NFPP-Natrium-Ionen-Zellen bei niedrigen Temperaturen: 95% Kapazität bei −20 °C in den Qualifizierungstests

Es gibt einen Makel von Hausbatterien, über den in Katalogen selten gesprochen wird: Bei Kälte leisten sie weniger. Das ist kein Randdetail, denn der Zeitpunkt, zu dem sie weniger leisten, fällt mit dem Moment zusammen, in dem sie am meisten gebraucht werden. Im Januar produziert die Photovoltaik nur einen Bruchteil dessen, was sie im Juli produziert, die Tage sind kurz, der abendliche Stromverbrauch ist hoch – und genau dann liefert der Stromspeicher nur einen Teil der Kapazität, für die Sie bezahlt haben.

In diesem Punkt ist der Unterschied zwischen den Chemien klar und messbar. Dieser Artikel enthält die Qualifikationsdaten der polyanionische Zellen NFPP bei niedrigen Temperaturen und erklärt, woher die Kluft stammt.

Die Angabe

Das Prüfprotokoll ist einfach: Die Zelle wird bei einer Leistung von 0,5P auf 3,5 V geladen, zehn Minuten lang ruhen gelassen und dann bei der Prüftemperatur entladen. Es wird gemessen, wie viel von der Nennkapazität sie tatsächlich abgeben kann.

Die Werte für die Referenzchemie stammen aus Tests an den in der Quelle angegebenen spezifischen Vergleichszellen unter den aufgeführten Testbedingungen. Sie sind nicht als universelle Leistungswerte der jeweiligen chemischen Familien zu interpretieren, da diese Zellen mit stark voneinander abweichenden Formulierungen und Konstruktionen umfassen.

Im Direktvergleich bei −20 °C beträgt der an der Zelle NFPP gemessene Wert 95,04% der Nennkapazität. Die LFP-Referenzzelle stoppt im selben Test bei 67,8%.

Die Zeile bei −40 °C verdient eine sorgfältige Lektüre, da der Wert Null keine Rundung darstellt. Die Referenzzellen aus Blei-Säure, Lithium-Eisenphosphat und Nickel-Mangan-Kobalt liefern bei dieser Temperatur keine für den Test nutzbare Kapazität. Die polyanionische Natriumzelle bleibt über dem Wert 85%.

Es muss genau gesagt werden, was das bedeutet: das Ergebnis betrifft die in diesem Test als Referenz verwendeten Zellen, nicht jede bestehende LFP- oder NMC-Zelle. Das Kälteverhalten hängt von der Elektrolytformulierung, dem Zellaufbau und dem Testprotokoll ab, und innerhalb jeder chemischen Familie sind die Unterschiede groß.

Warum Natrium besser abschneidet

Die Gründe sind zwei und wirken auf verschiedene Punkte der Zelle.

Die Entsolvatisierung an der Grenzfläche

Ein Ion, das sich im Elektrolyten bewegt, reist nicht nackt: Es ist von einer Hülle aus Lösungsmittelmolekülen umgeben, die sich an es anlagern. Um in die Elektrode einzudringen, muss es diese abstreifen, und das kostet Energie. Es ist der Schritt, der genannt wird Desolvatisierung, und er stellt den Hauptengpass bei niedrigen Temperaturen dar: Wenn die Zelle kalt ist, verringert sich die für diesen Übergang verfügbare Energie und die Reaktion verlangsamt sich.

Das Natriumion ist größer als das Lithiumion und hält genau deshalb die Solvathülle zurück. weniger festDie Ladungsdichte auf seiner Oberfläche ist geringer. Paradoxerweise ist genau das Voluminösere — was der Grund dafür ist, dass Natrium pro Kilogramm weniger Energie speichert — auch der Grund dafür, dass es sich bei Kälte leichter vom Lösungsmittel ablöst.

Die Diffusionswege in der Kathode

Der zweite Grund betrifft die Struktur des Aktivmaterials. Im Lithium-Eisen-Phosphat, das eine Olivinstruktur aufweist, bewegen sich die Ionen entlang eindimensionale Kanäle: nur ein einziges möglicher Weg, und wenn dieser Weg blockiert wird — durch einen Gitterfehler oder durch die temperaturbedingte Verlangsamung —, gibt es keine Alternativen.

