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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.

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.»

source : http://www.quebecscience.qc.ca

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