Une nouvelle molécule verte pour emmagasiner durablement l'électricité

Les batteries à flux rédox fonctionnent selon un principe différent des piles classiques. De fait, les piles traditionnelles comme les piles alcalines qu'on utilise à la maison et les batteries aux ions de lithium des véhicules électriques emmagasinent la charge dans les électrodes situées à l’intérieur de la pile. Les matériaux actifs utilisés dans ces technologies contiennent des éléments métalliques et la mise à l’échelle est plus complexe. 

«La différence avec une batterie à flux rédox, c'est qu'on utilise un matériau actif sous la forme de molécules organiques potentiellement renouvelables qui sont dissoutes dans une solution aqueuse et stockées à l'extérieur des piles», explique Dominic Rochefort. 

Le système comprend deux réservoirs séparés, contenant une solution électrolytique – eau, acide et molécules organiques –, reliés par des tubes à une pile centrale. Plus les réservoirs sont grands, plus la capacité d'emmagasinage est élevée. Au cœur de la pile se trouve une membrane où les liquides des deux réservoirs circulent en flux, sans jamais se mélanger.  

«Les molécules ne traversent pas la membrane pour aller dans l'autre réservoir, elles ne partagent que leurs électrons via le circuit externe, en les transférant par leurs électrodes respectives», précise le professeur. 

C'est à ce point de contact que se produit le phénomène d'oxydoréduction – ou rédox – qui permet la recharge ou la décharge de la pile. Cette séparation entre l'énergie stockée dans les réservoirs et la puissance produite dans la pile permet de dimensionner indépendamment ces deux paramètres selon les besoins. 

Déjà présentes sur le marché, les batteries à flux rédox commerciales comportent généralement du vanadium des deux côtés du système, un métal aux propriétés électrochimiques intéressantes mais qui n'est pas renouvelable, d'où la quête de molécules organiques pour remplacer au moins l'un des côtés de la batterie. 

«La molécule organique que nous avons élaborée contient du carbone, de l'hydrogène, de l'azote et de l'oxygène. Elle s'intègre à l'eau et à l'acide et elle s'oxyde pour créer la réaction de stockage d'énergie», mentionne Hélène Lebel, spécialiste en synthèse organique. Elle et son équipe ont testé différents types de groupements moléculaires pour désigner ceux qui sont optimaux pour l'emmagasinage de l'énergie. 

C’est ainsi qu’a été créée AzoBiPy, qui appartient à la famille des pyridiniums, des molécules contenant des noyaux hétéroaromatiques chargés positivement qui facilitent les échanges d'électrons. 

«Pour le moment, nous achetons certaines molécules de base auprès de compagnies spécialisées, mais nous explorons aussi le potentiel de molécules biosourcées provenant de résidus de bois ou alimentaires», signale Hélène Lebel. Cette approche pourrait permettre d'extraire les molécules organiques nécessaires de matières renouvelables. 

Le défi de la stabilité 

La capacité de la molécule AzoBiPy à échanger deux électrons plutôt qu'un seul constitue son premier avantage. Concrètement, chaque molécule peut stocker deux fois plus d'énergie que les molécules à un électron, doublant ainsi la capacité du système.  

«Mais le plus grand défi avec ces molécules organiques, c'est leur stabilité, souligne Hélène Lebel. Il faut que le cycle de charge et de décharge puisse se faire sur une longue durée sans que la molécule se décompose.» 

Et c’est précisément sur ce point qu'AzoBiPy se distingue. L'équipe a mis à l’épreuve une batterie à flux dotée de cette molécule en la faisant fonctionner pendant 70 jours consécutifs au cours desquels se sont déroulés 192 cycles complets de charge et de décharge. À la fin de cette période, la molécule conservait près de 99 % de sa capacité initiale, une performance qualifiée d’exceptionnelle par l’équipe de recherche pour une molécule organique.

L'efficacité du système a été démontrée de façon ludique lors de la fête de Noël du Département de chimie en 2024. Avec des réservoirs ne contenant qu'environ deux cuillères à soupe de solution aqueuse chacun, le prototype de batterie à flux a alimenté la guirlande de lumières du sapin pendant huit heures! 

Cette démonstration fait ressortir un autre avantage majeur du système: il fonctionne à base d'eau, ce qui le rend non inflammable, contrairement aux batteries aux ions de lithium, qui présentent des risques d'incendie. «Cette caractéristique est particulièrement importante pour des installations de stockage stationnaires à grande échelle», indique Dominic Rochefort. 

Ainsi, les batteries à flux alimentées par des molécules comme AzoBiPy pourraient servir à stocker l'électricité produite par des parcs solaires ou éoliens, en permettant d’emmagasiner à long terme la production intermittente d’énergie et de répondre aux pics de demande dans les réseaux électriques. 

Outre les parcs éoliens et solaires industriels, Hélène Lebel envisage des applications résidentielles. «Il pourrait être possible de concevoir des applications à plus petite échelle, avec des batteries plus vertes et sécuritaires pour des systèmes domiciliaires», illustre-t-elle. 

L'équipe est à préparer une demande de brevet et travaille déjà sur la suite. «Dans un article scientifique qui est en préparation, nous présenterons une famille de molécules qui ont des propriétés analogues à AzoBiPy, conclut Hélène Lebel. C'est toute une classe de composés qui s'ouvre ainsi à l'exploration pour le stockage d'énergie renouvelable et, d’ici 10 à 15 ans, cette technologie sera plus répandue.»