Guida definitiva 2026 alla tensione delle celle delle batterie agli ioni di sodio

La tensione delle celle delle batterie agli ioni di sodio è uno dei parametri più fraintesi. Molti acquirenti, integratori di sistemi di accumulo energetico e persino alcuni ingegneri presumono automaticamente: "Le batterie agli ioni di sodio sono come le batterie LFP, con il litio sostituito dal sodio".

Ma le batterie agli ioni di sodio e quelle agli ioni di litio presentano differenze fondamentali. Come ingegnere con 16 anni di esperienza nella progettazione e ricerca e sviluppo di batterie al litio, l'aspetto più evidente che osservo è la serie di sfide ingegneristiche che iniziano tutte con la tensione.

Dopo aver letto questo articolo, avrete ben chiari almeno tre punti chiave:

Comprendere le differenze nelle caratteristiche di tensione tra le diverse chimiche degli ioni di sodio
Scopri come calcolare se l'intervallo di tensione in serie è compatibile con la tua apparecchiatura.
Scopri perché non è possibile copiare le impostazioni della soglia di protezione del BMS agli ioni di litio.

Se state selezionando le batterie per un progetto specifico o valutando la fattibilità delle batterie agli ioni di sodio, spero che questo articolo vi sia utile come riferimento tecnico per la vostra decisione.

Tensione di cella delle batterie agli ioni di sodio

La tensione di una cella è essenzialmente la differenza di potenziale tra l'elettrodo positivo e quello negativo di una batteria. Per le batterie agli ioni di sodio, e in effetti per qualsiasi batteria, la tensione riflette direttamente la natura chimica della cella. Determina molti fattori critici: il numero di celle da inserire, il tipo di BMS da utilizzare, l'inverter da abbinare e persino il costo finale dell'intero sistema, tutto dipende dalla tensione delle celle.

Tensione a circuito aperto (OCV)

La tensione a circuito aperto è la differenza di potenziale tra l'elettrodo positivo e quello negativo quando la cella è completamente a riposo e non vi scorre corrente. È la proprietà di tensione più fondamentale di una cella. Dipende solo dallo stato di carica (SOC) attuale e dai materiali del catodo e dell'anodo.

Una cella agli ioni di sodio completamente carica ha una tensione a circuito aperto (OCV) compresa tra 3.7 V e 4.0 V (varia a seconda del materiale del catodo). Tutte le batterie agli ioni di sodio hanno una tensione a circuito aperto (OCV) scarica compresa tra 1.5 V e 2.0 V.

La curva OCV-SOC è alla base di tutti gli algoritmi di stima dello stato di carica (SOC). Essa influisce direttamente sull'accuratezza con cui il BMS è in grado di prevedere la capacità della batteria.

Tensione nominale delle celle agli ioni di sodio

La tensione nominale è un valore di riferimento creato artificialmente. Viene utilizzata per indicare rapidamente la classe di tensione di una cella. Non è un valore misurato, bensì la tensione media della cella durante una tipica scarica.

La maggior parte delle celle agli ioni di sodio ha una tensione nominale di 3.0 V. Alcune sono classificate a 2.8 V. Se lavori regolarmente con celle agli ioni di litio, noterai che le celle agli ioni di sodio hanno generalmente una tensione inferiore rispetto a celle agli ioni di litio.

Tensione di interruzione della carica

La tensione di interruzione di carica è la tensione massima consentita durante la carica della cella. Il superamento di questa tensione provoca la decomposizione dell'elettrolita, il collasso della struttura del catodo e persino incidenti.

Le attuali tecnologie chimiche per batterie agli ioni di sodio presentano in genere una tensione di interruzione della carica compresa tra 3.8 V e 4.0 V. È interessante notare che alcuni materiali catodici a base di polianioni possono raggiungere valori superiori a 4.2 V. Questa rappresenta una direzione di sviluppo fondamentale per le celle agli ioni di sodio ad alta tensione del futuro.

