Натрий-ионный или литий-железо-фосфатный аккумулятор: плюсы и минусы для объекта

Чем различаются химии: натрий NFPP и LiFePO4

Обе батареи работают по одному принципу: ионы при заряде и разряде переходят между катодом и анодом через электролит. В LFP переносчик заряда - литий, катод - литий-железо-фосфат, анод - графит на медной фольге. В натрий-ионной ячейке NFPP переносчик - натрий, катод - натрий-феррум-пирофосфат, анод - твёрдый углерод, а токосъёмники с обеих сторон алюминиевые.

Из этих различий следуют практические свойства. Полианионный катод NFPP при разложении не выделяет кислород, поэтому тепловой разгон развивается медленнее. Алюминиевые токосъёмники позволяют перевозить и хранить ячейку при 0 В без вреда, а медный токосъёмник LFP глубокий разряд повреждает. Для натрия не нужны литий и кобальт: основное сырьё - кальцинированная сода. Номинальное напряжение ячейки NFPP - 3,0 В, у LFP - около 3,2 В, поэтому модули 48 В собираются из разного числа ячеек и имеют разное окно напряжений.

Работа на морозе и в жару

Холод - главное различие. Литиевую батарею LFP нельзя заряжать ниже 0 °C без подогрева: на аноде осаждается металлический литий, ячейка теряет ёмкость и ресурс. Разряд LFP возможен от -20 °C, при этом доступно около 65 % ёмкости. Натриевые модули 48 В заряжаются от -20 °C, разряжаются при -40 °C и сохраняют 93 % ёмкости при -20 °C и 80 % при -40 °C без подогрева (данные производителя ячеек).

В жару натрий тоже устойчивее: модули 48 В заряжаются и разряжаются до +60 °C, ячейка сохраняет работоспособность до +70 °C. Литиевые модули заряжаются до +45...+55 °C в зависимости от модели. На уличной площадке это означает меньше энергии на подогрев зимой и на кондиционер летом. Подробные диапазоны - на странице накопители в мороз.

Безопасность: тепловой разгон натрия и лития

Тепловой разгон - аварийный режим, который запускается перезарядом, перегревом, механическим повреждением или внутренним дефектом. В исправной системе под контролем BMS его не происходит, но при аварии важны пиковая температура и скорость процесса.

По данным сравнения на уровне ячейки пиковая температура разгона у NFPP около 286 °C против 361 °C у LFP, а нарастает она со скоростью около 2 К/с против более 10 К/с. Катод NFPP разлагается около 352 °C, катод LFP - около 273 °C. Соль электролита NaPF6 устойчива примерно до 325 °C, LiPF6 - до 125 °C. В адиабатическом испытании при 0,5C тепловыделение ячейки NFPP составило 55,22 кДж против 118,39 кДж у LFP. На объекте это даёт больше времени на срабатывание защиты и снижает риск распространения на соседние ячейки. Подробнее - в разделе безопасность накопителей.

Ресурс, плотность энергии и масса

Ячейка NFPP выдерживает более 15 000 циклов на заводских испытаниях; по паспорту модуля 48 В - 8 000+ циклов. Ресурс LFP в линейке OS Power - от 3 000 до 8 000 циклов в зависимости от модели; шкаф 261 кВт·ч на ячейке 314 А·ч рассчитан не менее чем на 6 000 циклов при 0,5P и DOD 100 %.

Плотность энергии остаётся за литием: та же энергия помещается в меньший и более лёгкий корпус. Литиевый модуль 48 В / 100 А·ч (4 800 Вт·ч) весит 41 кг, натриевый той же ёмкости - 55 кг. По сравнению со свинцом натрий в 2-3 раза легче при той же энергии, поэтому для замены свинцовых батарей ИБП разница с литием по массе обычно не критична. КПД цикла системы LFP AC-AC - 89-90 % у шкафов 107,5 и 261 кВт·ч; КПД ячейки NFPP - до 97 % по постоянному току.

Стоимость и сырьё

Сегодня цена за киловатт-час у LFP ниже: производство лития масштабнее, цепочка поставок отлажена. Натрий продаётся с премией. Для уличной площадки или объекта с ежедневными циклами её компенсируют отказ от подогрева и кондиционирования, а также больший ресурс, поэтому сравнивать химии нужно по стоимости владения за срок службы, а не по цене покупки.

Натриевая химия не зависит от лития и его ценового цикла: сырьё распространено и доступно. Для покупателя это снижает риск резких колебаний цены и сроков поставки в будущих закупках. Перевозка ячеек при 0 В упрощает логистику и хранение складского запаса.

Где выигрывает каждая химия: сравнительная таблица

LFP выбирают для ежедневных циклов на тёплых площадках, сетевых накопителей большой ёмкости и объектов, где важны цена за киловатт-час и компактность. Натрий NFPP выбирают для связи в холодном климате, батарей ИБП для ЦОД, где важны тепловая стабильность и масса по сравнению со свинцом, для ежедневного циклирования в суровом климате и для логистики с долгим хранением. В линейке OS Power есть обе химии, например натриевый модуль NFPP 48 В / 100 А·ч и литиевые модули той же ёмкости.

• связь в холодном климате и уличные шкафы без обогрева - NFPP;
• ИБП центров обработки данных вместо свинца - NFPP;
• ежедневные циклы на тёплой площадке, сетевые контейнеры - LFP;
• отапливаемая аппаратная, ограниченное место - LFP.