stocke l’énergie et capte le carbone en même temps

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Les chercheurs du Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) du ministère américain de l’Énergie développent des technologies de batteries pour lutter contre le changement climatique de deux manières : en élargissant l’utilisation des énergies renouvelables et en capturant le dioxyde de carbone dans l’air.

Ce type de batterie stocke l’énergie renouvelable générée par des panneaux solaires ou des éoliennes. Utiliser cette énergie lorsque le vent et la lumière du soleil ne sont pas disponibles nécessite une réaction électrochimique qui, dans la nouvelle formulation de batterie d’ORNL, capte le dioxyde de carbone des émissions industrielles et le convertit en produits à valeur ajoutée.

Les chercheurs de l’ORNL ont récemment créé et testé deux formulations de batteries différentes qui convertissent le dioxyde de carbone, ou CO2, en une forme solide susceptible d’être utilisée dans d’autres produits.

L’un de ces nouveaux types de batteries conservait sa capacité pendant 600 heures d’utilisation et pouvait stocker jusqu’à 10 heures d’électricité. Les chercheurs ont également identifié, étudié et surmonté le principal défi, une désactivation provoquée par une accumulation de produits chimiques, qui constituait un obstacle pour l’autre formulation de batterie.

Ils utilisent des électrons libres pour stocker le CO2

« L’initiative Transformational Energy Science and Technology, ou TEST, de l’ORNL est précisément le type d’effort nécessaire pour lutter contre le changement climatique. “Nous sommes ravis que le laboratoire investisse dans des idées et des approches innovantes qui peuvent transformer notre façon de penser le stockage d’énergie au-delà des batteries lithium-ion et d’autres systèmes de stockage d’énergie électrochimiques conventionnels”, a déclaré Ilias Belharouak, membre corporatif de l’ORNL et directeur de l’initiative. . “Quel scénario fantastique : utiliser des électrons libres pour stocker du CO2 et le convertir en produits générateurs de revenus est un concept que je n’aurais jamais imaginé il y a 10 ans, mais ce n’est que le début.”

Les batteries fonctionnent par réactions électrochimiques qui déplacent les ions entre deux électrodes à travers un électrolyte. Contrairement aux batteries de téléphones portables ou de voitures, celles conçues pour le stockage d’énergie sur réseau ne doivent pas nécessairement fonctionner comme un système fermé et portable. Cela a permis aux chercheurs de l’ORNL de créer et de tester deux types de batteries capables de convertir le CO2 provenant de sources industrielles stationnaires.

Par exemple, le CO2 généré par une centrale électrique pourrait être pompé à travers un tube dans un électrolyte liquide, créant ainsi des bulles similaires à celles d’une boisson gazeuse. Lors du fonctionnement sur batterie, les bulles de gaz se transforment en poudre solide.

Comment ça marche

Chaque composant d’une batterie peut être constitué de différents éléments ou composés. Ces options déterminent la durée de vie opérationnelle de la batterie, la quantité d’énergie qu’elle peut stocker, sa taille ou son poids et la rapidité avec laquelle elle se charge ou consomme de l’énergie. Parmi les nouvelles formulations de batteries ORNL, l’une combine le CO2 avec du sodium d’eau salée à l’aide d’un catalyseur fer-nickel peu coûteux. Le second combine le gaz et l’aluminium.

Chaque méthode utilise des matériaux abondants et un électrolyte liquide sous forme d’eau salée, parfois mélangée à d’autres produits chimiques. Les batteries sont plus sûres que la technologie existante car leurs électrodes sont stables dans l’eau, a déclaré le chercheur principal Ruhul Amin.

Très peu de recherches ont été menées sur les batteries au CO2. L’approche testée précédemment est basée sur une réaction réversible métal-CO2 qui régénère le dioxyde de carbone et continue de contribuer aux gaz à effet de serre dans l’atmosphère. De plus, les produits de décharge solides ont tendance à obstruer la surface de l’électrode, dégradant ainsi les performances de la batterie.

Cependant, les batteries CO2 développées à l’ORNL ne rejettent pas de dioxyde de carbone. Au lieu de cela, le sous-produit carbonate se dissout dans l’électrolyte liquide. Le sous-produit enrichit continuellement le fluide pour améliorer les performances de la batterie ou peut s’échapper du fond du conteneur sans perturber le fonctionnement de la batterie. La conception des batteries peut même être ajustée pour créer davantage de ces sous-produits destinés à être utilisés dans les industries pharmaceutiques ou cimentières. Les seuls gaz rejetés sont l’oxygène et l’hydrogène, qui ne contribuent pas au changement climatique et peuvent même être captés pour produire de l’énergie ou du carburant.

