En Fórmula Uno

Cómo funcionan las baterías de litio

He aquí un análisis técnico sobre el sistema de almacenamiento de energía. Los motores Turbo V6, complejos en su interior, guardan un gran potencial idóneo para la mejor categoría del mundo. Sin embargo, muchas de las explicaciones sobre su funcionamiento se centraron en el ERS (Energy Recovery System), y los sistemas que lo componen, aunque se dejó casi de lado a un elemento clave: las baterías.

M&T Gentileza Caranddriver /JM Díaz Olmo

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Desde que la Federación Internacional del Automóvil (FIA), potenció el uso de nuevas tecnologías para permitir que la actual Fórmula 1 sea más ecológica y sostenible, muchos se explayaron sobre cómo funcionan el Sistema ERS. Pero claro, se dejó de lado a uno de los elementos que más desarrollo futuro tiene y que sin él sería imposible esta tecnología. obviamente se trata de las baterías.

El concepto de batería en la F-1 es bastante más complejo de lo que se supone. La mayoría piensa en un contenedor más o menos pequeño, similar al usado en nuestros autos que suministra la energía cuando es necesaria, pero no es así. Si se tuviera que buscar algo similar en la tecnología actual, habría que hacerlo en las baterías de los celulares y otros ingenios miniaturizados, que en las utilizadas por nuestros vehículos de calle.

Lo que habitualmente se entiende como batería o unidad de almacenamiento de energía, es un complejo sistema formado por varios elementos: El conjunto de celdas que forman la batería, el convertidor (también llamado inversor) y por último un imprescindible sistema de refrigeración. Iremos por partes para describirlos uno a uno.

En Fórmula 1

La misma es la encargada de almacenar la energía obtenida por los sistemas de recuperación de energía que forman el ERS. El MGU-K (unidad de recuperación cinética, lo que fue el antiguo KERS) se encarga de obtener por normativa hasta 2 MJ por vuelta, aunque la FIA permite gastar hasta 4 MJ para impulsar el automóvil. Esa divergencia la resuelve el MGU-H (Unidad de recuperación de calor que está conectada al turbocompresor), puesto que puede recuperar y gastar lo que quiera, sin límite alguno.

En los terminales de la batería el voltaje es muy alto, estando limitada a 1.000 voltios con una intensidad de corriente eléctrica de decenas de amperes. Por lo tanto es un sistema de alta potencia, y la batería tiene que tener suficiente capacidad para poder usar los dos sistemas simultáneamente.

Hacer las baterías cada vez menos pesadas, pero más pequeñas y potentes, es el gran desafío del futuro. Las actuales tienen que tener —por motivos de seguridad— una estructura unitaria, es decir no puede haber varios núcleos repartidos a lo largo del auto y su peso debe de estar comprendido entre los 20 kgrs. del mínimo permitido y los 25 kgrs. del máximo.

A pleno rendimiento es capaz de descargar la energía suficiente para que el ERS genere aproximadamente unos 160 CV de potencia. Por su tamaño, los ingenieros posicionan la batería debajo del depósito de combustible. Esta pieza es un lastre muy grande, de allí que cuanto más cerca del piso sea colocada es mejor, puesto que facilita su extracción pero sobre todo, mejorando el centro de gravedad.

Ventajas e inconvenientes

El litio es el sólido más ligero que existe haciendo que los dispositivos creados con él, sean menos pesados en comparación a otros materiales. No obstante, su utilización no se basa sólo en un tema de peso, sino que refiere a la densidad de energía que va asociada a él o lo que es lo mismo, la cantidad de energía que puede acumularse por unidad de masa o de volumen. Cuanto mayor sea la densidad energética, mayor será la cantidad de energía disponible para almacenar por kilogramo o litro de batería. Así por ejemplo, una batería puede almacenar 125 Wh/kg (vatios por hora y kg) y una eficiencia energética del 90%, mientras que la usada en nuestro vehículo —que están hechas de plomo/ácido—, tan sólo son capaces de almacenar 40 Wh/kg.

