EP4569558A1 - Method for recycling aqueous posolyte of a redox flow battery - Google Patents
Method for recycling aqueous posolyte of a redox flow batteryInfo
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- EP4569558A1 EP4569558A1 EP23751307.2A EP23751307A EP4569558A1 EP 4569558 A1 EP4569558 A1 EP 4569558A1 EP 23751307 A EP23751307 A EP 23751307A EP 4569558 A1 EP4569558 A1 EP 4569558A1
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- EP
- European Patent Office
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- posolyte
- aqueous
- equal
- electroactive compound
- recycled
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- 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
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- 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
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- 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
Definitions
- the present invention relates to a process for recycling an aqueous posolyte from a flow redox battery.
- a Redox Flow Battery is a system using liquids (called electrolytes) to store energy.
- Redox flow batteries store electricity and generate it by redox reaction. They generally have two compartments separated by an ion exchange membrane, where current collectors (electrodes) are generally immersed.
- Li-ion battery (EP1269554B1): method of recycling and separation of critical materials. Such a method is complex to implement and expensive;
- Lead-acid battery (CA2986001A1): electrochemical lead recovery process for closed-loop reuse;
- Vanadium flow redox battery recycling methods have already been proposed by mixing the two electrolytes, and must also be operated continuously during cycling to counteract the cross-over of vanadium ions through the membrane (Zhang, Y., Liu, L., Xi, J., Wu, Z., & Qiu, X. (2017).
- Zn-Br flow redox battery recovery process by neutralization of bromine (CN103236570B).
- Current recycling solutions do not exist for redox flow batteries which use redox couples based on organic or organometallic compounds, in particular organometallic, solubilized in an aqueous medium.
- KEMIWATT uses electrolytes based on organic and organometallic compounds, dissolved in an aqueous medium, to limit the impact of this technology on the environment and the depletion of resources (use of critical metals / rare earths).
- the present invention aims to solve the technical problem of providing a recycling process for a flow redox battery using redox couples based on organic and/or organometallic compounds in aqueous solution.
- the present invention aims in particular to solve the technical problem of providing a process for recycling aqueous posolyte for a flow redox battery.
- the present invention aims in particular to solve the technical problem consisting of providing a simple process for treating aqueous posolytes for end-of-life flow redox batteries in order to isolate the electroactive compound(s), to purify them, and in particular to use it as raw material for new posolytes.
- the present invention aims to resolve the technical problems stated above by limiting the impact on the environment and the depletion of natural resources or by limiting the quantity of new organic/organometallic compounds used in electrolytes, particularly in the posolyte.
- the present invention aims to solve the technical problem of reducing the manufacturing costs of redox flow batteries.
- the present invention makes it possible to solve one, and preferably all, of the technical problems posed by the present invention.
- recycling according to the present invention comprises the isolation of the electroactive compound(s) included in the posolyte at the end of the life of the battery, to then recover it, either directly in marketing it(them) in another application, or preferably by reintroducing it(them) into a new redox flow battery in the form of a new posolyte.
- a redox flow battery can advantageously be recycled once it has lost at least 20% of its initial capacity.
- the present invention makes it possible to limit the quantity of newly introduced material for the production of redox flow batteries and/or to limit the consumption of raw materials, natural or synthesized.
- the present invention relates to a process for recycling an aqueous posolyte from a redox flow battery to be recycled, the aqueous posolyte comprising at least one electroactive compound and an aqueous solvent, the electroactive compound comprising at least one oxidized or reduced form of an oxidizer/reducing couple, the reduced form of the oxidizing/reducing couple being a water-soluble organometallic complex, characterized in that it comprises:
- step of drying the solid residue comprising heating the solid residue to a temperature less than or equal to 40°C, preferably less than or equal to 35°C, preferably less than or equal to 30°C, more preferably less than or equal to at 25°C, whereby a recycled electroactive compound is obtained.
- electroactive compound an organic or organometallic compound forming part of an oxidoreduction couple, and designates indifferently either the oxidant (the oxidized form) of the oxidoreduction couple, or the reducer (the reduced form) of the oxidoreduction couple, or the mixture of the oxidant and the reducer of the oxidoreduction couple.
- aqueous electrolyte By aqueous electrolyte is meant the aqueous solutions comprising the electroactive compound(s) and arranged in the positive and negative compartments of a flow redox battery.
- water-soluble organometallic complex an organometallic complex having a solubility in water at 25°C greater than or equal to 0.1 mol/L, preferably greater than or equal to 0.3 mol/L, advantageously greater than or equal to 0.5 mol/L, that is to say that an aqueous solution comprising at least 0.1 mol/L, preferably at least 0.3 mol/L, advantageously at least 0.5 mol/L of this complex does not present any precipitate or insoluble parts at 25°C.
- the metal of the organometallic complex is chosen from iron or copper.
- the metal of the organometallic complex has, in its reduced form, a degree of oxidation of between 0 and 2, preferably equal to 0 if the metal is copper or equal to 2 if the metal is iron.
- the reduced form of the oxidizer/reducer couple is an organometallic iron complex having a degree of oxidation in its reduced form equal to 2, preferably is chosen from ferrocene and the ferrocyanide ion, advantageously is the ferrocyanide ion.
- the process successively comprises:
- the collection step is preferably carried out by pumping the posolyte from the redox flow battery to be recycled to a container, preferably directly at the site of use of the battery.
- the collection step further comprises a step of transferring the posolyte from the container to a reactor.
- the collection step is preferably carried out after a complete discharge step of the redox flow battery.
- the posolyte collected during the collection step is preferably a posolyte whose electroactive compound is in its reduced form.
- the aqueous posolyte collected from the redox flow battery is a used aqueous posolyte since it has undergone at least one charge and/or discharge cycle.
- the spent aqueous posolyte is collected at the end of the battery life cycle.
- the separation step is preferably carried out by filtration, for example using a centrifugal decanter.
- the solid residue obtained at the end of the separation step comprises the precipitated electroactive compound(s).
- the water rinsing and water trituration step makes it possible to improve the purity of the solid residue, and in particular makes it possible to eliminate the precipitating agent used if it is weakly volatile. However, it increases the quantity of effluent to be treated.
- the process according to the invention preferably does not include a step of rinsing the solid residue.
- the drying step can be carried out by heating and/or putting the solid residue under reduced pressure.
- drying temperature of the solid residue has a great influence on the electrochemical properties of the recycled electroactive compound obtained at the end of the recycling process: a drying temperature of the solid residue greater than 40°C results in a significant drop in the performance of a battery comprising a recycled posolyte comprising such a recycled electroactive compound.
- the step of drying the solid residue comprises heating the solid residue to a temperature between 15°C and 35°C, preferably between 20°C and 30°C, advantageously between 23°C and 27°C. vs.
- the drying step may also be advantageous to carry it out under reduced pressure.
- the drying step is carried out at an absolute pressure less than or equal to 1 bar, preferably less than or equal to 0.8 bar, advantageously less than 0.5 bar.
- the precipitation step comprises the addition of an anti-solvent of the electroactive compound and/or the addition of an acid or a base and/or the addition of a salt in the aqueous posolyte .
- the step of adding an anti-solvent is carried out in a reactor tank, with stirring.
- anti-solvent we mean an organic solvent in which the electroactive compound is less soluble than in water.
- the anti-solvent is chosen for its ability to lower the solubility of the electroactive compound of the initial aqueous medium, preferably chosen from solvents in which the electroactive compound is 5 times less soluble than in water, more preferably 10 times less soluble, advantageously 100 times less soluble.
- the ratio between the solubility of the electroactive compound in water to the solubility of the electroactive compound in the anti-solvent is preferably greater than or equal to 5, more preferably greater than or equal to 10, advantageously greater than or equal to 100.
- the solubility of the electroactive compound in water or the anti-solvent is the maximum concentration, in g/mol at 25°C, at which the electroactive compound can dissolve in water or the anti-solvent , respectively, by forming a homogeneous mixture, that is to say without formation of a precipitate.
- the anti-solvent is chosen from polar aprotic and protic solvents miscible with water comprising an alcohol function, a nitrile function or a ketone function.
- the anti-solvent is an organic solvent, preferably chosen from the group of polar aprotic and protic solvents miscible with water, more preferably chosen from alcohols, preferably aliphatic alcohols, advantageously saturated aliphatic alcohols, such as methanol, ethanol, or 1-propanol and iso-propanol, and organic solvents comprising a nitrile function, such as acetonitrile, or a ketone function, such as acetone, or any of their mixtures.
- a mixture of two or more anti-solvents increases the amount of precipitated electroactive compound.
- the acid is a strong acid or a weak acid.
- the strong acid may be chosen from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, hydroiodic acid, hydrobromic acid, perchloric acid, permanganic acid, acid manganic acid, chloric acid, phosphoric acid or any mixture thereof.
- the weak acid may comprise at least one carboxylic acid function, such as formic acid, acetic acid, benzoic acid, citric acid, lactic acid, oxalic acid or maleic acid.
- the acid is a strong acid.
- the use of a strong acid makes it possible to increase the quantity of electroactive compound precipitated.
- the acid is sulfuric acid or acetic acid, advantageously sulfuric acid.
- the quantity of acid added to the aqueous posolyte corresponds to the quantity of acid necessary to obtain a pH less than or equal to 10, preferably less than or equal to 8, preferably less than or equal to 7, plus preferably less than or equal to 6. More preferably, the quantity of acid added to the aqueous posolyte corresponds to the quantity of acid necessary to obtain a pH less than or equal to 10 and greater than or equal to 1, preferably less or equal to 8 and greater than or equal to 2, more preferably less than or equal to 6 and greater than or equal to 3.
