D'après le rapport d'IDTechEx intitulé « Marché des batteries à flux redox 2024-2034 : prévisions, technologies et marchés », la demande croissante pour ces technologies générera également des opportunités de revenus pour les acteurs de la chaîne de valeur. En amont de cette chaîne, ces acteurs se concentreront sur la fabrication des matériaux et des composants, ainsi que sur leur fourniture aux développeurs de batteries à flux redox.
Électrolyte
Un système RFB complet se compose de trois éléments principaux : l’électrolyte, l’empilement de cellules et les équipements auxiliaires. Le système RFB le plus répandu, le VRFB, utilise un électrolyte au vanadium coûteux. En 2021, les producteurs de vanadium ont fourni 120 000 tonnes de ce métal à l’échelle mondiale, dont 92 % ont été destinées à la production d’acier, tandis que le marché des VRFB représentait 2 %. Des entreprises clés telles que Glencore, Largo et Bushveld sont responsables de l’extraction du vanadium et joueront un rôle déterminant dans ce maillon de la chaîne d’approvisionnement. L’électrolyte au vanadium représente environ 30 à 50 % du coût unitaire d’un VRFB et son coût dépend de la taille globale du système ainsi que de la durée de stockage requise.
Pile de cellules
L'assemblage de la cellule représente une part importante du coût unitaire des batteries redox vanadium (VRFB) et comprend plusieurs composants clés : la membrane, les plaques bipolaires, les électrodes, les joints et les produits d'étanchéité. La membrane et les plaques bipolaires sont sans doute les deux composants les plus coûteux d'une pile VRFB. Avec l'augmentation du nombre d'installations de VRFB, la demande en composants et matériaux pour ces systèmes augmentera également.
Vue éclatée d'une pile de cellules RFB. Source : IDTechEx
Membranes
Le rôle des membranes est d'empêcher le mélange des deux électrolytes d'un bioréacteur et le contact entre les deux électrodes, tout en permettant le passage d'ions de signes opposés (comme H+). Les membranes assurent généralement un bon équilibre entre conductivité ionique et sélectivité. L'épaisseur des membranes commerciales varie de 50 à 200 microns. Dans un bioréacteur, la membrane idéale doit présenter une bonne capacité d'échange ionique et une conductivité ionique élevée, une faible perméabilité aux espèces actives pour éviter l'autodécharge, et une résistance chimique aux espèces agressives.
Les membranes les plus couramment utilisées dans les batteries redox à flux (RFB) sont les membranes échangeuses d'ions cationiques (CEM). Ces CEM cationiques peuvent être fluorées ou non fluorées. Le matériau standard pour les CEM cationiques fluorées est l'acide perfluorosulfonique (PFSA), dont le Nafion, initialement fabriqué par DuPont, est le principal exemple. Elles offrent une bonne conductivité ionique et une bonne résistance aux milieux acides, bien qu'elles présentent des taux de réticulation des espèces de vanadium non négligeables dans les RFB à vanadium (VRFB). Certains développeurs de RFB, interrogés par IDTechEx, ont indiqué avoir concentré leurs efforts de R&D sur la résolution de ce problème et affirment qu'il ne constitue plus un inconvénient pour leur technologie. Cependant, ces matériaux restent confidentiels, car ils sont susceptibles d'offrir un avantage commercial. Par conséquent, les CEM cationiques devraient demeurer le choix de membrane le plus populaire pour les systèmes RFB, compte tenu de leurs propriétés complètes. Toutefois, comme le souligne l'étude d'IDTechEx, il s'agit d'un composant coûteux de la pile, représentant environ 50 % de son coût total.
plaques bipolaires
La plaque bipolaire accroît la stabilité structurelle de l'empilement de cellules et permet la circulation des électrons de l'électrode positive d'une demi-cellule à l'électrode négative de la suivante. Les matériaux couramment utilisés pour les plaques bipolaires comprennent le graphite, les polymères chargés de graphite, le titane ou l'acier. Des liants, généralement des thermoplastiques ou des polymères thermodurcissables tels que les fluoropolymères, le polyéthylène et le polypropylène, peuvent être utilisés dans la fabrication de plaques bipolaires composites. Ces liants représentent généralement 10 à 20 % de la composition de la plaque bipolaire. Hycco et Schunk sont des exemples de fabricants de plaques bipolaires. En définitive, les plaques bipolaires constituent une part importante du coût de l'empilement de cellules.
Perspectives
Au cours de la prochaine décennie, il sera crucial pour les fabricants de batteries redox vanadium (RFB) d'avoir mis en place des chaînes d'approvisionnement capables de répondre à la demande croissante de technologies de stockage d'énergie à longue durée de vie. Les acteurs de la chaîne de valeur auront de plus en plus d'opportunités de fournir des matériaux et des composants aux développeurs de RFB. Il peut s'agir d'électrolytes, de membranes, de plaques bipolaires ou des matériaux qui les constituent, tels que le PFSA, le graphite, les polymères chargés de graphite, le titane, l'acier, les thermoplastiques, les polymères thermodurcissables, etc. L'électrolyte représente entre 30 % et 50 % du coût unitaire des RFB, tandis que la membrane et les plaques bipolaires en représentent entre 30 % et 50 %.
Auteur : Conrad Nichols, analyste technologique chez IDTechEx
