« L’avantage d’une centrale électrique au charbon est qu’elle est très stable », a déclaré Nian Liu, professeur adjoint au Georgia Institute of Technology. « Si la source d’énergie fluctue comme c’est le cas avec l’énergie propre, cela la rend plus difficile à gérer, alors comment pouvons-nous utiliser un dispositif ou un système de stockage d’énergie pour lisser ces fluctuations ? »

Les batteries Flow offrent une solution. Les électrolytes traversent les cellules électrochimiques des réservoirs de stockage de cette batterie rechargeable. Les technologies de batterie à flux existantes coûtent plus de 200 $ / kilowattheure et sont trop chères pour une application pratique, mais le laboratoire de Liu à l’École de génie chimique et biomoléculaire (ChBE) a développé une configuration de cellule de batterie à flux plus compacte qui réduit la taille de la cellule par 75%, et réduit en conséquence la taille et le coût de l’ensemble de la batterie à flux. Les travaux pourraient révolutionner la façon dont tout est alimenté, des grands bâtiments commerciaux aux maisons résidentielles.

L’équipe de recherche de Georgia Tech a publié ses découvertes dans l’article, « A Sub-Millimeter Bundled Microtubular Flow Battery Cell With Ultra-high Volumetric Power Density », dans Actes de l’Académie nationale des sciences.

Trouver le flux

Les batteries à flux tirent leur nom de la cellule de flux où se produit l’échange d’électrons. Leur conception conventionnelle, la cellule planaire, nécessite des distributeurs de débit et des joints volumineux, ce qui augmente la taille et le coût mais diminue les performances globales. La cellule elle-même est également chère. Pour réduire l’encombrement et les coûts, les chercheurs se sont concentrés sur l’amélioration de la densité de puissance volumétrique de la Flow Cell (W/L de cellule).

Ils se sont tournés vers une configuration couramment utilisée dans la séparation chimique – membrane microtubulaire groupée submillimétrique (SBMT) – constituée d’une membrane filtrante en forme de fibre connue sous le nom de fibre creuse. Cette innovation a une conception peu encombrante qui peut atténuer la pression à travers les membranes traversées par les ions sans nécessiter d’infrastructure de support supplémentaire.

« Nous étions intéressés par l’effet de la géométrie du séparateur de batterie sur les performances des batteries à flux », a déclaré Ryan Lively, professeur au ChBE. « Nous étions conscients des avantages que les fibres creuses apportaient aux membranes de séparation et nous avons décidé de réaliser ces mêmes avantages dans le domaine des batteries. »

En appliquant ce concept, les chercheurs ont développé un SMBT qui réduit la distance membrane à membrane de près de 100 fois. La membrane microtubulaire dans la conception fonctionne en même temps comme un distributeur d’électrolyte sans avoir besoin de gros matériaux de support. Les microtubes groupés créent une distance plus courte entre les électrodes et les membranes, augmentant la densité de puissance volumétrique. Cette conception groupée est la découverte clé pour maximiser le potentiel des batteries à flux.

Alimentation de la batterie

Pour valider leur nouvelle configuration de batterie, les chercheurs ont utilisé quatre chimies différentes : le vanadium, le bromure de zinc, le bromure de quinone et l’iodure de zinc. Bien que toutes les chimies soient fonctionnelles, deux étaient les plus prometteuses. Le vanadium était la chimie la plus mature, mais aussi la moins accessible, et sa forme réduite est instable dans l’air. Ils ont découvert que l’iodure de zinc était l’option la plus dense en énergie, ce qui en faisait la plus efficace pour les unités résidentielles. L’iodure de zinc offrait de nombreux avantages, même par rapport au lithium : il pose moins de problèmes de chaîne d’approvisionnement et peut également être transformé en oxyde de zinc et se dissoudre dans l’acide, ce qui le rend beaucoup plus facile à recycler.

Cette solution électrochimique pour cette forme unique de batterie à flux s’est avérée plus puissante que les cellules planaires conventionnelles.

« La performance supérieure du SMBT a également été démontrée par l’analyse par éléments finis », a déclaré Xing Xie, professeur adjoint à l’École de génie civil et environnemental. « Cette méthode de simulation sera également appliquée dans notre future étude pour l’optimisation et la mise à l’échelle des performances des cellules. »

Avec la chimie de l’iodure de zinc, la batterie peut fonctionner pendant plus de 220 heures, ou jusqu’à > 2 500 cycles dans des conditions hors pointe. Cela pourrait également réduire le coût de 800 $ à moins de 200 $ par kilowattheure en utilisant de l’électrolyte recyclé.

Construire l’avenir de l’énergie

Les chercheurs travaillent déjà sur la commercialisation, en se concentrant sur le développement de batteries avec différentes chimies comme le vanadium et en augmentant leur taille. La mise à l’échelle nécessitera la mise au point d’un processus automatisé pour fabriquer un module à fibres creuses, qui se fait désormais manuellement, fibre par fibre. Ils espèrent éventuellement déployer la batterie dans le micro-réseau de 1,4 mégawatt de Georgia Tech à Tech Square, un projet qui teste l’intégration du micro-réseau dans le réseau électrique et offre un laboratoire vivant aux professeurs et aux étudiants.

Les cellules SBMT pourraient également être appliquées à différents systèmes de stockage d’énergie comme l’électrolyse et les piles à combustible. La technologie pourrait même être renforcée avec des matériaux avancés et une chimie différente dans diverses applications.

« Cette innovation est très axée sur les applications », a déclaré Liu. « Nous avons besoin d’atteindre la neutralité carbone en augmentant le pourcentage d’énergie renouvelable dans notre production d’énergie, et en ce moment, c’est moins de 15% aux États-Unis. Nos recherches pourraient changer cela. »