Baterie sodowo-jonowe (SIB), powstające rozwiązanie w zakresie magazynowania energii, to rodzaj akumulatorów, które opierają się na ruchu jonów sodu pomiędzy elektrodą dodatnią i ujemną podczas procesów ładowania i rozładowywania. Działają w oparciu o mechanizm „bujaka” przypominający akumulatory litowo-jonowe. Podczas ładowania jony sodu (Na+) są oddzielane od elektrody dodatniej (katody), migrują przez elektrolit i wprowadzają się do elektrody ujemnej (anody). Jednocześnie elektrony przepływają przez obwód zewnętrzny od katody do anody, aby zachować neutralność ładunku. Podczas rozładowywania jony sodu cofają się z anody do katody, a elektrony przepływają w przeciwnym kierunku przez obwód zewnętrzny, dostarczając energię elektryczną. Na przykład w typowym układzie baterii sodowo-jonowej katoda może być wykonana z bogatego w sód tlenku metalu przejściowego, takiego jak NaCoO₂, a anoda może być twardym materiałem na bazie węgla. Podczas ładowania akumulatora jony sodu opuszczają katodę NaCoO₂ i przedostają się do anody z twardego węgla, magazynując przy tym energię.
W artykule skupiono się na trendach zastosowań i zaletach akumulatorów sodowo-jonowych w dwóch konkretnych obszarach: słoneczne oświetlenie uliczne i akumulatory rozruchowe do motocykli. Niezwykła wydajność akumulatorów sodowo-jonowych w wysokich i niskich temperaturach umożliwia im efektywną pracę w szerokim zakresie temperatur otoczenia, od regionów wyjątkowo zimnych po obszary upalne. Ich wyjątkowa cecha polegająca na możliwości przechowywania i transportu przy napięciu 0 V nie tylko upraszcza proces logistyczny, ale także zwiększa bezpieczeństwo podczas obsługi. Cechy te mają ogromne znaczenie w kontekście słonecznych lamp ulicznych i akumulatorów rozruchowych do motocykli, ponieważ mogą stawić czoła wyzwaniom stawianym przez różne środowiska użytkowania i warunki przechowywania, a także oczekuje się, że przyniosą nowe możliwości rozwoju w tych dwóch obszarach zastosowań.
Rynek fotowoltaicznych lamp ulicznych odnotowuje w ostatnich latach znaczny wzrost. Według badań rynkowych wielkość globalnego rynku słonecznego oświetlenia ulicznego została w ciągu ostatnich kilku lat wyceniona na znaczną kwotę i przewiduje się, że w okresie prognozy będzie rosła przy złożonej rocznej stopie wzrostu (CAGR) wynoszącej 15%. W 2023 r. wielkość rynku osiągnęła 150 miliardów dolarów i oczekuje się, że będzie on dalej rósł ze względu na rosnące inwestycje w infrastrukturę energii odnawialnej, szczególnie w krajach rozwijających się. Na przykład w krajach takich jak Indie i niektóre kraje afrykańskie inicjatywy rządowe na rzecz elektryfikacji obszarów wiejskich i projekty inteligentnych miast napędzają popyt na słoneczne latarnie uliczne.
Jednakże istniejące technologie akumulatorów stosowane w słonecznych latarniach ulicznych mają kilka ograniczeń. Tradycyjne akumulatory ołowiowo-kwasowe, które są nadal powszechnie stosowane w niektórych słonecznych systemach oświetlenia ulicznego, mają stosunkowo krótki cykl życia, zwykle wahający się od 300 do 500 cykli. Mają także niską gęstość energii, co oznacza, że wymagają większych i cięższych zestawów akumulatorów do przechowywania tej samej ilości energii w porównaniu z akumulatorami o bardziej zaawansowanym składzie chemicznym. To nie tylko zwiększa koszty instalacji i konserwacji, ale także ogranicza ogólną wydajność słonecznego systemu oświetlenia ulicznego. Baterie litowo-jonowe, choć bardziej zaawansowane, borykają się z takimi problemami, jak wysoki koszt, zwłaszcza ze względu na niedobór i wysoką cenę zasobów litu. Co więcej, ich wydajność znacznie spada w ekstremalnych temperaturach, zarówno wysokich, jak i niskich. W zimnych regionach pojemność akumulatorów litowo-jonowych może spaść nawet o 30–50% w temperaturach poniżej -20°C, skracając czas świecenia i niezawodność słonecznych lamp ulicznych.
