Cas utilisateurs

Développement d’un nouveau modèle de batterie pour répondre à des questions classiques de chimie

Les chercheurs de l'Institut Flamand de Recherche Technologique (VITO/EnergyVille) et de l'Université Catholique de Louvain (UCL) ont mis au point un modèle pseudo tridimensionnel d'une batterie à flux semi-solide afin de trouver des réponses fiables à leurs questions de conception, telles que l'influence du débit sur la décharge des particules et l'évolution de la tension de cellule pendant le processus de décharge.

Par Brianne Christopher
Octobre 2020

Le développement de tout processus, composant ou dispositif implique un certain nombre d'essais et d'erreurs - rien n'est parfait du premier coup. Le même raisonnement s'applique à l'approche de modélisation elle-même. Prenons, par exemple, la modélisation d'une batterie à flux semi-solide (SSFB), un type innovant de batterie à flux qui est similaire à la batterie à flux redox vanadium (VRFB), mais qui comporte un électrolyte liquide qui transporte des particules solides. Jusqu'à récemment, la littérature relative aux SSFB était rare.

Chercheur doctoral co-dirigé par Grietus Mulder de l'unité Technologie de l'Energie du VITO/EnergyVille, Kudakwashe Chayambuka, ainsi que Xochitl Dominguez, chercheur principal au VITO et le professeur Jan Fransaer de l'UCL, ont entrepris de combler ce manque de recherche en matière de modélisation de SSFB.

Les premières recherches sur les systèmes de SSFB ont utilisé des modèles qui considéraient la diffusion et la convection comme des mécanismes de transport se produisant au sein des particules actives. Mais cette hypothèse est à la fois physiquement et conceptuellement incorrecte. "Ces modèles supposent un flux convectif lorsque la charge est contenue à l'intérieur des particules en mouvement," explique M. Chayambuka. "Les équations du modèle original ne sont pas cohérentes, et ne sont pas physiques," ajoute M. Fransaer, qualifiant le modèle de "douteux."

"Nous avons essayé de modéliser la physique appropriée," poursuit M. Chayambuka. Dans ce cas, la "physique appropriée" fait référence au fait que la diffusion moléculaire est le seul mécanisme de transport qui se produit à l'intérieur des particules solides actives d'une SSFB. Leur mouvement dans le volume n'est pas lié à ce mécanisme de transport moléculaire. L'équipe a développé une nouvelle façon de modéliser une SSFB qui pourrait rendre compte avec précision de son comportement et de la physique environnante.

La bataille des batteries

Les batteries à flux sont capables de séparer (et de faire évoluer indépendamment) leur capacité de production d'énergie et de stockage d'énergie. Alors, qu'est-ce qui rend une batterie à flux semi-solide (Figure 1) si spéciale ? "Les SSFB sont très intéressantes, et très difficiles à réaliser. Il n'y a aucune limite à la quantité d'énergie qui peut être stockée," explique M. Fransaer. Ce type de batterie est avantageux dans de nombreuses applications en raison de sa forte densité énergétique volumétrique. En fait, elles offrent une capacité de stockage en volume dix fois supérieure à celle des batteries à flux redox vanadium (VRFB).

Lorsqu'elles sont basées sur les mêmes matériaux que les batteries Li-ion, les SSFB offrent théoriquement la plus haute densité d'énergie, mais elles présentent certains inconvénients, notamment un coût de fabrication élevé et un risque accru de toxicité. Les SSFB fabriqués avec un matériau nickel-métal-hydrure (NiMH) contiennent un électrolyte aqueux d'hydroxyde de potassium pour éviter ces problèmes.

Quel que soit le type de SSFB, il y a un défi majeur à relever en matière de conception : Les chercheurs ont besoin d'un modèle électrochimique qui décrit avec précision les processus cinétiques et de transport qui se produisent dans le dispositif. C'est là que le groupe de recherche — et sa nouvelle approche de modélisation — entre en jeu.

Modélisation de la batterie : Désormais en pseudo 3D

Les chercheurs ont réalisé que pour réussir à modéliser les SSFB, ils devaient être en mesure de prendre en compte correctement et simultanément les interactions entre les domaines à grande et à petite échelle, ainsi que de multiples processus physiques. "Les SSFB sont des systèmes très complexes par rapport aux autres batteries. Par exemple, les boues doivent avoir la bonne viscosité," explique Mme Dominguez. "Pour prédire ce qui se passe, il faut le modéliser. Les expériences prendraient trop de temps et seraient trop complexes."

Le groupe a constaté que le logiciel COMSOL Multiphysics^® offre les capacités multiphysiques et multi-échelles nécessaires à ses recherches. En outre, la modélisation électrochimique précise et efficace que permet le logiciel facilite l'optimisation et la mise à l'échelle des systèmes SSFB NiMH. "Des simulations de ce type ne sont vraiment possibles qu'avec COMSOL^®," déclare M. Mulder.

Outre la nécessité d'une modélisation multiphysique et multi-échelle, les SSFB présentent un autre défi de modélisation. En raison de la présence de particules actives dans la batterie, le modèle doit inclure le suivi de particules. Cependant, vous ne pouvez pas coupler une analyse hydrodynamique avec une approche complète de suivi de particules, car les deux études ne sont pas compatibles. Les chercheurs ont abordé ce problème par une approche en deux étapes. Tout d'abord, ils ont modélisé en 2D le mouvement des électrodes d'un système SSFB sans écoulement (Figure 2). Le modèle 2D a servi de première approximation permettant de sélectionner les paramètres optimisés, tels que les approches de solution concentrée et diluée pour l'électrolyte, l'équilibre des matériaux dans les particules solides actives, l'équilibre du courant, le taux de réaction et la géométrie du modèle.

