মানব সভ্যতার অগ্রগতির বস্তুগত ভিত্তি হিসেবে শক্তি সর্বদাই এক গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে এসেছে। এটি মানব সমাজের বিকাশের এক অপরিহার্য নিশ্চয়তা। পানি, বায়ু ও খাদ্যের সঙ্গে এটি মানুষের বেঁচে থাকার জন্য প্রয়োজনীয় উপাদান এবং মানবজীবনকে সরাসরি প্রভাবিত করে।

জ্বালানি শিল্পের বিকাশ দুটি প্রধান রূপান্তরের মধ্য দিয়ে গেছে: কাঠের ‘যুগ’ থেকে কয়লার ‘যুগে’ এবং তারপর কয়লার ‘যুগ’ থেকে তেলের ‘যুগে’। এখন এটি তেলের ‘যুগ’ থেকে নবায়নযোগ্য শক্তির ‘যুগে’ পরিবর্তিত হতে শুরু করেছে।

ঊনবিংশ শতাব্দীর গোড়ার দিকে কয়লা প্রধান উৎস থেকে শুরু করে বিংশ শতাব্দীর মাঝামাঝি সময়ে তেল প্রধান উৎস হয়ে ওঠার মধ্য দিয়ে মানুষ ২০০ বছরেরও বেশি সময় ধরে জীবাশ্ম শক্তি ব্যাপকভাবে ব্যবহার করে আসছে। তবে, জীবাশ্ম শক্তি-প্রধান বৈশ্বিক শক্তি কাঠামো জীবাশ্ম শক্তির নিঃশেষ হয়ে যাওয়াকে আর দূরে রাখছে না।

কয়লা, তেল এবং প্রাকৃতিক গ্যাসের মতো তিনটি প্রচলিত জীবাশ্ম জ্বালানি অর্থনৈতিক উৎস নতুন শতাব্দীতে দ্রুত নিঃশেষ হয়ে যাবে এবং এগুলোর ব্যবহার ও দহন প্রক্রিয়ায় গ্রিনহাউস প্রভাব সৃষ্টি হবে, বিপুল পরিমাণ দূষক পদার্থ উৎপন্ন হবে এবং পরিবেশ দূষিত হবে।

সুতরাং, জীবাশ্ম জ্বালানির ওপর নির্ভরতা কমানো, বিদ্যমান অযৌক্তিক শক্তি ব্যবহারের কাঠামো পরিবর্তন করা এবং পরিচ্ছন্ন ও দূষণমুক্ত নতুন নবায়নযোগ্য শক্তির সন্ধান করা অপরিহার্য।

বর্তমানে, নবায়নযোগ্য শক্তির মধ্যে প্রধানত বায়ু শক্তি, হাইড্রোজেন শক্তি, সৌর শক্তি, জৈবভর শক্তি, জোয়ার শক্তি এবং ভূতাপীয় শক্তি ইত্যাদি অন্তর্ভুক্ত রয়েছে এবং বায়ু শক্তি ও সৌর শক্তি বিশ্বব্যাপী গবেষণার বর্তমান প্রধান কেন্দ্রবিন্দু।

তবে, বিভিন্ন নবায়নযোগ্য শক্তির উৎসের কার্যকর রূপান্তর ও সঞ্চয় এখনও তুলনামূলকভাবে কঠিন, যার ফলে সেগুলোকে কার্যকরভাবে ব্যবহার করা দুরূহ হয়ে পড়ে।

এক্ষেত্রে, মানুষের দ্বারা নতুন নবায়নযোগ্য শক্তির কার্যকর ব্যবহার বাস্তবায়নের জন্য সুবিধাজনক ও দক্ষ নতুন শক্তি সঞ্চয় প্রযুক্তির বিকাশ প্রয়োজন, যা বর্তমান সামাজিক গবেষণার একটি আলোচিত বিষয়ও বটে।

বর্তমানে, সবচেয়ে কার্যকর সেকেন্ডারি ব্যাটারিগুলোর অন্যতম হিসেবে লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি বিভিন্ন ইলেকট্রনিক ডিভাইস, পরিবহন, মহাকাশ এবং অন্যান্য ক্ষেত্রে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হলেও, এর উন্নয়নের সম্ভাবনা আরও কঠিন।

