Ceci est une batterie
Deux liquides colorés qui bouillonnent dans des tubes : est-ce à cela que ressemblera la pile du futur ?
Les batteries à flux non toxiques et évolutives à base d'eau seraient une bonne solution pour stocker l'énergie renouvelable dans les zones urbaines – si ce n'est leur très faible densité énergétique. David Reber, chercheur à l'Empa, veut y remédier grâce à une conception intelligente des matériaux.
Deux liquides colorés qui bouillonnent dans des tubes : est-ce à cela que ressemblera la pile du futur ? C'est la question à laquelle le chercheur de l'Empa David Reber veut répondre au cours des quatre prochaines années avec le soutien d'une bourse "Ambizione" du Fonds national suisse (FNS).
Les batteries dites à flux redox sont déjà connues depuis les années 1970. Contrairement aux batteries lithium-ion traditionnelles, elles ne stockent pas l'énergie dans des électrodes solides, mais dans des réservoirs contenant des solutions d'électrolyte liquide. Le processus de charge et de décharge ne se fait pas dans les réservoirs eux-mêmes : Pour cela, les électrolytes sont pompés à travers une cellule électrochimique.
Les piles liquides ne sont pas pratiques pour les téléphones portables, les ordinateurs portables ou les voitures. Elles sont en revanche très prometteuses pour les solutions de stockage stationnaires. Comme l'énergie est stockée à l'extérieur de la cellule proprement dite, les batteries à électrolyte liquide sont particulièrement faciles à dimensionner de manière ciblée. Si la batterie doit se charger et se décharger plus rapidement, il faut une cellule électrochimique plus grande. Si elle doit avoir une plus grande capacité de stockage, il faut des réservoirs plus grands.
"Avec l'utilisation croissante des énergies renouvelables, nous aurons besoin d'un stockage d'énergie à grande échelle, y compris dans les zones urbaines", explique David Reber. Les batteries flow présentent un autre avantage : Si l'on utilise des électrolytes à base d'eau, elles ne sont en principe pas inflammables, contrairement aux batteries lithium-ion traditionnelles.
Densité d'énergie externalisée
Pourtant, cette technologie n'a pas encore réussi à s'imposer. David Reber connaît le problème principal : "Les batteries à flux ont une densité énergétique environ dix fois inférieure à celle des batteries à matériaux de stockage solides", explique-t-il. Plus la quantité de matériau de stockage pouvant être dissoute dans l'électrolyte est importante, plus la densité énergétique d'une batterie à flux est élevée. "Cependant, des concentrations élevées rendent la solution épaisse et il faut beaucoup plus d'énergie pour la pomper à travers la cellule", poursuit le chercheur.
C'est précisément ce problème que David Reber veut maintenant résoudre dans son travail au laboratoire "Materials for Energy Conversion" de l'Empa – avec une approche inhabituelle. Alors que la plupart des projets sur les batteries à flux se concentrent sur des matériaux de stockage plus solubles, il veut découpler complètement le stockage de l'énergie de la solution électrolytique. "Ma vision est de développer une sorte d'hybride entre une batterie à flux et une batterie lithium-ion", explique le chercheur. Pour cela, il veut ajouter des matériaux de stockage solides, tels que ceux utilisés dans les batteries de téléphones portables, dans le réservoir de la batterie à flux. "Si le matériau dissous et le matériau de stockage solide sont parfaitement adaptés l'un à l'autre, ils peuvent transférer de l'énergie entre eux", explique David Reber. "Il est ainsi possible de combiner l'évolutivité des batteries à flux avec la densité énergétique élevée des batteries à matériaux de stockage solides".
Matériaux recherchés
Mais le chercheur doit d'abord trouver des paires de matériaux appropriés qui permettent l'échange d'énergie et qui restent stables sur une longue période. "Idéalement, une batterie à flux redox devrait pouvoir fonctionner pendant environ 20 ans", explique-t-il.
La compatibilité d'une paire de matériaux dépend de ce que l'on appelle le potentiel redox des substances : à quelle tension elles cèdent ou absorbent des électrons. "J'ai déjà quelques paires possibles en tête", explique David Reber. Et si une paire prometteuse ne correspond pas exactement, ses potentiels redox peuvent être manipulés par certaines opérations chimiques. L'une des idées de David Reber est d'utiliser un chélate comme matériau de stockage dissous : une molécule organique à plusieurs bras qui "s'enroule" autour d'un ion métallique. Le potentiel redox varie en fonction du nombre de bras de la molécule organique – le ligand. David Reber a déjà mené des recherches sur les batteries redox à base de chélate pendant son postdoctorat à l'Université du Colorado à Boulder ; il recevra pour cela le prestigieux "Battery Division Postdoc Award" lors de la réunion annuelle de l'"Electrochemical Society" à Göteborg en octobre.
A la fin de sa période de financement "Ambizione" de quatre ans, David Reber espère avoir une batterie qui fonctionne bien avec un stockage fixe supplémentaire. "Si cette approche fonctionne, les possibilités d'utilisation seront très variées", dit-il. Ainsi, les batteries Flow compactes avec un facteur de forme flexible pourraient être intégrées beaucoup plus facilement dans les zones urbaines. "Tout ce qu'il faudrait pour cela, ce serait des pompes et quelques tuyaux", ajoute le chercheur.
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