Celulele polianionice NFPP: a doua generație de baterii cu ioni de sodiu Heiwit

Bateriile cu ioni de sodiu nu reprezintă o singură tehnologie. Sub același nume coexistă compoziții chimice ale catodului foarte diferite între ele, cu caracteristici care diferă în ceea ce privește durata de viață, siguranța și performanțele la temperaturi scăzute. Prima generație a sistemelor Heiwit utilizează un catod cu oxizi stratificați de metale de tranziție (Na_xTMO₂). A doua generație, care va fi comercializată începând cu noiembrie 2026, utilizează un catod polianionic NFPP.

Acest articol explică ce se schimbă din punct de vedere electrochimic și ce avantaje se obțin într-un sistem de stocare staționar, pe baza datelor de calificare ale noilor celule.

Ce înseamnă “polianionic”?”

Într-un catod cu oxizi stratificați, ionii de sodiu se deplasează între straturi de oxid de metale de tranziție suprapuse unul peste altul. Este o structură eficientă — stochează multă energie — dar straturile se dilată și se contractă la fiecare ciclu de încărcare și descărcare, iar în timp își pierd ordinea. Acesta este mecanismul care limitează durata de viață utilă a acestei familii de baterii.

Într-un catod polianionic, sodiul se deplasează, în schimb, în interiorul unui rețea tridimensională rigidă, menținut împreună de grupări fosfat și pirofosfat legate de fier. Abrevierea NFPP înseamnă pirofosfat de sodiu și fier, Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇): o structură care se deformează foarte puțin atunci când sodiul intră și iese.

Consecința este un compromis clar, și merită să-l precizăm în mod explicit, deoarece acesta reprezintă esența alegerii:

Rețeaua polianionică stochează mai puțină energie pe kilogram a unui oxid stratificat, dar o restituie prin mult mai multe cicluri, cu o stabilitate termică mai mare și performanțe îmbunătățite la temperaturi extreme.

Este o caracteristică generală a familiei catodilor polianionici, nu o informație specifică unui singur producător: rigiditatea rețelei implică o masă suplimentară, iar acea masă nu contribuie la stocarea energiei.

Pentru o mașină electrică, ar fi un compromis nefavorabil: în cazul acesta, greutatea contează. Pentru un sistem de stocare staționar, montat pe perete sau într-un spațiu tehnic, unde nimeni nu ridică bateria și se dorește ca aceasta să funcționeze încă peste douăzeci de ani, este compromisul potrivit.

Restul celulei rămâne neschimbat

Merită să clarificăm ce anume nu se schimbă, deoarece acesta este motivul pentru care procesul este gestionabil din punct de vedere industrial. Anodul rămâne în carbon dur, carbon dur care nu poate fi grafitizat, același ca în prima generație. Principiul de funcționare este identic. La fel este și procesul de producție: catodul, anodul și electrolitul se înlocuiesc pe aceeași linie de producție, fără a fi necesară reproiectarea instalației.

O particularitate pe care sodiul o păstrează în ambele tipuri de baterii merită menționată: spre deosebire de litiu, care necesită un colector de curent din cupru la anod, în bateriile cu sodiu Ambele colectoare pot fi din aluminiu. Nu este vorba doar de costul materiei prime. Este ceea ce permite descărcarea completă a celulei până la zero volți pentru a o depozita și transporta în siguranță, fără a o deteriora — lucru pe care o celulă cu litiu nu îl suportă.

Cifrele, puse în comparație

Tabelul compară celulele NFPP cu tehnologiile de referință de pe piața bateriilor. Valorile pentru bateriile cu plumb-acid, LFP și NMC/NCA reprezintă intervale tipice; cele pentru NFPP sunt datele de calificare declarate pentru celulele adoptate de Heiwit.

Valorile referitoare la produsele chimice de referință provin din testele efectuate pe celulele de comparație specifice indicate în sursă, în condițiile de testare menționate. Acestea nu trebuie interpretate ca performanțe universale ale familiilor respective de produse chimice, care includ celule cu formulări și construcții foarte diferite între ele.

Aceste două rânduri merită o lectură atentă.

La densitatea energetică se situează sub cea a litiului-fier-fosfat: 100–120 Wh/kg. La aceeași capacitate instalată, un sistem cu sodiu polianionic este mai voluminos și mai greu decât unul cu LFP. Pentru un sistem de stocare fix, de uz casnic sau comercial, acest lucru se traduce prin câțiva centimetri și câteva kilograme în plus, nu într-o limitare a utilizării — dar este bine să știi acest lucru dinainte, nu după.