সোডিয়াম এবং লিথিয়ামের ভৌত ও রাসায়নিক বৈশিষ্ট্য প্রায় একই রকম এবং উভয়েরই শক্তি সঞ্চয়ের ক্ষমতা রয়েছে। এর প্রাচুর্য, সোডিয়াম উৎসের সুষম বণ্টন এবং কম দামের কারণে, এটি বৃহৎ পরিসরের শক্তি সঞ্চয় প্রযুক্তিতে ব্যবহৃত হয়, যার বৈশিষ্ট্য হলো স্বল্প ব্যয় ও উচ্চ কার্যকারিতা।

সোডিয়াম আয়ন ব্যাটারির ধনাত্মক ও ঋণাত্মক ইলেকট্রোড উপাদানগুলোর মধ্যে রয়েছে স্তরযুক্ত ট্রানজিশন মেটাল যৌগ, পলিঅ্যানায়ন, ট্রানজিশন মেটাল ফসফেট, কোর-শেল ন্যানো পার্টিকেল, ধাতব যৌগ, হার্ড কার্বন ইত্যাদি।

প্রকৃতিতে অত্যন্ত প্রচুর পরিমাণে মজুত থাকায় কার্বন একটি মৌল, যা সস্তা ও সহজে পাওয়া যায় এবং সোডিয়াম-আয়ন ব্যাটারির অ্যানোড উপাদান হিসেবে এটি ব্যাপক স্বীকৃতি লাভ করেছে।

গ্রাফিটাইজেশনের মাত্রা অনুসারে কার্বন পদার্থকে দুটি শ্রেণীতে ভাগ করা যায়: গ্রাফাইটিক কার্বন এবং অনিয়তাকার কার্বন।

হার্ড কার্বন, যা অ্যামরফাস কার্বনের অন্তর্গত, ৩০০ মিলিঅ্যাম্পিয়ার-আওয়ার/গ্রাম সোডিয়াম ধারণ ক্ষমতা প্রদর্শন করে, অপরদিকে উচ্চ মাত্রার গ্রাফিটাইজেশনযুক্ত কার্বন উপাদানগুলো তাদের বৃহৎ পৃষ্ঠতল এবং দৃঢ় বিন্যাসের কারণে বাণিজ্যিক ব্যবহারে আনা কঠিন।

তাই, ব্যবহারিক গবেষণায় প্রধানত নন-গ্রাফাইট হার্ড কার্বন উপাদান ব্যবহার করা হয়।

সোডিয়াম-আয়ন ব্যাটারির অ্যানোড উপাদানের কর্মক্ষমতা আরও উন্নত করার লক্ষ্যে, আয়ন ডোপিং বা যৌগিকীকরণের মাধ্যমে কার্বন উপাদানের জলগ্রাহিতা ও পরিবাহিতা বাড়ানো যেতে পারে, যা কার্বন উপাদানের শক্তি সঞ্চয়ের কর্মক্ষমতা বৃদ্ধি করতে পারে।

সোডিয়াম আয়ন ব্যাটারির নেগেটিভ ইলেকট্রোড উপাদান হিসেবে, ধাতব যৌগগুলো প্রধানত দ্বি-মাত্রিক ধাতব কার্বাইড এবং নাইট্রাইড। দ্বি-মাত্রিক উপাদানগুলোর চমৎকার বৈশিষ্ট্য ছাড়াও, এগুলো কেবল শোষণ এবং আন্তঃপ্রবেশের মাধ্যমে সোডিয়াম আয়ন সঞ্চয়ই করে না, বরং সোডিয়াম আয়নের সাথে রাসায়নিক বিক্রিয়ার মাধ্যমে সংযুক্ত হয়ে শক্তি সঞ্চয়ের জন্য ক্যাপাসিট্যান্স তৈরি করে, যার ফলে শক্তি সঞ্চয়ের কার্যকারিতা ব্যাপকভাবে উন্নত হয়।

ধাতব যৌগের উচ্চ মূল্য এবং প্রাপ্তির অসুবিধার কারণে, সোডিয়াম-আয়ন ব্যাটারির প্রধান অ্যানোড উপাদান হিসেবে এখনও কার্বন পদার্থই ব্যবহৃত হয়।

