Sodíkové baterie: Kompletní technický průvodce, srovnání technologií a výhody vrstvených oxidových článků Heiwit

Chemikálie zde popsané jsou ty, které se používají v řada sodíkových baterií Heiwit.

Úvod

V posledních letech se ve světě skladování energie objevuje technologie, která má zásadně změnit rovnováhu: akumulace energie. sodíkové baterie (SIB, sodíko-iontová baterie). Ačkoli je tato technologie experimentálně známá již desítky let, díky novým chemickým látkám, vylepšeným materiálům a výkonům, které jsou nyní srovnatelné s běžnými lithium-iontovými bateriemi, je konečně zralá pro komerční využití.

Heiwit vyvinul a otestoval sodíkovo-iontovou baterii s vysokou kapacitou, přičemž použil články s vrstvenou oxidovou katodou nejnovější generace. V tomto technickém článku se podrobně podíváme na technologii SIB, porovnáme hlavní rodiny článků, které jsou dnes na trhu, vysvětlíme, proč jsme pro naše výrobky zvolili chemii vrstvených oxidů, a uvedeme skutečná data z našich článků.

1. Co je sodíkový akumulátor

Sodíková baterie je dobíjecí elektrochemické zařízení, ve kterém sodíkový iont (Na+) hraje stejnou roli jako v lithiových bateriích, kde je obsazen lithiovým iontem (Li+). V obou technologiích se ionty během nabíjení a vybíjení pohybují mezi anodou a katodou a vytvářejí rozdíl potenciálů, který se využívá k získání elektrické energie.

Proč sodík?

• Sodík je hojně zastoupen (šestý nejrozšířenější prvek na Zemi, více než 1000krát více než lithium).

• Je rozšířeno všude (není závislé na strategické těžbě jako lithium).

• Nepředstavuje riziko nedostatku surovin ani spekulace s nimi.

• Snižuje náklady a volatilitu cen v celém dodavatelském řetězci.

2. Struktura sodíkové baterie

A sodíkové baterie se v zásadě skládá ze stejných klíčových prvků jako Li-ion:

• Anoda (obvykle “tvrdý uhlík” získaný z biomasy)

• Katoda (k dispozici jsou různé chemické látky: vrstevnatý oxid, polyanionty, analogy pruské modři, oxidy manganu a železa atd.).

• Elektrolyt (kapalný roztok na bázi sodných solí v organickém rozpouštědle)

• Oddělovač (polymerní membrána)

Každý použitý materiál a chemie výrazně ovlivňuje výkon, bezpečnost, životnost a konečnou cenu baterie.

3. Hlavní katodové technologie v sodíkových bateriích

V současné době trh nabízí především tři hlavní skupiny článků SIB, z nichž každá má své přednosti a nedostatky:

3.1 Vrstvený oxid

Popis
Vrstvené oxidy (Layered Oxide) představují technologickou hranici SIB baterií. V této chemii se katoda skládá z oxidu kovu se střídavou vrstevnatou strukturou, do které se během nabíjecích a vybíjecích cyklů vkládají a odebírají ionty sodíku.

Příklady:

• NaNixCoyMnzO2 (různé varianty s Ni, Co, Mn)

• NaFeO2 a deriváty

Hlavní funkce

• Vysoká energetická hustota: dosahuje a překračuje 140 Wh/kg (některé modely až 160 Wh/kg).

• Vysoké cyklické trvání: více než 6 500 cyklů při DoD 90 % se zbytkovou kapacitou 70 % (NA-48V210Ah, články s vrstevnatými oxidy) (odhadovaná životnost článků, které používáme)

• Dobrá tepelná stabilita

• Vybíjení do -25 °C, nabíjení od 0 °C

• Pracovní napětí podobné lithiovému (mezi 2,5 a 3,8 V nominálně)

• Nízké náklady, žádný kritický kov

3.2 Polyanionty (NASICON, Na3V2(PO4)3, NaFePO4, Na2Fe2(SO4)3 atd.).

Popis
Katody na bázi polyaniontových sloučenin, jako jsou fosforečnany, sírany nebo jiné sloučeniny, s velmi stabilní krystalovou strukturou.

