À mesure que les réseaux du monde entier intègrent une part plus importante d'énergie solaire et éolienne intermittente, le stockage d'énergie de longue durée{{0}est apparu comme la pièce manquante essentielle du puzzle de l'énergie propre. Parmi les technologies de longue durée-les plus prometteuses figurent les batteries à flux redox, et les batteries à flux de vanadium (VFB) en particulier ont atteint la maturité commerciale pour les applications de stockage-à l'échelle utilitaire et industrielle. Au cœur de chaque système de batterie à flux se trouvent des matériaux d'électrodes à base de graphite- qui permettent les réactions électrochimiques qui stockent et libèrent de l'énergie, faisant du graphite un catalyseur méconnu mais essentiel de la révolution du stockage de longue durée-.
Le marché mondial des batteries à flux de vanadium devrait passer d’environ 620 millions de dollars en 2025 à plus de 3,1 milliards de dollars d’ici 2033, ce qui représente un taux de croissance annuel composé robuste de 22,3 % selon les prévisions du secteur. Cette croissance explosive est alimentée par la baisse des coûts des systèmes, l'amélioration de la durabilité et un soutien politique fort en faveur du stockage de longue durée en Chine, dans l'Union européenne et aux États-Unis. La Chine domine actuellement le déploiement mondial de VFB, représentant environ 70 % de la capacité installée, avec des centaines de projets à l'échelle du mégawatt-en opération et des pipelines de plusieurs-gigawatts en cours de développement.
Les électrodes en feutre de graphite et en papier graphite servent de sites de réaction où l'électrolyte de vanadium subit une oxydation et une réduction pendant les cycles de charge et de décharge. Contrairement aux électrodes solides utilisées dans les batteries lithium-ion, les électrodes des batteries à flux sont des structures poreuses et conductrices qui permettent à l'électrolyte de circuler tout en offrant une énorme surface pour les réactions électrochimiques. Le feutre de graphite à base de polyacrylonitrile (PAN)-est le matériau d'électrode dominant, apprécié pour sa conductivité électrique élevée, son excellente résistance à la corrosion dans les électrolytes acides, sa porosité contrôlable et son coût relativement faible.
Les performances des électrodes en graphite déterminent directement la densité de puissance, l’efficacité et la durée de vie des systèmes de batteries à flux. Le feutre de graphite de haute-pureté avec une structure de fibre optimisée offre une résistance électrique plus faible, permettant des densités de courant plus élevées et des conceptions de systèmes plus compactes. Les traitements de modification de surface peuvent améliorer encore l'activité électrochimique, réduisant ainsi les pertes de surpotentiel et augmentant l'efficacité aller-retour-. Il est essentiel que les électrodes en graphite présentent une durabilité exceptionnelle dans l'environnement hautement acide de l'électrolyte de vanadium, avec des durées de vie dépassant 15 000 à 20 000 cycles-bien au-delà de ce que la plupart des produits chimiques au lithium-ion peuvent atteindre. Cette longue durée de vie est l'une des principales raisons pour lesquelles les batteries à flux sont si bien adaptées aux applications de stockage stationnaires de longue durée qui doivent fonctionner de manière fiable pendant 20+ ans.
Au-delà des électrodes en feutre de graphite, les plaques bipolaires en graphite et les collecteurs de courant sont également des composants essentiels dans les piles de batteries à flux. Ces plaques de graphite rigides distribuent le flux d'électrolyte, conduisent le courant entre les cellules et fournissent un support structurel à l'assemblage de la pile. Bon nombre des technologies de matériaux en graphite développées pour les plaques bipolaires des piles à combustible à hydrogène sont directement applicables aux systèmes de batteries à flux, créant ainsi des synergies technologiques dans les deux secteurs de l’énergie propre. Les plaques de graphite haute-imprégnées de résine-de résine sont préférées pour l'utilisation de batteries à flux, car elles combinent une excellente conductivité électrique avec une perméabilité à l'électrolyte proche de-nulle, empêchant ainsi la contamination croisée-entre les circuits d'électrolyte.
Usine de moules abrasifs et en graphite Huixian Jincheng, un fabricant spécialisé de graphite avec plus de 40 ans d'expérience dans l'industrie basé dans la ville de Huixian, dans la province du Henan, produit des plaques bipolaires en graphite hautes-performances et des composants en graphite conducteur qui sont bien-adaptés aux applications de batteries à flux de vanadium. S'appuyant sur son expertise dans la fabrication de composants en graphite pour piles à combustible, la société a élargi son portefeuille de produits pour répondre aux besoins du marché en croissance rapide du stockage d'énergie stationnaire.
Jincheng Graphite fabrique des plaques de graphite pour batteries à flux à partir de matériaux en graphite moulés et isostatiques à haute densité, en utilisant plusieurs cycles d'imprégnation sous vide pour obtenir une perméabilité extrêmement faible et empêcher les infiltrations d'électrolyte. Ceci est essentiel pour la fiabilité de la batterie à flux, car toute fuite d'électrolyte à travers les plaques bipolaires dégraderait les performances et nécessiterait une maintenance coûteuse. Les centres d'usinage CNC 50+ de l'entreprise permettent la fabrication de précision de canaux de champ d'écoulement, d'ouvertures de collecteurs et de surfaces d'étanchéité avec des dimensions maximales allant jusqu'à 1 000 mm, s'adaptant à la fois aux petits systèmes de batteries à flux modulaires et aux conceptions de piles à grande échelle-.
Les mêmes techniques de finition de surface de précision utilisées pour les plaques bipolaires des piles à combustible sont appliquées aux composants de la batterie à flux, atteignant une rugosité de surface inférieure à Ra 1 μm pour garantir un bon contact électrique et une répartition uniforme du courant sur la zone de l'électrode. Jincheng Graphite travaille également en étroite collaboration avec les intégrateurs de systèmes de batteries à flux pour personnaliser la géométrie des plaques, la qualité des matériaux et la conception des canaux d'écoulement afin de répondre aux exigences spécifiques du système, optimisant à la fois les performances et les coûts. Grâce à son modèle de production verticalement intégré, de la poudre brute au composant fini, l'entreprise peut fournir une qualité constante à des prix compétitifs pour le marché en pleine croissance du stockage d'énergie.
À l'avenir, le marché des électrodes en graphite pour batteries à circulation se développera parallèlement au déploiement mondial du stockage de longue durée. À mesure que la taille des systèmes passe des installations commerciales à l'échelle du kilowatt-aux projets de services publics de plusieurs-centaines-mégawatts, la demande de plaques bipolaires en graphite de grand-format et de feutres de graphite à grand-volume va augmenter. Les progrès technologiques, notamment les traitements de surface avancés, les électrodes en graphite composite et les méthodes de fabrication -à moindre coût, continueront d'améliorer les performances tout en réduisant les coûts. Pour les fabricants de graphite comme Jincheng Graphite, qui disposent déjà de solides capacités dans la production de plaques bipolaires, le marché des batteries à flux représente une extension naturelle à forte croissance de leur portefeuille existant de produits d'énergie propre.
