Description et choix des composants : Cellule, électrolyte, électrodes et séparateur

Dans cette section, le choix des différents composants ainsi que les moyens de mesures sont présentés. Concernant la cellule, le choix de l’électrolyte, la cellule millifluidiques et les électrodes seront décrits avant de présenter les moyens de mesures optiques et électrochimiques.

Une batterie électrique se caractérise par un assemblage de cellules composées de deux couples oxydant-réducteur échangeant des électrons. L'association de deux électrodes, l'une positive et l'autre négative, constitue l'entité primaire d'une cellule électrochimique. Les deux électrodes baignent dans une solution électrolytique. La réaction entre l’électrolyte et les électrodes est à l'origine du déplacement des électrons et des ions dans la solution. Ainsi, l'électrolyte a pour fonction d'assurer la conduction ionique et, plus généralement, de participer à la réaction électrochimique.

2.1.2.a. Electrolyte :

Le rôle de l’électrolyte est d’agir en tant que conducteur pour faire circuler les ions entre les électrodes positives et négatives lorsque la batterie est en cours de charge ou de décharge. L'électrolyte doit assurer un transport rapide des ions et une stabilité chimique et électrochimique satisfaisante. Cependant, un regard doit être également porté sur les problèmes de sécurité qui résultent de l'instabilité thermique, de l'inflammabilité et de la possibilité de fuite. Les batteries Zinc-air présentent l’avantage d’utiliser des électrolytes aqueux, s’affranchissant ainsi des problématiques associées à l’emballement thermique.

L’électrolyte utilisé pour étudier l’effet de l’écoulement sur les potentiels d’électrode est une solution aqueuse d’hydroxyde de potassium (8M). L’électrolyte est préparé en dissolvant des

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granules d’hydroxyde de potassium commercial (Sigma-Aldrich) dans de l’eau distillée. La forte concentration en ions hydroxydes assure la forte conductivité de la solution. Dans le cas de la cellule Zinc-Air, des ions zincates sont ajoutés pour assurer l’électrodéposition de zinc à l’électrode de zinc. Ces électrolytes sont les plus utilisés dans les cellules à électrolyse en milieu basique et les batteries Zinc-Air [64].

2.1.2.b Cellules millifluidiques

L’introduction de cellules millifluidiques permet de chasser les bulles formées pendant la charge des cellules. Pour tester différentes conditions expérimentales deux cellules en flux sont réalisées (Zinc-Air et cellule à électrolyse) : Les cellules sont dessinées sur le logiciel de CAO

Catia, l’export en format .stl permet l’impression directe des pièces dessinées. La figure 22

montre les cellules millifluidiques conçues.

Figure 22 : CAO des cellules millifluidiques réalisées et dimensions associées

Pour chacune des deux cellules, le dessin est identique et l’impression est réalisée par stéréolithographie. L’imprimante (Form 3, Formlabs) permet de réaliser le réseau de canaux nécessaire pour la circulation de l’électrolyte et la résine utilisée est un mélange d’ester méthacryliques et d’un photoinitiateur (Clear photoreactive Resin for Formalbs 3D printers,

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Formlabs). Les pièces résultantes sont chimiquement stables avec les ions hydroxydes à forte concentration. Comme indiqué sur la figure 22, l’entrée du système se divise en 3 canaux, chacun de ces canaux a une section de 2 mm x 4 mm ainsi qu’une longueur de 5mm. A la sortie, 3 canaux identiques à ceux de l’entrée convergent en un seul canal de sortie.

L’entrée et la sortie sont connectées à un réservoir d’électrolyte par des tuyaux en polymère ayant un rayon de 3 mm et une longueur de 30 cm. Ces tuyaux sont également chimiquement stables avec l’électrolyte (PharMed R BPT, Saint-Gobain). Les électrodes se trouvent entre la zone d'entrée et la zone de sortie (voir la zone orange sur la figure 22). L'électrolyte sans bulles provenant de la partie inférieure du réservoir est injecté dans l'entrée du système, tandis que l'électrolyte chargé en bulles d'oxygène provenant de la cellule est évacué par la sortie du système et injecté dans la partie supérieure du réservoir à l'aide d'une pompe péristaltique (VWR PP3300).

Les débits étudiés se situent entre 0 et 1.5 mL/s. Dans ces conditions, l'écoulement reste laminaire et aucune turbulence ne se produit. Cette affirmation s’appuie sur le calcul du nombre de Reynolds, qui est le rapport entre les forces inertielles et les forces visqueuses :

𝑅𝑒 = 𝜌𝑈𝑒 𝜂𝑣

= 𝜌 𝑄 𝜂𝑣 𝐿

Où 𝜌 est la densité du fluide, 𝑈 la vitesse moyenne, 𝑒 la distance entre les deux plaques, 𝐿 la largeur des électrodes et 𝑄 le débit.

Avec 𝐿 = 1.5 𝑐𝑚, 𝜂 = 2.5 10−3 _{𝑃𝑎 ∙ 𝑠, 𝜌 = 10}3 _{𝑘𝑔/𝑚}3_{, le nombre de Reynolds varie entre 0}

et 40 ce qui correspond à des écoulement laminaires.

2.1.2.c. Electrodes

Dans chacun des systèmes les électrodes sont fixées dans la zone entre l’entrée et la sortie du système. Dans le système Zinc-O2 l’électrode négative est une plaque de zinc et la plaque

positive à dégagement d’oxygène est une grille en nickel. Le tableau suivant montre les caractéristiques géométriques des électrodes :

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Tableau 1 : Dimensions des électrodes à dégagement de gaz étudiées

Electrode : Epaisseur (mm) Longueur (cm) Largeur (cm) Diamètre du fil (mm) Maille (m) Zinc (plaque) 0.25 2.5 1.5 - - Nickel (grille) - 2.5 1.5 0.24 550 Platine (plaque) 0.25 2.5 1.5 - - Carbone (plaque) 0.25 2.5 1.5 - -

Dans cette cellule en flux, l’électrode de zinc est recouverte d’une membrane non-sélective (Celgard 4001) d’une porosité de 41% et d’épaisseur 25 μm. Ce type de membrane est généralement utilisé dans les batteries zinc-air comme séparateur pour assurer une déposition homogène du zinc et ainsi rallonger le temps d’apparition des dendrites provoquant le court- circuit [83]. Un séparateur également dessiné sur Catia et imprimé par stéréolithographie fixe la distance entre les deux électrodes sans obstruer le passage de l’électrolyte en écoulement (e = 2 mm). Le séparateur imprimé est représenté en figure 23.b.

Figure 23 : (a) Vue éclatée de la cellule Zinc-Air. (b) CAO et dimension du séparateur. (c) Photo légendée de la cellule Zinc-Air en écoulement

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Dans le cas de la cellule à électrolyse, les deux électrodes (Platine et Carbone) sont des plaques également de dimensions (2.5 cm x 1.5 m x 0.25 mm) (GoodFellow) dont la distance est également fixée par le séparateur imprimé par stéréolithographie.

La figure 23.a montre une vue éclatée de la cellule Zinc-Air, une photo de la cellule est également illustré en figure 23.c. Dans le cas de la cellule à électrolyse, les électrodes de Nickel et de Zinc sont respectivement remplacées par les électrodes de Platine et de Carbone.