Tensione di interruzione di scarica

La tensione di interruzione di scarica è la tensione minima consentita durante la scarica di una cella. Scendere al di sotto di questa tensione causerà la dissoluzione del collettore di corrente in rame e danni irreversibili.

In condizioni di normale funzionamento, le batterie agli ioni di sodio possono scaricarsi fino a 2.0 V o persino 1.5 V. Le batterie agli ioni di litio, invece, di solito non scendono al di sotto dei 2.5 V. Questa è una delle differenze più significative tra le batterie agli ioni di sodio e quelle agli ioni di litio, nonché la causa principale della maggior parte dei problemi di compatibilità.

Un fatto ancora più notevole: in determinate circostanze, le batterie agli ioni di sodio possono essere scaricate completamente fino a 0 V. Una batteria a 0 V elimina il rischio di incendio. Questo rende le batterie agli ioni di sodio più sicure per lo stoccaggio a lungo termine o il trasporto su lunghe distanze.

Si noti, tuttavia, che questa operazione dovrebbe essere eseguita solo per specifiche operazioni una tantum. Scariche eccessive ripetute causeranno una serie di problemi. Inoltre, la scarica da 1.5 V a 0 V fornisce solo circa il 2% di capacità aggiuntiva. Questo piccolo guadagno è trascurabile rispetto ai potenziali rischi.

Gamma di tensione operativa

L'intervallo di tensione operativa rappresenta il range di funzionamento effettivo di una batteria, dalla carica completa alla scarica completa. Più ampio è questo intervallo, più complessa diventa la progettazione del sistema. Ciò è particolarmente vero per i sistemi di accumulo di energia, dove i sistemi di conversione di potenza (PCS) e gli inverter devono gestire una gamma più ampia di fluttuazioni in ingresso.

Confronto delle differenze di potenziale elettrico delle celle: ioni di sodio vs ioni di litio

Parametro di tensione	Cella agli ioni di sodio (ossido stratificato/carbone duro)	Cella LiFePO₄ (LFP)	Cellula NMC
Tensione nominale	3.0 V	3.2 V	3.7 V
Tensione di interruzione della carica	4.0 V	3.6 V	4.2 V
Tensione di interruzione di scarica	1.5 - 2.0 V	2.5 V	2.8 - 3.0 V
Tensione media di scarica	2.8 - 3.1 V	3.1 - 3.2 V	3.5 - 3.7 V
Intervallo di tensione della finestra	~ 2.0 V	~ 1.15 V	~1.2 – 1.4 V

Curve di tensione delle batterie agli ioni di sodio durante la carica e la scarica

Durante i cicli di carica e scarica, gli ioni di sodio si spostano avanti e indietro tra gli elettrodi positivo e negativo. Questo è il principio di funzionamento fondamentale delle batterie agli ioni di sodio. La tensione indica la differenza di potenziale tra i due elettrodi. Un grafico di tensione registra le variazioni di tensione in tempo reale durante l'intero ciclo. Questo dato è di fondamentale importanza per la configurazione dell'intero sistema del pacco batterie.

Schemi base di variazione della tensione

Durante la carica , gli ioni di sodio lasciano l'elettrodo positivo ed entrano nell'elettrodo negativo. La tensione complessiva continua ad aumentare.

Durante la scarica , gli ioni di sodio si separano dall'elettrodo negativo e ritornano all'elettrodo positivo. La tensione diminuisce gradualmente. Questo andamento è pressoché identico al processo di carica.

Tuttavia, è necessario tenere presente un fatto. Le batterie agli ioni di sodio non hanno una curva di tensione standard fissa. I diversi sistemi di materiali comportano nette differenze in questi aspetti:

Velocità di variazione della tensione
Intervallo di tensione stabile
Posizione dei punti di inversione della tensione
Prestazioni di polarizzazione
Prestazioni a SOC alto e basso

Questa è anche una differenza fondamentale tra le batterie agli ioni di sodio e le batterie LFP. Le celle LFP di diversi produttori possono presentare lievi differenze nei parametri, ma seguono lo stesso andamento generale. Le loro curve di scarica possono quasi sovrapporsi.

