Las baterías de Fórmula 1, las olvidadas en la sombra

Las baterías de Fórmula 1, las olvidadas en la sombra

El mundo de las baterías puede parecer un ámbito en el que no puede haber grandes variaciones


Tiempo de lectura: 8 min.

El mundo de las baterías da la impresión de parecer un ámbito en el que no puede haber grandes variaciones en la Fórmula 1, donde las baterías de plomo y litio son los principales actores en diferentes vehículos. Sin embargo, debajo de la superficie se encuentra una fascinante variedad de diversas baterías de iones de litio, cada una de las cuales posee características y precios distintos. Las baterías de Fórmula 1, las olvidadas en la sombra, son en muchas ocasiones las protagonistas de los problemas de fiabilidad de algunos equipos, conozcamos su historia.

El viaje de las baterías de litio es relativamente corto, nacidas de los esfuerzos combinados de los mejores ingenieros de Estados Unidos, Reino Unido y Japón. Los frutos de su trabajo fueron reconocidos en 2019, cuando Stanley Whittingham, John Goodenough y Akira Yoshino recibieron el Premio Nobel, en representación de sus respectivos países, por su enorme innovación. Antes de profundizar en el ámbito de la variedad de baterías, tomemos un momento para comprender el funcionamiento interno de estos contenedores de energía.

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Una batería consta de un ánodo, el electrodo negativo, y un cátodo, el electrodo positivo, y ubicado entre ellos, reside el electrolito, generalmente en forma líquida. Durante el proceso de carga, los iones cargados positivamente fluyen desde el cátodo a través del electrolito hasta el ánodo, donde se almacenan hasta que la batería alcanza su carga completa. Simultáneamente, los electrones negativos viajan a través del circuito de carga desde el electrodo negativo al positivo.

Cuando llega el momento de descargar su energía, los electrones invierten su camino y fluyen a través del dispositivo que demanda la energía de la que dispone, como un motor eléctrico. Eventualmente, todos los iones se vuelven a través del electrolito de regreso al cátodo, lo que significa que la batería se ha agotado por completo. En el ámbito de las baterías de plomo ácido, el cátodo cuenta con una composición de dióxido de plomo, mientras que el ánodo está hecho de plomo metálico. El ácido sulfúrico sirve como electrolito en este caso.

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Por otro lado, las baterías de iones de litio comúnmente adoptan grafito como ánodo y emplean sal de litio como electrolito. Sin embargo, la diversidad emerge en las diversas composiciones de cátodo. Los contendientes predominantes son LFP (fosfato de hierro y litio) y NMC (cobalto de manganeso de níquel), aunque muchos otros compiten por el reconocimiento a medida que los avances en curso apuntan a mejorar el rendimiento, aunque sea mínima. El ánodo dicta en gran medida los tiempos de carga entre los dos electrodos, mientras que el cátodo influye principalmente en el rango y el coste de la batería.

En consecuencia, los cátodos han sido el punto principal del desarrollo, de ahí el predominio de las baterías LFP y NMC en el mercado actual. LFP, que es la abreviatura de fosfato de hierro y litio, ofrece una alternativa económica debido a la abundancia y estabilidad del suministro de litio, incluso en medio del aumento de los costes de los materiales. Por lo tanto, encuentra su lugar en vehículos eléctricos más asequibles como los producidos por MG, Hyundai y ciertos modelos básicos de Tesla, como el Tesla Model 3.

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NMC, un acrónimo que abarca níquel, manganeso y cobalto, representa los elementos que componen el cátodo en esta variante de batería. En particular, el cobalto tiene un estatus estratégico, ya que la mitad de las reservas mundiales residen en la República Democrática del Congo, donde las dudosas normas de seguridad y derechos humanos plagan las operaciones mineras artesanales responsables de extraer el 20 % del preciado recurso, y que juega un papel tan importante en este momento a nivel mundial.

El otro actor principal en este tipo de cátodo es China, que juega un papel fundamental en el procesamiento del mineral, representando casi la mitad de la producción mundial de este. El ámbito de los cátodos presenta una disparidad significativa entre NMC y LFP, con NMC que cuenta con un rendimiento superior a un costo elevado, lo que constituye el 62 % de los gastos de la celda. Para optimizar sus capacidades, la composición de NMC varía, una celda NMC 532, por ejemplo, contiene 50 % de níquel, 30 % de manganeso y 20 % de cobalto.

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Sin embargo, la tendencia actual gravita hacia NMC 811, que presenta un 80 % de níquel y reduce el manganeso y el cobalto a un mero 10 %. Por otro lado, los pioneros como Volkswagen profundizan en las químicas con alto contenido de manganeso, que ofrecen un rendimiento comparable al NMC 532 a expensas de la rentabilidad de las baterías LFP. Si bien los cátodos ocupan un lugar central en el desarrollo, los ánodos aún están intactos, con experimentos prometedores que involucran la incorporación de silicio en materiales de grafito que no tenemos que perder de vista.

