Le petit creuset de métal se fait brasser frénétiquement dans tous les sens comme une boîte de peinture à la quincaillerie. On peut entendre les billes d’acier qui ricochent à l’intérieur. «C’est un appareil à broyer du silicium, explique le chimiste Lionel Roué dans son laboratoire du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS) à Varennes. C’est là notre façon de produire des matériaux nanostructurés pour pas trop cher.» Si simple?
Après une dizaine d’heures de ce traitement de choc, la matière obtient en effet des propriétés nanométriques. «Sous l’impact des billes d’acier, le silicium se casse, puis se ressoude, se recasse, se ressoude, puis se casse encore… À la fin, on obtient des particules de l’ordre du micron, qui sont en fait des assemblements de particules plus petites, de l’ordre du nanomètre; en somme, des grappes de nanoparticules », dit le chercheur.
Et qui dit nanoparticules dit potentiel industriel fabuleux. Ce silicium concassé mécaniquement pourrait permettre de concevoir des batteries rechargeables dotées d’une plus grande autonomie. Un progrès salué par la revue Energy & Environmental Science en mai dernier.
Il faut dire que le silicium est l’un des matériaux les plus prometteurs pour le développement des batteries : il est capable de stocker 10 fois plus d’électrons que le graphite, utilisé actuellement dans les fameuses batteries lithium-ion, qui équipent, entre autres, les téléphones et ordinateurs portables, et les véhicules électriques.
Comme toutes les batteries, elles possèdent une cathode et d’une anode, faites de matériaux différents, entre lesquelles des ions lithium se déplacent par l’intermédiaire d’un électrolyte. Dans les batteries au lithium standard, la cathode est souvent faite d’oxyde de cobalt, alors que l’anode est en graphite. Lorsqu’on utilise la batterie, des ions lithium, chargés positivement, se déplacent de l’anode vers la cathode. Afin d’équilibrer ce déplacement de charges positives, des électrons, chargés négativement, doivent aussi se rendre à la cathode, mais ils le font en passant à l’extérieur de la batterie, par les fils du circuit. C’est ainsi qu’on obtient le courant. En connectant la batterie pour la recharger, on force les électrons à retourner à l’anode, entraînant aussi, du même coup, les ions lithium.
«Dans les batteries au lithium actuelles, fait remarquer Lionel Roué, l’anode de graphite permet une capacité de stockage de 320 à 350 milliampères-heure pour chaque gramme de graphite. Avec une anode de silicium, la capacité de stockage pourrait être 10 fois plus grande.»
Sauf que le silicium est capricieux. Si on le remplit de lithium, il prend de l’expansion. Alors que l’anode standard grossit d’environ 10% lorsqu’on la recharge, celle de silicium triple de volume! Et elle rétrécit d’autant quand elle se décharge. «Résultat, le silicium se fissure et se fragmente un peu à chaque cycle, continue le chimiste. Après quelques dizaines de recharges, la structure est pulvérisée et la batterie est inutilisable.»
C’est en créant des nanostructures de silicium, soit des poudres et des fils extrêmement fins, qui peuvent grossir et se rétracter sans s’endommager, que de nombreux laboratoires tentent de contourner ce problème. Mais la nanofabrication est complexe, ce qui rend ces batteries trop coûteuses; sans compter que les nanoparticules sont potentiellement toxiques.
Le broyage devient alors un atout. Au lieu de construire des structures en assemblant des atomes, les chercheurs de l’INRS concassent une poudre ordinaire de silicium en l’agitant dans des creusets où s’entrechoquent des billes d’acier. « Vue au microscope, chaque nanoparticule obtenue est elle-même un agrégat de nanocristaux dans lesquels les atomes sont bien alignés en couches superposées», commente Lionel Roué.
Et autour de chaque nanocristal, dans les nanoparticules, se trouvent des joints de silicium amorphe, c’est-à-dire désorganisé. «Les ions lithium aiment cette configuration, poursuit le chercheur. C’est dans ces zones qu’ils circulent pour aller se stocker dans les cristaux. Grâce à ces chemins de diffusion, la distribution du lithium se fait plus uniformément, l’expansion volumique est beaucoup plus progressive, et le matériau résiste beaucoup mieux.»
Les chercheurs obtiennent en quelque sorte le meilleur des deux mondes, puisque les propriétés du silicium broyé approchent celles du silicium nanostructuré, mais à une fraction du prix. À l’échelle industrielle, un kilogramme de cette poudre reviendrait à trois dollars, contre plusieurs centaines de dollars pour la version « nano ».
«Après 900 recharges et décharges, nos anodes de silicium avaient encore 100% de leur capacité initiale», ajoute Lionel Roué. Ce qui n’est pas peu dire dans le monde des batteries rechargeables, où même les plus performantes se détériorent après quelques centaines de cycles.
Sans même augmenter le poids de leurs batteries, l’autonomie des voitures électriques pourrait être notablement augmentée. Mais il reste des développements à réaliser avant que les batteries avec anodes en silicium puissent être utilisées à cette fin. «Dans les conditions du laboratoire, nos anodes en silicium broyé fonctionnent. Il faut maintenant les intégrer dans une batterie complète qui fonctionnera bien et longtemps. On est sur la bonne voie.»
Photo: Philippe Jasmin
