De nouveaux outils montrent la voie à suivre pour le stockage à grande échelle des énergies renouvelables

Une technique basée sur les principes de l'IRM et de la RMN a permis aux chercheurs d'observer non seulement le fonctionnement des batteries de nouvelle génération pour le stockage d'énergie à grande échelle, mais aussi leurs défaillances, ce qui contribuera à l'élaboration de stratégies visant à prolonger la durée de vie des batteries pour soutenir la transition vers un avenir sans carbone.

Les nouveaux outils, mis au point par des chercheurs de l'université de Cambridge, aideront les scientifiques à concevoir des systèmes de batteries plus efficaces et plus sûrs pour le stockage d'énergie à l'échelle du réseau. En outre, la technique peut être appliquée à d'autres types de batteries et de cellules électrochimiques pour démêler les mécanismes de réaction complexes qui se produisent dans ces systèmes, et pour détecter et diagnostiquer les défauts.

Les chercheurs ont testé leurs techniques sur des batteries organiques à flux redox, des candidats prometteurs pour stocker suffisamment d'énergie renouvelable pour alimenter les villes, mais qui se dégradent trop rapidement pour des applications commerciales. Les chercheurs ont découvert qu'en chargeant les batteries à un voltage inférieur, ils étaient capables de ralentir considérablement le taux de dégradation, ce qui prolongeait la durée de vie des batteries. Lesrésultats sont publiés dans la revue Nature.

Les batteries sont un élément essentiel de la transition vers l'abandon des sources d'énergie basées sur les combustibles fossiles. Sans batteries capables de stocker l'énergie à l'échelle du réseau, il sera impossible d'alimenter l'économie en utilisant uniquement des énergies renouvelables. Et les batteries lithium-ion, bien qu'elles conviennent à l'électronique grand public, ne peuvent pas être facilement dimensionnées pour stocker suffisamment d'énergie pour alimenter une ville entière, par exemple. Les matériaux inflammables contenus dans les batteries au lithium-ion présentent également des risques potentiels pour la sécurité. Plus la batterie est grande, plus elle risque de causer des dommages en cas d'incendie.

Les batteries à flux redox sont une solution possible à ce casse-tête technologique. Elles se composent de deux réservoirs d'électrolyte liquide, l'un positif et l'autre négatif, et peuvent être mises à l'échelle en augmentant simplement la taille des réservoirs, ce qui les rend particulièrement adaptées au stockage des énergies renouvelables. Ces batteries ininflammables de la taille d'une pièce, voire d'un bâtiment, pourraient jouer un rôle clé dans les futurs réseaux d'énergie verte.

Plusieurs entreprises développent actuellement des batteries d'oxydoréduction pour des applications commerciales, dont la plupart utilisent le vanadium comme électrolyte. Cependant, le vanadium étant cher et toxique, les chercheurs travaillent à la mise au point d'une batterie redox flow à base de matériaux organiques, moins onéreuse et plus durable. Cependant, ces molécules ont tendance à se dégrader rapidement.

"Comme les molécules organiques ont tendance à se dégrader rapidement, cela signifie que la plupart des batteries qui les utilisent comme électrolyte ne dureront pas très longtemps, ce qui les rend inadaptées aux applications commerciales", a déclaré le Dr Evan Wenbo Zhao du département de chimie de Cambridge, et premier auteur de l'article. "Bien que nous le sachions depuis un certain temps, nous n'avons pas toujours compris pourquoi cela se produit".

Aujourd'hui, Zhao et ses collègues du groupe de recherche du professeur Clare Grey à Cambridge, ainsi que des collaborateurs du Royaume-Uni, de Suède et d'Espagne, ont mis au point deux nouvelles techniques permettant d'observer l'intérieur des batteries redox organiques à flux afin de comprendre pourquoi l'électrolyte se décompose et d'améliorer leurs performances.

En utilisant des études de résonance magnétique nucléaire (RMN) en temps réel, une sorte d'"IRM fonctionnelle pour les batteries", et des méthodes développées par le groupe du professeur Grey, les chercheurs ont pu lire les signaux de résonance des molécules organiques, à la fois dans leur état initial et lorsqu'elles se dégradent en d'autres molécules. Ces études "operando" par RMN de la dégradation et de l'autodécharge dans les batteries à flux redox permettent de comprendre les mécanismes internes sous-jacents des réactions, tels que la formation de radicaux et les transferts d'électrons entre les différentes espèces redox actives dans les solutions.

"Il existe peu d'études mécanistes insitu des batteries redox flow organiques, des systèmes qui sont actuellement limités par les problèmes de dégradation", a déclaré M. Grey. "Nous devons comprendre à la fois comment ces systèmes fonctionnent et comment ils échouent si nous voulons progresser dans ce domaine".

Les chercheurs ont découvert que dans certaines conditions, les molécules organiques avaient tendance à se dégrader plus rapidement. "Si nous modifions les conditions de charge en chargeant à un voltage plus faible, l'électrolyte dure plus longtemps", a déclaré Zhao. "Nous pouvons également modifier la structure des molécules organiques afin qu'elles se dégradent plus lentement. Nous comprenons maintenant mieux pourquoi les conditions de charge et les structures moléculaires sont importantes".

Les chercheurs veulent maintenant appliquer leur installation RMN à d'autres types de batteries organiques à flux redox, ainsi qu'à d'autres types de batteries de prochaine génération, comme les batteries lithium-air.

"Nous sommes enthousiasmés par le large éventail d'applications potentielles de cette méthode pour surveiller une variété de systèmes électrochimiques pendant leur fonctionnement", a déclaré M. Grey.

Par exemple, la technique RMN sera utilisée pour développer un appareil portable de "bilan de santé" des batteries pour diagnostiquer leur état.

"En utilisant un tel dispositif, il pourrait être possible de vérifier l'état de l'électrolyte d'une batterie organique redox en fonctionnement et de la remplacer si nécessaire", a déclaré Zhao. "Comme l'électrolyte de ces batteries est peu coûteux et non toxique, ce serait un processus relativement simple, qui prolongerait la durée de vie de ces batteries".

La recherche a été financée en partie par le Conseil de recherche en sciences physiques et en génie (EPSRC) et Shell.

Auteur : Université de Cambridge

Crédit image : Unsplash

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