La energía, como base material para el progreso de la civilización humana, siempre ha desempeñado un papel importante. Es una garantía indispensable para el desarrollo de la sociedad humana. Junto con el agua, el aire y los alimentos, constituye las condiciones necesarias para la supervivencia humana y afecta directamente a la vida humana.

El desarrollo de la industria energética ha experimentado dos grandes transformaciones: de la era de la leña a la del carbón, y luego de la del carbón a la del petróleo. Ahora comienza la transición de la era del petróleo a la de las energías renovables.

Desde el carbón como principal fuente a principios del siglo XIX hasta el petróleo como principal fuente a mediados del siglo XX, la humanidad ha utilizado la energía fósil a gran escala durante más de 200 años. Sin embargo, la estructura energética global, dominada por los combustibles fósiles, hace que el agotamiento de estos sea una amenaza inminente.

Los tres principales vectores económicos de energía fósil, representados por el carbón, el petróleo y el gas natural, se agotarán rápidamente en el nuevo siglo, y durante su uso y combustión, también provocarán el efecto invernadero, generarán una gran cantidad de contaminantes y contaminarán el medio ambiente.

Por lo tanto, es imperativo reducir la dependencia de la energía fósil, cambiar la estructura irracional de uso de la energía existente y buscar nuevas fuentes de energía renovables, limpias y libres de contaminación.

En la actualidad, las energías renovables incluyen principalmente la energía eólica, la energía de hidrógeno, la energía solar, la energía de biomasa, la energía mareomotriz y la energía geotérmica, etc., y la energía eólica y la energía solar son actualmente temas de investigación prioritarios en todo el mundo.

Sin embargo, aún resulta relativamente difícil lograr una conversión y un almacenamiento eficientes de diversas fuentes de energía renovables, lo que dificulta su utilización eficaz.

En este caso, para lograr la utilización efectiva de las nuevas energías renovables por parte de los seres humanos, es necesario desarrollar una tecnología de almacenamiento de energía nueva, conveniente y eficiente, que también es un tema candente en la investigación social actual.

Actualmente, las baterías de iones de litio, como una de las baterías secundarias más eficientes, se utilizan ampliamente en diversos dispositivos electrónicos, transporte, industria aeroespacial y otros campos. Sin embargo, las perspectivas de desarrollo son más difíciles.

Las propiedades físicas y químicas del sodio y el litio son similares, y ambos poseen capacidad de almacenamiento de energía. Debido a su abundancia, la distribución uniforme de la fuente de sodio y su bajo precio, se utilizan en tecnologías de almacenamiento de energía a gran escala, que se caracterizan por su bajo costo y alta eficiencia.

Los materiales de los electrodos positivo y negativo de las baterías de iones de sodio incluyen compuestos de metales de transición en capas, polianiones, fosfatos de metales de transición, nanopartículas de núcleo-corteza, compuestos metálicos, carbono duro, etc.

El carbono, un elemento con reservas extremadamente abundantes en la naturaleza, es barato y fácil de obtener, y ha ganado mucho reconocimiento como material de ánodo para baterías de iones de sodio.

Según el grado de grafitización, los materiales de carbono se pueden dividir en dos categorías: carbono grafítico y carbono amorfo.

El carbono duro, que pertenece al carbono amorfo, presenta una capacidad específica de almacenamiento de sodio de 300 mAh/g, mientras que los materiales de carbono con un mayor grado de grafitización son difíciles de utilizar comercialmente debido a su gran superficie y fuerte orden.

Por lo tanto, los materiales de carbono duro no grafitados se utilizan principalmente en la investigación práctica.

Para mejorar aún más el rendimiento de los materiales de ánodo para baterías de iones de sodio, la hidrofilicidad y la conductividad de los materiales de carbono se pueden mejorar mediante el dopaje iónico o la composición, lo que puede potenciar el rendimiento de almacenamiento de energía de dichos materiales.

Como material de electrodo negativo en baterías de iones de sodio, los compuestos metálicos son principalmente carburos y nitruros metálicos bidimensionales. Además de las excelentes características de los materiales bidimensionales, no solo pueden almacenar iones de sodio mediante adsorción e intercalación, sino que también se combinan con ellos para generar capacitancia a través de reacciones químicas que permiten el almacenamiento de energía, mejorando así considerablemente la eficiencia del almacenamiento.

Debido al alto coste y a la dificultad para obtener compuestos metálicos, los materiales de carbono siguen siendo los principales materiales de ánodo para las baterías de iones de sodio.

