Etude et optimisation d'une batterie à circulation tout vanadium - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Study and optimization of an all-vanadium redox flow battery

Etude et optimisation d'une batterie à circulation tout vanadium

Résumé

This research focuses on the redox flow batteries (RFBs) conception and optimization. RFBs are devices performing the electrochemical conversion of electric energy to chemical energy (to store); the reverse process allows recovering the stored energy in the form of electricity according to demand. RFBs are well adapted to energy storage from intermittent renewable energy sources. The battery studied is the all-vanadium RFB (VRFB) which was introduced in the 1980's. Owing to the nature of the electrolytes used in the VRFB, the effect of the irreversible cross-contamination, usually encountered in other RFBs such as the Fe-Cr system, is thus overcome. However, the energy density of this system remains lower than 40 Wh.kg-1 (compared to ~ 150 Wh.kg-1 for Li-ion stationary batteries) because of the low solubility (< 2 mol.L-1) of the vanadium salts in sulfuric acid, used as supporting electrolyte. An objective of this thesis is to optimize the formulation of the electrolytes in order to increase the stored energy density. This consists of: i) preparing, analyzing and characterizing the electrolytes (posolyte V(IV)/V(V) and negolyte V(II)/V(III) ), thus expecting to find their optimal composition and ii) understanding the physico-chemical phenomena occurring during the charge-discharge cycling and thus determining the laws governing these processes to overcome any eventual limitation. These aspects were studied using a classical three electrodes cell, enabling to operate with one electrochemical system at a time (the half of the battery). The presence of particles seems to negatively affect the current of the battery even if it enables to increase the stored energy density. On the another hand, the presence of carbon nanoparticles in the posolyte appears to have a beneficial effect on the current due to the increase of the electrode surface area by the formation of aggregates (electronic percolation in the suspension). This part also includes various physical measurements, such as conductivity, density, viscosity and flow rate, as well as powder characterization techniques (SEM, laser diffraction). Another objective is to conceive and elaborate a VRFB (at the laboratory scale) providing an energy density higher than 100 Wh.kg-1, and optimizing as much as possible the power density of the reactor. Mass and charge balances are performed for charge/discharge cycles, to establish correlations that link the response of the system (current, voltage, energy and reversibility) to the (influencing) operating parameters. Conversions, faradic and energy yields were evaluated and optimized.
Le présent projet concerne la conception et l'optimisation des batteries à circulation (RFB). Ces dernières sont des dispositifs permettant la conversion électrochimique de l'énergie électrique et son stockage sous forme chimique ; le processus inverse vise à récupérer l'énergie stockée sous forme d'électricité, selon la demande. Les RFB sont bien adaptées pour répondre au caractère intermittent des ressources des énergies renouvelables. La batterie étudiée est la RFB tout vanadium (VRFB), qui a été développée dans les années 80 et dont l'avantage principal par rapport aux autres batteries à circulation (le Fe-Cr par exemple), est l'absence de contamination irréversible des deux électrolytes, ceci du faite que toutes les solutions sont des sels de vanadium. Cependant, la densité énergétique de ce système ne dépasse pas 40 Wh.kg-1 (contre ~ 150 Wh.kg-1 dans le cas des batteries stationnaires Li-ion) à cause de la faible solubilité des sels de vanadium (< 2 mol.L-1) dans l'acide sulfurique utilisé comme électrolyte support. Un objectif de la thèse est d'optimiser la formulation des mélanges d'électrolyte afin d'augmenter la densité énergétique de la batterie. Ceci consiste à i) mettre en place des méthodes électrochimiques pour la préparation, l'analyse et la caractérisation des électrolytes (posolyte V(IV)/V(V) et négolyte V(II)/V(III)) pour trouver leur composition optimale et ii) à comprendre les phénomènes physico-chimiques ayant lieu durant les cycles de charge-décharge de la batterie et déterminer les lois régissant ces processus et ainsi surmonter toute limitation éventuelle. L'étude a été menée dans une cellule classique à trois électrodes, permettant de travailler aisément avec un système électrochimique à la fois (en demi-batterie). Les résultats montrent que la présence de particules affecte négativement le courant de la batterie même si le solide permet d'augmenter la capacité de stockage. D'autre part, la présence d'un additif carboné dans le posolyte paraît avoir un effet bénéfique sur le courant grâce à l'extension du collecteur électronique dans le volume via la formation d'agrégats (percolation électronique dans la suspension). Des mesures de conductivité, masse volumique, viscosité, débit ainsi que des méthodes de caractérisation de poudre (MEB, diffraction laser) ont été réalisés et apporté les données nécessaires. Un second objectif de la thèse est la conception et l'élaboration d'une VRFB, à l'échelle laboratoire, ayant une densité énergétique supérieure à 100 Wh.kg-1, ainsi que l'optimisation tant que de possible la puissance du réacteur. Des bilans massique et énergétique sont réalisés pour les opérations de charge-décharge sous différentes conditions, afin d'établir les corrélations 'réponse du système (courant, tension et réversibilité) en fonction des divers paramètres opératoires'. Les conversions ainsi que les rendements faradiques et énergétiques sont évalués et optimisés.
Fichier principal
Vignette du fichier
2020TOU30101b.pdf (8.67 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03124400 , version 1 (28-01-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03124400 , version 1

Citer

Ranine El Hage. Etude et optimisation d'une batterie à circulation tout vanadium. Génie chimique. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2020. Français. ⟨NNT : 2020TOU30101⟩. ⟨tel-03124400⟩
276 Consultations
147 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More