Membranes échangeuses d’anions pour technologies de batteries à flux : batterie redox-organique et zinc-air

Development of anion exchange membranes for aqueous organic redox and zinc slurry-air flow batteries

• Auteur / Autrice : Misgina Tilahun Tsehaye
• Direction : Fannie Alloin, Cristina Iojoiu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 12/04/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Lionel Flandin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Étienne, Steven Le Vot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Baudrin, Odile Fichet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Batteries à flux organique

Membranes échangeuses d'ions

Mots clés libres

Membranes échangeuses d'anions

Batteries à flux redox

Batterie à flux redox organique aqueux

Relation structure-Propriétés

Tests en batteries à flux redox

Anion exchange membranes

Aqueous organic redox flow battery

Zinc slurry-Air flow battery

Structure-Property relation

Battery test

Résumé

Les batteries à flux redox, en particulier, les batteries à flux redox aqueux organiques (AORFB) et les batteries Zn-air sont considérées comme des candidats très intéressants pour le stockage d'électricité à grande échelle en raison de leur sécurité élevée, de leur impact environnemental faible, de leur faisabilitééconomique et de leur forte capacité de stockage. Dans ces batteries, la membrane permet le transport des ions entre l’anolyte et le catholyte tout en assurant une barrière physique entre les deux compartiments afin d'éviter les courts-circuits électriques. Les performances, la durée de vie et le coûtde ces batteries sont fortement affectés par les propriétés physico-chimiques des membranes employées. Cependant, l’étude de l’état de l’art montre que la recherche et le développement de membranes spécifiques pour ces batteries ne sont encore pas assez importants.Dans ce manuscrit, visant à mettre en évidence les corrélations entre les propriétés des membranes et les performances en systèmes, des membranes denses échangeuses d'anions et des membranes poreuses commerciales modifiées par un ionomère ont été préparées, caractérisées et testées dans les batteries AORFB et Zn-air. Cette étude a été menée sur différentes familles de membranes, obtenues par diversesstratégies de synthèse ou de modifications de membranes poreuses, afin d’obtenir des membranes à forte conductivité et faiblement perméables aux espèces actives et ainsi améliorer les performances en batterie. Les résultats de ces travaux contribuent non seulement à avancer dans la compréhension de la relation entre les propriétés de la membrane et les performances des RFB, mais également audéveloppement futur des RFB à faible coût et hautes performances.

Redox flow batteries, in particular, aqueous organic redox flow batteries (AORFBs) and Zinc (Zn) slurry-air flow batteries are considered to be very attractive candidates for large-scale electricity storage due to their safety and environmental friendliness, economic feasibility and high storage capacity. Inthese batteries, the membrane allows the transport of ions between the catholyte and the anolyte while providing a physical barrier between the two compartments in order to prevent electrical short circuits. The performance, lifespan and cost of these batteries are greatly affected by the physicochemical properties and type of the employed membrane. However, a critical discussion of the state-of-the-artstudies on membranes showed that the research and development of appropriate membranes for these batteries has received insufficient attention. In this PhD thesis, aiming at first understanding the correlations between the membranes properties and cell performances, commercial porous and prepared anion exchange membranes were ex-situ characterized and tested in the Zn slurry-air flow battery and AORFB, respectively. This was followed by various membrane synthesis and modification strategies to prepare membranes with reduced activespecies crossover and improved battery performances. The results in this work not only contribute to the basic understanding of the relationship between membrane properties and RFBs performances but also greatly contribute to the future market of the RFBs with low cost and high performance.