Batteries
à flux redox organiques, bac Amérique du
nord 2024
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Les batteries à flux redox sont constituées de :
- deux réservoirs de stockage équipés de pompes pour faire circuler les
solutions aqueuses de substances organiques ou électrolytes à travers
la cellule électrochimique ;
une cellule électrochimique qui se comporte comme une pile
électrochimique (lors de la décharge) ou comme un électrolyseur (lors
de la charge). Elle permet des conversions d'énergie via des réactions
d'oxydoréduction ;
- une membrane spécialement conçue pour empêcher le mélange des deux solutions, tout
en permettant l'échange d'ions H+ (c'est-à-dire le déplacement de la charge électrique) à travers celle-ci.
On étudie une batterie à flux redox organique utilisant comme
électrolytes l'acide 1,2-benzoquinone- 3,5-disulfonique (BQDS) et
l'acide antraquinone-2-sulfonique (AQS) représentés ci-dessous.
![](image/usa2404.png)
Les réactions au sein de la cellule électrochimique mettent en jeu les couples oxydant-réducteur
BQDS /H2BQDS et AQS / H2AQS, espèces présentes en solution aqueuse dans les réservoirs de stockage.
Q.1. Écrire les deux réactions électrochimiques qui modélisent les transformations se produisant aux électrodes.
Réduction de l'oxydant BQDS +2H++2e- --> H2BQDS.
Oxydation du réducteur H2AQS --> 2H++2e- +AQS.
L'équation de
la réaction modélisant la transformation qui a lieu lors de la décharge
de la batterie (fonctionnement en mode pile) est:
BQDS + H2AQS -->» H2BQDS + AQS
Q.2. Définir un oxydant.
Un oxydant est une espèce susceptible de gagner un ou plusieurs électrons.
Identifier l'oxydant et le réducteur lors de cette transformation chimique.
BQDS est l'oxydant et H2AQS est le réducteur.
Q.3. Déterminer si
la solution de BQDS est l'électrolyte 1 ( borne positive) ou
l'électrolyte 2 ( borne négative) et des équations des réactions
électrochimiques. Justifier.
H2AQS s'oxyde et libère des électrons ( borne négative), électrolyte 2.
BDQS se réduit en gagnant des électrons ( borne positive), électrolyte 1.
Q.4. Déterminer le sens de circulation des ions H+ à travers la membrane. Justifier.
L'oxydation du réducteur H2AQS , électrolyte 2, libère des ions 2H+.
La réduction de l'oxydant BQDS, électrolyte 1, consomme des ions 2H+.
A travers la membrane, les ions H+ se déplacent de l'électrolyte 2 vers l'électrolyte 1.
On
considère une cellule électrochimique produisant un courant électrique
de 250 A pendant 6,0 h. La cellule est alimentée par des solutions
électrolytiques de concentration en quantité de matière apportée en
BQDS et HAQS égale à 1,0 mol / L.
Q.5. Montrer que la capacité électrique de la cellule a une valeur proche de Q = 5,4 x 106 C.
Q = I t = 250 x6 x3600 = 5,4 x 106 C.
Q.6. Déterminer le volume de chaque électrolyte nécessaire pour assurer le fonctionnement de cette cellule.
Quantité de matière d'électrons : n(e-) =Q / F =5,4 106 / 96500 =55,95 mol.
Quantité de matière des électrolytes : 55,95 / 2=27,97 mol.
Volume des électrolytes : ~28 L.
En déduire le volume réel sachant que seulement 70 % des électrons
susceptibles d'être produits par les réactions d'oxydoréduction
contribuent réellement au courant électrique.
28 / 0,70 ~ 40 L.
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Afin
d'atteindre des puissances adaptées à une utilisation sur le réseau
électrique, les batteries sont en réalité constituées de plusieurs
cellules électrochimiques associées en série. On considère un système
constitué d'un assemblage de 60 cellules identiques à celle étudiée
précédemment.
Q.7. Déterminer le volume total de chaque électrolyte nécessaire au fonctionnement de ce système pendant 6,0 h.
60 x40 =2 400 litres pour chaque électrolyte.
Q.8. Parmi les
nombreux avantages de ce type de batterie, figure sa capacité de
stockage qui peut être facilement augmentée. Proposer une solution
simple pour doubler la durée de fonctionnement du système étudié à
puissance délivrée constante.
Augmenter le volume d'électrolyte ou augmenter la concentration de l'électrolyte..
Pour se positionner sur le marché du stockage de l'énergie, les
batteries à flux redox doivent atteindre une valeur minimale d'énergie
volumique de l'ordre de 10 Wh L-1. Cette valeur correspond au quotient de l'énergie délivrée par le système (en W·h) par le volume total d'électrolytes (en L).
Q.9. Déterminer la puissance électrique du système.
P= U I avec U = 60 V et I = 250 A.
P =60 x250 =1,5 104 W.
En déduire l'énergie en W·h produite par le système lorsqu'il délivre du courant pendant 6,0 h.
P t = 1,5 104 x 6 =9,0 104 Wh.
Q.10. Déterminer si la batterie à flux redox étudiée peut se positionner sur le marché. Justifier.
Energie volumique : 9 104 / 4800 ~19 Wh L-1.
Cette valeur étant supérieure à 10 Wh L-1, cette batterie peut se positionner sur le marché.
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ane.
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