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Principe de la batterie à semi-conducteurs

1990
Assemblage de batteries à l'état solide dans un laboratoire de technologie des matériaux.

(generate image for illustration only)

Solid-state batteries replace the liquid or polymer gel electrolyte of conventional batteries with a solid, ion-conducting material, such as a ceramic or solid polymer. This design aims to improve safety by eliminating flammable liquid electrolytes and to increase energy density and durée de vie by enabling the use of high-capacity anodes, particularly pure lithium metal.

The core innovation of a solid-state battery is the solid electrolyte. This component must fulfill the challenging dual role of being an excellent conductor for ions while being a perfect electrical insulator to prevent internal short circuits. Researchers are exploring several classes of materials, including inorganic crystalline ceramics (e.g., garnet-type LLZO – Li₇La₃Zr₂O₁₂), amorphous glassy ceramics, and solid polymers.

La principale motivation est la sécurité. Les batteries lithium-ion conventionnelles utilisent des électrolytes liquides organiques inflammables, susceptibles de fuir et de s'enflammer en cas de dommage ou de dysfonctionnement, phénomène connu sous le nom d'emballement thermique. Un électrolyte solide et ininflammable atténue intrinsèquement ce risque. Au-delà de la sécurité, l'électrolyte solide est un élément clé des matériaux d'anode de nouvelle génération. L'anode ultime est le lithium métal pur, qui offre la densité énergétique théorique la plus élevée. Cependant, dans les électrolytes liquides, le lithium métal a tendance à former des structures en forme d'aiguilles appelées dendrites pendant la charge. Ces dendrites peuvent se développer à travers le séparateur, court-circuiter la cellule et provoquer un incendie.

Un électrolyte solide mécaniquement robuste peut agir comme une barrière physique, empêchant la croissance de dendrites et permettant l'utilisation sûre d'une anode en lithium métal. Cela pourrait conduire à des batteries présentant une densité énergétique nettement supérieure (autonomie accrue pour un véhicule électrique) et une durée de vie plus longue. Les principaux défis restent à relever : obtenir une conductivité ionique élevée à température ambiante, maintenir des interfaces stables entre l'électrolyte solide et les électrodes lors des variations de volume, et développer des procédés de fabrication rentables.

UNESCO Nomenclature: 3319
– Materials technology

Taper

Dispositif physique

Perturbation

Révolutionnaire

Usage

Emerging Technology

Précurseurs

  • Découverte de la conductivité ionique dans les matériaux solides par Michael Faraday
  • Développement de la chimie des batteries lithium-ion et des matériaux d'électrodes
  • Progrès dans la science de la céramique et les techniques de dépôt de couches minces
  • Compréhension théorique du transport des ions dans les solides

Applications

  • stimulateurs cardiaques et autres dispositifs médicaux implantables
  • Étiquettes RFID et cartes à puce
  • portable capteurs
  • véhicules électriques de nouvelle génération (en développement)
  • systèmes aérospatiaux et de défense

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

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