La conception de la nouvelle génération de batteries d'écoulement établit des records
Un additif à base de sucre joue un rôle surprenant en augmentant la capacité et la longévité des batteries d'écoulement dans le cadre de cette conception de résilience énergétique du réseau
Un additif alimentaire et médicamenteux courant a montré qu'il pouvait renforcer la capacité et la longévité d'une batterie à flux de nouvelle génération dans le cadre d'une expérience record.
Les chercheurs préparent un électrolyte expérimental pour batterie à flux qui a fait preuve d'une longue durée de vie en laboratoire.
Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory
Une équipe de chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l'énergie rapporte que la batterie à flux, dont la conception a été optimisée pour le stockage de l'énergie dans les réseaux électriques, a conservé sa capacité à stocker et à libérer de l'énergie pendant plus d'un an de charge et de décharge continues.
L'étude, qui vient d'être publiée dans la revue Joule, décrit la première utilisation d'un sucre simple dissous appelé β-cyclodextrine, un dérivé de l'amidon, pour augmenter la longévité et la capacité des batteries. Au cours d'une série d'expériences, les scientifiques ont optimisé le ratio des produits chimiques dans le système jusqu'à ce qu'il atteigne une puissance de pointe supérieure de 60 %. Ils ont ensuite fait tourner la batterie pendant plus d'un an, n'interrompant l'expérience qu'en cas de défaillance du tube en plastique. Pendant tout ce temps, la batterie à flux n'a pratiquement pas perdu son activité pour se recharger. Il s'agit de la première expérience de batterie à flux à l'échelle du laboratoire à faire état de plus d'une année d'utilisation continue avec une perte minimale de capacité.
L'additif β-cyclodextrine est également le premier à accélérer la réaction électrochimique qui stocke puis libère l'énergie de la batterie à flux, dans un processus appelé catalyse homogène. Cela signifie que le sucre agit lorsqu'il est dissous dans une solution, plutôt que sous la forme d'un solide appliqué à une surface.
"Il s'agit d'une toute nouvelle approche pour développer l'électrolyte des batteries à flux", a déclaré Wei Wang, chercheur de longue date sur les batteries au PNNL et chercheur principal de l'étude. "Nous avons montré qu'il est possible d'utiliser un type de catalyseur totalement différent, conçu pour accélérer la conversion énergétique. De plus, comme il est dissous dans l'électrolyte liquide, il n'y a pas de risque qu'un solide se déloge et encrasse le système".
Qu'est-ce qu'une batterie à flux ?
Comme leur nom l'indique, les batteries à flux se composent de deux chambres, chacune remplie d'un liquide différent. Les batteries se chargent par une réaction électrochimique et stockent l'énergie dans des liaisons chimiques. Lorsqu'elles sont connectées à un circuit externe, elles libèrent cette énergie, qui peut alimenter des appareils électriques. Les batteries à flux diffèrent des batteries à l'état solide en ce sens qu'elles ont deux réservoirs d'alimentation externes dans lesquels circule constamment un liquide pour fournir l'électrolyte, qui est comme la "réserve de sang" du système. Plus le réservoir d'électrolyte est grand, plus la batterie à flux peut stocker d'énergie.
Si elles sont mises à l'échelle pour atteindre la taille d'un terrain de football ou plus, les batteries d'écoulement peuvent servir de générateurs de secours pour le réseau électrique. Les batteries d'écoulement sont l'un des piliers essentiels d'une stratégie de décarbonisation visant à stocker l'énergie provenant de sources d'énergie renouvelables. Leur avantage est qu'elles peuvent être construites à n'importe quelle échelle, de l'échelle du laboratoire, comme dans l'étude du PNNL, à la taille d'un pâté de maisons.
Pourquoi avons-nous besoin de nouveaux types de piles à flux ?
Le stockage d'énergie à grande échelle constitue une sorte de police d'assurance contre les perturbations de notre réseau électrique. Lorsque des conditions météorologiques difficiles ou une forte demande entravent la capacité à fournir de l'électricité aux foyers et aux entreprises, l'énergie stockée dans des installations de batteries de flux à grande échelle peut contribuer à minimiser les perturbations ou à rétablir le service. Le besoin de ces installations de batteries de flux ne peut que croître, car la production d'électricité provient de plus en plus de sources d'énergie renouvelables, telles que l'énergie éolienne, solaire et hydroélectrique. Ces sources d'énergie intermittentes nécessitent un endroit où stocker l'énergie jusqu'à ce qu'elle soit nécessaire pour répondre à la demande des consommateurs.
