मानवी संस्कृतीच्या प्रगतीचा भौतिक आधार म्हणून ऊर्जेने नेहमीच एक महत्त्वाची भूमिका बजावली आहे. ती मानवी समाजाच्या विकासासाठी एक अपरिहार्य हमी आहे. पाणी, हवा आणि अन्न यांच्यासोबतच, ती मानवाच्या अस्तित्वासाठी आवश्यक परिस्थिती निर्माण करते आणि मानवी जीवनावर थेट परिणाम करते.

ऊर्जा उद्योगाच्या विकासात लाकडाच्या ‘युगा’पासून कोळशाच्या ‘युगा’पर्यंत आणि नंतर कोळशाच्या ‘युगा’पासून तेलाच्या ‘युगा’पर्यंत असे दोन मोठे स्थित्यंतर झाले आहेत. आता तेलाच्या ‘युगा’पासून नवीकरणीय ऊर्जेच्या ‘युगा’कडे बदल सुरू झाला आहे.

१९व्या शतकाच्या सुरुवातीला कोळसा हा मुख्य स्रोत होता, तर २०व्या शतकाच्या मध्यापर्यंत तेल हा मुख्य स्रोत बनला. अशाप्रकारे मानवाने २०० वर्षांहून अधिक काळ जीवाश्म ऊर्जेचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला आहे. तथापि, जीवाश्म ऊर्जेचे वर्चस्व असलेल्या जागतिक ऊर्जा रचनेमुळे, जीवाश्म ऊर्जा संपुष्टात येण्याचा काळ आता फार दूर राहिलेला नाही.

कोळसा, तेल आणि नैसर्गिक वायू हे तीन पारंपरिक जीवाश्म ऊर्जा आर्थिक वाहक नव्या शतकात वेगाने संपुष्टात येतील, आणि त्यांच्या वापराच्या व ज्वलनाच्या प्रक्रियेत हरितगृह परिणाम होऊन मोठ्या प्रमाणात प्रदूषके निर्माण होतील, तसेच पर्यावरणाचे प्रदूषण होईल.

त्यामुळे, जीवाश्म ऊर्जेवरील अवलंबित्व कमी करणे, सध्याची अविवेकी ऊर्जा वापराची रचना बदलणे आणि स्वच्छ व प्रदूषणमुक्त नवीन अक्षय ऊर्जा शोधणे अत्यावश्यक आहे.

सध्या, नवीकरणीय ऊर्जेमध्ये प्रामुख्याने पवन ऊर्जा, हायड्रोजन ऊर्जा, सौर ऊर्जा, बायोमास ऊर्जा, भरती-ओहोटी ऊर्जा आणि भूऔष्णिक ऊर्जा इत्यादींचा समावेश होतो आणि पवन ऊर्जा व सौर ऊर्जा हे जगभरातील सध्याचे संशोधनाचे प्रमुख विषय आहेत.

तथापि, विविध नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतांचे कार्यक्षम रूपांतरण आणि साठवण साध्य करणे अजूनही तुलनेने कठीण आहे, त्यामुळे त्यांचा प्रभावीपणे वापर करणे अवघड होते.

या प्रकरणात, मानवाद्वारे नवीन अक्षय ऊर्जेचा प्रभावी वापर साध्य करण्यासाठी, सोयीस्कर आणि कार्यक्षम नवीन ऊर्जा साठवण तंत्रज्ञान विकसित करणे आवश्यक आहे, जो सध्याच्या सामाजिक संशोधनातील एक महत्त्वाचा विषय देखील आहे.

सध्या, लिथियम-आयन बॅटरी, सर्वात कार्यक्षम दुय्यम बॅटरींपैकी एक म्हणून, विविध इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे, वाहतूक, अंतराळ आणि इतर क्षेत्रांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरल्या जातात, परंतु त्यांच्या विकासाची शक्यता अधिक कठीण आहे.

सोडियम आणि लिथियमचे भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्म समान आहेत आणि त्यात ऊर्जा साठवण्याचा गुणधर्म आहे. मुबलक प्रमाण, सोडियम स्रोताचे एकसमान वितरण आणि कमी किंमत यांमुळे, त्याचा वापर मोठ्या प्रमाणावरील ऊर्जा साठवण तंत्रज्ञानामध्ये केला जातो, ज्यात कमी खर्च आणि उच्च कार्यक्षमता ही वैशिष्ट्ये आहेत.

सोडियम आयन बॅटरीच्या धन आणि ऋण इलेक्ट्रोड सामग्रीमध्ये स्तरित संक्रमण धातू संयुगे, पॉलिएनायन, संक्रमण धातू फॉस्फेट, कोर-शेल नॅनोपार्टिकल्स, धातू संयुगे, हार्ड कार्बन इत्यादींचा समावेश होतो.

निसर्गात अत्यंत मुबलक साठा असलेला घटक असल्याने, कार्बन स्वस्त आणि सहज उपलब्ध होतो, आणि सोडियम-आयन बॅटरीसाठी ॲनोड सामग्री म्हणून त्याला मोठी मान्यता मिळाली आहे.

