Les batteries à flux organique aqueux (AOFB) sont prometteuses pour l’intégration des énergies renouvelables et le stockage de l’électricité dans les réseaux en raison de leur sécurité inhérente et de la disponibilité de molécules organiques redox-actives (ORAM) naturellement abondantes et synthétiquement réglables. Toutefois, des problèmes tels que la faible densité énergétique, la stabilité médiocre à des concentrations élevées et les coûts de synthèse élevés entravent leur viabilité commerciale.
Il est essentiel de développer des ORAM qui offrent à la fois une densité énergétique élevée et des performances de cyclage ultra-stables pour faire progresser les solutions de stockage d’énergie stationnaire. L’augmentation du nombre de transferts d’électrons dans les ORAM peut accroître la densité énergétique et réduire le coût de l’électrolyte à la même concentration. Cependant, les ORAM à transferts d’électrons multiples sont souvent confrontés à un « compromis » entre stabilité et solubilité.
Dans une étude publiée dans le Journal of the American Chemical Society, une équipe de recherche dirigée par les professeurs LI Xianfeng et ZHANG Changkun de l’Institut de physique chimique de Dalian (DICP) de l’Académie chinoise des sciences (CAS) a mis au point un dérivé de tétraone de pyrène très soluble dans l’eau qui améliore considérablement la densité énergétique des AOFB tout en conservant une stabilité à haute température.
Les chercheurs ont conçu un monomère asymétrique de pyrène-4,5,9,10-tétraone-1-sulfonate (PTO-PTS) par le biais d’une réaction de couplage oxydation-sulfonation. Ce monomère innovant peut stocker quatre électrons de manière réversible, offrant une concentration théorique élevée d’électrons de 4,0 M, ainsi qu’un radical libre intermédiaire semiquinone ultra-stable. Appliqué aux AOFB, ce monomère a permis d’obtenir une capacité volumétrique très élevée d’environ 90 Ah/L. Les AOFB ont conservé près de 100 % de leur capacité. Les AOFB ont conservé près de 100 % de leur capacité après 5 200 cycles dans l’air, ce qui démontre un grand potentiel pour le stockage de l’énergie à grande échelle.
En outre, les chercheurs ont découvert que la structure conjuguée étendue des noyaux de pyrène tétraone facilitait le transfert réversible de quatre électrons par tautomérie d’énolisation. L’introduction d’un seul groupe d’acide sulfonique dans le noyau a diminué la planéité moléculaire et a augmenté la densité de charge régionale et la liaison hydrogène avec les molécules d’eau, améliorant ainsi la solubilité dans les électrolytes aqueux.
En outre, le monomère a stabilisé le radical libre intermédiaire semiquinone par une délocalisation efficace de la structure conjuguée et un empilement π-π ordonné pendant le processus d’oxydoréduction, ce qui a contribué à une excellente stabilité dans l’air et à des températures élevées.
Les AOFB incorporant le dérivé de pyrène tétraone ont atteint une densité d’énergie de 60 Wh/L. Les cellules symétriques et complètes n’ont pas présenté de diminution évidente de la capacité après des milliers de cycles à 60 °C, ce qui indique une bonne stabilité des cycles (environ 1 500 heures) et des performances prometteuses dans une large gamme de températures (10 à 60 °C).
Article : « Four-Electron-Transferred Pyrene-4,5,9,10-tetraone Derivatives Enabled High-Energy-Density Aqueous Organic Flow Batteries » – DOI: 10.1021/jacs.4c12506
Légende illustration : Crédit DICP
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