Nátrium-ion akkumulátor: Teljes műszaki útmutató, technológiai összehasonlítás és a Heiwit réteges oxidcellák előnyei

Az itt leírt kémiai eljárások azok, amelyeket a Heiwit nátrium-ion akkumulátor-sorozat.

Bevezetés

Az elmúlt években az energiatárolás világában egy olyan technológia jelent meg, amely gyökeresen megváltoztatja az egyensúlyt: a nátrium-ion akkumulátor (SIB, nátrium-ion akkumulátor). Bár ez a technológia már évtizedek óta ismert kísérletileg, az új kémiai eljárásoknak, az anyagfejlesztéseknek és a hagyományos lítium-ion akkumulátorokhoz hasonló teljesítménynek köszönhetően végre megérett a kereskedelmi forgalomba hozatalra.

A Heiwit nagy kapacitású nátrium-ion akkumulátort fejlesztett ki és tesztelt, amelyben cellák réteges oxid katóddal a legújabb generáció. Ebben a műszaki cikkben részletesen megvizsgáljuk a SIB-technológiát, összehasonlítjuk a jelenleg a piacon lévő főbb cellafamíliákat, elmagyarázzuk, miért választottuk termékeinkhez a réteges oxidkémia technológiát, és bemutatjuk celláink tényleges adatait.

1. Mi az a nátrium-ion akkumulátor

A nátriumion-akkumulátor olyan újratölthető elektrokémiai eszköz, amelyben a nátriumion (Na+) ugyanazt a szerepet tölti be, mint a lítiumion-akkumulátorokban a lítiumion (Li+). Mindkét technológiában az ionok töltés és kisütés közben az anód és a katód között mozognak, potenciálkülönbséget generálva, amelyet elektromos energia előállítására használnak fel.

Miért nátrium?

• A nátrium nagy mennyiségben fordul elő (a 6. leggyakoribb elem a Földön, több mint 1000-szer több, mint a lítium).

• Mindenhol elterjedt (nem függ a stratégiai bányászattól, mint a lítium esetében).

• Nem áll fenn a nyersanyaghiány vagy a spekuláció veszélye.

• Csökkenti a költségeket és az áringadozást az egész ellátási láncban.

2. A nátrium-ion akkumulátor felépítése

A nátrium-ion akkumulátor elvileg ugyanazokból a kulcselemekből áll, mint a Li-ion:

• Anód (jellemzően biomasszából nyert “kemény szén”)

• Katód (különböző vegyületek állnak rendelkezésre: réteges oxid, polianionok, poroszkék analógok, mangán/vas-oxidok stb.).

• Elektrolit (nátriumsókon alapuló folyékony oldat szerves oldószerben)

• Elválasztó (polimer membrán)

Az egyes anyagok és vegyületek erősen befolyásolják az akkumulátor teljesítményét, biztonságát, tartósságát és végső költségét.

3. A nátrium-ion akkumulátorok fő katódtechnológiái

Ma a piac elsősorban három nagy SIB-cellacsaládot kínál, amelyek mindegyike rendelkezik saját előnyeivel és hiányosságaival:

3.1 Réteges oxid

Leírás
A réteges oxidok (réteges oxid) jelentik a SIB akkumulátorok technológiai határát. Ebben a vegyületben a katód egy váltakozó réteges szerkezetű fémoxidból áll, amelybe a töltési és kisütési ciklusok során nátriumionok kerülnek be és vonódnak ki.

Példák:

• NaNixCoyMnzO2 (különböző Ni, Co, Mn változatai)

• NaFeO2 és származékai

Fő jellemzők

• Nagy energiasűrűség: eléri és meghaladja a 140 Wh/kg-ot (egyes modellek akár 160 Wh/kg-ot is elérhetnek).

• Nagy ciklikus időtartam: több mint 6.500 ciklus 90%-os DoD mellett, 70%-os maradék kapacitással (NA-48V210Ah, réteges oxidos cellák) (az általunk használt cellák becsült élettartama)

• Jó hőstabilitás

• Kisütés -25 °C-ig, töltés 0 °C-tól

• Lítium-szerű üzemi feszültség (2,5 és 3,8 V névleges feszültség között)

• Alacsony költség, nincs kritikus fém

3.2 Polianionok (NASICON, Na3V2(PO4)3, NaFePO4, Na2Fe2(SO4)3 stb.).

Leírás
Polianionos vegyületeken, például foszfátokon, szulfátokon vagy más, nagyon stabil kristályszerkezetű vegyületeken alapuló katódok.

