David Reber : un chercheur qui réinvente les batteries liquides

L’image de deux liquides colorés bouillonnant à travers des tubes pourrait-elle représenter la batterie du futur ? C’est la question que le chercheur David Reber de l’EMPA, se pose pour les quatre prochaines années, soutenu par une bourse Ambizione de la Fondation Nationale Suisse de la Science (FNS).

Les batteries redox : une technologie connue mais peu exploitée

Les batteries redox, connues depuis les années 1970, diffèrent des batteries lithium-ion traditionnelles. Elles stockent l’énergie non pas dans des électrodes solides, mais dans des réservoirs contenant des solutions d’électrolytes liquides. Le processus de charge et de décharge ne se produit pas dans les réservoirs eux-mêmes ; les électrolytes sont plutôt pompés à travers une cellule électrochimique.

Si ces batteries liquides ne sont pas pratiques pour les téléphones portables, les ordinateurs portables ou les voitures, elles sont très prometteuses pour les solutions de stockage stationnaires. Comme l’énergie est stockée à l’extérieur de la cellule réelle, les batteries redox peuvent bénéficier d’une mise à l’échelle simple et ciblée. Une cellule électrochimique plus grande permet à la batterie de se charger et de se décharger plus rapidement, des réservoirs d’électrolytes plus grands lui permettent de stocker plus d’énergie.

Le défi de la densité énergétique

Malgré ces avantages, la technologie n’a pas encore trouvé sa place. David Reber identifie le problème principal : « Les batteries redox ont une densité énergétique environ dix fois inférieure à celle des batteries faites de matériaux de stockage solides », explique-t-il.

Plus il y a de matériau de stockage qui peut être dissous dans l’électrolyte, plus la densité énergétique d’une batterie redox est élevée. « Cependant, des concentrations élevées épaississent la solution, et vous avez besoin de beaucoup plus d’énergie pour la pomper à travers la cellule », ajoute le chercheur.

David Reber souhaite résoudre précisément ce problème dans son travail au laboratoire des Matériaux pour la conversion de l’énergie de l’Empa – avec une approche inhabituelle. Alors que la plupart des projets sur les batteries redox se concentrent sur une meilleure solubilité des matériaux de stockage, il souhaite dissocier complètement le stockage d’énergie de la solution d’électrolyte. « Ma vision est de développer une sorte d’hybride d’une batterie redox et d’une batterie lithium-ion », dit-il.

Pour ce faire, le chercheur souhaite ajouter des matériaux de stockage solides, comme ceux utilisés dans les batteries de téléphones portables, au réservoir de la batterie redox. « Si le matériau dissous et le matériau de stockage solide sont précisément assortis, ils peuvent transférer de l’énergie l’un à l’autre », explique t-il. « Cela permet de combiner la capacité de mise à l’échelle des batteries redox avec la haute densité énergétique des batteries avec des matériaux de stockage solides. »

La recherche de matériaux adaptés

Avant tout, le chercheur doit trouver des paires de matériaux appropriées qui permettent l’échange d’énergie tout en restant stables sur une longue période. « Idéalement, une batterie redox devrait pouvoir fonctionner pendant environ 20 ans », précise t-il.

La compatibilité d’une paire de matériaux dépend de ce que l’on appelle le potentiel redox des substances : à quelle tension elles donnent ou acceptent des électrons. « J’ai déjà plusieurs paires possibles en tête ». Et si une paire prometteuse ne correspond pas tout à fait, ses potentiels redox peuvent être manipulés avec certaines modifications chimiques.

L’une des idées de David Reber est d’utiliser un chélate comme matériau de stockage dissous : une molécule organique à plusieurs bras qui « enveloppe » un ion métallique. Selon le nombre de bras que la molécule organique – le ligand – a, le potentiel redox change. Il a déjà mené des recherches sur les batteries redox à base de chélate pendant sa période postdoctorale à l’Université du Colorado Boulder, pour laquelle il recevra le prestigieux Battery Division Postdoc Award lors de la réunion annuelle de la Société Électrochimique à Göteborg en octobre.

En synthèse

À la fin de sa période de financement de quatre ans, David Reber espère obtenir une batterie bien fonctionnelle avec un stockage solide supplémentaire. « Si cette approche fonctionne, les applications potentielles sont très diverses », dit-il.

Par exemple, des batteries redox compactes avec un facteur de forme flexible seraient beaucoup plus faciles à intégrer dans les zones urbaines. « Il suffirait de pompes et de quelques tuyaux », ajoute le chercheur. Cette recherche pourrait donc ouvrir la voie à une nouvelle génération de solutions de stockage d’énergie, plus sûres et plus efficaces.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’une batterie redox ?

Une batterie redox est un type de batterie qui stocke l’énergie dans des réservoirs contenant des solutions d’électrolytes liquides plutôt que dans des électrodes solides.

Pourquoi les batteries redox sont-elles prometteuses pour le stockage stationnaire ?

Les batteries redox sont prometteuses pour le stockage stationnaire car elles peuvent bénéficier d’une mise à l’échelle simple et ciblée. De plus, elles sont essentiellement non inflammables si des électrolytes à base d’eau sont utilisés.

Quel est le principal défi des batteries redox ?

Le principal défi des batteries redox est leur faible densité énergétique, environ dix fois inférieure à celle des batteries faites de matériaux de stockage solides.

Quelle est la solution pour augmenter la densité énergétique des batteries redox ?

David Reber propose de développer une sorte d’hybride d’une batterie redox et d’une batterie lithium-ion en ajoutant des matériaux de stockage solides au réservoir de la batterie redox.

Quelle est la durée de vie idéale d’une batterie redox selon David Reber ?

Selon David Reber, une batterie redox devrait idéalement pouvoir fonctionner pendant environ 20 ans.

Principaux enseignements

Références

Légende illustration principale : L’objectif de David Reber est de développer un meilleur type de batterie à flux. Crédit EMPA

Les informations fournies dans cet article sont basées sur l’article original intitulé «Two colored liquids bubbling through tubes: Is this what the battery of the future looks like?»