Curve di tensione con diversi materiali catodici

Il materiale del catodo è la causa principale delle diverse curve di carica e scarica delle batterie agli ioni di sodio. Allo stesso tempo, materiali diversi influenzano anche altre caratteristiche prestazionali delle celle.

Sistema di ossidi stratificatiLa curva presenta da tre a quattro gradini graduali a diversi livelli di tensione. Diminuisce lentamente a gradini. Non vi è alcuna lunga sezione piatta durante l'intero processo.
sistema blu di PrussiaPresenta due lievi sezioni quasi pianeggianti. Queste sezioni non sono completamente pianeggianti.
Sistema polianionicoPresenta un plateau lungo e piatto. Solo due brevi tratti alle estremità mostrano rapide variazioni di tensione. Tra i tre tipi di materiale, la sua curva è la più simile a quella delle batterie LFP.

Sfide tecniche

Le celle agli ioni di sodio con diverse curve di tensione presentano diverse difficoltà nel calcolo dello stato di carica (SOC). Ciò crea ulteriori ostacoli tecnici per gli ingegneri nella progettazione dei pacchi batteria.

Enormi differenze nell'accuratezza della stima SOC

Il legame tra SOC e tensione varia notevolmente a seconda dei diversi sistemi a ioni di sodio. Se si valuta la potenza residua basandosi esclusivamente sulle variazioni di tensione, si incorrerà nei seguenti problemi:

Lettura della potenza errata
Deriva SOC
Valutazione errata del tempo di lavoro rimanente

Se si applica la stessa logica di valutazione alle batterie agli ioni di litio, i dati presenteranno notevoli deviazioni. Ciò potrebbe persino compromettere le funzioni di protezione del BMS. Pertanto, i professionisti solitamente adottano soluzioni combinate, che includono test di tensione, conteggio di Coulomb e filtraggio di Kalman.

Protezione della carica

Nella fase finale della carica, la tensione aumenta a velocità diverse a seconda del sistema di batterie agli ioni di sodio. Alcuni sistemi presentano un aumento di tensione estremamente rapido quando le celle sono quasi completamente caricate. Questo pone ulteriori sfide al BMS:

Intervallo di funzionamento più ristretto per la protezione da sovratensione.
Carico maggiore per il bilanciamento delle celle
Requisiti di maggiore precisione per il campionamento dei dati

Questo problema è più accentuato nei grandi progetti di accumulo di energia. Le minime cadute di tensione sulle singole celle vengono amplificate in serie.

Fattori chiave che influenzano la tensione delle celle delle batterie agli ioni di sodio

Durante il processo produttivo, i sistemi di materiali, le proprietà dell'interfaccia, i processi di produzione e l'ambiente influenzano tutti la tensione della cella. Tra questi, il materiale del catodo è il fattore più importante e determinante.

Materiale catodico

Il materiale del catodo è il principale fattore determinante della tensione della cella. Quando tutti gli anodi sono in carbonio duro, questo determina oltre il 90% delle caratteristiche di tensione della cella.

Ossido stratificatoTensione nominale di circa 3.0-3.3 V, tensione di scarica media di 3.2 V. Questa è la via principale con la tensione più elevata e la migliore densità di energia attualmente disponibili.
blu di Prussia analogicoTensione nominale 2.7-3.0 V, tensione di scarica media 2.8 V. Offre buone prestazioni in ambienti a bassa temperatura e ha costi inferiori.
Sistema polianionicoTensione nominale 2.5-2.8 V, tensione di scarica media 2.6 V. Questo materiale offre alle batterie agli ioni di sodio la prima opportunità di competere con le batterie LFP in termini di tensione, ma presenta una densità energetica inferiore.

