Mały test ogniw sodowo-jonowych

Ogniwa sodowo-jonowe to stosunkowo młoda technologia, która w ostatnich latach budzi coraz większe zainteresowanie wśród producentów baterii i pasjonatów elektroniki. W dużej mierze wynika to z ograniczeń dostępności litu – podstawowego surowca stosowanego w akumulatorach Li-Ion. Sód jest znacznie tańszy, łatwiej dostępny i równomiernie rozłożony w skorupie ziemskiej, co sprawia, że stanowi bardzo atrakcyjną alternatywę. Sama zasada działania ogniw sodowych jest podobna do litowych: jony przemieszczają się pomiędzy anodą i katodą, a w tym procesie gromadzona jest energia elektryczna.
W praktyce jednak pojawia się kilka różnic. Jony sodu są większe od jonów litu, co wpływa na właściwości materiałów elektrod i ogólną gęstość energii. Na chwilę obecną akumulatory sodowo-jonowe ustępują litowym pod względem pojemności i miniaturyzacji, ale nadrabiają w innych aspektach. Są znacznie odporniejsze na niskie temperatury, wykazują lepszą stabilność chemiczną i mogą być produkowane przy użyciu tańszych surowców.
Na dzień dzisiejszy ogniwa sodowe najczęściej spotkamy w dużych magazynach energii – tam, gdzie liczy się niska cena za 1 kWh i wysoka żywotność, a gęstość energii nie ma aż takiego znaczenia. W Chinach już od kilku lat działają instalacje przemysłowe oparte o tę technologię, a kolejne projekty planowane są także w Europie. Widać też pierwsze wdrożenia w transporcie – powstają autobusy i samochody miejskie testowo wyposażone w pakiety sodowo-jonowe, szczególnie do krótkich tras, gdzie ważna jest ekonomia, a nie maksymalny zasięg.
Dużym plusem sodu jest bezpieczeństwo – ogniwa te są mniej podatne na niekontrolowane reakcje i przegrzewanie, co w praktyce może oznaczać mniejsze ryzyko pożarów niż w klasycznych Li-Ion. W warunkach amatorskich dopiero zaczynają pojawiać się pierwsze egzemplarze ogniw, które można kupić do testów. Dla hobbystów i elektroników może to być ciekawa alternatywa, np. w projektach stacjonarnych, zasilaniu awaryjnym czy systemach magazynowania energii z paneli PV.
Warto też wspomnieć, że niektóre firmy zapowiadają rozwój ogniw sodowych w formacie cylindrycznym podobnym do popularnych 18650 czy 21700. Jeśli takie produkty trafią do masowej sprzedaży, to istnieje spora szansa, że za kilka lat staną się realną konkurencją dla ogniw litowych – zwłaszcza tam, gdzie liczy się niska cena, bezpieczeństwo i odporność na niskie temperatury.
Zalety ogniw sodowo-jonowych:
- dużo tańsze surowce – sód jest powszechny i łatwo dostępny;
- lepsza odporność na niskie temperatury niż Li-Ion;
- wyższe bezpieczeństwo chemiczne, mniejsze ryzyko zapłonu czy eksplozji;
- bardzo długa żywotność w cyklach ładowania/rozładowania (szczególnie w zastosowaniach stacjonarnych);
- możliwość pracy w dużych instalacjach magazynowania energii (PV, wiatraki, UPS);
- potencjalnie niższy ślad węglowy produkcji niż w przypadku ogniw litowych.

Wady ogniw sodowo-jonowych:
- niższa gęstość energii – akumulatory są większe i cięższe niż Li-Ion o tej samej pojemności;
- mniejsza dostępność na rynku konsumenckim (na razie głównie projekty przemysłowe i testowe);
- technologia wciąż rozwijana – parametry i ceny mogą się jeszcze mocno zmieniać;
- w transporcie nadają się głównie do krótkich zasięgów (np. autobusy miejskie, auta małomiejskie).