Funkce

• Velmi dlouhé životní cykly

• Velmi vysoká tepelná bezpečnost

• Obecně nižší hustota energie (100-120 Wh/kg)

• Nižší pracovní napětí

Typická použitíZálohování, stacionární aplikace, telekomunikace.

3.3 Analogy pruské modři (PBA, hexakyanoželezitany)

Popis
Katody složené ze struktur podobných pruské modři (komplexní ferrokyanidy/metalokyanidy).

Funkce

• Nízkonákladové buňky

• Vynikající cyklická stabilita

• Vynikající výkon při nízkých teplotách

• Skromná hustota energie (80-110 Wh/kg)

• Omezené pracovní napětí

Typická použitívelkokapacitní a levné systémy.

4. Proč Heiwit používá vrstvené oxidové články?

Po dlouhé fázi výzkumu, testování a ověřování si společnost Heiwit vybrala produkt chemie vrstevnatých oxidů pro své sodíkové baterie sází na vysokokapacitní prizmatický článek od asijského dodavatele; bateriový modul prošel přepravními zkouškami UN 38.3.

Důvody jsou různé:

• Skutečná hustota energie přes 140 Wh/kghodnota patří k nejvyšším ze všech v současnosti dostupných SIB.

• Více než 6 500 cyklů při DoD 90 % se zbytkovou kapacitou 70 % (NA-48V210Ah, články s vrstevnatými oxidy): při jednom úplném cyklu denně to odpovídá zhruba 18 letům provozu. Jde o výpočet, ne o předpověď: skutečná životnost závisí na teplotě, hloubce vybití a průměrném stavu nabití.

• Vysoké zabezpečení: splněné zkoušky vibrací, nárazu, zkratu, přebití a protlačení bez požárů či explozí během zkoušek.

• Napětí podobné článkům LiFePO4: baterie Heiwit však funguje pouze se střídači Heiwit.

• Provoz při nízkých teplotách: baterie NA-48V210Ah se vybíjí do −25 °C a nabíjí od 0 °C výše; v chladu se dostupná kapacita snižuje.

• Bez kobaltu a lithia v článcích.

5. Technické parametry článků Heiwit (Layered Oxide)

Data jsou získána z naší prizmatické buňky. NaFP71/173/204CY-210:

• Baterie NA-48V210Ah se vybíjí až do −25 °C a nabíjí se od 0 °C výše. Musí být instalována ve vnitřním prostředí.

Bezpečnostní výkon

• Snížené, nikoli však nulové tepelné riziko: při zkouškách zkratu, přebití, pádu, protlačení a tepelného šoku deklarovaných výrobcem článků nedošlo k požáru ani explozi.

Zkouška životnosti

• 6 500 cyklů při 0,5C/0,5C a DoD 90 %, zbytková kapacita nad 70 % (NA-48V210Ah, články s vrstevnatými oxidy)

• Jde o výsledek zkoušky, ne o záruku: záruka Heiwit je 10 let a neudává se v cyklech.

6. Srovnání technologií SIB

6.1 Srovnávací tabulka

6.2 Výhody našich buněk

• Více energie na menším prostoru: kompaktní články, vhodné i pro retrofit. Vždy je potřeba střídač Heiwit. Při retrofitu se zapojuje na střídavou (AC) linku existující elektrárny.

• Životní cyklus: více než 6 500 cyklů (NA-48V210Ah, články s vrstevnatými oxidy) ve zkoušce životnosti, při vybití na 90 % a zbytkové kapacitě nad 70 %.

• Stabilita a bezpečnost: při zkouškách zneužití články nepřešly do tepelného útěku (thermal runaway).

• Nulový obsah kobaltu a lithia100% “baterie budoucnosti”.

