لطالما لعبت الطاقة، باعتبارها الأساس المادي لتقدم الحضارة الإنسانية، دوراً هاماً. فهي ضمانة لا غنى عنها لتطور المجتمع البشري. إلى جانب الماء والهواء والغذاء، تُشكل الطاقة الشروط الضرورية لبقاء الإنسان وتؤثر بشكل مباشر على حياته.

شهد قطاع الطاقة تحولين رئيسيين، من عصر الحطب إلى عصر الفحم، ثم من عصر الفحم إلى عصر النفط. والآن بدأ التحول من عصر النفط إلى عصر الطاقة المتجددة.

منذ أن كان الفحم المصدر الرئيسي للطاقة في أوائل القرن التاسع عشر وحتى النفط في منتصف القرن العشرين، استخدم البشر الطاقة الأحفورية على نطاق واسع لأكثر من مئتي عام. ومع ذلك، فإن هيمنة الطاقة الأحفورية على هيكل الطاقة العالمي تجعل استنزافها وشيكاً.

ستنفد مصادر الطاقة الأحفورية الثلاثة التقليدية، والمتمثلة في الفحم والنفط والغاز الطبيعي، بسرعة في القرن الجديد، وفي عملية الاستخدام والاحتراق، ستتسبب أيضًا في ظاهرة الاحتباس الحراري، وتوليد كمية كبيرة من الملوثات، وتلويث البيئة.

لذلك، من الضروري تقليل الاعتماد على الطاقة الأحفورية، وتغيير هيكل استخدام الطاقة غير الرشيد الحالي، والبحث عن طاقة متجددة جديدة نظيفة وخالية من التلوث.

في الوقت الحاضر، تشمل الطاقة المتجددة بشكل رئيسي طاقة الرياح، وطاقة الهيدروجين، والطاقة الشمسية، وطاقة الكتلة الحيوية، وطاقة المد والجزر، والطاقة الحرارية الأرضية، وما إلى ذلك، وتُعد طاقة الرياح والطاقة الشمسية من أهم مجالات البحث الحالية في جميع أنحاء العالم.

ومع ذلك، لا يزال من الصعب نسبياً تحقيق التحويل والتخزين الفعالين لمختلف مصادر الطاقة المتجددة، مما يجعل من الصعب استخدامها بشكل فعال.

في هذه الحالة، من أجل تحقيق الاستخدام الفعال للطاقة المتجددة الجديدة من قبل البشر، من الضروري تطوير تقنية تخزين الطاقة الجديدة المريحة والفعالة، والتي تعد أيضًا نقطة ساخنة في البحوث الاجتماعية الحالية.

في الوقت الحاضر، تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون، باعتبارها من أكثر البطاريات الثانوية كفاءة، على نطاق واسع في مختلف الأجهزة الإلكترونية والنقل والفضاء وغيرها من المجالات، إلا أن آفاق تطويرها تبدو أكثر صعوبة.

تتشابه الخصائص الفيزيائية والكيميائية للصوديوم والليثيوم، ولهما تأثير في تخزين الطاقة. ونظرًا لوفرة الصوديوم وتوزيعه المتجانس وانخفاض سعره، يُستخدم في تقنيات تخزين الطاقة واسعة النطاق، التي تتميز بانخفاض تكلفتها وكفاءتها العالية.

تشمل مواد الأقطاب الموجبة والسالبة لبطاريات أيونات الصوديوم مركبات المعادن الانتقالية الطبقية، والأنيونات المتعددة، وفوسفات المعادن الانتقالية، والجسيمات النانوية ذات الغلاف واللب، ومركبات المعادن، والكربون الصلب، وما إلى ذلك.

باعتباره عنصرًا ذا احتياطيات وفيرة للغاية في الطبيعة، فإن الكربون رخيص وسهل الحصول عليه، وقد اكتسب الكثير من الاعتراف كمادة أنود لبطاريات أيونات الصوديوم.