Postanowiłem zakupić takie ogniwa i je przetestować. Do testu zakupiłem dwie sztuki o pojemności 1300mAh w popularnej obudowie 18650. Ogniwa te są minimalnie wyższe od ich odpowiedników Li-Jon.




Wersja którą ja wybrałem to 20C co wedle mojej wiedzy oznacza, że z takiego ogniwa można pobrać prąd 26A (20xC - czyli dwudziestokrotność pojemości).
Ogniwa zakupione na Aliexpress w cenie ok 48zł za dwie sztuki wraz z przesyłką.



Zazwyczaj paczki z Aliexpress w ostatnim czasie docierają do mnie w terminie do 10 dni - najprawdopodobniej pocztą lotniczą. Liczyłem się przy tym zakupie, że skoro są to baterie to będzie to dłuższy czas dostawy, jak też informował o tym sprzedawca w opisie. Paczka dotarła po ok 2 tygodniach. Liczyłem, że będzie to raczej dużo dłuższy termin. Ogniwa były zapakowane w kartoniki, owinięte kawałkiem folii bąbelkowej i zapakowane w foliową kopertę, która sama w sobie zawierała folie bąbelkową.











Test zacząłem od sprawdzenia rezystancji ogniw.

"Bez kropki"


"Kropka"


Jak widać, rezystancję są do siebie zbliżone.

Z ciekawości sprawdziłem rezystancję ogniw Li-Ion, których używam w latarce czołowej. Dają one radę zasilać ją przez kilka godzin.





Okazało się jednak, że ich stan pozostawia wiele do życzenia. Z tego co pamiętam to były one chyba wyjęte z baterii z laptopa i miały pojemność ok 2200 lub 2600mAh. Po ich naładowaniu i rozładowaniu wyszło teraz, że mają ok 800mAh. Do lampki wystarczą ale jak widać ich czas dobiega końca.
Jak widać ogniwa sodowe mają tutaj dużo niższą rezystancję ale czy tak jest zawsze czy to tylko wina tego, że moje ogniwa litowe są już w tragicznym stanie?

Do testu użyłem ładowarki Turnigy Accucell 6 do ładowania - dość popularna swego czasu ładowarka w modelarstwie RC oraz sztucznego obciążenia do rozładowania ogniwa. Sztuczne obciążenie opisałem tutaj wcześniej.
https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3432252.html

