Замена одиночных ячеек Li-ion на Na-ion. За и против

Рассмотрены возможные последствия прямой замены одиночных ячеек Li-ion на Na-ion (18650 на 18650, 21700 на 21700 и т.п.), без какой-либо переделки системы питания.
То есть, работа в обычном интервале «литиевых» напряжений ~2.8В...4.2В.
Зачем? А для устройств, длительно используемых при отрицательных температурах. Например, установленных на улице. В теплый сезон на борту Li-ion, начало подмораживать — переходим на Na-ion. Типа как летняя и зимняя резина.:)



Данный материал содержался в черновике предыдущей статьи. Но прямо перед публикацией я его изъял. Надеюсь, что содержимое этой микро-статьи кого-то заинтересует.

ТУТ — небольшая подборка даташитов Li-ion 18650/21700 + ссылки на сравнительные тесты от ярославского магазина «18650pro.ru».
ТУТ — моя скромная коллекции даташитов на Na-ion.

✅

Какие плюсы у такой замены?

Na-ion это:
► устойчивость к переразряду (без потери емкости) вплоть до «разряда в ноль», причем не в переносном, а в прямом смысле, что и было подтверждено ранее.
► устойчивость к низким температурам, ибо в большинстве даташитов:
— возможность использования при Т = -20...-40ºС. Но такое возможно и для Li-ion, по крайней мере до -20ºС, а последние несколько лет китайцы все чаще заявляют о -40º (насколько это реально — неведомо, тестов не нашел);
— главное: возможность заряда при отрицательных температурах, что для Li-ion пока не рекомендуется***.
***Примечание. И только Molicel впереди планеты всей… См. ниже.

Из имеющейся коллекции Na-ion-даташитов сваял вот такую табличку:
Кстати, HiNa везде заявляет допустимость разряда «в ноль». Причем, прямо в первых, сводных табличках электрических характеристик из даташитов.
HiNa NaCR 32140-MP10:
HiNa NaCP7317420-ME200:
Напомню, что HiNa — солидная организация и вряд ли будет делать столь ответственные заявления с бухты-барахты. Возможно, именно этот момент и послужил триггером для начала проведения предыдущего небольшого расследования.

☸️

Что «теряем» при замене одиночной ячейки Li-ion на Na-ion?

►►►Конечно-же, в первую очередь теряем т.н. «ёмкость».

При Т в районе комнатной ёмкость ячеек «обычного» Li-ion раза в 2...2.5 больше, чем у Na-ion того же типоразмера.
Емкость ячейки в электрохимии понятие растяжимое и зависит алгоритма тестирования и температуры.

Потери емкости Li-ion на морозе

Производители Li-ion вроде как борются с потерей емкости при отрицательных температурах, но ниже -20ºС по прежнему не опускаются.

Пример. Samsung INR (LiNiMnCoO2): с 2014 и по настоящее время

Samsung INR18650-25R (2014 г.)
Samsung INR21700-30T (2017 г.)
Samsung INR21700-50E (2017 г.). Внимание: ток не 0.2С, а 1С.
Samsung INR21700-50G (2018 г.)
Samsung INR21700-50GB (2020 г.)
Samsung INR21700-50S (2020 г.)

Molicel впереди планеты всей — ?

Вот фрагменты из даташита Molicel INR21700P42A
Разряд при -40ºС и возможность заряда при -20ºС (!) одновременно заявлены еще для Molicel INR 21700-P50B и «усиленной» версии P50B — P50S. Полный даташит P50B в природе вроде как существует, но (насколько я понял) раздается только продавцам продукции. Мне удалось скопировать с экрана пару нужных страниц на сайте одного китайского и-нет магазина:
В облаке лежит краткий «бегунок» по P50B, который выдает Molicel любому желающему после нудной регистрации. На P50S — тоже есть в облаке.

Для остальных Molicel заявлена только возможность разряда при -40ºС, а заряжать предлагают от 0ºС и выше.

