Introdução
No mundo do armazenamento de energia, em rápida evolução, as baterias de iões de sódio estão a surgir como uma alternativa promissora às tradicionais baterias de iões de lítio e de chumbo-ácido. Com os mais recentes avanços tecnológicos e uma procura crescente de soluções sustentáveis, as baterias de iões de sódio apresentam um conjunto único de vantagens. Destacam-se pelo seu excelente desempenho em temperaturas extremas, capacidades de débito impressionantes e elevados padrões de segurança. Este artigo analisa as aplicações interessantes da bateria de iões de sódio e explora a forma como podem substituir as baterias de chumbo-ácido e substituir parcialmente as baterias de iões de lítio em cenários específicos - tudo isto oferecendo uma solução rentável.
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1.1 Vantagens múltiplas da bateria de iões de sódio
Quando comparadas com as baterias de fosfato de ferro e lítio (LFP) e as baterias de lítio ternárias, as baterias de iões de sódio apresentam uma mistura de pontos fortes e áreas que necessitam de ser melhoradas. À medida que estas baterias entram em produção em massa, espera-se que brilhem com benefícios de custo devido às matérias-primas, retenção de capacidade superior em temperaturas extremas e desempenho de taxa excecional. No entanto, atualmente têm uma densidade de energia mais baixa e um ciclo de vida mais curto, que são áreas que ainda precisam de ser aperfeiçoadas. Apesar destes desafios, as baterias de iões de sódio superam as baterias de chumbo-ácido em todos os aspectos e estão preparadas para as substituir à medida que a produção aumenta e os custos baixam.
Comparação do desempenho das baterias de iões de sódio, iões de lítio e chumbo-ácido
| Caraterística | Bateria de iões de sódio | Bateria LFP | Bateria de lítio ternária | Bateria de chumbo-ácido |
|---|---|---|---|---|
| Densidade energética | 100-150 Wh/kg | 120-200 Wh/kg | 200-350 Wh/kg | 30-50 Wh/kg |
| Ciclo de vida | Mais de 2000 ciclos | Mais de 3000 ciclos | Mais de 3000 ciclos | 300-500 ciclos |
| Tensão média de funcionamento | 2.8-3.5V | 3-4.5V | 3-4.5V | 2.0V |
| Desempenho a altas temperaturas | Excelente | Pobres | Pobres | Pobres |
| Desempenho a baixa temperatura | Excelente | Pobres | Justo | Pobres |
| Desempenho de carregamento rápido | Excelente | Bom | Bom | Pobres |
| Segurança | Elevado | Elevado | Elevado | Baixa |
| Tolerância de descarga excessiva | Descarga para 0V | Pobres | Pobres | Pobres |
| Custo das matérias-primas (a 200k CNY/tonelada para o carbonato de lítio) | 0,3 CNY/Wh (após o vencimento) | 0,46 CNY/Wh | 0,53 CNY/Wh | 0,40 CNY/Wh |
1.1.1 Maior capacidade de retenção da bateria de iões de sódio em temperaturas extremas
As baterias de iões de sódio são campeãs quando se trata de lidar com temperaturas extremas, funcionando eficazmente entre -40°C e 80°C. Descarregam a mais de 100% da sua capacidade nominal a temperaturas elevadas (55°C e 80°C) e ainda retêm mais de 70% da sua capacidade nominal a -40°C. Também suportam o carregamento a -20°C com uma eficiência de quase 100%.
Em termos de desempenho a baixa temperatura, a bateria de iões de sódio ultrapassa as baterias de LFP e de chumbo-ácido. A -20°C, a bateria de iões de sódio mantém cerca de 90% da sua capacidade, enquanto as baterias LFP caem para 70% e as baterias de chumbo-ácido para apenas 48%.
Curvas de descarga de baterias de iões de sódio (esquerda), baterias LFP (meio) e baterias de chumbo-ácido (direita) a várias temperaturas
1.1.2 Desempenho excecional da bateria de iões de sódio
Os iões de sódio, graças ao seu diâmetro de Stokes mais pequeno e à sua menor energia de solvência em solventes polares, apresentam uma condutividade electrolítica mais elevada do que os iões de lítio. O diâmetro de Stokes é uma medida do tamanho de uma esfera num fluido que se deposita ao mesmo ritmo que a partícula; um diâmetro mais pequeno permite um movimento mais rápido dos iões. Uma energia de solvatação mais baixa significa que os iões de sódio podem libertar-se mais facilmente das moléculas de solvente na superfície do elétrodo, aumentando a difusão dos iões e acelerando a cinética dos iões no eletrólito.
Comparação dos tamanhos dos iões solvatados e das energias de solvatação (KJ/mol) do sódio e do lítio em diferentes solventes
Esta elevada condutividade do eletrólito resulta num desempenho de velocidade impressionante. A bateria de iões de sódio pode carregar até 90% em apenas 12 minutos - mais rápido do que as baterias de iões de lítio e de chumbo-ácido.
Comparação de desempenho de carregamento rápido
| Tipo de bateria | Tempo para carregar até à capacidade do 80% |
|---|---|
| Bateria de iões de sódio | 15 minutos |
| Ternário de lítio | 30 minutos |
| Bateria LFP | 45 minutos |
| Bateria de chumbo-ácido | 300 minutos |
1.1.3 Desempenho de segurança superior da bateria de iões de sódio em condições extremas
As baterias de iões de lítio podem ser propensas a fugas térmicas em várias condições de abuso, como abuso mecânico (por exemplo, esmagamento, perfuração), abuso elétrico (por exemplo, curto-circuitos, sobrecarga, descarga excessiva) e abuso térmico (por exemplo, sobreaquecimento). Se a temperatura interna atingir um ponto crítico, pode desencadear reacções secundárias perigosas e provocar um aquecimento excessivo, conduzindo a um descontrolo térmico.
