סוללות קריוגניות הן סוג של מכשיר לאחסון אנרגיה שתוכנן במיוחד כדי לשמור על ביצועים אלקטרוכימיים טובים בסביבות-טמפרטורות נמוכות. הם שואפים להתגבר על האתגרים של דעיכה בקיבולת, הפחתת הספק, ואפילו תקלה בסוללות קונבנציונליות בתנאים קרים. עם הפיתוח המתמשך של מחקר מדעי הקוטב, בדיקה תעשייתית באזורים -בגובה ובאזורים קרים, חילוץ חירום בחורף ותעופה וחלל, החשיבות של סוללות קריוגניות הולכת ונעשית טכנולוגיית אנרגיה מרכזית התומכת בפעולות בסביבות קרות במיוחד.
כאשר הטמפרטורה של סוללות ליתיום- קונבנציונליות יורדת מתחת לאפס מעלות צלזיוס, צמיגות האלקטרוליטים עולה באופן משמעותי, קצב נדידת היונים פוחת, ועכבת ממשק האלקטרודות עולה, מה שמוביל לירידה חדה בקיבולת השימושית ולירידה ברמת הפריקה. במקרים חמורים עלולה להתרחש נפילת מתח פתאומית, המונעת את התחלת העומס. סוללות קריוגניות, באמצעות אופטימיזציה של מערכות חומרים וחדשנות מבנית, מפחיתות או מבטלות ביעילות את ההשפעות השליליות הללו, ומאפשרות להן להפיק אנרגיה חשמלית יציבה יחסית בטמפרטורות מתחת ל-10 מעלות צלזיוס או אפילו נמוכות יותר.
ברמת החומרים, שיפור הליבה של סוללות קריוגניות מתמקד בתאימות -לטמפרטורה נמוכה של האלקטרוליט והאלקטרודות. חוקרים משתמשים לעתים קרובות במערכות ממסים בעלות נקודות הקפאה נמוכות ומוליכות יונית גבוהה, כגון ממיסים מעורבים של אתילן קרבונט ואסטרים ליניאריים, או מכניסים נוזלים יוניים ותוספים אורגניים בנקודת -התכה- נמוכה, כדי להוריד את נקודת הקיפאון של האלקטרוליט ולשמור על מוליכות בטמפרטורות נמוכות. במקביל, אופטימיזציה של ריכוז מלח ליתיום ותוספים פונקציונליים יכולים לדכא ציפוי ליתיום בטמפרטורה-נמוכה ותגובות לוואי של הממשק, ולשפר את יציבות המחזור. לגבי חומרי אלקטרודות, נעשה שימוש בגודל ננו-, סימום וציפוי פני השטח כדי להאיץ את קצבי העברת המטען בטמפרטורות נמוכות ולהפחית את הקיטוב, ובכך לשמור על קיבולת פריקה גבוהה וביצועי קצב בתנאים קרירים.
במונחים של עיצוב מבני, סוללות בטמפרטורה-נמוכה משלבות לעתים קרובות ניהול תרמי ואמצעי בידוד כדי לשפר את יכולת ההסתגלות לסביבה. לדוגמה, חומרים לשינוי פאזה או סרטי חימום גמישים ממוקמים בין תאים כדי לחמם מראש את הסוללה לפני ההפעלה או בהפסקות, מה שמאפשר לה להגיע במהירות לטווח טמפרטורת הפעולה המתאים; המעטפת החיצונית משתמשת בחומרים מרוכבים מוליכות תרמית נמוכה כדי להפחית את חדירת הקור החיצוני ולהאריך את זמן הבידוד. חלק מהפתרונות גם מקשרים את מערכת החימום עם מערכת ניהול הסוללה (BMS), תוך התאמה דינמית של כוח החימום על סמך משוב טמפרטורה כדי לאזן בין צריכת האנרגיה ויעילות החימום.
מבחינת ביצועים, סוללות קריוגניות באיכות-גבוהה יכולות לשמור על יותר מ-70% מהקיבולת המדורגת שלהן בטמפרטורות נמוכות כמו -20 מעלות או אפילו נמוכות יותר, תוך שהיא בעלת קצב הפריקה הדרוש כדי לעמוד בדרישות האתחול והעומס המתמשך. יכולת האתחול שלהם בטמפרטורה נמוכה קריטית במיוחד, ומונעת "כיבוי הקפאה" שעלול להוביל להפרעות במשימה או לתקלות בציוד. תכנון בטיחות חייב להתמודד בו זמנית עם האתגרים של תנאי קריאוגניים וחימום כאחד, להבטיח שתהליך החימום לא יגרום להתחממות יתר מקומית או סיכוני בריחת תרמית.
סוללות קריוגניות כבר יושמו במחקר מדעי קוטבי, בדיקת קו מתח גבוה ב-גובה בתנאים קרירים, סיוע באסונות חורף, סקרי רמות ותעופה וחלל, מה שמרחיב משמעותית את חלון התפעול של ציוד ומערכות בתנאי קור קיצוניים ומשפר את המשכיות המשימה ויכולות רכישת הנתונים. עם התקדמות מתמשכת של מדעי החומרים וטכנולוגיית ניהול תרמי, סוללות קריוגניות צפויות להשיג אספקת אנרגיה אמינה ויעילה ביותר על פני טווח טמפרטורות רחב יותר, לספק תמיכה אנרגטית מוצקה לפעולות חכמות ופיתוח משאבים בסביבות קרות.
