Développement d'une batterie redox flow à puce microfluidique

Development of a microfluidic redox flow battery

• Auteur / Autrice : Youssef Kharchouf
• Direction : Mireille Turmine, Mustapha Diani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 16/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Université Abdelmalek Essaâdi (Tétouan, Maroc)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de réactivité de surface (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Vivier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adil Chahboun
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cristina Iojoiu, Amine Moussaoui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode de Boltzmann sur réseau

Batteries à flux organique

Énergie -- Stockage

Mots clés libres

Redox flow

Microfluidique

Stockage d'energie

CFD

Modellisation

Lattice boltzmann

Redox flow

Microfluidics

Energy storage

CFD

Modelling

Lattice boltzmann

Résumé

Ce projet de thèse intègre les deux domaines des batteries à flux redox microfluidiques et de la modélisation numérique. Le premier axe de recherche poursuit l'examination de l'utilisabilité des Liquides Ioniques en tant qu'électrolytes supports pour les batteries redox flow microfluidiques en raison de leurs propriétés attractives qui en font de bons candidats pour les technologies de stockage d'énergie. L'architecture de la cellule ''flow-through'', qui a montré de bonnes performances dans les batteries redox flow aqueuses, est adaptée pour un système non aqueux. En effet, la viscosité du Liquide Ionique permet la fabrication d'une cellule d'une taille relativement grande tout en conservant l'interface colaminaire qui permet d'éviter le mélange des réactifs. Le deuxième axe de recherche dans ce projet est le développement d'un modèle basé sur la méthode Lattice Boltzmann. Ce modèle numérique est utilisé pour résoudre les équations de Navier-Stokes pour l'écoulement des fluides, l'équation de convection-diffusion pour le transport de masse, ainsi que pour le couplage avec la cinétiques de Butler-Volmer. Le modèle est validé avec des problèmes d'écoulement et de transport ayant des solutions analytiques bien connues. Cependant, dans le but d'inclure des électrodes poreuses, une méthode stochastique pour la génération de milieux poreux synthétiques est également présentée, et les effets de la porosité sur le courant à travers une électrode poreuse sont étudiés en utilisant ce modèle.

This thesis project integrates the two fields of microfluidic redox flow batteries and computation modelling. The first axis of research continues the investigation of the usability of Ionic Liquids as supporting electrolytes for microfluidic redox flow batteries due to their attractive properties that make them good candidates for energy conversion technologies. The flow-through cell architecture that has shown high performances in aqueous redox flow batteries is adapted for use in a non-aqueous battery. While the viscosity of the IL allows for the fabrication of a relatively large cell while retaining the colaminar interface to prevent crossover. The second axis of research is the development of a Lattice Boltzmann based model. This numerical model is used to solve the Navier-Stokes equations for fluid flow, the convection diffusion equation for mass transport, as well as coupling with Butler-Volmer reaction kinetics. The model is validated with flow and transport problems with well-known analytical solutions. However, for the sake of including porous electrodes, a stochastic method for the generation of synthetic porous media for use with this model is also presented and the effects of the porosity and on the current across a porous electrode is studied using this model.