Effetti degli elettroliti e dell'interfaccia

La finestra elettrochimica degli elettroliti e le proprietà dei film di interfaccia determinano direttamente l'intervallo di tensione di funzionamento sicuro delle celle.

Gli elettroliti standard a base di carbonato hanno un intervallo di tensione di circa 1.0-4.2 V. Questo limita la tensione di carica massima delle celle.
Additivi come il FEC formano una pellicola SEI stabile sulla superficie dell'anodo. Riducono la polarizzazione di tensione e prolungano la durata del ciclo di vita.
Gli elettroliti ad alta concentrazione possono ampliare la finestra elettrochimica fino a oltre 4.5 V. Supportano la ricarica a tensioni più elevate.
I film CEI sulla superficie del catodo impediscono la dissoluzione dei metalli di transizione. Essi riducono il calo di tensione durante i cicli di carica e scarica.

Fattori esterni che influenzano la tensione di funzionamento delle celle agli ioni di sodio

Anche la stessa cella può mostrare prestazioni di tensione molto diverse in condizioni operative differenti.

Tasso di carica e scarica

Durante la scarica, la tensione di esercizio effettiva è inferiore alla tensione a circuito aperto. Una velocità di scarica maggiore corrisponde a una tensione inferiore.
Durante la carica, la tensione di esercizio effettiva è superiore alla tensione a circuito aperto. Una velocità di carica più elevata corrisponde a una tensione più alta.

La temperatura

In genere, le batterie agli ioni di sodio offrono prestazioni migliori rispetto a quelle agli ioni di litio a basse temperature. Tuttavia, dobbiamo ammettere che la temperatura ha comunque un impatto notevole sulle loro prestazioni.

Alta temperaturaA 45℃, il plateau della tensione di scarica aumenta leggermente di circa 0.03-0.05 V rispetto alla temperatura ambiente. La ritenzione di capacità a breve termine può raggiungere il 105%-110%. Tuttavia, il funzionamento continuo a lungo termine farà sì che la tensione si abbassi 2-3 volte più velocemente rispetto alla temperatura ambiente. Inoltre, la durata del ciclo si ridurrà di oltre il 50%.
Bassa temperatura: A -20℃, il plateau della tensione di scarica scende di circa 0.3 V rispetto alla temperatura ambiente. La ritenzione della capacità supera l'80%. Questo è molto meglio di Batterie LFP. Ma dobbiamo comunque adottare le misure di riscaldamento o isolamento necessarie.

Differenze di resistenza interna causate da variazioni dello stato di carica (SOC)

La resistenza interna della cella varia significativamente con lo stato di carica (SOC). Solitamente è più elevata a livelli di SOC molto bassi e molto alti, e inferiore a livelli intermedi. Ciò significa che lo stesso impulso di corrente provocherà una caduta di tensione molto maggiore quando la batteria è quasi scarica o completamente carica.

È fondamentale tenere pienamente conto di questo fattore nella progettazione della potenza massima di un sistema o di un UPS. Ciò impedisce che la tensione scenda al di sotto della tensione operativa minima dei dispositivi collegati.

In che modo la tensione delle celle delle batterie agli ioni di sodio influisce sulla progettazione del pacco batterie?

Le caratteristiche di tensione delle celle sono il punto di partenza per la progettazione di qualsiasi sistema di batterie. Determinano quante celle è necessario collegare in serie, l'architettura del BMS, quale inverter scegliere e l'intera strategia di protezione e sicurezza del sistema.

Configurazioni delle celle per diversi sistemi di tensione

La maggior parte delle piattaforme di voltaggio attuali segue i design tradizionali delle batterie al piombo-acido. Ancora più importante, sono compatibili con l'intervallo di tensione di funzionamento stabile delle apparecchiature esistenti.

