- Die Unterschiede in den Spannungscharakteristiken verschiedener Natriumionen-Chemien verstehen
- Erfahren Sie, wie Sie berechnen können, ob das Spannungsfenster für Reihenschaltungen zu Ihren Geräten passt.
- Verstehen Sie, warum Sie die Schutzschwellenwerteinstellungen des Lithium-Ionen-BMS nicht kopieren können.
Zellspannung von Natrium-Ionen-Batterien
Leerlaufspannung (OCV)
Die Leerlaufspannung ist die Potenzialdifferenz zwischen der positiven und der negativen Elektrode, wenn die Zelle vollständig ruht und kein Strom durch sie fließt. Sie ist die grundlegendste Spannungseigenschaft einer Zelle und hängt ausschließlich vom aktuellen Ladezustand (SOC) sowie den Materialien der Kathode und Anode ab.
Eine vollständig geladene Natriumionenzelle hat eine Leerlaufspannung (OCV) zwischen 3.7 V und 4.0 V (variiert je nach Kathodenmaterial). Alle Natriumionenzellen weisen im entladenen Zustand eine Leerlaufspannung zwischen 1.5 V und 2.0 V auf.
Die OCV-SOC-Kurve bildet die Grundlage aller SOC-Schätzalgorithmen. Sie beeinflusst direkt, wie genau das Batteriemanagementsystem (BMS) die Batteriekapazität vorhersagen kann.
Nennspannung von Natriumionenzellen
Ladeschlussspannung
Die Ladeschlussspannung ist die maximal zulässige Spannung während des Ladevorgangs der Zelle. Eine Überschreitung dieser Spannung führt zur Zersetzung des Elektrolyten, zum Zusammenbruch der Kathodenstruktur und kann sogar Sicherheitsunfälle verursachen.
Gängige Natriumionen-Zellen weisen typischerweise eine Ladeschlussspannung zwischen 3.8 V und 4.0 V auf. Interessanterweise erreichen einige Polyanionen-Kathodenmaterialien Spannungen von über 4.2 V. Dies stellt einen wichtigen Durchbruch für zukünftige Hochvolt-Natriumionenzellen dar.
Entlade-Abschaltspannung
Die Entladeschlussspannung ist die minimale Spannung, die beim Entladen einer Zelle zulässig ist. Wird diese Spannung unterschritten, löst sich der Kupferstromkollektor auf und es entstehen irreversible Schäden.
Natrium-Ionen-Akkus können im Normalbetrieb bis auf 2.0 V oder sogar 1.5 V entladen werden. Lithium-Ionen-Akkus hingegen erreichen üblicherweise keine Spannung unter 2.5 V. Dies ist einer der bedeutendsten Unterschiede zwischen Natrium-Ionen- und Lithium-Ionen-Akkus und zugleich die Hauptursache für die meisten Kompatibilitätsprobleme.
Noch bemerkenswerter ist, dass Natrium-Ionen-Akkus unter bestimmten Umständen bis auf 0 V tiefentladen werden können. Ein Akku mit 0 V eliminiert die Brandgefahr. Dadurch sind Natrium-Ionen-Akkus sicherer für die Langzeitlagerung oder den Transport über lange Strecken.
Beachten Sie jedoch, dass dies nur für einmalige, spezifische Vorgänge erfolgen sollte. Wiederholtes Tiefentladen führt zu einer Reihe von Problemen. Zudem bringt das Entladen von 1.5 V auf 0 V nur etwa 2 % zusätzliche Kapazität. Dieser geringe Gewinn ist im Vergleich zu den potenziellen Risiken vernachlässigbar.
Betriebsspannungsbereich
Vergleich der Zellspannungsunterschiede: Natriumionen vs. Lithiumionen
| Spannungsparameter | Natriumionenzelle (Schichtoxid/Hartkohlenstoff) | LiFePO₄ (LFP)-Zelle | NMC-Zelle |
| Nennspannung | 3.0 V | 3.2 V | 3.7 V |
| Ladeabschaltspannung | 4.0 V | 3.6 V | 4.2 V |
| Entladungs-Abschaltspannung | 1.5 - 2.0 V | 2.5 V | 2.8 - 3.0 V |
| Mittlere Entladespannung | 2.8 - 3.1 V | 3.1 - 3.2 V | 3.5 - 3.7 V |
| Spannungsfensterbereich | ~ 2.0 V. | ~ 1.15 V. | ~1.2 – 1.4 V |
Spannungskurven von Natriumionenbatterien während des Ladens und Entladens
Grundlegende Spannungsänderungsmuster
Beim Ladevorgang verlassen Natriumionen die positive Elektrode und wandern in die negative Elektrode ein. Die Spannung steigt insgesamt kontinuierlich an.