I cicluri sunt declarate în 9.000 la adâncimea de descărcare a modelului 95%. Această condiție trebuie interpretată împreună cu valoarea numerică, deoarece ea este cea care face ca datele să fie comparabile: multe fișe tehnice indică cicluri la o adâncime de descărcare mai mică, caz în care valoarea crește în mod natural. 9.000 de cicluri la un DoD de 95% înseamnă că celula este proiectată să fie descărcată aproape complet în fiecare zi, iar acesta este exact modul în care funcționează un acumulator asociat unui sistem fotovoltaic: se încarcă ziua, se descarcă seara.

O precizare necesară cu privire la calculul pe care îl fac toți în acest moment. Nouă mii de cicluri corespund, din punct de vedere aritmetic, la aproximativ 24,7 ani efectuând un ciclu complet pe zi, dar aceasta nu este o estimare a speranței de viață calendaristică. Durata de viață reală a unei baterii depinde și de temperatura de funcționare, de starea medie de încărcare, de adâncimea efectivă de descărcare și de condițiile de funcționare: numărul de cicluri este una dintre variabile, nu rezultatul final.

Comportamentul la temperaturi scăzute

Aceasta este diferența cea mai vizibilă față de litiu-fier-fosfat și cea mai ușor de verificat în practică.

În cadrul testului de descărcare la temperaturi descrescătoare — încărcare la 3,5 V cu puterea de 0,5P, pauză de 10 minute, urmată de descărcare la temperatura de testare — celula NFPP își păstrează 95.041 TP30T capacitate la −20 °C. O celulă LFP de referință, în cadrul aceluiași test, se oprește la 67,8%.

În practică: într-o dimineață de ianuarie, la −10 °C, într-un spațiu tehnic neîncălzit, o baterie LFP furnizează o fracțiune semnificativ redusă din capacitatea nominală, tocmai în zilele în care sistemul fotovoltaic produce mai puțin și acumularea ar fi mai necesară. Diferența se accentuează odată cu scăderea temperaturii: la −40 °C, bateria cu compoziție polianionică rămâne peste 85%, în timp ce celulele LFP și NMC utilizate ca referință în același test nu furnizează capacitate utilizabilă.

Curent, putere și căldură

Testul de descărcare cu curenți crescând — încărcare la 0,5C, repaus, apoi descărcare la 1C, 2C și 4C, interval de tensiune 1,5–3,5 V — evidențiază al doilea avantaj structural.

Valorile referitoare la produsele chimice de referință provin din testele efectuate pe celulele de comparație specifice indicate în sursă, în condițiile de testare menționate. Acestea nu trebuie interpretate ca performanțe universale ale familiilor respective de produse chimice, care includ celule cu formulări și construcții foarte diferite între ele.

La 4 °C, celula polianionică își eliberează aproape întreaga capacitate și se încălzește cu 15,5 °C; celula LFP își eliberează 83% din capacitate și se încălzește cu 22,1 °C. O cantitate mai mică de căldură generată la același curent înseamnă un sistem care se protejează mai bine singur, chiar înainte ca BMS sau sistemul de ventilație să intervină.

Eficiența energetică măsurată pe parcursul întregului ciclu (dus-întors) este de 97% la regim de 0,25P. În cazul unui sistem de acumulare casnic care funcționează zilnic, fiecare punct de eficiență reprezintă energie care nu se pierde sub formă de căldură la fiecare ciclu în parte, pe toată durata de viață a sistemului.

Testele de siguranță

Celulele au fost certificate în conformitate cu standardele de testare pentru sistemele de stocare staționare. Prezentăm testele și rezultatele așa cum reies din rapoarte.

Merită să descriem două teste în detaliu, deoarece faptul că “trece testul cu cuiul” fără ca condițiile să fie îndeplinite nu înseamnă nimic.

În penetrare cu un cui celula are o temperatură de 25 °C și este complet încărcată. Un ac de oțel cu diametrul de 5 mm o traversează în centrul geometric cu o viteză de 25 ± 5 mm/s și acolo rămâi înăuntru, scurtcircuitând straturile timp de o oră de observare. Condiția este să nu aibă loc niciun incendiu și nicio explozie.

