Solutions électrolytiques basées sur des espèces actives organiques pour batterie redox-flow en milieu aqueux

Electrolytes with organic-based active species for aqueous redox-flow battery

• Auteur / Autrice : Aurore Lê
• Direction : Didier Floner, Léa Chancelier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie-physique, chimie théorique
• Date : Soutenance le 30/03/2018
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Chimiques de Rennes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Solutions (chimie)

Électrolytes

Accumulateurs

Énergie -- Stockage

Mots clés libres

Énergie--Stockage

Accumulateurs

Électrolytes

Solutions (chimie)

Energy--Storage

Batteries

Electrolytes

Solutions (chemistry)

Résumé

L’utilisation de sources d’énergie renouvelables dépendant fortement des conditions météorologiques, les pics de production d’énergie ne peuvent correspondre exactement à la demande. Le développement de systèmes de stockage d’énergie, tels que les batteries redox-flow, est donc essentiel. Contrairement aux technologies conventionnelles pour lesquelles l’énergie est emmagasinée dans les électrodes (type Li-ion), les espèces actives des batteries redox-flow sont dissoutes dans des solutions stockées en dehors des cellules électrochimiques. Ces solutions sont ensuite pompées vers les électrodes où se produisent les réactions permettant le stockage de l’énergie. Ce système a l’avantage d’être flexible, en découplant la puissance disponible de la quantité d’énergie stockée. L’objet de cette thèse est de mettre au point des électrolytes moins coûteux et moins toxiques que ceux existant sur le marché actuel, par l’étude de deux nouvelles espèces susceptibles d’être utilisées comme pôle négatif de batteries redox-flow. Tout d’abord, un complexe à base de fer a été caractérisé, puis testé en batterie. Celui-ci a montré des résultats prometteurs mais son utilisation est freinée par des réactions secondaires qui diminuent les performances de la batterie, telles que la transformation en oxyde de fer. Le deuxième composé étudié est une molécule organique qui a la capacité d’échanger deux électrons en milieu alcalin. Ce composé a montré de meilleures performances, qui pourront être encore améliorées en augmentant sa solubilité. Il a été observé que le comportement électrochimique et la solubilité de cette molécule dépendent fortement des espèces environnantes, et ainsi du pH ou des contre-ions en solution.

As the use of renewable energy sources is highly dependent on weather conditions, peaks in energy production cannot exactly match the demand. Consequently, the development of energy storage systems such as redox-flow batteries is essential. Unlike existing conventional technologies for which energy is stored in the electrodes (Li-ion batteries), the active species of the redox-flow batteries are dissolved in solutions and stored outside the electrochemical cells. These solutions are then pumped to the electrodes where the reactions allowing the storage of energy occur. This technology has the advantage to be flexible, by decoupling available power and amount of stored energy. The purpose of this thesis is to study two new active species that could be used in cost-effective and less toxic electrolytes for redox-flow batteries. First, an iron-based complex was characterized and then tested in a battery. The compound showed promising results, but its use was slowed down by secondary reactions such as the transformation into iron oxide which decreased the performances of the battery. The second studied species was an organic molecule, which is able to exchange two electrons in an alkaline medium. This molecule showed better performances, which can be further improved by increasing its solubility. It was observed that the behavior of this molecule strongly depended on the surrounding species, and thus, a change in pH or counter-ions in solution can have effects on its electrochemical behavior or its solubility.