FR3138739A1 - Procédé de recyclage d’électrolyte aqueux à base de composés quinoniques de batterie rédox à flux - Google Patents
Procédé de recyclage d’électrolyte aqueux à base de composés quinoniques de batterie rédox à flux Download PDFInfo
- Publication number
- FR3138739A1 FR3138739A1 FR2208175A FR2208175A FR3138739A1 FR 3138739 A1 FR3138739 A1 FR 3138739A1 FR 2208175 A FR2208175 A FR 2208175A FR 2208175 A FR2208175 A FR 2208175A FR 3138739 A1 FR3138739 A1 FR 3138739A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- group
- aqueous electrolyte
- compound
- acid
- electroactive
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/20—Indirect fuel cells, e.g. fuel cells with redox couple being irreversible
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0693—Treatment of the electrolyte residue, e.g. reconcentrating
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04186—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of liquid-charged or electrolyte-charged reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
- H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
- H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/008—Disposal or recycling of fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
- Y02W30/00—Technologies for solid waste management
- Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
- Y02W30/84—Recycling of batteries or fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Procédé de recyclage d’électrolyte aqueux à base de composés quinoniques de batterie rédox à flux
La présente invention concerne un procédé de recyclage d’un électrolyte aqueux d’une batterie rédox à flux à recycler, l’électrolyte aqueux comprenant au moins un composé électroactif et un solvant aqueux, le composé électroactif étant au moins une forme oxydée ou réduite d’un couple oxydo/réducteur dont la forme oxydée est un composé comprenant un motif quinone, par exemple un motif benzoquinone, un motif naphtoquinone ou un motif anthraquinone, de préférence un motif anthraquinone, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de précipitation (300) du composé électroactif.
Figure pour l’abrégé : Figure 1
Description
La présente invention concerne un procédé de recyclage d’électrolyte aqueux d’une batterie rédox à flux.
Une batterie rédox à flux (en anglaisRedox Flow B atterie) est un système utilisant des liquides (appelés électrolytes) pour stocker de l’énergie. Les batteries rédox à flux stockent l'électricité et la génèrent par réaction d'oxydoréduction. Elles présentent en général deux compartiments séparés par une membrane échangeuse d’ions, où sont généralement plongés des collecteurs de courant (électrodes).
Un des problèmes des technologies actuelles de stockage par batterie de manière générale est leur utilisation de minerais et métaux dont l’extraction impacte massivement l’environnement. De plus, leur design complexe et l’utilisation de matériaux composites empêche un recyclage simple, économique et efficace des matériaux critiques. Alors qu’elles prétendent résoudre l’impact environnemental de la production énergétique par stockage d’énergie renouvelable (et donc diminution des émissions de CO2/kWh électricité produite), ces technologies possèdent une analyse de cycle de vie très mitigée. Elles engendrent une déplétion des ressources et une pollution importante due aux déchets que représentent les batteries en fin de vie.
Pour les technologies existantes, des méthodes de recyclage ont été publiées dans la littérature, comme par exemple :
- Batterie Li-ion (EP1269554B1): méthode de recyclage et de séparation des matières critiques. Une telle méthode est complexe à mettre en œuvre et coûteuse ;
- Batterie plomb-acide (CA2986001A1) : procédé électrochimique de récupération de plomb pour réutilisation en boucle fermée ;
- Batterie rédox à flux au Vanadium : des méthodes de recyclage ont déjà été proposées par mélange des deux électrolytes, et doit d’ailleurs être opéré en continu pendant le cyclage pour contrecarrer le cross-over des ions de vanadium à travers la membrane (Zhang, Y., Liu, L., Xi, J., Wu, Z., & Qiu, X. (2017). The benefits and limitations of electrolyte mixing in vanadium flow batteries. Applied Energy, 204, 373–381) ;
- Batterie rédox à flux au Zn-Br : procédé de récupération par neutralisation du brome (CN103236570B).
Les solutions actuelles de recyclage n’existent pas pour des batteries rédox à flux qui mettent en œuvre des couples rédox à base de composés organiques ou organométalliques, en particulier organiques, solubilisés en milieu aqueux.
KEMIWATT met en œuvre des électrolytes à base de composés organiques et organométalliques, dissouts en milieu aqueux, pour limiter l’impact de cette technologie sur l’environnement et la déplétion des ressources (utilisation de métaux critiques / terres rares). Or, à ce jour, il n’existe aucune solution de recyclage pour de telles batteries.
La présente invention a pour but de résoudre le problème technique consistant à fournir un procédé de recyclage pour batterie rédox à flux mettant en œuvre des couples rédox à base de composés organiques et/ou organométalliques en solution aqueuse.
La présente invention a pour but en particulier de résoudre le problème technique consistant à fournir un procédé de recyclage d’électrolytes aqueux pour batterie rédox à flux.
La présente invention a pour but en particulier de résoudre le problème technique consistant à fournir un procédé simple de traitement des électrolytes aqueux pour batterie rédox à flux en fin de vie afin d’isoler la/les composés électroactifs, de les purifier, et en particulier de s’en servir comme matière première de nouveaux électrolytes.
En particulier, la présente invention a pour but de résoudre les problèmes techniques énoncés ci-dessus en limitant l’impact sur l’environnement et la déplétion des ressources naturelles ou en limitant la quantité de composés organiques/organométalliques nouveaux utilisés dans les électrolytes, en particulier dans le négolyte. Enfin, la présente invention a pour but de résoudre le problème technique de la diminution des coûts de fabrication des batteries rédox à flux.
La présente invention permet de résoudre l’un, et de préférence l’ensemble, des problèmes techniques posés par la présente invention.
Pour renforcer l’éco-compatibilité et la compétitivité économique de batteries rédox à flux mettant en œuvre des électrolytes aqueux comprenant des composés organiques et/ou organométalliques, les inventeurs ont découvert et développé un procédé et un système de recyclage des composés électroactifs des électrolytes, en particulier pour les réutiliser dans de nouvelles batteries rédox à flux et ainsi créer une économie circulaire autour d’une telle batterie rédox à flux.
Avantageusement, un recyclage selon la présente invention comprend l’isolement du(des) composé(s) électroactif(s) comprise(s) dans l’électrolyte en fin de vie de la batterie, pour le(les) valoriser ensuite, soit directement en le(les) commercialisant dans une autre application, soit de préférence en le(les) réintroduisant dans une nouvelle batterie rédox à flux sous forme d’un nouvel électrolyte. Une batterie rédox à flux peut avantageusement être recyclée une fois qu’elle a perdu au moins 20 % de sa capacité initiale.
Ainsi, la présente invention permet de limiter la quantité de matière nouvellement introduite pour la production des batteries rédox à flux et/ou de limiter la consommation de matières premières, naturelles ou synthétisées.
Ainsi, la présente invention concerne un procédé de recyclage d’un électrolyte aqueux d’une batterie rédox à flux à recycler, l’électrolyte aqueux comprenant au moins un composé électroactif et un solvant aqueux, le composé électroactif étant au moins une forme oxydée ou réduite d’un couple oxydo/réducteur dont la forme oxydée est un composé comprenant un motif quinone, par exemple un motif benzoquinone, un motif naphtoquinone ou un motif anthraquinone, de préférence un motif anthraquinone, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de précipitation du composé électroactif.
Par composé électroactif, on entend un composé organique ou organométallique faisant partie d’un couple oxydoréducteur, et désigne de manière indifférente soit l’oxydant (la forme oxydée) du couple oxydoréducteur, soit le réducteur (la forme réduite) du couple oxydoréducteur, soit le mélange de l’oxydant et du réducteur du couple oxydoréducteur.
Par électrolyte aqueux, on entend les solutions aqueuses comprenant le(les) composé(s) électroactif(s) et disposées dans les compartiments positifs et négatifs d’une batterie rédox à flux.
On désigne par posolyte, l’électrolyte du compartiment positif de la batterie rédox à flux, et par négolyte l’électrolyte du compartiment négatif de la batterie rédox à flux.
De préférence, l’électrolyte aqueux recyclé par le procédé selon l’invention est un négolyte.
De préférence, le procédé est caractérisé en ce qu’il comprend successivement :
- une étape de collecte d’un électrolyte aqueux d’une batterie rédox à flux comprenant au moins un composé électroactif,
- l’étape de précipitation du composé électroactif, ce par quoi une suspension est obtenue,
- une étape de séparation de la suspension, ce par quoi un résidu solide et un effluent sont obtenus, et
- optionnellement, une étape de rinçage à l’eau du résidu solide obtenu après l’étape de séparation, ce par quoi un résidu solide rincé est obtenu.