El auge de los compuestos de metales de transición en capas se produjo tras el descubrimiento del grafeno. Actualmente, los materiales bidimensionales utilizados en baterías de iones de sodio incluyen principalmente compuestos en capas a base de sodio como NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4, etc.

Los materiales polianiónicos para electrodos positivos se utilizaron por primera vez en los electrodos positivos de las baterías de iones de litio, y posteriormente en las baterías de iones de sodio. Entre los materiales representativos más importantes se encuentran los cristales de olivino, como el NaMnPO4 y el NaFePO4.

El fosfato de metal de transición se utilizó originalmente como material de electrodo positivo en baterías de iones de litio. El proceso de síntesis está relativamente consolidado y existen numerosas estructuras cristalinas.

El fosfato, al tener una estructura tridimensional, forma una red que favorece la desintercalación e intercalación de iones de sodio, lo que permite obtener baterías de iones de sodio con un excelente rendimiento de almacenamiento de energía.

El material con estructura de núcleo-corteza es un nuevo tipo de material de ánodo para baterías de iones de sodio que ha surgido en los últimos años. Partiendo de los materiales originales, este material ha logrado una estructura hueca mediante un diseño estructural exquisito.

Entre los materiales con estructura núcleo-corteza más comunes se incluyen los nanocubos huecos de seleniuro de cobalto, las nanoesferas de vanadato de sodio con núcleo-corteza codopadas con Fe y N, las nanoesferas huecas de óxido de estaño con carbono poroso y otras estructuras huecas.

Gracias a sus excelentes características, junto con su mágica estructura hueca y porosa, se expone una mayor actividad electroquímica al electrolito y, al mismo tiempo, también promueve en gran medida la movilidad iónica del electrolito para lograr un almacenamiento de energía eficiente.

El sector mundial de las energías renovables sigue en auge, impulsando el desarrollo de la tecnología de almacenamiento de energía.

Actualmente, según los diferentes métodos de almacenamiento de energía, esta se puede dividir en almacenamiento de energía física y almacenamiento de energía electroquímica.

El almacenamiento electroquímico de energía cumple con los estándares de desarrollo de la nueva tecnología de almacenamiento de energía actual debido a sus ventajas de alta seguridad, bajo costo, uso flexible y alta eficiencia.

Según los diferentes procesos de reacción electroquímica, las fuentes de energía para el almacenamiento electroquímico incluyen principalmente supercondensadores, baterías de plomo-ácido, baterías de combustible, baterías de níquel-metal hidruro, baterías de sodio-azufre y baterías de iones de litio.

En la tecnología de almacenamiento de energía, los materiales de electrodos flexibles han atraído el interés de muchos científicos debido a la diversidad de su diseño, su flexibilidad, su bajo coste y sus características de protección del medio ambiente.

Los materiales de carbono poseen una estabilidad termoquímica especial, buena conductividad eléctrica, alta resistencia y propiedades mecánicas inusuales, lo que los convierte en electrodos prometedores para baterías de iones de litio y baterías de iones de sodio.

Los supercondensadores se pueden cargar y descargar rápidamente en condiciones de alta corriente y tienen una vida útil de más de 100 000 ciclos. Representan un nuevo tipo de fuente de alimentación electroquímica especial para el almacenamiento de energía, a medio camino entre los condensadores y las baterías.

Los supercondensadores se caracterizan por una alta densidad de potencia y una alta tasa de conversión de energía, pero su densidad de energía es baja, son propensos a la autodescarga y a las fugas de electrolito cuando se utilizan incorrectamente.

Aunque la pila de combustible tiene las características de no requerir carga, gran capacidad, alta capacidad específica y amplio rango de potencia específica, su alta temperatura de funcionamiento, su alto costo y su baja eficiencia de conversión de energía hacen que solo esté disponible en el proceso de comercialización y se utilice en ciertas categorías.

Las baterías de plomo-ácido ofrecen las ventajas de un bajo costo, tecnología madura y alta seguridad, y se han utilizado ampliamente en estaciones base de señales, bicicletas eléctricas, automóviles y almacenamiento de energía en la red. Sin embargo, sus limitaciones, como la contaminación ambiental, impiden que cumplan con los requisitos y estándares cada vez más exigentes para las baterías de almacenamiento de energía.

Las baterías de Ni-MH se caracterizan por su gran versatilidad, bajo poder calorífico, gran capacidad monomérica y características de descarga estables, pero su peso es relativamente elevado y existen muchos problemas en la gestión de las baterías en serie, lo que puede provocar fácilmente la fusión de los separadores de las baterías individuales.