Baterías de Hidrógeno que Funcionan en el Frío

Una vez vistas como fuentes de energía simples, las baterías hoy se encuentran en el corazón de la transformación de energía limpia del mundo como una de las tecnologías de más rápido crecimiento que están moldeando nuestro futuro.

Entre los tipos de baterías, las de iones de litio son la opción preferida para alimentar todo, desde teléfonos móviles hasta vehículos eléctricos (EVs).

Las baterías de iones de litio aparecieron comercialmente a principios de la década de 1990, pero la demanda de ellas creció exponencialmente en la última década, pasando de solo 0,5 gigavatios‑hora (GWh) en 2010 a aproximadamente 526 GWh una década después.

Una disminución de casi 90 % en los costos de las baterías de iones de litio, de aproximadamente 1.400 $ por kWh en 2010 a 140 $ por kWh en 2023, combinada con avances en densidad energética y vida útil de ciclos, ha reforzado su dominio en aplicaciones de vehículos eléctricos y almacenamiento de energía.

Un gran problema de las baterías recargables como las celdas de iones de litio, sin embargo, es que no toleran el frío.

Por qué las baterías fallan en el frío (y cómo los ingenieros lo solucionan)

Las baterías rinden mal en condiciones frías. Esto se debe a sus reacciones electroquímicas internas que se ralentizan a temperaturas bajo cero.

La mayoría de las baterías tienen tres partes principales:

• Electrodos
• Electrolito
• Separador

Hay dos electrodos en una batería, y ambos están hechos de materiales conductores. Un electrodo, conocido como cátodo, se conecta al extremo positivo de la batería, y aquí es donde la corriente eléctrica sale de la batería durante la descarga. El otro electrodo, conocido como ánodo, se conecta al extremo negativo de la batería, y aquí es donde la corriente eléctrica entra en la batería durante la carga.

Los dos están separados mediante el separador para evitar un cortocircuito. Entre estos electrodos hay un electrolito líquido, que contiene partículas cargadas eléctricamente, o iones. Al combinarse con los materiales que forman los electrodos, el electrolito produce reacciones químicas que permiten a una batería generar una corriente eléctrica.

En el caso de las baterías de iones de litio, el electrolito suele ser una sal de litio en solución que transfiere iones entre los electrodos de la batería. Pero cuando hace frío, los iones se ralentizan y no pueden trabajar adecuadamente con los electrodos, lo que afecta la capacidad de la batería para generar tanta corriente antes de agotarse.

Además, si se deposita demasiado litio en un electrodo, puede producirse un cortocircuito y causar un incendio.

Así, el clima frío afecta gravemente la vida útil de la batería. Tanto la eficiencia como la capacidad utilizable de una batería se reducen significativamente. Una encuesta de AAA del año pasado mostró que la disminución del alcance durante el invierno y las preocupaciones sobre la carga más lenta han contribuido a la desaceleración del impulso de los EVs.

Para superar este problema, empresas de todo el mundo han estado trabajando en nuevas y mejores químicas de baterías. 

Por ejemplo, el gigante chino de baterías CATL anunció la segunda generación de su batería de iones de sodio, que puede descargarse a temperaturas tan bajas como menos 40 °C y cuenta con medidas de seguridad mejoradas, con el objetivo de superar los 200 Wh/kg en densidad energética.

Aunque se dice que las baterías de iones de sodio son más seguras y más resistentes al frío que las de iones de litio, tienen una densidad energética menor y costos de producción más altos.

Mientras tanto, ingenieros de la Universidad de Michigan desarrollaron un proceso de fabricación modificado¹ para baterías de EV que permite altos rangos y carga rápida en clima frío.

El equipo creó vías de 50 micrómetros en el ánodo y aplicó un recubrimiento de 20 nm de un material vítreo de borato‑carbonato de litio para evitar la formación de placas de litio en los electrodos de la batería. Las baterías de EV de iones de litio fabricadas con estas modificaciones pueden cargarse 500 % más rápido a 14 °F (-10 °C) y retener el 97 % de su capacidad incluso después de cargarse rápidamente 100 veces a esas temperaturas frías.