L’étape de rinçage à l’eau peut comprendre la trituration du résidu solide, et/ou une deuxième étape de séparation pour obtenir un résidu solide rincé et un deuxième effluent. La deuxième étape de séparation peut être effectuée en même temps que le rinçage et/ou la trituration du résidu solide.
Le procédé peut également optionnellement comprendre une étape de séchage, éventuellement partiel, du résidu solide ou du résidu solide rincé.
Les étapes du procédé peuvent être mises en œuvre par toute technique connue de l’homme du métier.
L’étape de collecte s’effectue de préférence par pompage du(des) électrolyte(s) de la batterie rédox à flux à recycler vers un conteneur, de préférence directement sur le site d’utilisation de la batterie. Selon un mode de réalisation, l’étape de collecte comprend en outre une étape de transvasement du(des) électrolyte(s) du conteneur vers un réacteur.
L’étape de collecte s’effectue de préférence après une étape de décharge complète de la batterie rédox à flux. Autrement dit, l’électrolyte collecté pendant l’étape de collecte est de préférence un négolyte dont le composé électroactif est sous sa forme oxydée et/ou un posolyte dont la molécule électroactive est sous sa forme réduite.
L’électrolyte aqueux collecté à partir de la batterie rédox à flux est un électrolyte aqueux usagé puisqu’il a subi au moins un cycle de charge et/ou de décharge. De préférence, l’électrolyte aqueux usagé est collecté à la fin du cycle de vie de la batterie.
L’étape de séparation s’effectue de préférence par filtration, par exemple grâce à un décanteur centrifuge.
Le résidu solide obtenu à l’issue de l’étape de séparation comprend le(les) composé(s) électroactif(s) précipité(s).
L’étape de rinçage à l’eau et de trituration à l’eau permet d’améliorer la pureté du résidu solide, et permet en particulier d’éliminer l’agent précipitant utilisé s’il est faiblement volatil. Elle est particulièrement adaptée pour le recyclage d’un négolyte.
L’étape de séchage n’est pas obligatoire, en particulier lorsque le procédé comprend une étape de rinçage à l’eau, car le résidu solide peut être formulé même s’il comprend de l’eau de rinçage résiduelle.
Le procédé selon l’invention est donc de préférence dépourvu d’étape de séchage du résidu solide, rincé ou non.
L’absence d’étape de séchage, ou la réduction du temps et/ou de la température de séchage par la mise en œuvre d’une étape de séchage partiel permet de minimiser les coûts énergétiques du procédé.
L’étape de séchage, lorsqu’elle est présente, peut être effectuée par chauffage et/ ou par mise sous pression réduite du résidu solide.
De préférence, le procédé selon l’invention est caractérisé en ce que l’étape de précipitation comprend l’ajout d’un anti-solvant du composé électroactif et/ou l’ajout d’un acide ou d’une base et/ou l’ajout d’un sel dans l’électrolyte aqueux.
De préférence, l’étape d’ajout d’un anti-solvant s’effectue dans une cuve de réacteur, sous agitation.
Par anti-solvant, on entend un solvant organique dans lequel le composé électroactif est moins soluble que dans l’eau.
De préférence, l’anti-solvant est choisi pour sa capacité à abaisser la solubilité du composé électroactif du milieu aqueux initial, de préférence choisi parmi les solvants dans lesquels le composé électroactif est 5 fois moins soluble que dans l’eau, plus préférentiellement 10 fois moins soluble, avantageusement 100 fois moins soluble. Autrement dit, le rapport entre la solubilité du composé électroactif dans l’eau sur la solubilité du composé électroactif dans l’anti-solvant est de préférence supérieur ou égal à 5, plus préférentiellement supérieur ou égal à 10, avantageusement supérieur ou égal à 100. La solubilité du composé électroactif dans l’eau ou l’anti-solvant, est la concentration maximale, en g/mol à 25°C, à laquelle le composé électroactif peut se dissoudre dans l’eau ou l’anti-solvant, respectivement, en formant un mélange homogène, c’est-à-dire sans formation d’un précipité.
De préférence, l’anti-solvant est un solvant organique, préférentiellement choisi dans le groupe des solvants polaires aprotiques et protiques miscibles à l’eau, plus préférentiellement choisi parmi les alcools, de préférence les alcools aliphatiques, avantageusement les alcools aliphatiques saturés, comme le méthanol, l’éthanol, ou le 1-propanol et l'iso-propanol et les solvants organiques comprenant une fonction nitrile, comme l’acétonitrile, ou une fonction cétone, comme l’acétone, ou l’un quelconque de leurs mélanges. L’utilisation d’un mélange d’au moins deux anti-solvant augmente la quantité de composé électroactif précipité.
Selon l’invention, un acide est un acide au sens de Brönsted, c’est-à-dire une espèce chimique capable de céder un proton H+. De préférence, l’acide est caractérisé par un pKa strictement inférieur à 7.
De préférence, l’acide est un acide fort ou un acide faible. Un acide fort est un acide qui réagit totalement sur l’eau. Un acide fort présente un pKa inférieur à 0. L’acide fort peut être choisi dans le groupe constitué de l’acide sulfurique, l'acide chlorhydrique, l'acide nitrique, l'acide iodhydrique, l'acide bromhydrique, l'acide perchlorique, l'acide permanganique, l'acide manganique, l’acide chlorique, l’acide phosphorique ou l’un quelconque de leurs mélanges. L’acide faible peut comprendre au moins une fonction acide carboxylique, comme l’acide formique, l’acide acétique, l’acide benzoïque, l’acide citrique, l’acide lactique, l’acide oxalique ou l’acide maléique. De préférence, l’acide est un acide fort. L’utilisation d’un acide fort permet d’augmenter la quantité de composé électroactif précipité. Préférentiellement, l’acide est de l’acide sulfurique ou de l’acide acétique, avantageusement de l’acide sulfurique.
De préférence, la quantité d’acide ajoutée à l’électrolyte aqueux correspond à la quantité d’acide nécessaire à l’obtention d’un pH inférieur ou égal à 10, de préférence inférieur ou égal à 8, préférentiellement inférieur ou égal à 7, plus préférentiellement inférieur ou égal à 6. De préférence encore, la quantité d’acide ajoutée à l’électrolyte aqueux correspond à la quantité d’acide nécessaire à l’obtention d’un pH inférieur ou égal à 10 et supérieur ou égal à 1, préférentiellement inférieur ou égal à 8 et supérieur ou égal à 2, plus préférentiellement inférieur ou égal à 6 et supérieur ou égal à 3.
De préférence, l’acide est ajouté sous agitation.
Selon l’invention, une base est une base au sens de Brönsted, c’est-à-dire une espèce chimique capable de capter un proton H+. De préférence, la base est caractérisée par un pKa strictement supérieur à 7.
De préférence, la base est une base inorganique. La base peut être choisie dans le groupe constitué des hydroxydes alcalins, comme NaOH ou KOH, et des carbonates alcalins, comme Na2CO3ou K2CO3.
De préférence, la quantité de base ajoutée à l’électrolyte aqueux correspond à la quantité de base nécessaire à l’obtention d’un pH supérieur ou égal à 7, de préférence supérieur ou égal à 8, de préférence supérieur ou égal à 10. De préférence encore, la quantité de base ajoutée à l’électrolyte aqueux correspond à la quantité de base nécessaire à l’obtention d’un pH inférieur ou égal à 14 et supérieur ou égal à 7, préférentiellement inférieur ou égal à 13 et supérieur ou égal à 10.
De préférence, le sel est un sel inorganique, de préférence KCl ou NaCl, ou un sel organique, de préférence l’acétate de sodium ou le carbonate d’ammonium.
De préférence, le sel inorganique est choisi parmi les sels inorganiques dont le cation correspond au cation ou à un des cations compris dans l’électrolyte aqueux à recycler.
L’ajout d’un anti-solvant du composé électroactif, l’ajout d’un acide ou d’une base et l’ajout d’un sel dans l’électrolyte aqueux peuvent être combinés deux à deux ou être mis en œuvre tous ensemble pour optimiser la précipitation du composé électroactif, en fonction de sa solubilité.
De préférence, l’étape de précipitation comprend l’ajout d’un acide dans l’électrolyte aqueux, de préférence jusqu’à obtenir un pH inférieur ou égal à 10, de préférence inférieur ou égal à 8, préférentiellement inférieur ou égal à 7, plus préférentiellement inférieur ou égal à 6, ou l’ajout d’une base, de préférence jusqu’à obtenir un pH supérieur ou égal à 7, de préférence supérieur ou égal à 8, préférentiellement supérieur ou égal à 10.
En particulier, il a été constaté que la précipitation était instantanée pour des quinones comprenant un ou plusieurs substituants du type –R1et/ou –A–R1et/ou –O–A–R1, avec R1= OH ou COOH, préférentiellement avec R1 représentant COOH.
