¿Cómo superan las baterías de almacenamiento de energía las limitaciones de uso en entornos de baja temperatura?
2025-06-13
¿Por qué las bajas temperaturas suponen un desafío para las baterías de almacenamiento de energía?
El entorno de baja temperatura representa una verdadera prueba para el rendimiento de las baterías de almacenamiento de energía. ¿Sabes cómo las estaciones de energía con almacenamiento mantienen su funcionamiento normal en climas fríos y si requieren protección adicional?
En términos generales, las baterías de almacenamiento que cumplen con las normativas suelen indicar claramente el rango de temperatura en el que pueden operar de forma segura, por ejemplo, de -28 °C a 50 °C. Sin embargo, este es solo el rango de funcionamiento, no el rango óptimo para el rendimiento de la batería. En otras palabras, sí pueden funcionar dentro de ese intervalo, pero su eficiencia no será tan alta como en condiciones óptimas, y existe además la posibilidad de que la batería sufra daños.
Por eso, también es necesario proteger las estaciones de almacenamiento de energía contra el frío extremo.
1. Problemas y daños causados por las bajas temperatura
Tomando como ejemplo la batería de fosfato de hierro y litio, que es la más común en el mercado, su temperatura óptima de funcionamiento se sitúa en torno a los 25 °C. En un entorno de baja temperatura, el movimiento molecular y el proceso de transmisión dentro de la batería se ralentizan, la actividad electroquímica disminuye y la eficiencia de conversión de energía se reduce. Como resultado, la capacidad de descarga disminuye y la capacidad de carga también se ve afectada hasta cierto punto, lo que deteriora el rendimiento general de carga y descarga. Además, el funcionamiento prolongado en bajas temperaturas puede acelerar el envejecimiento de la batería y reducir su vida útil total.
Asimismo, una operación continua en frío ralentiza aún más el movimiento molecular y, en casos extremos, puede producirse un cortocircuito interno, lo que conlleva un riesgo importante de accidentes de seguridad.
Por supuesto, la tecnología de seguridad en baterías de almacenamiento de energía está en constante evolución. Por ejemplo, las baterías de litio han mejorado significativamente su rendimiento a bajas temperaturas gracias a la innovación tecnológica. Incluso, muchas baterías de flujo que actualmente se promocionan en el mercado presentan una mayor capacidad para operar de forma estable a bajas temperaturas en comparación con las baterías de litio.
2. Métodos de protección en entornos fríos
De hecho, para proteger el funcionamiento seguro de las estaciones de almacenamiento de energía, hoy en día todos los sistemas de baterías, sin importar su tipo, están equipados con sistemas de aislamiento térmico y control de temperatura dentro de los contenedores de almacenamiento, que se encargan de monitorear y mantener la temperatura de funcionamiento adecuada.
(1). Protección de la carcasa
Como medida de protección básica, se pueden utilizar materiales de aislamiento de alto rendimiento en la carcasa del equipo para evitar la entrada de aire frío y la fuga de calor a través de interfaces selladas.
(2). Sistema incorporado
Según las necesidades reales, se instalan en el interior del gabinete sistemas como aire acondicionado, deshumidificadores, desecantes y otros equipos auxiliares, con el fin de garantizar que la temperatura y la humedad durante el funcionamiento de las baterías se mantengan lo más cercanas posible a las condiciones óptimas. Esto contribuye a proteger la vida útil de los ciclos de la batería.
(3). Monitoreo inteligente
Se utilizan instrumentos como sensores de temperatura y humedad conectados al sistema EMS (Sistema de Gestión de Energía) del almacenamiento, para monitorear con precisión la temperatura de las baterías. A través del EMS se controla el encendido y apagado del sistema de aislamiento térmico dentro de umbrales establecidos, manteniendo así la temperatura interior del gabinete en un entorno óptimo de operación. Al mismo tiempo, el EMS también supervisa el estado de carga, descarga y salud de la batería para prevenir daños y maximizar la eficiencia.
El EMS de HT INFINITEPOWER no solo puede monitorear los datos de cada dispositivo dentro del sistema de almacenamiento de energía, sino que también puede analizar y controlar con mayor precisión el funcionamiento de cada equipo mediante el reconocimiento de inteligencia artificial (IA). Al mismo tiempo, gracias a un análisis inteligente, puede detectar condiciones anómalas en la operación del equipo, alertar sobre posibles problemas de seguridad y emitir advertencias oportunas, lo que permite prevenir y contener la aparición y propagación de fallos lo antes posible.
3. Innovación tecnológica y desarrollo futuro de baterías para bajas temperaturas
La "revolución del frío extremo" en las baterías de metal de litio
La ingeniería de interfaces resuelve el dilema de las dendritas. Se introduce un marco metal-orgánico poroso (MOF) modificado con grupos polares de electrones deslocalizados en la batería de litio para regular significativamente el comportamiento de desolvación de los iones de litio. En un entorno de baja temperatura de -20 °C, la batería Li/LiCoO2 desarrollada por científicos logró 250 ciclos sin degradación de capacidad.
