Introdução

Nos últimos anos, o mundo do armazenamento de energia assistiu ao aparecimento de uma tecnologia destinada a alterar radicalmente o equilíbrio: a pilha de iões de sódio (SIB, Bateria de Iões de Sódio). Embora esta tecnologia seja conhecida experimentalmente há décadas, está finalmente pronta para ser comercializada graças a novos produtos químicos, a melhorias nos materiais e a um desempenho que é agora comparável ao das baterias de iões de lítio convencionais.

A Heiwit é um dos primeiros fabricantes na Europa a desenvolver e testar em grande escala uma bateria de iões de sódio de alta capacidade, adoptando células com cátodo de óxido em camadas de última geração. Neste artigo técnico, analisamos em profundidade a tecnologia SIB, comparamos as principais famílias de células atualmente no mercado, explicamos por que razão escolhemos a química de óxido em camadas para os nossos produtos e apresentamos dados reais das nossas células, que estão certificadas para aplicações de armazenamento industrial.

1. O que é uma pilha de iões de sódio

A bateria de iões de sódio é um dispositivo eletroquímico recarregável no qual o ião de sódio (Na+) desempenha o mesmo papel que nas baterias de iões de lítio é ocupado pelo ião de lítio (Li+). Em ambas as tecnologias, os iões movem-se entre o ânodo e o cátodo durante a carga e a descarga, gerando uma diferença de potencial que é utilizada para fornecer energia eléctrica.

Porquê o sódio?

• O sódio é abundante (o sexto elemento mais abundante na Terra, mais de 1000 vezes mais do que o lítio).

• Está distribuído por todo o lado (não depende de uma exploração mineira estratégica como acontece com o lítio).

• Não apresenta qualquer risco de escassez ou de especulação sobre as matérias-primas.

• Reduz os custos e a volatilidade dos preços em toda a cadeia de abastecimento.

2. Estrutura de uma pilha de iões de sódio

A pilha de iões de sódio consiste, em princípio, nos mesmos elementos-chave que um ião de lítio:

• Ânodo (normalmente “carbono duro” obtido a partir de biomassa)

• Cátodo (diferentes produtos químicos disponíveis: óxido em camadas, polianiões, análogos do azul da Prússia, óxidos de manganês/ferro, etc.).

• Eletrólito (solução líquida à base de sais de sódio num solvente orgânico)

• Separador (membrana de polímero)

Cada material e química adoptados influenciam fortemente o desempenho, a segurança, a durabilidade e o custo final da bateria.

3. As principais tecnologias de cátodo nas baterias de iões de sódio

Atualmente, o mercado oferece principalmente três grandes famílias de células SIB, cada uma com os seus próprios méritos e deficiências:

3.1 Óxido em camadas

Descrição
Os óxidos em camadas (Layered Oxide) representam a fronteira tecnológica das baterias SIB. Nesta química, o cátodo é constituído por um óxido metálico com uma estrutura de camadas alternadas, no qual os iões de sódio são inseridos e extraídos durante os ciclos de carga e descarga.

Exemplos:

• NaNixCoyMnzO2 (diferentes variantes com Ni, Co, Mn)

• NaFeO2 e derivados

Principais caraterísticas

• Elevada densidade energética: atinge e ultrapassa os 140 Wh/kg (alguns modelos chegam aos 160 Wh/kg)

• Elevada duração cíclica: até 6.000 ciclos (as nossas células testadas)

• Boa estabilidade térmica

• Excelente desempenho mesmo a baixas temperaturas

• Tensão de funcionamento semelhante à do lítio (entre 2,5 e 3,8 V nominal)

• Baixo custo, sem metal crítico

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

Descrição
Cátodos baseados em compostos polianiónicos, tais como fosfatos, sulfatos ou outros compostos, com uma estrutura cristalina muito estável.

Caraterísticas

• Ciclos de vida muito longos

• Segurança térmica muito elevada

• Densidade energética geralmente mais baixa (100-120 Wh/kg)

• Tensão de trabalho mais baixa

Utilizações típicasCópia de segurança, aplicações fixas, telecomunicações.

3.3 Análogos do azul da Prússia (PBA, hexacianoferratos)

Descrição
Cátodos compostos por estruturas semelhantes ao “azul da Prússia” (ferrocianetos/metalocianetos complexos).

Caraterísticas

• Células de baixo custo

• Excelente estabilidade cíclica

• Excelente desempenho a baixas temperaturas

• Densidade energética modesta (80-110 Wh/kg)

• Tensão de funcionamento limitada

Utilizações típicassistemas de grande capacidade de armazenamento e de baixo custo.

4. Porque é que a Heiwit utiliza células de óxido em camadas

Após uma longa fase de investigação, testes e validação, a Heiwit escolheu a química dos óxidos em camadas para as suas baterias de iões de sódio, baseando-se numa célula prismática de elevada capacidade produzida por um fornecedor asiático líder, certificada de acordo com todas as principais normas internacionais (UN 38.3, GB/T 31484/5/6, QB/T 2502-2000).

As razões são múltiplas:

• Densidade de energia real superior a 140 Wh/kgentre os mais elevados de todos os TIS atualmente disponíveis.

• Ciclos de vida superiores a 6.000 (com retenção >70%)Por conseguinte, a bateria pode ser utilizada durante, pelo menos, 15 a 20 anos, mesmo em ciclos diários.

