Sodium Ion Battery: Complete Technical Guide, Technology Comparison and Advantages of Heiwit's Layered Oxide Cells

Le chimiche descritte qui sono quelle impiegate nella Heiwit range of sodium-ion batteries.

Introduction

Negli ultimi anni il mondo dell’accumulo energetico ha visto l’emergere di una tecnologia destinata a cambiare radicalmente gli equilibri: la sodium ion battery (SIB, Sodium-Ion Battery). Questa tecnologia, pur essendo nota da decenni a livello sperimentale, è finalmente matura per la commercializzazione grazie a nuove chimiche, miglioramenti nei materiali e performance ormai comparabili alle tradizionali batterie agli ioni di litio.

Heiwit è tra il primo produttore in Europa ad aver realizzato e testato su larga scala una batteria agli ioni di sodio ad alta capacità, adottando cells with layered oxide cathode di ultima generazione. In questo articolo tecnico analizziamo a fondo la tecnologia SIB, confrontiamo le principali famiglie di celle presenti oggi sul mercato, spieghiamo perché abbiamo scelto la chimica layered oxide per i nostri prodotti, e presentiamo i dati reali delle nostre celle, certificate per applicazioni di accumulo industriale.

1. Cos’è una batteria agli ioni di sodio

La batteria agli ioni di sodio è un dispositivo elettrochimico ricaricabile in cui lo ione sodio (Na+) svolge lo stesso ruolo che nelle batterie agli ioni di litio è occupato dallo ione litio (Li+). In entrambe le tecnologie, gli ioni si spostano tra l’anodo e il catodo durante la carica e la scarica, generando una differenza di potenziale che viene sfruttata per fornire energia elettrica.

Perché il sodio?

• Il sodio è abbondante (il 6° elemento più presente sulla Terra, più del litio di oltre 1000 volte).

• È distribuito ovunque (nessuna dipendenza da miniere strategiche come per il litio).

• Non pone rischi di scarsità o speculazione sulle materie prime.

• Riduce i costi e la volatilità dei prezzi lungo tutta la filiera.

2. Structure of a sodium ion battery

A sodium ion battery è composta, in linea di principio, dagli stessi elementi chiave di una Li-ion:

• Anode (tipicamente carbonio duro “hard carbon” ottenuto da biomassa)

• Cathode (different chemistries available: layered oxide, polyanions, Prussian Blue Analogues, manganese/iron oxides, etc.).

• Electrolyte (liquid solution based on sodium salts in an organic solvent)

• Separator (polymer membrane)

Each material and chemistry adopted strongly influences the performance, safety, durability and final cost of the battery.

3. The main cathode technologies in sodium ion batteries

Today, the market mainly offers three major families of SIB cells, each with its own merits and shortcomings:

3.1 Layered Oxide

Description
Gli ossidi a strati (Layered Oxide) rappresentano la frontiera tecnologica delle batterie SIB. In questa chimica, il catodo è composto da un ossido metallico con struttura a strati alternati, in cui gli ioni sodio si inseriscono e si estraggono durante i cicli di carica e scarica.

Examples:

• NaNixCoyMnzO2 (different variants with Ni, Co, Mn)

• NaFeO2 and derivatives

Main features

• Alta densità energetica: reaches and exceeds 140 Wh/kg (some models go up to 160 Wh/kg)

• High cyclic duration: up to 6,000 cycles (our tested cells)

• Buona stabilità termica

• Excellent performance even at low temperatures

• Lithium-like working voltage (between 2.5 and 3.8 V nominal)

• Low cost, no critical metal

3.2 Polyanions (NASICON, Na3V2(PO4)3, NaFePO4, Na2Fe2(SO4)3, etc.).

Description
Cathodes based on polyanionic compounds, such as phosphates, sulphates or other compounds, with a very stable crystal structure.

Features

• Very long life cycles

• Very high thermal safety

• Densità energetica generalmente inferiore (100-120 Wh/kg)

• Tensione di lavoro più bassa

Typical usesBackup, stationary applications, telecom.

3.3 Prussian Blue Analogues (PBA, hexacyanoferrates)

Description
Catodi composti da strutture simili al “blu di Prussia” (ferrocianuri/metallocianuri complessi).

Features

• Low-cost cells

• Eccellente stabilità ciclica

• Excellent performance at low temperatures

• Densità energetica modesta (80-110 Wh/kg)

• Limited working voltage

Typical useslarge storage, low-cost systems.

4. Perché Heiwit usa le celle Layered Oxide

After a long phase of research, testing and validation, Heiwit chose the layered oxide chemistry per le proprie batterie agli ioni di sodio, puntando su una cella prismatica ad alta capacità prodotta da un primario fornitore asiatico, certificata secondo tutti i principali standard internazionali (UN 38.3, GB/T 31484/5/6, QB/T 2502-2000).

The reasons are manifold:

• Densità energetica reale di oltre 140 Wh/kg: valore tra i più alti tra tutte le SIB attualmente disponibili.

