Stockage énergétique : l’additif qui pourrait remplacer les batteries lithium-ion

L’énergie solaire et l’énergie éolienne transforment rapidement le paysage énergétique, mais si nous voulons exploiter pleinement le potentiel de ces sources d’énergie renouvelables intermittentes, nous aurons besoin de batteries sûres et abordables capables de stocker l’énergie. Dans le cadre d’un effort visant à relever le défi du stockage de l’énergie à long terme, des ingénieurs américains ont inventé un additif chimique soluble dans l’eau qui améliore les performances d’un type de stockage électrochimique appelé batterie à flux aqueux à base de bromure.

« Les batteries à flux aqueux à base de bromure sont une solution prometteuse, mais elles présentent de nombreux problèmes électrochimiques. C’est pourquoi aucun produit à base de bromure n’a vraiment réussi aujourd’hui », explique Patrick Sullivan, qui a obtenu un doctorat en chimie à l’UW-Madison en 2023. « Pourtant, notre seul additif peut résoudre un grand nombre de problèmes différents. »

Sullivan, Gyohun Choi, étudiant en doctorat, et Dawei Feng, professeur adjoint de science et d’ingénierie des matériaux à l’UW-Madison, ont mis au point l’additif.

Actuellement, des batteries lithium-ion géantes de la taille d’un semi-remorque stockent de l’énergie pour le réseau, mais avec des limitations techniques. Les batteries au lithium posent des problèmes de sécurité en raison des risques d’incendie et d’explosion et de la complexité de la chaîne d’approvisionnement internationale.

Les batteries à flux aqueux, en revanche, pourraient rendre le stockage à l’échelle du réseau plus sûr et moins cher. Dans ces batteries, des électrolytes liquides positifs et négatifs circulent sur des électrodes séparées par une membrane. Comme les batteries utilisent des ions dissous dans un liquide – l’eau – elles peuvent être évolutives, durables et sûres.

Les batteries à flux les plus abouties commercialement sont basées sur des ions vanadium qui, comme le lithium, sont chers et difficiles à obtenir. Toutefois, une autre version de ces piles à flux repose sur le bromure, un ion bon marché et largement disponible dont les performances sont similaires à celles du vanadium, du moins sur le papier.

En pratique, cependant, les minuscules ions bromure posent toutes sortes de problèmes dans les batteries à flux. Ils peuvent traverser la membrane qui sépare les électrodes, ce qui réduit l’efficacité de la batterie. Parfois, les ions précipitent hors de l’électrolyte et forment une huile désagréable qui « coule » au fond de la solution. Parfois, les ions forment également du brome gazeux toxique. Ces problèmes entravent les performances pratiques et la fiabilité.

Un additif appelé agent complexant pourrait aider. M. Choi a entrepris de trouver un additif qui améliore les performances des piles à flux aqueux au bromure. Les chercheurs ont utilisé la conception moléculaire pour mettre au point plus de 500 molécules organiques candidates qu’ils ont appelées « pièges zwitterioniques mous et durs ». Ils ont synthétisé et testé 13 de ces molécules représentatives en tant qu’additifs potentiels pour les batteries au bromure.

Les additifs multifonctionnels qui en résultent résolvent les principaux problèmes des piles à flux. Ils encapsulent les ions bromure tout en leur permettant de rester solubles dans l’eau, et comme le complexe résultant est maintenant plus grand, ils ne peuvent pas passer à travers la membrane. Les ions sont également « stables en phase », ce qui signifie qu’ils ne se séparent pas de l’électrolyte de l’eau et ne créent pas de gaz de brome toxique.

Surtout, les additifs améliorent considérablement les performances de la batterie à flux, augmentant ainsi l’efficacité et la longévité du système chimique. « Nos appareils dotés de l’additif ont fonctionné sans défaillance pendant près de deux mois, alors que ceux qui en sont dépourvus tombent généralement en panne en l’espace d’une journée », explique M. Feng. « C’est important, car pour le stockage de l’énergie verte, on veut l’utiliser pendant 10 ou 20 ans. »

L’équipe prévoit de continuer à affiner ses travaux. Choi étudiera la science fondamentale des additifs pour les batteries à flux de bromure et d’iodure, tandis que Sullivan, PDG de Flux XII – une entreprise dérivée du secteur des énergies renouvelables qu’il a cofondée avec Feng – explorera la viabilité commerciale de l’additif, qui a déjà été produit avec succès dans des réactions industrielles à l’échelle de la tonne.

Article : « Soft–hard zwitterionic additives for aqueous halide flow batteries » – DOI: s41586-024-08079-4

Source : University of Wisconsin-Madison – Traduction Enerzine.com