेक्ट्रोलाइट रिसाव होने की संभावना होती है।

हालांकि फ्यूल पावर सेल में चार्जिंग की आवश्यकता नहीं होती, इसकी क्षमता अधिक होती है, विशिष्ट क्षमता उच्च होती है और विशिष्ट शक्ति की सीमा विस्तृत होती है, लेकिन इसका उच्च परिचालन तापमान, उच्च लागत और कम ऊर्जा रूपांतरण दक्षता इसे केवल कुछ निश्चित श्रेणियों में ही व्यावसायीकरण प्रक्रिया के दौरान उपयोग के लिए उपलब्ध कराती है।

लेड-एसिड बैटरियों की कम लागत, परिपक्व तकनीक और उच्च सुरक्षा जैसे फायदे हैं, और इनका व्यापक रूप से सिग्नल बेस स्टेशनों, इलेक्ट्रिक साइकिलों, ऑटोमोबाइल और ग्रिड ऊर्जा भंडारण में उपयोग किया जाता है। पर्यावरण प्रदूषण जैसी कमियों के कारण ये ऊर्जा भंडारण बैटरियों की बढ़ती आवश्यकताओं और मानकों को पूरा नहीं कर पाती हैं।

Ni-MH बैटरियों में मजबूत बहुमुखी प्रतिभा, कम कैलोरी मान, बड़ी मोनोमर क्षमता और स्थिर डिस्चार्ज विशेषताओं जैसी विशेषताएं होती हैं, लेकिन इनका वजन अपेक्षाकृत अधिक होता है, और बैटरी श्रृंखला प्रबंधन में कई समस्याएं होती हैं, जिससे आसानी से एकल बैटरी विभाजकों के पिघलने की समस्या हो सकती है।