Además, la exploración se extiende a químicas alternativas como el ion sodio, ya que la abundancia de sodio comienza a rivalizar con la eficiencia de las células LFP. Suficiente con la clase de química por hoy, examinemos los componentes que constituyen una batería. En su núcleo se encuentra la celda, típicamente cilíndrica y que se asemeja a una versión ligeramente ampliada de la conocida batería AA. Sí, esas que consideramos “las normales” al lado de “las pequeñas” que tenemos en el mando a distancia de nuestra Smart TV.

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Sin embargo, algunos fabricantes optan por celdas de bolsa, similares a pequeñas esferas, que consiguen las densidades de potencia y energía más altas respecto a su tamaño. Y por último, el último tipo que os voy a nombrar, las celdas prismáticas, toman la forma de bloques rectangulares, aunque su presencia en aplicaciones automotrices es rara, ya que por su construcción suelen ir orientadas a aplicaciones estacionarias. Independientemente de su geometría, estas celdas están interconectadas en módulos que, a su vez, se unen para formar una batería completa.

Por ejemplo, el Tesla Model S consta de 16 módulos, cada uno de los cuales alberga 444 celdas. Los módulos están conectados en serie, lo que da como resultado una batería que comprende 7104 celdas y cuenta con una capacidad de casi 90 KWh. Las diferentes configuraciones de conexiones en serie y en paralelo en varias baterías dictan el voltaje y la capacidad. Los componentes restantes de una batería tienen una enorme importancia. En primer lugar, el sistema de refrigeración asume un papel fundamental en el mantenimiento de unas condiciones de temperatura óptimas para el funcionamiento de la batería.

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Mientras que los coches de carretera generalmente dependen de una mezcla de agua y glicol, las baterías de alto rendimiento pueden sumergirse en aceite dieléctrico para reducir su peso. Una batería sobrecalentada sufre de ineficiencia y corre el riesgo de un desbordamiento térmico, lo que en palabras llanas significa que puede llegar a provocar incendios. Por último, nos encontramos con el sistema de gestión de batería (BMS), una intrincada combinación de electrónica y software.

Este sofisticado sistema recopila datos de cada celda, asegurando el equilibrio de voltaje, carga y temperatura entre ellas, además de monitorear aspectos críticos para la seguridad. Tras ello, el software transmite información sobre el estado de carga y la salud al sistema de distribución de energía, que determina la ruta de conducción eléctrica dentro de la batería. En esencia, mientras que la batería de iones de litio que alimenta su linterna comparte similitudes con su contraparte en un monoplaza de Fórmula 1, representa un ejemplo simplificado de un dispositivo de almacenamiento de energía extraordinariamente complejo que se puede desarrollar.

Y puede que penséis, con parte de razón, que os he hablado de todas las baterías actuales, pero no he hablado en absoluto de la Fórmula 1. Bien, la Fórmula 1 es, y ha sido, el escaparate tecnológico del que se ha extraído tecnología que ha acabado en los coches de calle. Obviamente, el viaje tecnológico no es rápido, estas tecnologías tardan años en llegar al Ford Fiesta (bueno, no, que lo han hecho desaparecer), pero el coche que conducimos tardará en implementarse 10 años al menos.

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Esa lucha en pista mantiene a un gran grupo de ingenieros experimentando con las baterías, probando las distintas composiciones de baterías e investigando para conseguir la batería más eficiente y más fiable que les dé la victoria hoy. Y eso, finalmente, llegará a nosotros en forma de eléctricos más eficientes, esperemos que con menor peso, y con mejores prestaciones. Todo ello sin sacrificar la autonomía de lo que, para nosotros, los que nos hemos criado admirando a Sir Colin Chapman, es el parámetro más importante en un coche apetecible.

Se desconoce la composición de las baterías actuales de los monoplazas de Fórmula 1, pero podrían estar jugando un papel fundamental en las victorias de Red Bull, debido a su distribución y composición puede tomar un papel fundamental. Bien sea en el reparto de pesos, en su forma de descargar toda su energía, o simplemente darles ese punto más de fiabilidad, puede decidir a día de hoy el destino de un equipo. Está claro que la aerodinámica a día de hoy es algo crucial en la competición, pero, poco a poco, la gestión toma un papel protagonista en la Fórmula 1, y cada década que pasa asumimos más la tendencia de la lucha de ingenieros, y no de pilotos.

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Sobre mí

Francisco Javier Rodriguez

En la época en la que pasaba el día dibujando coches, alguien me preguntó: ¿pero a ti te gusta más la mecánica o la carrocería de los coches? Esa misma semana leí el Manual del Automóvil de Arias Paz. Tenía 14 años, esa simple pregunta es la razón por la que estoy aquí, desde entonces no he parado de aprender sobre lo que se convirtió en mi pasión.

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