• Life cycles greater than 6,000 (with retention >70%): quindi la batteria può essere utilizzata per almeno 15-20 anni anche in cicli giornalieri.

• High securityPassing all safety tests (vibration, shock, short circuit, overload, extrusion, etc.) without risk of fire or explosion.

• Elevata compatibilità con i BMS esistenti and voltages similar to LiFePO4 cells, so retrofitting is easy in many applications.

• Excellent performance at low temperatures: oltre il 75% della capacità nominale già a -30°C, quindi ideale per mercati europei.

• Absence of cobalt, nickel and lithium: sostenibilità totale.

5. Technical parameters of Heiwit (Layered Oxide) cells

The data are extracted from our prismatic cell NaFP71/173/204CY-210:

• A -20°C: capacità > 60% della nominale

• A -30°C: capacità > 75%

• A -40°C: capacità > 60%

Safety performance

• No risk of fire/explosion as a result of: short circuit, overload, drop, extrusion, thermal shock (tests passed according to UL1642 and GB380318).

Actual duration

• 6,000 cycles at 0.5C/0.5C, retention >70%

• Even with deep cycles (DoD 90%)

6. Comparison of SIB technologies

6.1 Comparative Table

6.2 Advantages of our cells

• Più energia in meno spazioperfect for retrofit or 1:1 replacement with LiFePO4 modules.

• Life Cycle: più di 6000 cicli significa oltre 15 anni di utilizzo anche in condizioni stressanti.

• Stabilità e sicurezzaNo risk of thermal runaway, even in case of severe abuse.

• Zero cobalt, nickel and lithium: 100% “battery of the future”.

7. International certifications and standards

Our cells comply with the main global standards:

• UN 38.3 (security for transport)

• GB/T 31484/5/6 (storage battery performance and safety)

• QB/T 2502-2000 (standard generale batterie litio, compatibilità)

• JBT 11137-2011 (battery assembly)

All cells are tested on real charge/discharge cycles, tested for resistance to:

• Vibrations

• Mechanical shocks

• Overcharge/overdischarge

• Short circuit

• Shock termico (fino a 130°C)

• Extrusion

• Free fall from 1 metre

8. Performance of Heiwit sodium ion batteries in real applications

Thanks to the characteristics of layered oxide cells, our sodium ion batteries are ideal for:

• Stationary storage systems (BESS, C&I, grid, residential)

• Integration with photovoltaic systems

• Off-grid and micro-grid

• Applicazioni industriali ad alta intensità di cicli

The key advantages over lithium are:

• Stabilità ai cicli profondiSIBs do not suffer from the DoD (Depth of Discharge) limitations of LFPs

• Performance at low temperatures: il litio cala drasticamente sotto zero, le nostre SIB mantengono più del 60% della capacità anche a -20°C

• Sostenibilità e prezzo: la cella a ioni di sodio costa meno a parità di kWh installato, non è soggetta a shock di prezzo delle materie prime

• Securityno runaway risk, no fire, even in the event of a short circuit or crushing

9. Frequently asked questions about sodium ion batteries

Are SIBs interchangeable with lithium batteries?
Sì, la tensione di lavoro e le logiche BMS sono compatibili con i moduli LiFePO4, il che consente retrofit senza grandi modifiche.

Do they really last 6,000 cycles?
Sì, tutti i nostri test hanno confermato una retention superiore al 70% dopo 6.000 cicli completi, valore superiore a molte batterie litio oggi sul mercato.

Are they safe?
Sì, superano tutti i test internazionali di sicurezza, senza rischio di incendio o esplosione.

How much do they cost compared to lithium?
Già oggi il costo a kWh è inferiore di circa il 20%, destinato a scendere ulteriormente con la produzione di massa.

Soffrono l’autoscarica?
No, il tasso di autoscarica è simile a quello delle migliori celle litio-ferro-fosfato (LiFePO4).

10. Perché scegliere una batteria agli ioni di sodio Heiwit

Heiwit has chosen to bet everything on this new frontier:

• Sodium ion battery produced and assembled to the highest quality standards

• Layered Oxide Cells di ultima generazione, con i migliori parametri di densità, durata e sicurezza

• Headquartered in Europe e già operative in impianti reali

• Direct technical support from our research laboratory

Siamo convinti che le batterie agli ioni di sodio rappresentino il futuro per l’accumulo energetico, soprattutto in Europa, dove la sostenibilità della filiera e l’indipendenza dalle materie prime critiche sono ormai una priorità strategica.

11. Conclusions

La sodium ion battery è una realtà già oggi: affidabile, performante, sicura e conveniente. Le celle layered oxide selezionate da Heiwit rappresentano il top per chi cerca energia pulita e accumulo di lunga durata senza compromessi.

Che tu sia un installatore, un progettista di sistemi di accumulo, un’azienda energivora o semplicemente interessato alle nuove tecnologie, le nostre soluzioni sono pronte per la transizione energetica.
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Heiwit: il futuro dell’energia passa dalla batteria agli ioni di sodio.