Comprendre une bizarrerie de cérium pourrait aider à faire progresser le stockage d’énergie à l’échelle du réseau : il s’avère que les batteries à flux de cérium perdent de la tension lorsque les molécules d’électrolyte siphonnent l’énergie pour former différents complexes autour du métal

Une explication de la raison pour laquelle les batteries à flux utilisant le cérium métallique dans un électrolyte d’acide sulfurique manquent de tension, découverte grâce à une étude menée par l’Université du Michigan, pourrait ouvrir la voie à une meilleure chimie des batteries.

Les batteries à flux sont l’une des méthodes envisagées pour stocker des sources intermittentes d’électricité renouvelable, telles que l’énergie solaire et éolienne. Ils peuvent stocker de grandes quantités d’énergie en gardant le potentiel chimique sous forme liquide, avec deux électrolytes qui traversent des électrodes poreuses pour se charger et se décharger. Le cérium métallique pourrait stocker de l’énergie à une tension relativement élevée, ce qui signifie plus d’énergie par ion métallique, et à faible coût.

L’un des défis avec le cérium est de trouver comment faire transférer efficacement les charges électriques vers et depuis l’électrode. En traversant l’électrode positive, le cérium capte ou laisse tomber un électron, selon que la batterie est en charge ou en décharge.

Cependant, le cérium dans un électrolyte d’acide sulfurique ne capte pas et ne laisse pas tomber l’électron aussi rapidement que prévu, ce qui signifie que l’énergie est gaspillée. Il s’est avéré que les molécules d’eau et les molécules de sulfate faisaient une danse compliquée autour du cérium, et c’est ainsi que l’énergie a été perdue.

« Grâce à cette étude, nous avons une meilleure compréhension du comportement des ions cérium dans les électrolytes acides lors du transfert de charge », a déclaré Cailin Buchanan, récemment diplômé d’un doctorat en génie chimique de l’UM et premier auteur de l’article dans la revue. JACS Au.

« Cette compréhension nous aidera, ainsi que les futurs chercheurs, à concevoir des batteries à base de cérium plus efficaces qui ont moins de perte de tension pendant la charge et la décharge. »

L’équipe a examiné de près ce qui se passait lorsque le cérium captait et laissait tomber des électrons, en utilisant l’absorption des rayons X pour garder un œil sur les liaisons et les associations entre le cérium, les sulfates et l’eau. Ces expériences ont été réalisées au Laboratoire National d’Argonne. Ils ont suivi ces mesures avec des simulations informatiques, dirigées par Bryan Goldsmith, professeur adjoint Dow Corning de génie chimique à l’UM.

« Nous constatons que lorsque le cérium est court de trois électrons, il n’est entouré que de molécules d’eau, tandis que lorsqu’il abandonne ce quatrième électron, les ions sulfate ou bisulfate sont suspendus à l’ion cérium », a déclaré Nirala Singh, professeure adjointe de génie chimique à l’UM. et auteur correspondant de l’étude, qui a dirigé l’expérience.

« En conséquence, lorsque nous oxydons le cérium en enlevant cet électron, ou le réduisons en lui redonnant un électron, un transfert d’électron doit se produire et les molécules qui l’entourent doivent se réorganiser. »

En comprenant l’énergie associée à ce réarrangement structurel, les chercheurs ont pu expliquer pourquoi la réaction est asymétrique, où l’oxydation et la réduction se comportent différemment. Pour cette raison, la théorie de référence pour prédire les taux de transfert d’électrons, connue sous le nom de théorie de Marcus, n’est pas suffisante. Au lieu de cela, l’équipe a découvert qu’il était possible d’utiliser la théorie de Marcus pour comprendre la pièce de transfert d’électrons, puis d’ajouter les effets du réarrangement dans un processus en deux étapes.

« La complexation inégale entre les formes oxydées et réduites du cérium ralentit les taux de réaction, et cette connaissance éclairera les stratégies de conception d’électrolytes pour le cérium ou d’autres batteries à flux similaires », a déclaré Singh.

En utilisant la méthode en deux étapes de l’équipe, les chercheurs pourront identifier les électrolytes qui ont des taux de réaction rapides, produisant des rendements élevés. En fin de compte, l’objectif est d’utiliser des électrolytes qui ne stockeront pas différentes quantités d’énergie dans les complexes autour de l’ion cérium oxydé ou réduit.

En plus d’ouvrir de nouvelles voies dans le stockage d’énergie à l’échelle du réseau, cette découverte pourrait améliorer d’autres processus chimiques qui reposent sur le cérium, tels que la fabrication de produits à base de carbone et la décontamination des eaux usées.

La recherche est soutenue par l’Université du Michigan et le programme Dow Sustainability Fellows. Les électrodes pour préparer les ions cérium ont été fournies par De Nora.

Les ressources informatiques ont été fournies par le National Energy Research Scientific Computing Center du Department of Energy et l’Extreme Science and Engineering Discovery Environment de la National Science Foundation.

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