Parmi les défis persistants du stockage de l’énergie—pour les fermes éoliennes ou solaires, ou le stockage de secours pour le réseau électrique ou les centres de donnée figurent les batteries capables de contenir de grandes quantités d’électricité pendant longtemps.
En plus d’avoir une grande capacité potentiellement suffisante pour alimenter un quartier ou une petite ville pendant des jours ou des semaines ces batteries seraient idéalement sûres, abordables et sans danger pour l’environnement.
Avec l’objectif de répondre à ces critères, des chercheurs de la Case Western Reserve University développent de nouveaux électrolytes—des fluides capables de conduire les ions—pour des batteries à flux rechargeables.
Les batteries à flux fonctionnent comme des réservoirs de carburant extra-larges
Imaginez une voiture avec une capacité de réservoir ordinaire pour un trajet de 400 miles. Sans changer le moteur, vous pourriez doubler la longueur du trajet en doublant la capacité du réservoir. Il en va de même pour les batteries à flux : le « moteur » ne change pas ; la taille des réservoirs contenant les ingrédients actifs détermine la quantité d’énergie pouvant être stockée.
L’équipe de Case Western Reserve a récemment démontré un nouvel électrolyte pour batteries à flux qui est moins volatil, ce qui signifie qu’il est plus difficile à évaporer ou à prendre feu, et permet un nouveau type de conductivité. La structure de l’électrolyte permet aux protons—atomes d’hydrogène portant une charge électrique positive—de « rebondir » de molécule en molécule comme la ricochet sur une boule de billard.
La recherche, publiée dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences par des chercheurs du Breakthrough Electrolytes for Energy Storage Systems Energy Frontier Research Center (BEES2 EFRC), décrit un nouveau type d’électrolyte avec une structure spéciale. Ces électrolytes améliorent le flux d’électrons, probablement parce qu’ils sont très efficaces pour conduire les protons.
Ces électrolytes permettent une conception de batterie complètement nouvelle et ouvrent davantage de possibilités pour développer des technologies de stockage d’énergie à grande échelle sûres.
Les chercheurs du BEES2 pensent également que leurs électrolytes pourraient bénéficier à d’autres types de technologies électrochimiques, comme l’électrocatalyse—un processus qui produit des produits chimiques sans nécessiter de hautes pressions ou températures.
« Nous avons accepté le fait que ces fluides doivent être épais pour des raisons de sécurité », a déclaré la chercheuse principale Burcu Gurkan, Kent Smith Professor II de génie chimique et biochimique à la Case School of Engineering et directrice du BEES2 EFRC. « Mais au lieu de forcer de grosses particules chargées à traverser ce fluide épais, nous laissons les minuscules ions hydrogène sauter de molécule en molécule pour atteindre l’électrode. »
Comment elles diffèrent des batteries conventionnelles
Les batteries lithium-ion conventionnelles, comme celles des téléphones portables et des ordinateurs portables, déplacent un ion lithium à travers un électrolyte organique, stockent le lithium à l’électrode opposée, et le font revenir lorsque la batterie est déchargée. L’électrolyte volatil est susceptible de prendre feu si la batterie surchauffe, les rendant inadaptées au stockage à grande échelle.
Les chercheurs ont créé un nouvel électrolyte qui permet aux protons—ions hydrogène—de passer d’une liaison à une autre—plutôt que de se déplacer physiquement à travers le liquide, a expliqué Gurkan. Ils ont caractérisé en détail les électrolytes en utilisant diverses techniques et ont eu recours à la modélisation computationnelle pour comprendre le mécanisme.
« Ce type de conductivité n’est pas autant affecté par la viscosité—ou l’épaisseur—de la solution », a souligné le coauteur de l’étude Robert Savinell, le professeur d’ingénierie George S. Dively et directeur fondateur du BEES EFRC. « Cela permet aux protons de conduire facilement tout en gardant le fluide non volatil et sûr. »
Héritage et prochaines étapes
Gurkan a indiqué que la technologie issue de leur recherche, soutenue par le Département américain de l’énergie, était encore en développement.
« Ce n’est pas encore au stade où nous pouvons simplement avancer avec cette idée et fabriquer la batterie à flux », a-t-elle affirmé. « Cela n’a pas encore la solubilité chimique dont nous avons besoin pour la densité de stockage d’énergie que nous souhaitons. C’est l’un des prochains défis que nous devons résoudre. »
La recherche sur les électrolytes au BEES2 EFRC s’appuie sur un héritage distingué de 50 ans d’une concentration intentionnelle sur l’électrochimie et l’ingénierie électrochimique à Case Western Reserve, reliant le College of Arts and Sciences et la Case School of Engineering.
Article : Structured electrolytes facilitate Grotthuss-type transport for enhanced proton-coupled electron transfer reactions – Journal : Proceedings of the National Academy of Sciences
Source : Case.edu
