Stockage de l’énergie : des chercheurs Hongkongais améliorent la capacité des batteries à flux

Dans le développement des énergies renouvelables, le stockage massif de l’énergie est un élément crucial. Afin de limiter les pertes d’électricité et créer des smart grids, les pics de production doivent pouvoir être utilisés à bon escient pour compenser les périodes creuses où l’énergie emmagasinée doit pouvoir être restituée. C’est dans cette matrice qu’interviennent les batteries. Il en existe de plusieurs types qui fonctionnent grâce à des réactions chimiques d’oxydoréduction réversibles, les plus utilisées étant celles au plomb ou encore au lithium.

Actuellement, ce sont les batteries à flux redox qui retiennent l’attention des chercheurs de CUHK. En effet, de par leurs caractéristiques et mode de fonctionnement, elles sont au cœur de plus en plus de projets de recherche en tant que solution économiquement viable pour le stockage d’énergie.

Crédits : University of British Columbia

Comme l’illustre l’image ci-dessus, elles sont constituées de :

• Deux liquides séparés contenant des éléments chimiques électroactifs dissous dans la solution
• Une membrane spécialement conçue pour empêcher le mélange des deux solutions tout en permettant l’échange d’ions (c’est-à-dire le déplacement de la charge électrique) à travers celle-ci
• Une cellule électrochimique qui permet l’extraction de l’énergie stockée dans les solutions pour une utilisation dans un circuit électrique
• Deux réservoirs de stockage et pompes pour faire circuler les solutions à travers la cellule

Ainsi, la capacité électrique totale du dispositif est proportionnelle au volume des électrolytes qui peut être facilement augmenté avec des réservoirs de plus grandes dimensions. De plus, contrairement à la plupart des autres types de batteries, la quantité d’énergie stockée est décorrélée de la puissance fournie au réseau. Effectivement, cette dernière est libérée seulement lorsque les pompes acheminent le fluide (à l’état liquide) au sein de la cellule électrochimique. Les solutions utilisées dans les batteries à flux peuvent être théoriquement rechargées indéfiniment conduisant à des durées de vie longues (jusqu’à plusieurs décennies) et par conséquent à un coût de stockage moindre. En outre, les batteries peuvent être réapprovisionnées rapidement en échangeant simplement les solutions usagées par de nouvelles. Cette possibilité de « ravitaillement rapide » est également une alternative intéressante pour les véhicules électriques par rapport à la technologie lithium-ion. Toutefois, les batteries au lithium possèdent une densité énergétique de l’ordre de 500 W.h/L contre 35 W.h/L pour sa concurrente, ce qui est pour l’heure un avantage décisif pour une utilisation nomade.

La majorité des batteries à flux disponibles sur le marché utilisent les couples fer-chrome, zinc-brome ou encore le vanadium en solution. Dans le cadre du projet quinquennal « Smart Solar Energy Harvesting, Storage and Utilization » financé par le Research Grant Council (RGC), l’équipe du professeur Yi-Chun Lu du laboratoire d’énergie et d’interfaces électrochimiques de CUHK s’est penché sur le sujet en remplaçant les ions bromures (habituellement utilisés) par des ions iodures pour une meilleure efficacité. Les batteries zinc – iodure (ZIBB) contiennent une petite quantité de molécules de diiode libres, qui sont stabilisées par des ions iodure présents en solution pour former un complexe I₃^- comme l’explique le schéma suivant :

Crédits : Chinese University of Hong Kong

Or, cette réaction a pour conséquence de diminuer la concentration en réactif (ions iodure I^-) et de fait les performances. L’équipe du professeur Lu a alors ajouté des ions bromure (Br^-) pour stabiliser les molécules de diiode, libérant ainsi un tiers des ions iodures en solution.

« En poussant ce système à ses limites, nous avons réalisé que nous gaspillons en réalité un tiers des ions d’iodure en tant qu’agent complexant ! Nous nous sommes alors posés la question sur la manière d’utiliser tout le potentiel de cette batterie chimique. »

L’augmentation de la concentration des espèces actives dans l’électrolyte a donné une amélioration immédiate de 20 % de la capacité par rapport aux meilleurs systèmes existants, c’est-à-dire une densité d’énergie de 101 W.h/L, soit la valeur la plus élevée jamais atteinte expérimentalement pour les batteries à flux aqueux.

La technique développée par les chercheurs de CUHK est relativement simple à mettre en place. Il a également été prouvé que ce concept innovant est également applicable à tous les systèmes de stockage d’énergie électrochimique fonctionnant avec de l’iode et est capable d’améliorer leur densité d’énergie théorique.

Sources :

http://www.cpr.cuhk.edu.hk/en/press_detail.php?id=2489
http://www.folkecenter.net/gb/rd/transport/fuels-and-supply/energy_storage/flow_battery/
http://large.stanford.edu/courses/2011/ph240/garg1/
https://www.chemistryworld.com/news/bromide-makes-the-potential-difference-to-flow-battery-chemistry/2500533.article
http://www.flowbatteryforum.com
https://www.solarchoice.net.au/blog/news/an-introduction-to-flow-batteries-030315
https://wernerantweiler.ca/blog.php?item=2014-09-28
Weng, Guo-Ming, et al. "Unlocking the capacity of iodide for high-energy-density zinc/polyiodide and lithium/polyiodide redox flow batteries." Energy & Environmental Science 10.3 (2017) : 735-741.

Rédacteur : Vincent de Brix, Chargé de mission scientifique Hong Kong

Contact : sciences chez consulfrance-hongkong.org