Jako, że ogniwo Na-Ion mają inne napięcia graniczne powstał problem przy wykonaniu tego testu. Na rynku nie znalazłem ładowarki dedykowanej do tego typu ogniw więc trzeba było użyć tego co się ma.
Z dokumentacji ogniwa można wyczytać, że maksymalne napięcie to 4.1V a minimalne to 1.5V. Stanowi to problem przy teście, gdyż ładowarka nie obsługuje tego typu ogniw, zaś Li-Po lub Li-Ion mają wyższe napięcie minimalne wynoszące ok. 2,5V. Charakterystyka ładowania jest podobna - ładujemy stałym prądem a później stałym napięciem. Skoro minimalne napięcie jest niższe to powstaje problem z naładowaniem rozładowanego ogniwa. Moja ładowarka i pewnie inne do Li-Pol/Li-Ion nie zaczną ładować z powodu zbyt niskiego napięcia ogniwa. Postanowiłem tutaj ładować rozładowane ogniwo do ok 2.5V stałym prądem za pomocą zasilacza laboratoryjnego a później ładować je już ładowarką. Z tego powodu podane wyniki "wpompowanych" mAh do ogniwa przy ładowaniu są zaniżone bo nie miałem jak tego zmierzyć podczas ładowania zasilaczem laboratoryjnym.
Do testu użyłem dwóch ogniw z czego jedno nazwałem "bez kropki" a drugie "kropka" - wzięło się to z oznaczenia ogniw markerem dla ich rozróżnienia.
Test podzieliłem na kilka pomiarów w zależności od prądu ładowania jak i prądu rozładowania.
Wyniku umieściłem w tabelach poniżej.
Tutaj kilka słów wyjaśnienia co oznaczają nazwy kolumn:
- Weszło przy ładowaniu [mAh] - jest to zmierzona pojemność ogniwa od ok 2.5V gdzie moja ładowarka zaczęła poprawnie wykrywać ogniwo i je ładować;
- Początkowe napięcie pod obciążeniem [V] - jest to napięcie zmierzone na początku załączenia obciążenia. Np. pobieramy 1300mA i w tym momencie notuje odczytane napięcie. W niektórych tabelkach jest jeszcze przed nim napięcie podane w nawiasie - jest to napięcie zmierzone zanim zostało podłączone obciążenie. Nie jest to notowane od początku, wpadłem na to dopiero po kilku pomiarach;
- Napięcie po odłączeniu obciążenia [V] - jest to napięcie zmierzone po ok godzinie lub więcej od momentu odłączenia ogniwa od obciążenia;
- Pojemność do napięcia 3V [mAh] - jest to pojemność uzyskana do momentu aż napięcie na ogniwie nie spadło do napięcia poniżej 3V;
- Czas rozładowania do napięcia 3V - jest to czas liczny od momentu załączenia obciążenia do momentu aż napięcie na ogniwie nie spadło do napięcia poniżej 3V;
- Pojemność do napięcia 1.5V [mAh] - jest to pojemność uzyskana do momentu aż napięcie na ogniwie nie spadło do napięcia 1.5V. Jest to sumaryczna pojemność od maksymalnego do minimalnego napięcia ogniwa;
- Czas rozładowania do napięcia 1.5V - jest to czas liczny od momentu załączenia obciążenia do momentu aż napięcie na ogniwie nie spadło do napięcia 1.5V. Jest to sumaryczna czas od maksymalnego do minimalnego napięcia ogniwa.


Ładowanie 1300mA, rozładowane 1300mA

Kropka

Pomiar	Weszło przy ładowaniu [mAh]	Początkowe napięcie pod obciążeniem [V]	Napięcie po odłączeniu obciążenia [V]	Pojemność do napięcia 3V [mAh]	Czas rozładowania do napięcia 3V [min]	Pojemność do napięcia 1.5V [mAh]	Czas rozładowania do napięcia 1,5V [min]
1	1295	3,80	2,06	770	72	1550	143
2	1323	3,77	2,13	790	75	1540	144
3	1310	(4,09)3,77	2,15	780	73	1520	143
4	1285	(4,12) 3,77	2,09	790	73	1550	143
5	1322	(4,13) 3,77	2,10	760	71	1540	144

Bez kropki

Pomiar	Weszło przy ładowaniu [mAh]	Początkowe napięcie pod obciążeniem [V]	Napięcie po odłączeniu obciążenia [V]	Pojemność do napięcia 3V [mAh]	Czas rozładowania do napięcia 3V [min]	Pojemność do napięcia 1.5V [mAh]	Czas rozładowania do napięcia 1,5V [min]
1	1047	3,77	2,3	540	50	1130	105
2	1777	(4,01)3,55	2,45	500	46	1050	96
3	1690	(3,95) 3,55	2,31	510	48	1100	104
4	1029	(4,04) 3,70	2,35	590	54	1160	107
5	1176	(3,98) 3,62	2,27	550	52	1100	105

Ładowanie 2600mA, rozładowane 2600mA
Kropka

Pomiar	Weszło przy ładowaniu [mAh]	Początkowe napięcie pod obciążeniem [V]	Napięcie po odłączeniu obciążenia [V]	Pojemność do napięcia 3V [mAh]	Czas rozładowania do napięcia 3V [min]	Pojemność do napięcia 1.5V [mAh]	Czas rozładowania do napięcia 1,5V [min]
1	1131	(4,00)2,87	2,60			1140	26
2	1087	(4,04)3,17	2,55			1180	27
3	1105	(4,04) 3,02	2,51			1200	28
4	1095	(4,06) 3,09	2,59			1210	28
5	1145	(4,05) 3,02	2,50			1210	28

