La chimie du gel de zinc pourrait-elle surpasser les batteries à flux ?

Peut-être que les batteries à flux ne sont pas toujours tout ce qu’elles sont censées être. Une nouvelle technologie australienne soulève certainement cette perspective, offrant une nouvelle approche du stockage d’énergie stationnaire, dont l’emballage rappelle au moins l’ancienne batterie de voiture familière.

Les batteries à flux utilisent des électrolytes liquides contenus à l’extérieur dans des réservoirs et qui circulent à travers les cellules à l’aide de pompes et de canalisations. Leur capacité est proportionnelle à la taille des réservoirs, ce qui les rend facilement évolutives. En théorie, ils devraient être un bon choix pour des applications, telles que le stockage d’énergie excédentaire à partir d’énergies renouvelables. Mais leur dépendance à l’égard de composants mécaniques et d’une conception complexe présente des inconvénients, notamment des besoins de maintenance hautement spécialisés, tandis que les électrolytes des batteries à flux peuvent être coûteux, corrosifs ou toxiques. Cela a empêché les batteries à flux de se déployer à grande échelle, malgré des améliorations croissantes.

Maintenant, Gelion Technologies, une startup basée à Sydney, en Australie, a trouvé un moyen de se passer des pompes et de la plomberie, et d’éliminer d’autres inconvénients communs aux batteries à flux conventionnelles en créant une batterie zinc-brome sans flux. Le fondateur de Gelion et inventeur de la nouvelle technologie, le professeur Thomas Maschmeyer de l’Université de Sydney, décrit son fonctionnement.

« Au lieu de faire circuler des fluides, la batterie utilise un gel propriétaire, d’où le nom de l’entreprise gel plus ion. » Le gel permet l’encapsulation moléculaire du brome d’une manière qui est réversible, de sorte que le brome est toujours disponible pour l’électrochimie. Pour expliquer, il utilise l’analogie du velcro. Le gel de type « Velcro » colle au brome, pourtant il peut s’en séparer avec une petite traction en cas de besoin. « Cette traction dans la batterie est un peu de son potentiel », dit-il.

Les batteries au gel, disent ses défenseurs, offrent un stockage robuste, durable et ininflammable fabriqué à partir de matériaux peu coûteux, faciles à trouver et recyclables.

Tout aussi important, le gel garantit que le brome, qui est lourd, reste bien réparti dans toute la batterie, réduisant ainsi la stratification et la formation de zingage indésirables appelés dendrites, qui peuvent provoquer des courts-circuits. À son tour, moins de dendrites réduisent le dégagement gazeux et la dérive du pH (changement indésirable de l’acidité ou de l’alcalinité de l’électrolyte).

« En gardant tout homogène dans le gel, il s’agit essentiellement de traiter tous les problèmes traités par le flux afin qu’ils ne se posent pas vraiment », explique Maschmeyer. Ou s’ils surviennent, « ils peuvent être traités dans les paradigmes existants de la technologie des batteries. Cela en fait une batterie super sûre. »

L’inconvénient de la technologie par rapport aux batteries à flux est que, alors que chaque composant de ces dernières est réparable ou remplaçable, la batterie Gelion doit être entièrement remplacée par une nouvelle en cas de panne.

Un autre inconvénient général est qu’il est plus lourd et plus gros que les batteries lithium-ion. D’autre part, le lithium-ion est sensible à la température et à l’état de charge. Le bromure de zinc, en revanche, « est beaucoup plus robuste », explique Maschmeyer. « De -15 degrés à 50 degrés Celsius, pas de problème. L’état de charge zéro n’est pas non plus un problème, nous servons donc un marché complètement différent de celui du lithium-ion. »

Pourtant, l’inventivité même de Gelion peut faire hésiter certains clients potentiels. « Le secteur de l’énergie est très conservateur », déclare Jens Noack du groupe Redox-Flow-Battery, Fraunhofer-Institute for Chemical Technology, Allemagne. « Les nouvelles technologies ont généralement du mal à entrer. Cependant, elles peuvent être acceptées si le prix à vie est juste. Il ajoute que les technologies sans flux « ont probablement un coût d’investissement plus faible mais le débit énergétique est plus faible. Il faudra donc voir ».

