La configuration pour tester la cellule de la batterie à flux redox au vanadium. Le MEA est monté sur un trépied au-dessus de la pompe péristaltique. Les réservoirs sont remplis d'électrolyte de vanadium (avant le début du processus de charge). Crédit :Auteurs de l'étude.
En 2020, La Chine prévoit de lancer le plus grand complexe de batteries au monde avec une capacité de 800 MWh (environ cette quantité d'énergie par an est consommée par un ménage de 200 appartements). Ce complexe n'est pas basé sur les batteries lithium-ion ou plomb-acide habituelles, mais sur la batterie à flux redox où l'électricité est stockée sous forme d'énergie chimique de solutions-électrolytes. La batterie se compose de deux réservoirs dans lesquels les électrolytes sont stockés et d'un assemblage membrane-électrode (MEA) - les solutions sont fournies à la MEA par des pompes où elles subissent des réactions électrochimiques qui assurent la charge et la décharge de la batterie.
En raison de cette configuration, batteries à flux redox, contrairement à de nombreux autres dispositifs de stockage d'énergie, permettre une mise à l'échelle indépendante de la puissance et de la capacité de la batterie, qui sont déterminés par la taille du MEA et le volume d'électrolyte, respectivement. En outre, les batteries à flux redox présentent une autodécharge minimale sur de longues périodes et leurs électrolytes ne se dégradent pas même après des dizaines de milliers de cycles de fonctionnement, ce qui en fait des candidats prometteurs pour stocker de grandes quantités d'énergie dans les réseaux électriques intelligents. Par exemple, ils peuvent stocker l'électricité excédentaire générée par les cellules solaires photovoltaïques pendant la journée et générer de l'électricité de secours la nuit ou par temps nuageux.
« Les batteries à flux sont activement intégrées dans les réseaux électriques de la Chine, Allemagne et autres pays, d'une part, et d'autre part, continuent d'être développés et affinés dans les laboratoires, " commente l'un des auteurs de l'ouvrage, chercheur au NTI Competence Center de l'IPCP RAS, Dmitri Konev. "Nous avons proposé un tout nouveau design de MEA, ce qui facilitera le processus de recherche et réduira considérablement le seuil d'entrée de nouveaux groupes de recherche dans ce domaine. À l'avenir, cela aidera à réaliser des progrès significatifs et fera passer les ressources énergétiques distribuées d'un positionnement de niche à un niveau de commercialisation très élevé, y compris en Russie."
Découpe laser de plaques d'écoulement en feuille de graphite. Crédit :auteurs de l'étude
Sandwich avec remplissage laser
Le MEA est le cœur de la batterie à flux. Cela ressemble à un sandwich de différents matériaux en feuilles, divisé en deux parties symétriques alimentées avec son propre électrolyte. Lorsque la batterie est connectée à une alimentation, l'électrolyte est oxydé, tandis qu'un autre diminue et ainsi la batterie est chargée. Après ça, la source d'alimentation peut être déconnectée et remplacée par un consommateur d'énergie - les électrolytes subiront des processus inverses et la batterie commencera à se décharger.
Une partie importante de la MEA est les plaques de champ d'écoulement, couches sandwich à travers lesquelles l'électrolyte est pompé vers les électrodes où les électrolytes sont oxydés ou réduits. Les performances de la batterie, c'est-à-dire la puissance et l'efficacité, dépendent fortement de la façon dont les champs d'écoulement sont organisés. Par conséquent, les chercheurs sélectionnent souvent différents types de champs pour optimiser les performances de la batterie, mais c'est une tâche très laborieuse :les champs d'écoulement sont broyés dans des plaques de graphite denses, ce qui est une procédure chronophage. Des chercheurs russes ont proposé une approche différente.
"Nous formons des champs d'écoulement en utilisant plusieurs couches minces de matériaux en graphite flexible :les motifs nécessaires y sont découpés par un laser puis ces couches sont superposées les unes aux autres pour obtenir le champ requis, " dit le premier auteur de l'ouvrage, Romain Pichougov, chercheur à l'Université Mendeleev. "La procédure de création de champs de flux ne prend que quelques minutes, ce qui est beaucoup moins que le fraisage traditionnel du graphite. Plus, des matériaux moins chers sont utilisés, et comme résultat, il y a plus de possibilités de variation et de sélection des champs d'écoulement."
Représentation schématique du MEA développé de la batterie à flux redox. Crédit :auteurs de l'étude
De la cellule à la pile
Les batteries Flow peuvent fonctionner avec différents types d'électrolytes. Les plus courants (y compris ceux installés en Chine et en cours d'introduction dans d'autres pays) utilisent des électrolytes de vanadium, à savoir des solutions de sels de vanadium. C'est l'électrolyte sur lequel les scientifiques russes ont testé leur conception de cellule. Ils ont trié différents types de champs de flux, fait varier le débit d'électrolyte et obtenu des résultats qui sur le plan qualitatif coïncident avec les meilleures études mondiales et sur le plan quantitatif les dépassent même légèrement :la puissance des MEA testées dépassait légèrement la puissance des cellules similaires sur graphite.
Ainsi, la nouvelle conception du MEA simplifie considérablement les tests en laboratoire et peut à l'avenir être utilisé dans de vrais systèmes de stockage d'énergie pour les réseaux électriques distribués. Des scientifiques russes en collaboration avec InEnergy LLC développent et testent une batterie à flux de vanadium composée de 10 de ces cellules d'une puissance totale de 20 watts. La construction de la cellule elle-même et l'empilement de 10 cellules sont protégés par des brevets, dont le dernier appartient à la société ADARM, créé par les employés de MUCTR. En outre, les scientifiques développent d'autres types de batteries à flux utilisant différents électrolytes sur la base de la conception proposée du MEA.
