Des chercheurs ont créé une électrode imprimée en 3D qui pourrait rendre plus facile et plus sûr le stockage de grandes quantités d’énergie renouvelable produite par les parcs éoliens et solaires.
Dirigée par Dr Maxime van der Heijden, professeur à l’Université de Waterloo, l’équipe de recherche s’est inspirée des structures naturelles pour repenser un composant clé des batteries à flux redox (RFB), une technologie capable de stocker l’électricité pour une utilisation ultérieure. La nouvelle conception favorise une circulation plus efficace du liquide de la batterie, permettant ainsi aux réactions chimiques qui stockent et restituent l’énergie de se dérouler de manière plus performante.
Les batteries à flux redox fonctionnent différemment des batteries lithium-ion couramment utilisées dans les téléphones, les véhicules électriques et de nombreux systèmes de stockage d’énergie.
Ces batteries utilisent des électrolytes à base d’eau plutôt que les matériaux inflammables présents dans les batteries lithium-ion, ce qui en fait une alternative potentiellement plus sûre pour le stockage d’énergie à grande échelle.
Les batteries à flux redox constituent une technologie complémentaire aux batteries lithium-ion pour les applications de stockage d’énergie à grande échelle. Leurs électrolytes à base d’eau en font une option plus sûre pour stocker l’énergie renouvelable à l’échelle nécessaire pour alimenter, par exemple, les collectivités et le réseau électrique en énergie renouvelable en continu.
« Au lieu de stocker l’énergie dans des matériaux solides, elles la stockent dans des électrolytes liquides contenus dans des réservoirs externes », explique van der Heijden, professeur de génie chimique à Waterloo. « La quantité d’énergie stockée peut être augmentée simplement en utilisant des réservoirs plus grands, ce qui les rend particulièrement adaptées au stockage d’énergie renouvelable à grande échelle et aux applications de réseau. »
Cette flexibilité pourrait devenir de plus en plus importante à mesure que la part d’électricité d’origine renouvelable augmente. L’énergie éolienne et solaire est intermittente : elle ne produit pas toujours de l’électricité au moment où on en a besoin, d’où la nécessité de technologies capables de stocker l’énergie excédentaire pour la restituer ultérieurement au réseau.
Les chercheurs ont utilisé l’impression 3D pour créer des électrodes poreuses destinées aux batteries à flux redox, permettant un contrôle précis de leur structure et de l’écoulement des fluides.
« Grâce à l’impression 3D, nous pouvons concevoir la structure interne d’une électrode de manière difficile à reproduire avec les procédés de fabrication conventionnels », souligne van der Heijden. « Cela nous donne un bien meilleur contrôle sur la façon dont le liquide circule dans la batterie et atteint les surfaces où se produisent les réactions de stockage de l’énergie. »
Une innovation clé réside dans l’utilisation de géométries à surface minimale triplement périodique (TPMS), des formes tridimensionnelles complexes et répétitives pouvant évoquer des structures présentes dans la nature.
Les chercheurs ont testé plusieurs conceptions TPMS et ont constaté que celle connue sous le nom de géométrie « diamant » donnait les meilleurs résultats, avec une augmentation des performances de 52 %.
Ils ont ensuite utilisé une imprimante 3D à photopolymérisation (digital light processing) pour produire ces structures poreuses, qui ont été traitées thermiquement afin de former des électrodes en carbone conductrices, capables de transporter l’électricité.
L’équipe a testé avec succès ces électrodes lors d’expériences en cellule d’écoulement en laboratoire, puis au sein d’une batterie à flux redox au vanadium en fonctionnement, démontrant que les conceptions imprimées en 3D peuvent fonctionner dans une batterie opérationnelle. Cette preuve de concept pourrait ouvrir la voie à des batteries à flux redox plus efficaces, conçues pour le stockage d’énergie à grande échelle.
Les recherches futures viseront à accroître la surface des électrodes, à améliorer les procédés de fabrication et à explorer des outils de conception avancés afin de créer des structures d’électrodes encore plus performantes.
L’étude, intitulée Enhancing Mass Transport in Redox Flow Batteries with 3D-Printed Triply Periodic Minimal Surface Electrode Structures, est publiée dans la revue Journal of Energy Storage.