Das polyanionische Gitter NFPP bietet hingegen ein Netzwerk aus dreidimensionale Verbreitungswege. Das Ion hat mehrere Wege, um zu seinem Zielort zu gelangen, und die durch die Kälte verursachte Verlangsamung fällt beim Gesamtergebnis viel weniger ins Gewicht.

Was ändert sich an der Anlage

Die Zahl allein sagt wenig aus. Es lohnt sich, sie zu übersetzen.

Nehmen wir einen 10-kWh-Stromspeicher in einem unbeheizten Technikraum – einer Garage, einem Keller, einem externen Zählerraum – an einem Januarmorgen in Norditalien bei −5 °C. Eine LFP-Batterie liefert nur einen Bruchteil ihrer Nennkapazität; der Besitzer sieht eine “10-kWh”-Batterie, die spürbar weniger abgibt, und das ausgerechnet an den Tagen mit der höchsten Stromrechnung. Das Phänomen ist reversibel – bei milderem Wetter kehrt die Kapazität zurück –, aber in der Zwischenzeit hat der Speicher die gesamte kalte Jahreszeit hindurch unter den Erwartungen gearbeitet.

Bei einer Zelle, die bei −20 °C mehr als 90% beibehält, ist der Verlust bei −5 °C vernachlässigbar. Die Batterie verhält sich im Winter genauso wie im Sommer.

Der Unterschied wird in drei Situationen entscheidend:

• Höhenarbeiten, wo die winterlichen Tiefstwerte stabil unter dem Gefrierpunkt liegen und ein beheizter Technikraum selten verfügbar ist.
• Außeninstallationen oder in nicht klimatisierten Transportern, die im Gewerbe- und Industriebereich die Norm sind.
• Märkte in Nord- und Osteuropa – Deutschland, Polen, die Tschechische Republik, Schweden – wo die kalte Jahreszeit länger und strenger ist als in Italien und wo sich die Ertragslücke über viel mehr Tage im Jahr summiert.

Die Kehrseite der Medaille

Der Vollständigkeit halber: Der Kältevorteil ist nicht gratis. Er resultiert aus denselben Eigenschaften des Natriumions, die seine Energiedichte einschränken., wie in einem anderen Vertiefungsbeitrag erklärt. Es gibt keine Chemie, die in allen Parametern gewinnt: Es gibt die Chemie, die für die Anwendung geeignet ist.

Für einen stationären Speicher, der an seinem Installationsort verbleibt und zwanzig Jahre lang in einem unbeheizten Raum zuverlässig funktionieren muss, zählt die Leistung bei niedrigen Temperaturen mehr als die Wattstunden pro Kilogramm.

Häufig gestellte Fragen

Muss der Batterieraum beheizt werden?

Bei einer Chemie, die bei −20 °C über 90% der Kapazität beibehält, nein. Es handelt sich vielmehr um eine Vorsichtsmaßnahme, die bei einigen Anlagen mit Lithium-Batterien gerade deshalb getroffen wird, um den Leistungsabfall im Winter auszugleichen.

Ist der Kapazitätsverlust bei Kälte permanent?

Nein, es ist reversibel: Wenn die Temperatur wieder steigt, steht die Kapazität wieder zur Verfügung. Das Problem ist nicht der Schaden an der Batterie, sondern dass die Energie nicht da ist, wenn man sie braucht.

Perché lo ione sodio, che è più grande, si comporta meglio al freddo?

Perché la sua carica è distribuita su una superficie maggiore, quindi trattiene meno saldamente il guscio di molecole di solvente che deve abbandonare per entrare nell’elettrodo. Quel passaggio è il principale ostacolo alle basse temperature.

Vale anche in carica, o solo in scarica?

I dati riportati qui si riferiscono alla prova di scarica a temperatura controllata, che è la condizione critica per un accumulo fotovoltaico: la scarica avviene la sera e la notte, quando la temperatura è al minimo.