Qu'est-ce qu'une batterie à flux?
2024-12-25
La batterie à flux est une technologie de stockage d'énergie électrochimique proposée par Thaller en 1974. C'est un nouveau type de batterie.
La batterie à flux se compose d'une unité de pile, d'un électrolyte, d'une unité de stockage et d'alimentation en électrolyte, et d'une unité de contrôle de gestion. Il s'agit d'une batterie haute performance qui sépare les électrolytes positifs et négatifs et les fait circuler séparément. Elle présente les caractéristiques d'une grande capacité, d'un large domaine d'application (environnement) et d'une longue durée de vie en cycle. C'est un produit énergétique innovant.
Les principales fonctions des batteries à flux
Les batteries à flux liquides permettent la conversion mutuelle de l'énergie électrique et de l'énergie chimique grâce à des réactions redox réversibles (c'est-à-dire des changements réversibles de valence) des substances actives dans les solutions d'électrolyte positives et négatives. Lors de la charge, des réactions d'oxydation se produisent à l'électrode positive pour augmenter la valence des substances actives, tandis que des réactions de réduction se produisent à l'électrode négative pour réduire la valence des substances actives. Le processus de décharge est l'inverse.
Contrairement aux batteries solides classiques, les solutions d'électrolyte positives et (ou) négatives des batteries à flux liquides sont stockées dans des réservoirs à l'extérieur de la batterie et sont transportées à l'intérieur de la batterie par des pompes et des tuyaux pour la réaction.
La batterie à flux est un nouveau type de batterie. La batterie à flux est une batterie haute performance qui utilise des électrolytes positifs et négatifs pour les séparer et les faire circuler séparément. Elle présente les caractéristiques d'une grande capacité, d'un large domaine d'application (environnement) et d'une longue durée de vie en cycle. C'est un produit énergétique innovant.
La batterie à flux redox est un nouveau type de dispositif de stockage d'énergie électrochimique à grande capacité qui est activement recherché et développé. Elle diffère des batteries qui utilisent généralement des électrodes en matériau solide ou des électrodes gazeuses. Son matériau actif est une solution d'électrolyte en circulation. Sa caractéristique la plus importante est le stockage d'électricité à grande échelle. Avec l'appel à une utilisation généralisée des énergies renouvelables, il est prévisible que les batteries à flux connaîtront une période de développement rapide.
Principe de fonctionnement de la batterie à flux liquide
La figure 1 est un diagramme schématique de la batterie à flux liquide ainsi qu'un diagramme schématique de la structure de la pile. Les électrolytes positifs et négatifs de la batterie sont respectivement stockés dans deux réservoirs, et les électrolytes circulent à travers la batterie à l'aide d'une pompe à liquide. À l'intérieur de la pile, les électrolytes positifs et négatifs sont séparés par une membrane échangeuse d'ions (ou un diaphragme ionique), et la batterie est connectée à une charge externe et une source d'alimentation.
En tant que nouvelle technologie de stockage électrochimique d'énergie (électricité) à grande échelle et efficace, la technologie des batteries à flux liquide permet la conversion mutuelle et le stockage de l'énergie électrique et chimique grâce aux changements de valence des substances réactives. Dans les batteries à flux liquide, les substances actives sont stockées dans les électrolytes et ont de la fluidité, ce qui permet de réaliser la séparation spatiale du site de réaction électrochimique (électrode) et de la substance active de stockage d'énergie. La conception de la puissance et de la capacité de la batterie est relativement indépendante, ce qui la rend adaptée aux besoins de stockage d'énergie à grande échelle.
