Modelado analítico de un sistema de refrigeración con PCM para baterías de ion-litio

Por qué importan las baterías más frías

Las baterías de ion-litio alimentan nuestros teléfonos, portátiles y coches eléctricos, pero enfrentan silenciosamente un problema: se calientan. El calor adicional puede acortar la vida útil de una batería y, en casos extremos, provocar fallos peligrosos. Este estudio analiza una forma inteligente de domar ese calor usando materiales especiales que se funden y absorben energía, y ofrece un método rápido tipo lápiz y papel para predecir cuán eficaz será dicho enfriamiento antes de que los ingenieros construyan un paquete.

Almacenar energía y disipar calor

A medida que nos alejamos de los combustibles fósiles, las baterías se han vuelto centrales para almacenar electricidad limpia y mover vehículos. Las celdas de ion-litio son atractivas porque almacenan mucha energía en un volumen pequeño y pueden cargarse y descargarse muchas veces. La contrapartida es que las mismas reacciones que dan alta potencia también generan calor. Si la temperatura se eleva demasiado o varía bruscamente dentro de un paquete, las celdas envejecen más rápido, pierden capacidad y tienen mayor probabilidad de entrar en fuga térmica, la reacción en cadena que puede conducir a un incendio.

Una chaqueta similar a la cera alrededor de cada celda

Una forma prometedora de refrigerar las baterías es recubrir cada celda con un material de cambio de fase, a menudo una sustancia similar a la cera. Cuando la batería se calienta, este material se funde y absorbe grandes cantidades de energía manteniéndose cerca de una temperatura constante, algo parecido al hielo que mantiene fría una bebida mientras se derrite. Experimentos previos y simulaciones por ordenador han mostrado que esas envolturas de cambio de fase pueden mantener la superficie exterior de las baterías más fría y uniforme, pero hasta ahora la teoría para celdas cilíndricas ha sido limitada, lenta de ejecutar o basada en simplificaciones fuertes.

Una forma más rápida de predecir el calor dentro de celdas redondas

Los autores desarrollan un modelo analítico, es decir, un conjunto de ecuaciones que pueden resolverse directamente en lugar de recurrir a simulaciones numéricas pesadas. Dividen el problema en dos partes vinculadas: el calor que se genera y se conduce dentro de la batería circular, y el calor que se absorbe y transporta en el material de cambio de fase circundante a medida que se funde hacia afuera desde la superficie de la celda. Usando una herramienta matemática llamada función de Green para la celda y una expansión por perturbaciones para el material en fusión, emparejan iterativamente la temperatura y el flujo de calor en la frontera compartida hasta que ambos lados concuerdan. Esto proporciona la temperatura en cada radio dentro de la celda y la posición del frente de fusión con el paso del tiempo.

Qué controla la temperatura del núcleo de la batería

Con las nuevas ecuaciones, los investigadores prueban cómo diferentes propiedades influyen en el rendimiento del enfriamiento. Confirman que aumentar la conductividad térmica del material de cambio de fase reduce la temperatura de la superficie de la batería y ayuda a distribuir el calor, pero solo hasta cierto punto. El punto más caliente del sistema sigue siendo el núcleo de la celda, y esta región responde con mayor fuerza a la propia conductividad de la batería: mejorar la conductividad de la celda puede reducir la temperatura máxima del núcleo en aproximadamente dos tercios en sus casos de ejemplo. Aumentar la capacidad del material de cambio de fase para almacenar calor latente durante la fusión suaviza aún más las temperaturas de la superficie, aunque tiene un efecto relativamente pequeño en la región más caliente en el interior de la celda.

Diseñar paquetes para potencia y seguridad

El modelo también muestra cómo los ciclos de descarga rápida y corrientes más altas aceleran el calentamiento y la fusión del material circundante. Al seguir cuánto avanza el frente de fusión, los autores pueden estimar qué espesor debería tener la capa de cambio de fase para que termine de fundirse justo cuando la batería finaliza su descarga más exigente. Este equilibrio mantiene las temperaturas dentro de una ventana segura mientras evita exceso de cera que añadiría peso y reduciría el almacenamiento energético total. El estudio concluye que, aunque el enfriamiento con cambio de fase es una herramienta pasiva eficaz, su beneficio completo para celdas cilíndricas solo se alcanza cuando las propias celdas están diseñadas para permitir que el calor escape con mayor facilidad de sus núcleos.

Cita: Farajollahi, A., Gheshlaghchaei, B.A., Jalalvand, M. et al. Analytical modeling of pcm-based cooling system for lithium-ion batteries. Sci Rep 16, 14791 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44226-9

Palabras clave: baterías de ion litio, refrigeración de baterías, material de cambio de fase, gestión térmica, celdas cilíndricas