- the acid is added with stirring.
- the base is an inorganic base.
- the base can be chosen from the group consisting of alkaline hydroxides, such as NaOH or KOH, and alkaline carbonates, such as NasCOs or K2CO3.
- the quantity of base added to the aqueous posolyte corresponds to the quantity of base necessary to obtain a pH greater than or equal to 7, preferably greater than or equal to 8, preferably greater than or equal to 10.
- the quantity of base added to the aqueous posolyte corresponds to the quantity of base necessary to obtain a pH less than or equal to 14 and greater than or equal to 7, preferably less than or equal to 13 and greater than or equal to 10.
- the salt is an inorganic salt, preferably KCl or NaCl, or an organic salt, preferably sodium acetate or ammonium carbonate.
- the inorganic salt is chosen from inorganic salts whose cation corresponds to the cation or to one of the cations included in the aqueous posolyte to be recycled.
- an anti-solvent of the electroactive compound the addition of an acid or a base and the addition of a salt in the aqueous posolyte can be combined in pairs or implemented all together to optimize the precipitation of the electroactive compound, depending on its solubility.
- the precipitation step comprises the addition to the aqueous posolyte of an anti-solvent of the electroactive compound, preferably of an anti-solvent of the reducer of the oxido/reducing couple included in the posolyte.
- the anti-solvent is as defined above.
- the volume of anti-solvent added representing between 1% and 70% of the volume of the aqueous posolyte to be treated, preferably between 20% and 40%, preferably between 25% and 35%.
- the concentration of electroactive compound is greater than or equal to 0.1 M, preferably greater than or equal to 0.2 M, preferably between 0.1 M and 10 M.
- the concentration of organometallic complex is greater than or equal to 0.1 M, preferably greater than or equal to 0.2 M, preferably between 0.1 M and 10 M.
- the anti-solvent added to the aqueous posolyte is at a temperature between 0°C and 15°C.
- the process according to the invention comprises a chemical reduction step before the precipitation step, comprising bringing the posolyte into contact with a reducing agent capable of reducing the oxidized form of the oxidizer/reducing couple.
- the chemical reduction step is between the collection step and the precipitation step.
- This step is preferably implemented when the posolyte has been collected from a flow redox battery which has not been completely discharged before the collection step.
- the electroactive molecule to be precipitated is the reducer of the oxidizer/reducer couple included in the posolyte.
- reducing agent capable of reducing the oxidant of the oxido/reducing couple we mean any compound belonging to an oxido/reducing couple different from the oxido/reducing couple included in the posolyte and whose standard redox potential is strictly lower than the standard potential d redox of the oxido/reducer couple included in the posolyte.
- the step of bringing the posolyte into contact with a reducing agent capable of reducing the oxidant of the oxidant/reducing couple comprises the addition of a reducing agent to the aqueous electrolyte.
- the addition of a reducing agent to the aqueous electrolyte is done by controlling the pH, which must preferably remain greater than or equal to 8.
- the reducing agent is chosen from the group consisting of H2O2, Na2SC>3, Na2S2C>4, Na2S2C>3, N 2 H 4 (hydrazine), l 2 (iodine) and organic reducing agents such as ascorbic acid, citric acid, and glucose derivatives.
- the aqueous electrolyte is at a temperature between 5°C and 40°C, preferably between 10°C and 35°C, advantageously between 15°C and 30°C .
- the method according to the invention further comprises a step of formulating the recycled electroactive compound comprising dissolving the recycled electroactive compound in an aqueous medium to obtain a recycled posolyte.
- This formulation step may also include the addition of other constituents to the recycled posolyte, such as additives.
- the method according to the invention may further comprise a step of introducing the recycled posolyte obtained in the formulation step (700) into the positive compartment of a flow redox battery.
- the method according to the invention further comprises a step of treating the effluent obtained at the end of the separation step to obtain a treated effluent.
- the treated effluent can be reused in the precipitation stage.
- the method according to the invention may further comprise a step of verifying the purity of the solid residue, for example by chemical and/or electrochemical analysis.
- the aqueous posolyte to be recycled may comprise at least one additive.
- the additive is either recycled with the electroactive compound, and is therefore included in the solid residue, or included in the effluent obtained at the end of the process.
- additive we mean any compound likely to increase certain physicochemical properties of the posolyte.
- the invention also relates to a system for recycling an aqueous posolyte from a flow redox battery comprising:
- a device for collecting an aqueous posolyte from a flow redox battery the aqueous posolyte comprising at least one electroactive compound and an aqueous solvent
- a device for precipitating the electroactive compound by adding an anti-solvent of the electroactive compound and/or adding an acid or a base and/or adding a salt, providing a suspension comprising a solid residue and a effluent, and
- a drying device allowing drying of the solid residue at a temperature less than or equal to 40°C, preferably less than or equal to 35°C, preferably less than or equal to 30°C, more preferably less than or equal to 25°C .
- the collection device preferably comprises a collection tank for the collected aqueous posolyte and a device capable of transferring the posolyte from the redox flow battery to be recycled to the collection tank.
- the collection tank is for example in fluid connection with the positive tank of the redox flow battery to be recycled.
- the aqueous posolyte collected from the redox flow battery is a used aqueous posolyte since it has undergone at least one charge and/or discharge cycle.
- the spent aqueous posolyte is collected at the end of the battery life cycle.
- the device according to the invention may further comprise a first storage tank comprising an anti-solvent of the electroactive compound of the aqueous posolyte collected and/or an acid or a solution of a base and/or a solution of a salt such as defined in the description of the process according to the invention, preferably a storage tank for an anti-solvent of the electroactive compound of the aqueous posolyte collected.
- the first storage tank is in fluid connection with the precipitation device.
- the recycling system comprises a discharge device capable of reducing the oxidant of the oxidant/reducing couple of the posolyte.
- the discharge device is preferably in fluid connection with a second storage tank comprising a reducer capable of reducing the oxidant of the oxidizer/reducer couple as defined above.
- the discharge device is preferably in fluid connection with the collection tank and the precipitation device.
- the recycling system according to the invention further comprises a separation device making it possible to separate the suspension resulting from the precipitation device into a solid residue and an effluent.
- the separation device may be a centrifugal decanter.
- the solid residue obtained in the separation device comprises the precipitated electroactive compound(s).
- the separation device is preferably in fluid connection with the precipitation device and the drying or formulation device.
- the separation device is capable of partially or completely drying the solid residue, possibly rinsed.
- the drying device is included in the separation device.
- the device according to the invention comprises a separate drying device for the solid residue by heating and/or by placing the solid residue under reduced pressure, optionally rinsed.
- the device of the invention further comprises a device for treating the effluent from the separation device to obtain a treated effluent.
- the treatment device is in fluid connection with the storage tank and/or with the precipitation device.
- the recycling system according to the invention further comprises a formulation device formulating the solid residue in the form of a recycled posolyte.
- the device according to the invention may further comprise a formulation reservoir comprising an aqueous solution possibly comprising one or more additives, as defined above.
- the formulation tank is in fluid connection with the formulation device.
- the recycled posolyte can be introduced into the positive compartment of a new redox flow battery, preferably by a fluid connection.
- the recycling system according to the invention is for the implementation of the method according to the invention.
- electroactive compounds can be recycled by precipitation.
- the recycling process according to the invention is particularly easy to implement and therefore particularly innovative. This process makes it possible to obtain very good recycling yields of electroactive compounds.
- the electroactive compounds recycled by the process of the invention are reusable for new cycling in a new redox flow battery with very satisfactory performance, particularly in terms of capacity and/or ohmic resistance ( ⁇ 2 Q.cm 2 ) and stability during the repetition of the operating cycles of the redox battery, which is substantially stable over several tens or hundreds of cycles.
- Such a performance was not expected by those skilled in the art.
- Another advantage of the process of the invention is that a small quantity (in proportion to the volume treated) of reagents is used. Additionally, these reagents are readily available (and already used in many other applications) and inexpensive. For example, ethanol does not represent an environmental threat.
- the precipitation is rapid, and the process according to the invention does not generate pollution from the recycled electroactive compounds: the purification of the solid residue only goes through an evaporation step.
- the yield of the process according to the invention and its low cost allow industrialization of the process and the system according to the invention.
- Figure 1 is a schematic block diagram of a process according to the invention.
- an aqueous posolyte of the flow redox battery is collected during a collection step 200.
- the electroactive compound(s) included in the aqueous posolyte is (are) optionally brought into contact with a reducer in order to be discharged during a chemical reduction step (250).
- the electroactive compound(s) included in the aqueous posolyte is(are) precipitated during a precipitation step 300, preferably by addition of an anti-solvent and/or the addition of an acid or a base and/or the addition of a salt in the aqueous electrolyte of the electroactive compound in the aqueous posolyte.
- the suspension obtained at the end of the precipitation step 300 is then separated into a solid residue and an effluent during a separation step 400.
- a solid residue comprising the electroactive compound(s) and an effluent are obtained.
- the solid residue can be rinsed with water and triturated during a step 500 of rinsing with water and water crushing.
- the solid residue, rinsed or not, is then dried during a drying step 600 in order to reduce the quantity of water and/or solvent present in the solid residue.
- the drying temperature must not exceed 40°C.
- the recycled electroactive compound obtained at the end of the drying step can then be formulated during a formulation step 700 in order to obtain a recycled posolyte.
- the recycled posolyte can be used in a new flow redox battery, alone or mixed with a posolyte comprising native electroactive compound(s), i.e. never having been used in a charge and/or discharge cycle of a flow redox battery.
