La ciencia detrás del desarrollo y uso de las baterías en la F1

Para mucha gente, una batería es una batería. Pueden diferenciar entre las baterías de plomo-ácido que se encuentran en la mayoría de los coches de carretera y las baterías de litio de los vehículos eléctricos de batería y también de los coches de Fórmula 1, pero pocos se dan cuenta de que realmente hay muchos tipos diferentes de baterías de iones de litio, cada una con unas características y unos costes distintos.

La historia de las baterías de litio es relativamente reciente y es el resultado del trabajo realizado de forma conjunta en Estados Unidos, Reino Unido y Japón. Así se reconoció en 2019, cuando se le dio el premio Nobel a Stanley Whittingham, John Goodenough y Akira Yoshino, procedentes de esos tres países respectivamente.

Antes de hablar de los diferentes tipos de batería, merece la pena echar un vistazo rápido a cómo funciona una batería, ya que eso indicará por qué se han desarrollado diferentes tipos de batería.

Básicamente, una pila consta de un ánodo (que es el electrodo negativo) y un cátodo (que es el electrodo positivo). En medio hay un electrolito, normalmente líquido. Durante la carga, los iones cargados positivamente fluyen desde el cátodo a través del electrolito hasta el ánodo. Allí se almacenan y, cuando ya no pueden almacenarse más, la pila está completamente cargada. Los electrones de carga negativa fluyen del electrodo negativo al positivo a través del circuito de carga. Durante la descarga ocurre lo contrario, los electrones fluyen a través del dispositivo que necesita energía, el motor eléctrico en nuestro caso. Cuando todos los iones han retrocedido a través del electrolito hasta el cátodo, la batería está completamente descargada.

En una batería de plomo-ácido, el cátodo es de dióxido de plomo y el ánodo es de plomo metálico. El electrolito es ácido sulfúrico. En una batería de iones de litio, el ánodo suele ser de grafito y el electrolito suele ser sal de litio, pero los cátodos pueden ser diferentes en las distintas baterías. Los dos tipos de cátodos más comunes son el LFP y el NMC, aunque hay muchos otros que compiten por tener esa popularidad, ya que es en este aspecto donde se están llevando a cabo muchos desarrollos para mejorar el rendimiento.

De los dos electrodos, el ánodo es el principal responsable de los tiempos de carga y el cátodo tiene más que ver con la autonomía, pero también influye mucho en los costes. El cátodo, por lo tanto, ha sido el centro del desarrollo y de ahí que la mayoría de las baterías que se utilizan actualmente sean LFP o NMC. LFP es el acrónimo de fosfato de hierro y litio.

Aunque los precios del litio han aumentado considerablemente en los últimos dos años, se trata de un material cuya oferta no preocupa a largo plazo. Por eso, incluso con el aumento de costes de la materia prima, una batería de LFP es notablemente más barata que una de NMC, y por esa razón está en algunos de los vehículos eléctricos de batería más baratos del mercado y también en las variantes básicas de Tesla.

NMC son las siglas de níquel, manganeso y cobalto y, como es lógico, esos elementos componen el cátodo de ese tipo de baterías. El cobalto se califica como un material estratégico porque el 50% de las reservas del planeta se encuentran en la República Democrática del Congo, donde el 20% se extrae en minas artesanales con dudosas reglas de seguridad y derechos humanos. Gran parte del procesamiento del mineral se realiza en China, que acapara casi la mitad de la producción mundial.

La batería de un coche de F1 sigue siendo parte integrante de la era de los motores turbohíbridos.

Los cátodos de NMC son bastante más caros que los de LFP, ya que los costes de material suponen el 62% del coste de la célula, pero ofrecen un rendimiento notablemente superior. Por ello, las proporciones exactas de NMC varían. Una célula NMC 532 contiene un 50% de níquel, un 30% de manganeso y un 20 de obalto. La tendencia actual es utilizar NMC 811, que tiene un 80% de níquel y sólo un 10% de manganeso y cobalto. Otros fabricantes, como Volkswagen, están buscando productos químicos con alto contenido en manganeso que, según se cree, ofrecen las prestaciones de la NMC 532 al coste de las pilas LFP.

Aunque el desarrollo se centra en los cátodos, también se está experimentando con los ánodos y la adición de silicio al material de grafito parece prometedora. También se está prestando bastante atención a otras soluciones químicas, como la de iones de sodio. El sodio es abundante y empieza a cuestionar la eficacia de las pilas LFP.

Y hasta aquí la "tan aburrida" química, pero ¿qué es una batería? El primer nivel es la célula propiamente dicha. Suelen ser cilíndricas y se asemejan a una versión ligeramente sobredimensionada de la pila AA que todo el mundo conoce.

Algunos fabricantes prefieren las pilas de petaca, que se asemejan a un pequeño sobre y tienen las mayores densidades de potencia y energía a nivel de célula. El último tipo son las pilas prismáticas, que tienen forma de bloque rectangular pero no son habituales en la automoción.

Las celdas, sean de la geometría que sean, se conectan en grupos llamados módulos y éstos se conectan entre sí y se alojan en lo que llamaríamos una batería. El Tesla Model S tiene 16 módulos, cada uno de los cuales contiene 444 celdas. Los módulos están conectados en serie, por lo que una batería contiene 7.104 celdas que crean una capacidad de algo menos de 90 kilovatios hora (KWh). Entre diferentes baterías, las distintas configuraciones de las conexiones en serie y en paralelo pueden determinar el voltaje y la capacidad de la misma.

Las últimas piezas que componen una batería son extremadamente importantes. Una es el sistema de refrigeración, que debe mantener la batería a la temperatura óptima para su uso. En los coches de carretera suele ser una mezcla de agua y glicol, pero las baterías de alto rendimiento pueden utilizar la inmersión en un aceite dieléctrico para reducir el peso. Por otro lado, es evidente que una batería que se sobrecalienta no sólo es ineficaz, sino que puede sufrir un escape térmico y, por consiguiente, un incendio.

Por último, tenemos el sistema de gestión de la batería o BMS. Se trata de un sofisticado sistema electrónico y de software que recopila todos los datos de cada celda y se asegura de que estén equilibradas en cuanto a tensión, carga y temperatura.

También controla los aspectos críticos de seguridad. El software transmite información sobre el estado de carga y de salud al sistema de distribución de energía, que determina la ruta de conducción eléctrica a través de la batería.

Así que, aunque en esencia la batería de iones de litio de tu linterna es una prima cercana de la de un coche de Fórmula 1, es un simple ejemplo de lo que puede convertirse en un dispositivo de almacenamiento de energía extremadamente sofisticado.

La tecnología de las baterías seguirá siendo una parte vital de los cambios en el reglamento de motores de la F1 a partir de 2026