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Les secrets des batteries à oxyde solide réversibles : comment se chargent-elles et se déchargent-elles simultanément ?
Avec la demande mondiale croissante en énergie renouvelable et en technologies de stockage d’énergie à haute efficacité, les batteries à oxyde solide réversibles (rSOC) sont devenues un domaine de recherche attrayant. Cette technologie émergente est non seulement capable de fonctionner comme une pile à combustible à oxydation solide, mais peut également être transformée en électrolyseur solide, ce qui contribue à améliorer l’efficacité du stockage et de la conversion de l’énergie. Cet article examinera de plus près la structure, le principe de fonctionnement et le potentiel du rSOC pour le stockage d’énergie.
Une cellule d'oxydation à l'état solide réversible est un dispositif électrochimique à l'état solide qui peut fonctionner alternativement entre les modes de pile à combustible à oxydation à l'état solide et d'électrolyseur à l'état solide.
Description technique
Structure de la batterie et principe de fonctionnement
Le système rSOC se compose de quatre composants principaux : l’électrolyte, les électrodes à combustible et à oxygène et les composants d’interconnexion. Les couches poreuses de ces électrodes facilitent la diffusion des réactifs en leur sein et catalysent les réactions électrochimiques. Dans les technologies conventionnelles telles que les SOFC et les SOEC, les électrodes ont chacune une fonction unique, mais dans les cellules d'oxydation à l'état solide réversibles, les deux modes peuvent être alternés dans le même dispositif. Cela permet d'utiliser des noms plus généraux lors de la description des électrodes, telles qu'électrode à combustible et électrode à oxygène.
En mode SOFC, la réaction d'oxydation du combustible se produit au niveau de l'électrode à combustible, tandis qu'en mode SOEC, c'est la réaction de réduction des ions oxygène. Sur l'électrode à oxygène, la réaction de réduction de l'oxygène a lieu en mode SOFC et la réaction d'oxydation en mode SOEC. Lorsque le rSOC fonctionne en mode SOFC, les ions oxygène circulent de l'électrode à oxygène vers l'électrode à combustible, où se produisent les réactions d'oxydation ; tandis qu'en mode SOEC, les réactifs sont réduits à l'anode et produisent des ions oxygène, qui circulent à nouveau vers l'électrode à oxygène.
Courbe de polarisation
Un outil courant pour évaluer les performances du rSOC est la courbe de polarisation. Ce graphique montre la relation entre la densité de courant d'une batterie et sa tension de fonctionnement. Lorsque le circuit rSOC n'est pas fermé, la tension de fonctionnement est appelée tension en circuit ouvert. Lorsqu'une certaine fluctuation ou un certain courant est extrait ou fourni, la tension de fonctionnement commence à s'écarter de la tension en circuit ouvert, qui est principalement affectée par les pertes d'activation, les pertes ohmiques et les pertes de concentration.
Réactions chimiquesEn mode SOEC, si la tension de fonctionnement est inférieure à la tension thermoneutre, la réaction est endothermique ; si elle est supérieure à la tension thermoneutre, elle est exothermique.
Dans le fonctionnement du rSOC, la réaction entre l’hydrogène et la vapeur d’eau est une réaction chimique courante. En mode SOFC, l'hydrogène réagit avec l'oxygène pour former de l'eau, tandis qu'en mode SOEC, l'eau est décomposée en hydrogène et en oxygène.
De plus, le rSOC ne se limite pas aux réactions d’hydrogène mais peut également traiter des réactifs contenant du carbone tels que le méthane. Ces réactions chimiques peuvent être réalisées à haute température avec un risque réduit d’empoisonnement du catalyseur, offrant ainsi des options plus flexibles pour la conversion d’énergie.
L'ammoniac est un vecteur potentiel d'hydrogène, car sa densité volumétrique élevée lui permet d'être utilisé comme carburant efficace.
Système rSOC et son application au stockage d'énergie
Le rSOC suscite une attention croissante en raison de ses excellentes performances, notamment dans le stockage d’énergie périodique ou saisonnier. Par rapport aux technologies traditionnelles de stockage d’énergie par pompage et par air comprimé, les systèmes rSOC présentent des avantages significatifs en termes d’absence de restrictions géographiques et de densité de stockage d’énergie plus élevée.
Dans ce scénario, le stockage de l’hydrogène devient un choix idéal. Le rSOC peut effectuer des opérations bidirectionnelles dans la production d'électricité et la conversion d'hydrogène. Une telle efficacité élevée réduit non seulement le coût d'investissement global de l'équipement, mais améliore également la stabilité du système.
Efficacité du circuit
Lorsque l'on parle de rSOC, l'efficacité de la boucle est un indicateur très important, qui représente l'efficacité du processus de conversion d'énergie de la charge à la décharge. À mesure que les performances de la batterie s’améliorent, ce paramètre deviendra un facteur important pour déterminer la compétitivité du rSOC sur le marché.
L'efficacité de la boucle du rSOC peut être utilisée comme un indicateur important pour évaluer son efficacité dans la conversion d'énergie.
Alors que la demande en technologies d’énergie renouvelable continue d’augmenter, les batteries à oxyde solide réversibles pourraient-elles devenir une solution courante pour le stockage d’énergie à l’avenir ?