« Ce que nous faisons bien, c’est le transfert d’énergie. Notre objectif est de consolider les énergies renouvelables, en faisant de l’énergie solaire et éolienne une production de base. »
—Thomas Maschmeyer, Gelion Technologies

En ce qui concerne les applications, avec un sweet spot de taux de charge de 4 heures et un taux de décharge compris entre 2 et 36 heures, le Gelion Endure n’est pas adapté aux rafales rapides de forte puissance, comme cela est nécessaire dans les véhicules électriques ou pour stabiliser la tension dans un grille éléctrique.

« Ce pour quoi nous sommes bons, c’est le transfert d’énergie », déclare Maschmeyer. « Notre objectif est de consolider les énergies renouvelables, en faisant de l’énergie solaire et éolienne une production de base. » Il donne l’exemple du fonctionnement d’un électrolyseur solaire pour produire de l’hydrogène vert. La batterie Gelion se recharge pendant la journée, puis prend le relais lorsque le soleil ne brille pas. « Nous pouvons faire fonctionner des électrolyseurs afin qu’ils fonctionnent à des performances optimales 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, avec nos batteries fonctionnant jour après jour à pleine charge-décharge à des températures élevées. Toute autre batterie tomberait en panne dans de telles conditions. »

« Il existe un besoin de stockage peu coûteux pour combler les lacunes causées par les énergies renouvelables fluctuantes », explique Noack, qui est également professeur agrégé adjoint à l’UNSW Sydney. « Les technologies zinc-brome peuvent bien fonctionner en raison du faible coût des matériaux. »

Pour commercialiser la technologie, la société s’apprête à s’inscrire à la Bourse de Londres pour lever 16 millions de livres sterling (22 millions de dollars américains). La batterie Gelion Endure entrera en production pilote l’année prochaine avec l’aide de deux partenaires, Battery Energy Power Solutions, basé à Sydney, et un deuxième partenaire à plus grande échelle en Inde. Après des essais clients dans le monde en 2022, la production commerciale devrait démarrer en 2023. Initialement, la batterie devrait avoir une densité d’énergie utilisable d’au moins 47 Wh/L avec une énergie spécifique d’au moins 37 Wh/kg. La société prévoit également que ces mesures pourraient doubler avec une optimisation supplémentaire.

Pour permettre une montée en puissance rapide de la production, Maschmeyer a eu l’idée d’opter pour un format de batterie plomb-acide scellée établi depuis plus de 30 ans. « Cela signifie que nous sommes en mesure d’avoir les avantages chimiques du bromure de zinc parmi les avantages de l’emballage au plomb. Cela signifie que notre batterie est fabriquée et ressemble à une batterie au plomb – un bloc d’énergie solide sans flux. »

Un avantage majeur de cette décision est que Gelion peut utiliser les lignes de fabrication existantes pour les batteries au plomb en les convertissant à un coût relativement bas en lignes de fabrication de zinc-brome, souligne Maschmeyer. Gelion est également en mesure d’utiliser la manutention des matériaux d’une usine, les opérations de production et la façon dont les batteries sont stockées et expédiées, etc.

Il dit que leur partenaire en Inde s’attend à ce qu’avec un investissement d’environ 16 millions de dollars dans CapEx, Gelion puisse changer un gigawattheure par an de la capacité de production de plomb-acide existante en une capacité de production équivalente de bromure de zinc. Cela se compare bien, dit-il, aux 135 millions de dollars qu’il en coûte pour construire une nouvelle usine de lithium-ion en gigawattheure par an.

Quant aux perspectives de Gelion, Noack dit qu’il existe de nombreux concurrents avec différentes technologies dans le secteur du stockage stationnaire. Dans le même temps, le besoin de stockage augmente de façon exponentielle. « Aucune technologie ne pourra couvrir tous les besoins. Je pense que si le [Gelion] la technologie peut atteindre de faibles coûts de durée de vie, et compte tenu de sa sécurité et de son respect de l’environnement, elle sera alors en mesure de prendre une part du marché. »