Comment stockez-vous l'énergie renouvelable pour qu'elle soit là quand vous en avez besoin, même quand le soleil ne brille pas ou que le vent ne souffle pas ? Des batteries géantes conçues pour le réseau électrique - appelées batteries à flux, qui stockent l'électricité dans des réservoirs d'électrolyte liquide - pourrait être la réponse, mais jusqu'à présent, les services publics n'ont pas encore trouvé de batterie rentable pouvant alimenter de manière fiable des milliers de foyers tout au long d'un cycle de vie de 10 à 20 ans.

Maintenant, une technologie de membrane de batterie développée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département de l'Énergie des États-Unis pourrait indiquer une solution.

Comme le rapporte le journal de Joule , les chercheurs ont développé une membrane de batterie polyvalente mais abordable, à partir d'une classe de polymères connus sous le nom d'AquaPIM. Cette classe de polymères rend possibles des batteries de grille durables et peu coûteuses basées uniquement sur des matériaux facilement disponibles tels que le zinc, fer à repasser, et de l'eau. L'équipe a également développé un modèle simple montrant comment différentes membranes de batterie ont un impact sur la durée de vie de la batterie, qui devrait accélérer la R&D précoce pour les technologies de batterie à flux, en particulier dans la recherche d'une membrane appropriée pour différentes chimies de batterie.

« Notre technologie membranaire AquaPIM est bien positionnée pour accélérer la commercialisation des batteries à flux qui utilisent des à bas prix, chimie à base d'eau, " a déclaré Brett Helms, chercheur principal au Centre commun de recherche sur le stockage de l'énergie (JCESR) et scientifique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab qui a dirigé l'étude. "En utilisant notre technologie et les modèles empiriques qui l'accompagnent pour les performances et la durée de vie de la batterie, d'autres chercheurs pourront évaluer rapidement l'état de préparation de chaque composant entrant dans la batterie, de la membrane aux matériaux de stockage de charge. Cela devrait permettre aux chercheurs et aux développeurs de produits d'économiser du temps et des ressources."

La plupart des chimies de batterie de grille ont des électrodes hautement alcalines (ou basiques) - une cathode chargée positivement d'un côté, et une anode chargée négativement de l'autre côté. Mais les membranes de pointe actuelles sont conçues pour les chimies acides, comme les membranes fluorées présentes dans les piles à combustible, mais pas pour les piles alcalines. (En chimie, Le pH est une mesure de la concentration en ions hydrogène d'une solution. L'eau pure a un pH de 7 et est considérée comme neutre. Les solutions acides ont une forte concentration d'ions hydrogène, et sont décrits comme ayant un faible pH, ou un pH inférieur à 7. En revanche, les solutions alcalines ont de faibles concentrations d'ions hydrogène et ont donc un pH élevé, ou un pH supérieur à 7. Dans les piles alcalines, le pH peut atteindre 14 ou 15.)

Les membranes polymères fluorées sont également chères. Selon Helms, ils peuvent représenter 15 à 20 % du coût de la batterie, qui peut fonctionner dans la gamme de 300 $/kWh.

Une façon de réduire le coût des batteries à flux est d'éliminer complètement les membranes en polymère fluoré et de proposer une alternative performante mais moins chère telle que les AquaPIM, dit Miranda Baran, un étudiant chercheur diplômé du groupe de recherche de Helms et l'auteur principal de l'étude. Baran est également titulaire d'un doctorat. étudiant au Département de chimie de l'UC Berkeley.

Revenir à l'essentiel

Helms et ses co-auteurs ont découvert la technologie AquaPIM - qui signifie « polymères compatibles avec l'eau de microporosité intrinsèque » - tout en développant des membranes polymères pour les systèmes aqueux alcalins (ou basiques) dans le cadre d'une collaboration avec le co-auteur Yet-Ming Chiang, chercheur principal au JCESR et professeur Kyocera de science et d'ingénierie des matériaux au Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Grâce à ces premières expériences, les chercheurs ont appris que les membranes modifiées avec un produit chimique exotique appelé « amidoxime » permettaient aux ions de se déplacer rapidement entre l'anode et la cathode.

Plus tard, tout en évaluant les performances de la membrane AquaPIM et la compatibilité avec différentes chimies de batterie de grille, par exemple, une configuration expérimentale utilisait du zinc comme anode et un composé à base de fer comme cathode. Les chercheurs ont découvert que les membranes AquaPIM conduisaient à des piles alcalines remarquablement stables.

En outre, ils ont découvert que les prototypes AquaPIM conservaient l'intégrité des matériaux de stockage de charge dans la cathode ainsi que dans l'anode. Lorsque les chercheurs ont caractérisé les membranes de la source lumineuse avancée (ALS) de Berkeley Lab, les chercheurs ont découvert que ces caractéristiques étaient universelles dans toutes les variantes d'AquaPIM.

Baran et ses collaborateurs ont ensuite testé les performances d'une membrane AquaPIM avec un électrolyte alcalin aqueux. Dans cette expérience, ils ont découvert que dans des conditions alcalines, les amidoximes liés aux polymères sont stables, un résultat surprenant étant donné que les matériaux organiques ne sont généralement pas stables à pH élevé.

Une telle stabilité a empêché les pores de la membrane AquaPIM de s'effondrer, leur permettant ainsi de rester conducteurs sans perte de performances dans le temps, alors que les pores d'une membrane commerciale en polymère fluoré se sont effondrés comme prévu, au détriment de ses propriétés de transport d'ions, Helms a expliqué.

Ce comportement a été corroboré par les études théoriques d'Artem Baskin, un chercheur postdoctoral travaillant avec David Prendergast, qui est le directeur par intérim de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab et un chercheur principal du JCESR avec Chiang et Helms.

Baskin a simulé les structures des membranes AquaPIM à l'aide des ressources informatiques du Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique de Berkeley Lab (NERSC) et a découvert que la structure des polymères constituant la membrane était significativement résistante à l'effondrement des pores dans des conditions très basiques dans les électrolytes alcalins.

Un test d'écran pour de meilleures batteries

Lors de l'évaluation des performances et de la compatibilité de la membrane AquaPIM avec différentes chimies de batterie de grille, les chercheurs ont développé un modèle qui lie les performances de la batterie aux performances de diverses membranes. Ce modèle pourrait prédire la durée de vie et l'efficacité d'une batterie à flux sans avoir à construire un appareil entier. Ils ont également montré que des modèles similaires pouvaient être appliqués à d'autres chimies de batteries et à leurs membranes.

"Typiquement, vous devrez attendre des semaines, voire des mois, pour savoir combien de temps durera une batterie après avoir assemblé la cellule entière. En utilisant un tamis à membrane simple et rapide, vous pouvez réduire cela à quelques heures ou jours, " dit Helms.

Les chercheurs prévoient ensuite d'appliquer les membranes AquaPIM à un plus large éventail de chimies de batteries à flux aqueux, des métaux et inorganiques aux organiques et polymères. Ils prévoient également que ces membranes sont compatibles avec d'autres piles alcalines au zinc aqueuses, y compris les batteries qui utilisent soit de l'oxygène, oxyde de manganèse, ou des charpentes organométalliques comme cathode.

Des chercheurs du Berkeley Lab, UC Berkeley, Massachusetts Institute of Technology, et Istituto Italiano di Tecnologia ont participé à l'étude.