Baterie sodowo-jonowe charakteryzują się doskonałą wydajnością w wysokich i niskich temperaturach, co ma kluczowe znaczenie w przypadku słonecznych lamp ulicznych pracujących w zróżnicowanych warunkach klimatycznych. Baterie te mogą skutecznie działać w szerokim zakresie temperatur, od ekstremalnie zimnych regionów o temperaturze tak niskiej jak -40°C do gorących obszarów o temperaturze do 80°C. W zimnym klimacie mobilność jonów sodu w strukturze akumulatora jest mniej ograniczona w porównaniu z akumulatorami litowo-jonowymi. W rezultacie pojemność akumulatora pozostaje stosunkowo wysoka. Na przykład w temperaturze -20°C dobrze zaprojektowany akumulator sodowo-jonowy może utrzymać ponad 85% swojej pojemności w temperaturze pokojowej, dzięki czemu słoneczne latarnie uliczne mogą zapewnić stałe oświetlenie nawet podczas surowych zim.
W środowiskach o wysokiej temperaturze akumulatory sodowo-jonowe wykazują również lepszą stabilność. Są mniej podatne na niestabilność termiczną, niebezpieczny stan, w którym akumulator się przegrzewa i może potencjalnie zapalić się lub eksplodować, co jest problemem w przypadku akumulatorów litowo-jonowych pracujących w wysokich temperaturach. Ta odporność na wysokie i niskie temperatury gwarantuje, że słoneczne latarnie uliczne wyposażone w baterie sodowo-jonowe mogą działać niezawodnie przez cały rok, niezależnie od lokalnego klimatu, zwiększając w ten sposób ogólną wydajność i żywotność systemu oświetleniowego.
Unikalna cecha akumulatorów sodowo-jonowych, umożliwiająca przechowywanie i transport przy napięciu 0 V, przynosi znaczne korzyści branży słonecznego oświetlenia ulicznego. W tradycyjnym przechowywaniu i transporcie słonecznych lamp ulicznych, zwłaszcza akumulatorów litowo-jonowych, należy je przechowywać w określonym stanie naładowania (SOC), aby zapobiec uszkodzeniu ogniw akumulatora. Wymaga to uważnego monitorowania i zarządzania podczas przechowywania i transportu, co zwiększa złożoność i koszty.
Natomiast akumulatory sodowo-jonowe można przechowywać i transportować przy napięciu 0V, co upraszcza proces logistyczny. Nie ma potrzeby skomplikowanego zarządzania ładowaniem i rozładowywaniem przed magazynowaniem lub po transporcie. To nie tylko zmniejsza ryzyko degradacji akumulatora podczas przechowywania i transportu, ale także zmniejsza związane z tym koszty, takie jak konieczność posiadania specjalistycznych obiektów do przechowywania i sprzętu transportowego w celu utrzymania SOC akumulatora. W przypadku dużych projektów instalacji słonecznego oświetlenia ulicznego, gdzie duża liczba akumulatorów musi być transportowana do różnych lokalizacji, ta funkcja przechowywania i transportu przy napięciu 0 V może prowadzić do znacznych oszczędności zarówno czasu, jak i pieniędzy.
