Με την ανάπτυξη ηλεκτρικών οχημάτων και συστημάτων αποθήκευσης (BESS) σε όλο και πιο “κρίσιμα” για την ασφάλεια περιβάλλοντα (κλειστά περιβάλλοντα, κτίρια, υποδομές, εφοδιαστική μεγάλης κλίμακας), η ζήτηση δεν είναι πλέον μόνο πόση ενέργεια μπορούμε να αποθηκεύσουμε, αλλά πώς συμπεριφέρεται μια μπαταρία όταν κάτι πάει στραβά.

Μια πρόσφατη επιστημονική ανασκόπηση προτείνει μια “τεκμηριωμένη” συγκριτική ανάλυση της ασφάλειας μεταξύ των καθιερωμένων (ιόντων λιθίου) και των αναδυόμενων (ιόντων νατρίου και στερεάς κατάστασης) τεχνολογιών, η οποία δείχνει μια σαφή τάση: μετακίνηση από τη “μηχανική” ασφάλεια (BMS, ψύξη, διαμερισματοποίηση) προς μια πιο "μηχανική" ασφάλεια. εγγενής, που σχετίζονται με τη χημεία και τα υλικά.

Στο πλαίσιο αυτής της εξέλιξης, η μπαταρίες ιόντων νατρίου (SIB) κερδίζουν την προσοχή όχι μόνο για το κόστος και τη διαθεσιμότητα των πρώτων υλών, αλλά κυρίως για ορισμένα μετρήσιμα πλεονεκτήματα ασφάλειας. 

1) Αυξημένο “θερμικό περιθώριο” πριν από την ενεργοποίηση της ανεξέλεγκτης λειτουργίας 

Ένας από τους σημαντικότερους δείκτες είναι η θερμοκρασία T2, δηλ. το όριο πέρα από το οποίο η θερμική διαφυγή γίνεται μη αναστρέψιμη. Σε διάφορες πειραματικές συγκρίσεις, τα SIBs παρουσιάζουν υψηλότερες θερμοκρασίες ενεργοποίησης σε σύγκριση με πολλά ιόντα Li-ion υψηλής ενέργειας: η ανασκόπηση αναφέρει τυπικές τιμές στην περιοχή ~220-260/280 °C, κατά ~170-220 °C για το NMC (με όλα τα άλλα να είναι ίσα).

Αυτό σημαίνει περισσότερο περιθώριο να εντοπίσουν την ανωμαλία και να αναλάβουν δράση (θερμικός έλεγχος, μόνωση μονάδας, διαδικασίες έκτακτης ανάγκης).

Και όχι μόνο αυτό: όταν συμβαίνει το γεγονός, η βιβλιογραφία συχνά περιγράφει μια δυναμική λιγότερο “βίαιη”, με λιγότερη έκλυση θερμότητας και βραδύτερη εξέλιξη (άρα περισσότερος χρόνος για μετριασμό και εκκένωση). 

2) Βραδύτερη διάδοση: περισσότερος χρόνος για τον περιορισμό του ατυχήματος

Σε πραγματικές εφαρμογές, η σοβαρότητα ενός σφάλματος σχετίζεται συχνά με την ικανότητά του να διαδίδεται από ένα κύτταρο σε γειτονικά κύτταρα. Για SIBs ενδιάμεσοι ρυθμοί διάδοσης (π.χ. ~1,6-2,0 °C/min) και χρόνους “ενεργοποίησης των γειτόνων” της τάξης του λεπτά (π.χ. 8-12 λεπτά σε ορισμένες αναφορές), γεγονός που είναι πιο διαχειρίσιμο από τις χημικές ουσίες ιόντων λιθίου υψηλής ενέργειας, όπου η διάδοση μπορεί να είναι πολύ γρήγορη.

Για έναν ολοκληρωτή συστημάτων, αυτό μεταφράζεται σε ένα πρακτικό μήνυμα: στρατηγικές διαμερισματοποίησης, αισθητικοποίησης και καταστολής μπορεί να έχουν ευρύτερο παράθυρο αποτελεσματικότητας. 

3) Αέριο εξαερισμού: λιγότερο υδρογόνο, μικρότερος κίνδυνος εκρηκτικότητας

Μια άλλη διάσταση που συχνά υποτιμάται είναι η σύνθεση αερίου απελευθερώνεται σε συνθήκες αστοχίας. Η ανασκόπηση δείχνει ότι, ενώ ο σχηματισμός εύφλεκτων αερίων (CO, υδρογονάνθρακες) παραμένει πιθανός, στα SIBs το κλάσμα των H₂ τείνει να είναι χαμηλότερη σε σύγκριση με ορισμένα ιόντα Li-ion (π.χ.: ~30% κατά ~42% που αναφέρονται για την LFP σε ενοποιημένα σύνολα δεδομένων). Δεδομένου ότι το υδρογόνο έχει πολύ ευρύ φάσμα ευφλεκτότητας και χαμηλή ενέργεια ανάφλεξης, η μείωση της παρουσίας του μπορεί να μειώσει τον εκρηκτικό κίνδυνο του μείγματος.

