Des chercheurs ont mis au point un nouveau système de stockage utilisant l’eau salée pour induire une réaction chimique secondaire produisant de l’hypochlorite de sodium (de l’eau de Javel). Auparavant considérée comme un obstacle dans le développement des batteries à l’eau salée, cette réaction a été boostée puis exploitée dans la nouvelle batterie, ce qui aurait plus que doublé sa puissance de pointe. Ces résultats pourraient contribuer au développement de batteries destinées au stockage stationnaire à grande échelle.
La demande énergétique mondiale ne cesse de croître, notamment sous l’effet du développement rapide de l’IA, des véhicules électriques et des réseaux électriques intégrant des systèmes de stockage énergétique à grande échelle.
Le stockage électrochimique à grande échelle repose aujourd’hui largement sur les batteries lithium-ion, les batteries lithium-ion dominant le marché en raison de leur densité énergétique et de leur chaîne de production bien établie.
Leur déploiement à grande échelle est cependant limité par la dépendance à des matières premières comme le lithium et le cobalt, toujours plus pointées du doigt pour leurs impacts sur l’environnement et les enjeux géopolitiques liés à leur approvisionnement.
Les batteries lithium-ion peuvent également présenter des risques d’incendie et nécessitent des dispositifs de gestion thermique. Des chercheurs du Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) du Département de l’Énergie (DOE) américain proposent une alternative potentiellement plus sûre et moins coûteuse utilisant l’eau salée.
« Les batteries à eau salée suscitent un intérêt croissant car elles exploitent l’ion sodium, abondant sur Terre, provenant de l’eau de mer naturelle ou de solutions salines artificielles », écrivent les chercheurs dans leur étude parue dans la revue Energy Storage Materials.
« Grâce à leur potentiel de faible coût, de sécurité intrinsèque et de gestion thermique favorable, les batteries sodium-ion représentent une alternative prometteuse aux batteries lithium-ion, en particulier pour les applications de stockage d’énergie stationnaires à grande échelle. » Une autre étude complémentaire est publiée dans la revue Advanced Energy Materials.
Exploiter une réaction chimique secondaire
Les batteries électrochimiques fonctionnent en déplaçant les ions entre deux électrodes (l’anode et la cathode) à travers un matériau conducteur (ou électrolyte). Les batteries à eau de mer étudiées ici utilisent une solution saline comme électrolyte. Facilement disponible, l’eau salée peut aussi être utilisée comme un système de refroidissement naturel.
Les batteries à l’eau salée proposées jusqu’ici reposaient cependant sur une réaction chimique lente faisant passer l’oxygène dissous entre les phases liquide et gazeuse. Ce changement de phase consomme à la fois du temps et de l’énergie et la réaction nécessite un catalyseur pour l’accélérer, ainsi qu’un apport constant en oxygène. Ces processus complexes limitent la puissance de sortie de la batterie.
L’équipe de l’ORNL a cependant constaté qu’avant le début de la réaction avec l’oxygène, une réaction secondaire produit de l’hypochlorite de sodium. Alors qu’on considérait initialement cette réaction comme un problème à résoudre, les chercheurs de l’étude suggèrent plutôt de l’exploiter.
« Je me suis dit : “pourquoi ne pas faire de la réaction secondaire la réaction dominante, puisqu’elle présente une tension plus élevée que la réaction de l’oxygène ?” », a expliqué Wooseok Go, chercheur postdoctoral à ORNL et auteur principal des deux études.
Wooseok Go évalue une nouvelle formulation de batterie à eau de mer additionnée d’eau de Javel pour le stockage d’énergie sur le réseau électrique. © Alonda Hines/ORNL, Département de l’Énergie des États-Unis
Une puissance de pointe plus que doublée
D’après les chercheurs, l’ajout de 5 % d’hypochlorite de sodium a permis à la réaction secondaire de devenir prédominante. Cela aurait permis d’augmenter le rendement de la batterie, la réaction du chlore se déroulant entièrement en milieu liquide, éliminant ainsi l’étape de conversion en gaz et le besoin d’un catalyseur. La nouvelle batterie aurait également présenté une résistance interne réduite, améliorant ainsi son rendement.
Le remplacement des réactions d’oxydoréduction de l’oxygène par des réactions à base d’hypochlorite a plus que doublé la puissance de pointe de la batterie et porté sa tension de décharge jusqu’à 3,5 V, une valeur comparable à celle de batteries lithium-ion. « C’est un peu comme comparer l’accélération d’une voiture de sport à celle d’une berline », explique Ruhul Amin, chercheur principal à ORNL et coauteur des études. « Il est essentiel de pouvoir accéder à l’énergie rapidement et de manière stable à différents niveaux. »
Ce type de batterie pourrait aussi être envisagé pour des applications nautiques. Les travaux ont été menés en partenariat avec Coulomb Technology, qui prévoit de commercialiser cette technologie.
