Bateria de iões de sódio: Guia técnico completo, comparação de tecnologias e vantagens das células de óxido em camadas da Heiwit

As substâncias químicas aqui descritas são as utilizadas na gama de baterias de iões de sódio Heiwit.

Introdução

Nos últimos anos, o mundo do armazenamento de energia assistiu ao aparecimento de uma tecnologia destinada a alterar radicalmente o equilíbrio: a Bateria 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 desenvolveu e testou uma bateria de iões de sódio de elevada capacidade, adotando 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.

1. O que é uma Bateria 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 Bateria de iões de sódio

A Bateria 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: mais de 6.500 ciclos a 90% de DoD com 70% de capacidade residual (NA-48V210Ah, células de óxidos em camadas) (vida útil estimada das células que utilizamos)

• Boa estabilidade térmica

• Descarga até -25 °C, carga a partir de 0 °C

• 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, apostando numa célula prismática de elevada capacidade produzida por um fornecedor asiático; o módulo de bateria passou nos ensaios de transporte UN 38.3.

As razões são múltiplas:

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

• Mais de 6 500 ciclos a 90% de DoD com 70% de capacidade residual (NA-48V210Ah, células de óxidos em camadas): com um ciclo completo por dia, correspondem a cerca de 18 anos de funcionamento. É um cálculo, não uma previsão: a duração real depende da temperatura, da profundidade de descarga e do estado de carga médio.

• Alta segurança: aprovação nos ensaios de vibração, choque, curto-circuito, sobrecarga e extrusão, sem incêndios nem explosões durante os ensaios.

• Tensões semelhantes às das células LiFePO4: no entanto, a bateria Heiwit funciona apenas com os inversores Heiwit.

• Funcionamento a baixas temperaturas: a bateria NA-48V210Ah descarrega até −25 °C e carrega a partir de 0 °C; com frio, a capacidade disponível diminui.

• Ausência de cobalto e lítio nas células.

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

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

• A bateria NA-48V210Ah descarrega até −25 °C e carrega a partir de 0 °C. Deve ser instalada num ambiente interior.

Desempenho de segurança

• Risco térmico reduzido, mas não nulo: nos ensaios de curto-circuito, sobrecarga, queda, extrusão e choque térmico declarados pelo fabricante das células não ocorreram incêndios nem explosões.

Ensaio de durabilidade

• 6 500 ciclos a 0,5C/0,5C e 90% de DoD, capacidade residual acima de 70% (NA-48V210Ah, células de óxidos em camadas)

• É um resultado de ensaio, não uma garantia: a garantia Heiwit é de 10 anos e não é expressa em ciclos.

6. Comparação das tecnologias SIB

6.1 Quadro comparativo

6.2 Vantagens das nossas células

• Mais energia em menos espaço: células compactas, também adequadas para retrofit. É sempre necessário um inversor Heiwit. Em retrofit, liga-se à linha AC do sistema existente.

• Ciclo de vida: mais de 6.500 ciclos (NA-48V210Ah, células de óxidos em camadas) no ensaio de durabilidade, com descarga a 90% e capacidade residual superior a 70%.

• Estabilidade e segurança: nos ensaios de abuso, as células não entraram em fuga térmica (thermal runaway).

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

7. Certificações e normas internacionais

Normas de referência para as nossas células:

• ONU 38.3 (segurança para o transporte)

• GB/T 31484/5/6 (normas chinesas sobre vida útil, segurança e desempenho de baterias de tração)

• QB/T 2502-2000 (Baterias 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 temperaturas: a bateria NA-48V210Ah descarrega até −25 °C e carrega a partir de 0 °C

• Sustentabilidade e preço: o sódio é uma matéria-prima abundante e menos exposta aos choques de preço do lítio. O custo do armazenamento deve ser comparado por kWh ciclado

• Segurança: nos ensaios de curto-circuito e esmagamento, nenhuma fuga térmica e nenhum incêndio

9. Perguntas frequentes sobre as baterias de iões de sódio

Os SIBs são intermutáveis com as baterias de lítio?
Não. As tensões de funcionamento são próximas das LiFePO4, mas a bateria Heiwit funciona apenas com os inversores Heiwit. Não substitui uma bateria de lítio ligada a um inversor de outra marca.

Quantos ciclos duram?
No ensaio de durabilidade, após 6 500 ciclos completos a 90% de DoD, a capacidade residual manteve-se acima de 70% (NA-48V210Ah, células de óxidos em camadas). É um resultado de ensaio, não uma garantia: a garantia Heiwit é de 10 anos e não é expressa em ciclos.

São seguros?
O risco térmico é reduzido, mas não nulo. As células passaram em ensaios de segurança sem incêndios nem explosões. A segurança depende, ainda assim, do sistema completo: células, BMS e instalação segundo as regras da arte.

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 Bateria 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: mais de 6 500 ciclos a 90% de DoD com 70% de capacidade residual no ensaio de durabilidade

• Sistema certificado CEI 0-21 (Virgo + bateria, TÜV SÜD) e já em funcionamento 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 Bateria de iões de sódio já é uma realidade, com desempenho documentado e um risco térmico reduzido, mas não nulo. As células de óxidos em camadas selecionadas pela Heiwit são uma solução adequada para quem procura um armazenamento sem lítio e de longa duração.

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.