• Alta segurançaPassagem de todos os testes de segurança (vibração, choque, curto-circuito, sobrecarga, extrusão, etc.) sem risco de incêndio ou explosão.

• Elevada compatibilidade com BMSs existentes e tensões semelhantes às das células LiFePO4, pelo que a adaptação é fácil em muitas aplicações.

• Excelente desempenho a baixas temperaturasmais de 75% de capacidade nominal já a -30°C, portanto ideal para os mercados europeus.

• Ausência de cobalto, níquel e lítiosustentabilidade total.

5. Parâmetros técnicos das células Heiwit (óxido em camadas)

Os dados são extraídos da nossa célula prismática NaFP71/173/204CY-210:

• A -20°C: capacidade > 60% da capacidade nominal

• A -30°C: capacidade > 75%

• A -40°C: capacidade > 60%

Desempenho de segurança

• Sem risco de incêndio/explosão devido a: curto-circuito, sobrecarga, queda, extrusão, choque térmico (testes aprovados de acordo com as normas UL1642 e GB380318).

Duração efectiva

• 6.000 ciclos a 0,5C/0,5C, retenção >70%

• Mesmo com ciclos profundos (DoD 90%)

6. Comparação das tecnologias SIB

6.1 Quadro comparativo

6.2 Vantagens das nossas células

• Mais energia em menos espaçoperfeito para reequipamento ou substituição 1:1 com módulos LiFePO4.

• Ciclo de vidamais de 6000 ciclos significa mais de 15 anos de utilização, mesmo em condições de stress.

• Estabilidade e segurançaNão há risco de fuga térmica, mesmo em caso de abuso severo.

• Zero cobalto, níquel e lítio100% “bateria do futuro”.

7. Certificações e normas internacionais

As nossas células cumprem as principais normas mundiais:

• ONU 38.3 (segurança para o transporte)

• GB/T 31484/5/6 (desempenho e segurança da bateria de armazenamento)

• QB/T 2502-2000 (pilhas de lítio normais, compatibilidade)

• JBT 11137-2011 (conjunto da bateria)

Todas as células são testadas em ciclos reais de carga/descarga, testadas quanto à resistência a:

• Vibrações

• Choques mecânicos

• Sobrecarga/sobredescarga

• Curto-circuito

• Choque térmico (até 130°C)

• Extrusão

• Queda livre de 1 metro

8. Desempenho das baterias de iões de sódio Heiwit em aplicações reais

Graças às caraterísticas das células de óxido em camadas, as nossas baterias de iões de sódio são ideais para:

• Sistemas de armazenamento estacionário (BESS, C&I, rede, residencial)

• Integração com sistemas fotovoltaicos

• Fora da rede e micro-rede

• Aplicações industriais de ciclo intensivo

As principais vantagens em relação ao lítio são:

• Estabilidade a ciclos profundosOs SIB não sofrem as limitações de DoD (profundidade de descarga) dos LFP

• Desempenho a baixas temperaturaso lítio cai drasticamente abaixo de zero, os nossos SIBs retêm mais capacidade do que o 60% mesmo a -20°C

• Sustentabilidade e preçoa célula de iões de sódio custa menos para o mesmo kWh instalado, não está sujeita a choques de preços das matérias-primas

• Segurançasem risco de fuga, sem incêndio, mesmo em caso de curto-circuito ou de esmagamento

9. Perguntas frequentes sobre as baterias de iões de sódio

Os SIBs são intermutáveis com as baterias de lítio?
Sim, a tensão de funcionamento e as lógicas BMS são compatíveis com os módulos LiFePO4, o que permite a adaptação sem grandes modificações.

Duram realmente 6.000 ciclos?
Sim, todos os nossos testes confirmaram a retenção superior da 70% após 6.000 ciclos completos, o que é superior a muitas baterias de lítio atualmente no mercado.

São seguros?
Sim, são aprovados em todos os testes internacionais de segurança, sem risco de incêndio ou explosão.

Quanto é que custam em comparação com o lítio?
Atualmente, o custo por kWh é já inferior em cerca de 20% e diminuirá ainda mais com a produção em massa.

Sofrem de auto-descarga?
Não, a taxa de auto-descarga é semelhante à das melhores células de lítio-ferro-fosfato (LiFePO4).

10. Porquê escolher uma pilha de iões de sódio Heiwit

A Heiwit optou por apostar tudo nesta nova fronteira:

• Bateria de iões de sódio produzidos e montados de acordo com os mais elevados padrões de qualidade

• Células de óxido em camadas de última geração, com os melhores parâmetros de densidade, durabilidade e segurança

• Sediada na Europa e já operacional em instalações reais

• Apoio técnico direto do nosso laboratório de investigação

Estamos convencidos de que as baterias de iões de sódio representam o futuro do armazenamento de energia, especialmente na Europa, onde a sustentabilidade da cadeia de abastecimento e a independência de matérias-primas críticas são agora uma prioridade estratégica.

11. Conclusões

La pilha de iões de sódio já é uma realidade: fiável, de elevado desempenho, segura e acessível. As células de óxido em camadas selecionadas pela Heiwit representam o topo de gama para quem procura energia limpa e armazenamento de longa duração sem compromissos.

Quer seja um instalador, um projetista de sistemas de armazenamento, uma empresa ávida de energia ou simplesmente interessado em novas tecnologias, as nossas soluções estão prontas para a transição energética.
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Heiwit: o futuro da energia passa pela bateria de iões de sódio.