7. Mezinárodní certifikace a normy

Referenční normy pro naše články:

• OSN 38.3 (zabezpečení přepravy)

• GB/T 31484/5/6 (čínské normy pro životnost, bezpečnost a výkon trakčních baterií)

• QB/T 2502-2000 (obecné standardní lithiové baterie, kompatibilita)

• JBT 11137-2011 (sestava baterie)

Všechny články jsou testovány v reálných cyklech nabíjení/vybíjení, testuje se jejich odolnost vůči:

• Vibrace

• Mechanické nárazy

• Přebití/přebití vybití

• Zkrat

• Tepelný šok (až 130 °C)

• Vytlačování

• Volný pád z výšky 1 metr

8. Výkonnost sodíkových baterií Heiwit v reálných aplikacích

Díky vlastnostem vrstvených oxidových článků je náš sodíkové baterie jsou ideální pro:

• Stacionární úložné systémy (BESS, C&I, rozvodné sítě, obytné budovy)

• Integrace s fotovoltaickými systémy

• Mimo síť a mikrosíť

• Průmyslové aplikace náročné na cyklus

Hlavní výhody oproti lithiu jsou:

• Stabilita vůči hlubokým cyklůmSIB netrpí omezeními DoD (hloubka vybití), která mají LFP.

• Výkon při nízkých teplotách: baterie NA-48V210Ah se vybíjí do −25 °C a nabíjí od 0 °C výše

• Udržitelnost a cena: sodík je hojně dostupná surovina, méně vystavená cenovým šokům než lithium. Náklady na akumulaci je třeba porovnávat na kWh procyklovanou

• Zabezpečení: při zkouškách zkratu a rozdrcení žádný tepelný útěk a žádný požár

9. Často kladené otázky o sodíkových bateriích

Jsou baterie SIB zaměnitelné s lithiovými bateriemi?
Ne. Pracovní napětí jsou blízká hodnotám LiFePO4, ale baterie Heiwit funguje pouze se střídači Heiwit. Nenahrazuje lithiovou baterii připojenou ke střídači jiné značky.

Kolik cyklů vydrží?
Ve zkoušce životnosti zůstala po 6 500 úplných cyklech při DoD 90 % zbytková kapacita nad 70 % (NA-48V210Ah, články s vrstevnatými oxidy). Jde o výsledek zkoušky, ne o záruku: záruka Heiwit je 10 let a neudává se v cyklech.

Jsou bezpečné?
Tepelné riziko je snížené, ale ne nulové. Články prošly bezpečnostními zkouškami bez požárů či explozí. Bezpečnost však závisí na celém systému: článcích, BMS a odborně provedené instalaci.

Kolik stojí ve srovnání s lithiem?
Již dnes jsou náklady na kWh zhruba o 20% nižší a s masovou výrobou budou dále klesat.

Trpí samovybíjením?
Ne, rychlost samovybíjení je podobná jako u nejlepších lithium-železo-fosfátových (LiFePO4) článků.

10. Proč si vybrat sodíkoiontovou baterii Heiwit?

Heiwit se rozhodl vsadit vše na tuto novou hranici:

• Sodíkové baterie vyráběné a montované podle nejvyšších standardů kvality.

• Vrstvené oxidové články nejnovější generace: přes 6 500 cyklů při DoD 90 % se zbytkovou kapacitou 70 % ve zkoušce životnosti

• Systém certifikovaný dle CEI 0-21 (Virgo + baterie, TÜV SÜD) a již v provozu v reálných instalacích

• Přímá technická podpora z naší výzkumné laboratoře

Jsme přesvědčeni, že sodíkové baterie představují budoucnost pro skladování energie, zejména v Evropě, kde je nyní strategickou prioritou udržitelnost dodavatelského řetězce a nezávislost na kritických surovinách.

11. Závěry

La sodíkové baterie je již realitou, s doloženými parametry a se sníženým, nikoli však nulovým tepelným rizikem. Články s vrstevnatými oxidy vybrané společností Heiwit jsou vhodným řešením pro ty, kdo hledají úložiště bez lithia s dlouhou životností.

Ať už jste instalatér, projektant skladovacích systémů, společnost, která touží po energii, nebo se prostě jen zajímáte o nové technologie, naše řešení jsou připravena na přechod na novou energetiku.
Kontaktujte nás a získejte podrobné datové listy, laboratorní testy, příklady instalace a specializované nabídky.

Heiwit: Budoucnost energie je v sodíkové baterii.