গ্রাফিন আবিষ্কারের পর স্তরযুক্ত ট্রানজিশন মেটাল যৌগের উত্থান ঘটে। বর্তমানে, সোডিয়াম-আয়ন ব্যাটারিতে ব্যবহৃত দ্বি-মাত্রিক উপাদানগুলোর মধ্যে প্রধানত সোডিয়াম-ভিত্তিক স্তরযুক্ত NaxMO4, NaxCoO4, NaxMnO4, NaxVO4, NaxFeO4, ইত্যাদি অন্তর্ভুক্ত।

পলিঅ্যানায়নিক পজিটিভ ইলেকট্রোড উপাদানগুলো সর্বপ্রথম লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির পজিটিভ ইলেকট্রোডে এবং পরবর্তীতে সোডিয়াম-আয়ন ব্যাটারিতে ব্যবহৃত হয়েছিল। এর গুরুত্বপূর্ণ প্রতিনিধিত্বমূলক উপাদানগুলোর মধ্যে রয়েছে অলিভাইন ক্রিস্টাল, যেমন NaMnPO4 এবং NaFePO4।

ট্রানজিশন মেটাল ফসফেট মূলত লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির পজিটিভ ইলেকট্রোড উপাদান হিসেবে ব্যবহৃত হতো। এর সংশ্লেষণ প্রক্রিয়া তুলনামূলকভাবে উন্নত এবং এর অনেক স্ফটিক কাঠামো রয়েছে।

ফসফেট, একটি ত্রিমাত্রিক কাঠামো হিসেবে, এমন একটি রূপরেখা তৈরি করে যা সোডিয়াম আয়নের ডি-ইন্টারক্যালেশন ও ইন্টারক্যালেশনের জন্য সহায়ক, এবং এর ফলে চমৎকার শক্তি সঞ্চয় ক্ষমতাসম্পন্ন সোডিয়াম-আয়ন ব্যাটারি পাওয়া যায়।

কোর-শেল কাঠামোযুক্ত উপাদান হলো সোডিয়াম-আয়ন ব্যাটারির জন্য এক নতুন ধরনের অ্যানোড উপাদান, যা সাম্প্রতিক বছরগুলিতেই আবির্ভূত হয়েছে। মূল উপাদানগুলোর উপর ভিত্তি করে, এই উপাদানটি সূক্ষ্ম কাঠামোগত নকশার মাধ্যমে একটি ফাঁপা কাঠামো অর্জন করেছে।

অধিক প্রচলিত কোর-শেল কাঠামোযুক্ত উপাদানগুলোর মধ্যে রয়েছে ফাঁপা কোবাল্ট সেলেনাইড ন্যানোকিউব, Fe-N সহ-ডোপড কোর-শেল সোডিয়াম ভ্যানাডেট ন্যানোস্ফিয়ার, ছিদ্রযুক্ত কার্বন ফাঁপা টিন অক্সাইড ন্যানোস্ফিয়ার এবং অন্যান্য ফাঁপা কাঠামো।

এর চমৎকার বৈশিষ্ট্য এবং জাদুকরী ফাঁপা ও ছিদ্রযুক্ত কাঠামোর কারণে, অধিক পরিমাণে তড়িৎ-রাসায়নিক সক্রিয়তা ইলেকট্রোলাইটের সংস্পর্শে আসে এবং একই সাথে এটি কার্যকর শক্তি সঞ্চয় অর্জনের জন্য ইলেকট্রোলাইটের আয়ন সচলতাকেও ব্যাপকভাবে বৃদ্ধি করে।

বিশ্বব্যাপী নবায়নযোগ্য শক্তির ব্যবহার ক্রমাগত বৃদ্ধি পাচ্ছে, যা শক্তি সঞ্চয় প্রযুক্তির উন্নয়নে গতি আনছে।

বর্তমানে, বিভিন্ন শক্তি সঞ্চয় পদ্ধতি অনুসারে একে ভৌত শক্তি সঞ্চয় এবং তড়িৎ-রাসায়নিক শক্তি সঞ্চয়ে ভাগ করা যায়।

উচ্চ নিরাপত্তা, স্বল্প ব্যয়, নমনীয় ব্যবহার এবং উচ্চ দক্ষতার মতো সুবিধার কারণে তড়িৎ-রাসায়নিক শক্তি সঞ্চয় আজকের নতুন শক্তি সঞ্চয় প্রযুক্তির উন্নয়নের মানদণ্ড পূরণ করে।