Contrairement aux batteries secondaires ordinaires, les matériaux actifs de stockage d'énergie des batteries à flux sont complètement séparés des électrodes, et la conception de la puissance et de la capacité est indépendante, ce qui facilite la combinaison de modules et l'agencement des structures de la batterie. L'électrolyte est stocké dans un réservoir et ne se décharge pas spontanément. La pile ne fournit qu'un lieu pour les réactions électrochimiques et ne subit pas de réactions redox elle-même. Les matériaux actifs sont dissous dans l'électrolyte, et le risque de croissance de dendrites sur les électrodes et de perforation du diaphragme est considérablement réduit dans la batterie à flux. En même temps, l'électrolyte en circulation peut éliminer la chaleur générée par le processus de charge/décharge de la batterie, évitant ainsi les dommages à la structure de la batterie ou même l'incendie causé par la surchauffe de la batterie.
Classification des batteries à flux
Les batteries à flux peuvent être classées en batteries à flux tout-vanadium, batteries à flux lithium-ion et batteries à flux au plomb, selon les différents matériaux actifs des électrodes.
Les batteries à flux tout-vanadium sont un nouveau type d'équipement de stockage d'énergie. Elles peuvent non seulement être utilisées comme dispositifs de stockage d'énergie pour les processus de génération d'énergie solaire et éolienne, mais aussi pour la régulation de la pointe de la puissance du réseau électrique. Elles améliorent la stabilité du réseau électrique et garantissent la sécurité du réseau.
Les batteries zinc-brome sont un type de batterie de stockage d'énergie à flux, qui présente un avantage inhérent en termes de coût.
Les batteries à flux lithium-ion sont la dernière technologie développée en matière de batteries de stockage d'énergie chimique. Elles combinent les avantages des batteries lithium-ion et des batteries à flux. Ce sont des batteries rechargeables écologiques de nouvelle génération, offrant une puissance de sortie et une capacité de stockage d'énergie indépendantes, une densité énergétique élevée et un coût réduit.
Batterie à flux liquide tout-vanadium
La batterie à flux liquide tout-vanadium (VRB, souvent appelée batterie au vanadium) a été proposée par Marria Kazacos de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud, en Australie, en 1985.
En tant que système électrochimique, la batterie au vanadium stocke l'énergie dans un électrolyte contenant des paires redox d'ions vanadium ayant différents états de valence. Les électrolytes avec différentes paires redox constituent respectivement les électrolytes positifs et négatifs de la batterie, et les électrolytes positifs et négatifs sont séparés par une membrane échangeuse d'ions. La solution est pressée depuis le réservoir dans la pile à batterie à travers une pompe externe pour réaliser la réaction électrochimique. Après la réaction, la solution retourne dans le réservoir, et le matériau actif circule en continu, complétant ainsi la charge et la décharge.
Caractéristiques des batteries à flux tout-vanadium par rapport aux autres batteries de stockage d'énergie :
(1) Puissance de sortie et capacité de stockage d'énergie contrôlables
La puissance de sortie de la batterie dépend de la taille et du nombre des piles, et la capacité de stockage d'énergie dépend de la capacité et de la concentration de l'électrolyte. Par conséquent, sa conception est très flexible. Pour augmenter la puissance de sortie, il suffit d'augmenter la surface et le nombre des piles. Pour augmenter la capacité de stockage d'énergie, il suffit d'augmenter le volume de l'électrolyte.
(2) Haute sécurité
Le système de batterie existant utilise principalement une solution aqueuse comme électrolyte, et le système de batterie ne présente aucun risque d'explosion ou d'incendie potentiel.
(3) Démarrage rapide
Si la pile est remplie d'électrolyte, elle peut être mise en marche en moins de 2 minutes. Pendant l'exploitation, il ne faut que 0,02 seconde pour passer d'un état de charge à un état de décharge.
(4) Bonnes performances de taux de batterie
Le matériau actif de la batterie à flux tout-vanadium est constitué d'ions vanadium de différents états de valence dissous dans une solution aqueuse. Pendant le processus de charge et de décharge de la batterie à flux tout-vanadium, seul l'état de valence des ions change, et aucune réaction de changement de phase ne se produit. La vitesse de réponse de la charge et de la décharge est rapide.