“Por primera vez, hemos demostrado una vía para lograr una carga extremadamente rápida a bajas temperaturas, sin sacrificar la densidad energética de la batería de iones de litio.”

– Coautor Neil Dasgupta, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia e ingeniería de materiales en la U‑M

Otros están optimizando formulaciones de electrolitos y modificando materiales de ánodo, desarrollando tecnología de batería especializada, incorporando aislamiento más grueso con calefactores integrados, proponiendo carga inteligente controlada por temperatura², y presentando un algoritmo de control predictivo³ para ajustar la temperatura de la batería, entre otras soluciones.

En medio de estos avances continuos en materiales, electrolitos y otras tecnologías para abordar los desafíos de las baterías en clima frío, los científicos también están explorando sistemas de almacenamiento de energía alternativos, como las baterías basadas en hidrógeno.

Baterías de Hidrógeno: Cómo Funcionan y Por Qué Importan

El hidrógeno es una fuente de energía limpia que, cuando se consume en una pila de combustible, produce solo agua. Es un portador de energía que puede almacenar y entregar energía generada a partir de otras fuentes.

El elemento químico más abundante del universo, el hidrógeno puede producirse a partir de gas natural, biomasa y energía nuclear, así como de fuentes renovables como el viento y el sol.

Este gas incoloro, inodoro y altamente inflamable también es un componente clave del agua y de todos los compuestos orgánicos.
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El hidrógeno es, de hecho, un componente clave del Sol. Se convierte en energía mediante el proceso de fusión nuclear en su núcleo. Bajo inmensa presión y calor, los átomos de hidrógeno se fusionan para formar helio, liberando enormes cantidades de energía. Esa energía luego viaja hacia el exterior a través de las capas del Sol y se irradia al espacio como luz y calor. 

En la Tierra, el hidrógeno es una opción de combustible atractiva y ofrece una vida útil de batería mayor en comparación con las baterías de iones de litio. 

Para evaluar el desempeño técnico y financiero de un sistema de almacenamiento de baterías de hidrógeno y una batería de iones de litio, investigadores de la Universidad de New South Wales (UNSW) evaluaron⁴ dos sistemas comercialmente disponibles, LAVO y Tesla Powerwall 2. Encontraron que el primero tiene más pérdidas de energía. 

Sin embargo, se descubrió que las baterías de hidrógeno presentaban menos degradación de capacidad y mayor densidad energética que las baterías de iones de litio, lo que les permite almacenar más energía durante un período más prolongado. Su capacidad para soportar un 18 % más de ciclos carga‑descarga que la batería de iones de litio las hace “adecuadas para aplicaciones remotas que requieren una duración prolongada del almacenamiento de energía”.

Un estudio independiente de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) desarrolló un novedoso sistema de batería química⁵ para un futuro más seguro y sostenible de los sistemas alimentados por baterías.

Mientras que las baterías basadas en hidrógeno actuales usan H₂ como cátodo, lo que limita su rango de voltaje y capacidad de almacenamiento, el equipo de USTC propuso utilizarlo como ánodo. El equipo desarrolló un prototipo, con un ánodo de litio, un electrolito sólido y una capa de difusión de gas recubierta de platino que actúa como cátodo de hidrógeno.

El equipo informa una energía específica teórica de hasta 2 825 Wh/kg, una descarga de ~3 V y una eficiencia de ciclo completo del 99,7 % en su configuración Li‑H, lo que indica un fuerte potencial, aunque la cifra de 2 825 Wh/kg no es una medida a nivel de paquete real.

Para mejorar su rentabilidad, el equipo construyó una batería Li‑H sin ánodo. Aquí, la deposición de litio se obtuvo a partir de sales de litio durante la carga. La versión mejorada permite un plating y stripping de litio eficientes y funciona de manera estable incluso con bajas concentraciones de hidrógeno, reduciendo así la dependencia del almacenamiento de hidrógeno a alta presión.

En comparación con las baterías de níquel‑hidrógeno convencionales, el sistema Li‑H ofrece mayor densidad energética y eficiencia, abriendo la puerta a futuras exploraciones de aplicaciones de tecnología Li‑H.