Bien qu'il existe de nombreuses conceptions de batteries d'écoulement et quelques installations commerciales, les installations commerciales existantes dépendent de minéraux tels que le vanadium, qui sont coûteux et difficiles à obtenir. C'est pourquoi les équipes de recherche sont à la recherche de technologies alternatives efficaces qui utilisent des matériaux plus courants, faciles à synthétiser, stables et non toxiques.
"Nous ne pouvons pas toujours creuser la terre pour trouver de nouveaux matériaux", a déclaré Imre Gyuk, directeur de la recherche sur le stockage de l'énergie au bureau de l'électricité du ministère de l'énergie. "Nous devons développer une approche durable avec des produits chimiques que nous pouvons synthétiser en grandes quantités, tout comme les industries pharmaceutiques et alimentaires.
Les travaux sur les batteries à flux font partie d'un vaste programme du PNNL visant à développer et à tester de nouvelles technologies pour le stockage de l'énergie à l'échelle du réseau, qui sera accéléré avec l'ouverture du Grid Storage Launchpad du PNNL en 2024.
Une "eau sucrée" inoffensive pour une batterie à flux efficace
L'équipe de recherche du PNNL qui a mis au point cette nouvelle conception de batterie comprend des chercheurs spécialisés dans la synthèse organique et chimique. Ces compétences se sont avérées utiles lorsque l'équipe a choisi de travailler avec des matériaux qui n'avaient pas été utilisés pour la recherche sur les batteries, mais qui sont déjà produits pour d'autres usages industriels.
"Nous cherchions un moyen simple de dissoudre davantage de fluorénol dans notre électrolyte à base d'eau", explique Ruozhu Feng, premier auteur de la nouvelle étude. "La β-cyclodextrine nous a aidés à le faire, modestement, mais son véritable avantage était sa surprenante capacité catalytique."
Les chercheurs ont ensuite travaillé avec Sharon Hammes-Schiffer de l'université de Yale, coauteur de l'étude et autorité en matière de réaction chimique sous-jacente à la stimulation catalytique, afin d'expliquer son fonctionnement.
Comme le décrit l'étude, l'additif à base de sucre accepte les protons chargés positivement, ce qui contribue à équilibrer le mouvement des électrons négatifs lors de la décharge de la batterie. Les détails sont un peu plus compliqués, mais c'est comme si le sucre sucrait le pot pour permettre aux autres produits chimiques d'achever leur danse chimique.
Cette étude constitue la nouvelle génération d'une batterie à flux brevetée par le PNNL et décrite pour la première fois dans la revue Science en 2021. Les chercheurs avaient alors montré qu'un autre produit chimique courant, appelé fluorénone, était un composant efficace de batterie à flux. Mais cette première avancée devait être améliorée car le processus était lent par rapport à la technologie des batteries à flux commercialisées. Selon les chercheurs, cette nouvelle avancée fait de la conception de la batterie un candidat pour une mise à l'échelle.
Parallèlement, l'équipe de recherche s'efforce d'améliorer encore le système en expérimentant d'autres composés similaires à la β-cyclodextrine, mais plus petits. Comme pour le miel, l'ajout de β-cyclodextrine rend le liquide plus épais, ce qui n'est pas idéal pour un système fluide. Néanmoins, les chercheurs ont constaté que les avantages de la β-cyclodextrine l'emportaient sur ses inconvénients.
La compréhension de la chimie complexe qui se produit à l'intérieur de la nouvelle conception de la batterie à flux a nécessité l'expertise de nombreux scientifiques, notamment Ying Chen, Xin Zhang, Peiyuan Gao, Ping Chen, Sebastian Mergelsberg, Lirong Zhong, Aaron Hollas, Yangang Lian, Vijayakumar Murugesan, Qian Huang, Eric Walter et Yuyan Shao du PNNL, ainsi que Benjamin J. G. Rousseau et Hammes-Schiffer de Yale, en plus de Feng et Wang.
L'équipe de recherche a déposé une demande de brevet américain pour sa nouvelle conception de batterie.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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