Sistemi a 12VLe apparecchiature funzionano generalmente con tensioni comprese tra 10.5 V e 15 V. Un pacco batterie agli ioni di sodio in serie 4 ha un intervallo di tensione da 8 V a 16 V. La sua tensione minima è ben al di sotto della soglia di avvio del sistema di 10.5 V.
Sistemi a 24VIn genere funzionano tra 21V e 29V. Un pacco batterie LFP serie 8 ha un intervallo da 20V a 29.2V, che è un buon abbinamento. Ma un pacco batterie agli ioni di sodio serie 8 ha un intervallo più ampio da 16V a 32V.
Sistemi a 48VUtilizzate nell'accumulo di energia residenziale, negli alimentatori per telecomunicazioni e in alcune apparecchiature elettriche per il tempo libero. Solitamente funzionano con tensioni comprese tra 42 V e 58.4 V. Un pacco batterie agli ioni di sodio della serie 16 ha una tensione che varia da 24 V a 64 V. La sua tensione minima è ben al di sotto della soglia di avviamento di 42 V.

Impatto fondamentale dell'ampio intervallo di tensione sulle strategie di protezione del BMS

I pacchi batteria agli ioni di sodio hanno tensioni operative molto diverse. Le impostazioni BMS predefinite per le batterie agli ioni di litio non sono adatte ai sistemi agli ioni di sodio. È necessario progettarle specificamente.

Soglia di protezione da sottotensione

Questa è la tensione di scarica minima sicura per il pacco batterie. Se si imposta la soglia in base alla finestra dell'inverter, si bloccherà la capacità inutilizzata all'interno delle celle agli ioni di sodio. Un approccio migliore consiste nell'impostare la soglia in base alle capacità delle celle e aggiungere un modulo di conversione DC-DC. Ciò aumenterà i costi hardware rispetto ai sistemi agli ioni di litio e renderà il sistema più complesso.

Soglia di protezione da sovraccarico

Le celle agli ioni di sodio hanno tensioni di interruzione della carica che vanno da 3.8 V a 4.2 V, a seconda del sistema catodico. Pertanto, le soglie di protezione da sovraccarico del BMS devono bilanciare due esigenze contrastanti:

Impostando un valore troppo vicino alla tensione di interruzione della carica (ad esempio, 4.0 V per cella, 64 V per 16 celle in serie): piccoli errori di campionamento possono causare falsi allarmi o mancati allarmi.
Impostando un valore troppo lontano dalla tensione di interruzione della carica (ad esempio, 3.8 V per cella): la carica si interrompe molto prima che le celle siano completamente cariche. Ciò riduce notevolmente la capacità utilizzabile.

Impatto delle caratteristiche di tensione sulla compatibilità tra inverter e sistema

Anche le caratteristiche di tensione influiscono sulla compatibilità tra inverter e sistema. Gli inverter hanno intervalli di tensione MPPT e intervalli di tensione di ingresso della batteria fissi. Se i limiti di tensione di un pacco batterie agli ioni di sodio escono dall'intervallo dell'inverter, quest'ultimo si spegnerà per protezione o danneggerà i componenti di potenza.

La maggior parte degli inverter standard ha un intervallo di tensione in ingresso di 1.15x. Non sono in grado di coprire l'intervallo di tensione di 2.5x delle batterie agli ioni di sodio. Pertanto, è necessario scegliere inverter universali che supportino ampi intervalli di tensione. Prima dell'acquisto, verificare sempre attentamente che il numero di celle in serie e le tensioni di interruzione di carica/scarica corrispondano all'intervallo di tensione indicato nella scheda tecnica dell'inverter.

Le sfide legate alla sostituzione diretta dei pacchi batteria agli ioni di litio

La sostituzione diretta dei pacchi batteria agli ioni di litio con quelli agli ioni di sodio presenta notevoli difficoltà. Oggi sul mercato esistono milioni di conversioni da batterie al piombo a batterie agli ioni di litio. Ciò è possibile grazie all'uniformazione degli standard industriali. La maggior parte delle batterie al piombo può essere rapidamente convertita in batterie agli ioni di litio. Le batterie agli ioni di sodio, tuttavia, sono diverse.