Le choix de l’utilisation d’un acide ou d’une base dépend donc du pH initial de l’électrolyte à recycler, dans le but d’atteindre les valeurs de pH ci-dessus auxquelles le composé électroactif précipite.
Selon un mode de réalisation, l’étape de précipitation comprend l’ajout d’un acide fort, de préférence de l’acide sulfurique, le volume d’acide fort ajouté représentant entre 0,1% et 40% du volume de l’électrolyte aqueux à traiter, de préférence entre 0,1% et 15%, préférentiellement entre 0,1% et 12%, suivant le pH initial de la solution et sa composition.
Selon un autre mode de réalisation, l’étape de précipitation comprend l’ajout d’un acide faible, de préférence de l’acide acétique, le volume d’acide faible ajouté représentant entre 0,1% et 60% du volume de l’électrolyte aqueux à traiter, de préférence entre 0,1% et 55%, préférentiellement entre 0,1% et 50%.
Selon encore un autre mode de réalisation, l’étape de précipitation comprend l’ajout d’une base sous la forme d’une solution aqueuse d’un hydroxyde alcalin dont la concentration en hydroxyde alcalin est comprise entre 1 et 25 moles par litre, de préférence entre 4 et 20 moles par litre, préférentiellement 4 et 8 moles par litre, le volume de base ajouté représentant entre 0,1% et 40% du volume de l’électrolyte aqueux à traiter, de préférence entre 0,1% et 30%, préférentiellement entre 0,1% et 22%, suivant le pH initial de la solution et sa composition.
La précipitation des composés électroactifs ne dépend pas spécifiquement de la concentration en composés électroactifs dans l’électrolyte. C’est principalement le pH à obtenir pour faire précipiter les composés électroactifs qui guide la quantité d’acide à ajouter pendant l’étape de précipitation.
De préférence, durant l’étape de précipitation, l’électrolyte aqueux est à une température comprise entre 5°C et 40°C, préférentiellement entre 5°C et 20°C.
De préférence, le composé électroactif de l’électrolyte aqueux est au moins une forme d’un couple oxydo/réducteur dont la forme oxydée est un composé comprenant un motif anthraquinone. De préférence, l’électrolyte aqueux est un négolyte.
Un composé comprenant un motif anthraquinone selon l’invention est de préférence un composé de formule (F) :
dans laquelle X1, X2, X3, X4, X5, X6, X7et X8sont indépendamment choisis dans le groupe constitué d’un atome d'hydrogène, un groupement OH, un groupement COOH, un groupement SO3H, un groupement –A-COOH, un groupement -O-A-COOH, un groupement –A–SO3H, un groupement -O-A–SO3H et un groupement hydrocarboné linéaire, cyclique ou ramifié, saturé ou insaturé, comprenant de 1 à 10 atomes de carbone,
A représentant un groupement hydrocarboné linéaire, cyclique ou ramifié, saturé ou insaturé, comprenant de 1 à 10 atomes de carbone,
et/ou un de ses sels, en particulier un sel de sodium ou de potassium.
De préférence, au moins un parmi X1, X2, X3, X4, X5, X6, X7et X8comprend une fonction OH, SO3H, COOH, et/ou l’un quelconque de leurs sels, en particulier sel de sodium ou de potassium.
De préférence, X1, X2, X3, X4, X5, X6, X7et X8sont indépendamment choisis dans le groupe constitué d’un atome d'hydrogène, un groupement OH, un groupement COOH, un groupement SO3H, un groupement –A-COOH, un groupement -O-A-COOH, un groupement –A–SO3H et un groupement -O-A–SO3H.
De préférence, cinq ou six groupements parmi X1, X2, X3, X4, X5, X6, X7et X8sont des hydrogènes. On peut en particulier citer les composés décrits dans la demande PCT WO2021123334.
Cette demande décrit en particulier des composés sous forme oxydée de formule (I) :
Dans la structure de formule (I), X1, X2, X4, X5, X6, X7and X8sont indépendamment choisis parmi un atome d’hydrogène, un groupe hydrocarboné en C1-C10 linéaire, cyclique ou branché, saturé ou insaturé, éventuellement substitué, un groupe OH ou un groupe –O–A–R1,
A représente un groupe hydrocarboné en C1-C10 linéaire, cyclique ou branché, saturé ou insaturé, éventuellement substitué;
R1représente COOH or SO3H; et
dans la structure de formule (I) un et seulement un seul parmi X1, X2, X4, X5, X6, X7et X8représente OH, et un et seulement un seul parmi X1, X2, X4, X5, X6, X7et X8représente –O–A–R1.
Selon un autre mode de réalisation, le composé électroactif de l’électrolyte aqueux est au moins une forme d’un couple oxydo/réducteur dont la forme oxydée est un composé comprenant un motif naphtoquinone.
Une molécule basée sur un motif naphtoquinone selon l’invention est de préférence est un composé de formule (G) :
dans laquelle Z1, Z2, Z3, Z4, Z5et Z6sont indépendamment choisis dans le groupe constitué d’un atome d'hydrogène, un groupement OH, un groupement COOH, un groupement SO3H, un groupement –A-COOH, un groupement -O-A-COOH, un groupement –A–SO3H, un groupement -O-A–SO3H et un groupement hydrocarboné linéaire, cyclique ou ramifié, saturé ou insaturé, comprenant de 1 à 10 atomes de carbone,
A représentant un groupement hydrocarboné linéaire, cyclique ou ramifié, saturé ou insaturé, comprenant de 1 à 10 atomes de carbone,
et/ou un de ses sels, en particulier un sel de sodium ou de potassium.
De préférence, au moins un parmi Z1, Z2, Z3, Z4, Z5et Z6comprend une fonction OH, SO3H, COOH, et/ou l’un quelconque de leurs sels, en particulier sel de sodium ou de potassium.
De préférence, Z1, Z2, Z3, Z4, Z5et Z6sont indépendamment choisis dans le groupe constitué d’un atome d'hydrogène, un groupement OH, un groupement COOH, un groupement SO3H, un groupement –A-COOH, un groupement -O-A-COOH, un groupement –A–SO3H et un groupement -O-A–SO3H.
De préférence, quatre ou cinq groupements parmi Z1, Z2, Z3, Z4, Z5et Z6sont des hydrogènes. Préférentiellement, Z2= Z3= Z4= Z5= Z6= H.
Selon un autre mode de réalisation, le composé électroactif de l’électrolyte aqueux est au moins une forme d’un couple oxydo/réducteur dont la forme oxydée est un composé comprenant un motif benzoquinone.
Une molécule basée sur un motif benzoquinone selon l’invention est de préférence un composé de formule (H) :
ou un composé de formule (K) :
dans lesquelles Z1, Z2, Z3et Z4sont indépendamment choisis dans le groupe constitué d’un atome d'hydrogène, un groupement OH, un groupement COOH, un groupement SO3H, un groupement –A-COOH, un groupement -O-A-COOH, un groupement –A–SO3H, un groupement -O-A–SO3H et un groupement hydrocarboné linéaire, cyclique ou ramifié, saturé ou insaturé, comprenant de 1 à 10 atomes de carbone,
A représentant un groupement hydrocarboné linéaire, cyclique ou ramifié, saturé ou insaturé, comprenant de 1 à 10 atomes de carbone,
et/ou un de ses sels, en particulier un sel de sodium ou de potassium.
De préférence, au moins un parmi Z1, Z2, Z3et Z4comprend une fonction OH, SO3H, COOH, et/ou l’un quelconque de leurs sels, en particulier sel de sodium ou de potassium, en particulier une fonction SO3H.
De préférence, Z1, Z2, Z3et Z4sont indépendamment choisis dans le groupe constitué d’un atome d'hydrogène, un groupement OH, un groupement méthyle ou éthyle, un groupement COOH, un groupement SO3H, un groupement –A-COOH, un groupement -O-A-COOH, un groupement –A–SO3H et un groupement -O-A–SO3H.
Préférentiellement, au moins deux parmi Z1, Z2, Z3et Z4 sont différents d’un atome d’hydrogène. De préférence, deux ou trois parmi Z1, Z2, Z3et Z4 sont différents d’un atome d’hydrogène.
Selon un mode de réalisation, dans le composé de formule (H), Z4= H. De préférence, Z4= H et Z1, Z2et Z3sont indépendamment choisis dans le groupe constitué d’un groupement méthyle ou éthyle, un groupement COOH et un groupement SO3H. Avantageusement, Z4= H, Z1= Z3= Me et Z2= SO3H ou COOH, de préférence SO3H.
