Une technique basée sur les principes de l'IRM 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 comment ils échouent, qui contribuera à l'élaboration de stratégies visant à prolonger la durée de vie des batteries à l'appui de la transition vers un avenir zéro carbone.

Les nouveaux outils, développé par des chercheurs de l'Université de Cambridge, aidera 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 réactionnels complexes qui se produisent dans ces systèmes, et pour détecter et diagnostiquer les défauts.

Les chercheurs ont testé leurs techniques sur des batteries à flux redox organiques, 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 une tension inférieure, ils ont pu ralentir considérablement le taux de dégradation, prolongeant la durée de vie des batteries. Les résultats sont publiés dans le journal La nature .

Les batteries sont un élément essentiel de la transition vers les sources d'énergie basées sur les combustibles fossiles. Sans batteries capables de stockage à l'échelle du réseau, il sera impossible d'alimenter l'économie en utilisant uniquement des énergies renouvelables. Et des batteries lithium-ion, tout en étant adapté à l'électronique grand public, n'évoluent pas facilement jusqu'à une taille suffisante pour stocker suffisamment d'énergie pour alimenter une ville entière, par exemple. Les matériaux inflammables dans les batteries lithium-ion présentent également des risques potentiels pour la sécurité. Plus la batterie est grosse, plus il pourrait causer de dommages potentiels s'il prenait feu.

Les batteries à flux redox sont une solution possible à ce puzzle technologique. Ils se composent de deux réservoirs d'électrolyte liquide, un positif et un négatif, et peut être agrandie simplement en augmentant la taille des réservoirs, ce qui les rend parfaitement adaptés au stockage d'énergie renouvelable. Ces dimensions d'une pièce, ou même de la taille d'un bâtiment, les batteries non inflammables peuvent jouer un rôle clé dans les futurs réseaux d'énergie verte.

Plusieurs sociétés développent actuellement des batteries à flux redox pour des applications commerciales, dont la plupart utilisent du vanadium comme électrolyte. Cependant, le vanadium est cher et toxique, les chercheurs sur les batteries travaillent donc au développement d'une batterie à flux redox basée sur des matériaux organiques moins chers et plus durables. Cependant, ces molécules ont tendance à se dégrader rapidement.

"Comme les molécules organiques ont tendance à se décomposer rapidement, cela signifie que la plupart des batteries les utilisant comme électrolytes ne dureront pas très longtemps, les rendant impropres aux applications commerciales, " a déclaré le Dr Evan Wenbo Zhao du département de chimie de Cambridge, et le premier auteur de l'article. "Bien que nous le sachions depuis un moment, ce que nous n'avons pas toujours compris, c'est pourquoi cela se produit."

Maintenant, Zhao et ses collègues du groupe de recherche du professeur Clare Grey à Cambridge, avec des collaborateurs du Royaume-Uni, Suède et Espagne, ont développé deux nouvelles techniques pour scruter l'intérieur des batteries à flux redox organiques 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 pour batteries » fonctionnelle, et méthodes développées par le groupe du professeur Grey, les chercheurs ont pu lire les signaux de résonance des molécules organiques, à la fois dans leurs états d'origine et lorsqu'ils se sont dégradés en d'autres molécules. Ces études RMN « operando » de la dégradation et de l'autodécharge dans les batteries à flux redox donnent un aperçu des 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 mécanistiques in situ des batteries à flux redox organiques, des systèmes actuellement limités par des problèmes de dégradation, " a déclaré 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 ont tendance à se dégrader plus rapidement. « Si nous modifions les conditions de charge en chargeant à une tension inférieure, 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 souhaitent maintenant appliquer leur configuration RMN sur d'autres types de batteries à flux redox organiques, ainsi que sur d'autres types de batteries de nouvelle 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, " dit Grey.

Par exemple, la technique RMN sera utilisée pour développer un appareil portable de « contrôle de l'état » de la batterie pour diagnostiquer son état.

« En utilisant un tel appareil, il pourrait être possible de vérifier l'état de l'électrolyte dans une batterie à flux redox organique en fonctionnement et de le remplacer si nécessaire, " a déclaré Zhao. " Étant donné que l'électrolyte de ces batteries est peu coûteux et non toxique, ce serait un processus relativement simple, prolonger la durée de vie de ces batteries."