Anche all'interno della tecnologia agli ioni di sodio, i diversi sistemi presentano caratteristiche tecniche differenti. La sostituzione diretta può comportare i seguenti rischi:

La discrepanza di tensione causa la protezione o il danneggiamento dell'inverter.
Soglie di protezione BMS errate causano sovraccarico o scarica eccessiva
Una tensione di carica eccessivamente elevata danneggia le celle
Capacità di scarico dei rifiuti insufficiente in profondità
Sistemi di gestione termica non compatibili creano rischi per la sicurezza

Se avete bisogno di sostituire dei componenti, contattate il nostro team tecnico. Vi forniremo valutazioni professionali e soluzioni di sostituzione complete.

Guida alla selezione della tensione per diversi scenari di applicazione dei sistemi di accumulo di energia

Oggi le batterie agli ioni di sodio sono utilizzate principalmente nel settore dell'accumulo di energia. Di seguito, analizzerò e consiglierò le opzioni più adatte in base alle diverse esigenze.

Stoccaggio di energia residenziale

Se un'abitazione è già dotata di un inverter solare, il suo intervallo di ingresso per la batteria è solitamente ottimizzato per batterie LFP. Quando si installa un sistema di batterie agli ioni di sodio, è necessario che sia perfettamente compatibile o che si utilizzi un adattatore DC-DC adatto. In caso contrario, l'esperienza utente ne risentirà seriamente e la reputazione del marchio ne risentirà.

Naturalmente, quando si acquistano batterie agli ioni di sodio, consiglio pacchi batteria realizzati con celle a ossido stratificato da 3.2 V. Hanno una densità energetica maggiore. Funzionano meglio con le batterie di accumulo di energia residenziali montate a parete e collegate in serie. E sono più vicine alla piattaforma di tensione esistente di 48 V per i sistemi di accumulo di energia residenziali.

Stoccaggio energetico commerciale e industriale

I sistemi di accumulo di energia per uso commerciale e industriale hanno elevati requisiti in termini di durata del ciclo di vita e stabilità del sistema. Solitamente non sono sensibili alla densità energetica.

La cella ai polianioni da 2.6 V ha la tensione più bassa, ma anche la struttura più stabile e la durata del ciclo di vita più lunga. Può sfruttare al meglio i suoi vantaggi in termini di sicurezza ed economicità nei progetti di accumulo di energia su larga scala.

Accumulo di energia nelle regioni a bassa temperatura

Le batterie agli ioni di sodio danno il meglio di sé negli ambienti a bassa temperatura. Anche in questi casi si verificano cali di tensione e lievi riduzioni di capacità, ma presentano un netto vantaggio rispetto alle batterie agli ioni di litio.

Sia il sistema a blu di Prussia che quello a polianioni offrono prestazioni eccellenti a basse temperature. Tuttavia, il blu di Prussia presenta ancora problemi irrisolti relativi all'acqua reticolare. Sebbene abbia una migliore capacità di ricarica rapida a basse temperature, per ora continuo a consigliare le batterie agli ioni di sodio con catodo a polianioni, che sono più mature.

Conclusione

Le caratteristiche di tensione delle batterie agli ioni di sodio rappresentano la differenza fondamentale rispetto alle batterie agli ioni di litio. Sono inoltre il punto di partenza e il fulcro di tutti i progetti di sistemi agli ioni di sodio. Anche all'interno della stessa categoria di batterie, la composizione chimica delle celle può variare completamente a seconda del progetto. Per i produttori di sistemi di accumulo energetico, gli integratori di sistemi, i produttori di inverter e gli acquirenti di batterie, scegliere una soluzione che si adatti perfettamente alla piattaforma di tensione del proprio sistema è di fondamentale importanza.

Se state valutando un progetto di accumulo di energia agli ioni di sodio o desiderate convertire il vostro sistema agli ioni di litio esistente in un sistema agli ioni di sodio in modo sicuro ed efficiente, contattate il nostro team tecnico.

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