Mantener la temperatura de funcionamiento de una batería de ion litio 2170 en climas frígidos mediante precalentamiento y una estructura PCM de espuma de alúmina

Por qué las baterías frías son un problema importante

Los coches eléctricos, los portátiles y las baterías domésticas dependen de celdas de ion litio que funcionan mejor dentro de una franja de temperatura bastante moderada. Sin embargo, en pleno invierno estas baterías tienen dificultades para activarse, pierden autonomía utilizable y pueden envejecer más rápido si se usan de forma inadecuada. Este estudio examina cómo mantener un tipo de celda cilíndrica popular, la 2170, en su zona de confort durante arranques en climas muy fríos, usando una combinación inteligente de precalentamiento suave y una carcasa especial que almacena calor.

Mantener cómodos los paquetes de energía

La mayoría de las baterías de ion litio prefieren operar entre aproximadamente 15 y 35 grados Celsius. Por debajo de ese intervalo, las reacciones internas se ralentizan y la resistencia aumenta, lo que significa menos potencia y mayor estrés durante la carga. Por encima, envejecen más rápido y pueden surgir problemas de seguridad. Los autores se centran en lo que ocurre cuando una celda 2170 parte de temperaturas tan bajas como menos 40 grados, un nivel típico de climas invernales severos, y se preguntan cómo calentarla rápidamente y luego evitar que se sobrecaliente una vez que comienza a trabajar intensamente.

Una chaqueta que almacena calor alrededor de la celda

La solución propuesta envuelve la celda cilíndrica en una carcasa rectangular hecha de espuma de alúmina altamente porosa impregnada con un material ceroso llamado hexadecano. Este material se funde cerca de 18 a 22 grados Celsius, muy próximo al rango de funcionamiento ideal de la batería. Cuando la batería se calienta y empieza a generar calor, la cera absorbe esa energía al fundirse en lugar de permitir que la temperatura de la celda se dispare. La espuma de alúmina, con su alta conductividad térmica y estructura resistente, distribuye el calor rápidamente a través de la carcasa, acelera el proceso de fusión y protege mecánicamente la celda al mismo tiempo.

Simulando arranques invernales extremos

Para probar la idea sin experimentos costosos y difíciles, los investigadores construyeron un modelo informático detallado del flujo de calor y fluido dentro y alrededor de la batería y su carcasa. Simularon cómo se comporta el sistema a temperaturas ambientales de menos 40 a 0 grados Celsius y con diferentes tasas de descarga, desde un uso relativamente suave (1C) hasta una demanda elevada (4C). Antes de cada descarga, una fuente externa de precalentamiento de 20 vatios calienta la celda desde el punto congelado hasta 15 grados, para que pueda empezar a funcionar en una zona más segura. El modelo sigue la temperatura media y máxima de la celda, cuánto de la cera se ha fundido, qué tan uniformemente se distribuye el calor y cuánta energía consume el precalentador.

Cómo el sistema comparte y almacena calor

Las simulaciones muestran que el precalentamiento eleva de forma fiable la celda empapada en frío hasta 15 grados en aproximadamente 10 a 53 minutos, dependiendo de la intensidad de uso posterior y de lo frío que esté el entorno. Una vez que comienza la descarga, a niveles de potencia bajos y moderados la capa de cera se funde de forma sostenida y mantiene la celda cerca de unos 20 grados, evitando oscilaciones bruscas de temperatura. A potencia más alta, la batería se calienta más rápido y puede fundir completamente la cera antes del final de la descarga; tras eso las temperaturas aumentan, pero permanecen por debajo de unos 42 grados, incluso en el caso ambiental más cálido estudiado. La carcasa también mantiene las diferencias de temperatura dentro de la celda en niveles moderados, limitando puntos calientes que pueden acortar la vida útil.

Equilibrar el tiempo de calentamiento y el uso de energía

Una cuestión práctica importante es cuánta energía extra necesita el precalentador. El modelo muestra que, en la condición más fría de menos 40 grados, una descarga de baja potencia (1C) requiere el mayor tiempo de calentamiento y por tanto la mayor energía. A medida que aumenta la tasa de descarga, el propio calor residual de la batería ayuda al calentamiento, de modo que el calentador externo puede apagarse antes y el consumo de energía cae a más de la mitad. En fríos más moderados, cercanos a 0 grados, la celda a menudo puede alcanzar la temperatura objetivo en gran medida mediante su autocalentamiento, reduciendo aún más la demanda sobre el precalentador.

Qué significa esto para vehículos reales

En conjunto, el precalentamiento combinado con la funda de espuma rellena de cera mantiene este tipo de batería común dentro de una zona de temperatura segura y eficaz incluso en arranques invernales severos. Ofrece una forma en gran parte pasiva de suavizar picos térmicos y puntos calientes mientras reduce la energía extra necesaria para calentar packs congelados. Para los conductores, esto podría traducirse en mejor autonomía en frío, mayor rapidez para estar listas y mayor seguridad a largo plazo. Antes de que tales sistemas lleguen a packs comerciales, los ingenieros deberán estudiar la durabilidad a largo plazo del compuesto espuma-cera y cómo integrar mejor esta estrategia con la electrónica de control de baterías existente, pero el trabajo apunta a una vía práctica para proteger las baterías de vehículos eléctricos frente al invierno.

Cita: Alkhatib, O.J., Ali, A.B.M., Tursunzoda, F. et al. Maintaining a 2170 lithium-ion battery’s operating temperature in freezing climates using preheating and an alumina foam PCM structure. Sci Rep 16, 10330 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40953-1

Palabras clave: baterías de ion litio, clima frío, gestión térmica, materiales de cambio de fase, vehículos eléctricos