エネルギーは、人類文明の発展の物質的基盤として、常に重要な役割を果たしてきた。それは人類社会の発展に不可欠な保証であり、水、空気、食料とともに、人類の生存に必要な条件を構成し、人間の生活に直接影響を与える。

エネルギー産業の発展は、薪の「時代」から石炭の「時代」へ、そして石炭の「時代」から石油の「時代」へと、二度の大きな変革を遂げてきた。そして今、石油の「時代」から再生可能エネルギーの「時代」へと移行し始めている。

19世紀初頭の石炭を主たるエネルギー源から、20世紀半ばの石油を主たるエネルギー源へと、人類は200年以上にわたり化石エネルギーを大規模に利用してきた。しかし、化石エネルギーが支配的な世界のエネルギー構造は、もはや化石エネルギーの枯渇を遠ざけることはない。

石炭、石油、天然ガスという3つの伝統的な化石エネルギー源は、新世紀中に急速に枯渇するだろう。また、使用と燃焼の過程で温室効果を引き起こし、大量の汚染物質を発生させ、環境を汚染するだろう。

したがって、化石エネルギーへの依存度を減らし、既存の非合理的なエネルギー利用構造を変革し、クリーンで汚染のない新たな再生可能エネルギーを追求することが不可欠である。

現在、再生可能エネルギーには主に風力エネルギー、水素エネルギー、太陽エネルギー、バイオマスエネルギー、潮力エネルギー、地熱エネルギーなどが含まれており、中でも風力エネルギーと太陽エネルギーは世界的に研究のホットスポットとなっている。

しかしながら、様々な再生可能エネルギー源を効率的に変換・貯蔵することは依然として比較的困難であり、そのため、それらを効果的に利用することは難しい。

この場合、人類が新たな再生可能エネルギーを効果的に利用するためには、便利で効率的な新たなエネルギー貯蔵技術を開発する必要があり、これは現在の社会研究における注目点でもある。

現在、リチウムイオン電池は最も効率的な二次電池の一つとして、様々な電子機器、輸送、航空宇宙などの分野で広く使用されていますが、その発展の見通しはより困難です。

ナトリウムとリチウムは物理的・化学的性質が類似しており、エネルギー貯蔵効果を有する。ナトリウムは含有量が豊富で、供給源が均一に分布しており、価格も安いため、低コストかつ高効率な大規模エネルギー貯蔵技術に利用されている。

ナトリウムイオン電池の正極および負極材料には、層状遷移金属化合物、ポリアニオン、遷移金属リン酸塩、コアシェルナノ粒子、金属化合物、ハードカーボンなどが含まれる。

炭素は自然界に極めて豊富に存在する元素であり、安価で入手しやすいため、ナトリウムイオン電池の負極材料として広く認知されている。

炭素材料は、黒鉛化の程度に応じて、黒鉛質炭素と非晶質炭素の2つのカテゴリーに分類できる。

非晶質炭素に属するハードカーボンは、300mAh/gのナトリウム貯蔵比容量を示す一方、グラファイト化度の高い炭素材料は、表面積が大きく秩序が強いため、商業用途への適合が難しい。

したがって、実用的な研究では主に非黒鉛系硬質炭素材料が使用されている。

ナトリウムイオン電池用負極材料の性能をさらに向上させるためには、イオン添加や複合化によって炭素材料の親水性と導電性を向上させることができ、これにより炭素材料のエネルギー貯蔵性能を高めることができる。

ナトリウムイオン電池の負極材料として用いられる金属化合物は、主に二次元金属炭化物と窒化物である。二次元材料の優れた特性に加え、吸着やインターカレーションによってナトリウムイオンを貯蔵できるだけでなく、ナトリウムイオンとの結合によって化学反応を介して静電容量を生成し、エネルギー貯蔵効果を大幅に向上させることができる。

