La chimie "verte" de la silice

La combinaison de la taille nanométrique et de la porosité des particules de silicium contribue à leur résistance mécanique.

Première étape : extraire la silice des glumelles. Pour cela, Yi Cui et ses collègues ont opté pour un traitement par chlorure d'hydrogène (HCl) suivi d'un chauffage à 700 °C, ce qui permet de conserver la structure des nanoparticules tout en éliminant efficacement la matière organique. La silice subit ensuite une réaction de réduction pour donner le silicium. Afin de réduire la température à laquelle s'effectue habituellement cette réaction (autour de 2 000 °C), ce qui dégraderait la structure nanométrique des particules, les chercheurs américains ont choisi une méthode plus douce, la magnésiothermie. L'utilisation du magnésium permet d'abaisser la température à 650 °C, mais se "paie" toutefois par un fort dégagement de chaleur qui contraint à mener la réaction dans un réacteur renforcé. À la fin de la réaction, le magnésium peut être recyclé par électrolyse, laquelle forme comme unique déchet du dichlore (Cl2). Pour les auteurs, "le procédé global, qui ne consomme que du chlorure d’hydrogène pour le convertir en dichlore après l'électrolyse, est vert".

Ce procédé permet d'obtenir des particules de silice d'un diamètre moyen de 22 nm et d'une très grande pureté, les traces de différents métaux (magnésium, fer, calcium, sodium, etc.) représentant moins de 0,5 % de la masse totale. Leur structure poreuse, "héritée" des nanoparticules de silice extraites des glumelles, contribue à leur résistance mécanique pendant les variations de volume au cours des cycles de charge-décharge. Ainsi, après 100 cycles, les nanoparticules de silicium "vert" affichent toujours une capacité spécifique de 2 200 mAh/g, soit près de six fois la capacité théorique du graphite. Reste encore à passer à l'échelle industrielle, les chimistes américains s'étant limités à un "batch" de 1 g, obtenu à partir d'environ 100 g de glumelles...

Source : S. Bai et al., Rice husks as a sustainable source of nanostructured silicon for high performance Li-ion battery anodes, Scientific Reports, 29 mai 2013.

Crédit photo : Santo Chino - Flickr (CC BY-NC 2.0).


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