La vente de véhicules électriques (VE) a connu une croissance exponentielle au cours des dernières années. Ce qui est également le cas du besoin de sources d'énergie renouvelables pour les alimenter, comme le solaire et l'éolien. Il y avait près de 1,8 million de véhicules électriques enregistrés aux États-Unis en 2020, soit plus de trois fois plus qu'en 2016, selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE).
Les véhicules électriques exigent que l'énergie soit disponible partout et à tout moment, sans délai de recharge. Toutefois, le solaire et l'éolien sont des sources d'énergie intermittentes qui ne sont pas disponibles à la demande. Et l'électricité qu'ils produisent doit être stockée pour une utilisation ultérieure et ne pas être gaspillée. C'est là que le Dr Yu Zhu, professeur à l'école de science des polymères et d'ingénierie des polymères de l'UA, et son équipe de recherche interviennent. Ils ont pu mettre au point un moyen plus stable de stocker cette importante énergie.
La nécessité d'un système de stockage
Comme la station-service aujourd'hui, les centrales électriques ont besoin d'un système de stockage pour garder l'électricité pour les VE en charge constante. Les batteries d'oxydoréduction (RFB) évolutives et peu coûteuses font partie des technologies les plus adaptées à un tel système. Cependant, les RFB actuelles utilisent des matériaux actifs (électrolytes) coûteux et dangereux pour l'environnement. Récemment, des matériaux organiques hydrosolubles ont été proposés comme futurs électrolytes dans les RFB. Les électrolytes à base organique peuvent être obtenus à partir de sources renouvelables et fabriqués à un coût très faible. Cependant, le manque de matériaux électrolytes organiques stables et solubles dans l'eau, en particulier l'électrolyte positif (catholyte), constitue un obstacle majeur pour les RFBs.
Le groupe de recherche de Zhu, en collaboration avec des scientifiques du Pacific Northwestern National Laboratory dirigés par le Dr Wei Wang, a réussi à mettre au point le catholyte (électrolyte positif) le plus stable à ce jour pour les AORFB. Il a démontré ainsi que les cellules conservaient plus de 90 % de leur capacité sur 6 000 cycles. Ce qui laisse présager plus de 16 ans de service ininterrompu au rythme d'un cycle par jour. Leurs recherches ont été récemment publiées dans Nature Energy et ont bénéficié de la contribution de Xiang Li et Yun-Yu Lai, étudiants en doctorat de Zhu.
Stockage de l'énergie : un catholyte de pointe soluble
« Le développement de RFB à haute performance enrichira la catégorie des systèmes de stockage de l'énergie électrique. Il palliera aussi les lacunes des sources d'énergie renouvelables intermittentes. Ce qui améliorera ainsi largement l'utilité des installations alimentées à l'électricité, comme les véhicules », explique Zhu. Pour améliorer de manière significative les performances des RFB organiques aqueux, l'urgence de développer un nouveau catholyte est cruciale.
Dans l'article de Nature Energy, l'équipe a démontré l'existence d'un catholyte de pointe dans les RFBs. Elle a également fourni une toute nouvelle stratégie pour concevoir un catholyte soluble dans l'eau. L'objectif étant d'améliorer leur solubilité (densité énergétique) dans l'eau. Au lieu d'attacher un groupe fonctionnel hydrophile pour améliorer la solubilité des molécules, les chercheurs modifient la symétrie des molécules. Ce qui entraîne une amélioration spectaculaire de la solubilité. Grâce à cette nouvelle stratégie de conception, l'équipe prévoit de concevoir de nouveaux matériaux qui permettront de perfectionner les RFB.
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