ANR LaDHy
Hydroxydes lamellaires pour systèmes de stockage innovants
(Projet-ANR-20-CE05-0024)
Octobre 2020 - Mai 2024
Coordinateur du projet : Thierry BROUSSE (équipe ST2E)
Partenaires :
EDF SA Electricité de France - Direction R&D
Institut de Chimie (ICCF Clermont-Ferrand)
Personnels IMN impliqués :
Laurence ATHOUEL (MC UNIV), Olivier CROSNIER (MC UNIV), Camille DOUARD (IE CNRS)
Philippe GUILLEMET (MC UNIV), Fanch GUILLOU (AI UNIV)
L’augmentation des moyens de production intermittent raccordés sur le réseau électrique lui demande plus de flexibilité et nécessite d’installer des « tampons » sous forme de stockage électrique. Les solutions actuelles, batteries ou supercondensateurs, n'apportent pas de solutions satisfaisantes permettant de répondre à l'intégralité du cahier des charges de l'exploitant du réseau, notamment en termes de densité de puissance et d'énergie, de cyclabilité, de sécurité, de recyclage et de coût. Le projet LaDHy (LayereD Hydroxides for advanced energy storage devices) propose de développer un moyen de stockage innovant, situé entre une batterie et un supercondensateur, possédant suffisamment d’énergie pour assurer un stockage pertinent et capable de fournir ou d'absorber des pics de puissance pendant 15 minutes pour des besoins de réglage de fréquence. Ce dispositif comportera des électrodes présentant des réactions faradiques rapides et réversibles. Ces électrodes seront dotées d’espèces redox appartenant entre autres à la famille des quinones, piégées dans des matrices hôtes lamellaires. Ces dernières sont des Hydroxydes Lamellaires, doubles (HDL) et simples (LSH), formés par l’alternance de feuillets hydroxydes mixtes de cations (divalents/trivalents dans le cas des HDL, uniquement divalent pour les LSH), et d’espèces intercalées anioniques. Ces hydroxydes lamellaires peuvent incorporer une grande variété d'anions et peuvent être adaptés selon l’application visée et ses spécifications. L’électroactivité sera obtenue non seulement par des anions intercalés électroactifs en milieu aqueux mais l’électroactivité des cations des feuillets sera également exploitée. La fenêtre de potentiel redox des espèces qui seront intercalées est suffisamment large offrir la possibilité de les utiliser à l’anode et la cathode. L’intérêt des phases LSH est l’ancrage iono-covalent plus fort des anions au feuillet qui contraste avec les interactions électrostatiques observées dans les phases HDL. Cette différence entre ces deux matrices sera exploitée pour une modulation fine des propriétés des matériaux, une maîtrise des transferts électrochimiques et de la stabilité en cyclage. La synthèse relativement peu coûteuse de ces matériaux lamellaires, reposant sur des méthodes de chimie douce, un électrolyte aqueux et leur bonne recyclabilité, en font une solution attractive, propre et durable, adaptée au stockage décentralisé d’électricité à grande échelle que la solution LaDHy pourrait fournir. Les HDL sont déjà produits à grande échelle, par exemple pour l’agriculture et pour le génie civil. L'utilisation d'un électrolyte aqueux permettra une plus grande sécurité des dispositifs de stockage comparée aux batteries et supercondensateurs actuels opérant pour la plupart en milieux organiques, inflammables et potentiellement toxiques.
Le projet LaDHy associe deux laboratoires académiques, ICCF et IMN, spécialisés respectivement dans la synthèse à façon de nouveaux HDL et LSH et dans la formulation et la caractérisation de nouveaux matériaux d'électrodes pour batteries, supercondensateurs ou systèmes hybrides avec un industriel leader mondial du domaine de la production, du transport et de l'utilisation de l'électricité, EDF. Ce dernier a rédigé le cahier des charges et validé l'adéquation de la solution de stockage proposée qui sera mise en œuvre depuis la synthèse des HDL/LSH, leur mise en forme en électrodes, jusqu’à la conception de prototypes. Les performances de ces démonstrateurs seront mesurées avec des courbes de cyclage obtenues en conditions réelles sur des applications concrètes et confrontées aux attentes de l'industriel. Ce nouveau moyen de stockage alliant énergie et puissance dans un électrolyte aqueux, a pour ambition d’être plus sûr, non toxique, recyclable et moins cher et capable d’un plus grand nombre de cycles que les batteries actuelles pour l'application visée.