L'impression 3D inspirée de la nature pourrait améliorer le stockage d'énergie renouvelable à grande échelle

Des chercheurs de l'Université de Waterloo au Canada ont mis au point une nouvelle conception d'électrode imprimée en 3D qui pourrait rendre les batteries à flux redox plus efficaces pour le stockage de l'énergie éolienne et solaire.

Sous la direction du professeur Maxime van der Heijden de l'Université de Waterloo , l'équipe de recherche s'est inspirée des structures naturelles pour repenser un composant clé des batteries redox à flux (BRF), une technologie permettant de stocker l'électricité en vue d'une utilisation ultérieure. Cette nouvelle conception améliore la circulation du liquide électrolytique, optimisant ainsi les réactions chimiques de stockage et de libération d'énergie.

Les batteries à flux redox fonctionnent différemment des batteries lithium-ion que l'on trouve couramment dans les téléphones, les véhicules électriques et de nombreux systèmes de stockage d'énergie.

Ces batteries utilisent des électrolytes à base d'eau plutôt que les matériaux inflammables présents dans les batteries lithium-ion, ce qui en fait une alternative potentiellement plus sûre pour le stockage d'énergie à grande échelle.

Les batteries à flux redox constituent une technologie complémentaire aux batteries lithium-ion pour les applications de stockage d'énergie à grande échelle. Leurs électrolytes à base d'eau en font une option plus sûre pour stocker l'énergie renouvelable à l'échelle nécessaire pour alimenter, par exemple, les collectivités et le réseau électrique en énergie renouvelable continue.

Le dispositif de batterie redox à flux continu comprend un réacteur relié à deux béchers servant de réservoirs d'électrolyte. Un circuit tubulaire, passant par une pompe, assure la circulation de l'électrolyte liquide dans la batterie. Celle-ci est connectée à un potentiostat qui mesure et enregistre l'énergie produite (Université de Waterloo).

« Au lieu de stocker l’énergie dans des matériaux solides, on la stocke dans des électrolytes liquides contenus dans des réservoirs externes », explique van der Heijden, professeur de génie chimique à Waterloo. « La quantité d’énergie stockée peut être augmentée simplement en utilisant des réservoirs plus grands, ce qui les rend parfaitement adaptés au stockage d’énergie renouvelable à grande échelle et aux applications de réseau. »

Cette flexibilité pourrait devenir de plus en plus importante à mesure que la part de l'électricité issue de sources renouvelables augmentera. L'énergie éolienne et solaire sont intermittentes, car elles ne produisent pas toujours d'électricité au moment où on en a besoin, ce qui rend nécessaire le développement de technologies capables de stocker l'énergie excédentaire et de la réinjecter ultérieurement dans le réseau.

Des chercheurs ont utilisé l'impression 3D pour créer des électrodes BRF poreuses, permettant un contrôle précis de leur structure et du flux de fluide.

« Grâce à l’impression 3D, nous pouvons concevoir la structure interne d’une électrode d’une manière difficilement réalisable avec les procédés de fabrication conventionnels », explique van der Heijden. « Cela nous permet de mieux contrôler la circulation du liquide dans la batterie et son accès aux surfaces où se produisent les réactions de stockage d’énergie. »

Une innovation clé a été l'utilisation de géométries de surface minimale triplement périodiques (TPMS), des formes tridimensionnelles complexes et répétitives qui peuvent ressembler à des structures trouvées dans la nature.

Les chercheurs ont testé plusieurs modèles de TPMS et ont constaté que celui connu sous le nom de géométrie « diamant » fonctionnait le mieux, augmentant les performances de 52 %.

Ils ont ensuite utilisé une imprimante 3D à traitement numérique de la lumière pour produire les structures poreuses, qui ont été traitées thermiquement pour former des électrodes de carbone conductrices capables de transporter l'électricité.

L'équipe a testé avec succès les électrodes lors d'expériences en cellule à flux continu en laboratoire et dans une batterie redox à flux de vanadium fonctionnelle, démontrant ainsi que les dispositifs imprimés en 3D peuvent fonctionner dans une batterie opérationnelle. Cette validation de principe pourrait ouvrir la voie à des batteries redox à flux continu plus efficaces, conçues pour le stockage d'énergie à grande échelle.

Les recherches futures porteront sur l'augmentation de la surface des électrodes, l'amélioration des méthodes de fabrication et l'exploration d'outils de conception avancés afin de créer des structures d'électrodes encore plus efficaces.

L'étude, intitulée « Amélioration du transport de masse dans les batteries à flux redox grâce à des structures d'électrodes de surface minimales triplement périodiques imprimées en 3D » , paraît dans le Journal of Energy Storage .

https://uwaterloo.ca/news/media/nature-inspired-3d-printing-could-improve-large-scale