Selon un mode de réalisation, dans le composé de formule (J), Z1= Z3= H. De préférence, Z1= Z3= H et Z2et Z4sont indépendamment choisis dans le groupe constitué d’un groupement méthyle ou éthyle, un groupement COOH et un groupement SO3H. Avantageusement, Z1 = Z3= H, et Z2= Z4= SO3H ou COOH, de préférence SO3H.
La forme oxydée du couple oxydo/réducteur compris dans l’électrolyte peut en particulier être choisie parmi les composés suivants :
AQDS(2,7): 9,10-anthraquinone-2,7-disulfonate disodium
AQDS(1,5): 9,10-anthraquinone-1,5-disulfonate disodium
AQDS(1,8): 9,10-anthraquinone-1,8-disulfonate dipotassium
AQDS(2,6): 9,10-anthraquinone-2,6-acide disulfonique
AQS(2): 9,10-anthraquinone-2-sulfonate sodium
AQS(2)DH (Alizarin red s): 3,4-dihydroxy-9,10-anthraquinone-2-sulfonate sodium
AQS(2)NBr: 1-amino-4-bromo-9,10-anthraquinone-2-sulfonate sodium
NQ(1,4)HB (Lapachol): 2-hydroxy-3-(3-methyl-2-butenyl)-1,4-naphthoquinone
NQ(1,4)H: 2-hydroxy-1,4-naphtoquinone
NQ(1,4)DHCl: 2,3-dichloro-5,8-dihydroxy-1,4-naphtoquinone
AQDH(2,6) (Anthraflavic acid): 2,6-dihydroxy-9,10-anthraquinone
AQDH(1,8) (Chrysazin): 1,8-dihydroxy-9,10-anthraquinone
AQDH(1,5) (Anthrarufin): 1,5-dihydroxy-9,10-anthraquinoneAQTH(1,2) (Quinalizarin): 1,2,5,8-tetrahydroxy-9,10-anthraquinone
AQDH(1,2) (Alizarin): 1,2-dihydroxy-9,10-anthraquinone
AQDH(1,4) (Leucoquinizarin): 2,3-dihydro-9,10-dihydroxy-1,4-anthraquinone
AQDH(1,8)MH (Aloemodin): 1,8-dihydroxy-3-(hydroxymethyl)-9,10-anthraquinone
ARSNa: 1,2-dihydroxy-3-(sulfonate de sodium)-9,10-anthraquinone
ARSK: 1,2-dihydroxy-3-(sulfonate de potassium)-9,10-anthraquinone
AQTrHM (Emodin): 1,3,8-trihydroxy-6-methylanthracene-9,10-dione
AQTH(1,4): 1,4,5,8-tetrahydroxy-9,10-anthraquinone
AQDH(1,8)CA (Rhein): 4,5-dihydroxy-9,10-anthraquinone-2-carboxylic acid
HQ(1,4)S: 2,5-dihydroxybenzenesulfonate potassium
HQ(1,2): Ortho hydroquinone
HQ(1,4): Para hydroquinone
HQ(1,2)DS (Tiron): 4,5-dihydroxy-1,3-benzenedisulfonate disodium monohydrate
HQ(1,4)DH: 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone
BQ(1,4)DHDCl (Chloranilic acid): 2,5-dichloro-3,6-1,4-benzoquinone
HQ(1,4)TCl: Tetrachloro hydroquinone
BQ(1,4)TH: Tetrahydroxy-1,4-benzoquinone
HQ(1,4)TF: 1,2,4,5-tetrafluoro-3,6-dihydroxybenzene.
(M3CH) : composé de formule (F) avec X1= OH, X4= –O–(CH2)3–COOH et X2= X3= X5= X6= X7= X8= H.
DBEAQ : composé de formule (F) avec X2= X6= –O–(CH2)3–COOH et X1= X3= X4= X5= X7= X8= H.
BQDS : 1,2-dihydrobenzoquinone- 3,5-acide disulfonique (composé de formule (K) avec Z1 = Z3= H, et Z2= Z4= SO3H).
DHDMBS : 3,6-dihydroxy-2,4-diméthylbenzène acide sulfonique (composé de formule H avec Z4= H, Z1= Z3= Me et Z2= SO3H)
Selon un mode de réalisation, le procédé selon l’invention est caractérisé en ce qu’il comprend en outre une étape de formulation du résidu solide comprenant la dissolution du résidu solide dans un milieu aqueux pour obtenir un électrolyte recyclé. Le résidu solide est éventuellement rincé et/ou séché.
Cette étape de formulation peut en outre comprendre l’ajout d’autre constituants dans l’électrolyte recyclé, comme des additifs.
Le choix des autres constituants dépend des performances recherchées pour l’électrolyte recyclé.
Le procédé selon l’invention peut en outre comprendre une étape d’introduction de l’électrolyte recyclé obtenu à l’étape de formulation (700) dans le compartiment négatif ou positif d’une batterie rédox à flux.
De préférence, l’électrolyte est un négolyte, et le procédé selon l’invention comprend une étape d’oxydation chimique entre l’étape de collecte et l’étape de précipitation, comprenant la mise en contact de du négolyte avec un oxydant apte à oxyder la forme réduite du couple oxydo/réducteur.
Cette étape est de préférence mise en œuvre lorsque le négolyte a été collecté à partir d’une batterie rédox à flux qui n’a pas été complètement déchargée avant l’étape de collecte.
Ainsi, de préférence, le composé électroactif à précipiter est l’oxydant du couple oxydo/réducteur compris dans le négolyte.
Par oxydant apte à oxyder le réducteur du couple oxydo/réducteur, on entend tout composé appartenant à un couple oxydo/réducteur différent du couple oxydo/réducteur compris dans le négolyte et dont le potentiel standard d’oxydoréduction est strictement supérieur au potentiel standard d’oxydoréduction du couple oxydo/réducteur compris dans le négolyte.
De préférence, l’étape de mise en contact du négolyte avec un réducteur apte à réduire l’oxydant du couple oxydo/réducteur est la mise en contact du négolyte avec l’air, dont le dioxygène oxyde spontanément le réducteur du couple oxydo/réducteur du négolyte.
Alternativement, l’oxydant est choisi dans le groupe constitué des oxydes métalliques, par exemple l’oxyde d’argent ou de chrome, des oxydants inorganiques, par exemples l’ozone, le diiode, l’oxone (KHSO5), des oxydants organiques choisi parmi :
- les péracides, par exemple l'acide métachloro perbenzoïque (mCPBA) ou le magnésium monoperoxyphtalate (MMPP) ;
- les péroxides, par exemple l’hydroperoxyde de tert-butyle (tBuOOH) ;
- les N-oxides, ex: la N-methylmorpholine N-oxide (NMO) ou le (2,2,6,6-tétraméthylpipéridin-1-yl)oxy (TEMPO) ;
- les couples pyridines-chrome, par exemple le dichromate de pyridinium (PDC) ou le chlorochromate de pyridinium (PCC) ;
- l’acide 2-iodoxybenzoïque (IBX) ou le dérivé periodinane de Dess Martin ; et
- le 2,3-dichloro-5,6-dicyanobenzoquinone (DDQ).
Alternativement, toute forme oxydée du composé électroactif d’un posolyte peut aussi être utilisée comme oxydant pour le réducteur du négolyte.
Selon un autre mode de réalisation, l’électrolyte est un posolyte et le procédé selon l’invention comprend une étape de réduction chimique entre l’étape de collecte (200) et l’étape de précipitation (300), comprenant la mise en contact du posolyte avec un réducteur apte à réduire la forme oxydée du couple oxydo/réducteur.
Cette étape est de préférence mise en œuvre lorsque le posolyte a été collecté à partir d’une batterie rédox à flux qui n’a pas été complètement déchargée avant l’étape de collecte.
Ainsi, de préférence, la molécule électroactive à précipiter est le réducteur du couple oxydo/réducteur compris dans le posolyte.
Par réducteur apte à réduire la forme oxydée du couple oxydo/réducteur, on entend tout composé appartenant à un couple oxydo/réducteur différent du couple oxydo/réducteur compris dans le posolyte et dont le potentiel standard d’oxydoréduction est inférieur au potentiel standard d’oxydoréduction du couple oxydo/réducteur compris dans le posolyte.
De préférence, l’étape de mise en contact du posolyte avec un réducteur apte à réduire l’oxydant du couple oxydo/réducteur comprend l’ajout d’un réducteur dans le posolyte aqueux. Préférentiellement, l’ajout d’un réducteur dans le posolyte aqueux se fait en contrôlant le pH, qui doit de préférence rester supérieur ou égal à 8.
De préférence, le réducteur est choisi dans le groupe constitué de H2O2, Na2SO3, Na2S2O4, Na2S2O3, N2H4(hydrazine), I2(iodine) et des agents réducteurs organiques comme l’acide ascorbique, l’acide citrique, et les dérivés du glucose.