ग्राफायटीकरणाच्या प्रमाणानुसार, कार्बन पदार्थांचे दोन प्रकारांमध्ये वर्गीकरण करता येते: ग्राफायटिक कार्बन आणि अस्फटिक कार्बन.

अस्फटिक कार्बनच्या प्रकारात मोडणाऱ्या कठीण कार्बनमध्ये 300mAh/g इतकी सोडियम साठवण विशिष्ट क्षमता असते, तर उच्च प्रमाणात ग्राफायटीकरण झालेल्या कार्बन पदार्थांना त्यांच्या मोठ्या पृष्ठभागामुळे आणि मजबूत रचनेमुळे व्यावसायिक वापराची पूर्तता करणे कठीण जाते.

त्यामुळे, व्यावहारिक संशोधनात प्रामुख्याने नॉन-ग्रॅफाइट हार्ड कार्बन सामग्री वापरली जाते.

सोडियम-आयन बॅटरीसाठी ॲनोड सामग्रीची कार्यक्षमता आणखी सुधारण्यासाठी, आयन डोपिंग किंवा कंपाऊंडिंगच्या माध्यमातून कार्बन सामग्रीची हायड्रोफिलिसिटी आणि चालकता सुधारली जाऊ शकते, ज्यामुळे कार्बन सामग्रीची ऊर्जा साठवण क्षमता वाढू शकते.

सोडियम आयन बॅटरीच्या ऋण इलेक्ट्रोड सामग्री म्हणून, धातूंची संयुगे प्रामुख्याने द्विमितीय धातू कार्बाइड आणि नायट्राइड असतात. द्विमितीय पदार्थांच्या उत्कृष्ट वैशिष्ट्यांव्यतिरिक्त, ते केवळ अधिशोषण आणि आंतरभरणाद्वारे सोडियम आयन साठवू शकत नाहीत, तर सोडियम आयनांसोबत संयोग साधून रासायनिक अभिक्रियांद्वारे ऊर्जा साठवणुकीसाठी धारकता निर्माण करतात, ज्यामुळे ऊर्जा साठवणुकीचा प्रभाव मोठ्या प्रमाणात सुधारतो.

धातूंची संयुगे मिळवण्याची जास्त किंमत आणि त्यातील अडचणींमुळे, सोडियम-आयन बॅटरीसाठी कार्बनयुक्त पदार्थ हेच अजूनही मुख्य ॲनोड पदार्थ आहेत.

स्तरित संक्रमण धातू संयुगांचा उदय ग्राफीनच्या शोधानंतर झाला. सध्या, सोडियम-आयन बॅटरीमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या द्विमितीय पदार्थांमध्ये प्रामुख्याने सोडियम-आधारित स्तरित NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4 इत्यादींचा समावेश होतो.

पॉलिॲनिक पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड सामग्रीचा वापर सर्वप्रथम लिथियम-आयन बॅटरीच्या पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोडमध्ये आणि नंतर सोडियम-आयन बॅटरीमध्ये केला गेला. NaMnPO4 आणि NaFePO4 सारख्या ऑलिव्हिन क्रिस्टल्सचा महत्त्वाच्या प्रातिनिधिक सामग्रीमध्ये समावेश होतो.

संक्रमण धातू फॉस्फेटचा वापर मूळतः लिथियम-आयन बॅटरीमध्ये पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड सामग्री म्हणून केला जात असे. याची संश्लेषण प्रक्रिया तुलनेने प्रगत असून, त्याच्या अनेक स्फटिक रचना उपलब्ध आहेत.

फॉस्फेट, एक त्रिमितीय संरचना म्हणून, सोडियम आयनांच्या डीइंटरकॅलेशन आणि इंटरकॅलेशनसाठी अनुकूल अशी एक फ्रेमवर्क संरचना तयार करते, आणि त्यानंतर उत्कृष्ट ऊर्जा साठवण क्षमतेसह सोडियम-आयन बॅटरी मिळतात.

कोर-शेल संरचनेचे मटेरियल हे सोडियम-आयन बॅटरीसाठी एक नवीन प्रकारचे ॲनोड मटेरियल आहे, जे अलिकडच्या वर्षांतच उदयास आले आहे. मूळ मटेरियलवर आधारित, या मटेरियलने उत्कृष्ट संरचनात्मक डिझाइनद्वारे पोकळ रचना साध्य केली आहे.

अधिक सामान्य कोर-शेल संरचना असलेल्या पदार्थांमध्ये पोकळ कोबाल्ट सेलेनाइड नॅनोक्यूब्स, Fe-N सह-मिश्रित कोर-शेल सोडियम व्हॅनाडेट नॅनोस्फियर्स, सच्छिद्र कार्बन पोकळ टिन ऑक्साईड नॅनोस्फियर्स आणि इतर पोकळ संरचनांचा समावेश होतो.