Bez kropki

Pomiar	Weszło przy ładowaniu [mAh]	Początkowe napięcie pod obciążeniem [V]	Napięcie po odłączeniu obciążenia [V]	Pojemność do napięcia 3V [mAh]	Czas rozładowania do napięcia 3V [min]	Pojemność do napięcia 1.5V [mAh]	Czas rozładowania do napięcia 1,5V [min]
1	888	(3,92) 2,64	2,63			800	18
2	920	(3,99) 2,87	2,58			880	20
3	859	(3,98) 2,72	2,69			790	18
4	784	(4,02) 2,87	2,59			840	19
5	828	(4,01) 2,87	2,64			830	19

W tabeli dwie kolumny nie zostały uzupełnione. Zrezygnowałem z tych pomiarów. Powiem szczerze, że nie pamiętam dlaczego.

Postanowiłem sprawdzić co stanie się z pojemnością gdy będziemy ładować mniejszym prądem.

Ładowanie 1300mA, rozładowane 2600mA
Kropka

Pomiar	Weszło przy ładowaniu [mAh]	Początkowe napięcie pod obciążeniem [V]	Napięcie po odłączeniu obciążenia [V]	Temperatura początkowa [°C]	Temperatura końcowa [°C]	Pojemność do napięcia 1.5V [mAh]	Czas rozładowania do napięcia 1,5V [min]
1	1319	(4,08) 3,02	2,48	22	37	1370	31
2	1275	(4,05) 2,87	2,46	23	41	1350	31
3	1292	(4,09) 2,94	2,56	23	40	1340	31
4	1319	(4,08) 3,02	2,48	22	37	1370	31
5	1275	(4,05) 2,87	2,46	23	41	1350	31

Bez kropki

Pomiar	Weszło przy ładowaniu [mAh]	Początkowe napięcie pod obciążeniem [V]	Napięcie po odłączeniu obciążenia [V]	Temperatura początkowa [°C]	Temperatura końcowa [°C]	Pojemność do napięcia 1.5V [mAh]	Czas rozładowania do napięcia 1,5V [min]
1	943	(4,00) 2,79	2,60	24	38	920	21
2	977	(3,98) 2,56	2,64	23	38	870	20
3	969	(4,04) 2,64	2,64	21	41	940	22
4	928	(3,99) 2,79	2,69	24	43	970	22
5	975	(4,00) 2,49	2,64	20	40	910	21

Zauważyłem, że temperatura ogniw zaczęła wzrastać więc zacząłem ją notować.
W tabeli pojawiły się nowe kolumny: Temperatura początkowa oraz temperatura końcowa. Tutaj raczej nie trzeba wyjaśniać co oznaczają.

Kolejny test to zwiększenie prądu rozładowania.
Ładowanie 1300mA, rozładowane 10A

Kropka

Pomiar	Weszło przy ładowaniu [mAh]	Początkowe napięcie pod obciążeniem [V]	Napięcie po odłączeniu obciążenia [V]	Temperatura początkowa [°C]	Temperatura końcowa [°C]	Pojemność do napięcia 1.5V [mAh]	Czas rozładowania do napięcia 1,5V [min]
1	1295	(4,10) 2,87	2,35	20	69	1340	8
2	1217	(4,10) 2,96	2,39	23	64	1390	8
3	1279	(4,09) 2,94	2,30	22	62	1420	8
4	1226	(4,09) 2,94	2,31	22	63	1410	8
5	1265	(4,13) 3,02	2,36	24	63	1420	8

