Une double membrane offre un espoir de stockage d’énergie à long terme

Selon des chercheurs de l’Imperial College de Londres, une nouvelle approche de la conception des batteries pourrait constituer la clé du stockage d’énergie à long terme et à faible coût.

L’équipe d’ingénieurs et de chimistes a créé une batterie d’écoulement redox polysulfure-air (PSA RFB) dotée non pas d’une, mais de deux membranes. La conception à double membrane permet de surmonter les principaux problèmes liés à ce type de batterie à grande échelle, ouvrant ainsi la voie au stockage de l’énergie excédentaire provenant, par exemple, de sources renouvelables telles que le vent et le soleil. Ces travaux de recherche sont publiés dans Nature Communications.

Dans les batteries à flux redox, l’énergie est stockée dans des électrolytes liquides qui circulent dans les cellules pendant la charge et la décharge, ce qui permet des réactions chimiques. La quantité d’énergie stockée est déterminée par le volume de l’électrolyte, ce qui rend la conception potentiellement facile à mettre à l’échelle. Toutefois, l’électrolyte utilisé dans les piles à flux redox classiques – le vanadium – est coûteux et provient principalement de Chine ou de Russie.

L’équipe de l’Impériale, dirigée par les professeurs Nigel Brandon et Anthony Kucernak, a travaillé sur des alternatives utilisant des matériaux moins coûteux et largement disponibles. Leur approche utilise un liquide comme électrolyte et un gaz comme autre – dans ce cas, du polysulfure (soufre dissous dans une solution alcaline) et de l’air. Toutefois, les performances des batteries polysulfure-air sont limitées, car aucune membrane ne pourrait permettre aux réactions chimiques d’avoir lieu tout en empêchant le polysulfure de passer dans l’autre partie de la cellule.

Le Dr Mengzheng Ouyang, du département des sciences et de l’ingénierie de la Terre de l’Impériale, explique : « Si le polysulfure traverse la membrane, il ne peut pas traverser la cellule : Si le polysulfure passe du côté de l’air, on perd de la matière d’un côté, ce qui réduit la réaction qui s’y déroule et inhibe l’activité du catalyseur de l’autre côté. Cela réduit les performances de la batterie – c’était donc un problème que nous devions résoudre« .

La solution imaginée par les chercheurs a consisté à utiliser deux membranes pour séparer le polysulfure et l’air, avec une solution d’hydroxyde de sodium entre les deux. L’avantage de cette conception est que tous les matériaux, y compris les membranes, sont relativement bon marché et largement disponibles, et que la conception offre beaucoup plus de choix dans les matériaux qui peuvent être utilisés.

Comparée aux meilleurs résultats obtenus à ce jour avec une batterie d’oxydoréduction polysulfure-air, la nouvelle conception a permis de fournir une puissance nettement supérieure, jusqu’à 5,8 milliwatts par centimètre carré.

Le coût étant un facteur critique pour le stockage à long terme et à grande échelle, l’équipe a également procédé à une analyse des coûts. Elle a calculé que le coût de l’énergie – le prix des matériaux de stockage par rapport à la quantité d’énergie stockée – était d’environ 2,5 dollars par kilowattheure.

Le coût de la puissance – le taux de charge et de décharge atteint par rapport au prix des membranes et des catalyseurs dans la cellule – s’est avéré être d’environ 1600 dollars par kilowatt. Ce coût est actuellement plus élevé que ce qui serait réalisable pour un stockage d’énergie à grande échelle, mais l’équipe pense que d’autres améliorations sont facilement réalisables.

Le professeur Nigel Brandon, qui est également doyen de la faculté d’ingénierie, a déclaré : « Notre approche à double membrane est très intéressante car elle ouvre de nombreuses nouvelles possibilités, tant pour cette batterie que pour d’autres. Pour rendre cette méthode rentable pour le stockage à grande échelle, une amélioration relativement modeste des performances serait nécessaire, ce qui pourrait être obtenu en modifiant le catalyseur pour augmenter son activité ou en améliorant encore les membranes utilisées.« 

Des travaux dans ce domaine sont déjà en cours au sein de l’équipe, grâce à l’expertise en catalyse du professeur Anthony Kucernak, du département de chimie, et aux recherches sur la technologie des membranes menées par le Dr Qilei Song, du département de génie chimique.

L’entreprise spin-out RFC Power Ltd, créée pour développer le stockage de longue durée des énergies renouvelables sur la base des recherches de l’équipe, est prête à commercialiser ce nouveau concept si les améliorations sont apportées.

Le PDG de RFC Power Ltd, Tim Von Werne, a déclaré : « Il existe un besoin pressant de nouveaux moyens de stocker l’énergie renouvelable pendant des jours, des semaines, voire des mois, à un coût raisonnable. Cette recherche montre un moyen de rendre cela possible grâce à des performances améliorées et à des matériaux peu coûteux.« 

La recherche est financée par le UK Research and Innovation Engineering and Physical Sciences Research Council et le Conseil européen de la recherche.