Los coches eléctricos utilizan baterías de iones de litio, pero no todas son iguales. Los tres principales tipos se denominan NCM, NCA y LFP. En este vídeo os explicamos qué significan estas siglas y analizaremos la estructura molecular para entender el porqué de sus diferentes propiedades. También explicaremos brevemente el funcionamiento básico de una batería. Este es el índice de contenidos:
00:00 ¿Me estás hablando en chino?
00:53 Aviso para los que ya tenéis conocimientos previos
01:13 Principios básicos de funcionamiento de una batería
05:04 ¿Qué hay en el ánodo?
05:34 ¿Qué hay en el cátodo?
06:24 Cobalto, un problema a evitar
08:15 Baterías LFP, la solución al cobalto
08:34 La afinidad del litio por el níquel y el hierro
09:06 La estructura molecular es clave
11:00 Soluciones para la menor densidad energética de las baterías LFP
11:54 La debilidad estructural de NCM conlleva problemas de seguridad
13:42 Voltaje constante en LFP, variable en NCM
14:55 Rendimiento a bajas temperaturas
16:52 Vida útil y degradación
17:41 Resumen de todo lo comentado
18:46 Últimas consideraciones, agradecimientos y despedida
Si quieres más información sobre la técnica del vehículo eléctrico, te recomendamos ver también este vídeo sobre los motores, verás cosas que no se cuentan en ninguna otra parte: https://www.youtube.com/watch?v=qkVy5KOZSzA
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Maniobras de esquiva ➡️https://www.youtube.com/playlist?list=PLrt8jdAATECUSFXiGsyO5pW_Nqqgnh3rH
Terapia 77 ➡️https://www.youtube.com/playlist?list=PLrt8jdAATECU3JNrFYNtovFfVMECBUQqe
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#baterias #pruebas77 #77retros #esquiva77
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05:34 ¿Qué hay en el cátodo?
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08:15 Baterías LFP, la solución al cobalto
08:34 La afinidad del litio por el níquel y el hierro
09:06 La estructura molecular es clave
11:00 Soluciones para la menor densidad energética de las baterías LFP
11:54 La debilidad estructural de NCM conlleva problemas de seguridad
13:42 Voltaje constante en LFP, variable en NCM
14:55 Rendimiento a bajas temperaturas
16:52 Vida útil y degradación
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🚗
MotorTranscripción
00:00Esto de aquí es un DFSK Celestress, es un vehículo de producción china que en
00:04muchos mercados se comercializa con una batería de tipo LFP, sin embargo aquí en
00:08España, por lo menos hasta donde yo sé, lleva una batería de tipo NCM y ahora es
00:13probable que muchos de vosotros, por lo menos algunos, os estéis preguntando pero
00:16qué demonios está diciendo este señor de baterías de tipo LFP y NCM, parece que
00:20me está hablando en chino. Bueno, chorradas aparte, vamos a ver en este
00:25vídeo qué son las baterías de tipo LFP, qué son las baterías de tipo NCM, cuáles
00:29son sus ventajas, cuáles son sus inconvenientes y cuáles son las causas
00:33que producen las diferentes propiedades que tiene cada tipo de batería. Yo creo
00:37que va a ser un vídeo interesante, así que os invito a que os quedéis con
00:40nosotros y sin más prolegómenos, comencemos.
00:53Antes de meternos en detalles, vamos con lo fundamental, la celda electroquímica.
00:57Aquellos que ya sepáis cómo funciona y os queréis soltar esta parte, que sepáis
01:01que en la descripción del vídeo tenéis un índice con la tabla de contenidos, con
01:04lo que vamos a ver a lo largo de los próximos minutos, los cuales también
01:07podéis ver posando el ratón en la línea de tiempo o el dedo en el caso de que
01:11estéis viendo el vídeo desde un teléfono móvil. Bien, dicho esto, en la
01:14naturaleza hay elementos como por ejemplo el litio que están deseosos de
01:17ceder, de compartir sus electrones, mientras que hay otros que están
01:20deseosos de recibir esos electrones. Lo que nosotros vamos a hacer con la celda
01:25electroquímica, con las baterías, es aprovecharnos de ese fenómeno para
01:28almacenar energía y utilizarla después en forma de electricidad cuando nos
01:32convenga. ¿Cómo conseguimos esto? Para empezar necesitamos una cosa que se llama
01:36electrón. En concreto necesitamos dos electrodos y a uno lo vamos a llamar
01:40ánodo y al otro cátodo. En el ánodo vamos a depositar, a acumular a ese litio
01:45que está deseoso de compartir su electrón, mientras que en el cátodo vamos
01:48a tener a ese otro compuesto, ese otro elemento que está deseoso de recibir al
01:52litio con su electrón. Más adelante en el vídeo veremos de qué están
01:56compuestos ánodo y cátodo. Bien, pues lo que vamos a hacer es poner en contacto
02:00ánodo y cátodo para que se produzcan las correspondientes reacciones, es decir,
02:04para que el litio que tenemos acumulado en el ánodo pase al cátodo y reaccione
02:09con los elementos que tenemos en el cátodo. Pero no lo vamos a hacer de
02:12cualquier manera, de hecho no vamos a poner en contacto directo ánodo con
02:15cátodo, sino que entre medias vamos a poner un separador, una especie de malla
02:20de filtro, que sólo permita el paso del litio única y exclusivamente si se
02:26separa de su último electrón. El litio tiene tres electrones, dos de ellos
02:30están muy próximos al núcleo, están muy fuertemente atraídos por el núcleo y de
02:34ahí no se van a mover, y luego tienen un tercer electrón en un orbital más
02:37alejado, que es el que va a utilizar para reaccionar con otras sustancias. Al
02:42desprenderse de ese tercer electrón, el litio pierde una carga negativa y por
02:46tanto se convierte en un ión cargado positivamente, es decir, en un catión. El
02:51catión litio ya sí que puede atravesar el separador y llegar al cátodo, pero
02:56sólo lo hará con la condición de que su electrón también pueda viajar al
03:00cátodo, y como no puede pasar a través de ese separador, lo que hacemos es crear
03:05un circuito externo, se pone un cable conductor que conecta ánodo con
03:09cátodo, por el que el electrón sí que puede desplazarse. Y es en ese circuito
03:14externo donde nosotros vamos a intercalar un aparato eléctrico, como un
03:18motor eléctrico, para hacer que el electrón pase por él, haga su trabajo y
03:22una vez haga su trabajo, ya sí le dejamos libre para continuar su camino
03:26hacia el cátodo. Importante, que no lo he comentado, para que el catión litio se
03:30pueda mover del ánodo al cátodo y del cátodo al ánodo, necesita un medio por
03:33el que desplazarse. Ese medio es lo que se conoce como electrolito y puede ser
03:37un líquido, un gel o un sólido. Si el electrolito es un sólido, estaríamos
03:41hablando de baterías en estado sólido, esas famosas baterías que prometen
03:45mucho pero que todavía tardarán en llegar al mercado. De todos modos, eso es
03:49harina de otro costal. Lo habitual hoy en día en los vehículos eléctricos
03:52modernos es tener en las baterías un electrolito líquido. Ese líquido, ese
03:56electrolito líquido no es agua, sino que es una solución de carbonatos
03:59orgánicos con alguna sal disuelta tipo hexafluorofosfato de litio. Pero bueno, lo
04:03importante es que ya tenemos el chiringuito montado. Tenemos el ánodo, el
04:07cátodo, el separador, el electrolito y el circuito exterior. Hay un flujo de
04:11electrones que va por el circuito exterior, un flujo de cationes de litio
04:14que va a través del separador y este flujo se da de forma espontánea
04:19siempre que tengamos el circuito exterior cerrado. Si abrimos el circuito,
04:22obviamente toda esa transferencia espontánea se corta, se para. Y esta
04:27transferencia continúa, sigue así hasta que digamos que los huecos, las
04:31posiciones para el litio en el cátodo se agotan. El cátodo ya no admite más
04:34litio, entonces se dice que la batería está descargada. Necesitamos cargar la
04:38batería si queremos volver a utilizarla. El problema es que el litio en el cátodo
04:42está muy cómodo, está muy feliz, entonces hay que obligar al litio a regresar al
04:46ánodo. Y eso se hace conectándolo con un chute de electricidad, conectando el
04:49coche a la red eléctrica. Entonces de esa manera hacemos eso, que el litio vuelva
04:53al ánodo y que volvamos a tener una batería dispuesta para ser utilizada
04:57cuando nos convenga. Y ese es el principio de funcionamiento básico de una
05:01electroquímica, de una batería. Ahora vamos a ir con un poco más de detalle.
05:05¿Qué tenemos en el ánodo? En el ánodo de los vehículos eléctricos actuales lo
05:10que tenemos es carbono. Carbono en formato de grafito, de coque de petróleo, pero al
05:15fin y al cabo un compuesto carbonoso. Esos átomos de carbono se organizan en
05:18láminas, en capas, y entre medio de esas láminas, de esas capas, se almacena el
05:23litio. Lo importante del ánodo es que sea capaz de almacenar la máxima cantidad
05:27de litio posible y que cuando el litio necesite escapar para viajar al cátodo
05:31escape sin ningún tipo de impedimento, con la mayor facilidad posible. Vamos con
05:35el cátodo, cuya química es la que da nombre a las baterías que estamos
05:38viendo hoy en este vídeo. En el cátodo es donde tenemos ese compuesto, ese
05:42elemento que está deseoso de recibir al litio y a su electrón e incorporarlos a
05:47su estructura. En los coches eléctricos modernos, al menos en los que se
05:50comercializan en Europa, lo que nos encontramos en el cátodo es un óxido de
05:53litio y níquel. Pero lo tenemos en, digamos, en dos sabores. NCM y NCA. NCM son
05:59las siglas de níquel, cobalto y manganeso, porque en ese cátodo, además de tener el
06:04óxido de litio y níquel, tenemos además un óxido de cobalto y un óxido de
06:07manganeso. Mientras que las NCA, que son las siglas de níquel, cobalto y
06:12aluminio, además de óxido de litio y níquel, tenemos un óxido de cobalto y un
06:15óxido de aluminio. Las baterías de tipo NCA son las que utiliza Tesla en sus
06:19modelos, mientras que las NCM son las que emplean prácticamente el resto de
06:23fabricantes. ¿Qué es lo que pasa con estas químicas, con la NCM y con la NCA?
06:26Pues que ambas utilizan cobalto, y el cobalto es un elemento con muy mala
06:30prensa. Las mayores reservas de cobalto se encuentran en la República
06:33Democrática del Congo y su minería va asociado a problemas económicos,
06:37medioambientales y humanos. Y además es caro, con lo cual es un elemento del cual
06:41los fabricantes están tratando de prescindir lo máximo posible. La cosa es
06:46que estas baterías de tipo NCM y NCA, que también se las denomina baterías
06:50ricas en níquel, necesitan cobalto para funcionar correctamente. En estas
06:54baterías el níquel es el elemento reactivo, el que reacciona con el litio, y
06:59cuanto mayor la proporción de níquel, mayor es la densidad energética. Es decir,
07:03cuanto más níquel hay en el cátodo, mayor cantidad de energía podemos
07:07acumular por unidad de masa. Lo que sucede es que el incremento de níquel en la
07:11estructura va asociado a un debilitamiento de ésta, porque los
07:14enlaces níquel-oxígeno son débiles. A lo largo de los años se ha comprobado que
07:18la mezcla con otros óxidos metálicos, como cobalto y envanganeso, ayudan a
07:22aliviar parte de esos problemas de estabilidad estructural y otros
07:25asociados a la naturaleza de compuesto no estequiométrico, que es el óxido de
07:29litio y níquel. Tener una estructura débil significa perder estabilidad en
07:33cada proceso de carga y descarga, y eso significa degradación y que la vida útil
07:37y la seguridad se ven afectadas negativamente. Si estáis metidos un poco
07:40en este mundillo de las baterías, habréis comprobado cómo, a lo largo de los años,
07:44los fabricantes de baterías NCM han ido afinando la composición del cátodo, han
07:48ido incrementando la proporción de níquel y disminuyendo la de cobalto,
07:51sin perder estabilidad estructural. Y hemos pasado de baterías NCM 532, en la
07:57que teníamos un 50% de níquel, un 30% de cobalto y un 20% de manganeso, a las
08:02baterías 622, hasta las actuales 811, en la que tenemos un 80% de níquel, un 10%
08:08de cobalto y un 10% restante de manganeso. Pero siguen teniendo cobalto y
08:12siguen teniendo problemas de estabilidad estructural, y aquí es donde entran en
08:16juego las baterías LFP. LFP son las siglas de litio, hierro y fosfato. En el
08:22cátodo de las baterías LFP lo que tenemos es fosfato de hierro y litio. No
08:27hay cobalto, no hay níquel. Así que, para empezar, nos ahorramos los problemas de
08:30extracción de estos dos metales, sobre todo el cobalto, pero también del níquel.
08:34El material activo en las baterías LFP es el hierro. Lo que pasa es que la
08:38actividad Redox de reducción-oxidación, que es como se llaman a las reacciones
08:42que se producen en la batería, en las baterías, es decir, de ganancia y de pérdida
08:46de electrones, como digo, la actividad Redox del litio con el hierro no es tan
08:50buena, no es tan grande, como la que tiene el litio con el níquel. Digamos que el
08:55litio con el hierro se llevan bien, son buenos compañeros de trabajo, pero con el
08:59níquel se va mejor. El níquel es su mejor amigo. Esto hace que las baterías LFP
09:04tengan un rendimiento inferior, pero no se trata únicamente de un tema de
09:08afinidad entre parejas Redox, sino que también está relacionado con la
09:12estructura que adoptan los compuestos en el cátodo. En las baterías
09:15NCM y NCA, en esas baterías ricas en níquel, los óxidos metálicos de los que
09:20hemos hablado se ordenan en capas, en láminas, más o menos como los átomos de
09:24carbono en el ánodo. Este tipo de disposición permite una difusión
09:28bidimensional del litio, es decir, que el litio que llega al cátodo puede
09:32integrarse fácilmente en esa estructura entrando por aquí o bien por aquí. Lo que
09:37tenemos en el caso de las baterías LFP es una estructura cristalina de tipo
09:41olivino. Es un tipo de estructura que, para lo que nos interesa en el vídeo de
09:45hoy, tenemos que quedarnos con que es más robusta y más estable que la
09:48estructura que adoptan los óxidos metálicos en las baterías NCM y NCA, pero
09:53que tiene el inconveniente de que limita mucho la capacidad del litio para entrar
09:56y salir de ella. Por la forma en la que se disponen los grupos fosfato y los
10:01óxidos de hierro y litio, se crean una especie de canales y el litio sólo puede
10:05entrar en estos canales por aquí, por este eje. Es una difusión que se llama
10:09monodimensional. En las baterías LFP, por tanto, el litio tiene menos movilidad.
10:15Además de menos movilidad, también hay menos espacio para el litio y ese es uno
10:20de los motivos por los que las baterías de tipo LFP tienen menos densidad
10:25energética. Esto, traducido a términos prácticos, significa que, para obtener
10:30unos determinados kilómetros de autonomía, son necesarios más kilos de
10:34batería LFP que de batería NCM o NCA. Por ejemplo, este Volkswagen ID.3 pesa
10:401.770 kilogramos, tiene una batería NCM 712 de 62 kilovatios hora y una autonomía
10:48homologada de 423 kilómetros. Si tuviera una batería de tipo LFP de la misma
10:54capacidad, el coche sobrepasaría de largo los 1.800 kilos y la autonomía sería la
10:59misma. Una de las formas que los investigadores han encontrado para
11:03aliviar, para mitigar parte de ese problema de la menor densidad de las
11:06baterías LFP es hacer que los componentes de la red cristalina sean
11:11más pequeños. Con ello se incrementa la superficie de contacto y se incrementa la
11:15difusión del litio. Hay más puntos de entrada y salida del litio para un mismo
11:19volumen. Pero las estructuras LFP no sólo tienen el problema, la desventaja de esa
11:24menor tasa de difusión del litio, sino también de su menor conductividad
11:28eléctrica. Y es que estas estructuras no son buenos conductores de los electrones
11:32y eso es indispensable para que se den las reacciones. Solución, utilizar
11:37recubrimientos de carbono en las partículas de la red de LFP y también se
11:41ha visto que se puede mejorar la conductividad dopando la red con algunos
11:45elementos como el magnesio. Con todo y con eso la densidad energética de las
11:48baterías LFP todavía no alcanza los valores que tienen las baterías NCM y
11:53NCA. Pero todo tiene su parte positiva y su parte negativa, porque sí, es cierto
11:58que las baterías NCM y NCA tienen mayor densidad energética y pueden dar más
12:02potencia, pero volvemos al tema de la debilidad estructural. Si recordáis os
