Etude et optimisation d'une batterie à circulation tout vanadium

Le présent projet concerne la conception et l'optimisation des batteries à circulation (RFB). Ces dernières sont des dispositifs permettant la conversion électrochimique de l'énergie électrique et son stockage sous forme chimique ; le processus inverse vise à récupérer l'énergie stockée sous forme d'électricité, selon la demande. Les RFB sont bien adaptées pour répondre au caractère intermittent des ressources des énergies renouvelables. La batterie étudiée est la RFB tout vanadium (VRFB), qui a été développée dans les années 80 et dont l'avantage principal par rapport aux autres batteries à circulation (le Fe-Cr par exemple), est l'absence de contamination irréversible des deux électrolytes, ceci du faite que toutes les solutions sont des sels de vanadium. Cependant, la densité énergétique de ce système ne dépasse pas 40 Wh.kg-1 (contre ~ 150 Wh.kg-1 dans le cas des batteries stationnaires Li-ion) à cause de la faible solubilité des sels de vanadium (< 2 mol.L-1) dans l'acide sulfurique utilisé comme électrolyte support. Un objectif de la thèse est d'optimiser la formulation des mélanges d'électrolyte afin d'augmenter la densité énergétique de la batterie. Ceci consiste à i) mettre en place des méthodes électrochimiques pour la préparation, l'analyse et la caractérisation des électrolytes (posolyte V(IV)/V(V) et négolyte V(II)/V(III)) pour trouver leur composition optimale et ii) à comprendre les phénomènes physico-chimiques ayant lieu durant les cycles de charge-décharge de la batterie et déterminer les lois régissant ces processus et ainsi surmonter toute limitation éventuelle. L'étude a été menée dans une cellule classique à trois électrodes, permettant de travailler aisément avec un système électrochimique à la fois (en demi-batterie). Les résultats montrent que la présence de particules affecte négativement le courant de la batterie même si le solide permet d'augmenter la capacité de stockage. D'autre part, la présence d'un additif carboné dans le posolyte paraît avoir un effet bénéfique sur le courant grâce à l'extension du collecteur électronique dans le volume via la formation d'agrégats (percolation électronique dans la suspension). Des mesures de conductivité, masse volumique, viscosité, débit ainsi que des méthodes de caractérisation de poudre (MEB, diffraction laser) ont été réalisés et apporté les données nécessaires. Un second objectif de la thèse est la conception et l'élaboration d'une VRFB, à l'échelle laboratoire, ayant une densité énergétique supérieure à 100 Wh.kg-1, ainsi que l'optimisation tant que de possible la puissance du réacteur. Des bilans massique et énergétique sont réalisés pour les opérations de charge-décharge sous différentes conditions, afin d'établir les corrélations 'réponse du système (courant, tension et réversibilité) en fonction des divers paramètres opératoires'. Les conversions ainsi que les rendements faradiques et énergétiques sont évalués et optimisés.