În controlul temperaturii celula, încărcată, este încălzită în timp ce se încarcă la curent constant 1C, până când intră în fugă termică, sau până când atinge temperatura de 300 °C, sau până când trec patru ore. Și în acest caz, cerința este să nu se producă niciun incendiu, nicio explozie și nicio rupere.

În ceea ce privește certificările, celulele dispun de rapoarte IEC 62619 (siguranța bateriilor secundare pentru aplicații industriale), UL 9540A (propagarea scurgerii termice în sistemele de acumulare), ONU 38.3 (conformitatea pentru transport), RoHS și fișele de siguranță ale materialelor, precum și certificările pentru transportul maritim și aerian.

Construcția celulei

Celulele prismatice sunt fabricate printr-un proces de stivuire (stacking) în locul înfășurării: electrozii sunt suprapuși în straturi plane, în loc să fie înfășurați. Rezultă astfel o utilizare mai eficientă a spațiului, o impedanță internă mai mică și o generare de căldură mai redusă la același curent.

Celulele cilindrice, pe de altă parte, au un design fără file, fără lamele de legătură: întreaga margine a electrodului funcționează ca un colector. Rezultatul este o rezistență internă foarte scăzută și o disipare termică distribuită, astfel încât această construcție suportă impulsuri de descărcare de până la 50C.

Ce se schimbă pentru cei care au deja o baterie Heiwit

Nu se schimbă nimic. Sistemele cu oxizi stratificați aflate astăzi în vânzare și deja instalate își păstrează performanțele și garanția cu care au fost achiziționate, beneficiază în continuare de asistență și funcționează cu același invertor, aceeași aplicație și același BMS. Este vorba de o tehnologie matură și testată în practică, iar celulele pe care le utilizează au specificațiile declarate în fișele tehnice respective.

Celulele NFPP vor fi integrate în sistemele nou fabricate începând din noiembrie 2026, odată cu epuizarea stocurilor actuale. Cei care achiziționează astăzi nu cumpără un produs pe cale de a fi scos din producție: cumpără generația aflată deja în funcțiune, cu garanția și istoricul său de instalări.

Perspective

Trei aspecte ale acestei chimii merită o tratare separată, împreună cu protocoalele și datele de testare corespunzătoare:

• Siguranța bateriilor cu ioni de sodiu: ce arată cu adevărat testele — penetrare cu cui, suprasolicitare, strivire, control termic până la 300 °C, cu protocoalele detaliate și diferența dintre calificarea celulei și calificarea sistemului.
• Baterii cu sodiu la temperaturi scăzute — capacitatea de 95,04% la −20 °C, comparativ cu cea de 67,8% a unei celule LFP, precum și explicația electrochimică a acestei diferențe.
• Densitatea energetică versus durata de viață — pentru că wații-oră pe kilogram nu au o importanță prea mare în cazul unui sistem de stocare staționar și ce parametru trebuie luat în considerare în locul acestora.

Întrebări frecvente

Ce înseamnă NFPP?

Este acronimul pentru pirofosfat de sodiu și fier, fosfat-pirofosfat de sodiu și fier, formulă Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇). Indică materialul catodului, adică al electrodului pozitiv al celulei.

Sunt celulele polianionice mai bune decât oxizii stratificați?

Sunt mai potrivite pentru acumularea staționară, nu sunt neapărat mai bune în absolut. Rețeaua polianionică favorizează stabilitatea și durata de viață, iar cea cu oxizi stratificați favorizează energia specifică. Într-o aplicație în care greutatea și volumul sunt factori critici — mobilitatea, de exemplu — alegerea corectă ar fi exact opusă.

Ce înseamnă “9.000 de cicluri la DoD 95%”?

Că bateria este certificată pentru 9.000 de cicluri complete de încărcare și descărcare, utilizând 95% din capacitatea nominală la fiecare ciclu. Adâncimea de descărcare trebuie întotdeauna interpretată împreună cu numărul de cicluri: la adâncimi mai mici, numărul de cicluri crește, prin urmare două valori declarate în condiții diferite nu sunt comparabile.

De ce densitatea energetică este mai mică?

Deoarece rețeaua polianionică alocă o parte din masa sa grupărilor fosfat și pirofosfat care îi conferă rigiditate. Această rigiditate este cea care asigură durabilitatea și stabilitatea termică: este prețul structural al avantajului.

Este nevoie de un invertor diferit?

Nu. Principiul de funcționare și intervalul de tensiune de lucru rămân compatibile cu sistemul electronic deja utilizat.