Επιπλέον, αναφέρεται ότι τα αέρια SIB μπορεί να παρουσιάζουν χαμηλότερη μέγιστη πίεση έκρηξης και δείκτης εκτόνωσης από το LFP και το NMC, που αποδίδεται σε υψηλότερο CO₂ (μη εύφλεκτα) και χαμηλότερες συγκεντρώσεις εξαιρετικά αντιδραστικών ειδών. 

4) Τοξικότητα: ένα δυνητικά καλύτερο προφίλ (και ένας δρόμος προς το “μηδενικό HF”)

Στην BESS σε κτίρια, θαλάσσια περιβάλλοντα ή περιορισμένους χώρους, η ασφάλεια δεν είναι μόνο η φωτιά: είναι επίσης τοξικότητα καπνού. Η ανασκόπηση προτείνει μια ιεραρχία στην οποία, για σενάρια όπου η συσσώρευση τοξικών αερίων είναι κρίσιμη, οι SIB είναι ανταγωνιστικές και, με τους κατάλληλους ηλεκτρολύτες, μπορούν να γίνουν ιδιαίτερα ενδιαφέρουσες: αναφέρουν HF στην περιοχή ~400-1000 ppm για την SIB με NaPF₆ και τη δυνατότητα μηδέν HF με διατυπώσεις Χωρίς φθόριο; Συγκριτικά, επισημαίνεται ότι η LFP μπορεί να παράγει πολύ υψηλά επίπεδα HF (της τάξης των 3000-8000 ppm).

Το σημείο κλειδί δεν είναι ότι “μια μπαταρία είναι πάντα ασφαλέστερη από μια άλλη”, αλλά ότι η κυρίαρχη μετρική αλλάζει ανάλογα με το σενάριοΣε κλειστούς χώρους, το τοξικολογικό προφίλ μπορεί να ζυγίζει όσο (ή περισσότερο) το Τ2 και η διάδοση. 

5) Ο πραγματικός παίκτης που αλλάζει το παιχνίδι για την εφοδιαστική και τη συντήρηση: μεταφορά 0-volt 

Από όλα τα πλεονεκτήματα, υπάρχει ένα ιδιαίτερα λειτουργικό: οι SIBs μπορεί να εκφορτιστεί και να μεταφερθεί σε 0 V με ασφάλεια. Το σκεπτικό βρίσκεται στα υλικά: νάτριο δεν κραματώνεται με αλουμίνιο σε τυπικές συνθήκες ανόδου, καθιστώντας δυνατή τη χρήση συλλεκτών αλουμινίου και στην πλευρά της ανόδου και αποφεύγοντας ορισμένους τρόπους αστοχίας που είναι χαρακτηριστικοί για τον χαλκό σε ιόντα Li- με χαμηλό SOC (π.χ. προβλήματα διάλυσης και επανεκκίνησης). Αποτελέσματα: λιγότερη “αποθηκευμένη” ενέργεια κατά τη μεταφορά και την αποθήκευση και τη μείωση των κινδύνων από βραχυκυκλώματα, τόξα και θερμικά συμβάντα στην αλυσίδα εφοδιασμού.

Για την αλυσίδα εφοδιασμού αυτό σημαίνει δυνητικά:

- διαδικασίες της αποθήκη e ναυτιλία πιο ισχυρή,;

- ευκολότερη διαχείριση των τέλος της γραμμής, βοήθεια e EOL (από την άποψη της επιχειρησιακής ασφάλειας),;

- μείωση του υπολειπόμενου κινδύνου κατά το χειρισμό και τη συντήρηση. 

Τι ακολουθεί: πού έχουν περισσότερο νόημα οι SIB σήμερα 

Η ίδια η ανασκόπηση είναι πολύ σαφής: οι “κατατάξεις” της ασφάλειας δεν είναι καθολικές και πρέπει να διαβαστεί με εφαρμογή. Τούτου λεχθέντος, το σύνολο των αποδεικτικών στοιχείων (θερμικό περιθώριο, βραδύτερη διάδοση, λιγότερα εκρηκτικά αέρια, βελτιωμένο τοξικολογικό προφίλ και εφοδιαστική 0 V) καθιστά τα SIB ισχυρούς υποψηφίους ιδίως για:

• σταθερή συσσώρευση (BESS) όπου η ασφάλεια και το συνολικό κόστος μετράνε περισσότερο από τη μέγιστη ενεργειακή πυκνότητα,;

- εγκαταστάσεις στις οποίες εφοδιαστική και αποθήκευση αποτελούν παράγοντα κινδύνου (αλυσίδα εφοδιασμού, εργοτάξια, απομακρυσμένες τοποθεσίες),;

- περιβάλλοντα όπου απαιτείται συμβιβασμός μεταξύ απόδοσης και λειτουργική ευρωστία.

Συνοψίζοντας: οι μπαταρίες ιόντων νατρίου δεν είναι “μαγικά άτρωτες”, αλλά παρουσιάζουν μετρήσιμα οφέλη ασφάλειας και, πάνω απ' όλα, ένα μοναδικό λειτουργικό πλεονέκτημα (0 V) που μπορεί να γίνει καθοριστικό σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές.