Describen cómo crece el litio átomo a átomo en baterías sin ánodo

La transición hacia baterías sin ánodo —sistemas en los que el litio se deposita directamente sobre el colector de corriente en cada ciclo de carga, sin un electrodo prefabricado— es uno de los principales desafíos del almacenamiento electroquímico de energía. Hasta ahora, la falta de una descripción detallada de cómo se forma el litio átomo a átomo ha limitado el diseño racional de estos sistemas.

Una colaboración formada por la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), la Universidad de Surrey (Reino Unido) y el Centro Suizo de Electrónica y Microtecnología (CSEM) ha dado un paso decisivo al describir con resolución atómica cómo se deposita el litio sobre distintos metales en baterías de litio de cero exceso (ZELBs).

Mediante simulaciones de dinámica molecular a gran escala apoyadas en modelos de inteligencia artificial entrenados con cálculos cuánticos, los investigadores reconstruyeron la transición del litio desde un estado desordenado hasta su cristalización en la estructura metálica estable, sobre capas intermedias de zinc (Zn), magnesio (Mg) y bismuto (Bi). El trabajo, publicado en Advanced Energy Materials, identifica además etapas intermedias del crecimiento, incluidas fases cristalinas metastables que hasta ahora se conocían solo de forma limitada.

Una estrategia para controlar el crecimiento del litio

Las baterías de litio-metal ofrecen una capacidad energética teórica hasta diez veces superior a la de las baterías de iones de litio convencionales, pero su aplicación práctica está limitada por la formación de dendritas —filamentos metálicos ramificados que pueden causar cortocircuitos e incendios— y por la acumulación de litio inactivo, que reduce su vida útil.

Las ZELBs abordan estos problemas eliminando el ánodo de litio prefabricado: el litio se deposita directamente sobre el colector de cobre durante cada ciclo de carga, aunque este proceso tiende a ser irregular.

El estudio muestra que la introducción de capas intermedias ultrafinas de zinc o magnesio entre el cobre y el litio favorece un crecimiento más uniforme. “Estas capas actúan como una superficie de nucleación que guía la deposición ordenada del litio y pueden reducir la formación de dendritas”, explican los autores. El bismuto, en cambio, resulta perjudicial: forma una aleación (Li₃Bi) incompatible con la capa metálica subyacente, lo que genera grietas y problemas de adherencia.

Estos hallazgos permiten establecer criterios de diseño para seleccionar materiales que favorezcan una deposición estable y descartar los que la comprometen, con potencial aplicación en baterías más seguras y duraderas para vehículos eléctricos, dispositivos portátiles y sistemas de almacenamiento de energía renovable.

Simulación y experimento, en concordancia

El núcleo del trabajo es computacional. El equipo empleó simulaciones de dinámica molecular que reproducen el movimiento de miles de átomos durante intervalos de nanosegundos. Para ello, desarrollaron un potencial interatómico basado en aprendizaje automático (MLIP), ajustado con cálculos de teoría del funcional de la densidad (DFT) para las interfaces de litio con cobre, zinc, magnesio y bismuto. “Este enfoque combina la eficiencia de las simulaciones clásicas con la precisión de la mecánica cuántica, lo que permite acceder a escalas espaciales y temporales difíciles de abordar con métodos tradicionales”, señalan los investigadores.

Las predicciones se validaron mediante la fabricación de capas metálicas de aproximadamente 1 μm sobre colectores de cobre por evaporación térmica en vacío. Posteriormente, el litio se depositó electroquímicamente y se caracterizó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos X (XRD), microscopía de fuerza atómica (AFM) y análisis ToF-ERDA. “La concordancia entre simulaciones y experimentos se observa de forma consistenteen todos los sistemas analizados”, subrayan los autores. El trabajo se centra en las etapas iniciales de deposición del litio, un proceso clave que condiciona el comportamiento posterior de la batería.

Hacia un diseño racional de baterías sin ánodo

El estudio proporciona un marco completo a escala atómica que describe las fases del litio —desde estados amorfos iniciales hasta la estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC) estable— y cómo las capas intermedias modifican este proceso. Los resultados abren además nuevas líneas de investigación, entre ellas el uso de capas compuestas por varios metales que combinen de forma sinérgica sus propiedades.

Los autores concluyen que “la elección del material intermedio no es un aspecto secundario, sino un factor determinante para lograr baterías ZELBs estables durante cientos o miles de ciclos de carga y descarga”.

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Referencia bibliográfica:

Xavier, N.F. Jr., Rospars, N., Srout, M., Sharpe, M.K., Hernández-Martín, P., McAleese, C.D., Krishnamurthy, S., Chen, T., Polop, C., Ingenito, A. & Cai, Q. (2026). Atomistic Insights Into Lithium Alloying and Crystallization at Metal Interlayers in Zero-Excess Lithium Batteries. Advanced Energy Materials, 0, e70973. https://doi.org/10.1002/aenm.70973

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