Selon une variante, le procédé selon l’invention comprend en outre une étape de traitement de l’effluent obtenu à l’issue de l’étape de séparation pour obtenir un effluent traité. L’effluent traité peut être réutilisé dans l’étape de précipitation.
Le procédé selon l’invention peut comprendre en outre une étape de vérification de la pureté du résidu solide, par exemple par analyse chimique et/ou électrochimique.
Selon un mode de réalisation du procédé de l’invention, l’électrolyte aqueux à recycler peut comprendre au moins un additif. Dans ce mode de réalisation, selon la solubilité de l’additif, l’additif est soit recyclé avec le composé électroactif, et est donc compris dans le résidu solide, soit compris dans l’effluent obtenu à l’issue du procédé.
Par additif, on entend tout composé susceptible d’augmenter certaines propriétés physico-chimiques de l’électrolyte.
L’invention concerne également un système de recyclage d’un électrolyte aqueux d’une batterie rédox à flux comprenant :
- un dispositif de collecte (30) d’un électrolyte aqueux (10) à partir d’une batterie rédox à flux (20), l’électrolyte aqueux (10) comprenant au moins un composé électroactif et un solvant aqueux, et
- un dispositif de précipitation (40) du composé électroactif par ajout d’un anti-solvant du composé électroactif et/ou ajout d’un acide ou d’une base et/ou ajout d’un sel, fournissant une suspension.
Le dispositif de collecte comprend de préférence un réservoir de collecte de l’électrolyte aqueux collecté et un dispositif apte à transférer l’électrolyte de la batterie rédox à flux vers le réservoir de collecte. Le réservoir de collecte est en liaison fluidique avec le réservoir négatif ou positif de la batterie rédox à flux à recycler. L’électrolyte aqueux collecté à partir de la batterie rédox à flux est un électrolyte aqueux usagé puisqu’il a subi au moins un cycle de charge et/ou de décharge. De préférence, l’électrolyte aqueux usagé est collecté à la fin du cycle de vie de la batterie.
Le dispositif selon l’invention peut comprendre en outre un premier réservoir de stockage comprenant un anti-solvant du composé électroactif de l’électrolyte aqueux collecté et/ou un acide ou une solution d’une base et/ou une solution d’un sel tel que défini dans la description du procédé selon l’invention, préférentiellement un réservoir de stockage d’un acide. Le premier réservoir de stockage est en liaison fluidique avec le dispositif de précipitation.
Selon un mode de réalisation, le système de recyclage selon l’invention comprend un dispositif de décharge apte à oxyder le réducteur du couple oxydo/réducteur du négolyte ou apte à réduire l’oxydant du couple oxydo/réducteur du posolyte. Le dispositif de décharge est de préférence en liaison fluidique avec un deuxième réservoir de stockage comprenant un oxydant apte à oxyder le réducteur du couple oxydo/réducteur ou un réducteur apte à réduire l’oxydant du couple oxydo/réducteur tels que défini ci-dessus. Le dispositif de décharge est de préférence en liaison fluidique avec le réservoir de collecte et le dispositif de précipitation.
De préférence, le système de recyclage selon l’invention comprend en outre un dispositif de séparation permettant de séparer la suspension issue du dispositif de précipitation en un résidu solide et un effluent. Par exemple, le dispositif de séparation peut être un décanteur centrifuge.
Le résidu solide obtenu dans le dispositif de séparation comprend le(les) composé(s) électroactif(s) précipité(s).
Selon un mode de réalisation, le système de recyclage selon l’invention comprend un système de rinçage du résidu solide, de préférence de rinçage à l’eau, pour obtenir un résidu solide rincé.
Le dispositif de séparation est de préférence en liaison fluidique avec le dispositif de précipitation et le dispositif de séchage ou de formulation.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif de séparation est apte à sécher partiellement ou totalement, le résidu solide, éventuellement rincé. Selon ce mode de réalisation, le dispositif de séchage est inclus dans le dispositif de séparation.
Alternativement, le dispositif selon l’invention comprend un dispositif de séchage du résidu solide par chauffage et/ ou par mise sous pression réduite du résidu solide, éventuellement rincé.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de l’invention comprend en outre un dispositif de traitement de l’effluent issu du dispositif de séparation pour obtenir un effluent traité. Le dispositif de traitement est en liaison fluidique avec le réservoir de stockage et/ou avec le dispositif de précipitation.
De préférence, le système de recyclage selon l’invention comprend en outre un dispositif de formulation formulant sous la forme d’un électrolyte recyclé le résidu solide.
Le dispositif selon l’invention peut comprendre en outre un réservoir de formulation comprenant une solution aqueuse comprenant éventuellement un ou plusieurs additifs, tels que définis ci-dessus. Le réservoir de formulation est en liaison fluidique avec le dispositif de formulation.
A la sortie du dispositif de formulation, l’électrolyte recyclé peut être introduit dans le compartiment positif ou négatif d’une nouvelle batterie redox à flux, de préférence par une liaison fluidique.
De préférence, le système de recyclage selon l’invention est pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention.
Il est particulièrement surprenant que de tels composés électroactifs puissent être recyclés par précipitation. Le procédé de recyclage selon l’invention est particulièrement facile à mettre en œuvre et donc particulièrement innovant. Ce procédé permet d’obtenir de très bons rendements de recyclage des composés électroactifs.
De manière tout à fait surprenante, les composés électroactifs recyclés par le procédé de l’invention sont réutilisables pour un nouveau cyclage dans une nouvelle batterie rédox à flux avec des performances très satisfaisantes, notamment en termes de capacité et/ou de résistance ohmique (< 2 Ω.cm²) et de stabilité lors de la répétition des cycles de fonctionnement de la batterie rédox, qui est sensiblement stable sur plusieurs dizaines ou centaines de cycles. Une telle performance n’était pas attendue par l’homme du métier.
Un autre avantage du procédé de l’invention est qu’une faible quantité (proportionnellement au volume traité) de réactifs est utilisée. De plus, ces réactifs sont facilement disponibles (et déjà utilisés dans de nombreuses autres applications) et peu coûteux. Par exemple, l’acide acétique ou l’acide sulfurique ne représentent pas de menace environnementale significative.
De plus, la précipitation est rapide, et le procédé selon l’invention ne génère pas de pollution des composés électroactifs recyclés : la purification du résidu solide passe uniquement par une étape de rinçage, et éventuellement d’évaporation. Avantageusement, le rendement du procédé selon l’invention et son coût peu élevé permettent une industrialisation du procédé et du système selon l’invention.
Sauf mention explicite contraire, les expressions « de X à Y » et « entre X et Y » désignent des intervalles dont les bornes X et Y sont incluses.
Après le cyclage 100 d’une batterie rédox à flux, au moins un électrolyte aqueux de la batterie rédox à flux est collecté lors d’une étape de collecte 200. La(les) composé(s) électroactif(s) compris dans l’électrolyte aqueux est(sont) éventuellement mis en contact avec un oxydant ou un réducteur afin d’être déchargé(s) lors d’une étape (250) d’oxydation ou de réduction chimique. Le(les) composé(s) électroactif(s) compris dans l’électrolyte aqueux est(sont) précipité(s) lors d’une étape 300 de précipitation, de préférence par ajout d’un anti-solvant de la molécule électroactive et/ou l’ajout d’un acide ou d’une base et/ou l’ajout d’un sel dans l’électrolyte aqueux. La suspension obtenue à l’issue de l’étape de précipitation 300 est ensuite séparée en un résidu solide et un effluent lors d’une étape 400 de séparation. Un résidu solide comprenant le(les) composé(s) électroactif(s) et un effluent sont obtenus. Le résidu solide peut être rincé à l’eau et trituré lors d’une étape 500 de rinçage à l’eau et de trituration à l’eau. Le résidu solide, rincé ou non, peut éventuellement être séché lors d’une étape de séchage 600 afin de réduire la quantité d’eau et/ou de solvant présente dans le résidu solide. Le résidu solide peut ensuite être formulé lors d’une étape de formulation 700 afin d’obtenir un électrolyte recyclé. L’électrolyte recyclé peut être utilisé dans une nouvelle batterie rédox à flux, seul ou en mélange avec un électrolyte comprenant un(des) composé(s) électroactif(s) natif(s), c’est-à-dire n’ayant jamais été utilisé(s) dans un cycle de charge et/ou de décharge d’une batterie rédox à flux. En parallèle, l’effluent obtenu à l’issue de l’étape de séparation peut être traité lors d’une étape de traitement 800, afin d’obtenir un effluent traité apte à être réutilisé dans l’étape de précipitation 300 lors d’une prochaine mise en œuvre du procédé selon l’invention.