Bez kropki

Pomiar	Weszło przy ładowaniu [mAh]	Początkowe napięcie pod obciążeniem [V]	Napięcie po odłączeniu obciążenia [V]	Temperatura początkowa [°C]	Temperatura końcowa [°C]	Pojemność do napięcia 1.5V [mAh]	Czas rozładowania do napięcia 1,5V [min]
1	904	(4,04) 2,26	2,94	20	76	840	5
2	806	(4,09) 2,41	2,97	23	75	840	5
3	823	(4,09) 2,49	2,90	22	72	850	5
4	824	(4,03) 2,41	2,97	22	71	820	5
5	770	(4,06) 2,49	2,98	24	72	800	5

Następny test to zwiększenie prądu do 15A. Byłem się tutaj obciążać mocniej z obawy o uszkodzenie mojego sztucznego obciążenia.
Ładowanie 1300mA, rozładowane 15A

Kropka

Pomiar	Weszło przy ładowaniu [mAh]	Początkowe napięcie pod obciążeniem [V]	Napięcie po odłączeniu obciążenia [V]	Temperatura początkowa [°C]	Temperatura końcowa [°C]	Pojemność do napięcia 1.5V [mAh]	Czas rozładowania do napięcia 1,5V [min]
1	1271	(4,14) 3,56	2,46	23	82	1350	5:26

Bez kropki

Pomiar	Weszło przy ładowaniu [mAh]	Początkowe napięcie pod obciążeniem [V]	Napięcie po odłączeniu obciążenia [V]	Temperatura początkowa [°C]	Temperatura końcowa [°C]	Pojemność do napięcia 1.5V [mAh]	Czas rozładowania do napięcia 1,5V [min]
1	830	(4,05) 1,81	3,95	23	32	70	0:16

Po tym teście raczej nie próbowałbym większych prądów. Nie mam doświadczenia z takimi testami przy ogniwach i nie wiem jakich temperatur się tam spodziewać ale te zrobiły na mnie wrażenie.
Widać po testach z większymi prądami (w sumie przy mniejszych też widać to po pojemności), po czasie rozładowania, że ogniwo "bez kropki" jest dużo słabsze. Można też zauważyć, że napięcie po odłączeniu zasilania po rozładowaniu ogniw w przypadku "bez kropki" jest ono takie jak przy naładowanym ogniwie. Podczas tego testu ogniwo "bez kropki" puściło "soki". Zaczął się z niego wydobywać jakiś płyn, który to był bezbarwny.

Na koniec postanowiłem zbadać ponownie rezystancję wewnętrzną po wykonanych poprzednio testach.

Bez kropki


Kropka


Porównałem ją sobie ale zauważyłem, że pomiar był dokonany przy innym napięciu więc postanowiłem dokonać pomiaru raz jeszcze.

Bez kropki


Kropka


Duża rezystancja wewnętrzna ogniwa powinna powodować wzrost jego temperatury wraz ze zwiększeniem prądu pobieranym z ogniwa. Powinny pojawaić się spadki napięć, powinno być widać jak wraz ze wzrostem prądu zmniejsza się napięcie na zaciskach ogniwa i wrasta po odłąceniu obciążenia. Powinno dojść zmniejszego jego pojemności, powinien zmniejszyć się czas samorozładowania.
Z tm wsztykim mamu tutaj właśnie do czynienia, widoć to dokładnie na tych pomiarach.

Rezystancje wewnętrzne obu ogniw przed testami były bardzo podobne. Czy doszło do uszkodzenia ogniwa w czasie testu? Czy może jednak taka brak jest powtarzalności w jakośći oferwanych ogniw?
Już na początku testu można było zaobserwować, że ogniwo "bez kropki" odbiega odtego drugiego i różnica uwypukla się wraz ze większeniem prądu obciążenia.

Po tych wszystkich testach i pomiarze rezystancji wewnętrznej na koniec pomyślałem, że warto sprawdzić raz jeszcze stan tego lepszego ogniwa, czy czasem te temperatury przy większych prądach oraz te ciągłe ładowania czy rozładowania nie spowodowały pogorszenia stanu ogniwa.