12:07he dicho que los enlaces níquel oxígeno son débiles y eso significa que estas
12:11baterías liberan oxígeno con mayor facilidad que las LFP según la
12:14temperatura va subiendo. De tal manera que, por ejemplo, las baterías NCA
12:18comienzan a descomponerse y a liberar oxígeno a partir de unos 150 grados
12:23centígrados y cuando se descomponen emiten calor a una tasa de 940 julios
12:28por gramo, que es mucho. El resultado es que si por cualquier causa, por un
12:32accidente o por un mal funcionamiento extraño del sistema de refrigeración de
12:36la batería, la batería alcanza unas temperaturas muy altas, es muy probable
12:41que ésta explote y que tengamos entre manos una bola de fuego. Las NCM son un
12:47pelín más seguras, pero son las LFP las que aquí se llevan la palma porque
12:51tienen un límite mucho más alto. La unión del fósforo con el oxígeno es
12:55mucho más fuerte y las LFP soportan bien temperaturas de más de 270 grados
13:01centígrados. Además, en caso de llegar a la temperatura de descomposición, la
13:05emisión de calor es muy inferior de tan sólo 200 gramos por julio, 200 julios
13:10por gramo, perdón, y como la emisión de calor es menos violenta, la probabilidad
13:15de que haya una explosión es mucho más baja. Es decir, en pocas palabras, las
13:20baterías LFP son más seguras. Esa mayor estabilidad térmica y seguridad en caso
13:25de accidente permite reducir el peso de los componentes anejos, como el bastidor
13:30de protección y el sistema de refrigeración, de manera que a nivel de
13:34batería se puede recuperar un poco de esa desventaja de densidad energética
13:39que las LFP tienen a nivel de celda. Otra cosa curiosa de las baterías LFP es
13:44que el voltaje de las celdas se mantiene estable durante mucho más tiempo en los
13:48ciclos de carga y descarga, entre 3,1 y 3,3 voltios. Este fenómeno tiene que ver
13:53de nuevo con la estructura. La estructura de las baterías NCM y NCA se ve más
13:58afectada por los procesos de entrada y salida del litio. Estos cambios se van
14:02dando de forma progresiva y el voltaje va subiendo o bajando en concordancia. En
14:07las baterías LFP la estructura activa es mucho más estable y los procesos de
14:12inserción y desinserción del litio tienen menos impacto y, por tanto, hay
14:16menos cambios en el voltaje. Esta propiedad de mantener constante el
14:20voltaje durante una gran parte del ciclo de carga y de descarga tiene un
14:24pequeño inconveniente y es que en las baterías NCA y NCM el cálculo del
14:29estado de carga se suele medir en función del voltaje de las celdas y esa
14:33estrategia con las baterías LFP se vuelve más complicada porque, como he
14:37dicho, este voltaje no cambia según la batería se va descargando. Es decir, que
14:42en una batería LFP podemos tener la misma lectura de voltaje tanto si esta
14:47al 30% de carga como al 70% y al coche, por tanto, le va a costar discernir si
14:52tenemos la batería casi vacía o casi llena. Y dicho esto, vamos a hablar del
14:56rendimiento a bajas temperaturas de las baterías LFP. Aquí vemos un gráfico de
15:01rendimiento según la temperatura. Las barras azules representan a una batería
15:06NCM 622 y las rojas a una LFP. Como se observa, no hay mucha diferencia por
15:13encima de 0 grados centígrados, pero por debajo las LFP rinden mucho peor. Esto es
15:19debido, de nuevo, a la estructura molecular. En las LFP la tasa de difusión del
15:23litio es inferior y con el frío la situación empeora. Se puede mejorar el
15:29rendimiento con lo que ya he comentado de la reducción del tamaño de las
15:32partículas y los recubrimientos de carbono, pero lo realmente efectivo es
15:38utilizar un buen sistema térmico que mantenga las celdas a una temperatura
15:42idónea. En este nuevo gráfico podemos ver la diferencia de rendimiento entre
15:47una batería LFP sin modulación térmica, son las barras de color azul, y la misma
15:52batería con ese sistema de gestión de la temperatura, son las barras rojas. Como se