Beim Entladen lösen sich Natriumionen von der negativen Elektrode und fließen zurück zur positiven Elektrode. Die Spannung sinkt dabei allmählich. Dieser Vorgang entspricht nahezu dem Ladevorgang.
Dennoch ist eine Tatsache zu beachten: Natrium-Ionen-Batterien besitzen keine standardisierte, feste Spannungskurve. Unterschiedliche Materialsysteme führen zu deutlichen Unterschieden in folgenden Aspekten:
- Geschwindigkeit der Spannungsänderung
- Stabiler Spannungsbereich
- Position der Spannungsumkehrpunkte
- Polarisationsleistung
- Leistung bei hohem und niedrigem SOC
Spannungskurven mit verschiedenen Kathodenmaterialien
- SchichtoxidsystemDie Kurve weist drei bis vier sanfte Stufen bei unterschiedlichen Spannungspegeln auf. Sie fällt stufenförmig langsam ab. Es gibt keinen längeren flachen Abschnitt im gesamten Verlauf.
- Preußischblaues SystemEs weist zwei leichte, quasi-plateauartige Abschnitte auf. Diese Abschnitte sind nicht vollkommen flach.
- PolyanionensystemEs zeichnet sich durch ein langes, flaches Plateau aus. Nur an zwei kurzen Abschnitten an beiden Enden treten schnelle Spannungsänderungen auf. Von den drei Materialtypen ähnelt seine Kurve am ehesten der von LFP-Batterien.
Technische Herausforderungen
Enorme Unterschiede in der Genauigkeit der SOC-Schätzung
- Falsche Leistungsanzeige
- SOC-Drift
- Falsche Einschätzung der verbleibenden Arbeitszeit
Ladeschutz
- Engerer Arbeitsbereich für den Überspannungsschutz
- Höhere Belastung für den Zellenausgleich
- Höhere Anforderungen an die Präzision der Datenerfassung
Schlüsselfaktoren, die die Zellspannung von Natrium-Ionen-Batterien beeinflussen
Kathodenmaterial
- SchichtoxidDie Nennspannung liegt bei etwa 3.0–3.3 V, die durchschnittliche Entladespannung bei 3.2 V. Dies ist derzeit der gängigste Weg mit der höchsten Spannung und der besten Energiedichte.
- Preußischblau AnalogNennspannung 2.7–3.0 V, durchschnittliche Entladespannung 2.8 V. Es eignet sich gut für Umgebungen mit niedrigen Temperaturen und ist kostengünstiger.
- PolyanionensystemDie Nennspannung beträgt 2.5–2.8 V, die durchschnittliche Entladespannung 2.6 V. Dieses Material bietet Natriumionen-Batterien die erste Chance, hinsichtlich der Spannung mit LFP-Batterien zu konkurrieren, weist jedoch eine geringere Energiedichte auf.
Elektrolyt- und Grenzflächeneffekte
- Standardmäßige Carbonatelektrolyte haben ein Spannungsfenster von etwa 1.0-4.2 V. Dies begrenzt die maximale Ladespannung der Zellen.
- Additive wie FEC bilden einen stabilen SEI-Film auf der Anodenoberfläche. Sie reduzieren die Spannungspolarisation und verlängern die Zyklenlebensdauer.
- Hochkonzentrierte Elektrolyte können das elektrochemische Fenster auf über 4.5 V erweitern. Sie unterstützen das Laden mit höheren Spannungen.
- CEI-Schichten auf der Kathodenoberfläche verhindern die Auflösung von Übergangsmetallen. Sie unterdrücken den Spannungsabfall während des Lade-Entlade-Zyklus.
Externe Faktoren, die die Betriebsspannung von Natriumionenzellen beeinflussen
Lade- und Entladerate
- Während der Entladung ist die tatsächliche Betriebsspannung niedriger als die Leerlaufspannung. Eine höhere Entladerate bedeutet eine niedrigere Spannung.
- Während des Ladevorgangs ist die tatsächliche Betriebsspannung höher als die Leerlaufspannung. Eine höhere Laderate bedeutet eine höhere Spannung.