Un négolyte 20 d’une batterie rédox à flux 10 est collecté dans un dispositif de collecte 30, éventuellement acheminé vers un dispositif de décharge 35, puis acheminé vers un dispositif de précipitation 40. Un acide ou une base et/ou un anti-solvant et/ou une solution d’un sel provenant d’un réservoir de stockage 45 est ajouté au négolyte 20 dans le dispositif de précipitation 40 afin de faire précipiter le(les) composé(s) électroactif(s) du négolyte 20. La suspension obtenue est séparée, de préférence par filtration, dans un dispositif 50 de séparation. Un résidu solide 52 comprenant le(les) composé(s) électroactif(s) du négolyte 20 et un effluent 54 sont obtenus. L’effluent 54 est récolté dans un dispositif de collecte 80 de l’effluent, et peut être traité puis réacheminé vers le réservoir de stockage 45. Eventuellement, le résidu solide 52 est rincé à l’eau et trituré à l’eau, puis séparé une deuxième fois pour éliminer l’eau de lavage. Eventuellement, le résidu 52 (rincé ou non) est séché ou partiellement séché, soit directement dans le dispositif de séparation, soit après avoir été transféré dans un dispositif de séchage 60. Le dispositif de séchage permet de chauffer sous température contrôlée et/ou de mettre sous pression réduite le résidu 52 et ainsi de réduire la quantité d’eau et d’éventuels solvants présents dans le résidu solide 52. Le résidu solide 52 est ensuite acheminé vers un dispositif de formulation 70. Une solution aqueuse comprenant éventuellement des additifs est également introduite dans le dispositif de formulation 70 à partir d’un réservoir de formulation 75 afin de préparer un négolyte recyclé 78. Le négolyte recyclé 78 peut ensuite être introduit le compartiment négatif d’une nouvelle batterie rédox à flux 90.
La présente invention va maintenant être décrite à l’aide d’exemples non limitatifs.
Exemple 1 : Recyclage
et test en batterie du couple
rédox ferrocyanure/ferricyanure (posolyte) et de l’anthraquinone (M3CH) (négolyte)
Le procédé de recyclage a été mis en œuvre sur des électrolytes utilisés en batterie (>350 cycles et 6 mois de cyclage). Les résultats présentent à la fois les caractéristiques du procédé de recyclage et les performances de batteries comprenant les électrolytes recyclés.
En fin de cyclage, le(les) composé(s) électroactif(s) du couple rédox ferrocyanure/ferricyanure (suivant l’état de charge final de la solution électrolytique) du posolyte, est(sont) d’abord réduite(s) chimiquement, par exemple par ajout d’H2O2, en contrôlant le pH (qui doit de préférence rester supérieur à 8) et sous agitation, afin d’obtenir un posolyte comprenant 100% de ferrocyanure.
La précipitation s’effectue ensuite par ajout d’éthanol à 96% (sous forme liquide) dans le posolyte sous agitation magnétique ; la quantité nécessaire pour provoquer la précipitation du ferrocyanure dépend de la température de la solution et de sa concentration. La concentration en ferrocyanure dans le posolyte est de 0,34 M. La précipitation est instantanée et détectable visuellement. L’ajout d’éthanol doit être maîtrisé, car s’il excède un certain volume, l’effet est contre-productif et le ferrocyanure se redissout dans le mélange de solvant.
La solution est ensuite filtrée (par exemple au laboratoire sur papier filtre (5-10 µm)), puis le résidu solide obtenu est séché par évaporation des traces résiduelles de solvant (eau + éthanol).
Au niveau du négolyte, le composé électroactif utilisé est, sous sa forme oxydée, la molécule suivante :
La fraction de la molécule électroactive (M3CH) du négolyte étant sous forme réduite se décharge (i.e. est oxydée) automatiquement à l’air par action du dioxygène de l’air. Ensuite, la précipitation de la molécule électroactive s’effectue par acidification de la solution de négolyte, jusqu’à une valeur de pH inférieure ou égale à 6. Le procédé a été testé avec plusieurs types d’acide (acide fort e.g. acide sulfurique, acide faible e.g. acide acétique), menant à des résultats équivalents. La quantité d’acide à ajouter dépend uniquement du volume d’électrolyte à retraiter et de son pH initial. Il est ajouté sous agitation. Dès que la valeur du pH est inférieure ou égale à 6, la précipitation est instantanée. La filtration de l’effluent peut être effectuée sur un filtre à grosse taille de pores, car le gâteau obtenu est très compact et forme un bloc. Le précipité doit ensuite être rincé à l’eau pour éliminer les traces d’acide, puis étalé pour faciliter l’étape de séchage, et éliminer les traces de solvant résiduelles.
La nature et la quantité de solvant utilisées pour chaque électrolyte, ainsi que les rendements et les puretés obtenus, sont présentés dans le tableau 1. Les quantités nécessaires de solvant sont de 10 et 30% en volume respectivement pour le négolyte et le posolyte. Cet ajout tend à diminuer pour le posolyte lorsque la concentration en composé électroactif augmente. Les rendements sont supérieurs à 65%, avec une amélioration attendue par la mise en place d’un procédé industriel optimisé. La pureté du composé électroactif recyclé obtenue après un séchage simple est estimé par RMN quantitative du proton (qRMN1H) avec présence d’un étalon interne. Cette pureté est de 92 et 93% respectivement, ce qui prouve la facilité d’élimination du solvant utilisé pour la précipitation. Par comparaison, la pureté de ces mêmes composés électroactifs natifs sont d’environ 97% pour l’anthraquinone et de 96% pour le sel de ferrocyanure.
Méthode RMN quantitative : Les spectres de RMN 1H ont été enregistrés sur un spectromètre BRUKER AC 300 P (300 MHz). L'acide maléique (Acros Organics) a été utilisé comme étalon interne pour évaluer la pureté des composés.
| Recyclage de composé s électro acti f s | Négolyte | Posolyte |
| Concentration en composés électroactifs | 0,2 M | 0,34 M |
| Proportion de solvant ajouté (% volume total d’électrolyte à recycler) et nature du solvant | 10% (CH3COOH pur à 99%) |
30% (Ethanol à 96%) |
| Rendement du recyclage | 65 % | 72 % |
| Pureté du composé électroactif après séchage (qRMN1H) | 92 % | 93 % |
Les figures 3 et 4 présentent les performances obtenues avec une batterie comprenant des électrolytes comprenant une(des) composés électroactif(s) natif(s) et avec une batterie recyclée, i.e. comprenant un négolyte et un posolyte formulés à partir de composé(s) électroactif(s) recyclé(s). Le pH initial des électrolytes est de 13.
La capacité accessible ( ) est identique pour les deux batteries (la différence visible entre les deux courbes est comprise dans l’erreur de reproductibilité), ce qui prouve de manière surprenante que le recyclage par précipitation des composés électroactifs n’a aucun impact sur leur activité électrochimique. L’évolution de cette capacité au cours du cyclage est stable.
La résistance mesurée en batterie ( ) est également équivalente pour les deux batteries, et reste constante en fonction du cyclage. Ce résultat confirme de manière surprenante que les solvants utilisés pour la précipitation n’ont aucun impact sur la performance du système.
La comparaison des deux essais en batterie souligne que les matières actives d’une batterie rédox à flux organique aqueuse peuvent être recyclées par précipitation et réutilisées dans un nouveau système de stockage sans dégradation des performances.
Un négolyte comprenant M3CH comme composé électroactif en combinaison avec un additif a également été recyclé suivant le protocole ci-dessous. La nature et la quantité de solvant utilisées, ainsi que les rendements et les puretés obtenus par RMN quantitative avec présence d’un étalon interne, sont présentés dans le tableau 2.
| Recyclage de composé s électroactifs | Négolyte |
| Concentration en composés électroactifs du négolyte | 0,2 M |
| Proportion de solvant ajouté (% volume total d’électrolyte à recycler) et nature du solvant | 11% (CH3COOH pur à 99%) |
| Rendement du recyclage | 72 % |
| Pureté du composé électroactif après séchage (qRMN1H) | 88 % |
Les résultats du tableau ci-dessus montrent que la présence d’additifs dans le négolyte ne perturbe pas le procédé de recyclage, car des performances similaires de recyclage sont obtenues avec et sans additifs.
Les figures 5 et 6 présentent les performances obtenues avec une batterie comprenant des électrolytes avec un(des) composé(s) électroactif(s) natif(s) et avec une batterie partiellement recyclée, i.e. comprenant un posolyte natif mais un négolyte formulé à partir de composé(s) électroactif(s) recyclé(s), le négolyte comprenant initialementau moins un additif. Le pH initial des électrolytes est de 12.