A pesar de las numerosas ventajas del hidrógeno para el almacenamiento de energía limpia, almacenarlo no es fácil. De hecho, el almacenamiento es un desafío importante al usar hidrógeno.

El Electrolito de Hidruro Ba–Ca–Na que Desbloquea el Almacenamiento de Hidrógeno a Baja Temperatura

Almacenar hidrógeno requiere o bien temperaturas extremadamente bajas (−252,8 °C) o presiones altas (350 a 700 bar), o ambas. Almacenarlo en estado sólido evita los riesgos de seguridad asociados con tanques de gas a alta presión, pero enfrenta limitaciones materiales a bajas temperaturas.

Para abordar esto, investigadores del Institute of Science Tokyo (Science Tokyo) exploraron el almacenamiento electroquímico de hidrógeno mediado por iones hidruro, lo que los llevó a descubrir un prometedor electrolito sólido conductor de iones hidruro⁶ a partir de un sistema de hidruro de bario, calcio y sodio.

Combinar iones de diferentes tamaños se ha reportado que brinda conductividad superiónica, y fue en la búsqueda de esto que los investigadores decidieron combinar sus iones: BaH₂‑CaH₂‑NaH.

El electrolito sólido resultante, tipo anti‑α‑AgI Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅, posee una excelente estabilidad electroquímica y conductividad de iones hidruro (H⁻). 

Es notable que la estabilidad electroquímica permite acoplamientos flexibles con muchos electrodos de metal‑hidruro. Así, el electrolito funciona bien con varios electrodos metal‑hidrógeno, como el hidruro de titanio y el hidruro de magnesio (MgH₂), posibilitando un almacenamiento de hidrógeno reversible y de alta capacidad a bajas temperaturas.

En experimentos iniciales, los investigadores probaron su electrolito en un sistema donde se colocó entre TiH₂ (hidruro de titanio es un compuesto de titanio e hidrógeno) y electrodos de referencia de titanio, así como negro de acetileno y colectores de corriente de molibdeno. 

Esto permitió a los investigadores encontrar la ventana de potencial estable del electrolito sólido, que es la mejor reportada hasta la fecha.

También se reportó una alta conductividad de H⁻ por parte de los investigadores, atribuida a la estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc) del electrolito. Esta estructura tiene una densidad de empaquetamiento menor, lo que brinda “una vía abierta para el transporte iónico”. Los cationes altamente polarizables en la red también contribuyeron a la alta conductividad iónica.

Luego, para probar la capacidad de almacenamiento de hidrógeno de sus electrolitos, los investigadores fabricaron una celda usando MgH₂.

MgH₂ es un compuesto químico estudiado para el almacenamiento de hidrógeno debido a su alta capacidad y bajo costo. Este material puede integrarse en un sistema tipo batería donde el hidrógeno se almacena y libera durante la carga y descarga. Sin embargo, su uso ha estado limitado por reacciones secundarias indeseables, pobre reversibilidad de absorción y desorción de hidrógeno, y la necesidad de temperaturas tan altas como 300 °C o más.

Pero los investigadores lograron que celdas Mg‑H₂ funcionaran como dispositivos de almacenamiento de hidrógeno, demostrando una capacidad de 2 030 mAh/g a 90 °C.

De 300–400 °C a ~90 °C: Una Batería de Hidrógeno Práctica a Baja Temperatura

La nueva batería de hidrógeno de los investigadores de Science Tokyo ha superado los límites de baja capacidad y alta temperatura de los métodos anteriores. En lugar de operar a 300‑400 °C (572‑752 °F), que se requieren para los enfoques actuales de almacenamiento sólido de hidrógeno, esta batería opera a 90 °C (194 °F).

La batería funciona migrando iones hidruro a través de un electrolito sólido, permitiendo que el hidruro de magnesio (MgH₂) almacene y libere hidrógeno repetidamente a plena capacidad.

Con este desarrollo, los investigadores ofrecen una forma práctica de almacenar combustible de hidrógeno, allanando el camino para vehículos impulsados por hidrógeno y sistemas de energía limpia.

“Demostramos la operación de una batería Mg‑H₂ como un dispositivo seguro y eficiente de almacenamiento de energía de hidrógeno, logrando alta capacidad, baja temperatura y absorción y liberación de gas hidrógeno reversibles.”