- the effluent obtained at the end of the separation step can be treated during a treatment step 800, in order to obtain a treated effluent capable of being reused in the precipitation step 300 during a future implementation of the method according to the invention.
- FIG 2 is a schematic representation of a recycling system 1 of an aqueous posolyte of a redox flow battery 10 according to the invention.
- a posolyte 20 from a flow redox battery 10 is collected in a collection device 30, possibly conveyed to a discharge device 35, then conveyed to a precipitation device 40.
- An anti-solvent and/or an acid or a base and/or a solution of a salt of the electroactive compound of the aqueous posolyte collected from a storage tank 45 is added to the posolyte 20 in the precipitation device 40 in order to precipitate the electroactive compound(s) ) of the posolyte 20.
- the suspension obtained is separated, preferably by filtration, in a separation device 50.
- a solid residue 52 comprising the electroactive compound(s) of the posolyte 20 and an effluent 54 are obtained.
- the effluent 54 is collected in an effluent collection device 80, and can be treated then redirected to the storage tank 45.
- the solid residue 52 is rinsed with water and triturated with water, then separated a second time to remove the wash water.
- the residue 52 (rinsed or not) is then dried or partially dried, either directly in the separation device, or after having been transferred to a drying device 60.
- the drying device allows heating under controlled temperature and/or putting under reduced pressure the residue 52 and thus reduce the quantity of water and solvents present in the solid residue 52.
- the solid residue 52 is then conveyed to a formulation device 70.
- FIG 3 is a graph representing accessible capacity in battery cycling (TRL 4) (as a percentage of the theoretical capacity of the electrolytes) of a battery comprising electrolytes with native electroactive compound and two batteries A and B comprising a negolyte with native electroactive compound and a posolyte with recycled electroactive compound, the recycled electroactive compound having been dried under different conditions for batteries A and B.
- TRL 4 accessible capacity in battery cycling
- FIG 4 is a graph representing the battery resistance (TRL 4) measured by polarization curve of a battery comprising electrolytes with native electroactive compound and two batteries A and B comprising a negolyte with native electroactive compound and a posolyte with recycled electroactive compound, the recycled electroactive compound having been dried under different conditions.
- FIG 5 is a graph representing the capacity accessible in battery cycling (TRL 4) (as a percentage of the theoretical capacity of the electrolytes) of a battery comprising electrolytes with native electroactive compound and a battery comprising electrolytes with compound electroactive recycled on the posolyte side and on the negolyte side.
- FIG 6 is a graph representing the battery resistance (TRL 4) measured by polarization curve of a battery comprising electrolytes with native electroactive compound and a battery comprising ones with recycled electroactive compound.
- Example 1 Recycling of a posolyte comprising the ferrocyanide/ferricyanide redox couple - Effect of drying temperature
- the recycling process was implemented on a posolyte used in a battery (> 500 cycles and 4 months of cycling).
- the electroactive compound(s) of the ferrocyanide/ferricyanide redox couple of the posolyte is(are) first chemically reduced, for example by addition of H 2 C>2 , by controlling the pH (which should preferably remain greater than 8) and with stirring, in order to obtain an electrolyte comprising 100% ferrocyanide.
- the concentration of electroactive compounds in the negolyte is 0.2 M and the concentration of electroactive compounds in the posolyte is 0.7 M.
- the precipitation is then carried out by adding a volume of 96% ethanol (in liquid form) to the electrolyte with magnetic stirring, the volume of ethanol corresponding to 30% of the volume of the posolyte; the quantity of ethanol must be controlled, because if it exceeds a certain volume, the effect is counterproductive and the ferrocyanide redissolves in the solvent mixture.
- the solution is then filtered (for example on filter paper (5-10 ⁇ m)), then the solid residue obtained is dried by evaporation of the residual traces of solvent (water + ethanol) at two temperatures: 20 ° C and 45 ° C.
- the filtered powder When the filtered powder is heated on a hot plate at 45°C, it gradually releases moisture, forming a paste again; it must then be re-filtered to obtain a powder, which is then re-dried in the open air without any special heating.
- UV analysis of the 2 samples indicates satisfactory purities (greater than 90%), and an unchanged signature compared to the initial powder.
- Each recycled electroactive compound A and B was then resolubilized in an aqueous medium to obtain two recycled posolytes A and B.
- Each posolyte was tested in a battery, in association with a non-recycled negolyte comprising (M3CH) as electroactive compound:
- Figures 3 and 4 present the performances obtained with a “native” battery comprising electrolytes with only native electroactive compounds (M3CH compound with the negolyte and ferrocyanide ion with the posolyte), and with the two batteries A and B comprising the same negolyte but the recycled posolyte A or B, respectively.
- M3CH compound with the negolyte and ferrocyanide ion with the posolyte native electroactive compounds
- the two batteries A and B comprising the same negolyte but the recycled posolyte A or B, respectively.
- Example 2 Recycling and battery testing of the ferrocyanide/ferricyanide redox couple (posolyte) and anthraquinone (M3CH) (negolyte)
- the recycling process was implemented on electrolytes used in batteries (>350 cycles and 6 months of cycling). The results present both the characteristics of the recycling process and the performance of batteries including the recycled electrolytes.
- Concerning the negolyte the electroactive molecule (M3CH) of the negolyte in reduced form is discharged (ie is oxidized) automatically in the air by the action of dioxygen in the air. Then, the precipitation of the electroactive molecule is carried out by acidification of the negolyte solution, up to a pH value less than or equal to 6.
- the process was tested with several types of acid (strong acid eg sulfuric acid, weak acid eg acetic acid), leading to equivalent results.
- the quantity of acid to add depends solely on the volume of negolyte to be reprocessed and its initial pH. It is added with stirring. As soon as the pH value is less than or equal to 6, precipitation is instantaneous. Filtration of the effluent can be carried out on a filter with a large pore size, because the cake obtained is very compact and forms a block. The precipitate must then be rinsed with water to remove traces of acid, then spread to facilitate the drying stage, and eliminate residual traces of solvent.
- Quantitative NMR method The 1 H NMR spectra were recorded on a BRUKER AC 300 P spectrometer (300 MHz). Maleic acid (Acros Organics) was used as an internal standard to assess the purity of the compounds.
- Figures 5 and 6 present the performances obtained with a battery comprising electrolytes with native electroactive compound(s) and with a recycled battery, i.e. comprising a negolyte and a posolyte formulated from the compound(s) recycled electroactive(s) according to the conditions in Table 2 above.
- the accessible capacity ( Figure 5) is identical for the two batteries (the visible difference between the two curves is included in the reproducibility error), which surprisingly proves that recycling by precipitation of electroactive compounds has no impact on their electrochemical activity. The evolution of this capacity during cycling is stable.
- the resistance measured in the battery ( Figure 6) is also equivalent for the two batteries, and remains constant depending on the cycling. This result surprisingly confirms that the solvents used for precipitation have no impact on the performance of the system.
- the comparison of the two battery tests highlights that the active materials of an aqueous organic flow redox battery can be recycled by precipitation and reused in a new storage system without degradation of performance.
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Abstract
Description
Procédé de recyclage de posolyte aqueux de batterie rédox à flux Process for recycling aqueous posolyte from flow redox battery
La présente invention concerne un procédé de recyclage d’un posolyte aqueux d’une batterie rédox à flux. The present invention relates to a process for recycling an aqueous posolyte from a flow redox battery.
État de la technique State of the art
Une batterie rédox à flux (en anglais Redox Flow Batterie) 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). A Redox Flow Battery is a system using liquids (called electrolytes) to store energy. Redox flow batteries store electricity and generate it by redox reaction. They generally have two compartments separated by an ion exchange membrane, where current collectors (electrodes) are generally immersed.
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 COs/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. One of the problems with current battery storage technologies in general is their use of ores and metals whose extraction has a massive impact on the environment. In addition, their complex design and the use of composite materials prevent simple, economical and efficient recycling of critical materials. While they claim to resolve the environmental impact of energy production by storing renewable energy (and therefore reducing CO emissions/kWh electricity produced), these technologies have a very mixed life cycle analysis. They cause a depletion of resources and significant pollution due to the waste represented by batteries at the end of their life.
Pour les technologies existantes, des méthodes de recyclage ont été publiées dans la littérature, comme par exemple : For existing technologies, recycling methods have been published in the literature, such as:
Batterie Li-ion (EP1269554B1 ): méthode de recyclage et de séparation des matières critiques. Une telle méthode est complexe à mettre en œuvre et coûteuse ; Li-ion battery (EP1269554B1): method of recycling and separation of critical materials. Such a method is complex to implement and expensive;
Batterie plomb-acide (CA2986001A1 ) : procédé électrochimique de récupération de plomb pour réutilisation en boucle fermée ; Lead-acid battery (CA2986001A1): electrochemical lead recovery process for closed-loop reuse;
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 ) ; Vanadium flow redox battery: recycling methods have already been proposed by mixing the two electrolytes, and must also be operated continuously during cycling to counteract the cross-over of vanadium ions through the 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 organométalliques, solubilisés en milieu aqueux. Zn-Br flow redox battery: recovery process by neutralization of bromine (CN103236570B). Current recycling solutions do not exist for redox flow batteries which use redox couples based on organic or organometallic compounds, in particular organometallic, solubilized in an aqueous medium.
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. KEMIWATT uses electrolytes based on organic and organometallic compounds, dissolved in an aqueous medium, to limit the impact of this technology on the environment and the depletion of resources (use of critical metals / rare earths). However, to date, there is no recycling solution for such batteries.
Buts de l’invention Aims of the invention
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. The present invention aims to solve the technical problem of providing a recycling process for a flow redox battery using redox couples based on organic and/or organometallic compounds in aqueous solution.