وفقًا لدرجة التبلور، يمكن تقسيم المواد الكربونية إلى فئتين: الكربون الجرافيتي والكربون غير المتبلور.

يُظهر الكربون الصلب، الذي ينتمي إلى الكربون غير المتبلور، سعة تخزين محددة للصوديوم تبلغ 300 مللي أمبير/غرام، في حين أن المواد الكربونية ذات درجة أعلى من التبلور يصعب استخدامها تجارياً بسبب مساحة سطحها الكبيرة وترتيبها القوي.

لذلك، تُستخدم مواد الكربون الصلبة غير الجرافيتية بشكل رئيسي في البحوث العملية.

من أجل تحسين أداء مواد الأنود لبطاريات أيونات الصوديوم، يمكن تحسين خاصية محبة الماء والتوصيل للمواد الكربونية عن طريق تطعيم الأيونات أو تركيبها، مما يعزز أداء تخزين الطاقة للمواد الكربونية.

تُستخدم مركبات المعادن، وخاصةً كربيدات ونتريدات المعادن ثنائية الأبعاد، كمادة للقطب السالب في بطاريات أيونات الصوديوم. وبالإضافة إلى خصائصها الممتازة، فهي لا تقتصر على تخزين أيونات الصوديوم عن طريق الامتزاز والتداخل فحسب، بل تتحد أيضًا مع أيونات الصوديوم لتوليد سعة تخزينية عبر تفاعلات كيميائية، مما يُحسّن بشكل كبير من كفاءة تخزين الطاقة.

نظراً للتكلفة العالية وصعوبة الحصول على المركبات المعدنية، لا تزال المواد الكربونية هي المواد الرئيسية المستخدمة في تصنيع الأنودات لبطاريات أيونات الصوديوم.

بدأ استخدام مركبات المعادن الانتقالية الطبقية بعد اكتشاف الجرافين. وتشمل المواد ثنائية الأبعاد المستخدمة حاليًا في بطاريات أيونات الصوديوم بشكل رئيسي مركبات الصوديوم الطبقية مثل NaxMO4 وNaxCoO4 وNaxMnO4 وNaxVO4 وNaxFeO4 وغيرها.

استُخدمت مواد الأقطاب الموجبة متعددة الأنيونات لأول مرة في أقطاب بطاريات الليثيوم أيون الموجبة، ثم استُخدمت لاحقًا في بطاريات الصوديوم أيون. ومن أهم هذه المواد بلورات الأوليفين مثل NaMnPO4 وNaFePO4.

استُخدم فوسفات المعادن الانتقالية في الأصل كمادة قطب موجب في بطاريات الليثيوم أيون. عملية تصنيعه ناضجة نسبياً، وله العديد من البنى البلورية.

يشكل الفوسفات، كهيكل ثلاثي الأبعاد، هيكلاً إطارياً مواتياً لعملية إزالة وإدخال أيونات الصوديوم، ومن ثم الحصول على بطاريات أيونات الصوديوم ذات أداء تخزين طاقة ممتاز.

مادة البنية الأساسية المغلفة هي نوع جديد من مواد الأنود لبطاريات أيونات الصوديوم، وقد ظهرت في السنوات الأخيرة فقط. وبفضل تصميمها الهيكلي المتقن، تمكنت هذه المادة، بالاعتماد على المواد الأصلية، من تحقيق بنية مجوفة.

تشمل المواد ذات البنية الأساسية والقشرية الأكثر شيوعًا مكعبات نانوية مجوفة من سيلينيد الكوبالت، وكرات نانوية من فانادات الصوديوم ذات بنية أساسية وقشرية مطعّمة بالحديد والنيتروجين، وكرات نانوية من أكسيد القصدير المجوفة المصنوعة من الكربون المسامي، وغيرها من الهياكل المجوفة.