त्याच्या उत्कृष्ट वैशिष्ट्यांमुळे, तसेच त्याच्या जादुई पोकळ आणि सच्छिद्र रचनेमुळे, इलेक्ट्रोलाइटमध्ये अधिक इलेक्ट्रोकेमिकल क्रियाशीलता उघड होते आणि त्याच वेळी, ते कार्यक्षम ऊर्जा साठवण साध्य करण्यासाठी इलेक्ट्रोलाइटच्या आयन गतिशीलतेला मोठ्या प्रमाणात चालना देते.

जागतिक नवीकरणीय ऊर्जेत सातत्याने वाढ होत असून, त्यामुळे ऊर्जा साठवण तंत्रज्ञानाच्या विकासाला चालना मिळत आहे.

सध्या, ऊर्जा साठवणुकीच्या विविध पद्धतींनुसार, तिचे भौतिक ऊर्जा साठवणूक आणि विद्युत रासायनिक ऊर्जा साठवणूक असे वर्गीकरण करता येते.

इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा साठवणूक ही तिच्या उच्च सुरक्षितता, कमी खर्च, लवचिक वापर आणि उच्च कार्यक्षमता या फायद्यांमुळे आजच्या नवीन ऊर्जा साठवणूक तंत्रज्ञानाच्या विकासाच्या मानकांची पूर्तता करते.

वेगवेगळ्या इलेक्ट्रोकेमिकल अभिक्रिया प्रक्रियांनुसार, इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा साठवणूक ऊर्जा स्रोतांमध्ये प्रामुख्याने सुपरकॅपॅसिटर, लेड-ऍसिड बॅटरी, फ्यूल पॉवर बॅटरी, निकेल-मेटल हायड्राइड बॅटरी, सोडियम-सल्फर बॅटरी आणि लिथियम-आयन बॅटरी यांचा समावेश होतो.

ऊर्जा साठवण तंत्रज्ञानामध्ये, लवचिक इलेक्ट्रोड सामग्रीने त्यांच्या डिझाइनमधील विविधता, लवचिकता, कमी खर्च आणि पर्यावरण संरक्षण वैशिष्ट्यांमुळे अनेक शास्त्रज्ञांचे संशोधन स्वारस्य आकर्षित केले आहे.

कार्बन पदार्थांमध्ये विशेष औष्णिक-रासायनिक स्थिरता, चांगली विद्युत वाहकता, उच्च सामर्थ्य आणि असामान्य यांत्रिक गुणधर्म असतात, ज्यामुळे ते लिथियम-आयन बॅटरी आणि सोडियम-आयन बॅटरीसाठी आश्वासक इलेक्ट्रोड ठरतात.

सुपरकॅपॅसिटर उच्च विद्युत प्रवाहाच्या परिस्थितीत वेगाने चार्ज आणि डिस्चार्ज केले जाऊ शकतात आणि त्यांचे आयुष्य १,००,००० पेक्षा जास्त वेळा असते. ते कॅपॅसिटर आणि बॅटरी यांच्यामधील एक नवीन प्रकारचा विशेष इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा साठवणारा वीज पुरवठा आहे.

सुपरकॅपॅसिटरमध्ये उच्च पॉवर डेन्सिटी आणि उच्च ऊर्जा रूपांतरण दर ही वैशिष्ट्ये असतात, परंतु त्यांची ऊर्जा घनता कमी असते, त्यांना स्व-डिस्चार्ज होण्याची शक्यता असते आणि अयोग्यरित्या वापरल्यास इलेक्ट्रोलाइट गळती होण्याची शक्यता असते.

जरी इंधन ऊर्जा सेलमध्ये चार्जिंगची आवश्यकता नसणे, मोठी क्षमता, उच्च विशिष्ट क्षमता आणि विस्तृत विशिष्ट शक्ती श्रेणी ही वैशिष्ट्ये असली तरी, त्याचे उच्च कार्यकारी तापमान, उच्च किंमत आणि कमी ऊर्जा रूपांतरण कार्यक्षमता यामुळे व्यापारीकरण प्रक्रियेत त्याचा वापर केवळ विशिष्ट श्रेणींमध्येच केला जातो.

लेड-ऍसिड बॅटरी कमी किंमत, प्रगत तंत्रज्ञान आणि उच्च सुरक्षितता या फायद्यांमुळे सिग्नल बेस स्टेशन, इलेक्ट्रिक सायकली, मोटारगाड्या आणि ग्रिड ऊर्जा साठवणुकीमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरल्या जातात. पर्यावरणाचे प्रदूषण यांसारख्या उणिवांमुळे त्या ऊर्जा साठवणूक बॅटरीसाठीच्या वाढत्या गरजा आणि मानकांची पूर्तता करू शकत नाहीत.

Ni-MH बॅटरींमध्ये मजबूत बहुउपयोगिता, कमी उष्णता मूल्य, मोठी मोनोमर क्षमता आणि स्थिर डिस्चार्ज वैशिष्ट्ये आहेत, परंतु त्यांचे वजन तुलनेने जास्त असते आणि बॅटरीच्या सिरीज व्यवस्थापनात अनेक समस्या येतात, ज्यामुळे एकल बॅटरी सेपरेटर सहजपणे वितळू शकतात.