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Quand l'analyse RMN optimise les batteries à flux organiques

Alexane Roupioz
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Quand l'analyse RMN optimise les batteries à flux organiques

Des chercheurs de l’Université de Cambridge ont mis au point deux méthodes de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) in situ pour étudier en temps réel le fonctionnement des batteries à flux organiques. Publiés dans Nature le 2 mars 2020, leurs travaux devraient permettre d’optimiser ces batteries qui représentent une piste prometteuse pour le stockage d’énergie renouvelable à grande échelle.

Aussi appelées batteries redox-flow, les batteries à flux découplent la puissance et l’énergie : une cellule composée de deux compartiments séparés par une membrane échangeuse de protons est le lieu de la réaction d’oxydoréduction entre deux électrolytes liquides. Ceux-ci provenant de deux réservoirs pouvant être de grande taille.

La plupart des batteries à flux commercialisées utilisent des solutions de vanadium, un métal couteux et toxique, comme électrolytes. L’une des alternatives proposées est l’utilisation de matériaux organiques, moins coûteux et plus durables. Néanmoins, ces matériaux se dégradent rapidement ce qui entraine une baisse de la durée de vie des batteries qui présentent par ailleurs une densité d’énergie plus faible que celles au vanadium.

Observer en temps réel la formation et la dégradation des ions

Jusqu’à présent, les scientifiques ne savaient pas comment expliquer ces faibles performances. Les chercheurs de l’Université de Cambridge ont développé des méthodes à base de RMN pour étudier in situ et en temps réel le fonctionnement des batteries à flux organiques. Grâce à deux dispositifs de mesure, l’un permettant de mesurer les paramètres d’un des deux réservoirs d’électrolyte, et l’autre, miniaturisé, permettant l’étude simultanée des réservoirs anodiques et cathodiques, ils sont parvenus à observer en temps réel la dégradation et la formation d’espèces à différents degrés d’oxydation dans deux systèmes de batteries à flux organiques à base d’anthraquinone. Ils ont notamment découvert que sous certaines conditions, les molécules organiques du système se dégradent plus rapidement. Et ils ont remarqué qu’une plus faible tension de charge permet d’allonger la durée de vie de l’électrolyte organique.

Ces travaux améliorent la compréhension que les scientifiques ont des batteries à flux organiques, notamment en montrant comment les conditions de charge et les structures moléculaires jouent sur la performance du système. Ces nouvelles méthodes d’analyse devraient pouvoir s’appliquer à d’autres batteries à flux organiques mais aussi à des batteries nouvelle génération, comme les batteries Li-air, et plus généralement à d’autres systèmes électrochimiques.

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