Esta tecnología inhibe las reacciones secundarias mediante una capa de interfaz rica en Li3N, proporcionando un apoyo clave para la aplicación de baterías de litio en entornos extremadamente fríos. En el futuro, no habrá que preocuparse por el “bloqueo” causado por el congelamiento de la batería. Este logro ha abierto definitivamente una gran puerta de esperanza para la aplicación práctica de las baterías de litio metal en bajas temperaturas, permitiendo que las baterías de almacenamiento de energía disfruten de las facilidades que la tecnología aporta en ambientes fríos.
Baterías de ion de sodio en ambientes fríos
De la innovación del electrolito al diseño de electrolitos para aplicaciones de almacenamiento energético de 100 megavatios: superando el límite tradicional del anticongelante.
El nuevo electrolito éter de baja concentración desarrollado por el equipo de Wang Pengfei en la Universidad Jiaotong de Xi’an logra una tasa de retención de capacidad tanto en el electrodo positivo como en el negativo superior al 92% a -30 °C. Este electrolito es como ponerle “ropa abrigadora” a la batería, mejorando en gran medida la eficiencia de transmisión de iones al estabilizar la interfaz del electrodo.
El nuevo electrolito éter de baja concentración desarrollado por el equipo de Wang Pengfei en la Universidad Jiaotong de Xi’an logra una tasa de retención de capacidad tanto en el electrodo positivo como en el negativo superior al 92% a -30 °C. Este electrolito es como ponerle “ropa abrigadora” a la batería, mejorando en gran medida la eficiencia de transmisión de iones al estabilizar la interfaz del electrodo.
Además, los científicos han propuesto una estrategia de diseño basada en “baja temperatura eutéctica + alta capacidad de superenfriamiento” y han desarrollado un electrolito acuoso de temperatura extremadamente baja que permite que las baterías de sodio sigan encendiendo luces LED a temperaturas ultrabajas de -85 °C. La densidad energética alcanza 80 Wh/kg y la vida útil del ciclo llega a 5,000 semanas. Esto ha llevado la “resistencia al frío” de la batería a su máximo nivel.
Optimización del material del electrodo
El equipo de Qiu Xia en la Universidad China de Minería y Tecnología analizó en profundidad el cuello de botella en el rendimiento a baja temperatura del ánodo de carbono duro, optimizó la ruta de difusión de iones mediante ingeniería de la estructura porosa y mejoró eficazmente la tasa de retención de capacidad a baja temperatura de toda la batería. La batería de sodio de segunda generación de CATL adopta la tecnología de polianión, con una densidad energética de 175 Wh/g y resistencia a bajas temperaturas de -40 °C. Se planea su producción en masa e instalación para finales de 2025. En el futuro, los vehículos eléctricos de baja velocidad en algunas zonas frías podrían usar esta batería “anticongelante”.
Complementariedad Litio-Sodio y selección de ruta técnica
Las baterías de litio tienen ventaja en escenarios de alta demanda energética, como vehículos eléctricos, gracias a su alta densidad energética (175 Wh/kg para la nueva batería de sodio de CATL vs. 180-200 Wh/kg para fosfato de hierro litio). Las baterías de sodio son más adecuadas para almacenamiento energético a gran escala, vehículos eléctricos de baja velocidad y aplicaciones en zonas congestionadas, debido a su bajo costo (20-30% inferior al de las baterías de litio), amplio rango de temperatura (-40 °C a 80 °C) y alta seguridad.
En pocas palabras: las baterías de litio son “líderes en rendimiento” y las baterías de sodio son “reyes en costo-efectividad”.
Carrera de industrialización: del laboratorio a la comercialización
Las empresas de baterías de litio han realizado despliegues transfronterizos. La batería de sodio de 200 Ah de BYD supera al fosfato de hierro y litio a -30 °C, y la densidad energética de la nueva generación de productos de Zhongke Haina supera los 165 Wh/kg. Con el respaldo de capital y políticas, la escala de licitaciones para almacenamiento con baterías de sodio alcanzará 0,45 GWh en 2024, y se espera que el volumen de envíos supere los 4,5 GWh en 2025 y sobrepase los 30 GWh en 2030. El proceso de industrialización de las baterías para bajas temperaturas está acelerándose rápidamente.
Desafíos futuros y cuellos de botella técnicos
Las baterías de litio aún deben resolver problemas como la solidificación del electrolito y el aumento de la impedancia en la interfaz a temperaturas ultrabajas. Las baterías de sodio necesitan superar las limitaciones cinéticas de los ánodos de carbono duro y desarrollar materiales de cátodo con mayor densidad energética. Los equipos de investigación científica todavía enfrentan numerosos desafíos.
Innovación colaborativa en la cadena industrial
Se busca establecer una cadena de suministro exclusiva de sodio (como materiales catódicos de sulfato de hierro y sodio) para reducir la dependencia del equipamiento de baterías de ion-litio. Al mismo tiempo, se promueve el desarrollo de tecnología híbrida litio-sodio (baterías AB), que combina ventajas en densidad energética y costo, elevando la tecnología de baterías a un nuevo nivel.
Verificación en entornos extremos
En el futuro, se deberán realizar pruebas de campo en estaciones de investigación antárticas, bases en altiplanos y otros escenarios para verificar la fiabilidad de las baterías a temperaturas inferiores a -60 °C y bajo cambios drásticos de temperatura, garantizando que estas baterías “resistentes al frío” puedan realmente superar las pruebas de los entornos más extremos.
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