En comparación con las baterías tradicionales, los acumuladores de iones de litio se cargan más rápido, duran más y tienen una densidad de potencia más alta ofreciendo unas baterías más livianas con una mayor duración, pero no se quedan ahí las ventajas.

Este tipo de baterías, sólo puede perder en el peor de los casos, un 5% de su energía acumulada frente al 20% de otras. No tienen lo que se denomina efecto memoria, un problema que afecta a las baterías corrientes y que consiste en que, si no se descargaron completamente, sólo podrán recargarse hasta un límite, en las de ión litio no sucede eso, pueden soportar cientos y cientos de ciclos de carga y descarga sin que se vea afectado su rendimiento.

La F1 actual aprovecha todas estas ventajas pero, como siempre ocurre, existen algunos inconvenientes: Esta tecnología dista de ser un sistema perfecto para el almacenaje de energía, pues tiene varios defectos. La duración media es menor, soportan un número limitado de cargas (entre 300 y 1000), menos que una batería de Ni-Cd pero suficiente para la vida útil estimada de las usadas en las nuevas Unidades de Potencia (en adelante UP), las cuales deben durar como mínimo cinco carreras de media si los equipos no quieren ser sancionados. Son costosas de fabricar en comparación con otros materiales, pero sobre todo la temperatura las afecta y ese es uno de los aspectos que más preocupa a los ingenieros de la F-1.

Igualmente las baterías trabajan mejor con un estado de carga concreto, que se vigila cuidadosamente. Es necesario cargar y mantener la batería en una limitada ventana de funcionamiento; esto permite precargar la batería antes de una sesión, pero no durante ella pues está prohibido. La batería de los autos de F-1 también puede llevarse rápidamente a un estado de carga concreto mediante la vuelta de salida de los de boxes.

Llegados a este punto, sería conveniente seguir adelante con el sistema de almacenamiento. Además de las celdas de ion-litio, la batería cuenta con un sistema electrónico para gestionar el estado de cada una de las celdas, del conjunto de ellas y otros parámetros del funcionamiento de la UP.

Vital: la temperatura

Uno de los factores que más intervienen a la hora de evaluar las prestaciones que da una batería de ión-litio es la temperatura. Ya sean altas como bajas, los ingenieros de la F-1 trabajan duro para conseguir el máximo de ellas. Si hace frío es malo ya que reducen su eficacia y duración hasta en un 25%, pero si hace mucho calor, peor aún: la batería puede llegar a descargarse totalmente. A más calor, menos energía acumulada. Por lo tanto la refrigeración es crítica.

 

Las de ión-litio

Este tipo de batería está compuesta de una determinada cantidad de celdas de ion-litio y cada celda es una pila en sí. Su estructura se asemeja a un sandwich pero siguiendo un patrón. Por un lado tienen una fina capa de grafito que hace las funciones de ánodo, una capa porosa que permite el tránsito de electrones por ella a la vez que actúa de barrera de separación y por último el cátodo que suele ser el gran diferenciador en este tipo de tecnología.

El material utilizado es muy variado siendo los más comunes el cobalto, manganeso, fosfato de hierro u otros metales. En los autos eléctricos, el material más utilizado es el NMC que una mezcla de níquel, manganeso y cobalto. Pero falta algo, el electrolito. El nombre de este tipo de baterías (ión-litio) viene dado por el material utilizado como electrolito que funciona como conductor y que, casi siempre, es un líquido basado en sales de litio.

Si estas tres capas finas humedecidas con electrolito la estiramos, comprimimos, enrollamos y la metemos en una cápsulas diferenciando las capas para dar salida a la polaridad, ya tenemos una celda lista.

La cantidad de electricidad suministrada es pequeña en comparación con las exigencias previstas pero si unimos en serie muchas celdas, 85 en concreto para un coche eléctrico de calle, o 160 para un Formula E, ya tenemos una batería. El número de celdas necesarias para “alimentar” un F1 es una incógnita, los equipos se guardan bien de revelar no sólo su número, que varía dependiendo de las prestaciones que se quiera conseguir (más o menos tensión, intensidad y potencia) sino también su composición.