Ekonomiczność to jedna z głównych zalet akumulatorów sodowo-jonowych do słonecznych lamp ulicznych. Sód jest pierwiastkiem powszechnie występującym w skorupie ziemskiej, a koszty jego wydobycia i produkcji są stosunkowo niskie w porównaniu z litem. Proces produkcji akumulatorów sodowo-jonowych może być również bardziej opłacalny ze względu na swoją prostotę. W rezultacie całkowity koszt akumulatorów sodowo-jonowych może być znacznie niższy niż akumulatorów litowo-jonowych, co jest kluczowym czynnikiem dla wrażliwego na koszty rynku słonecznego oświetlenia ulicznego. Niższe koszty baterii mogą prowadzić do obniżenia całkowitego kosztu słonecznych systemów oświetlenia ulicznego, czyniąc je bardziej przystępnymi cenowo i umożliwiającymi powszechne zastosowanie, szczególnie w regionach rozwijających się z ograniczeniami budżetowymi.
Jeśli chodzi o cykl życia, akumulatory sodowo-jonowe mogą osiągnąć stosunkowo długi cykl życia, zwykle osiągając 1000 - 2000 cykli. To znacznie dłużej niż w przypadku tradycyjnych akumulatorów ołowiowo-kwasowych. Dłuższy cykl życia oznacza, że słoneczne latarnie uliczne wymagają rzadszej wymiany baterii, co zmniejsza koszty konserwacji i przestoje systemu oświetleniowego. Na przykład, jeśli oczekuje się, że system słonecznego oświetlenia ulicznego będzie działał przez 10–15 lat, bateria sodowo-jonowa o długim cyklu życia może zapewnić stabilną pracę przez cały ten okres bez konieczności częstej wymiany baterii, co nie ma miejsca w przypadku akumulatorów o krótszym cyklu życia, takich jak kwasowo-ołowiowe.
Ponadto akumulatory sodowo-jonowe są bardziej przyjazne dla środowiska. Materiały użyte do ich produkcji są na ogół nietoksyczne i mniej szkodliwe dla środowiska w porównaniu do niektórych metali ciężkich i substancji toksycznych występujących w tradycyjnych bateriach. Jest to zgodne z rosnącym światowym naciskiem na zrównoważone i zielone rozwiązania energetyczne, co sprawia, że baterie sodowo-jonowe są atrakcyjnym wyborem do zastosowań w solarnym oświetleniu ulicznym z punktu widzenia ochrony środowiska.
Oczekuje się, że w nadchodzących latach zastosowanie baterii sodowo-jonowych na rynku słonecznego oświetlenia ulicznego będzie charakteryzowało się znaczną tendencją wzrostową. W miarę doskonalenia technologii i poprawy efektywności kosztowej przewiduje się, że udział w rynku słonecznych lamp ulicznych wyposażonych w akumulatory sodowo-jonowe będzie stale rósł. Szacuje się, że w ciągu najbliższych 5–10 lat udział w rynku słonecznych latarni ulicznych zasilanych bateriami sodowo-jonowymi może osiągnąć 30%, stopniowo zastępując niektóre tradycyjne słoneczne latarnie uliczne zasilane bateriami.
Prawdopodobnie rozszerzy się również zakres zastosowań słonecznych lamp ulicznych zasilanych akumulatorami sodowo-jonowymi. Obecnie solarne latarnie uliczne wykorzystuje się głównie na drogach miejskich, w parkach i na niektórych obszarach wiejskich. W przyszłości, wraz z rozwojem koncepcji inteligentnych miast, słoneczne latarnie uliczne zasilane bateriami sodowo-jonowymi będą mogły zostać zintegrowane z bardziej złożonymi systemami infrastruktury miejskiej. Mogą być wyposażone w czujniki do monitorowania środowiska, monitorowania przepływu ruchu i inne funkcje, stając się ważną częścią Internetu Rzeczy (IoT) w miastach. Ponadto na odległych obszarach o ograniczonym dostępie do sieci elektroenergetycznych, takich jak pustynie, góry i wyspy, niezawodne działanie akumulatorów sodowo-jonowych w różnych środowiskach sprawia, że słoneczne latarnie uliczne wyposażone w te akumulatory są idealnym wyborem do dostarczania rozwiązań oświetleniowych, dodatkowo poszerzając potencjał rynkowy.