С одной стороны, не известно: верить или не верить. С другой стороны — Molicel большие затейники и за последние несколько лет показали себя как лидеры среди топовых производителей цилиндрических Li-ion.
С третьей стороны, у других вендоров такой красоты я пока не встречал. А Molicel шибко дороги и потому у нас малопопулярны.

Что с потерей емкости на морозе у Na-ion?

Китайцы обычно обещают не более 15-20% при -20ºС и не более 40% при -40ºС.
Paragonage-32140-10Ah:

Для HiNa NaCR 32140-MP10 заявлено:
А для HiNa NaCP7317420-ME200:
Но HiNa не рекомендует опускаться ниже -30ºС. ;)

Дополнительная потеря емкости у Na-ion из-за недоразряда: 20-25% (~10-15% электроэнергии)

Но есть существенный нюанс — потери по энергии будут заметно меньше.
Если бы разрядная кривая была прямой, то:
— на первых 50% разряда выделилось 75% энергии
— а после 75% разряда выделилось 90% энергии

►►► Перезаряд Na-ion до 4.2В

Насколько я знаю, ряд зарядных модулей для Li-ion имеют возможность регулировки конечного напряжения в определенных пределах. Поэтому, если удастся выставить 4.2В→4.1В, то вопрос снимается. Если китайцы указали, что нужно заряжать их Na-ion ячейки до 4.0В, то при постоянных перезарядах до 4.1В их ресурс (3-3.5 тыс. циклов) уменьшится на неск.%, пусть даже на 10%. Причем, когда летом на место 18650-Na-ion станет 18650-Li-ion он за 4.1В только спасибо скажет, ибо ресурсная живучесть его увеличится на 10-20%***.
***Это оценочно. В прошлой жизни в биосах ряда буков от Сони была забавная дефолтная установка «Заряд до 80% емкости от номинальной (до 3.95В)». При этом утверждалось, что ресурс батареи увеличится в 1.5...2 раза.
С другой стороны, в этой статье получено, что увеличение ресурса ячеек Sanyo UR18650E (NMC) зависит от уменьшения глубины циклирования примерно линейно. В той статье есть еще много всего интересного — желающие могут ознакомится с дайджестом оной ТУТ, подраздел «2.2.3. Что же кажет нонешняя наука?». Там все русским по белому.

Но даже если зарядный модуль будет перезаряжать Na-ion до 4.2...4.3В тоже ничего страшного не произойдет. Ни возгорания, ни бабаха. Na-ion столь же устойчив к перезаряду как LFP или LTO. Ну, ресурс уменьшится (теперь уж точно на 10%) и все.

Что же кажут даташиты? А большинство даташитов в разделах про безопасность суровы и немногословны.
Но встречаются и с интересными пояснениями:
Перевод: После стандартной зарядки дайте аккумулятору отдохнуть в течение 10 минут, затем перезарядите его током 1C до 6 В. Контролируйте температуру аккумулятора во время тестирования. Завершите тестирование, когда температура аккумулятора снизится до комнатной.
GB38031 — это китайский стандарт «Electric Vehicles Traction Battery Safety requirements». Для тех не силён в китайском ВОТ его перевод на английский. Правда, кусками. За полный перевод эти юмористы хотят 285 американских рублей.

Итог

Я боюсь делать какие-либо окончательные выводы и тем паче высасывать из пальца некие рекомендации. Все сильно зависит от конкретной ситуации. А то что выше — просто информационный блок для дальнейших размышлений. Что там внушает доверие, а что не особо — сами решайте.
Только хочу сделать одно вполне очевидное замечание: какая разница во сколько раз емкость Li-ion больше чем у Na-ion, если нужно, что бы устройство хоть как-то работало ниже -20ºС? ;)

Особенно интересны комменты тех, кто часто пользовал «литий» на морозе. Имеет ли смысл замена Li-ion на Na-ion в двух вариантах:
— без какой-либо переделки системы питания?
— с переделкой?

Всего доброго.