La présente invention a pour but en particulier de résoudre le problème technique consistant à fournir un procédé de recyclage de posolyte aqueux pour batterie rédox à flux. The present invention aims in particular to solve the technical problem of providing a process for recycling aqueous posolyte for a flow redox battery.
La présente invention a pour but en particulier de résoudre le problème technique consistant à fournir un procédé simple de traitement de posolytes 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 posolytes. The present invention aims in particular to solve the technical problem consisting of providing a simple process for treating aqueous posolytes for end-of-life flow redox batteries in order to isolate the electroactive compound(s), to purify them, and in particular to use it as raw material for new posolytes.
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 organ iques/organométalliques nouveaux utilisés dans les électrolytes, en particulier dans le posolyte. Enfin, la présente invention a pour but de résoudre le problème technique de la diminution des coûts de fabrication des batteries rédox à flux. In particular, the present invention aims to resolve the technical problems stated above by limiting the impact on the environment and the depletion of natural resources or by limiting the quantity of new organic/organometallic compounds used in electrolytes, particularly in the posolyte. Finally, the present invention aims to solve the technical problem of reducing the manufacturing costs of redox flow batteries.
Description détaillée de l’invention Detailed description of the invention
La présente invention permet de résoudre l’un, et de préférence l’ensemble, des problèmes techniques posés par la présente invention. The present invention makes it possible to solve one, and preferably all, of the technical problems posed by the present 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 du posolyte, 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 le posolyte 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 nouveau posolyte. Une batterie rédox à flux peut avantageusement être recyclée une fois qu’elle a perdu au moins 20 % de sa capacité initiale. To strengthen the eco-compatibility and economic competitiveness of flow redox batteries using aqueous electrolytes comprising organic and/or organometallic compounds, the inventors have discovered and developed a process and a system for recycling the electroactive compounds of the posolyte, in particular to reuse them in new redox flow batteries and thus create a circular economy around such a redox flow battery. Advantageously, recycling according to the present invention comprises the isolation of the electroactive compound(s) included in the posolyte at the end of the life of the battery, to then recover it, either directly in marketing it(them) in another application, or preferably by reintroducing it(them) into a new redox flow battery in the form of a new posolyte. A redox flow battery can advantageously be recycled once it has lost at least 20% of its initial capacity.
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. Thus, the present invention makes it possible to limit the quantity of newly introduced material for the production of redox flow batteries and/or to limit the consumption of raw materials, natural or synthesized.
Ainsi, la présente invention concerne un procédé de recyclage d’un posolyte aqueux d’une batterie rédox à flux à recycler, le posolyte aqueux comprenant au moins un composé électroactif et un solvant aqueux, le composé électroactif comprenant au moins une forme oxydée ou réduite d’un couple oxydo/réducteur, la forme réduite du couple oxydo/réducteur étant un complexe organométallique soluble dans l’eau, caractérisé en ce qu’il comprend : Thus, the present invention relates to a process for recycling an aqueous posolyte from a redox flow battery to be recycled, the aqueous posolyte comprising at least one electroactive compound and an aqueous solvent, the electroactive compound comprising at least one oxidized or reduced form of an oxidizer/reducing couple, the reduced form of the oxidizing/reducing couple being a water-soluble organometallic complex, characterized in that it comprises:
- une étape de précipitation du composé électroactif, ce par quoi une suspension est obtenue, - a step of precipitation of the electroactive compound, by which a suspension is obtained,
- une étape de séparation de la suspension, ce par quoi un résidu solide et un effluent sont obtenus, et - a step of separating the suspension, whereby a solid residue and an effluent are obtained, and
- une étape de séchage du résidu solide, comprenant le chauffage du résidu solide à une température inférieure ou égale à 40°C, de préférence inférieure ou égale à 35°C, préférentiellement inférieure ou égale à 30 °C, plus préférentiellement inférieure ou égale à 25°C, ce par quoi un composé électroactif recyclé est obtenu. - a step of drying the solid residue, comprising heating the solid residue to a temperature less than or equal to 40°C, preferably less than or equal to 35°C, preferably less than or equal to 30°C, more preferably less than or equal to at 25°C, whereby a recycled electroactive compound is obtained.
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. By electroactive compound is meant an organic or organometallic compound forming part of an oxidoreduction couple, and designates indifferently either the oxidant (the oxidized form) of the oxidoreduction couple, or the reducer (the reduced form) of the oxidoreduction couple, or the mixture of the oxidant and the reducer of the oxidoreduction couple.
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. By aqueous electrolyte is meant the aqueous solutions comprising the electroactive compound(s) and arranged in the positive and negative compartments of a flow redox battery.
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. We designate by posolyte, the electrolyte of the positive compartment of the flow redox battery, and by negolyte the electrolyte of the negative compartment of the flow redox battery.
Par complexe organométallique soluble dans l’eau, on entend un complexe organométallique présentant une solubilité dans l’eau à 25°C supérieure ou égale à 0,1 mol/L, de préférence supérieure ou égale à 0,3 mol/L, avantageusement supérieure ou égale à 0,5 mol/L, c’est-à-dire que qu’une solution aqueuse comprenant au moins 0,1 mol/L, de préférence au moins 0,3 mol/L, avantageusement au moins 0,5 mol/L de ce complexe ne présente pas de précipité ou de parties insolubles à 25 °C. By water-soluble organometallic complex is meant an organometallic complex having a solubility in water at 25°C greater than or equal to 0.1 mol/L, preferably greater than or equal to 0.3 mol/L, advantageously greater than or equal to 0.5 mol/L, that is to say that an aqueous solution comprising at least 0.1 mol/L, preferably at least 0.3 mol/L, advantageously at least 0.5 mol/L of this complex does not present any precipitate or insoluble parts at 25°C.
De préférence, le métal du complexe organométallique est choisi parmi le fer ou le cuivre. De préférence, le métal du complexe organométallique présente, sous sa forme réduite, un degré d’oxydation compris entre 0 et 2, de préférence égal à 0 si le métal est du cuivre ou égal à 2 si le métal est du fer. Préférentiellement, la forme réduite du couple oxydo/réducteur est un complexe organométallique de fer présentant un degré d’oxydation sous sa forme réduite égal à 2, de préférence est choisi parmi le ferrocène et l’ion ferrocyanure, avantageusement est l’ion ferrocyanure. Preferably, the metal of the organometallic complex is chosen from iron or copper. Preferably, the metal of the organometallic complex has, in its reduced form, a degree of oxidation of between 0 and 2, preferably equal to 0 if the metal is copper or equal to 2 if the metal is iron. Preferably, the reduced form of the oxidizer/reducer couple is an organometallic iron complex having a degree of oxidation in its reduced form equal to 2, preferably is chosen from ferrocene and the ferrocyanide ion, advantageously is the ferrocyanide ion.
De préférence, le procédé comprend successivement : Preferably, the process successively comprises:
- une étape de collecte d’un posolyte aqueux d’une batterie rédox à flux comprenant au moins un composé électroactif, - a step of collecting an aqueous posolyte from a flow redox battery comprising at least one electroactive compound,
- une étape de précipitation du composé électroactif et l’obtention d’une suspension,- a step of precipitation of the electroactive compound and obtaining a suspension,
- une étape de séparation de la suspension et l’obtention d’un résidu solide et d’un effluent, - a step of separating the suspension and obtaining a solid residue and an effluent,
- optionnellement, une étape de rinçage à l’eau et de trituration à l’eau du résidu solide obtenu après l’étape de séparation, suivi d’une deuxième étape de séparation, et l’obtention d’un résidu solide rincé, et - optionally, a step of rinsing with water and crushing with water the solid residue obtained after the separation step, followed by a second separation step, and obtaining a rinsed solid residue, and
- une étape de séchage du résidu solide ou du résidu solide rincé pour obtenir un résidu solide séché. - a step of drying the solid residue or the rinsed solid residue to obtain a dried solid residue.
Les étapes du procédé peuvent être mises en œuvre par toute technique connue de l’homme du métier. The steps of the process can be implemented by any technique known to those skilled in the art.
L’étape de collecte s’effectue de préférence par pompage du posolyte 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 posolyte du conteneur vers un réacteur. The collection step is preferably carried out by pumping the posolyte from the redox flow battery to be recycled to a container, preferably directly at the site of use of the battery. According to one embodiment, the collection step further comprises a step of transferring the posolyte from the container to a reactor.
L’étape de collecte s’effectue de préférence après une étape de décharge complète de la batterie rédox à flux. Autrement dit, le posolyte collecté pendant l’étape de collecte est de préférence un posolyte dont le composé électroactif est sous sa forme réduite. The collection step is preferably carried out after a complete discharge step of the redox flow battery. In other words, the posolyte collected during the collection step is preferably a posolyte whose electroactive compound is in its reduced form.
Le posolyte aqueux collecté à partir de la batterie rédox à flux est un posolyte aqueux usagé puisqu’il a subi au moins un cycle de charge et/ou de décharge. De préférence, le posolyte aqueux usagé est collecté à la fin du cycle de vie de la batterie. The aqueous posolyte collected from the redox flow battery is a used aqueous posolyte since it has undergone at least one charge and/or discharge cycle. Preferably, the spent aqueous posolyte is collected at the end of the battery life cycle.
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). The separation step is preferably carried out by filtration, for example using a centrifugal decanter. The solid residue obtained at the end of the separation step comprises the precipitated electroactive compound(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. Cependant, elle augmente la quantité d’effluent à traiter. The water rinsing and water trituration step makes it possible to improve the purity of the solid residue, and in particular makes it possible to eliminate the precipitating agent used if it is weakly volatile. However, it increases the quantity of effluent to be treated.