Les chercheurs de l’ORNL ont utilisé une combinaison de matériaux presque entièrement nouvelle pour ces batteries au CO2. Les quelques conceptions similaires précédentes ne fonctionnaient que pendant de courtes périodes ou incorporaient des métaux coûteux.

Avantages, inconvénients et défis surmontés

La batterie sodium-dioxyde de carbone, ou Na-CO2, a été développée en premier et s’est heurtée à certains obstacles. Pour que ce système fonctionne, les électrodes doivent être séparées en chambres humides et sèches avec un conducteur ionique solide entre elles. La barrière ralentit le mouvement des ions, ce qui ralentit le fonctionnement de la batterie et réduit son efficacité.

Un défi majeur pour cette batterie Na-CO2 est qu’après une utilisation prolongée, un film se forme à la surface de l’électrode, provoquant finalement la désactivation de la batterie. L’équipe de recherche a utilisé des microscopes hautement spécialisés et des techniques à rayons X pour examiner la cellule de la batterie en cas de panne et à différentes étapes de fonctionnement.

L’étude de la formation du film a aidé les chercheurs à comprendre comment le décomposer à nouveau. Ils ont été intrigués de réaliser que la batterie pouvait être réactivée, ou empêchée de se désactiver, simplement par des modifications opérationnelles du cycle de charge/décharge. Les impulsions inégales de charge et de décharge ont empêché l’accumulation de film sur l’électrode.

“Nous avons signalé pour la première fois que la cellule désactivée pouvait être réactivée”, a déclaré Amin. « Et nous avons trouvé l’origine de la désactivation et de l’activation. Si vous chargez et déchargez la batterie de manière symétrique pendant trop longtemps, elle s’épuise en un rien de temps. “Si vous utilisez le protocole que nous avons établi pour notre cellule, les chances d’échec sont très minces.”

Un deuxième design pour le stockage à long terme

Ensuite, les chercheurs se sont concentrés sur la conception de la batterie au dioxyde de carbone et à l’aluminium, ou Al-CO2. . L’équipe a expérimenté plusieurs solutions électrolytiques et trois processus de synthèse différents pour identifier la meilleure combinaison. Le résultat a été une batterie qui offre suffisamment de stockage pour plus de 10 heures d’électricité pour une utilisation ultérieure.

“C’est énorme pour un stockage de longue durée”, a déclaré Amin. « Il s’agit de la première batterie Al-CO2 capable de fonctionner de manière stable pendant une longue période, ce qui est l’objectif. Conserver seulement quelques heures d’énergie stockée n’aide pas.

Les tests ont révélé que la batterie ORNL pouvait fonctionner plus de 600 heures sans perte de capacité, a déclaré Amin, bien plus longtemps que la batterie unique Al-CO2 signalée précédemment, qui n’avait été testée que pendant huit heures de cyclage.

Cerise sur le gâteau, cette batterie capte presque deux fois plus de dioxyde de carbone que la batterie Na-CO2. Le système peut être conçu de telle sorte qu’il fonctionne dans une seule chambre, avec les deux électrodes dans la même solution liquide, de sorte qu’il n’y ait aucune barrière au mouvement des ions.

Le défi pour la batterie Al-CO2 est de la rapprocher de sa mise à l’échelle, a déclaré Amin. Néanmoins, l’équipe continuera d’étudier systématiquement ses propriétés pour prolonger la durée de vie utile et capturer le CO2 plus efficacement. Pour rendre la batterie Na-CO2 compétitive, l’équipe se concentrera sur le développement d’une membrane céramique très fine, dense et mécaniquement stable pour séparer les chambres de la batterie.

Parmi les autres scientifiques de l’ORNL qui ont contribué au projet figurent Marm Dixit, Mengya Li, Sabine Neumayer, Yaocai Bai, Ilias Belharouak, Anuj Bisht, Yang Guang et l’ancien chercheur de l’ORNL Rachid Essehli. La recherche a été financée par le programme de recherche et de développement dirigé par le laboratoire ORNL, ou LDRD. La recherche sur les batteries sodium-CO2 a utilisé le Nanophase Materials Science Center, une installation utilisateur du DOE à l’ORNL.

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