Les batteries à flux redox réinventées grâce à un déchet industriel jusqu’ici inexploité

Le stockage de l’énergie revêt une importance grandissante dans notre quotidien, surtout avec l’adoption croissante des énergies renouvelables. Comment pouvons-nous réduire notre dépendance aux métaux précieux pour le stockage énergétique tout en valorisant les déchets industriels ? Une réponse innovante émane d’une équipe de chercheurs américains, qui a su transformer un produit de déchet en une solution de stockage d’énergie durable.

Les batteries utilisées dans nos téléphones, appareils et même voitures dépendent de métaux comme le lithium et le cobalt, extraits par des procédés miniers intensifs et intrusifs. Avec l’augmentation des produits nécessitant des systèmes de stockage énergétique basés sur les batteries, il devient impératif d’abandonner les solutions basées sur les métaux pour favoriser une transition vers les énergies vertes.

Une équipe de l’Université Northwestern a développé un moyen de transformer un produit de déchet organique à grande échelle en un agent de stockage efficace pour des solutions énergétiques durables, potentiellement applicables à des échelles beaucoup plus vastes. Bien que plusieurs versions de ces batteries, appelées batteries à flux redox, soient en production ou étudiées pour des applications à grande échelle, l’utilisation d’une molécule de déchet — l’oxyde de triphénylphosphine (TPPO) — constitue une première dans le domaine.

Un déchet transformé en ressource

Des milliers de tonnes de cet oxyde, un sous-produit chimique bien connu, sont générées chaque année par divers procédés de synthèse organique industrielle — y compris la production de certaines vitamines — mais il est rendu inutilisable et doit être éliminé avec précaution après sa production.

Dans un article publié dans le Journal of the American Chemical Society, une réaction en «un pot» permet aux chimistes de transformer le TPPO en un produit utilisable avec un potentiel énergétique considérable. Cette découverte soutient la viabilité des batteries à flux redox organiques dérivées des déchets, un type de batterie longtemps envisagé.

« La recherche sur les batteries a traditionnellement été dominée par les ingénieurs et les scientifiques des matériaux », a déclaré Christian Malapit, chimiste à Northwestern et auteur principal de l’étude. « Les chimistes de synthèse peuvent contribuer au domaine en modifiant moléculairement un produit de déchet organique pour en faire une molécule de stockage énergétique. Leur découverte met en lumière le potentiel de transformation des composés de déchets en ressources précieuses, offrant une approche durable pour l’innovation technologique des batteries. »

Actuellement, une petite partie du marché des batteries, le marché des batteries à flux redox devrait croître de 15% entre 2023 et 2030, atteignant une valeur de 700 millions d’euros dans le monde. Contrairement aux batteries au lithium et autres batteries à état solide qui stockent l’énergie dans les électrodes, les batteries à flux redox utilisent une réaction chimique pour faire circuler l’énergie entre les électrolytes où elle est stockée. Bien qu’elles ne soient pas aussi efficaces pour le stockage énergétique, elles sont considérées comme de bien meilleures solutions pour le stockage à grande échelle.

De la performance et de la stabilité

« Non seulement une molécule organique peut être utilisée, mais elle peut aussi atteindre une densité énergétique élevée — se rapprochant de ses concurrents à base de métaux — tout en offrant une grande stabilité », a affirmé Emily Mahoney, candidate au doctorat dans le laboratoire de Malapit et première auteure de l’article. « Ces deux paramètres sont traditionnellement difficiles à optimiser conjointement ; pouvoir les démontrer pour une molécule dérivée de déchets est particulièrement enthousiasmant. »

Pour atteindre à la fois la densité énergétique et la stabilité, l’équipe a dû identifier une stratégie permettant aux électrons de se regrouper étroitement dans la solution sans perte de capacité de stockage au fil du temps. Ils ont puisé dans le passé et ont trouvé un article de 1968 décrivant l’électrochimie des oxydes de phosphine ; Mahoney a indiqué qu’ils « ont suivi cette piste ».

Pour évaluer la résilience de la molécule en tant qu’agent potentiel de stockage d’énergie, l’équipe a réalisé des tests en utilisant des expériences statiques de charge et décharge électrochimique, similaires au processus de charge d’une batterie, son utilisation, puis sa recharge, cycle après cycle. Après 350 cycles, la batterie a maintenu une santé remarquable, perdant une capacité négligeable au fil du temps.

« Cette découverte marque la première utilisation des oxydes de phosphine — un groupe fonctionnel en chimie organique — comme composant redox-actif dans la recherche sur les batteries », a ajouté Malapit. « Traditionnellement, les oxydes de phosphine réduits sont très instables. Leur approche d’ingénierie moléculaire a résolu cette instabilité, permettant leur application dans le stockage énergétique. »

Pendant ce temps, le groupe espère que d’autres chercheurs se saisiront de cette opportunité pour travailler avec le TPPO afin d’optimiser et améliorer encore son potentiel.

Légende illustration : Emily Mahoney travaille sur la production de batteries à flux redox. Crédit : Malapit Lab/Northwestern University

Article : « Triphenylphosphine Oxide-Derived Anolyte for Application in Nonaqueous Redox Flow Battery » – ( 10.1021/jacs.4c07750 ) – Northwestern University – Publication dans la revue Journal of the American Chemical Society