– Profesor asistente Naoki Matsui

Aunque ya existen baterías de hidrógeno con componentes de estado sólido, requieren altas temperaturas de operación. La nueva batería de hidrógeno, sin embargo, puede alcanzar la capacidad de almacenamiento teórica completa del ánodo MgH₂ y alta conductividad iónica a temperatura ambiente. Eso se debe al electrolito sólido Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅.

Fabricado a partir de bario (Ba), calcio (Ca) y hidruro de sodio (NaH), el electrolito puede mover iones hidruro (H⁻) de manera eficiente.

Tiene una estructura cristalina (tipo anti‑α‑AgI), conocida por su conductividad superiónica. En esta estructura, Ba, Ca y Na ocupan posiciones centradas en el cuerpo, mientras que los iones hidruro se desplazan a través de sitios octaédricos y tetraédricos que comparten caras, permitiendo su migración libre. 

Esta nueva batería funciona como una de iones de litio, pero en lugar de mover iones cargados positivamente a través del electrolito, utiliza iones hidruro que llevan carga negativa y pueden atravesar su estructura cristalina.

La batería usa hidruro de magnesio (MgH₂) como ánodo y gas hidrógeno (H₂) como cátodo. 

Durante la carga, el ánodo MgH₂ libera iones hidruro, que migran a través del novedoso electrolito hacia el cátodo, donde se oxidan para liberar gas hidrógeno.

El proceso se invierte durante la descarga, el gas hidrógeno en el cátodo se reduce a iones hidruro, a través de una reacción química, que se desplaza a través del electrolito hacia el ánodo, donde reacciona con Mg para formar MgH₂. La reacción de oxidación‑reducción (redox) hace que el ánodo cargado negativamente pierda electrones, los cuales fluyen a través de un circuito externo hacia el cátodo con carga neta positiva, entregando así energía a los sistemas conectados.

Esto permite que la celda de estado sólido almacene así como libere H₂ cuando sea necesario a temperaturas apenas por debajo del punto de ebullición del agua.

Usando esta celda, los investigadores alcanzaron la capacidad de almacenamiento teórica completa de MgH₂ en ciclos repetidos. La capacidad de 2 030 mAh por gramo es mucho mayor que la de las baterías de iones de litio, que oscila entre 154 y 203 mAh por gramo.

“Estas propiedades de nuestra batería de almacenamiento de hidrógeno eran previamente inalcanzables mediante métodos térmicos convencionales o electrolitos líquidos, ofreciendo una base para sistemas de almacenamiento de hidrógeno eficientes adecuados como portadores de energía.”

– Takashi Hirose, autor principal del estudio y profesor asociado en el Instituto de Investigación Química de la Universidad de Kioto (ICR)

Aunque la batería aún no está lista para su uso en nuestros artículos cotidianos, este es un avance en el almacenamiento de energía de hidrógeno a temperaturas mucho más bajas que antes, allanen el camino para baterías de hidrógeno más eficientes y fáciles de almacenar. 

Esto podría resultar en que las baterías de hidrógeno reemplacen las pesadas baterías de iones de litio, que se degradan y presentan una eficiencia reducida con el tiempo, en los automóviles eléctricos.

Además, al permitir el almacenamiento de hidrógeno sin necesidad de sistemas de alta presión, enfriamiento extremo o altas temperaturas de operación, este nuevo diseño de batería puede respaldar el uso del hidrógeno como fuente de energía verde y acelerar la transición continua hacia la energía limpia.

Los investigadores ahora planean desarrollar electrolitos sólidos y materiales de electrodos con mayor conductividad iónica. También trabajarán en diseños de dispositivos con temperaturas de operación más bajas y mayor eficiencia energética.

Inversión en la Tecnología de Baterías de Hidrógeno

Bloom Energy Corporation (BE ) se dedica al diseño y fabricación de pilas de combustible de óxido sólido (SOFC). Su sistema de pilas de combustible proporciona generación de electricidad in situ para la fabricación de semiconductores, centros de datos, grandes servicios públicos y otros sectores. Ha desplegado un total de 1,5 GW de potencia en más de 1.200 instalaciones a nivel mundial. 