Jellemzők

• Nagyon hosszú életciklusok

• Nagyon magas termikus biztonság

• Általában alacsonyabb energiasűrűség (100-120 Wh/kg)

• Alacsonyabb üzemi feszültség

Tipikus felhasználási módokBiztonsági mentés, helyhez kötött alkalmazások, távközlés.

3.3 Poroszkék analógok (PBA, hexacianoferrátok)

Leírás
“Poroszkék”-szerű struktúrákból (komplex ferrocianidok/metallocianidok) álló katódok.

Jellemzők

• Alacsony költségű cellák

• Kiváló ciklikus stabilitás

• Kiváló teljesítmény alacsony hőmérsékleten

• Szerény energiasűrűség (80-110 Wh/kg)

• Korlátozott üzemi feszültség

Tipikus felhasználási módoknagy tárolókapacitású, alacsony költségű rendszerek.

4. Miért használ a Heiwit réteges oxid cellákat?

Hosszú kutatási, tesztelési és validálási fázis után Heiwit a réteges oxidok kémiája nátriumion-akkumulátoraihoz egy ázsiai beszállító által gyártott, nagy kapacitású prizmás cellára támaszkodik; az akkumulátormodul megfelelt az UN 38.3 szállítási vizsgálatoknak.

Az okok sokrétűek:

• Több mint 140 Wh/kg valós energiasűrűséga jelenleg rendelkezésre álló SIB-ek közül az egyik legmagasabb érték.

• Több mint 6500 ciklus 90%-os DoD mellett, 70%-os maradék kapacitással (NA-48V210Ah, réteges oxidos cellák): napi egy teljes ciklussal ez körülbelül 18 év működésnek felel meg. Ez számítás, nem előrejelzés: a tényleges élettartam a hőmérséklettől, a kisütési mélységtől és az átlagos töltöttségi szinttől függ.

• Magas biztonság: teljesített rezgés-, ütés-, rövidzárlat-, túltöltés- és extrudálási vizsgálatok, tűz és robbanás nélkül a vizsgálatok során.

• A LiFePO4 cellákhoz hasonló feszültségek: a Heiwit akkumulátor azonban kizárólag a Heiwit inverterekkel működik.

• Működés alacsony hőmérsékleten: az NA-48V210Ah akkumulátor −25 °C-ig kisüthető, és 0 °C-tól tölthető; hidegben a rendelkezésre álló kapacitás csökken.

• Kobalt- és lítiummentesség a cellákban.

5. A Heiwit (réteges oxid) cellák műszaki paraméterei

Az adatokat a prizmatikus cellánkból nyertük ki. NaFP71/173/204CY-210:

• A NA-48V210Ah akkumulátor −25 °C-ig sül ki, és 0 °C-tól tölthető. Beltéri környezetben kell telepíteni.

Biztonsági teljesítmény

• Csökkentett, de nem nulla hőkockázat: a cellagyártó által megadott rövidzárlati, túltöltési, ejtési, extrudálási és hősokk-vizsgálatokban nem keletkezett tűz vagy robbanás.

Tartóssági teszt

• 6500 ciklus 0,5C/0,5C és 90%-os DoD mellett, 70% feletti maradék kapacitással (NA-48V210Ah, réteges oxidos cellák)

• Ez vizsgálati eredmény, nem garancia: a Heiwit garancia 10 év, és nem ciklusokban van megadva.

6. A SIB-technológiák összehasonlítása

6.1 Összehasonlító táblázat

6.2 A celláink előnyei

• Több energia kevesebb helyen: kompakt cellák, amelyek utólagos beépítéshez is alkalmasak. Mindig szükség van egy Heiwit inverterre. Utólagos beépítés esetén a meglévő rendszer AC oldalára csatlakozik.

• Életciklus: több mint 6500 ciklus (NA-48V210Ah, réteges oxidos cellák) a tartóssági vizsgálatban, 90%-os kisütés mellett, 70% feletti maradék kapacitással.

• Stabilitás és biztonság: a visszaélési (abuse) vizsgálatok során a cellák nem kerültek termikus megfutásba (thermal runaway).

• Nulla kobalt és lítium100% “a jövő akkumulátora”.