Le procédé selon l’invention est de préférence dépourvu d’étape de rinçage du résidu solide. The process according to the invention preferably does not include a step of rinsing the solid residue.
L’étape de séchage peut être effectuée par chauffage et/ ou par mise sous pression réduite du résidu solide. The drying step can be carried out by heating and/or putting the solid residue under reduced pressure.
Il a été découvert de manière surprenante que la température de séchage du résidu solide a une grande influence sur les propriétés électrochimiques du composé électroactif recyclé obtenu à l’issue du procédé de recyclage : une température de séchage du résidu solide supérieure à 40°C entraîne une chute significative des performances d’une batterie comprenant un posolyte recyclé comprenant un tel composé électroactif recyclé. It was surprisingly discovered that the drying temperature of the solid residue has a great influence on the electrochemical properties of the recycled electroactive compound obtained at the end of the recycling process: a drying temperature of the solid residue greater than 40°C results in a significant drop in the performance of a battery comprising a recycled posolyte comprising such a recycled electroactive compound.
De préférence, l’étape de séchage du résidu solide comprend le chauffage du résidu solide à une température comprise entre 15°C et 35°C, préférentiellement comprise entre 20°C et 30 °C, avantageusement comprise entre 23°C et 27°C. Preferably, the step of drying the solid residue comprises heating the solid residue to a temperature between 15°C and 35°C, preferably between 20°C and 30°C, advantageously between 23°C and 27°C. vs.
Pour améliorer l’étape de séchage, il peut aussi être avantageux de la mettre en œuvre sous pression réduite. De préférence, l’étape de séchage est effectuée à une pression absolue inférieure ou égale à 1 bar, préférentiellement inférieure ou égale à 0,8 bar, avantageusement inférieure à 0,5 bar. To improve the drying step, it may also be advantageous to carry it out under reduced pressure. Preferably, the drying step is carried out at an absolute pressure less than or equal to 1 bar, preferably less than or equal to 0.8 bar, advantageously less than 0.5 bar.
De préférence, 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 le posolyte aqueux. Preferably, the precipitation step comprises the addition of an anti-solvent of the electroactive compound and/or the addition of an acid or a base and/or the addition of a salt in the aqueous posolyte .
De préférence, l’étape d’ajout d’un anti-solvant s’effectue dans une cuve de réacteur, sous agitation. Preferably, the step of adding an anti-solvent is carried out in a reactor tank, with stirring.
Par anti-solvant, on entend un solvant organique dans lequel le composé électroactif est moins soluble que dans l’eau. By anti-solvent we mean an organic solvent in which the electroactive compound is less soluble than in water.
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. Preferably, the anti-solvent is chosen for its ability to lower the solubility of the electroactive compound of the initial aqueous medium, preferably chosen from solvents in which the electroactive compound is 5 times less soluble than in water, more preferably 10 times less soluble, advantageously 100 times less soluble. In other words, the ratio between the solubility of the electroactive compound in water to the solubility of the electroactive compound in the anti-solvent is preferably greater than or equal to 5, more preferably greater than or equal to 10, advantageously greater than or equal to 100. The solubility of the electroactive compound in water or the anti-solvent is the maximum concentration, in g/mol at 25°C, at which the electroactive compound can dissolve in water or the anti-solvent , respectively, by forming a homogeneous mixture, that is to say without formation of a precipitate.
De préférence l’anti-solvant est choisi parmi les solvants polaires aprotiques et protiques miscibles à l’eau comprenant une fonction alcool, une fonction nitrile ou une fonction cétone. Preferably the anti-solvent is chosen from polar aprotic and protic solvents miscible with water comprising an alcohol function, a nitrile function or a ketone function.
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. Preferably, the anti-solvent is an organic solvent, preferably chosen from the group of polar aprotic and protic solvents miscible with water, more preferably chosen from alcohols, preferably aliphatic alcohols, advantageously saturated aliphatic alcohols, such as methanol, ethanol, or 1-propanol and iso-propanol, and organic solvents comprising a nitrile function, such as acetonitrile, or a ketone function, such as acetone, or any of their mixtures. Using a mixture of two or more anti-solvents increases the amount of precipitated electroactive compound.
De préférence, l’acide est un acide fort ou un acide faible. 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. Preferably, the acid is a strong acid or a weak acid. The strong acid may be chosen from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, hydroiodic acid, hydrobromic acid, perchloric acid, permanganic acid, acid manganic acid, chloric acid, phosphoric acid or any mixture thereof. The weak acid may comprise at least one carboxylic acid function, such as formic acid, acetic acid, benzoic acid, citric acid, lactic acid, oxalic acid or maleic acid. Preferably, the acid is a strong acid. The use of a strong acid makes it possible to increase the quantity of electroactive compound precipitated. Preferably, the acid is sulfuric acid or acetic acid, advantageously sulfuric acid.
De préférence, la quantité d’acide ajoutée au posolyte 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 au posolyte 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. Preferably, the quantity of acid added to the aqueous posolyte corresponds to the quantity of acid necessary to obtain a pH less than or equal to 10, preferably less than or equal to 8, preferably less than or equal to 7, plus preferably less than or equal to 6. More preferably, the quantity of acid added to the aqueous posolyte corresponds to the quantity of acid necessary to obtain a pH less than or equal to 10 and greater than or equal to 1, preferably less or equal to 8 and greater than or equal to 2, more preferably less than or equal to 6 and greater than or equal to 3.
De préférence, l’acide est ajouté sous agitation. Preferably, the acid is added with stirring.
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 NasCOs ou K2CO3. De préférence, la quantité de base ajoutée au posolyte 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 au posolyte 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. Preferably, the base is an inorganic base. The base can be chosen from the group consisting of alkaline hydroxides, such as NaOH or KOH, and alkaline carbonates, such as NasCOs or K2CO3. Preferably, the quantity of base added to the aqueous posolyte corresponds to the quantity of base necessary to obtain a pH greater than or equal to 7, preferably greater than or equal to 8, preferably greater than or equal to 10. Preferably again, the quantity of base added to the aqueous posolyte corresponds to the quantity of base necessary to obtain a pH less than or equal to 14 and greater than or equal to 7, preferably less than or equal to 13 and greater than or equal to 10.
De préférence, le sel est un sel inorganique, de préférence KCI ou NaCI, ou un sel organique, de préférence l’acétate de sodium ou le carbonate d’ammonium. Preferably, the salt is an inorganic salt, preferably KCl or NaCl, or an organic salt, preferably sodium acetate or ammonium carbonate.
De préférence, le sel inorganique est choisi parmi les sels inorganiques dont le cation correspond au cation ou à un des cations compris dans le posolyte aqueux à recycler. Preferably, the inorganic salt is chosen from inorganic salts whose cation corresponds to the cation or to one of the cations included in the aqueous posolyte to be recycled.
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 le posolyte 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. The addition of an anti-solvent of the electroactive compound, the addition of an acid or a base and the addition of a salt in the aqueous posolyte can be combined in pairs or implemented all together to optimize the precipitation of the electroactive compound, depending on its solubility.
De préférence, l’étape de précipitation comprend l’ajout dans le posolyte aqueux d’un anti-solvant du composé électroactif, de préférence d’un anti-solvant du réducteur du couple oxydo/réducteur compris dans le posolyte. L’anti-solvant est tel que défini ci-dessus. Preferably, the precipitation step comprises the addition to the aqueous posolyte of an anti-solvent of the electroactive compound, preferably of an anti-solvent of the reducer of the oxido/reducing couple included in the posolyte. The anti-solvent is as defined above.
De préférence, le volume d’anti-solvant ajouté représentant entre 1% et 70% du volume du posolyte aqueux à traiter, de préférence entre 20% et 40%, préférentiellement entre 25% et 35%. De préférence, la concentration en composé électroactif est supérieure ou égale à 0,1 M, de préférence supérieure ou égale à 0,2 M, de préférence comprise entre 0,1 M et 10 M. De préférence, la concentration en complexe organométallique est supérieure ou égale à 0,1 M, de préférence supérieure ou égale à 0,2 M, de préférence comprise entre 0,1 M et 10 M. Preferably, the volume of anti-solvent added representing between 1% and 70% of the volume of the aqueous posolyte to be treated, preferably between 20% and 40%, preferably between 25% and 35%. Preferably, the concentration of electroactive compound is greater than or equal to 0.1 M, preferably greater than or equal to 0.2 M, preferably between 0.1 M and 10 M. Preferably, the concentration of organometallic complex is greater than or equal to 0.1 M, preferably greater than or equal to 0.2 M, preferably between 0.1 M and 10 M.
De préférence, l’anti-solvant ajouté dans le posolyte aqueux est à une température comprise entre 0 °C et 15 °C. Preferably, the anti-solvent added to the aqueous posolyte is at a temperature between 0°C and 15°C.
De préférence, le procédé selon l’invention comprend une étape de réduction chimique avant l’étape de précipitation, comprenant la mise en contact du posolyte avec un réducteur apte à réduire la forme oxydée du couple oxydo/réducteur. De préférence, l’étape de réduction chimique est entre l’étape de collecte et l’étape de précipitation. Preferably, the process according to the invention comprises a chemical reduction step before the precipitation step, comprising bringing the posolyte into contact with a reducing agent capable of reducing the oxidized form of the oxidizer/reducing couple. Preferably, the chemical reduction step is between the collection step and the precipitation step.
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. This step is preferably implemented when the posolyte has been collected from a flow redox battery which has not been completely discharged before the collection step.