La compañía tiene dos productos: el Bloom Electrolyzer para producir hidrógeno y el Bloom Energy Server para generar electricidad.

En cuanto al desempeño de mercado de Bloom, ha disfrutado de un rally masivo este año. Con un aumento del 391 % en lo que va del año, las acciones de BE alcanzaron un máximo histórico (ATH) de 125,75 $ este mes. Con ello, tiene un EPS (TTM) de 0,11 y un P/E (TTM) de 1 013,28.

Respecto a la posición financiera de la empresa, Bloom reportó ingresos de 401,2 millones $ en el segundo trimestre de 2025, un 19,5 % más que el mismo trimestre del año anterior. Su margen bruto fue del 26,7 % y su margen bruto no GAAP del 28,2 % mientras que su pérdida operativa fue de 3,5 millones $ durante este periodo.

“A medida que la generación de energía in situ se vuelve cada vez más evidente, dado el rápido crecimiento de la IA, nunca ha habido una mayor demanda del mercado para los productos Bloom. A diferencia de las alternativas, nuestros productos están diseñados específicamente para la revolución digital.”

– Fundador y CEO KR Sridhar

Después de colaborar con Oracle para proporcionar energía in situ a sus centros de datos de IA, Bloom Energy ahora se ha asociado con Brookfield (NYSE: BAM), que invertirá hasta 5 mil millones $ para desplegar su tecnología de pilas de combustible. Juntos, los dos están “creando un nuevo plano para alimentar IA a gran escala”.

Últimas Noticias y Desarrollos de Acciones de Bloom Energy Corporation (BE)

Conclusión

Con su alta eficiencia energética, alta densidad de energía y larga vida útil de ciclo, las baterías de iones de litio se han convertido en una opción popular para vehículos eléctricos así como para almacenamiento de energía. Pero, por supuesto, el clima frío representa un gran desafío para estas baterías, provocando una disminución de su capacidad y eficiencia. 

A medida que científicos y empresas de todo el mundo avanzan en diseños de baterías de próxima generación, el hidrógeno ha ido ganando terreno como portador de energía y combustible del futuro.

La nueva batería de hidrógeno con electrolito sólido marca un hito con su capacidad de almacenar y liberar hidrógeno a temperaturas extremadamente bajas, cuatro veces más frías que los modelos anteriores. Al permitir una operación estable y la capacidad teórica completa, este avance podría posibilitar la creación de baterías más densas y de mayor duración para EVs, mejorando significativamente su rendimiento en climas extremos.

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Referencias:

1. Cho, T. H., Chen, Y., Liao, D. W., Kazyak, E., Penley, D., Jangid, M. K., & Dasgupta, N. P. (2025). Habilitando carga rápida 6C de baterías de iones de litio a temperaturas bajo cero mediante ingeniería de interfaces y arquitecturas 3D. Joule, 9(5), 101881. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101881
2. Ruan, G., & Dahleh, M. A. (2025). Carga inteligente controlada por temperatura para vehículos eléctricos en climas fríos. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.01105
3. Lu, Z., Tu, H., Fang, H., Wang, Y., & Mou, S. (2024). Carga rápida óptima integrada y gestión térmica activa de baterías de iones de litio en temperaturas ambientales extremas. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.04358
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5. Liu, Z., Ma, Y., Khan, N. A., Jiang, T., Zhu, Z., Li, K., Zhang, K., Liu, S., Xie, Z., Yuan, Y., Wang, M., Zheng, X., Sun, J., Wang, W., Meng, Y., Xu, Y., Chuai, M., Yang, J., & Chen, W. (2025). Baterías recargables de gas litio‑hidrógeno. Angewandte Chemie International Edition, 64(7), e202419663. https://doi.org/10.1002/anie.202419663
6. Hirose, T., Matsui, N., Itoh, T., Hinuma, Y., Ikeda, K., Gotoh, K., Jiang, G., Suzuki, K., Hirayama, M., & Kanno, R. (2025). Almacenamiento de hidrógeno reversible y de alta capacidad usando electrolitos sólidos conductores de H⁻. Science, 389(6766), 1252–1255. https://doi.org/10.1126/science.adw1996