Μπαταρίες νατρίου σε χαμηλές θερμοκρασίες: γιατί στους −20 °C εξακολουθούν να αποδίδουν το 95%

C’è un difetto delle batterie domestiche di cui i cataloghi parlano poco: al freddo rendono meno. Non è un dettaglio marginale, perché il momento in cui rendono meno coincide con il momento in cui servono di più. A gennaio il fotovoltaico produce una frazione di quello che produce a luglio, le giornate sono corte, i consumi serali sono alti — ed è proprio allora che l’accumulo consegna una parte della capacità che avete pagato.

Su questo punto la differenza fra le chimiche è netta e misurabile. Questo articolo riporta i dati di qualifica delle celle polianioniche NFPP alle basse temperature e spiega da dove viene il divario.

Il dato

Il protocollo di prova è semplice: la cella viene caricata a 3,5 V con potenza 0,5P, lasciata a riposo per dieci minuti, e poi scaricata alla temperatura di prova. Si misura quanta della capacità nominale riesce effettivamente a consegnare.

Nella prova diretta a −20 °C il valore misurato sulla cella NFPP è 95,04% della capacità nominale. La cella LFP di riferimento, nella stessa prova, si ferma al 67,8%.

La riga dei −40 °C merita una lettura attenta, perché lo zero non è un arrotondamento: piombo-acido, litio ferro fosfato e nichel-manganese-cobalto a quella temperatura non sono semplicemente inefficienti, sono inutilizzabili. La chimica polianionica al sodio resta sopra l’85%.

Perché il sodio se la cava meglio

Le ragioni sono due, e agiscono su punti diversi della cella.

La desolvatazione all’interfaccia

Uno ione che si muove nell’elettrolita non viaggia nudo: è circondato da un guscio di molecole di solvente che gli si attaccano attorno. Per entrare nell’elettrodo deve liberarsene, e questo costa energia. È il passaggio chiamato desolvatazione, ed è il collo di bottiglia principale alle basse temperature: quando la cella è fredda, l’energia disponibile per compiere quel passaggio si riduce e la reazione rallenta.

Lo ione sodio è più grande di quello di litio, e proprio per questo trattiene il guscio di solvente meno saldamente: la densità di carica sulla sua superficie è più bassa. Paradossalmente, l’essere più ingombrante — che è il motivo per cui il sodio immagazzina meno energia per chilogrammo — è anche il motivo per cui si stacca dal solvente con più facilità quando fa freddo.

Le vie di diffusione nel catodo

La seconda ragione riguarda la struttura del materiale attivo. Nel litio ferro fosfato, che ha struttura olivina, gli ioni si muovono lungo canali monodimensionali: un solo percorso possibile, e se quel percorso si ostruisce — per un difetto del reticolo o per il rallentamento indotto dalla temperatura — non ci sono alternative.

Il reticolo polianionico NFPP offre invece una rete di vie di diffusione tridimensionali. Lo ione ha più strade per raggiungere il proprio sito, e il rallentamento dovuto al freddo pesa molto meno sul risultato complessivo.

Che cosa cambia sull’impianto

Il numero da solo dice poco. Vale la pena tradurlo.

Prendiamo un accumulo da 10 kWh in un locale tecnico non riscaldato — un garage, una cantina, un vano contatori esterno — in una mattina di gennaio del Nord Italia, a −5 °C. Una batteria LFP consegna una frazione ridotta della capacità nominale; il proprietario vede una batteria “da 10 kWh” che ne restituisce sensibilmente meno, e lo vede proprio nei giorni di massima bolletta. Il fenomeno è reversibile — al ritorno delle temperature miti la capacità torna — ma nel frattempo l’accumulo ha lavorato al di sotto delle attese per l’intera stagione fredda.

Con una cella che a −20 °C conserva oltre il 90%, a −5 °C la perdita è trascurabile. La batteria si comporta d’inverno come d’estate.

La differenza diventa dirimente in tre situazioni:

• Installazioni in quota, dove le minime invernali stanno stabilmente sotto zero e un locale tecnico riscaldato è raramente disponibile.
• Installazioni esterne o in vani non climatizzati, che sono la norma nel commerciale e nell’industriale.
• Mercati del Nord e dell’Est Europa — Germania, Polonia, Repubblica Ceca, Svezia — dove la stagione fredda è più lunga e più rigida di quella italiana, e dove il divario di resa si accumula su molti più giorni all’anno.

Il rovescio della medaglia

Per completezza: il vantaggio al freddo non è gratuito. Deriva dalle stesse proprietà dello ione sodio che ne limitano la densità energetica, come spiegato in un altro approfondimento. Non esiste una chimica che vinca su tutti i parametri: esiste la chimica adatta all’applicazione.

Per un accumulo stazionario, che resta fermo dove è stato installato e deve funzionare in modo prevedibile per vent’anni in un locale che nessuno riscalda, la resa alle basse temperature vale più dei watt-ora per chilogrammo.

Συχνές ερωτήσεις

Serve riscaldare il locale della batteria?

Con una chimica che a −20 °C conserva oltre il 90% della capacità, no. È invece una precauzione che alcune installazioni con batterie al litio adottano proprio per compensare il calo di resa invernale.

Il calo di capacità al freddo è permanente?

No, è reversibile: al risalire della temperatura la capacità torna disponibile. Il problema non è il danno alla batteria, è che l’energia non c’è quando serve.

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.