Capacité de stockage dix fois supérieure à celle du graphite, le matériau utilisé jusqu'à présent dans les batteries lithium-ion pour favoriser la charge. C'est la raison de la projection de l'utilisation du silicium dans les années à venir, tant dans les "smartphones" et les appareils que dans les anodes des batteries de voiture (un secteur dans lequel Volkswagen vient d'annoncer la construction prochaine d'une gigafactory à Sagunto fabriquer des batteries pour voitures électriques, avec une génération attendue de 3.000 XNUMX emplois). Et des entreprises comme Sila Nanotechnologies, aux États-Unis, ont confirmé le démarrage de la production de leurs premières unités de batterie avec ce minéral.
L'Espagne dispose de plusieurs centres de recherche travaillant sur ce minéral, le deuxième plus abondant dans la croûte terrestre et plus accessible que le graphite (comme dans de nombreux autres cas -par exemple, les "terres rares"-, avec l'hégémonie chinoise), car il est présent dans des roches ou du sable, et une fois extrait, il peut commencer son cycle de vie utile.
C'est ce qu'ils font chez Floatech, une spin-off d'IMDEA Materials (un institut de recherche rattaché à la Communauté de Madrid), cofinancée par Juan José Vilatela et Richard Schäufele, qui font partie du groupe Multifunctional Nanocomposites de l'institut.
Présent et avenir
Vilatela, ingénieur physique de l'Universidad Iberoamericana de México et docteur de l'Université de Cambridge, souligne l'essence du travail avec ce matériau : ainsi que la réduction du poids et de la taille ».
Signe du chercheur, l'innovation porte sur l'affinement du procédé pour être omniprésent dans le 'site vertueux' fabrication plus grande, prix plus bas... avec le retour d'une production durable : « Le silicium nécessite un processus de transformation en appareil, pour qui, chez Floatech, élimine tous les solvants et processus de mélange, de sorte que l'empreinte environnementale sera réduite ». Une tournée en plein tour de table d'investissement, en vue de construire la première usine pilote en 2023 et d'avoir un produit prêt d'ici 2025 (ils ont eu le soutien du Conseil européen de la recherche, d'un projet d'excellence en recherche).
Bien sûr, bien que le silicium arrive chargé d'avantages, il présente certains impératifs, tels que sa fissuration due aux changements continus de volume typiques du processus de charge et de décharge des batteries lithium-ion. En ce sens, Carmen Morant, professeur de physique appliquée à l'Université autonome de Madrid, souligne l'importance de ce minéral : « Il est très prometteur comme matériau d'anode pour les batteries au lithium, car c'est l'élément avec la capacité théorique spécifique la plus élevée. et très abondant dans la nature. Il pourrait être très important, par exemple, dans le stockage des énergies renouvelables. Cependant, en raison des énormes variations de volume qui se produisent lors de l'introduction/extraction du lithium dans le silicium, où le matériau augmente et diminue de volume jusqu'à quatre fois, l'anode se fissure, se casse et la batterie perd de sa stabilité. Pour cette raison, nous étudions comment augmenter la durée de vie de ces batteries grâce à l'utilisation de matériaux de petites dimensions, comme par exemple des films minces de silicium et des nanofils de silicium ».
La solution a été une étape physique impérative, comme le souligne Morant, « en travaillant avec des couches de silicium beaucoup plus minces et en fabriquant des nanofils de silicium alignés verticalement. Pour le visualiser, ce serait quelque chose de similaire aux pointes d'une douleur, entre ces espaces qui augmentent de volume peuvent être logés pendant les processus de chargement-déchargement ». Le spécialiste souligne également qu'il existe deux types de silicium dans ce domaine : "le cristallin (plus cher et non viable commercialement), et l'amorphe, plus poreux et qui peut être 'dopé' avec l'introduction de matériaux pour qu'il soit encore plus conducteur, sur lequel nous étudions en collaboration avec le Groupe Dispositifs au Silicium Déposé, Unité d'Energie Solaire Photovoltaïque du CIEMAT (Centre de Recherches Energétiques, Environnementales et Technologiques) ».
Dans le cas de Marta Cabello, chercheuse postdoctorale dans le groupe de recherche Prototypage cellulaire du CIC energiGUNE, elle souligne comment, jusqu'à présent, l'industrie a utilisé de très faibles quantités de silicium dans les anodes, entre 5 et 8 %. Et il souligne la participation de l'institution au projet européen 3beLiEVe, "dont l'objectif est de renforcer la position de l'industrie européenne de la batterie et de l'automobile sur le futur marché des véhicules électriques à travers et la fourniture de la première génération de batteries conçues et fabriquées en Europe". Dans ce projet, l'introduction de silice dans le matériau de l'anode est étudiée.
Ce développement du centre, situé dans le parc technologique d'Álava, a été précédé par la participation à un autre projet européen exceptionnel Graphene Flagship Core 2, "où des recherches ont été menées sur des anodes de silicium combinées au graphène, réussissant à mettre à l'échelle cette combinaison de matériaux pour son production de masse".
Temps nouveaux
En raison de la durabilité, Cabello souligne que l'augmentation de la densité énergétique de la batterie permettra d'avoir des véhicules électriques avec des batteries capables d'offrir plus de kilomètres pour économiser sur une seule charge : batteries lithium-ion de base industrielle dans des anodes de silicium sont réduites au minimum, est que la fabrication et le traitement de ces anodes s'effectuent en milieu aqueux, à l'abri des solvants organiques couramment utilisés, qui sont toxiques et réduisent la sécurité des batteries ».
Un autre point fort est celui de Ferroglobe, la société espagnole, avec Little Electric Cars, sélectionnée dans le deuxième projet paneuropéen de recherche et d'innovation (IPCEI) qui couvre l'ensemble de la chaîne de valeur des batteries.
Premier producteur mondial de ferroalliages de silicium métal et de silicium-manganèse, il dispose d'une clientèle mondiale sur des marchés dynamiques et en forte croissance tels que le solaire, l'automobile, les produits de consommation, la construction et le secteur de l'énergie, avec des usines de fabrication en Espagne, en France, en Norvège , l'Afrique du Sud, les États-Unis, le Canada, l'Argentine et la Chine (26 centres de production, avec 69 fours dans le monde, et quelque 3400 XNUMX employés dans le monde) .
Dans son centre d'innovation et de R&D (à Sabón, La Coruña), en collaboration avec l'usine métallurgique de silice, la seule en Espagne, Ferroglobe a lancé un plan d'innovation stratégique pour le développement de poudre de silicium (micrométrique et nanométrique) pour l'anode de lithium -piles ioniques. "L'entreprise (indiquent-ils) veut apporter des solutions au défi actuel auquel est confrontée l'industrie automobile et de la mobilité, comme promouvoir une transition vers des technologies plus durables et climatiquement neutres. Dans ce contexte, les batteries sont une technologie clé pour ce changement, mais il est nécessaire d'assurer l'approvisionnement en matériaux de pointe nécessaires à leur fabrication ». Un scénario international dans lequel le silicium s'impose comme l'un des matériaux essentiels de la première décennie pour élucider la relation entre rentabilité et durabilité.
