Les batteries à flux redox Viologen offrent une alternative au vanadium

Une technologie a été développée pour remplacer le matériau actif des « batteries à flux redox » ESS de grande capacité par une substance plus abordable.

L’équipe de recherche du Dr Seunghae Hwang du département de recherche sur le stockage de l’énergie de l’Institut coréen de recherche sur l’énergie a réussi à améliorer les performances et la durée de vie des batteries à flux redox, un important dispositif de stockage d’énergie de grande capacité, en introduisant des groupes fonctionnels qui remplacent les matériaux actifs et améliorent la solubilité et la stabilité.

Pour étendre l’utilisation des énergies renouvelables telles que l’énergie solaire et éolienne, il est nécessaire de disposer d’un système de stockage d’énergie à long terme capable de stocker l’électricité produite dans des conditions météorologiques favorables pendant plus de 8 heures et de la réutiliser si nécessaire.

Parmi ces technologies, les batteries à flux redox, qui présentent un risque d’incendie plus faible et une durée de vie plus longue de plus de 20 ans par rapport aux batteries lithium-ion couramment utilisées, font l’objet de recherches actives à l’échelle mondiale. La République de Corée se concentre également sur le développement de technologies à faible coût et à haut rendement qui seront largement adoptées vers 2030.

Bien que le vanadium soit actuellement commercialisé comme matériau actif dans les batteries à flux redox, ses réserves limitées ont récemment stimulé la recherche de solutions alternatives. Les composés organiques tels que les viologènes, fabriqués à partir d’éléments naturels comme le carbone et l’oxygène, sont particulièrement remarquables pour leur prix abordable et leur potentiel à remplacer le vanadium.

Cependant, les viologènes présentent l’inconvénient d’une faible solubilité, ce qui réduit la densité énergétique globale, et de leur instabilité lorsqu’ils répètent des charges et des décharges, ce qui nécessite le développement de technologies pour surmonter ces problèmes.

Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs ont introduit des groupes fonctionnels dans les viologènes. Ces groupes fonctionnels s’insèrent dans les viologènes comme des blocs d’assemblage, améliorant leur solubilité et leur stabilité.

Pour augmenter la solubilité des viologènes, les chercheurs ont introduit des groupes fonctionnels sulfonate et ester, qui ont des propriétés hydrophiles. Ces deux groupes fonctionnels génèrent des forces attractives entre les molécules par le biais d’interactions avec les molécules d’eau (électrolyte) à la surface des viologènes, facilitant ainsi la dispersion des viologènes dans l’eau.

Les viologènes sont structurés comme un sandwich, constitué de deux couches moléculaires. Lors de la charge, ces couches se combinent fréquemment, se transformant en une structure qui ne peut plus stocker d’énergie.

Pour remédier à ce problème, les chercheurs ont introduit des groupes fonctionnels alpha-méthyle qui agissent comme des obstacles. Ces groupes fonctionnels introduisent une torsion dans la structure en couches et génèrent une répulsion entre les molécules, supprimant les réactions secondaires et améliorant ainsi l’efficacité et la stabilité du stockage d’énergie.

L’application du matériau actif développé par les chercheurs aux batteries à flux redox a permis de confirmer que la densité énergétique était plus de deux fois supérieure à celle des batteries à flux redox au vanadium. De plus, après 200 cycles de charge et de décharge, les batteries ont démontré une efficacité coulombienne de 99,4 % (capacité de décharge par rapport à la capacité de charge) et une rétention de capacité de 92,4 %, ce qui indique des performances et une stabilité améliorées.

Le Dr Hwang, premier auteur de l’article contenant les résultats de la recherche, a déclaré : « En réponse au changement climatique et pour étendre l’utilisation des énergies renouvelables, il est nécessaire de faciliter le stockage de l’énergie grâce au développement de batteries à flux redox qui ont à la fois un prix compétitif et une longue durée de vie. »

Elle a ajouté : « Cette recherche permet la conception de matériaux actifs qui offrent à la fois accessibilité et longévité, contribuant ainsi à la commercialisation précoce des batteries à flux redox. »

Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue ACS Matériaux et interfaces appliqués.