Ładowanie 1300mA, rozładowane 1300mA
Kropka

Pomiar	Weszło przy ładowaniu [mAh]	Początkowe napięcie pod obciążeniem [V]	Napięcie po odłączeniu obciążenia [V]	Pojemność do napięcia 3V [mAh]	Czas rozładowania do napięcia 3V [min]	Pojemność do napięcia 1.5V [mAh]	Czas rozładowania do napięcia 1,5V [min]
1	1259	(4,01) 3,77	2,11	760	71	1410	131

Jak widać pojemność spadła o jakieś 10%.

Moje spostrzeżenia po tych testach są takie, że ładując ogniwo mniejszym prądem do dyspozycji będziemy mieć większą pojemność. Przy prądach powyżej 2C widać zmniejszenie pojemności. Również przy prądach 2C zaczyna być widać wzrost temperatury ogniwa. Nie mam porównania do ognich litowych bo nie przeprowadzałem takich testów.
Jedno z ogniw miało pojemność nieznacznie większą niż zadeklarował producent - może te ogniwa pochodzą z różnych serii produkcyjnych, może jedno z nich jest uszkodzone. Trzeba by przeprowadzić podobne testy na większej ilości ogniw.
Te ogniwa raczej nie zastąpią Li-Ion lub Li-Pol 1:1 z powodu różnicy w napięciach minimalnych, które to stwarzają problemy przy ich ładowaniu. Można tutaj montować zabezpieczenia ogniw Li-Ion przed rozładowaniem co rozwiązałoby raczej problem ich ładowania ale ograniczamy wtedy znacznie ich pojemność co powoduje brak sensu na przejście z ogniw litowych na sodowe.
Pojawiają się balansery do ogniw sodowych co umożliwia samodzielne budowanie z nich baterii. Ogniwa sodowe posiadają dużo większą liczbę cykli pracy (ok 4-5 razy większą) w porównaniu do normalnych Li-Ion co jest plusem przy budowie z nich magazynów energii .

Ogniwa te w moim przypadku trafią do wspomnianej wcześniej latarki czołowej. Zobaczymy czy tam sobie poradzą choć obawiam się ich ładowania po osiągnieciu napięcia poniżej 2,5V. Wątpię abym rozpoznał wcześniej, że wymagają ładowania. Nie widzę sensu zakupu do tego rozwiązania balansera, lepiej kupić tutaj ogniwa takie jakie powinny być czyli litowe. Czas pokaże czy one sprawdzą się tutaj przy zastosowaniu 1:1 czy jednak zakupię nowe, litowe.

Podsumowując – niby tańsze lecz mniejsza gęstość energii przez co problematyczne przy rozwiązaniach gdzie zależy nam na małych rozmiarach. W momencie gdy kupowałem ogniwa - brak dostępnych dedykowanych ładowarek (może coś się na dzień dzisiejszy zmieniło). Niższe napięcia minimalne przez co stwarza ograniczenia przy zastąpieniu ogniw LI-Ion 1;1. „Szybkie” ładowanie widocznie zmniejsza ich pojemność (raczej podobnie jak w Li-Ion). Jedno z ogniw odbiegało parametrami od drugiego – przypadek czy może taka jest jakość oferowanego produktu? Ciężko powiedzieć na podstawie tylko dwóch ogniw ale wybaczcie, jak widać takie testy trochę zajmują. Gdyby był dedykowany program pod tego typu ogniwo w mojej ładowarce to można by to pozostawić bez nadzoru a tak trzeba cały czas mieć to na oku.

Może ktoś z Was przeprowadzał podobne testy dla ogniw litowychi może pokusi się o ich porównanie?

Może ktoś z Was zbudował baterię z ogniw sodowych i podzieli się tutaj swoimi doświadczeniami?