Habilitar baterías híbridas acuosas de zinc/cobre-azufre a baja temperatura mediante el diseño del electrolito

Alimentando los rincones más fríos del planeta

A medida que nuestros sistemas energéticos dependen más de la energía eólica y solar, necesitamos baterías que puedan almacenar de forma segura grandes cantidades de electricidad en todo tipo de condiciones climáticas. La mayoría de las baterías basadas en agua (acuosas) actuales tienen problemas cuando las temperaturas caen muy por debajo de cero, especialmente si además exigimos una alta densidad energética. Esta investigación muestra cómo un rediseño inteligente del interior líquido de la batería —el electrolito— puede desbloquear un nuevo tipo de batería zinc‑azufre que sigue funcionando incluso en frío extremo, con potencial para redes remotas, estaciones de gran altitud y otros entornos hostiles.

Por qué las baterías acuosas habituales se congelan

Las baterías acuosas resultan atractivas porque emplean agua en lugar de líquidos orgánicos inflamables, lo que las hace más seguras, económicas y medioambientalmente amigables. Sin embargo, afrontan dos problemas importantes: su energía por kilogramo suele ser modesta y su rendimiento colapsa a bajas temperaturas. Muchos diseños de vanguardia tolerantes al frío usan electrodos positivos que simplemente insertan y retiran iones, lo que mantiene la capacidad baja, o añaden grandes cantidades de aditivos anticongelantes inactivos que diluyen el contenido energético. El azufre, en cambio, puede almacenar mucha más carga que los materiales de electrodo típicos, pero las baterías acuosas basadas en azufre hasta ahora han usado soluciones de sulfato de cobre que se congelan o se vuelven lentas justo por debajo de 0 °C, haciéndolas inadecuadas para entornos de frío extremo como montañas elevadas, el fondo del mar o el espacio.

Rediseñando el corazón líquido de la batería

Los autores abordan este problema sustituyendo la solución tradicional de sulfato de cobre por una solución de tetrafluoroborato de cobre, Cu(BF4)2, ajustada cuidadosamente a una concentración de 3,5 mol por litro. En ese punto, la mezcla se comporta casi como un vidrio líquido: no cristaliza con facilidad y muestra una temperatura de transición vítrea muy baja, de alrededor de −115 °C. Crucialmente, sigue conduciendo iones bien, manteniendo una conductividad iónica impresionante de 5,16 milisiemens por centímetro a −60 °C —competitiva con los mejores electrolitos de baja temperatura reportados. Experimentos y simulaciones por ordenador revelan por qué: los aniones BF4⁻ interactúan fuertemente con las moléculas de agua de una manera que rompe su red habitual de enlaces de hidrógeno, haciendo mucho más difícil la formación de estructuras tipo hielo mientras aún permiten el movimiento de iones.

Cómo el nuevo electrolito acelera las reacciones

Más allá de prevenir la congelación, la solución de Cu(BF4)2 también acelera las reacciones internas de la batería. Cuando se combina con un electrodo de azufre soportado sobre nanotubos de carbono conductores, ofrece capacidades y potencia muy superiores a una celda comparable que usa sulfato de cobre. Incluso a velocidades de carga y descarga muy altas, el nuevo sistema mantiene grandes capacidades, y la diferencia de voltaje entre carga y descarga permanece pequeña, lo que indica bajas pérdidas energéticas. Mediciones detalladas muestran que los iones encuentran menos resistencia al cruzar la interfaz entre líquido y sólido, y los iones de cobre difunden más rápido dentro del electrodo de azufre. Las simulaciones sugieren que los aniones BF4⁻ envuelven parcialmente a los iones de cobre en una capa laxa que es fácil de desprenderse cerca de la superficie del electrodo, reduciendo la barrera energética para la transferencia de electrones y acelerando la reacción global.

Manteniéndose sólidos cuando las temperaturas caen

El equipo llevó la batería a condiciones de frío extremo. En una celda de ensayo cobre‑azufre a −60 °C, el electrodo de azufre ofreció un almacenamiento de carga muy alto en el primer ciclo y mantuvo una gran capacidad reversible posteriormente, además de ciclar de forma estable durante cientos de ciclos a corrientes significativas. Para convertir esta química en un dispositivo práctico, los investigadores construyeron una batería completa de zinc‑azufre, con zinc metálico como el lado negativo y electrolitos separados de cobre y zinc conectados mediante una membrana de intercambio aniónico. A −50 °C, esta celda completa alcanzó una capacidad de descarga de 348 miliamperio‑hora por gramo de metales activos y una densidad energética de 339 vatios‑hora por kilogramo, basada en ambos electrodos juntos —cifras que igualan o superan a otras baterías acuosas de baja temperatura de última generación.

De la celda de laboratorio al almacenamiento real

Para explorar el potencial en el mundo real, los autores también construyeron una versión de batería de flujo, donde los líquidos se almacenan en tanques y se bombean junto a los electrodos —una arquitectura prometedora para el almacenamiento a gran escala en redes. A −30 °C, este prototipo ofreció altas capacidades areales, mostrando que la química puede escalarse. El análisis de costes indica que los electrodos de azufre son mucho más baratos por unidad de energía almacenada que muchos competidores, y son posibles ahorros adicionales optimizando el diseño de la membrana. Aunque el sistema aún no convierte completamente todo el azufre de vuelta a su forma original en cada carga, lo que provoca cierta pérdida de eficiencia, el trabajo demuestra claramente que un diseño cuidadoso del electrolito puede casar alta energía, seguridad y operación en frío extremo. Para el lector general, la conclusión es que una química inteligente en la parte líquida de una batería puede transformar una tecnología sensible a la temperatura en un depósito de energía robusto para algunos de los lugares más fríos donde necesitamos suministro fiable.

Cita: Zhou, H., Hu, L., Liu, G. et al. Enabling low-temperature aqueous zinc/copper-sulfur hybrid batteries through electrolyte design. Nat Commun 17, 3167 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69742-0

Palabras clave: baterías a baja temperatura, baterías acuosas de zinc, <keyword>diseño de electrolito, almacenamiento de energía