Modélisation et gestion de flux et d'électrochimie dans les batteries à flux redox

Modeling and management of flow and electrochemistry in redox flow batteries

• Auteur / Autrice : Coline Lespinasse
• Direction : Liang Liu, Sophie Didierjean
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Inscription en doctorat le 15/10/2025
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LCPME - Laboratoire de Chimie Physique et Microbiologie pour les Matériaux et l'Environnement

Mots clés

Mots clés libres

Batterie à flux redox

Électrochimie

Cfd

Modélisation numérique

Redox flow batteries

Electrochemistry

Cfd

Numerical modeling

Résumé

La batterie à flux redox (RFB) est considérée comme une alternative économique au stockage d'énergie stationnaire, qui est essentielle pour préserver les énergies vertes intermittentes (par exemple, éoliennes et solaires). Le stockage d'énergie dans une RFB s'effectue en modifiant l'état redox des électrolytes dans les réservoirs. Pour augmenter la densité de courant de charge/décharge, trois stratégies sont possibles : (1) Augmenter la cinétique de transfert de charge sur l'électrode. Cela dépend de l'électrolyte et du matériau d'électrode choisis ; (2) Augmenter la surface active de l'électrode. Ceci est généralement obtenu en utilisant des électrodes poreuses comme le feutre de carbone ; (3) Améliorer le transport de masse de l'électrolyte par la gestion du flux. Il s'agit d'un enjeu clé en RFB. D'une part, le flux peut accélérer le transport de masse de l'électrolyte et augmenter la densité de courant de charge/décharge, mais d'autre part, il est également source de pertes d'énergie. La pression élevée dans le flux peut également engendrer des difficultés techniques, telles que des fuites d'électrolyte. Il est à noter que (2) et (3) dépendent fortement de la géométrie de l'électrode, ce qui revêt une importance capitale dans la conception de la batterie. Ce travail de thèse vise à optimiser les performances des batteries à flux redox en gérant les aspects mentionnés ci-dessus. Il s'appuiera principalement sur des simulations numériques de l'électrochimie et de l'écoulement. Le flux de travail général comprendra : la conception de la géométrie de l'électrode, la simulation de l'écoulement par CFD, la simulation des processus électrochimiques avec la cinétique de transfert de charge et le transport de masse à partir de l'écoulement, et la validation expérimentale des résultats de simulation (en étroite collaboration avec des expérimentateurs). Enfin, la gestion thermique sera également prise en compte. De plus, une analyse des risques basée sur l'hétérogénéité de la batterie sera explorée pour évaluer la durabilité des batteries.

Redox flow battery (RFB) is considered as a low-cost alternative for stationary energy storage, which is essential for keeping the green energy (e.g. wind, solar) that have intermittent nature. The energy storage in RFB is achieved by changing the redox state of the electrolytes in the tanks, which is governed by electrochemical reactions. To increase the current density for charging/discharging of RFB, three strategies are spotted: (1) Increase the charge transfer kinetics on the electrode. This depends on the chosen electrolyte and electrode material. (2) Increase the active surface area of the electrode. This is usually achieved by using porous electrodes such as carbon felt. (3) Improve the mass transport of electrolyte by flow management. This is a key issue in RFB. On one hand, the flow may accelerate the mass transport of the electrolyte to increase the current density of charging/discharging, but on the other hand the flow is also intrinsically a source of loss of energy. The high pressure in the flow may also induce technical challenges, such as the leakage of electrolyte. It should be noted that (2) and (3) are sensitively dependent on the geometry of the electrode, which clearly sees high importance in the battery design. This PhD work will target at optimizing the performance of redox flow batteries by managing the above-mentioned aspects. It will be intensively based on numerical simulations of the electrochemistry and the flow. The general workflow would be: design of electrode geometry, simulation of flow by CFD, simulate electrochemical processes with charge transfer kinetics, and mass transport from the flow, experimental validation of simulation results (in close collaboration with experimentalists). Eventually, heat management will also be considered. Moreover, risk analysis based on the heterogeneity of the battery will be explored for the evaluation of the durability of the batteries.