As baterias de iões de sódio, por outro lado, não apresentaram os mesmos problemas de fuga térmica nos testes de segurança. Passaram nas avaliações de sobrecarga/descarga, curto-circuitos externos, envelhecimento a alta temperatura e testes de abuso, como esmagamento, perfuração e exposição ao fogo, sem os riscos associados às baterias de iões de lítio.
2.2 Soluções rentáveis para várias aplicações, aumentando o potencial de mercado
As baterias de iões de sódio brilham em termos de rentabilidade em várias aplicações. Superam as baterias de chumbo-ácido em várias áreas, o que as torna um substituto atrativo em mercados como o dos pequenos sistemas de energia para veículos de duas rodas, sistemas start-stop para automóveis e estações de base de telecomunicações. Com melhorias no desempenho do ciclo e reduções de custos através da produção em massa, a bateria de iões de sódio poderá também substituir parcialmente as baterias LFP em veículos eléctricos da classe A00 e em cenários de armazenamento de energia.
Aplicações da bateria de iões de sódio
- Sistemas eléctricos de duas rodas de pequeno porte: As baterias de iões de sódio oferecem um melhor custo do ciclo de vida e uma melhor densidade energética em comparação com as baterias de chumbo-ácido.
- Sistemas Start-Stop para automóveis: O seu excelente desempenho a altas e baixas temperaturas, juntamente com um ciclo de vida superior, adequa-se bem aos requisitos de arranque e paragem dos automóveis.
- Estações de base de telecomunicações: A elevada segurança e a tolerância a descargas excessivas tornam a bateria de iões de sódio ideal para manter a energia durante as falhas.
- Armazenamento de energia: As baterias de iões de sódio são adequadas para aplicações de armazenamento de energia devido à sua elevada segurança, excelente desempenho em termos de temperatura e ciclos de vida longos.
- Veículos eléctricos da classe A00: Proporcionam uma solução económica e estável, satisfazendo as necessidades de densidade energética destes veículos.
2.2.1 Veículos eléctricos da classe A00: Abordar a questão das flutuações de preços das fibras descontínuas de poliésteres devido aos custos das matérias-primas
Os veículos eléctricos da classe A00, também conhecidos como microcarros, foram concebidos para serem rentáveis e de dimensões compactas, o que os torna perfeitos para navegar no trânsito e encontrar estacionamento em zonas com muita gente.
Para estes veículos, os custos da bateria são um fator significativo. A maioria dos automóveis da classe A00 tem um preço entre 30 000 e 80 000 CNY, visando um mercado sensível ao preço. Dado que as baterias constituem uma parte substancial do custo do veículo, os preços estáveis das baterias são cruciais para as vendas.
Estes microcarros têm normalmente uma autonomia inferior a 250 km, com apenas uma pequena percentagem a oferecer até 400 km. Assim, a elevada densidade energética não é uma preocupação fundamental.
As baterias de iões de sódio têm custos de matéria-prima estáveis, baseando-se no carbonato de sódio, que é abundante e menos sujeito a flutuações de preços em comparação com as baterias LFP. A sua densidade energética é competitiva para os veículos da classe A00, o que as torna uma escolha rentável.
2.2.2 Mercado de baterias de chumbo-ácido: Bateria de iões de sódio com desempenho superior em toda a linha, pronta para substituição
As baterias de chumbo-ácido são utilizadas principalmente em três aplicações: pequenos sistemas de energia para veículos de duas rodas, sistemas start-stop para automóveis e baterias de reserva para estações de base de telecomunicações.
- Pequenos sistemas eléctricos para duas rodas: As baterias de iões de sódio oferecem um desempenho superior, um ciclo de vida mais longo e uma maior segurança em comparação com as baterias de chumbo-ácido.
- Sistemas Start-Stop para automóveis: A elevada segurança e o desempenho de carregamento rápido das baterias de iões de sódio fazem delas o substituto ideal das baterias de chumbo-ácido nos sistemas start-stop.
- Estações de base de telecomunicações: As baterias de iões de sódio oferecem um melhor desempenho em termos de resistência a altas e baixas temperaturas, rentabilidade e segurança a longo prazo em comparação com as baterias de chumbo-ácido.
As baterias de iões de sódio superam as baterias de chumbo-ácido em todos os aspectos. A capacidade de funcionar eficazmente em temperaturas extremas, associada a uma maior densidade energética e a vantagens em termos de custos, posiciona a bateria de iões de sódio como um substituto adequado das baterias de chumbo-ácido. Espera-se que a bateria de iões de sódio domine à medida que a tecnologia amadurece e a relação custo-eficácia aumenta.
Conclusão
À medida que a procura de soluções inovadoras de armazenamento de energia continua, Bateria de iões de sódio destacam-se como uma opção versátil e económica. A sua capacidade de funcionar bem numa vasta gama de temperaturas, combinada com capacidades de débito impressionantes e caraterísticas de segurança melhoradas, posiciona-as como um forte concorrente no mercado das baterias. Quer seja para alimentar veículos eléctricos da classe A00, para substituir baterias de chumbo-ácido em pequenos sistemas de energia ou para suportar estações de base de telecomunicações, as baterias de iões de sódio oferecem uma solução prática e orientada para o futuro. Com os avanços contínuos e as potenciais reduções de custos através da produção em massa, a tecnologia de iões de sódio deverá desempenhar um papel fundamental na definição do futuro do armazenamento de energia
