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RÉSUMÉ
Depuis 1991, les batteries lithium-ion à électrolyte liquide dominent les marchés des véhicules électriques et du stockage stationnaire. Elles présentent néanmoins des défis majeurs : leur sécurité est compromise par un électrolyte organique inflammable, et leur longévité est limitée par des problèmes à l'interface électrode-électrolyte. La recherche actuelle vise à améliorer ces aspects, notamment par le développement de nouveaux matériaux d'électrodes. Une avancée technologique cruciale est la batterie tout-solide, qui remplace l'électrolyte liquide par un électrolyte solide inorganique non inflammable. Cette innovation résout les problèmes de sécurité et de longévité, marquant une rupture fondamentale dans l'architecture des cellules.
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Alexandre CHAGNES : Professeur des universités - Université de Lorraine, GéoRessources, UMR CNRS 7359,Vandœuvre-lès-Nancy, France
INTRODUCTION
Depuis la première batterie lithium-ion commercialisée par Sony en 1991, les batteries lithium-ion sont majoritairement à base d’électrolyte liquide. Ces batteries sont actuellement la technologie de choix pour les véhicules électriques et le stockage stationnaire de l’énergie même si d’autres technologies voient le jour en laboratoire ou même sur le marché (batterie sodium-ion, zinc-ion, hydrogène, etc.). Les travaux de recherche actuels se focalisent sur l’amélioration de la capacité de stockage, de la vitesse de charge, de la longévité de la batterie et de la sécurité d’utilisation des batteries lithium-ion en développant de nouveaux matériaux d’électrodes positives et négatives. L'électrolyte joue un rôle crucial dans la longévité des batteries, car le nombre de cycles de charge et de décharge est souvent limité par des problèmes à l'interface électrode-électrolyte. De plus, les batteries lithium-ion actuelles connaissent des problèmes de sécurité notamment parce qu’elles sont majoritairement composées d'un électrolyte liquide organique inflammable. Une alternative possible serait de remplacer ces électrolytes liquides par des électrolytes solides inorganiques non inflammables.
Ces batteries à électrolyte solide, appelées communément batteries tout-solide, représentent une avancée technologique majeure dans le domaine du stockage électrochimique de l’énergie. En remplaçant l’électrolyte liquide conventionnel par un électrolyte solide, ces batteries introduisent une rupture fondamentale dans l’architecture des cellules.
Cette substitution permet d’améliorer considérablement la sécurité, la densité énergétique et la stabilité thermique des dispositifs électrochimiques, répondant ainsi aux besoins croissants en stockage d’énergie pour les véhicules électriques, les dispositifs portables et les systèmes stationnaires .
Cet article vise à explorer l’état actuel et les perspectives de cette technologie émergente qui suscite un fort intérêt dans le domaine du stockage électrochimique de l’énergie.
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2. Les défis à relever
L’intégration industrielle des batteries tout-solide est encore entravée par plusieurs défis technologiques dont :
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la maîtrise des interfaces solide-solide entre électrodes et électrolyte. La résistance interfaciale élevée entre les électrodes et l’électrolyte constitue un frein majeur à la commercialisation, limitant puissance, capacité et longévité. Ces instabilités proviennent d’incompatibilités chimiques, de problèmes d’adhérence et d’une réponse mécanique inadaptée aux variations de volume des électrodes. L’interface est un élément critique où se conjuguent des enjeux électrochimiques, mécaniques et thermiques. Les stratégies actuelles vont de l’introduction de couches intermédiaires (LiPON, nitrures, polymères fonctionnalisés) à l’ingénierie de nouveaux électrolytes dopés ou nanostructurés, capables d’absorber les contraintes mécaniques et de réduire la croissance de couches parasites ;
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la prévention de la croissance des dendrites de lithium. Des structures ramifiées de lithium métallique (dendrites) peuvent se former à l’électrode négative provoquant des courts-circuits et entraînant un risque de défaillance. Cependant, la recherche a évolué d’une simple tentative de suppression totale à des stratégies plus nuancées et fonctionnelles pour contrôler ce phénomène. Une approche novatrice a été démontrée par une équipe de chercheurs de l’université d’Harvard ...
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