15:57aprecia, gracias a la modulación térmica, es decir, al sistema de gestión de la
16:01temperatura, el rendimiento de la batería LFP se mantiene prácticamente
16:06invariado en un rango de temperatura muy amplio. Probablemente hayáis visto por
16:10ahí algún vídeo en el que se muestran los problemas que tenían los primeros
16:14Tesla Model 3 fabricados en China, que venían con baterías LFP cuando se
16:18probaban en frío. Había problemas como autonomías bajas, problemas de lectura
16:23en el porcentaje de carga de la batería y potencias de recarga muy pequeñas,
16:26ridículas. A Tesla le gusta eso de utilizar a sus clientes como conejillos
16:32de pruebas, y muchos de sus clientes lo aceptan de buen grado, yo no lo entiendo,
16:36pero bueno, lo importante es que aparentemente, afortunadamente, esos
16:39problemas han quedado resueltos o al menos aliviados con una actualización de
16:43software que hace un mejor uso del sistema de climatización y mantiene las
16:48células a una temperatura más próxima a la óptima o en la óptima. ¿Y qué pasa con el
16:53tema de la vida útil? Pues que las baterías LFP tienen una vida útil más
16:57larga, y esto se debe a lo de siempre, a que tienen una estructura más robusta,
17:01pero también, en este caso, a que trabajan a menor voltaje. Es una diferencia
17:05pequeña, tan solo es 0,5 voltios menos, pero es lo suficiente como para que el
17:09medio en el que operan las NCA y NCM se degrade con mayor rapidez. Dicho esto, la
17:14vida útil de las baterías LFP se estima que supera los 1,6 millones de
17:19kilómetros por el medio millón, quizás un poco más de las NCM y NCA. Y otra
17:25ventaja de las LFP es que se degradan menos, es decir, que pierden menos
17:30capacidad de almacenamiento de litio con el tiempo. Y también con las LFP no
17:35hay esa preocupación de las cargas al 100% y la degradación, cosa que sí se
17:39da con las baterías de tipo NCA y NCM. Para cerrar este vídeo vamos a hacer un
17:43resumen y a mostrar unos números. Bien, ha llegado el momento de hacer un breve
17:47resumen. En este vídeo hemos visto las tres químicas más utilizadas en las
17:52baterías de iones de litio de los automóviles, NCM, NCA y LFP. La principal
17:59ventaja de la química NCM y NCA es su mayor densidad energética.
18:04Estas celdas son las que permiten almacenar más energía por unidad de
18:08masa. Por su parte, la química LFP es más estable, más segura y soporta mejor los
18:15ciclos de carga y descarga. Un factor muy importante que determina las diferentes
18:20características de estas químicas es la estructura que adoptan los compuestos en
18:25el cátodo, que tiene un efecto en la movilidad del litio. En este vídeo no
18:29hemos hablado de los costes ni de las reservas naturales de materia prima, pero
18:34en teoría la química LFP debería ser más económica y sufrir menos problemas
18:40de escasez de materiales. Otra cosa es que los fabricantes repercutan ese
18:45ahorro en el precio de venta del vehículo. En China es habitual encontrar
18:48baterías de tipo LFP en autobuses y en coches. Este DFSK es un ejemplo de ello si
18:53estuviéramos en China, pero ya sabéis que aquí, por lo menos en España y al
18:56menos de momento, lleva de tipo NCM. De todos modos, aquí en Madrid tenemos
19:00autobuses eléctricos urbanos que llevan baterías LFP, autobuses de la marca BYD.
19:05Y es cierto que este tipo de baterías a nivel de vehículo particular todavía no
19:11está muy extendido en Europa, pero lo irá haciendo a lo largo de los próximos
19:15años. De hecho, Tesla comercializa una de sus versiones del Model 3 con este tipo
19:19de batería con LFP y también Renault anunció hace un tiempo que su futuro
19:24Renault 5 eléctrico llevará también baterías LFP. En cualquier caso, yo lo que
19:29espero es que hoy hayáis aprendido algo más sobre baterías y que nos veamos en
19:33un próximo vídeo. Muchas gracias por estar ahí. ¡Hasta la próxima!