Les résultats obtenus sont similaires à ceux de la batterie complètement recyclée sans additifs (Figures 3 et 4) : la capacité accessible ( ) et la résistance mesurée en batterie ( ) sont identiques avant et après recyclage. Ceci démontre que le procédé et le dispositif selon l’invention sont applicables à des négolytes, même dans le cas où ils comprennent des additifs.
Exemple 2 : Recyclage d’autres
composé
s
électroacti
f
s
Des composés électroactifs pour négolyte différents de l’anthraquinone (M3CH) ont été efficacement recyclés grâce au procédé selon l’invention.
Leur structure, les conditions du recyclage et sa performance sont rassemblés dans le tableau suivant :
| Composé électroactif | Pureté initiale de la molécule (avant son utilisation comme composé électroactif d’un négolyte) | Formulation du négolyte à recycler | Conditions de l’étape de précipitation | Pureté du composé électroactif après séchage (RMN1H) | Rendement du recyclage |
| 2,6-DS-AQ |
68% | 0,5 M 2,6-AQ-DS + 1M H2SO4 | 20% v/v KOH à 5M | 82 % | 21 % |
| 2,6-OH-AQ |
95% | 0,5 M 2,6-OH-AQ + 1M KOH | 40% v/v AcOH à 99,5 % | 89 % | 74 % |
| ARSNa |
83% | 0,2 M ARSNa + 1,2 M KOH | 4% v/v H2SO4à 99,5 % | 87 % | 69 % |
| ARSK |
82% | 0,44 M ARSK + 1,7 M KOH |
40% v/v AcOH à 99,5% | 63% | 51% |
| 4,8% v/v H2SO4à 99,5% | 93% | 76% | |||
| DBEAQ |
98% | 0,65 M DBEAQ + 1M KOH | 38,46% v/v AcOH à 99,5% | 75% | 66% |
| 0,2 M DBEAQ + >1M KOH | 10% v/v H2SO4à 99,5% | 77% | 75% | ||
| NQ(1,4)H |
98% | 0,2M NQ(1,4)H + 1M KOH | 4,67% v/v H2SO499,5% | 59% | 90 % |
Les molécules ont été soit achetées soit synthétisées pour effectuer les tests de recyclage. Elles ont été mises en solution dans des conditions similaires à celles répertoriées dans la littérature sur les batteries à flux organiques. Plusieurs tests ont ensuite été réalisés afin d’évaluer la possibilité de recycler les molécules sans dégrader leur structure chimique. L’intégrité des molécules après recyclage a été vérifiée par RMN et le rendement de recyclage a été évalué par une pesée après séchage, puis calculé avec la pureté obtenue par RMN quantitative. Les résultats révèlent de bonnes possibilités de recyclage sur la plupart des molécules testées ; une amélioration de rendement est observée lors de l’utilisation d’un acide fort, qui permet de descendre sous le pKa des groupes fonctionnels et donc de faire précipiter davantage l’espèce active.
Claims (13)
- Procédé de recyclage d’un électrolyte aqueux d’une batterie rédox à flux à recycler, l’électrolyte aqueux comprenant au moins un composé électroactif et un solvant aqueux, le composé électroactif étant au moins une forme oxydée ou réduite d’un couple oxydo/réducteur dont la forme oxydée est un composé comprenant un motif quinone, par exemple un motif benzoquinone, un motif naphtoquinone ou un motif anthraquinone, de préférence un motif anthraquinone, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de précipitation (300) du composé électroactif.
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend successivement :
- une étape de collecte (200) d’un électrolyte aqueux d’une batterie rédox à flux comprenant au moins un composé électroactif,
- l’étape de précipitation (300) du composé électroactif, ce par quoi une suspension est obtenue,
- une étape de séparation (400) de la suspension, ce par quoi un résidu solide et un effluent sont obtenus, et
- optionnellement, une étape de rinçage à l’eau (500) du résidu solide obtenu après l’étape de séparation, ce par quoi un résidu solide rincé est obtenu.
- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l’étape de précipitation (300) comprend l’ajout d’un anti-solvant du composé électroactif et/ou l’ajout d’un acide ou d’une base et/ou l’ajout d’un sel dans l’électrolyte aqueux.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’étape de précipitation (400) comprend l’ajout d’un acide dans l’électrolyte aqueux, de préférence jusqu’à obtenir un pH inférieur ou égal à 10, de préférence inférieur ou égal à 8, préférentiellement inférieur ou égal à 7, plus préférentiellement inférieur ou égal à 6, ou l’ajout d’une base, de préférence jusqu’à obtenir un pH supérieur ou égal à 7, de préférence supérieur ou égal à 8, préférentiellement supérieur ou égal à 10.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’étape de précipitation (400) comprend l’ajout d’un acide fort, de préférence de l’acide sulfurique, le volume d’acide fort ajouté représentant entre 0,1% et 40% du volume de l’électrolyte aqueux à traiter, de préférence entre 0,1% et 15%, préférentiellement entre 0,1% et 12%, suivant le pH initial de la solution et sa composition.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’étape de précipitation (400) comprend l’ajout d’un acide faible, de préférence de l’acide acétique, le volume d’acide faible ajouté représentant entre 0,1% et 60% du volume de l’électrolyte aqueux à traiter, de préférence entre 0,1% et 55%, préférentiellement entre 0,1% et 50%.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’étape de précipitation (400) comprend l’ajout d’une base sous la forme d’une solution aqueuse d’un hydroxyde alcalin dont la concentration en hydroxyde alcalin est comprise entre 1 et 25 moles par litre, de préférence entre 4 et 20 moles par litre, le volume de base ajouté représentant entre 0,1% et 40% du volume de l’électrolyte aqueux à traiter, de préférence entre 0,1% et 30%, préférentiellement entre 0,1% et 22%.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une étape de formulation (700) du résidu solide comprenant la dissolution du résidu solide dans un milieu aqueux pour obtenir un électrolyte recyclé.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le composé électroactif est au moins une forme d’un couple oxydo/réducteur dont la forme oxydée est un composé de formule (F)
dans laquelle X1, X2, X3, X4, X5, X6, X7et X8sont indépendamment choisis dans le groupe constitué d’un atome d'hydrogène, un groupement OH, un groupement COOH, un groupement SO3H, un groupement –A-COOH, un groupement -O-A-COOH, un groupement –A–SO3H, un groupement -O-A–SO3H et un groupement hydrocarboné linéaire, cyclique ou ramifié, saturé ou insaturé, comprenant de 1 à 10 atomes de carbone,
A représentant un groupement hydrocarboné linéaire, cyclique ou ramifié, saturé ou insaturé, comprenant de 1 à 10 atomes de carbone.
et/ou un de ses sels, en particulier un sel de sodium ou de potassium. - Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le composé électroactif est au moins une forme d’un couple oxydo/réducteur dont la forme oxydée est un composé de formule (G) :
dans laquelle Z1, Z2, Z3, Z4, Z5et Z6sont indépendamment choisis dans le groupe constitué d’un atome d'hydrogène, un groupement OH, un groupement COOH, un groupement SO3H, un groupement –A-COOH, un groupement -O-A-COOH, un groupement –A–SO3H, un groupement -O-A–SO3H et un groupement hydrocarboné linéaire, cyclique ou ramifié, saturé ou insaturé, comprenant de 1 à 10 atomes de carbone,
A représentant un groupement hydrocarboné linéaire, cyclique ou ramifié, saturé ou insaturé, comprenant de 1 à 10 atomes de carbone,
et/ou un de ses sels, en particulier un sel de sodium ou de potassium. - Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le composé électroactif est au moins une forme d’un couple oxydo/réducteur dont la forme oxydée est un composé de formule (H) :
ou un composé de formule (K) :
dans lesquelles Z1, Z2, Z3et Z4sont indépendamment choisis dans le groupe constitué d’un atome d'hydrogène, un groupement OH, un groupement COOH, un groupement SO3H, un groupement –A-COOH, un groupement -O-A-COOH, un groupement –A–SO3H, un groupement -O-A–SO3H et un groupement hydrocarboné linéaire, cyclique ou ramifié, saturé ou insaturé, comprenant de 1 à 10 atomes de carbone,
A représentant un groupement hydrocarboné linéaire, cyclique ou ramifié, saturé ou insaturé, comprenant de 1 à 10 atomes de carbone,
et/ou un de ses sels, en particulier un sel de sodium ou de potassium. - Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisé en ce que l’électrolyte aqueux est un négolyte, et le procédé comprend en outre une étape d’oxydation chimique (250) entre l’étape de collecte (200) et l’étape de précipitation (300), comprenant la mise en contact du négolyte avec un oxydant apte à oxyder la forme réduite du couple oxydo/réducteur.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisé en ce que l’électrolyte aqueux est un posolyte, et le procédé comprend en outre une étape de réduction chimique (250) entre l’étape de collecte (200) et l’étape de précipitation (300), comprenant la mise en contact du posolyte avec un réducteur apte à réduire l’oxydant du couple oxydo/réducteur.