Ainsi, de préférence, la molécule électroactive à précipiter est le réducteur du couple oxydo/réducteur compris dans le posolyte. Par réducteur apte à réduire l’oxydant 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 strictement inférieur au potentiel standard d’oxydoréduction du couple oxydo/réducteur compris dans le posolyte. Thus, preferably, the electroactive molecule to be precipitated is the reducer of the oxidizer/reducer couple included in the posolyte. By reducing agent capable of reducing the oxidant of the oxido/reducing couple, we mean any compound belonging to an oxido/reducing couple different from the oxido/reducing couple included in the posolyte and whose standard redox potential is strictly lower than the standard potential d redox of the oxido/reducer couple included in the 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 l’électrolyte aqueux. Préférentiellement, l’ajout d’un réducteur dans l’électrolyte aqueux se fait en contrôlant le pH, qui doit de préférence rester supérieur ou égal à 8. Preferably, the step of bringing the posolyte into contact with a reducing agent capable of reducing the oxidant of the oxidant/reducing couple comprises the addition of a reducing agent to the aqueous electrolyte. Preferably, the addition of a reducing agent to the aqueous electrolyte is done by controlling the pH, which must preferably remain greater than or equal to 8.
De préférence, le réducteur est choisi dans le groupe constitué de H2O2, Na2SC>3, Na2S2C>4, Na2S2C>3, N2H4 (hydrazine), l2 (iodine) et des agents réducteurs organiques comme l’acide ascorbique, l’acide citrique, et les dérivés du glucose. Preferably, the reducing agent is chosen from the group consisting of H2O2, Na2SC>3, Na2S2C>4, Na2S2C>3, N 2 H 4 (hydrazine), l 2 (iodine) and organic reducing agents such as ascorbic acid, citric acid, and glucose derivatives.
De préférence, durant l’étape de précipitation, l’électrolyte aqueux est à une température comprise entre 5°C et 40°C, de préférence comprise entre 10°C et 35°C, avantageusement comprise entre 15°C et 30°C. Preferably, during the precipitation step, the aqueous electrolyte is at a temperature between 5°C and 40°C, preferably between 10°C and 35°C, advantageously between 15°C and 30°C .
Selon un mode de réalisation, le procédé selon l’invention comprend en outre une étape de formulation du composé électroactif recyclé comprenant la dissolution du composé électroactif recyclé dans un milieu aqueux pour obtenir un posolyte recyclé. According to one embodiment, the method according to the invention further comprises a step of formulating the recycled electroactive compound comprising dissolving the recycled electroactive compound in an aqueous medium to obtain a recycled posolyte.
Cette étape de formulation peut en outre comprendre l’ajout d’autre constituants dans le posolyte recyclé, comme des additifs. This formulation step may also include the addition of other constituents to the recycled posolyte, such as additives.
Le choix des autres constituants dépend des performances recherchées pour le posolyte recyclé. The choice of other constituents depends on the performance desired for the recycled posolyte.
Le procédé selon l’invention peut en outre comprendre une étape d’introduction du posolyte recyclé obtenu à l’étape de formulation (700) dans le compartiment positif d’une batterie rédox à flux. The method according to the invention may further comprise a step of introducing the recycled posolyte obtained in the formulation step (700) into the positive compartment of a flow redox battery.
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. According to a variant, the method according to the invention further comprises a step of treating the effluent obtained at the end of the separation step to obtain a treated effluent. The treated effluent can be reused in the precipitation stage.
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, le posolyte 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. The method according to the invention may further comprise a step of verifying the purity of the solid residue, for example by chemical and/or electrochemical analysis. According to one embodiment of the process of the invention, the aqueous posolyte to be recycled may comprise at least one additive. In this embodiment, depending on the solubility of the additive, the additive is either recycled with the electroactive compound, and is therefore included in the solid residue, or included in the effluent obtained at the end of the process.
Par additif, on entend tout composé susceptible d’augmenter certaines propriétés physico-chimiques du posolyte. By additive we mean any compound likely to increase certain physicochemical properties of the posolyte.
L’invention concerne également un système de recyclage d’un posolyte aqueux d’une batterie rédox à flux comprenant : The invention also relates to a system for recycling an aqueous posolyte from a flow redox battery comprising:
- un dispositif de collecte d’un posolyte aqueux à partir d’une batterie rédox à flux, le posolyte aqueux comprenant au moins un composé électroactif et un solvant aqueux,- a device for collecting an aqueous posolyte from a flow redox battery, the aqueous posolyte comprising at least one electroactive compound and an aqueous solvent,
- un dispositif de précipitation 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 comprenant un résidu solide et un effluent, et - a device for precipitating the electroactive compound by adding an anti-solvent of the electroactive compound and/or adding an acid or a base and/or adding a salt, providing a suspension comprising a solid residue and a effluent, and
- un dispositif de séchage permettant le séchage du résidu solide à une température inférieure ou égale à 40°C, de préférence inférieure ou égale à 35°C, préférentiellement inférieure ou égale à 30 °C, plus préférentiellement inférieure ou égale à 25°C. - a drying device allowing drying of the solid residue at a temperature less than or equal to 40°C, preferably less than or equal to 35°C, preferably less than or equal to 30°C, more preferably less than or equal to 25°C .
Le dispositif de collecte comprend de préférence un réservoir de collecte du posolyte aqueux collecté et un dispositif apte à transférer le posolyte de la batterie rédox à flux à recycler vers le réservoir de collecte. Le réservoir de collecte est par exemple en liaison fluidique avec le réservoir positif de la batterie rédox à flux à recycler. Le posolyte aqueux collecté à partir de la batterie rédox à flux est un posolyte aqueux usagé puisqu’il a subi au moins un cycle de charge et/ou de décharge. De préférence, le posolyte aqueux usagé est collecté à la fin du cycle de vie de la batterie. The collection device preferably comprises a collection tank for the collected aqueous posolyte and a device capable of transferring the posolyte from the redox flow battery to be recycled to the collection tank. The collection tank is for example in fluid connection with the positive tank of the redox flow battery to be recycled. The aqueous posolyte collected from the redox flow battery is a used aqueous posolyte since it has undergone at least one charge and/or discharge cycle. Preferably, the spent aqueous posolyte is collected at the end of the battery life cycle.
Le dispositif selon l’invention peut comprendre en outre un premier réservoir de stockage comprenant un anti-solvant du composé électroactif du posolyte 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 anti-solvant du composé électroactif du posolyte aqueux collecté. Le premier réservoir de stockage est en liaison fluidique avec le dispositif de précipitation. The device according to the invention may further comprise a first storage tank comprising an anti-solvent of the electroactive compound of the aqueous posolyte collected and/or an acid or a solution of a base and/or a solution of a salt such as defined in the description of the process according to the invention, preferably a storage tank for an anti-solvent of the electroactive compound of the aqueous posolyte collected. The first storage tank is in fluid connection with the precipitation device.
Selon un mode de réalisation, le système de recyclage selon l’invention comprend un dispositif de décharge 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 réducteur apte à réduire l’oxydant du couple oxydo/réducteur tel que défini ci-dessus. Le dispositif de décharge est de préférence en liaison fluidique avec le réservoir de collecte et le dispositif de précipitation. According to one embodiment, the recycling system according to the invention comprises a discharge device capable of reducing the oxidant of the oxidant/reducing couple of the posolyte. The discharge device is preferably in fluid connection with a second storage tank comprising a reducer capable of reducing the oxidant of the oxidizer/reducer couple as defined above. The discharge device is preferably in fluid connection with the collection tank and the precipitation device.
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. Preferably, the recycling system according to the invention further comprises a separation device making it possible to separate the suspension resulting from the precipitation device into a solid residue and an effluent. For example, the separation device may be a centrifugal decanter.
Le résidu solide obtenu dans le dispositif de séparation comprend le(les) composé(s) électroactif(s) précipité(s). The solid residue obtained in the separation device comprises the precipitated electroactive compound(s).
Le dispositif de séparation est de préférence en liaison fluidique avec le dispositif de précipitation et le dispositif de séchage ou de formulation. The separation device is preferably in fluid connection with the precipitation device and the drying or formulation device.
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. According to one embodiment of the invention, the separation device is capable of partially or completely drying the solid residue, possibly rinsed. According to this embodiment, the drying device is included in the separation device.
Alternativement, le dispositif selon l’invention comprend un dispositif de séchage distinct du résidu solide par chauffage et/ou par mise sous pression réduite du résidu solide, éventuellement rincé. Alternatively, the device according to the invention comprises a separate drying device for the solid residue by heating and/or by placing the solid residue under reduced pressure, optionally rinsed.
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. According to one embodiment, the device of the invention further comprises a device for treating the effluent from the separation device to obtain a treated effluent. The treatment device is in fluid connection with the storage tank and/or with the precipitation device.
De préférence, le système de recyclage selon l’invention comprend en outre un dispositif de formulation formulant sous la forme d’un posolyte recyclé le résidu solide. Preferably, the recycling system according to the invention further comprises a formulation device formulating the solid residue in the form of a recycled posolyte.
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. The device according to the invention may further comprise a formulation reservoir comprising an aqueous solution possibly comprising one or more additives, as defined above. The formulation tank is in fluid connection with the formulation device.
A la sortie du dispositif de formulation, le posolyte recyclé peut être introduit dans le compartiment positif d’une nouvelle batterie rédox à flux, de préférence par une liaison fluidique. At the outlet of the formulation device, the recycled posolyte can be introduced into the positive compartment of a new redox flow battery, preferably by a fluid connection.
De préférence le système de recyclage selon l’invention est pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention. Preferably the recycling system according to the invention is for the implementation of the method according to the invention.
