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Le silicium s’offre une seconde vie au Québec

Cellule électrochimique utilisée pour charger / décharger les matériaux de batterie

Cellule électrochimique utilisée pour charger / décharger les matériaux de batterie (©Christian Fleury)

Le silicium est le principal matériau semi-conducteur utilisé dans la constitution des panneaux photovoltaïques. Certains de ces panneaux arrivent actuellement en fin de vie mais leurs constituants peuvent être recyclés. Au Québec, le Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS de Varennes travaille notamment sur une valorisation du silicium au sein de batteries lithium-ion.

Une mue grâce au broyage mécanique

Recycler le silicium des panneaux photovoltaïques en le broyant. Tel est l’objet des recherches du professeur Lionel Roué du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS dont l’équipe de chercheurs collabore avec l’Institut des matériaux Jean Rouxel de Nantes.

Récupéré sur les panneaux photovoltaïques, le silicium est écrasé mécaniquement dans un creuset par trois petites billes en inox virevoltant à une vitesse de plusieurs mètres par seconde. Au bout d’une dizaine d’heures, une poudre de silicium aux dimensions micrométriques (10-6 m) est récupérée. Elle est constituée de cristaux de silicium plus petits encore qui sont fusionnés les uns aux autres.

Cette poudre est mélangée avec d’autres produits et du carbone (composition brevetée par l’équipe québécoise) avant d’être exploitée au sein de batteries lithium-ion. La technique du broyage mécanique serait 100 fois moins coûteuse(1) que la production ex nihilo de cristaux de silicium de cette dimension.

900 cycles de charge / décharge

L’utilisation du silicium dans les batteries lithium-ion n’est pas une idée neuve. Elle est née d’un constat énergétique simple : une anode de silicium peut stocker dix fois plus d’électrons qu’une anode de graphite que l’on utilise usuellement dans les batteries lithium-ion. Ce gain en termes de densité énergétique permettrait de disposer d’une meilleure autonomie, enjeu central des batteries.

Le silicium présente toutefois le désavantage de varier de volume lors de la charge et de la décharge d’une batterie. Cette variation de volume peut atteindre 300%, ce qui engendre une fracture rapide du matériau et diminue fortement la durée de vie de la batterie. C’est pour mieux résister à cette expansion volumique que le silicium est broyé en poudre.

Le matériau à base de silicium obtenu résisterait actuellement à près de 900 cycles de charge / décharge des piles lithium-ion. La variation de volume du silicium induit toutefois encore des mouvements du matériau. Il arrive que ce dernier se déconnecte du collecteur de courant en cuivre qui assure la circulation des électrons. Une mousse de cuivre fournie par l'entreprise canadienne Metafoam pourrait permettre de dépasser cette contrainte.

L’enjeu est important, tout comme le volume de recyclage potentiel : le silicium cristallin représente aujourd’hui environ 85 % du marché des matériaux utilisés dans la fabrication des panneaux photovoltaïque. 

Ces trois petites billes en inox permettent de broyer le silicium dans un creuset.(©Christian Fleury)

Ces trois petites billes en inox permettent de broyer le silicium dans un creuset.(©Christian Fleury)