Investigadores de Penn State desarrollan una batería de litio capaz de rendir en temperaturas extremas

Las baterías de iones de litio han revolucionado la forma en que se almacena la energía, pero su rendimiento sigue estando limitado por el clima. A bajas temperaturas pierden eficiencia, y a altas temperaturas corren riesgo de degradarse o incluso explotar. Un equipo de la Universidad Estatal de Pensilvania (Penn State) cree haber encontrado una solución definitiva a este problema.

En un nuevo estudio publicado en la revista Joule, los investigadores presentaron un diseño de batería “para todo clima” que mantiene una alta estabilidad térmica y una eficiencia constante incluso en entornos extremos. El avance podría transformar el funcionamiento de vehículos eléctricos, satélites, centros de datos y sistemas de almacenamiento de energía en todo el mundo.

“Las baterías actuales fueron concebidas para operar a temperatura ambiente. Hoy, sin embargo, se usan en condiciones muy diferentes”, explicó Chao-Yang Wang, profesor de ingeniería mecánica y líder del proyecto. “Era necesario rediseñar su estructura desde dentro”.

Cómo funciona el nuevo diseño de batería para todo clima

El equipo de Penn State propone una arquitectura interna capaz de autorregular su temperatura. En lugar de depender de sistemas externos de calefacción o refrigeración, la batería incorpora una delgada capa de níquel —de apenas 10 micras de grosor— que actúa como calentador interno alimentado por la propia celda.

Este elemento permite elevar la temperatura de la batería en climas fríos sin consumir grandes cantidades de energía ni añadir peso adicional. A su vez, los materiales del electrolito y los electrodos fueron optimizados para resistir la volatilidad y degradación que se produce a altas temperaturas.

El resultado es una batería capaz de operar de forma estable desde los –50 °C hasta los 75 °C, un rango mucho más amplio que el de las baterías convencionales, limitadas entre –30 °C y 45 °C. Según Wang, este diseño evita el “compromiso térmico” que siempre ha frenado a las baterías de litio: mejorar el rendimiento en frío sin sacrificar la estabilidad en calor.

“Al integrar la gestión térmica dentro de la propia batería, eliminamos la necesidad de sistemas voluminosos y costosos”, destacó Wang. “Esto abre nuevas posibilidades para entornos donde antes era impensable usar baterías de litio”.

Ventajas y aplicaciones del diseño de Penn State

Además de su rango de operación ampliado, las llamadas baterías para todo clima (ACB, por sus siglas en inglés) ofrecen un ahorro energético notable. Al no depender de sistemas externos de control térmico, reducen el consumo, el mantenimiento y el espacio necesario en vehículos eléctricos o centros de datos.

Esta eficiencia también podría traducirse en menores costos de producción y una mayor vida útil, factores clave para la expansión del almacenamiento energético a gran escala. Los investigadores aseguran que su enfoque permite diseñar celdas más compactas, seguras y sostenibles.

Las pruebas iniciales confirman que las ACB pueden conservar hasta el 90 % de su capacidad incluso tras múltiples ciclos de carga en entornos extremos. La combinación de resistencia térmica y bajo consumo las convierte en candidatas ideales para infraestructuras críticas, exploración espacial o instalaciones solares en regiones desérticas.

El equipo planea seguir ajustando la composición de los materiales y probar variantes que soporten hasta 85 °C, con el fin de ampliar su uso en sistemas de almacenamiento industrial y vehículos eléctricos de alto rendimiento.

Para Wang, el avance va más allá del laboratorio: “Nuestra sociedad depende cada vez más de la energía y esta tendencia no se detendrá. Las baterías del futuro deben ser tan resistentes y versátiles como el entorno donde se usen”.

La investigación, financiada por la Fundación William E. Diefenderfer, también contó con la participación de Kaiqiang Qin, investigador postdoctoral, y Nitesh Gupta, candidato a doctorado en ingeniería mecánica de Penn State.

Si las pruebas industriales confirman los resultados del laboratorio, las baterías para todo clima podrían convertirse en un componente esencial de la próxima generación de tecnologías limpias, reduciendo los límites que hoy impone la temperatura en el rendimiento energético.

Fuente: https://www.psu.edu/news/engineering/story/proposed-all-climate-battery-design-could-unlock-stability-extreme-temps