Le fer émergent comme matériau clé des batteries de demain

L’évolution rapide vers les énergies renouvelables soulève des interrogations sur le stockage énergétique. Les variations inhérentes à la production solaire et éolienne requièrent des innovations pour assurer une alimentation électrique constante. Dans ce cadre, l’exploration de nouvelles technologies de batteries s’intensifie, visant à surmonter les limites des accumulateurs lithium-ion actuels, particulièrement en matière de pérennité et de coût. Une équipe de scientifiques propose une approche novatrice fondée sur un élément abondant et recyclable : le fer.

Le fer : un candidat de choix pour les batteries du futur

Le professeur en génie chimique Xiaowei Teng à l’Institut polytechnique de Worcester (WPI), dirige une équipe qui explore de nouvelles technologies de batteries pour le stockage d’énergie à grande échelle. Leurs travaux récents mettent en lumière le potentiel du fer comme matériau d’anode pour les batteries alcalines haute performance.

Le fer, deuxième métal le plus abondant dans la croûte terrestre après l’aluminium, offre des avantages considérables en termes de durabilité et de disponibilité. Aux États-Unis, plus de 40 millions de tonnes métriques de fer et d’acier sont recyclées chaque année à partir de ferraille, illustrant l’ampleur des ressources disponibles pour cette technologie.

L’utilisation du fer comme anode dans les batteries alcalines n’est pas une nouveauté. Les batteries fer-nickel, inventées par Thomas Edison au début du XXe siècle, exploitaient déjà ce principe. Cependant, leur adoption à grande échelle a été freinée par leur faible efficacité énergétique et leur capacité de stockage limitée, dues à la formation d’hydrogène gazeux lors de la charge et d’oxyde de fer inerte lors de la décharge.

«La formation d’hydrogène gazeux lors de la charge d’une batterie est indésirable. L’efficacité énergétique du système de batterie s’en trouve considérablement compromise. Sans résolution de ces défis techniques, les batteries alcalines au fer perdent de leur attrait pour les systèmes modernes de stockage d’énergie destinés à être couplés aux réseaux électriques.» a expliqué le professeur Teng.

Une innovation majeure : l’ajout de silicate

L’ajout de silicate aux électrolytes permet la charge d’une batterie sans production d’hydrogène et résout ainsi l’un des principaux obstacles à l’utilisation efficace du fer dans les batteries alcalines.

Sathya Jagadeesan, doctorant à WPI et auteur principal de l’article, a précisé que le silicate, un composé chimique de silicium et d’oxygène, est utilisé depuis longtemps comme agent peu coûteux et simple dans la fabrication du verre, du ciment, des isolants et des détergents. L’équipe a découvert que le silicate interagit fortement avec les électrodes de la batterie et supprime la génération de gaz hydrogène.

Le professeur Teng a souligné que ce nouveau procédé pourrait améliorer les réactions d’oxydoréduction du fer alcalin dans les batteries fer-air et fer-nickel pour des applications de stockage d’énergie, telles que les microréseaux ou les parcs solaires ou éoliens individuels.

Légende illustration : Xiaowei Teng dirige une équipe qui envisage une nouvelle façon d’utiliser le fer pour créer un stockage d’énergie à haute performance

Article : ‘Unlocking High Capacity and Reversible Alkaline Iron Redox Using Silicate-Sodium Hydroxide Hybrid Electrolytes’ / ( 10.1002/cssc.202400050 ) – Worcester Polytechnic Institute – Publication dans la revue ChemSusChem / 7-Oct-2024