Una nueva batería para climas extremos que promete estabilidad y eficiencia

A pesar de que las baterías de iones de litio son una de las formas más utilizadas de almacenamiento de energía, presentan dificultades para operar a plena capacidad en temperaturas bajas y pueden incluso explotar en condiciones de calor extremo. Sin embargo, un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania propuso un diseño innovador que podría ser la clave para un almacenamiento de energía efectivo y estable en una variedad de climas.

La investigación, publicada en la revista Joule, exploró un diseño de batería de última generación conocido como batería para climas extremos (ACB, por sus siglas en inglés). Los enfoques de diseño anteriores no lograron mejorar simultáneamente la eficiencia en temperaturas bajas y la estabilidad en altas temperaturas, lo que siempre resultó en un compromiso.

Refinando y ampliando una década de investigación sobre baterías, el equipo ideó un método de desarrollo novedoso que permite a las ACB ofrecer un rendimiento estable y eficiente en un amplio rango de temperaturas. Según Chao-Yang Wang, profesor de ingeniería mecánica y química y principal investigador del proyecto, las baterías de litio nunca fueron diseñadas para operar en la amplia gama de aplicaciones que soportan hoy en día. Originalmente, estos dispositivos estaban destinados a la electrónica personal a temperaturas moderadas, específicamente alrededor de 25 grados Celsius, o ligeramente por encima de la temperatura ambiente.

"Ahora que estas baterías se han integrado en vehículos eléctricos, centros de datos y sistemas a gran escala que pueden funcionar a temperaturas muy altas, esta temperatura operativa estable se ha vuelto incómoda para los fabricantes", comentó Wang. "Para seguir mejorando la sociedad con los sistemas a gran escala alimentados por baterías de litio, necesitamos abordar este defecto de diseño fundamental".

Aunque se utilizan mecanismos de calefacción o refrigeración externos para ayudar a mantener las baterías operativas en la actualidad, estos sistemas voluminosos y que consumen mucha energía son ineficientes y requieren un mantenimiento frecuente, según Wang.

Aún con la gestión térmica externa, las baterías de litio pierden rendimiento a temperaturas frías y experimentan una reducción de capacidad y estabilidad a altas temperaturas, manteniendo una operación confiable solo a temperaturas externas que oscilan entre -30 y 45 °C, lo que limita severamente su implementación en dispositivos ubicados en entornos extremos, como satélites o granjas solares en desiertos.

Para abordar este problema, el equipo mejoró el diseño tradicional de batería utilizado en la investigación anterior de ACB, proponiendo la implementación de un elemento calefactor dentro de una ACB. Este enfoque novedoso optimiza los materiales en la construcción de la batería para una alta estabilidad y seguridad en entornos cálidos, mientras que utiliza el calentamiento interno para apoyar el funcionamiento de la batería en entornos fríos.

Según Wang, esta sinergia, respaldada por observaciones realizadas en investigaciones existentes, permitirá a los investigadores evitar comprometer la estabilidad y la seguridad en un clima para mejorar el rendimiento en otro. "Este es el aspecto clave de nuestra investigación: otros equipos han abordado la mejora del rendimiento en entornos cálidos y fríos únicamente ajustando los materiales utilizados", explicó Wang.

"Al optimizar los materiales utilizados para altas temperaturas e implementar un calentador interno para calentar la batería, mejorando así el rendimiento a bajas temperaturas, se puede abordar este obstáculo térmico".

Los investigadores ajustarán la composición de los materiales de los electrodos y electrolitos en la ACB, los mecanismos que facilitan el movimiento de electricidad internamente, para manejar mejor los entornos cálidos, señalando Wang cómo el electrolito líquido utilizado en las baterías de litio tradicionales, aunque eficiente, es simplemente demasiado volátil para operar de manera confiable a altas temperaturas.

La estructura de calefacción interna que el equipo planea implementar está compuesta por una delgada película de papel de níquel, de solo 10 micrones de grosor, ligeramente más grande que un glóbulo rojo, según Wang. Esta estructura, que es alimentada completamente por la batería, permitirá que el sistema se autorregule en temperatura, añadiendo prácticamente ningún peso o volumen a la ACB.

Wang afirmó que esta sinergia aumentará el número de entornos en los que las baterías pueden operar de manera confiable, ampliando su rango de temperatura operativa a -50 a 75 °C y permitiendo a los investigadores implementar ACB en aplicaciones que anteriormente resultaron inviables para las baterías de litio tradicionales. Además de mejorar la versatilidad, Wang explicó cómo eliminar los sistemas de gestión térmica externos ofrece beneficios de rendimiento.

"Al incorporar la gestión térmica en la batería misma, reducimos significativamente tanto el espacio que ocupan las baterías, como las otras variables asociadas con la calefacción o refrigeración externas", afirmó Wang. "Los costos, el consumo de energía y la necesidad de mantenimiento se reducen significativamente, lo que se traduce en increíbles ahorros en sistemas como los centros de datos que utilizan miles de baterías de litio".

De cara al futuro, Wang mencionó que el equipo planea desplegar sus ACB. Según Wang, las ACB podrían optimizarse aún más para operar a temperaturas tan altas como 70 a 85 °C con el desarrollo y las pruebas adecuadas, que serán necesarias para apoyar la creciente escala de sistemas que dependen de baterías para el almacenamiento de energía.

"Nuestra sociedad es cada vez más dependiente de la energía y no muestra signos de desaceleración", concluyó Wang. "A medida que continuamos desarrollando tecnología como centros de datos de inteligencia artificial o drones altamente avanzados y vehículos eléctricos que requieren mucha energía, tendremos que seguir mejorando las baterías que los alimentan".

Los miembros adicionales del equipo de investigación incluyen a Kaiqiang Qin, un estudiante postdoctoral en la Universidad Estatal de Pensilvania, y Nitesh Gupta, un candidato a doctorado en ingeniería mecánica en la misma universidad.