Avantage de l’invention Advantage of the 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. It is particularly surprising that such electroactive compounds can be recycled by precipitation. The recycling process according to the invention is particularly easy to implement and therefore particularly innovative. This process makes it possible to obtain very good recycling yields of electroactive compounds.
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 Q.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. Quite surprisingly, the electroactive compounds recycled by the process of the invention are reusable for new cycling in a new redox flow battery with very satisfactory performance, particularly in terms of capacity and/or ohmic resistance (< 2 Q.cm 2 ) and stability during the repetition of the operating cycles of the redox battery, which is substantially stable over several tens or hundreds of cycles. Such a performance was not expected by those skilled in the art.
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’éthanol ne représente pas une menace environnementale. Another advantage of the process of the invention is that a small quantity (in proportion to the volume treated) of reagents is used. Additionally, these reagents are readily available (and already used in many other applications) and inexpensive. For example, ethanol does not represent an environmental threat.
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 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. In addition, the precipitation is rapid, and the process according to the invention does not generate pollution from the recycled electroactive compounds: the purification of the solid residue only goes through an evaporation step. Advantageously, the yield of the process according to the invention and its low cost allow industrialization of the process and the system according to the 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. Unless explicitly stated otherwise, the expressions “from X to Y” and “between X and Y” designate intervals whose limits X and Y are included.
Figures Figures
[Fig 1] La figure 1 est un bloc diagramme schématique d’un procédé selon l’invention. [Fig 1] Figure 1 is a schematic block diagram of a process according to the invention.
Après le cyclage 100 d’une batterie rédox à flux, un posolyte aqueux de la batterie rédox à flux est collecté lors d’une étape de collecte 200. La(les) composé(s) électroactif(s) compris dans le posolyte aqueux est(sont) éventuellement mis en contact avec un réducteur afin d’être déchargé(s) lors d’une étape (250) de réduction chimique. Le(les) composé(s) électroactif(s) compris dans le posolyte aqueux est(sont) précipité(s) lors d’une étape 300 de précipitation, de préférence par ajout d’un anti-solvant et/ou l’ajout d’un acide ou d’une base et/ou l’ajout d’un sel dans l’électrolyte aqueux du composé électroactif dans le posolyte 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, est ensuite séché lors d’une étape de séchage 600 afin de réduire la quantité d’eau et/ou de solvant présente dans le résidu solide. La température de séchage ne doit pas excéder 40°C. Le composé électroactif recyclé obtenu à l’issue de l’étape de séchage peut ensuite être formulé lors d’une étape de formulation 700 afin d’obtenir un posolyte recyclé. Le posolyte recyclé peut être utilisé dans une nouvelle batterie rédox à flux, seul ou en mélange avec un posolyte 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. After cycling 100 of a flow redox battery, an aqueous posolyte of the flow redox battery is collected during a collection step 200. The electroactive compound(s) included in the aqueous posolyte is (are) optionally brought into contact with a reducer in order to be discharged during a chemical reduction step (250). The electroactive compound(s) included in the aqueous posolyte is(are) precipitated during a precipitation step 300, preferably by addition of an anti-solvent and/or the addition of an acid or a base and/or the addition of a salt in the aqueous electrolyte of the electroactive compound in the aqueous posolyte. The suspension obtained at the end of the precipitation step 300 is then separated into a solid residue and an effluent during a separation step 400. A solid residue comprising the electroactive compound(s) and an effluent are obtained. The solid residue can be rinsed with water and triturated during a step 500 of rinsing with water and water crushing. The solid residue, rinsed or not, is then dried during a drying step 600 in order to reduce the quantity of water and/or solvent present in the solid residue. The drying temperature must not exceed 40°C. The recycled electroactive compound obtained at the end of the drying step can then be formulated during a formulation step 700 in order to obtain a recycled posolyte. The recycled posolyte can be used in a new flow redox battery, alone or mixed with a posolyte comprising native electroactive compound(s), i.e. never having been used in a charge and/or discharge cycle of a flow redox battery. In parallel, the effluent obtained at the end of the separation step can be treated during a treatment step 800, in order to obtain a treated effluent capable of being reused in the precipitation step 300 during a future implementation of the method according to the invention.
[Fig 2] La figure 2 est une représentation schématique d’un système de recyclage 1 d’un posolyte aqueux d’une batterie rédox à flux 10 selon l’invention. [Fig 2] Figure 2 is a schematic representation of a recycling system 1 of an aqueous posolyte of a redox flow battery 10 according to the invention.
Un posolyte 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 anti-solvant et/ou un acide ou une base et/ou une solution d’un sel du composé électroactif du posolyte aqueux collecté provenant d’un réservoir de stockage 45 est ajouté au posolyte 20 dans le dispositif de précipitation 40 afin de faire précipiter le(les) composé(s) électroactif(s) du posolyte 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 posolyte 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. Le résidu 52 (rincé ou non) est ensuite 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 de 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 posolyte recyclé 78. Le posolyte recyclé 78 peut ensuite être introduit le compartiment positif d’une nouvelle batterie rédox à flux 90. [Fig 3] La Figure 3 est un graphique représentant capacité accessible en cyclage batterie (TRL 4) (en pourcentage de la capacité théorique des électrolytes) d’une batterie comprenant des électrolytes avec composé électroactif natif et deux batteries A et B comprenant un négolyte avec composé électroactif natif et un posolyte avec composé électroactif recyclé, le composé électroactif recyclé ayant été séché sous différentes conditions pour les batteries A et B. A posolyte 20 from a flow redox battery 10 is collected in a collection device 30, possibly conveyed to a discharge device 35, then conveyed to a precipitation device 40. An anti-solvent and/or an acid or a base and/or a solution of a salt of the electroactive compound of the aqueous posolyte collected from a storage tank 45 is added to the posolyte 20 in the precipitation device 40 in order to precipitate the electroactive compound(s) ) of the posolyte 20. The suspension obtained is separated, preferably by filtration, in a separation device 50. A solid residue 52 comprising the electroactive compound(s) of the posolyte 20 and an effluent 54 are obtained. The effluent 54 is collected in an effluent collection device 80, and can be treated then redirected to the storage tank 45. Optionally, the solid residue 52 is rinsed with water and triturated with water, then separated a second time to remove the wash water. The residue 52 (rinsed or not) is then dried or partially dried, either directly in the separation device, or after having been transferred to a drying device 60. The drying device allows heating under controlled temperature and/or putting under reduced pressure the residue 52 and thus reduce the quantity of water and solvents present in the solid residue 52. The solid residue 52 is then conveyed to a formulation device 70. An aqueous solution optionally comprising additives is also introduced into the formulation device 70 from a formulation tank 75 in order to prepare a recycled posolyte 78. The recycled posolyte 78 can then be introduced into the positive compartment of a new redox flow battery 90. [Fig 3] Figure 3 is a graph representing accessible capacity in battery cycling (TRL 4) (as a percentage of the theoretical capacity of the electrolytes) of a battery comprising electrolytes with native electroactive compound and two batteries A and B comprising a negolyte with native electroactive compound and a posolyte with recycled electroactive compound, the recycled electroactive compound having been dried under different conditions for batteries A and B.
[Fig 4] La Figure 4 est un graphique représentant la résistance de batterie (TRL 4) mesurée par courbe de polarisation d’une batterie comprenant des électrolytes avec composé électroactif natif et deux batteries A et B comprenant un négolyte avec composé électroactif natif et un posolyte avec composé électroactif recyclé, le composé électroactif recyclé ayant été séché sous différentes conditions. [Fig 4] Figure 4 is a graph representing the battery resistance (TRL 4) measured by polarization curve of a battery comprising electrolytes with native electroactive compound and two batteries A and B comprising a negolyte with native electroactive compound and a posolyte with recycled electroactive compound, the recycled electroactive compound having been dried under different conditions.
[Fig 5] La Figure 5 est un graphique représentant la capacité accessible en cyclage batterie (TRL 4) (en pourcentage de la capacité théorique des électrolytes) d’une batterie comprenant des électrolytes avec composé électroactif natif et une batterie comprenant des électrolytes avec composé électroactif recyclé côté posolyte et côté négolyte. [Fig 5] Figure 5 is a graph representing the capacity accessible in battery cycling (TRL 4) (as a percentage of the theoretical capacity of the electrolytes) of a battery comprising electrolytes with native electroactive compound and a battery comprising electrolytes with compound electroactive recycled on the posolyte side and on the negolyte side.
[Fig 6] La Figure 6 est un graphique représentant la résistance de batterie (TRL 4) mesurée par courbe de polarisation d’une batterie comprenant des électrolytes avec composé électroactif natif et une batterie comprenant des avec composé électroactif recyclé. [Fig 6] Figure 6 is a graph representing the battery resistance (TRL 4) measured by polarization curve of a battery comprising electrolytes with native electroactive compound and a battery comprising ones with recycled electroactive compound.
La présente invention va maintenant être décrite à l’aide d’exemples non limitatifs. The present invention will now be described using non-limiting examples.
Exemples: Examples:
Exemple 1 : Recyclage d’un posolyte comprenant le couple rédox ferrocyanure/ferricyanure - Effet de la température de séchage Example 1: Recycling of a posolyte comprising the ferrocyanide/ferricyanide redox couple - Effect of drying temperature
Le procédé de recyclage a été mis en œuvre sur un posolyte utilisé en batterie (> 500 cycles et 4 mois de cyclage). The recycling process was implemented on a posolyte used in a battery (> 500 cycles and 4 months of cycling).
