Un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania ha desarrollado una batería de iones de litio con capacidad “todo clima”, capaz de mantenerse operativa tanto en frío extremo como en calor intenso, lo que promete estabilidad y eficiencia en el suministro de este tipo de energía en un rango extremadamente amplio de temperaturas que van desde -30 °C hasta 45 °C.
Con esta batería “todo clima”, podrían reducirse notablemente los problemas que enfrentan las tecnologías energéticas (como en vehículos eléctricos, satélites, centros de datos e instalaciones solares de zonas desérticas) en climas extremadamente fríos o cálidos, gracias a la calefacción interna que mantiene la química activa y protege frente al sobrecalentamiento externo, a la vez.
El innovador diseño, cuyos detalles fueron publicados en la revista Joule, representa un salto significativo en la tecnología de almacenamiento energético, haciendo a las baterías “todo clima” esenciales para poder avanzar en tecnologías limpias y resilientes ante condiciones meteorológicas variables por los efectos del cambio climático.
El avance supera los límites de las baterías de litio convencionales
Este avance significa que la batería supera los límites tradicionales de las baterías de litio convencionales, que suelen funcionar óptimamente entre 15 °C y 35 °C, pero sufren reducción de rendimiento por debajo de 0 °C o por encima de los 45 °C.
Específicamente, las baterías mencionadas presentan dificultades para funcionar a plena capacidad en temperaturas bajas, porque el movimiento de los iones de litio dentro del electrolito se ralentiza, lo que aumenta la resistencia interna y disminuye la capacidad de carga. Además, en frío pueden formarse depósitos de litio metálico en el electrodo negativo, causando reacciones químicas que dañan el electrolito y afectan la seguridad y el desempeño.
Con relación al calor extremo, las altas temperaturas aceleran el envejecimiento de sus materiales internos, incrementan la probabilidad de fuga térmica y pueden provocar un calentamiento rápido que, en casos severos, lleva a la explosión o incendio de la batería. Este sobrecalentamiento la daña y reduce tanto su vida útil como su eficiencia, por lo que el dispositivo es inseguro para operar bajo tales condiciones.
Dos enfoques distintivos impulsan la potencia y las mejoras de estabilidad
Los investigadores, encabezados por Chao-Yang Wang, profesor de ingeniería mecánica y química de la referida universidad, revisaron dos enfoques distintivos que impulsan la potencia y las mejoras de estabilidad de las baterías de última generación – denominadas ACB por su significado en inglés All-Climate Batteries- en entornos de baja y alta temperatura: innovación de materiales (particularmente formulaciones de electrolitos) y accionamiento térmico.
En tal sentido, el equipo ha propuesto la implementación de un elemento calefactor dentro de una ACB. El calor producido eleva la temperatura interna de la batería para mantener los electrolitos y los componentes químicos en un rango térmico óptimo, evitando que el rendimiento decaiga en condiciones de frío extremo o calor intenso.
Este sistema de calefacción interna se activa automáticamente cuando la temperatura externa está fuera del rango ideal de operación (bajo 0 °C o por encima de 45 °C en el caso de baterías diseñadas todo clima). Funciona calentando directamente desde dentro, lo que permite que las reacciones químicas necesarias para la generación y almacenamiento de energía se mantengan activas sin degradar la batería, a diferencia de sistemas externos que consumen más energía, son más costosos y pueden ser menos eficientes.
La estructura de calefacción interna consiste en una delgada película de níquel de apenas 10 micrones de espesor, un poco más grande que un glóbulo rojo. Alimentada completamente por la batería, esta película permite que el sistema regule su temperatura de forma autónoma sin añadirle peso o volumen significativo.
Almacenamiento de energía de la batería totalmente climática
De acuerdo al estudio publicado con el título: Almacenamiento de energía de la batería totalmente climática, las especificaciones de rendimiento para la batería de litio «todo clima» indican que a temperaturas extremas de hasta -30 °C su capacidad y el rendimiento se mantienen estables gracias al calefactor interno, evitando la caída típica en eficiencia debido al frío.
Esto significa que mientras en baterías convencionales la capacidad puede reducirse hasta entre 70% y 85% por debajo de 0 °C, esta batería logra preservar cerca del 100% de su rendimiento operativo gracias a la calefacción interna.
De igual manera, a temperaturas elevadas de hasta 45 °C, el rendimiento de la batería “todo clima” también se mantiene a una capacidad cercana al 100% debido al aumento natural de la resistencia interna y a la mejora de la seguridad térmica.
Las baterías seguirán mejorando
Sobre el futuro de la investigación que lidera, el profesor Chao-Yang Wang sostiene que «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».
Por ello, el estudio refiere que con las pruebas adecuadas “la investigación futura debe centrarse en el desarrollo de electrolitos y electrodos tolerantes al calor que puedan sobrevivir a altas temperaturas en un rango de entre 70°C y 85°C.
Además de Wang, el equipo de investigación de la Universidad Estatal de Pensilvania está integrado por Kaiqiang Qin, estudiante postdoctoral y Nitesh Gupta, candidato a doctorado en ingeniería mecánica.
Con información de Penn State News, Ecoinventos y Cadena 3
Fotos cortesía de Penn State News, Cadena 3, Tycorun, LaSalle, Lisa News y Noticias Ambientales
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