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2208175A FR3138739A1 (fr) | 2022-08-08 | 2022-08-08 | Procédé de recyclage d’électrolyte aqueux à base de composés quinoniques de batterie rédox à flux |
| PCT/EP2023/071867 WO2024033328A1 (fr) | 2022-08-08 | 2023-08-07 | Procédé de recyclage d'électrolyte aqueux à base de composés quinoniques de batterie rédox à flux |
| CN202380071519.6A CN120548630A (zh) | 2022-08-08 | 2023-08-07 | 用于回收基于氧化还原液流电池的醌化合物的水性电解质的方法 |
| EP23754748.4A EP4569556A1 (fr) | 2022-08-08 | 2023-08-07 | Procédé de recyclage d'électrolyte aqueux à base de composés quinoniques de batterie rédox à flux |
| US19/101,120 US20260051523A1 (en) | 2022-08-08 | 2023-08-07 | Method for recycling aqueous electrolyte based on quinone compounds of a redox flow battery |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2208175 | 2022-08-08 | ||
| FR2208175A FR3138739A1 (fr) | 2022-08-08 | 2022-08-08 | Procédé de recyclage d’électrolyte aqueux à base de composés quinoniques de batterie rédox à flux |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3138739A1 true FR3138739A1 (fr) | 2024-02-09 |
Family
ID=83506317
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR2208175A Pending FR3138739A1 (fr) | 2022-08-08 | 2022-08-08 | Procédé de recyclage d’électrolyte aqueux à base de composés quinoniques de batterie rédox à flux |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20260051523A1 (fr) |
| EP (1) | EP4569556A1 (fr) |
| CN (1) | CN120548630A (fr) |
| FR (1) | FR3138739A1 (fr) |
| WO (1) | WO2024033328A1 (fr) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1269554B1 (fr) | 2000-09-13 | 2012-05-30 | Bathium Canada Inc. | Procede de recyclage de piles rechargeables a polymere/lithium et materiaux connexes |
| CN103236570A (zh) | 2013-04-12 | 2013-08-07 | 北京百能汇通科技股份有限公司 | 锌溴电池用电解液的回收处理方法 |
| CA2986001A1 (fr) | 2015-05-13 | 2016-11-17 | Stephen R. Clarke | Systemes et procedes en boucle fermee pour le recyclage de batteries au plomb |
| CN109292818A (zh) * | 2018-10-26 | 2019-02-01 | 成都先进金属材料产业技术研究院有限公司 | 失效电解液制备高纯v2o5的方法 |
| WO2019072385A1 (fr) * | 2017-10-11 | 2019-04-18 | Cmblu Projekt Ag | Électrolytes de batterie redox |
| EP3671928A1 (fr) * | 2018-12-21 | 2020-06-24 | Fundación Imdea Energía | Batterie à flux redox pour le stockage d'énergie |
| EP3840096A1 (fr) * | 2019-12-20 | 2021-06-23 | Kemiwatt | Nouvel électrolyte organique aqueux pour batterie à flux redox |
-
2022
- 2022-08-08 FR FR2208175A patent/FR3138739A1/fr active Pending
-
2023
- 2023-08-07 US US19/101,120 patent/US20260051523A1/en active Pending
- 2023-08-07 WO PCT/EP2023/071867 patent/WO2024033328A1/fr not_active Ceased
- 2023-08-07 EP EP23754748.4A patent/EP4569556A1/fr active Pending
- 2023-08-07 CN CN202380071519.6A patent/CN120548630A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1269554B1 (fr) | 2000-09-13 | 2012-05-30 | Bathium Canada Inc. | Procede de recyclage de piles rechargeables a polymere/lithium et materiaux connexes |
| CN103236570A (zh) | 2013-04-12 | 2013-08-07 | 北京百能汇通科技股份有限公司 | 锌溴电池用电解液的回收处理方法 |
| CA2986001A1 (fr) | 2015-05-13 | 2016-11-17 | Stephen R. Clarke | Systemes et procedes en boucle fermee pour le recyclage de batteries au plomb |
| WO2019072385A1 (fr) * | 2017-10-11 | 2019-04-18 | Cmblu Projekt Ag | Électrolytes de batterie redox |
| CN109292818A (zh) * | 2018-10-26 | 2019-02-01 | 成都先进金属材料产业技术研究院有限公司 | 失效电解液制备高纯v2o5的方法 |
| EP3671928A1 (fr) * | 2018-12-21 | 2020-06-24 | Fundación Imdea Energía | Batterie à flux redox pour le stockage d'énergie |
| EP3840096A1 (fr) * | 2019-12-20 | 2021-06-23 | Kemiwatt | Nouvel électrolyte organique aqueux pour batterie à flux redox |
| WO2021123334A1 (fr) | 2019-12-20 | 2021-06-24 | Kemiwatt | Nouvel électrolyte aqueux à base organique pour batterie à flux redox |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ZHANG, Y., LIU, L., XI, J., WU, Z., & QIU, X.: "The benefits and limitations of electrolyte mixing in vanadium flow batteries", APPLIED ENERGY, vol. 204, 2017, pages 373 - 381 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP4569556A1 (fr) | 2025-06-18 |
| US20260051523A1 (en) | 2026-02-19 |
| CN120548630A (zh) | 2025-08-26 |
| WO2024033328A1 (fr) | 2024-02-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112996931B (zh) | 锂离子电池材料回收方法 | |
| EP3459138B1 (fr) | Procédé pour le recyclage de matériaux d'électrode de batterie au lithium | |
| EP2780329B1 (fr) | Procede de preparation de sel d'anion pentacylique | |
| FR3113682A1 (fr) | solvant de lixiviation convenant pour une solution électrolytique dans une batterie au lithium déclassée, utilisation du solvant et procédé pour séparer et recycler une solution électrolytique provenant d'une batterie au lithium déclassée utilisant un solvant de lixiviation | |
| WO2011076739A1 (fr) | Procede d'extraction liquide - liquide pour la purification de l'uranium issu de la dissolution nitrique d'un concentre d'uranium naturel | |
| Mo et al. | Electroactive membrane with the electroactive layer beneath the separation layer to eliminate the interference of humic acid in the oxidation of antibiotics | |
| FR3138739A1 (fr) | Procédé de recyclage d’électrolyte aqueux à base de composés quinoniques de batterie rédox à flux | |
| JP4119755B2 (ja) | 酸化還元媒介物質の電解再生前のその精製方法 | |
| FR3062135B1 (fr) | Procede de recuperation du platine et du cobalt contenus dans une pile a combustible | |
| FR3138740A1 (fr) | Procédé de recyclage de posolyte aqueux de batterie rédox à flux | |
| FR2789986A1 (fr) | Procede de production sur site de peroxyde d'hydrogene ultra pur pour l'industrie electronique | |
| MXPA03003689A (es) | Procedimiento para mejorar la pureza de hidroxidos de amonio cuaternario a traves de electrolisis. | |
| WO2025141069A1 (fr) | Procédé de recyclage des résidus d'encre catalytique dans une installation de production et/ou dépôt d'encre catalytique destinée aux piles à combustible | |
| FR2628408A1 (fr) | Procede d'oxydation electrochimique du cerium 3+ en cerium 4+, en emulsion | |
| EP3000902B1 (fr) | Procédé de récupération du platine présent dans un assemblage membrane-électrode | |
| TW202530428A (zh) | 回收鹼金屬離子電池之方法 | |
| FR3135169A1 (fr) | Batterie redox a circulation d’electrolytes specifique | |
| JP2020152875A (ja) | 錯体色素の回収方法 | |
| FR2792317A1 (fr) | Calix(4) arenes-bis-couronnes, leur procede de preparation et leur utilisation pour separer le cesium du sodium dans des effluents aqueux par nanofiltration | |
| EP0370920B1 (fr) | Procédé de préparation de quinone à partir d'hydroquinone par électrolyse | |
| FR2462412A1 (fr) | Procede de preparation d'anisaldehyde | |
| CN119381487A (zh) | 基于醌类分子的有机自充电液流电池及其制备方法 | |
| CN119297333A (zh) | 一种容量衰减的硫铁液流电池在线容量恢复方法 | |
| CN117747878A (zh) | 一种液流电池容量恢复的方法及应用 | |
| FR3151604A1 (fr) | Procédé pour générer un concentrat d’ions lithium à partir d’un effluent à traiter, procédé de récupération de lithium et système associé |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20240209 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 4 |