Temperatur
- Hochtemperatur-Bei 45 °C steigt das Entladespannungsplateau im Vergleich zu Raumtemperatur um etwa 0.03–0.05 V an. Die kurzfristige Kapazitätserhaltung kann 105–110 % erreichen. Im Langzeitbetrieb sinkt die Spannung jedoch 2–3 Mal schneller als bei Raumtemperatur. Dadurch verkürzt sich die Zyklenlebensdauer um mehr als 50 %.
- Niedrige TemperaturBei -20 °C sinkt das Entladespannungsplateau im Vergleich zu Raumtemperatur um etwa 0.3 V. Die Kapazitätserhaltung liegt bei über 80 %. Dies ist deutlich besser als LFP-BatterienWir müssen aber trotzdem die notwendigen Heiz- oder Dämmmaßnahmen ergreifen.
Unterschiede im Innenwiderstand, verursacht durch Änderungen des Ladezustands (SOC)
Der Innenwiderstand der Zelle ändert sich mit dem Ladezustand (SOC) erheblich. Er ist üblicherweise bei sehr niedrigen und sehr hohen Ladezuständen höher und im mittleren Bereich niedriger. Das bedeutet, dass derselbe Stromimpuls einen deutlich größeren Spannungsabfall verursacht, wenn die Batterie fast leer oder voll geladen ist.
Dieser Faktor muss bei der Auslegung von Systemen mit maximaler Leistung oder USV-Systemen unbedingt berücksichtigt werden. Dadurch wird verhindert, dass die Spannung unter die minimale Betriebsspannung der angeschlossenen Geräte fällt.
Wie die Zellenspannung von Natrium-Ionen-Batterien die Konstruktion von Akkupacks beeinflusst
Zellkonfigurationen für verschiedene Spannungssysteme
- 12V-SystemeGeräte arbeiten üblicherweise mit einer Spannung zwischen 10.5 V und 15 V. Ein Natrium-Ionen-Akkumulator mit vier in Reihe geschalteten Zellen hat einen Spannungsbereich von 8 V bis 16 V. Seine Mindestspannung liegt weit unter der Systemstartschwelle von 10.5 V.
- 24V-SystemeSie arbeiten typischerweise mit einer Spannung zwischen 21 V und 29 V. Ein LFP-Akkupack der Serie 8 deckt einen Bereich von 20 V bis 29.2 V ab, was gut passt. Ein Natrium-Ionen-Akkupack der Serie 8 hingegen hat einen größeren Spannungsbereich von 16 V bis 32 V.
- 48V-SystemeSie werden in der Energiespeicherung für Privathaushalte, in Telekommunikationsnetzteilen und in einigen elektrischen Freizeitgeräten eingesetzt. Ihre Betriebsspannung liegt üblicherweise zwischen 42 V und 58.4 V. Ein Natrium-Ionen-Akkumulator der Serie 16 hat einen Spannungsbereich von 24 V bis 64 V. Seine Mindestspannung liegt weit unter der Anlaufspannung von 42 V.
Kernauswirkungen eines breiten Spannungsbereichs auf die Schutzstrategien von Gebäudeleitsystemen
Unterspannungsschutzschwelle
Überladeschutzschwelle
- Wird die Spannung zu nahe an die Ladeschlussspannung eingestellt (z. B. 4.0 V pro Zelle, 64 V bei 16 in Reihe geschalteten Zellen), können bereits kleine Abtastfehler zu Fehlauslösungen oder verpassten Auslösungen führen.
- Ist die Spannung zu weit von der Ladeabschaltspannung entfernt (z. B. 3.8 V pro Zelle), stoppt der Ladevorgang lange bevor die Zellen voll sind. Dies reduziert die nutzbare Kapazität erheblich.
Einfluss der Spannungscharakteristik auf die Wechselrichter- und Systemkompatibilität
Die Spannungscharakteristik beeinflusst auch die Kompatibilität von Wechselrichter und System. Wechselrichter haben feste MPPT-Spannungsbereiche und Eingangsspannungsbereiche für die Batterie. Wenn die Spannungsgrenzen eines Natrium-Ionen-Akkus außerhalb des zulässigen Bereichs des Wechselrichters liegen, schaltet dieser sich entweder zum Schutz ab oder beschädigt die Leistungskomponenten.
