Un petit prix, La chimie des batteries haute performance développée par des chercheurs de l'Université du Colorado à Boulder pourrait un jour conduire à un stockage évolutif au niveau du réseau pour l'énergie éolienne et solaire, ce qui pourrait aider les services publics d'électricité à réduire leur dépendance aux combustibles fossiles.

La nouvelle innovation, décrit aujourd'hui dans la revue Joule , décrit deux batteries à flux aqueux, également appelées batteries à flux redox, qui utilisent du chrome et des liants organiques pour obtenir une tension exceptionnelle et des rendements élevés. Les composants sont abondants dans la nature, offrant une promesse d'avenir pour une fabrication rentable.

« Nous sommes ravis d'annoncer certaines des chimies de batteries les plus performantes de tous les temps, au-delà des limites précédentes, " a déclaré Michael Marshak, auteur principal de l'étude et professeur adjoint au département de chimie de CU Boulder. « Les matériaux sont bon marché, non toxique et facilement disponible.

Les sources d'énergie renouvelables fournissent une part croissante de la production électrique américaine, mais il manque actuellement une solution à grande échelle pour stocker l'énergie récupérée et la redéployer pour répondre à la demande pendant les périodes où le soleil ne brille pas et le vent ne souffle pas.

"Il y a des inadéquations entre l'offre et la demande sur le réseau énergétique pendant la journée, " dit Marshak, qui est également membre du Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI). "Le soleil pourrait répondre aux besoins du réseau le matin, mais la demande a tendance à culminer en fin d'après-midi et à se poursuivre dans la soirée après le coucher du soleil. À l'heure actuelle, les entreprises de services publics doivent combler cette lacune en augmentant rapidement leur production de charbon et de gaz naturel, tout comme vous prendriez une voiture de zéro à soixante."

Bien que le lithium-ion puisse fournir de l'énergie pour des applications à plus petite échelle, vous auriez besoin de millions de batteries pour sauvegarder même une petite centrale électrique à combustible fossile pendant une heure, dit Marshak. Mais alors que la chimie des ions lithium est efficace, il est mal adapté pour répondre à la capacité d'un champ d'éoliennes entier ou d'un réseau de panneaux solaires.

"Le problème de base avec les batteries lithium-ion est qu'elles ne s'adaptent pas très bien, " dit Marshak. " Plus vous ajoutez de matière solide, plus vous ajoutez de résistance, puis tous les autres composants doivent augmenter en tandem. Donc en substance, si vous voulez deux fois plus d'énergie, vous devez construire deux fois plus de batteries et ce n'est tout simplement pas rentable quand vous parlez de ce nombre de mégawattheures."

Les batteries à flux ont été identifiées comme une voie plus prometteuse. Les batteries aqueuses conservent leurs principes actifs séparés sous forme liquide dans de grands réservoirs, permettant au système de distribuer l'énergie de manière gérée, similaire à la façon dont un réservoir d'essence fournit une combustion de carburant stable au moteur d'une voiture lorsque vous appuyez sur la pédale.

Bien qu'il existe des exemples de batteries à flux fonctionnant de manière constante pendant des décennies (comme au Japon), ils ont eu du mal à s'implanter largement dans les opérations commerciales et municipales en partie à cause de leur taille encombrante, des coûts d'exploitation élevés et une faible tension comparable.

"La taille est moins un problème pour les systèmes à l'échelle du réseau, car il serait juste attaché à une structure déjà grande, " dit Marshak. " Ce qui compte, c'est le coût, et c'est ce que nous voulions améliorer."

Les chercheurs sont revenus à l'essentiel, réexaminer les chimies des batteries à flux qui avaient été étudiées il y a des années, mais abandonné. La clé s'est avérée être la combinaison de liants organiques, ou chélates, avec des ions chrome afin de stabiliser un électrolyte puissant.

"Certaines personnes ont déjà adopté cette approche, mais n'avait pas prêté assez d'attention aux liants, " a déclaré Brian Robb, auteur principal de la nouvelle étude et doctorant au Département de génie chimique et biologique (CHBE). "Vous devez adapter le chélate à l'ion métallique et nous avons fait beaucoup de travail pour trouver le bon qui les lierait étroitement."

Marshak, Robb et son co-auteur Jason Farrell ont personnalisé le chélate connu sous le nom de PDTA pour créer un "bouclier" autour de l'électron de chrome, empêcher l'eau d'entraver le réactif et permettre à l'une des cellules de la batterie de disperser 2,13 volts, soit près du double de la moyenne opérationnelle pour une batterie à flux.

PDTA est un spin-off de l'EDTA, un agent déjà utilisé dans certains savons pour les mains, conservateurs alimentaires et traitements des eaux municipales en raison de ses propriétés antibactériennes. L'EDTA est considéré comme non toxique. La chimie utilise également la forme bénigne du chrome, le même type utilisé dans les instruments chirurgicaux en acier inoxydable.

"Nous l'avons fait fonctionner au pH relativement neutre de 9, contrairement à d'autres batteries qui utilisent un acide hautement corrosif avec lequel il est difficile de travailler et de s'en débarrasser de manière responsable, " Robb a déclaré. "Ceci est plus proche du détergent à lessive."

"Vous pourriez commander 15 tonnes de ces matériaux demain si vous le vouliez, car il existe déjà des usines qui les produisent, " ajouta Marshak.

Marshak et Robb ont déposé un brevet sur l'innovation avec l'aide de CU Boulder Venture Partners. Ils prévoient de continuer à optimiser leur système, y compris la mise à l'échelle en laboratoire afin de faire cycler la batterie pendant des périodes encore plus longues.

"Nous avons résolu le problème à un niveau fondamental, " a déclaré Marshak. "Maintenant, nous pouvons essayer beaucoup de choses pour continuer à repousser les limites de performance."