(5) Longue durée de vie de la batterie
L'ion métallique de l'électrolyte est uniquement l'ion vanadium, de sorte qu'il n'y a pas de problème de contamination croisée entre les substances actives de l'électrolyte positif et négatif. La batterie a une longue durée de vie et la solution électrolytique est facile à régénérer et à recycler.
(6) L'auto-décharge de la batterie est contrôlable
Lorsque le système est en mode hors fonctionnement, l'électrolyte dans le réservoir ne se décharge pas de manière spontanée.
(7) Fabrication et placement pratiques
La batterie à flux tout-vanadium offre une grande liberté dans le choix du site, et le système peut être entièrement fermé et automatisé, sans pollution, avec un entretien simple et un faible coût d'exploitation.
(8) Les matériaux de la batterie sont faciles à recycler et à réutiliser
Les composants de la batterie à flux liquide sont principalement fabriqués à partir de matériaux bon marché tels que le carbone et les plastiques techniques. Les sources de matériaux sont abondantes, et il n'y a pas de pollution pendant le processus de recyclage. Ils sont écologiques et peu coûteux. De plus, la surveillance en temps réel de l'état de charge de la batterie (SOC) est relativement facile, ce qui favorise la gestion et la régulation du réseau électrique.
Batterie à flux lithium-ion
Principe de fonctionnement de la batterie à flux lithium-ion
La batterie à flux lithium-ion est principalement composée du réacteur de batterie, du réservoir de stockage de suspension de l'électrode positive, du réservoir de stockage de suspension de l'électrode négative, de la pompe à liquide et des tuyaux scellés. Parmi ceux-ci, le réservoir de stockage de suspension de l'électrode positive contient un mélange de particules de matériau actif de l'électrode positive, d'agent conducteur et d'électrolyte, tandis que le réservoir de stockage de suspension de l'électrode négative contient un mélange de particules de matériau actif de l'électrode négative, d'agent conducteur et d'électrolyte. Le réacteur de batterie est le cœur de la batterie à flux lithium-ion, et sa structure comprend principalement : le collecteur de courant de l'électrode positive, la chambre de réaction de l'électrode positive, le diaphragme poreux, la chambre de réaction de l'électrode négative, le collecteur de courant de l'électrode négative et le boîtier.
Lorsque la batterie à flux lithium-ion est en fonctionnement, une pompe à liquide est utilisée pour faire circuler la suspension. La suspension circule en continu ou par intermittence entre le réservoir de stockage de suspension et le réacteur de batterie à travers un tuyau scellé, entraînée par une pompe à liquide ou toute autre source d'énergie. Le débit peut être ajusté en fonction de la concentration de la suspension et de la température ambiante.
Lors du fonctionnement de la batterie, la suspension de l'électrode positive entre dans la chambre de réaction de l'électrode positive du réacteur de batterie par l'entrée de liquide de l'électrode positive, puis retourne au réservoir de stockage de suspension de l'électrode positive par la sortie de liquide de l'électrode positive après la réaction. En même temps, la suspension de l'électrode négative entre dans la chambre de réaction de l'électrode négative du réacteur de batterie par l'entrée de liquide de l'électrode négative, puis retourne au réservoir de stockage de suspension de l'électrode négative par la sortie de liquide de l'électrode négative après la réaction.
Il y a un diaphragme poreux électriquement non conducteur entre la chambre de réaction de l'électrode positive et la chambre de réaction de l'électrode négative, qui sépare les particules de matériau actif de l'électrode positive dans la suspension de l'électrode positive et les particules de matériau actif de l'électrode négative dans la suspension de l'électrode négative, évitant ainsi tout contact direct entre les particules de matériau actif des électrodes positive et négative, ce qui pourrait entraîner un court-circuit à l'intérieur de la batterie. La suspension de l'électrode positive dans la chambre de réaction de l'électrode positive et la suspension de l'électrode négative dans la chambre de réaction de l'électrode négative peuvent échanger et transmettre des ions lithium à travers l'électrolyte dans le diaphragme poreux.