Die meisten Standard-Wechselrichter haben einen Eingangsspannungsbereich von 1.15x. Sie decken nicht den 2.5-fachen Spannungsbereich von Natriumionen-Akkus ab. Daher benötigen Sie Universal-Wechselrichter, die einen breiten Spannungsbereich unterstützen. Vergleichen Sie vor dem Kauf unbedingt die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen, die Lade-/Entlade-Abschaltspannungen und den Spannungsbereich im Datenblatt des Wechselrichters.
Herausforderungen beim direkten Austausch von Lithium-Ionen-Akkus
Der direkte Austausch von Lithium-Ionen-Akkus durch Natrium-Ionen-Akkus birgt erhebliche Herausforderungen. Aktuell sind Millionen von Blei-Säure-Akkus auf Lithium-Ionen-Umrüstungen auf dem Markt. Dies funktioniert, weil die Branche einheitliche Standards hat. Die meisten Blei-Säure-Akkus lassen sich schnell auf Lithium-Ionen umrüsten. Bei Natrium-Ionen-Akkus verhält es sich jedoch anders.
Selbst innerhalb der Natriumionen-Technologie weisen verschiedene Systeme unterschiedliche technische Merkmale auf. Ein direkter Austausch kann zu folgenden Risiken führen:
- Spannungsfehlanpassung führt zu Schutz- oder Beschädigungseffekten beim Wechselrichter.
- Falsche Schutzschwellenwerte des Batteriemanagementsystems (BMS) verursachen Überladung oder Tiefentladung.
- Eine zu hohe Ladespannung schädigt die Zellen.
- Unzureichende Tiefe der Abwasserentsorgungskapazität
- Nicht aufeinander abgestimmte Wärmemanagementsysteme bergen Sicherheitsrisiken.
Leitfaden zur Spannungsauswahl für verschiedene Energiespeicheranwendungen
Wohn-Energiespeicher
Wenn ein Haus bereits über einen Solarwechselrichter verfügt, ist dessen Batterieeingangsbereich in der Regel für LFP-Batterien optimiert. Bei der Nachrüstung eines Natriumionen-Batteriesystems muss dieser exakt angepasst oder ein kompatibler DC/DC-Wandler verwendet werden. Andernfalls wird die Benutzerfreundlichkeit erheblich beeinträchtigt und der Ruf Ihrer Marke geschädigt.
Beim Kauf von Natrium-Ionen-Akkus empfehle ich Akkupacks mit 3.2-V-Schichtoxidzellen. Diese bieten eine höhere Energiedichte, eignen sich besser für wandmontierte und gestapelte Heimspeicher und liegen näher an der gängigen 48-V-Spannungsplattform für Heimspeicher.
Kommerzielle und industrielle Energiespeicherung
Energiespeicherung in Niedertemperaturregionen
Natrium-Ionen-Akkus spielen ihre Stärken vor allem bei niedrigen Temperaturen aus. Zwar treten auch hier Spannungsabfälle und leichte Kapazitätsverluste auf, doch bieten sie einen deutlichen Vorteil gegenüber Lithium-Ionen-Akkus.
Sowohl Preußischblau- als auch Polyanionen-Systeme weisen eine ausgezeichnete Tieftemperaturleistung auf. Bei Preußischblau bestehen jedoch weiterhin ungelöste Probleme mit Kristallwasser. Obwohl es eine bessere Schnellladefähigkeit bei niedrigen Temperaturen bietet, empfehle ich vorerst die ausgereifteren Natrium-Ionen-Akkus mit Polyanionen-Kathode.
Fazit
Die Spannungscharakteristik von Natrium-Ionen-Batterien ist der grundlegendste Unterschied zu Lithium-Ionen-Batterien. Sie bildet zudem den Ausgangspunkt und Kern aller Natrium-Ionen-Systemdesigns. Selbst bei Natrium-Ionen-Batterien kann die optimale Zellchemie für verschiedene Projekte stark variieren. Für Energiespeicherhersteller, Systemintegratoren, Wechselrichterhersteller und Batteriekäufer ist die Wahl einer Lösung, die perfekt zur Spannungsplattform ihres Systems passt, daher von entscheidender Bedeutung.
Wenn Sie ein Natriumionen-Energiespeicherprojekt evaluieren oder Ihr bestehendes Lithiumionensystem sicher und effizient auf Natriumionen umrüsten möchten, wenden Sie sich an unser technisches Team.
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