Aunque las baterías de iones de litio solo convierten menos del 10% de su energía en calor durante el funcionamiento, si este calor no se controla eficazmente, acelerará el envejecimiento de la batería e incluso provocará una fuga térmica y un incendio en casos extremos. En marcado contraste, el sistema electroquímico "ineficiente" de los humanos genera suficiente calor para hervir cientos de tazas de té cada día, pero aún así puede mantener una temperatura corporal estable. La clave está en la piel y su mecanismo de disipación del calor mediante la sudoración.Inspirado por esto, un equipo de investigación de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong desarrolló recientemente una "película refrescante nanocompuesta adaptable similar a la piel" que permite que las baterías "suden y se enfríen" como la piel de los mamíferos.

Durante muchos años, casi todos los sistemas de baterías de litio, desde teléfonos móviles hasta vehículos eléctricos, han estado equipados con sistemas de gestión térmica, incluidos ventiladores, disipadores de calor, circuitos de refrigeración líquida y materiales de cambio de fase, para mantener la temperatura de la celda dentro de un rango seguro. Aunque estas soluciones son maduras y efectivas, a menudo tienen estructuras complejas, ocupan espacio y requieren un consumo de energía adicional. El equipo de investigación cree que la naturaleza ya ha proporcionado una solución eficaz y elegante: la piel de los mamíferos consigue una regulación extremadamente eficaz de la temperatura corporal mediante "sudoración + evaporación". Si este mecanismo puede diseñarse y trasplantarse a la batería, se esperará que mejore simultáneamente el rendimiento, la seguridad y la simplicidad del sistema.

Según los informes, esta nueva película refrigerante cubre la superficie de la batería como una "piel". Está compuesto de materiales funcionales como cloruro de litio (LiCl), óxido de grafeno (GO), fibra de carbón activado (ACF) y está encapsulado en una membrana porosa de politetrafluoroetileno (PTFE) y sostenido por una estructura de cobre. Cada componente tiene una clara división del trabajo: LiCl es una sal altamente higroscópica que puede absorber y almacenar la humedad del aire cuando la temperatura es baja; el óxido de grafeno forma una red conductora térmica eficiente, que distribuye rápidamente el calor generado por la batería dentro de la membrana; la estructura porosa de la fibra de carbón activado aumenta significativamente el área de evaporación; la estructura de cobre ayuda a distribuir el calor de manera uniforme y evita la saturación local; La membrana exterior de PTFE evita fugas de solución y permite que el vapor de agua pase libremente.

A medida que la batería se calienta, la humedad almacenada en la membrana absorbe calor y se evapora rápidamente, quitando el calor de la superficie de la batería, un proceso conocido como "enfriamiento por desorción". Cuando la batería se enfríe, la membrana reabsorberá espontáneamente agua del aire circundante, restaurando su "inventario de humedad" y preparándose para la siguiente ronda de trabajo. El equipo de investigación señaló que esta característica adaptativa de absorción y liberación de humedad permite que la película de enfriamiento ajuste automáticamente su propio estado bajo diferentes condiciones de trabajo y logre una circulación continua sin la necesidad de un sistema de control externo.

Los datos experimentales mostraron que la película de enfriamiento adaptable logró una potencia de enfriamiento promedio de 802,5 W·m⁻² en las pruebas de concepto y redujo la temperatura en 34,3 grados Celsius (aproximadamente 61,7 grados Fahrenheit) con una alta densidad de flujo de calor de 2,7 kW·m⁻². Al realizar pruebas de carga y descarga de alta velocidad en una batería comercial de iones de litio con un valor nominal de 3,7 V/12 Ah, la vida útil de la batería utilizando esta película refrigerante se amplió de 118 veces a 233 veces, lo que casi se duplica. Los investigadores señalaron que en condiciones de fuerte carga térmica cercanas a las condiciones reales de funcionamiento de las baterías de alto rendimiento, el material aún puede alcanzar un enfriamiento de más de 30 grados Celsius, lo que es suficiente para suprimir significativamente la degradación del rendimiento y los riesgos de seguridad.

Además de sus capacidades de enfriamiento, la película de nanocompuesto también tiene excelentes propiedades retardantes de llama, lo que previene eficazmente la propagación de la fuga térmica en condiciones que normalmente desencadenarían la combustión. En las pruebas, la membrana mantuvo un rendimiento estable de gestión térmica después de más de 1000 horas de uso en ciclos severos, mostrando buena durabilidad y repetibilidad. Más importante aún, todo el sistema se enfría pasivamente y no requiere ninguna fuente de alimentación adicional: el LiCl en la película reabsorberá automáticamente la humedad del aire cuando la temperatura de la batería baje, "cargando" la siguiente disipación de calor.

"Nuestro objetivo es desarrollar una solución de gestión térmica pasiva, compacta, práctica y de bajo coste que proporcione fuertes capacidades de refrigeración sin entrada de energía externa, teniendo en cuenta la fiabilidad y la seguridad durante el funcionamiento real de la batería". dijo el líder del proyecto, el Dr. Sui Zengguang. Debido a su estructura simple y tamaño compacto, esta película de enfriamiento tiene un diseño altamente escalable y se puede ampliar o reducir de tamaño según las necesidades. Se espera que se aplique en todo, desde dispositivos electrónicos portátiles hasta grandes paquetes de baterías para vehículos eléctricos.

Sin embargo, el equipo de investigación también recuerda que esta tecnología es actualmente más adecuada para escenarios en los que la carga de calor cambia de forma intermitente o periódica. En condiciones continuas de alta densidad de flujo de calor, la capacidad de enfriamiento será limitada porque el material necesita tiempo para enfriarse y reabsorber la humedad. En otras palabras, esta es una solución de enfriamiento pasivo que es adecuada para "trabajos intermitentes de alta potencia", en lugar de una respuesta única para ambientes de calor extremo sostenido.

Aunque todavía se encuentra en una etapa relativamente temprana y requiere más investigación, desarrollo y verificación antes de su plena industrialización, los investigadores son bastante optimistas sobre sus perspectivas. Creen que esta tecnología es muy atractiva para cualquier escenario: es ligera, compacta, no requiere suministro de energía adicional pero sí "una capacidad de refrigeración significativa", especialmente en campos extremadamente sensibles a las limitaciones de peso y embalaje, como los robots humanoides y los drones. El artículo de investigación relevante se publicó en la revista "ACS Nano" y en el artículo también se divulgan detalles técnicos más detallados.