NFPP-natrium-ionencellen bij lage temperaturen: 95% capaciteit bij −20 °C tijdens kwalificatietests

Er is een gebrek van thuisbatterijen waar catalogi weinig over praten: in de kou presteren ze minder. Dat is geen marginaal detail, omdat het moment waarop ze minder presteren samenvalt met het moment waarop ze het hardst nodig zijn. In januari produceert de fotovoltaïsche installatie een fractie van wat ze in juli produceert, de dagen zijn kort, het avondverbruik is hoog — en het is precies dan dat de opslag een deel levert van de capaciteit waarvoor u hebt betaald.

Op dit punt is het verschil tussen de chemieën helder en meetbaar. Dit artikel vermeldt de kwalificatiegegevens van de polyanionische cellen NFPP en lage temperaturen en leg uit waar het verschil vandaan komt.

Het gegegeven

Het testprotocol is eenvoudig: de cel wordt opgeladen tot 3,5 V met een vermogen van 0,5P, tien minuten met rust gelaten en vervolgens ontladen bij de testtemperatuur. Er wordt gemeten hoeveel van de nominale capaciteit deze daadwerkelijk kan leveren.

De waarden voor de referentiechemie zijn afkomstig van tests die zijn uitgevoerd op de specifieke vergelijkingscellen die in de bron worden vermeld, onder de vermelde testomstandigheden. Ze mogen niet worden geïnterpreteerd als universele prestaties van de respectieve chemische families, die cellen omvatten met onderling zeer verschillende formuleringen en constructies.

Bij de directe test bij −20 °C is de gemeten waarde op de NFPP-cel 95,04% van de nominale capaciteit. De referentie LFP-cel stopt in dezelfde test bij de 67,8%.

De regel bij −40 °C verdient een zorgvuldige lezing, want de nul is geen afronding. De referentiecellen op basis van loodzuur, lithium-ijzerfosfaat en nikkel-mangaan-kobalt leveren bij die temperatuur geen bruikbare capaciteit in de test. De polyanionische natriumcel blijft boven de 85%.

Er moet precies worden gezegd wat het betekent: het resultaat betreft de cellen die als referentie werden gebruikt in die test, niet elke bestaande LFP- of NMC-cel. Het gedrag bij kou hangt af van de elektrolytformulering, de celconstructie en het testprotocol, en binnen elke chemische familie zijn de verschillen groot.

Waarom natrium het beter doet

De redenen zijn twee, en ze werken in op verschillende punten van de cel.

De desolvatatie aan het grensvlak

Een ion dat zich door de elektrolyt verplaatst, beweegt zich niet ‘naakt’: het wordt omgeven door een schil van oplosmiddelmoleculen die zich eraan hechten. Om de elektrode binnen te dringen, moet het zich daarvan ontdoen, en dat kost energie. Dit proces wordt ontsolvatatie, en dat is de belangrijkste bottleneck bij lage temperaturen: wanneer de cel koud is, vermindert de beschikbare energie om die overgang te maken en vertraagt de reactie.

Het natriumion is groter dan dat van lithium, en juist daarom houdt het de oplosmiddelschil vast minder stevigde ladingsdichtheid op het oppervlak is lager. Paradoxaal genoeg is het grotere formaat — wat de reden is dat natrium minder energie per kilogram opslaat — ook de reden dat het bij koud weer gemakkelijker loskomt van het oplosmiddel.

De diffusieroutes in de kathode

De tweede reden betreft de structuur van het actieve materiaal. In lithium-ijzerfosfaat, dat een olivijnstructuur heeft, bewegen de ionen zich langs eendimensionale kanalenéén enkel mogelijk pad, en als dat pad wordt geblokkeerd — door een roosterdefect of door de door temperatuur geïnduceerde vertraging — zijn er geen alternatieven.

Het polyanionische netwerk NFPP biedt daarentegen een netwerk van driedimensionale verspreidingsroutes. De ionen hebben meerdere wegen om hun doel te bereiken, en de vertraging als gevolg van de kou weegt veel minder door op het eindresultaat.

Wat verandert er aan het systeem

Het getal op zich zegt weinig. Het is de moeite waard om het te vertalen.

Laten we eens kijken naar een accu van 10 kWh in een onverwarmde technische ruimte — een garage, een kelder of een meterkast buiten — op een ochtend in januari in Noord-Italië, bij −5 °C. Een LFP-accu levert slechts een fractie van de nominale capaciteit; de eigenaar ziet een “10 kWh”-accu die aanzienlijk minder levert, en dat juist op de dagen dat de energierekening het hoogst is. Het fenomeen is omkeerbaar — zodra de temperaturen weer milder worden, keert de capaciteit terug — maar in de tussentijd heeft de accu het hele koude seizoen onder de verwachtingen gepresteerd.

Met een cel die bij −20 °C meer dan 90% behoudt, is het verlies bij −5 °C verwaarloosbaar. De batterij presteert in de winter net zo goed als in de zomer.

Het verschil wordt doorslaggevend in drie situaties:

• Installaties op hoogte, waar de winterminima stabiel onder het vriespunt liggen en een verwarmde technische ruimte zelden beschikbaar is.
• Buiteninstallaties of in niet-geclimatiseerde ruimtes, die de norm zijn in de commerciële en industriële sector.
• Markten van Noord- en Oost-Europa — Duitsland, Polen, Tsjechië, Zweden — waar het koude seizoen langer en strenger is dan in Italië, en waar het verschil in opbrengst zich over veel meer dagen per jaar opstapelt.

De keerzijde van de medaille

Voor de volledigheid: het voordeel bij lage temperaturen is niet zomaar een gegeven. Het vloeit voort uit dezelfde eigenschappen van het natriumion die de energiedichtheid ervan beperken, zoals uitgelegd in een ander diepgaand artikel. Er bestaat geen chemische samenstelling die op alle vlakken uitblinkt: er bestaat wel een chemische samenstelling die geschikt is voor de betreffende toepassing.

Voor een stationaire opslaginstallatie, die op de plaats van installatie blijft staan en twintig jaar lang op voorspelbare wijze moet functioneren in een ruimte die door niemand wordt verwarmd, is het rendement bij lage temperaturen belangrijker dan het aantal wattuur per kilogram.

Veelgestelde vragen

Moet de ruimte waar de batterij staat worden verwarmd?

Met een chemische samenstelling die bij −20 °C meer dan 90% van de capaciteit behoudt, nee. Het is daarentegen een voorzorgsmaatregel die bij sommige installaties met lithiumbatterijen wordt genomen, juist om de afname van de prestaties in de winter te compenseren.

Is de afname van de capaciteit bij kou permanent?

Nee, het is omkeerbaar: bij het stijgen van de temperatuur komt de capaciteit weer beschikbaar. Het probleem is niet de schade aan de accu, het is dat de energie er niet is wanneer dat nodig is.

Waarom gedraagt het natriumion, dat groter is, zich beter in de kou?

Omdat zijn lading over een groter oppervlak is verdeeld, houdt hij daardoor de schil van oplosmiddelmoleculen die hij moet loslaten om de elektrode binnen te treden minder stevig vast. Die overgang is het belangrijkste obstakel bij lage temperaturen.

Geldt dit ook bij het opladen, of alleen bij het ontladen?

De hier vermelde gegevens hebben betrekking op de ontlaadtest bij gecontroleerde temperatuur, wat de kritieke omstandigheid is voor een fotovoltaïsche opslag: de ontlading vindt plaats in de avond en 's nachts, wanneer de temperatuur minimaal is.