Ensuite, les chercheurs ont étendu le modèle 2D au modèle pseudo 3D (P3D) pour les systèmes SSFB en écoulement. "Nous voulions faire un modèle de suivi de particules qui inclut la physique discrétisée dans le domaine temporel ; puis arrêter et résoudre, mettre à jour la position des particules, et recommencer pour générer des résultats corrects," explique M. Chayambuka. "Nous avions besoin d'une géométrie P3D pour modéliser l'ensemble du flux de la batterie." Pour ce faire, l'équipe a déterminé toutes les variables dépendantes dans des domaines distincts, ainsi que les variables associées qui devaient être mises à disposition dans les différentes géométries à leurs coordonnées correspondantes. "La fonction d'opérateur d'extrusion de COMSOL Multiphysics^® a permis de relier facilement les domaines 2D et 3D," explique-t-il. La fonctionnalité de couplage par extrusion leur a également permis de transférer les variables entre les différentes géométries à chaque instant des études temporelles.

Grâce au modèle P3D, l'équipe a pu prendre en compte les effets hydrodynamiques dans le SSFB, tels que le transport dans l'électrolyte par le biais des équations de Navier-Stokes pour un fluide newtonien incompressible, ainsi que le transport dans les phases solides, y compris le processus d'intercalation de l'hydrogène modélisé par une diffusion pure. L'équipe a résolu l'équation de diffusion en fonction du temps à l'intérieur des particules actives à l'aide d'équations différentielles partielles (EDP).

Les chercheurs ont également trouvé le produit d'interfaçage LiveLink™ for MATLAB^® particulièrement utile. Avant d'introduire le LiveLink™ for MATLAB^®dans leur travail de modélisation, les chercheurs ne disposaient pas d'un processus P3D automatisé. Ils devaient donc exécuter la simulation à plusieurs reprises, modifier la position de la particule, puis recommencer. Ce processus convenait bien au début du projet, mais le groupe a rapidement constaté qu'il fallait beaucoup de temps pour trouver les résultats dont ils avaient besoin — et cette approche était également plus sujette aux erreurs. Lorsqu'ils ont ensuite introduit la fonctionnalité LiveLink™ dans leur processus, Chayambuka confie "Il est devenu tellement plus facile de générer des résultats, et nous n'avons pas besoin d'être derrière un ordinateur tout le temps."

Débit, état de charge et rendement énergétique

Grâce aux résultats du modèle 2D, les chercheurs ont découvert que la charge disponible du SSFB n'est pas épuisée de manière homogène. En fait, l'ampleur de la décharge de chaque particule dépend de sa position. Le modèle P3D a montré aux chercheurs comment le débit de la batterie affecte la décharge des particules, un facteur important pour l'analyse du comportement dynamique des cellules de la batterie.

L'équipe a constaté qu'à des débits élevés, la tension de cellule reste pratiquement stable. Au fur et à mesure que le courant de décharge augmente, la différence de tension entre la tension initiale et celle de l'état d'équilibre augmente. Pour les faibles débits, les différences de tension entre le stade initial et le stade d'équilibre sont plus prononcées (Figure 3). En comprenant comment le débit affecte le comportement dynamique des cellules, ils peuvent concevoir des SSFB pour différents débits et prédire le régime permanent pour des ensembles donnés de conditions initiales.

L'un des aspects les plus passionnants du projet est que c'est la première fois que le comportement du débit d'un SSFB a été montré dans un modèle. De plus, les SSFB expérimentales présentent des profils transitoires similaires à ceux trouvés dans COMSOL Multiphysics^®, ce qui démontre la validité du modèle P3D pour ce type de recherche.

Améliorer l'avenir de la recherche sur les batteries

Grâce au modèle P3D, l'équipe de recherche a démontré une nouvelle façon de modéliser le comportement des SSFB. Grâce à ce modèle, ils ont pu visualiser la relation entre les phénomènes hydrodynamiques et électrochimiques, offrant ainsi une nouvelle façon d'explorer la conception de différents types de batteries. Les prochaines étapes comprennent l'introduction d'effets de changement de phase dans les matériaux du modèle, l'introduction d'un comportement non-newtonien et la validation du champ d'écoulement simulé avec des expériences utilisant des suspensions carbone-eau ayant le même comportement rhéologique que les électrolytes.

"Notre espoir est d'appliquer ce modèle à d'autres types de batteries à écoulement et de tester d'autres chimies, ce qui serait intéressant," indique M. Chayambuka. En outre, "ce type de modèle peut être extrapolé à d'autres systèmes, car ils utilisent les mêmes principes," conclut Mme Dominguez. Elle donne comme exemple le système de traitement des eaux usées basé sur les particules.

Le groupe espère qu'en poursuivant ses travaux, il sera en mesure de réaliser un système expérimental pour valider le modèle SSFB, ce qui susciterait davantage d'intérêt et de financement afin qu'il puisse étudier d'autres façons de modéliser les pertes d'énergie et les conditions optimisées. L'amélioration de la conception des batteries et une meilleure compréhension de leur fonctionnement peuvent améliorer la façon dont les fabricants de batteries stockent l'énergie et produisent de l'électricité.

MATLAB est une marque déposée de The MathWorks, Inc.