金属化合物の入手コストが高く、入手が困難であるため、炭素材料は依然としてナトリウムイオン電池の主要な負極材料となっている。

層状遷移金属化合物の台頭は、グラフェンの発見以降に起こった。現在、ナトリウムイオン電池に使用されている二次元材料は、主にナトリウム系層状化合物であるNaxMO4、NaxCoO4、NaxMnO4、NaxVO4、NaxFeO4などである。

多価陰イオン正極材料は、最初にリチウムイオン電池の正極に使用され、その後ナトリウムイオン電池にも使用されるようになった。代表的な重要な材料としては、NaMnPO4やNaFePO4などのオリビン結晶が挙げられる。

遷移金属リン酸塩は、もともとリチウムイオン電池の正極材料として使用されていました。合成プロセスは比較的成熟しており、多くの結晶構造が存在します。

リン酸塩は三次元構造として、ナトリウムイオンの脱挿入を促進する骨格構造を構築し、優れたエネルギー貯蔵性能を持つナトリウムイオン電池を実現する。

コアシェル構造材料は、近年になって登場したナトリウムイオン電池用負極材料の新しいタイプです。この材料は、従来の材料をベースに、精緻な構造設計によって中空構造を実現しています。

より一般的なコアシェル構造材料としては、中空セレン化コバルトナノキューブ、Fe-N共ドープコアシェルバナジン酸ナトリウムナノスフェア、多孔質炭素中空酸化スズナノスフェア、およびその他の中空構造が挙げられる。

その優れた特性に加え、魔法のような中空多孔質構造により、電解質への電気化学的活性がより高まり、同時に電解質のイオン移動度も大幅に向上し、効率的なエネルギー貯蔵を実現します。

世界の再生可能エネルギーは増加の一途をたどっており、エネルギー貯蔵技術の開発を促進している。

現在、エネルギー貯蔵方法の違いに応じて、物理的エネルギー貯蔵と電気化学的エネルギー貯蔵に分類することができる。

電気化学エネルギー貯蔵は、高い安全性、低コスト、柔軟な利用、高効率といった利点から、今日の新しいエネルギー貯蔵技術の開発基準を満たしている。

電気化学反応プロセスの違いにより、電気化学エネルギー貯蔵電源は主にスーパーキャパシタ、鉛蓄電池、燃料電池、ニッケル水素電池、ナトリウム硫黄電池、リチウムイオン電池などに分類される。

エネルギー貯蔵技術において、柔軟な電極材料は、その設計の多様性、柔軟性、低コスト、および環境保護特性から、多くの科学者の研究対象として注目を集めている。

炭素材料は、特別な熱化学的安定性、優れた電気伝導性、高い強度、そして特異な機械的特性を備えているため、リチウムイオン電池やナトリウムイオン電池の電極材料として有望である。

スーパーキャパシタは、高電流条件下で高速な充放電が可能で、10万回以上のサイクル寿命を持つ。コンデンサとバッテリーの中間に位置する、新しいタイプの特殊な電気化学エネルギー貯蔵電源である。

スーパーキャパシタは、高い電力密度と高いエネルギー変換率という特徴を持つが、エネルギー密度が低く、自己放電しやすく、不適切な使用方法では電解液漏れを起こしやすい。

燃料電池は、充電不要、大容量、高比容量、広い比出力範囲といった特徴を持つものの、動作温度が高く、コストが高く、エネルギー変換効率が低いため、商業化の過程で特定の用途にしか利用できない。

鉛蓄電池は、低コスト、成熟した技術、高い安全性といった利点を持ち、信号基地局、電動自転車、自動車、電力網のエネルギー貯蔵などに広く利用されている。しかし、環境汚染などの欠点は、エネルギー貯蔵用電池に求められるますます高まる要求や基準を満たせない。

ニッケル水素電池は、汎用性が高く、発熱量が低く、単量体容量が大きく、放電特性が安定しているという特徴を持つが、重量が比較的大きく、電池の直列接続管理に多くの問題があり、単体電池のセパレータが溶けやすいという欠点がある。