বিভিন্ন তড়িৎ-রাসায়নিক বিক্রিয়া প্রক্রিয়া অনুসারে, তড়িৎ-রাসায়নিক শক্তি সঞ্চয়ের প্রধান উৎসগুলোর মধ্যে রয়েছে সুপারক্যাপাসিটর, লেড-অ্যাসিড ব্যাটারি, ফুয়েল পাওয়ার ব্যাটারি, নিকেল-মেটাল হাইড্রাইড ব্যাটারি, সোডিয়াম-সালফার ব্যাটারি এবং লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি।

শক্তি সঞ্চয় প্রযুক্তিতে, নমনীয় ইলেকট্রোড উপাদানগুলো তাদের নকশার বৈচিত্র্য, নমনীয়তা, স্বল্প ব্যয় এবং পরিবেশ সুরক্ষার বৈশিষ্ট্যের কারণে অনেক বিজ্ঞানীর গবেষণার আগ্রহ আকর্ষণ করেছে।

কার্বন উপাদানের বিশেষ তাপ-রাসায়নিক স্থিতিশীলতা, ভালো বিদ্যুৎ পরিবাহিতা, উচ্চ শক্তি এবং অসাধারণ যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য রয়েছে, যা এগুলিকে লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি এবং সোডিয়াম-আয়ন ব্যাটারির জন্য সম্ভাবনাময় ইলেক্ট্রোড হিসেবে গড়ে তোলে।

সুপারক্যাপাসিটর উচ্চ কারেন্টের অধীনে দ্রুত চার্জ ও ডিসচার্জ করা যায় এবং এগুলোর চক্র জীবন এক লক্ষ বারেরও বেশি। এগুলো ক্যাপাসিটর ও ব্যাটারির মধ্যবর্তী এক নতুন ধরনের বিশেষ ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল শক্তি সঞ্চয়কারী বিদ্যুৎ সরবরাহ ব্যবস্থা।

সুপারক্যাপাসিটরের উচ্চ পাওয়ার ডেনসিটি এবং উচ্চ শক্তি রূপান্তর হারের মতো বৈশিষ্ট্য রয়েছে, কিন্তু এর শক্তি ঘনত্ব কম, এটি স্বতঃস্ফূর্তভাবে ডিসচার্জ হওয়ার প্রবণতা দেখায় এবং অনুপযুক্তভাবে ব্যবহার করা হলে ইলেকট্রোলাইট লিক হওয়ার ঝুঁকি থাকে।

যদিও ফুয়েল পাওয়ার সেলের চার্জিং-এর প্রয়োজন না থাকা, বৃহৎ ধারণক্ষমতা, উচ্চ নির্দিষ্ট ক্ষমতা এবং বিস্তৃত নির্দিষ্ট পাওয়ার পরিসরের মতো বৈশিষ্ট্য রয়েছে, এর উচ্চ অপারেটিং তাপমাত্রা, উচ্চ ক্রয়মূল্য এবং কম শক্তি রূপান্তর দক্ষতার কারণে বাণিজ্যিকীকরণ প্রক্রিয়ায় এটি শুধুমাত্র নির্দিষ্ট কিছু শ্রেণীতেই ব্যবহৃত হতে পারে।

লেড-অ্যাসিড ব্যাটারির সুবিধা হলো এর স্বল্প মূল্য, উন্নত প্রযুক্তি এবং উচ্চ নিরাপত্তা, এবং এটি সিগন্যাল বেস স্টেশন, ইলেকট্রিক বাইসাইকেল, অটোমোবাইল ও গ্রিড শক্তি সঞ্চয়ে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়ে আসছে। পরিবেশ দূষণের মতো দুর্বলতার কারণে এটি শক্তি সঞ্চয়কারী ব্যাটারির ক্রমবর্ধমান উচ্চতর চাহিদা ও মান পূরণ করতে পারে না।

নিকেল-মেটাল হাইড্রাইড (Ni-MH) ব্যাটারির শক্তিশালী বহুমুখিতা, কম তাপীয় মান, উচ্চ মনোমার ধারণক্ষমতা এবং স্থিতিশীল ডিসচার্জ বৈশিষ্ট্যের মতো বিশেষত্ব রয়েছে, কিন্তু এগুলোর ওজন তুলনামূলকভাবে বেশি এবং ব্যাটারির সিরিজ ব্যবস্থাপনায় অনেক সমস্যা দেখা দেয়, যার ফলে সহজেই ব্যাটারির একক সেপারেটরগুলো গলে যেতে পারে।