Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), en collaboration avec des collègues de l'Université de Cambridge, ont mis au point une nouvelle méthode pour prolonger considérablement la durée de vie des batteries à flux aqueux organique, améliorant ainsi la viabilité commerciale d'un technologie qui a le potentiel de stocker en toute sécurité et à moindre coût l'énergie provenant de sources renouvelables telles que l'éolien et le solaire.

"Les batteries à flux redox aqueux organiques promettent de réduire considérablement les coûts de stockage de l'électricité à partir de sources d'énergie intermittentes, mais l'instabilité des molécules organiques a entravé leur commercialisation", a déclaré Michael Aziz, professeur Gene et Tracy Sykes de technologies des matériaux et de l'énergie à SEAS. . "Maintenant, nous avons une solution vraiment pratique pour prolonger la durée de vie de ces molécules, ce qui est un pas énorme pour rendre ces batteries compétitives."

La recherche est publiée dans Nature Chemistry .

Au cours de la dernière décennie, Aziz et Roy Gordon, professeur de chimie Thomas Dudley Cabot et professeur de science des matériaux, ont collaboré pour développer des batteries organiques à flux aqueux en utilisant des molécules appelées anthraquinones, qui sont composées d'éléments naturellement abondants tels que le carbone, l'hydrogène, et de l'oxygène, pour stocker et libérer de l'énergie.

Au cours de leurs recherches, l'équipe a découvert que ces anthraquinones se décomposent lentement au fil du temps, quel que soit le nombre d'utilisations de la batterie.

Dans des travaux antérieurs, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient prolonger la durée de vie de l'une de ces molécules, nommée DHAQ mais surnommée la "quinone zombie" en laboratoire, en exposant la molécule à l'air. L'équipe a découvert que si la molécule est exposée à l'air juste au bon moment de son cycle de charge-décharge, elle capte l'oxygène de l'air et redevient la molécule d'anthraquinone d'origine, comme si elle revenait d'entre les morts, d'où son surnom.

Mais exposer régulièrement l'électrolyte d'une batterie à l'air n'est pas vraiment pratique, car cela déséquilibre les deux côtés de la batterie - les deux côtés de la batterie ne peuvent plus être complètement chargés en même temps.

Pour trouver une approche plus pratique, les chercheurs ont collaboré avec des chimistes de l'Université de Cambridge au Royaume-Uni pour mieux comprendre comment les molécules se décomposent et ont inventé une méthode électrique pour inverser le processus.

L'équipe a découvert que s'ils effectuaient une décharge dite profonde, dans laquelle les bornes positive et négative de la batterie se vidaient de sorte que la différence de tension entre les deux devienne nulle, puis inversait la polarité de la batterie, forçant le côté positif négatif et le côté négatif positif, il a créé une impulsion de tension qui pourrait réinitialiser les molécules en décomposition à leur forme d'origine.

"Habituellement, lorsque vous utilisez d'autres types de batteries, vous voulez éviter de vider complètement la batterie car elle a tendance à dégrader ses composants", a déclaré Yan Jing, boursier postdoctoral à Harvard et co-premier auteur de l'article. "Mais nous avons découvert que cette décharge extrême, jusqu'à inverser la polarité, peut recomposer ces molécules, ce qui était une surprise."

Le processus fonctionne un peu comme un stimulateur cardiaque, fournissant périodiquement un choc au système qui ravive les molécules décomposées.

Dans cet article, les chercheurs ont démontré une durée de vie nette 17 fois plus longue que les recherches précédentes. Dans des recherches ultérieures, qui ont affiné le processus, les chercheurs ont démontré une augmentation encore plus importante de la durée de vie, jusqu'à 260 fois plus longue, entraînant un taux de perte inférieur à 10 % par an. Cette recherche n'a pas encore été publiée.

"Parvenir à un pourcentage de perte à un chiffre par an permet vraiment une commercialisation à grande échelle, car ce n'est pas une charge financière majeure de remplir vos réservoirs de quelques pour cent chaque année", a déclaré Aziz.

L'Office of Technology Development de Harvard a protégé la propriété intellectuelle associée à ce projet et a concédé sous licence la technologie et d'autres brevets connexes sur les batteries à flux de quinone à Quino Energy, une startup qui poursuit son développement commercial.

L'équipe de recherche a également démontré que cette approche fonctionne pour une gamme de molécules organiques et pour une gamme de processus de décharge profonde, avec et sans inversion de polarité. Ensuite, l'équipe vise à explorer dans quelle mesure elle peut prolonger la durée de vie du DHAQ et d'autres anthraquinones peu coûteuses qui ont été utilisées dans ces systèmes.

« On peut s'attendre à ce que les batteries à flux soient la prochaine vague de technologie de stockage au-delà du lithium, en particulier les batteries à électrolytes organiques », a déclaré Imre Gyuk, directeur du programme Office of Electricity Storage du ministère de l'Énergie. "Ce travail permet de contrôler le processus de décomposition, prolongeant ainsi considérablement la durée de vie et permettant des applications pour le stockage d'énergie de moyenne et longue durée."

La recherche a été co-écrite par Evan Wenbo Zhao, Marc-Antoni Goulet, Meisam Bahari, Eric M. Fell, Shijian Jin, Ali Davoodi, Erlendur Jónsson, Min Wu, Clare P. Gray et Roy G. Gordon. + Explorer plus loin

Une nouvelle batterie à flux organique redonne vie aux molécules en décomposition