Les bateries criogèniques són un tipus de dispositiu d'emmagatzematge d'energia dissenyat específicament per mantenir un bon rendiment electroquímic en entorns de baixa-temperatura. Pretenen superar els reptes de la disminució de la capacitat, la reducció de la potència i fins i tot el mal funcionament de les bateries convencionals en condicions de fred. Amb el desenvolupament continu de la investigació científica polar, la inspecció industrial a les regions fredes i altes-, el rescat d'emergència hivernal i l'aeroespacial, la importància de les bateries criogèniques és cada cop més destacada, convertint-se en una tecnologia energètica clau per donar suport a les operacions en entorns extremadament freds.
Quan la temperatura de les bateries d'ions de liti-convencionals baixa per sota dels zero graus centígrads, la viscositat de l'electròlit augmenta significativament, la taxa de migració dels ions disminueix i la impedància de la interfície de l'elèctrode augmenta, provocant una forta reducció de la capacitat útil i una disminució de l'altiplà de descàrrega. En casos greus, es pot produir una caiguda de tensió sobtada que impedeix l'inici de la càrrega. Les bateries criogèniques, mitjançant l'optimització del sistema de materials i la innovació estructural, mitiguen o eliminen eficaçment aquests efectes adversos, cosa que els permet generar energia elèctrica relativament estable a temperatures inferiors a -10 graus centígrads o fins i tot inferiors.
A nivell de materials, la millora bàsica de les bateries criogèniques se centra en la compatibilitat a baixa-temperatura de l'electròlit i els elèctrodes. Els investigadors sovint utilitzen sistemes de dissolvents amb punts de congelació baixos i alta conductivitat iònica, com ara dissolvents barrejats de carbonat d'etilè i èsters lineals, o introdueixen líquids iònics i additius orgànics de baix punt de fusió--, per reduir el punt de congelació de l'electròlit i mantenir la conductivitat a temperatures baixes. Simultàniament, l'optimització de la concentració de sal de liti i els additius funcionals pot suprimir el revestiment de liti a baixa -temperatura i les reaccions secundaris interfacials, millorant l'estabilitat del cicle. Pel que fa als materials dels elèctrodes, el nano-dimensionament, el dopatge i el recobriment superficial s'utilitzen per accelerar les taxes de transferència de càrrega a baixes temperatures i reduir la polarització, mantenint així una gran capacitat de descàrrega i un rendiment de velocitat en condicions fredes.
Pel que fa al disseny estructural, les bateries de baixa-temperatura sovint combinen mesures de gestió tèrmica i d'aïllament per millorar l'adaptabilitat ambiental. Per exemple, entre les cèl·lules es col·loquen materials de canvi de fase o pel·lícules de calefacció flexibles per preescalfar la bateria abans del funcionament o durant les pauses, la qual cosa permet arribar ràpidament al rang de temperatura de funcionament adequat; la carcassa exterior utilitza materials compostos de baixa conductivitat tèrmica per mitigar la intrusió del fred extern i allargar el temps d'aïllament. Algunes solucions també connecten el sistema de calefacció amb el sistema de gestió de bateries (BMS), ajustant dinàmicament la potència de calefacció en funció de la retroalimentació de la temperatura per equilibrar el consum d'energia i l'eficiència de la calefacció.
Pel que fa al rendiment, les bateries criogèniques d'alta-qualitat poden mantenir més del 70% de la seva capacitat nominal a temperatures tan baixes com -20 graus o fins i tot inferiors, alhora que tenen la velocitat de descàrrega necessària per satisfer els requisits d'inici i de càrrega contínua. La seva capacitat d'arrencada a baixa temperatura és especialment crítica, evitant l'"aturada per congelació" que podria provocar interrupcions de la missió o mal funcionament de l'equip. El disseny de seguretat ha d'abordar simultàniament els reptes tant de les condicions criogèniques com de les condicions de calefacció, assegurant que el procés d'escalfament no desencadena un sobreescalfament localitzat o riscos de fuga tèrmica.
Les bateries criogèniques ja s'han aplicat a la investigació científica polar, la inspecció de línies elèctriques d'alta-altitud en condicions fredes, l'alleujament de desastres a l'hivern, l'estudi d'altiplà i aeroespacial, ampliant significativament la finestra operativa d'equips i sistemes en condicions de fred extrem i millorant la continuïtat de la missió i les capacitats d'adquisició de dades. Amb l'avenç continu de la ciència dels materials i la tecnologia de gestió tèrmica, s'espera que les bateries criogèniques assoleixin un subministrament d'energia altament fiable i eficient en un rang de temperatures més ampli, proporcionant un suport energètic sòlid per a operacions intel·ligents i desenvolupament de recursos en entorns freds.
