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RÉSUMÉ
Les accumulateurs électrochimiques de type redox-flow représentent un principe particulier d’accumulateurs dont les réactifs et produits de réaction sont en solution dans un électrolyte, à l’anode comme à la cathode. Ces électrolytes, contenus dans deux demi-cellules, sont mis en circulation, d’où leur appellation. La capacité des accumulateurs « redox-flow » est facilement maîtrisée, d’où leur utilisation très fréquente pour le stockage d’énergie.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Jack ROBERT : Professeur émérite à l’université Paris Sud XI
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Jean ALZIEU : Ingénieur-chercheur à Électricité de France
INTRODUCTION
Comme tout générateur électrochimique, un accumulateur « redox-flow » est le siège d’une réaction d’oxydation et d’une réaction de réduction qui se développent respectivement au niveau de chaque électrode. Sa spécificité vient du fait que les réactifs et produits de réaction sont en solution dans un électrolyte ad hoc, aussi bien à l’anode qu’à la cathode. De ce fait, un accumulateur redox-flow est constitué de deux demi-cellules contenant chacune l’un de ces électrolytes. Ces derniers sont mis en circulation. C’est au titre de cette mise en circulation de l’électrolyte que les accumulateurs étudiés dans le présent document sont appelés « redox-flow ».
Les électrolytes sont stockés dans des réservoirs et mis en circulation jusqu’aux demi-cellules, sièges des processus réactionnels. La continuité du circuit électrique impose que les deux demi-cellules soient séparées par une paroi semi-perméable autorisant le passage d’un ion commun aux deux électrolytes. Un accumulateur redox-flow comporte un réacteur électrochimique, constitué des demi-cellules, un dispositif de mise en circulation de l’électrolyte et des compartiments de stockage (réservoirs).
La capacité d’un accumulateur redox-flow est liée à la taille des réservoirs tandis que sa puissance est liée à celle du réacteur. Le découplage de ces deux paramètres est un avantage. Ainsi, la maîtrise de la capacité conduit à envisager l’emploi de ce type d’accumulateur pour le stockage massif dans les réseaux d’énergie. Il importe pour ce faire, de disposer de réservoirs de taille suffisante, tandis que l’indépendance vis-à-vis de la puissance est conditionnée par l’utilisation envisagée.
Dans un accumulateur, les processus de vieillissement ou de dégradation affectent généralement les parties solides. Il peut s’agir des électrodes (citons à titre d’exemples, le « shedding » et le « softening » de l’accumulateur au plomb) ou d’un élément de structure (par exemple, fissure du tube d’alumine β d’un accumulateur haute température). Les réactifs et produits de l’accumulateur redox-flow, en phase liquide, sont à l’abri de ces problèmes, ce qui, potentiellement, confère à cet accumulateur une importante durée de vie.
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1. Constitution générale
Nous avons vu que les générateurs électrochimiques de type redox-flow se caractérisent par le fait que leurs matériaux actifs et produits de réaction sont en solution. Deux électrolytes sont nécessaires, chacun portant en solution un couple redox. Les potentiels d’électrode de ces couples redox doivent être suffisamment distants pour générer une force électromotrice suffisante. L’électrolyte portant le couple redox de plus haut potentiel est dit électrolyte positif, ou catholyte, l’autre étant l’électrolyte négatif, ou anolyte. Ces deux électrolytes ne peuvent être mélangés, sous peine d’une réaction d’oxydoréduction spontanée entre l’oxydant positif et le réducteur négatif, équivalente à un court-circuit interne. Au sein d’une cellule élémentaire, la membrane semi-perméable qui sépare les deux compartiments remplis, respectivement d’anolyte et de catholyte, permet le transfert sélectif d’un type d’ion dont la migration assure le transport de charges imposé par la circulation externe d’un courant électrique.
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Architecture
L’architecture générale d’un système redox-flow est présentée figure 1. Dans chaque compartiment, l’électrolyte est en contact avec une électrode inerte, jouant le rôle de collecteur et à la surface de laquelle s’effectue le transfert de charge associé à chaque demi- réaction. Ces dernières s’écrivent :
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à l’électrode positive, en notant Red p – Oxp le couple redox correspondant :
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à l’électrode négative, en notant Red n – Oxn le couple redox correspondant :
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