Una nueva investigación realizada por ingenieros de Berkeley pronto podría hacer más práctico el uso de vehículos y dispositivos que funcionan con baterías en temperaturas extremas. como en inviernos gélidos en Minnesota o veranos sofocantes en Death Valley. Esas condiciones representan rangos de temperatura que caen fuera de la ventana estrecha, generalmente de 20 a 40 grados Celsius, necesarios para el rendimiento óptimo y seguro de una batería de iones de litio.

"El rango de temperatura óptimo para las baterías de iones de litio puede no ser un problema grave en el clima templado del Área de la Bahía de San Francisco, pero en pleno invierno en Nueva York o Lake Tahoe, no es inusual que los teléfonos inteligentes se apaguen automáticamente porque hace demasiado frío, "dijo Chris Dames, un profesor de ingeniería mecánica de UC Berkeley y jefe del equipo de investigación que desarrolló un nuevo regulador térmico, descrito en un estudio en la revista Energía de la naturaleza —Que podría resolver este problema.

Los investigadores explicaron que la energía utilizable de una batería cae drásticamente en temperaturas frías. A menos 20 grados Celsius, una celda de batería de iones de litio comercial típica puede entregar solo el 20 por ciento de su capacidad a temperatura ambiente.

Las altas temperaturas también pueden crear problemas para las baterías, que generan su propio calor residual cuando están en uso. La vida útil de la batería generalmente se reduce a la mitad por cada 13 grados Celsius de exceso de temperatura.

"Lo que es peor es que el sobrecalentamiento puede provocar una 'fuga térmica, 'un modo de falla que puede provocar el incendio de la batería en los autos eléctricos, así como en ciertos teléfonos móviles y dispositivos electrónicos de los que hemos escuchado en las noticias, "dijo el autor principal del estudio, Menglong Hao, investigador postdoctoral en el laboratorio de Dames.

La gestión de las necesidades de temperatura conflictivas ha sido un desafío para el envasado térmico. Los métodos actuales que mantienen las baterías a sus temperaturas preferidas consumen energía y son demasiado costosos o voluminosos para incluirlos en muchas aplicaciones portátiles. A diferencia de, el nuevo regulador térmico desarrollado por los ingenieros de UC Berkeley mantiene las baterías a temperaturas estables a través de un sistema pasivo que no consume energía adicional.

"La calefacción y la refrigeración activas cuestan energía, energía que no desea gastar en mantener la batería cómoda cuando podría haberla usado para conducir otras 50 millas, "dijo Dames.

El sistema pasivo utiliza una aleación con memoria de forma, una clase de material que es característicamente suave y maleable a bajas temperaturas, pero se endurece a su forma original a temperaturas más altas. Dichos materiales están disponibles comercialmente y se utilizan de forma rutinaria en implantes médicos.

La temperatura exacta de la transición de blando a duro depende de la mezcla de metales. En este caso, los investigadores eligieron alambres de aleación de níquel y titanio que cambiaban a 35 grados Celsius. Por debajo de ese umbral, los cables se ablandaron, pero por encima de los 35 grados centígrados, los cables se pusieron rígidos y contraídos.

Los investigadores conectaron los cables a un paquete de baterías de iones de litio de modo que la posición de "encendido" estuviera en las temperaturas más altas, con los cables rígidos tirando de las baterías firmemente hasta que entren en contacto con un disipador de calor diseñado para enfriar las baterías. A temperaturas inferiores a 35 grados Celsius, los cables suavizados estaban en la posición de "apagado", permitiendo que el paquete de baterías se levante del disipador de calor con la ayuda de resortes comprimidos. El espacio de aire resultante proporcionó un aislamiento que ayudó a mantener las baterías calientes al disminuir la disipación de su propio calor residual.

Los investigadores probaron el regulador térmico en condiciones de vacío y del mundo real para confirmar que su sistema podría moverse fácilmente entre estados fríos y calientes.

A una temperatura ambiente fría de menos 20 grados Celsius, demostraron que su regulador térmico podía aumentar la temperatura de la batería a 20 grados Celsius simplemente reteniendo el calor autogenerado de la batería. Al mismo tiempo, a una temperatura ambiente cálida de 45 grados Celsius, el regulador térmico evitaba que las baterías se sobrecalentaran al limitar el aumento de temperatura a unos 6 grados mediante la disipación constante del calor.

"Todo esto se logró de forma pasiva, sin sensores, consumo de energía lógica o eléctrica, "dijo Hao." Otro beneficio es que los alambres de aleación con memoria de forma son baratos, ejecutando solo el 1 por ciento del costo total de la batería, por lo que este es un sistema rentable ".

En un comentario publicado en Energía de la naturaleza , Los profesores de la Universidad Carnegie Mellon, Jonathan Malen y Venkat Viswanathan, dijeron que el interruptor térmico desarrollado en UC Berkeley podría mejorar tecnologías distintas de las baterías que son sensibles a las temperaturas fluctuantes. Entre ellos se incluyen las pilas de combustible, sensores y láseres.

Los investigadores de UC Berkeley dijeron que su sistema de regulador térmico podría tener implicaciones importantes para una adopción más amplia de tecnologías renovables. Las baterías de iones de litio alimentan una gran cantidad de productos de consumo que van desde automóviles eléctricos y drones hasta computadoras portátiles y teléfonos inteligentes. Las baterías también juegan un papel clave en la estabilización de la red eléctrica contra la generación solar y eólica fluctuante al alimentar unidades de almacenamiento de energía renovable.

Los autores del estudio señalaron que de las 51 áreas metropolitanas de EE. UU. Con poblaciones de más de 1 millón, 20 suelen experimentar temperaturas que caen por debajo de cero grados Fahrenheit, y 11 áreas tienen temperaturas de verano que habitualmente se elevan por encima de los 100 grados Fahrenheit.

"Al inventar un nuevo tipo de regulador térmico, se nos ocurrió un diseño único que puede funcionar tanto para Lake Tahoe en enero como para Death Valley en agosto, "dijo Dames.