7. Nemzetközi tanúsítványok és szabványok

Celláink referenciaszabványai:

• UN 38.3 (szállítási biztonság)

• GB/T 31484/5/6 (kínai szabványok a vontatási akkumulátorok élettartamáról, biztonságáról és teljesítményéről)

• QB/T 2502-2000 (általános szabványos lítium akkumulátorok, kompatibilitás)

• JBT 11137-2011 (akkumulátor szerelvény)

Minden cellát valódi töltési/kisülési ciklusokon tesztelnek, ellenállást vizsgálnak:

• Vibrációk

• Mechanikus sokkhatások

• Túltöltés/túltöltés

• Rövidzárlat

• Hősokk (130°C-ig)

• Extrudálás

• Szabadesés 1 méterről

8. A Heiwit nátriumion akkumulátorok teljesítménye valós alkalmazásokban

A réteges oxid cellák jellemzőinek köszönhetően a mi nátrium-ion akkumulátorok ideálisak a következőkhöz:

• Helyhez kötött tárolórendszerek (BESS, C&I, hálózat, lakossági)

• Integráció fotovoltaikus rendszerekkel

• Hálózaton kívüli és mikrohálózat

• Ciklus-intenzív ipari alkalmazások

A lítiummal szembeni legfontosabb előnyei a következők:

• Stabilitás a mély ciklusokhozA SIB-ek nem szenvednek az LFP-k DoD (Depth of Discharge) korlátai miatt.

• Teljesítmény alacsony hőmérsékleten: az NA-48V210Ah akkumulátor −25 °C-ig kisüthető, és 0 °C-tól tölthető

• Fenntarthatóság és ár: a nátrium bőségesen rendelkezésre álló nyersanyag, amely kevésbé van kitéve a lítium áringadozásainak. A tárolás költségét ciklusonkénti kWh-ra vetítve kell összehasonlítani

• Biztonság: a rövidzárlati és zúzási vizsgálatokban nem történt termikus megfutás és nem keletkezett tűz

9. Gyakran ismételt kérdések a nátrium-ion akkumulátorokról

A SIB-ek felcserélhetők a lítium akkumulátorokkal?
Nem. Az üzemi feszültségek közel állnak a LiFePO4 értékekhez, de a Heiwit akkumulátor kizárólag a Heiwit inverterekkel működik. Nem helyettesíti a más márkájú inverterre csatlakoztatott lítium akkumulátort.

Hány ciklust bírnak?
A tartóssági teszten 6500 teljes ciklus után, 90%-os DoD mellett a maradék kapacitás 70% felett maradt (NA-48V210Ah, réteges oxidos cellák). Ez vizsgálati eredmény, nem garancia: a Heiwit garancia 10 év, és nem ciklusokban van megadva.

Biztonságosak?
A termikus kockázat csökkentett, de nem nulla. A cellák tűz és robbanás nélkül teljesítették a biztonsági vizsgálatokat. A biztonság ugyanakkor a teljes rendszertől függ: celláktól, BMS-től és a szakszerű telepítéstől.

Mennyibe kerülnek a lítiumhoz képest?
Az egy kWh-ra jutó költség már ma is körülbelül 20%-tal alacsonyabb, és a tömegtermeléssel tovább fog csökkenni.

Szenvednek önkisülésben?
Nem, az önkisülési sebesség hasonló a legjobb lítium-vas-foszfát (LiFePO4) cellákéhoz.

10. Miért válasszon Heiwit nátrium-ion akkumulátort?

Heiwit úgy döntött, hogy mindent feltesz erre az új határra:

• Nátrium-ion akkumulátor a legmagasabb minőségi szabványok szerint gyártják és szerelik össze

• Rétegezett oxid cellák a legújabb generációból: a tartóssági vizsgálatban több mint 6500 ciklus 90%-os DoD mellett, 70%-os maradék kapacitással

• CEI 0-21 tanúsítvánnyal rendelkező rendszer (Virgo + akkumulátor, TÜV SÜD), és már működik valós rendszerekben

• Közvetlen műszaki támogatás kutató laboratóriumunkból

Meggyőződésünk, hogy a nátrium-ion akkumulátorok jelentik az energiatárolás jövőjét, különösen Európában, ahol az ellátási lánc fenntarthatósága és a kritikus nyersanyagoktól való függetlenség ma már stratégiai prioritás.

11. Következtetések

La nátrium-ion akkumulátor már valóság, dokumentált teljesítménnyel és csökkentett, de nem nulla termikus kockázattal. A Heiwit által kiválasztott réteges oxidos cellák megfelelő megoldást jelentenek azok számára, akik lítiummentes, hosszú élettartamú tárolót keresnek.

Akár telepítő, akár tárolórendszer-tervező, akár energiaéhes vállalat, akár egyszerűen csak érdeklődik az új technológiák iránt, megoldásaink készen állnak az energiafordulatra.
Vegye fel velünk a kapcsolatot részletes adatlapokért, laboratóriumi tesztekért, beépítési példákért és dedikált ajánlatokért.

Heiwit: az energia jövője a nátriumion-akkumulátoron keresztül vezet.