En fin de cyclage, le(les) composé(s) électroactif(s) du couple rédox ferrocyanure/ferricyanure du posolyte, est(sont) d’abord réduite(s) chimiquement, par exemple par ajout d’H2C>2, en contrôlant le pH (qui doit de préférence rester supérieur à 8) et sous agitation, afin d’obtenir un électrolyte comprenant 100% de ferrocyanure. La concentration en composés électroactifs dans le négolyte est de 0,2 M et la concentration en composés électroactifs dans le posolyte est de 0,7 M. At the end of cycling, the electroactive compound(s) of the ferrocyanide/ferricyanide redox couple of the posolyte is(are) first chemically reduced, for example by addition of H 2 C>2 , by controlling the pH (which should preferably remain greater than 8) and with stirring, in order to obtain an electrolyte comprising 100% ferrocyanide. The concentration of electroactive compounds in the negolyte is 0.2 M and the concentration of electroactive compounds in the posolyte is 0.7 M.
La précipitation s’effectue ensuite par ajout d’un volume d’éthanol à 96% (sous forme liquide) dans l’électrolyte sous agitation magnétique, le volume d’éthanol correspondant à 30% du volume du posolyte ; la quantité d’éthanol doit être maîtrisée, car s’il excède un certain volume, l’effet est contre-productif et le ferrocyanure se redissout dans le mélange de solvant. The precipitation is then carried out by adding a volume of 96% ethanol (in liquid form) to the electrolyte with magnetic stirring, the volume of ethanol corresponding to 30% of the volume of the posolyte; the quantity of ethanol must be controlled, because if it exceeds a certain volume, the effect is counterproductive and the ferrocyanide redissolves in the solvent mixture.
La solution est ensuite filtrée (par exemple sur papier filtre (5-10 pm)), puis le résidu solide obtenu est séché par évaporation des traces résiduelles de solvant (eau + éthanol) à deux températures : 20 °C et 45°C. The solution is then filtered (for example on filter paper (5-10 μm)), then the solid residue obtained is dried by evaporation of the residual traces of solvent (water + ethanol) at two temperatures: 20 ° C and 45 ° C.
La nature et la quantité de solvant utilisées dans chaque cas, ainsi que les rendements et les puretés obtenus, sont présentés dans le tableau 1 . The nature and quantity of solvent used in each case, as well as the yields and purities obtained, are presented in Table 1.
[Table 1 ] [Table 1]
Lors de la chauffe de la poudre filtrée sur une plaque chauffante à 45 °C, celle-ci relargue progressivement de l’humidité, formant à nouveau une pâte ; il faut alors la refiltrer pour obtenir une poudre, qui est ensuite reséchée à l’air libre sans chauffe particulière. When the filtered powder is heated on a hot plate at 45°C, it gradually releases moisture, forming a paste again; it must then be re-filtered to obtain a powder, which is then re-dried in the open air without any special heating.
L’analyse UV des 2 échantillons indique des puretés satisfaisantes (supérieures à 90%), et une signature inchangée par rapport à la poudre initiale. UV analysis of the 2 samples indicates satisfactory purities (greater than 90%), and an unchanged signature compared to the initial powder.
Chaque composé électroactif recyclé A et B a ensuite été resolubilisé dans un milieu aqueux pour obtenir deux posolytes recyclés A et B. Chaque posolyte a été testé en batterie, en association avec un négolyte non recyclé comprenant (M3CH) comme composé électroactif : Each recycled electroactive compound A and B was then resolubilized in an aqueous medium to obtain two recycled posolytes A and B. Each posolyte was tested in a battery, in association with a non-recycled negolyte comprising (M3CH) as electroactive compound:
[Chem 1 ] [Chem 1]
Les figures 3 et 4 présentent les performances obtenues avec une batterie « native » comprenant des électrolytes avec uniquement des composés électroactifs natifs (composé M3CH au négolyte et ion ferrocyanure au posolyte), et avec les deux batteries A et B comprenant le même négolyte mais le posolyte recyclé A ou B, respectivement. Figures 3 and 4 present the performances obtained with a “native” battery comprising electrolytes with only native electroactive compounds (M3CH compound with the negolyte and ferrocyanide ion with the posolyte), and with the two batteries A and B comprising the same negolyte but the recycled posolyte A or B, respectively.
On observe que la capacité (Figure 3) et la résistance en batterie (Figure 4) sont identiques pour la batterie native et la batterie A (la différence visible entre les deux courbes est comprise dans l’erreur de reproductibilité), mais que les performances de la batterie B, qui comprend le posolyte recyclé obtenu après chauffage à 45 °C du ferrocyanure, sont significativement inférieures à celles des batteries native et A, en termes de capacité accessible. We observe that the capacity (Figure 3) and the battery resistance (Figure 4) are identical for the native battery and battery A (the visible difference between the two curves is included in the reproducibility error), but that the performances of battery B, which includes the recycled posolyte obtained after heating the ferrocyanide to 45 °C, are significantly lower than those of the native batteries and A, in terms of accessible capacity.
Un excès de négolyte a été ajouté au moment du cycle 13 de la batterie B pour s’assurer que la limitation était bien due au posolyte. An excess of negolyte was added at the time of cycle 13 of battery B to ensure that the limitation was indeed due to the posolyte.
On observe donc que, de manière inattendue, la température de séchage du ferrocyanure recyclé a un effet délétère sur ses propriétés d’oxydo-réduction. Ceci était totalement imprévisible dans la mesure où aucune dégradation n’est visible par une caractérisation UV, qui est la méthode de caractérisation indiquée pour le composé ferrocyanure. We therefore observe that, unexpectedly, the drying temperature of recycled ferrocyanide has a deleterious effect on its redox properties. This was completely unpredictable as no degradation is visible by UV characterization, which is the characterization method indicated for the ferrocyanide compound.
Exemple 2 : Recyclage et test en batterie du couple rédox ferrocyanure/ferricyanure (posolyte) et de l’anthraquinone (M3CH) (négolyte) Example 2: Recycling and battery testing of the ferrocyanide/ferricyanide redox couple (posolyte) and anthraquinone (M3CH) (negolyte)
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 ce qui concerne le négolyte, la molécule électroactive (M3CH) du négolyte 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 de négolyte 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. The recycling process was implemented on electrolytes used in batteries (>350 cycles and 6 months of cycling). The results present both the characteristics of the recycling process and the performance of batteries including the recycled electrolytes. Concerning the negolyte, the electroactive molecule (M3CH) of the negolyte in reduced form is discharged (ie is oxidized) automatically in the air by the action of dioxygen in the air. Then, the precipitation of the electroactive molecule is carried out by acidification of the negolyte solution, up to a pH value less than or equal to 6. The process was tested with several types of acid (strong acid eg sulfuric acid, weak acid eg acetic acid), leading to equivalent results. The quantity of acid to add depends solely on the volume of negolyte to be reprocessed and its initial pH. It is added with stirring. As soon as the pH value is less than or equal to 6, precipitation is instantaneous. Filtration of the effluent can be carried out on a filter with a large pore size, because the cake obtained is very compact and forms a block. The precipitate must then be rinsed with water to remove traces of acid, then spread to facilitate the drying stage, and eliminate residual traces of solvent.
La nature et la quantité de solvant utilisé pour chaque électrolyte, ainsi que les rendements et les puretés obtenus, sont présentés dans le tableau 2. 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 (qRMN 1H) 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. The nature and quantity of solvent used for each electrolyte, as well as the yields and purities obtained, are presented in Table 2. The necessary quantities of solvent are 10 and 30% by volume respectively for the negolyte and the posolyte. This addition tends to decrease for the posolyte when the concentration of electroactive compound increases. Yields are greater than 65%, with an expected improvement through the implementation of an optimized industrial process. The purity of the recycled electroactive compound obtained after simple drying is estimated by quantitative proton NMR (qNMR 1 H) with the presence of an internal standard. This purity is 92 and 93% respectively, which proves the ease of elimination of the solvent used for precipitation. By comparison, the purity of these same native electroactive compounds are approximately 97% for anthraquinone and 96% for the ferrocyanide salt.
Méthode RMN quantitative : Les spectres de RMN 1 H 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. Quantitative NMR method: The 1 H NMR spectra were recorded on a BRUKER AC 300 P spectrometer (300 MHz). Maleic acid (Acros Organics) was used as an internal standard to assess the purity of the compounds.
[Table 2] [Table 2]
Les figures 5 et 6 présentent les performances obtenues avec une batterie comprenant des électrolytes avec une(des) composés électroactif(s) natif(s) et avec une batterie recyclée, i.e. comprenant un négolyte et un posolyte formulés à partir des composé(s) électroactif(s) recyclé(s) selon les conditions du tableau 2 ci-dessus. Figures 5 and 6 present the performances obtained with a battery comprising electrolytes with native electroactive compound(s) and with a recycled battery, i.e. comprising a negolyte and a posolyte formulated from the compound(s) recycled electroactive(s) according to the conditions in Table 2 above.
La capacité accessible (Figure 5) 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. The accessible capacity (Figure 5) is identical for the two batteries (the visible difference between the two curves is included in the reproducibility error), which surprisingly proves that recycling by precipitation of electroactive compounds has no impact on their electrochemical activity. The evolution of this capacity during cycling is stable.
La résistance mesurée en batterie (Figure 6) 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. The resistance measured in the battery (Figure 6) is also equivalent for the two batteries, and remains constant depending on the cycling. This result surprisingly confirms that the solvents used for precipitation have no impact on the performance of the system. The comparison of the two battery tests highlights that the active materials of an aqueous organic flow redox battery can be recycled by precipitation and reused in a new storage system without degradation of performance.
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