Lors de la décharge de la batterie, les ions lithium à l'intérieur des particules de matériau actif de l'électrode négative dans la chambre de réaction de l'électrode négative sont désintercalés, entrent dans l'électrolyte et atteignent la chambre de réaction de l'électrode positive à travers le diaphragme poreux, et sont intégrés dans les particules de matériau actif de l'électrode positive. En même temps, les électrons à l'intérieur des particules de matériau actif de l'électrode négative dans la chambre de réaction de l'électrode négative circulent vers le collecteur de courant de l'électrode négative, et pénètrent dans le circuit externe de la batterie par le tab de l'électrode négative du collecteur, puis, après avoir accompli leur travail, ils retournent dans le collecteur de courant de l'électrode positive à travers le tab de la plaque positive, pour finalement être intégrés dans les particules de matériau actif de l'électrode positive dans la chambre de réaction de l'électrode positive. Le processus de charge de la batterie est l'inverse.
En outre, il existe de nombreuses classifications de batteries à flux, telles que:
Batterie à flux zinc-brome
Batterie à flux zinc-cérium
Batterie à flux zinc-nickel
Batterie à flux au plomb
Batterie à flux fer-chrome
Batterie à flux polysulfure de sodium/brome
Batterie à flux zinc-fer
Batterie à flux zinc-cérium
Batterie à flux zinc-nickel
Batterie à flux au plomb
Batterie à flux fer-chrome
Batterie à flux polysulfure de sodium/brome
Batterie à flux zinc-fer
Résumé et Perspectives des Batteries à Flux
Pour les batteries à flux traditionnelles à double flux, tout en réalisant progressivement la commercialisation des technologies matures telles que les batteries à flux tout-vanadium, il est très significatif et prometteur de développer de nouvelles paires d'électrodes et des systèmes non aqueux avec des caractéristiques telles qu'une haute solubilité, des propriétés chimiques stables, une grande réversibilité des réactions électrochimiques, l'absence de réactions secondaires d'évolution de l'oxygène/hydrogène et une grande différence de potentiel d'équilibre des paires d'électrodes.
Comparées aux batteries à double flux, les batteries à flux simple de type dépôt présentent des caractéristiques telles qu'une structure simplifiée, une énergie spécifique élevée et un faible coût, mais la capacité des batteries à flux simple est limitée par les électrodes solides, et leur durée de vie nécessite une amélioration. L'uniformité et la stabilité des électrodes métalliques de dépôt, ainsi que de l'électrolyte prenant en compte la performance des électrodes positive et négative, doivent également être résolues davantage.
Les nouvelles technologies de batteries à flux, telles que les batteries à flux vanadium/air, les batteries à flux (Fe3+/Fe2+)/méthanol ou les batteries à flux semi-solides lithium-ion, en sont à un stade préliminaire de recherche. Que ce soit en termes de performance, de fiabilité ou de durée de vie en cycles, elles ne répondent pas encore aux besoins des applications pratiques. Par conséquent, ces nouvelles technologies ont encore un long chemin à parcourir avant de devenir des technologies commerciales matures.
Le développement de batteries à flux liquides pour le stockage d'énergie doit viser à atteindre des performances à grande échelle, à haute efficacité, à faible coût et à longue durée de vie. Il est donc nécessaire de renforcer la recherche sur les matériaux clés (tels que les électrolytes, les membranes d'échange d'ions, les matériaux d'électrodes, etc.) et les structures des batteries à flux liquides pour améliorer la fiabilité et la durabilité des batteries. Parallèlement, des recherches sur la technologie de production à grande échelle des matériaux clés doivent être menées pour réduire considérablement le coût des matériaux clés de la batterie, et des démonstrations d'applications doivent être activement entreprises afin de poser les bases de l'industrialisation et de l'application à grande échelle des batteries de stockage d'énergie à flux liquide.
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