بفضل خصائصه الممتازة، إلى جانب بنيته المجوفة والمسامية السحرية، يتعرض المزيد من النشاط الكهروكيميائي للإلكتروليت، وفي الوقت نفسه، فإنه يعزز بشكل كبير حركة الأيونات في الإلكتروليت لتحقيق تخزين فعال للطاقة.

يستمر الطلب العالمي على الطاقة المتجددة في الارتفاع، مما يعزز تطوير تكنولوجيا تخزين الطاقة.

في الوقت الحاضر، وبحسب طرق تخزين الطاقة المختلفة، يمكن تقسيمها إلى تخزين الطاقة الفيزيائي وتخزين الطاقة الكهروكيميائية.

يلبي تخزين الطاقة الكهروكيميائية معايير تطوير تكنولوجيا تخزين الطاقة الجديدة اليوم نظرًا لمزاياه المتمثلة في السلامة العالية والتكلفة المنخفضة والاستخدام المرن والكفاءة العالية.

وفقًا لعمليات التفاعل الكهروكيميائي المختلفة، تشمل مصادر الطاقة لتخزين الطاقة الكهروكيميائية بشكل أساسي المكثفات الفائقة، وبطاريات الرصاص الحمضية، وبطاريات الطاقة التي تعمل بالوقود، وبطاريات هيدريد النيكل المعدني، وبطاريات الصوديوم والكبريت، وبطاريات الليثيوم أيون.

في مجال تكنولوجيا تخزين الطاقة، جذبت مواد الأقطاب الكهربائية المرنة اهتمام العديد من العلماء البحثي نظرًا لتنوع تصميمها ومرونتها وانخفاض تكلفتها وخصائصها المتعلقة بحماية البيئة.

تتميز المواد الكربونية بثبات كيميائي حراري خاص، وموصلية كهربائية جيدة، وقوة عالية، وخصائص ميكانيكية غير عادية، مما يجعلها أقطابًا واعدة لبطاريات الليثيوم أيون وبطاريات الصوديوم أيون.

تتميز المكثفات الفائقة بقدرتها على الشحن والتفريغ السريع في ظل ظروف التيار العالي، ويبلغ عمرها الافتراضي أكثر من 100,000 دورة. وهي نوع جديد من مصادر الطاقة الكهروكيميائية المتخصصة لتخزين الطاقة، وتقع بين المكثفات والبطاريات.

تتميز المكثفات الفائقة بكثافة طاقة عالية ومعدل تحويل طاقة عالٍ، ولكن كثافة طاقتها منخفضة، وهي عرضة للتفريغ الذاتي، وعرضة لتسرب الإلكتروليت عند استخدامها بشكل غير صحيح.

على الرغم من أن خلية الطاقة التي تعمل بالوقود تتميز بعدم الحاجة إلى الشحن، وسعتها الكبيرة، وسعتها النوعية العالية، ونطاق قدرتها النوعية الواسع، إلا أن ارتفاع درجة حرارة تشغيلها، وارتفاع تكلفتها، وانخفاض كفاءة تحويل الطاقة فيها، يجعلها متاحة فقط في عملية التسويق التجاري، وتُستخدم في فئات محددة.

تتميز بطاريات الرصاص الحمضية بانخفاض تكلفتها، ونضج تقنيتها، ومستوى أمانها العالي، وقد شاع استخدامها في محطات الإرسال، والدراجات الكهربائية، والسيارات، وتخزين الطاقة في الشبكات الكهربائية. إلا أن بعض الحلول، كالتلوث البيئي، لا تفي بالمتطلبات والمعايير المتزايدة باستمرار لبطاريات تخزين الطاقة.

تتميز بطاريات Ni-MH بتعدد استخداماتها القوي، وقيمتها الحرارية المنخفضة، وسعتها الكبيرة، وخصائص تفريغها المستقرة، ولكن وزنها كبير نسبيًا، وهناك العديد من المشاكل في إدارة سلسلة البطاريات، مما قد يؤدي بسهولة إلى انصهار فواصل البطارية الفردية.