Quand le silicium des panneaux solaires est réutilisé dans les batteries lithium-ion

Face à la montée en puissance des véhicules électriques et la fin de vie des panneaux solaires, des chercheurs singapouriens proposent une solution à double impact. Ils ont mis au point une méthode efficace pour récupérer du silicium de haute pureté à partir de panneaux solaires usagés, une ressource précieuse pour la fabrication de batteries lithium-ion.

Une nouvelle méthode prometteuse pour recycler le silicium des panneaux solaires en fin de vie et produire des batteries lithium-ion pour véhicules électriques

Le silicium de haute pureté constitue la majeure partie des cellules solaires, pourtant celles-ci sont généralement jetées en fin de vie opérationnelle après 25 à 30 ans. Il est difficile de séparer le silicium des autres composants des panneaux solaires comme l’aluminium, le cuivre, l’argent, le plomb et les matières plastiques. De plus, le silicium recyclé contient des impuretés et des défauts, le rendant inadapté pour d’autres technologies à base de silicium.

Les limites des méthodes existantes

Les méthodes existantes pour récupérer du silicium de haute pureté sont énergivores et font appel à des produits chimiques hautement toxiques, les rendant coûteuses et limitant leur adoption à grande échelle parmi les recycleurs.

Les chercheurs de NTU de Singapour ont surmonté ces défis grâce à une nouvelle méthode d’extraction utilisant de l’acide phosphorique, une substance couramment employée dans l’industrie agroalimentaire.

L’approche de NTU a démontré un meilleur taux de récupération et de pureté que les technologies actuelles de récupération du silicium. Le procédé est également plus efficace, ne nécessitant qu’un seul réactif (l’acide phosphorique), alors que les méthodes conventionnelles incluent au moins deux types de produits chimiques (très acides et très alcalins).

« Notre approche de récupération du silicium est à la fois efficace et efficiente. Nous n’avons pas besoin d’utiliser de multiples produits chimiques, réduisant ainsi le temps consacré au post-traitement des déchets chimiques. Dans le même temps, nous avons atteint un taux élevé de récupération de silicium pur comparable à ceux produits par des techniques d’extraction énergivores. » a précisé le chercheur principal de l’étude, le professeur agrégé Nripan Mathews de l’Energy Research Institute.

Bien que l’utilisation de l’énergie solaire renouvelable ait augmenté au cours des dernières décennies, la durée de vie limitée à 30 ans des panneaux solaires signifie que 78 millions de tonnes de panneaux solaires arriveront en fin de vie d’ici 2050.

L’équipe de recherche NTU pense que leur méthode de récupération du silicium peut potentiellement résoudre le problème croissant des déchets de panneaux solaires en maintenant les ressources dans une boucle.

L’étude, publiée dans la revue scientifique Solar Energy Materials and Solar Cells en août, témoigne de l’engagement de NTU dans son plan stratégique 2025, dans lequel la durabilité et l’innovation pour une économie circulaire sont des piliers clés. Cela soutient également le Manifeste de durabilité de NTU, qui définit la trajectoire de l’université en matière de durabilité, de neutralité carbone et d’impact sociétal.

Alimenter la croissance des batteries lithium-ion pour véhicules électriques

Le silicium est considéré comme l’un des matériaux les plus prometteurs pour les futures batteries lithium-ion de nouvelle génération destinées à alimenter les véhicules électriques (VE), en raison de sa capacité à offrir une autonomie prolongée et des temps de charge rapides.

Alors que les constructeurs automobiles se livrent une course pour développer des batteries lithium-ion à base de silicium pour les VE avancés, l’équipe de recherche NTU estime que leur nouvelle méthode de récupération du silicium pourrait soutenir la demande prévue de silicium de haute pureté.

L’approche de NTU consiste d’abord à faire tremper la cellule solaire expirée dans de l’acide phosphorique dilué chaud pendant 30 minutes pour éliminer les métaux (aluminium et argent) de leurs surfaces. Ce processus est répété en utilisant de l’acide phosphorique frais pour assurer l’élimination complète des métaux, aboutissant à une plaquette de silicium pur à la fin des 30 minutes supplémentaires.

En utilisant des analyses spectroscopiques avancées pour évaluer la teneur en éléments de la plaquette récupérée, les chercheurs ont constaté que leur échantillon avait atteint un taux de récupération de 98,9% avec une pureté de 99,2% des résultats comparables au silicium récupéré par les méthodes actuellement disponibles.

Lorsque le silicium récupéré a été réutilisé dans une anode de batterie lithium-ion et testé pour son efficacité, il a fonctionné de manière similaire à du silicium neuf acheté dans le commerce.

L’auteur principal de l’étude, le Dr Sim Ying, chercheur à l’Energy Research Institute a conclu : « Les performances comparables entre notre batterie lithium-ion à base de silicium recyclé et les nouvelles que nous avons achetées prouvent que l’approche NTU est faisable. Nous envisageons que notre méthode de récupération de silicium plus rapide et moins chère donnera un élan positif au développement des batteries pour VE. En plus des VE, il existe également des applications potentielles telles que les dispositifs thermoélectriques.« 

En synthèse

Cette nouvelle méthode de récupération du silicium à partir de panneaux solaires en fin de vie, développée par des chercheurs de Singapour, apparaît prometteuse. En utilisant un procédé chimique simple et non toxique à base d’acide phosphorique, elle permet d’obtenir un silicium de grande pureté. Ce silicium recyclé pourrait être réutilisé dans la fabrication de batteries lithium-ion, pour répondre à la demande croissante liée aux véhicules électriques. Cette approche innovante contribue à l’économie circulaire en valorisant les déchets de panneaux solaires.

Pour une meilleure compréhension

Pourquoi est-il difficile de recycler le silicium des panneaux solaires ?

Il est difficile de séparer le silicium des autres composants comme l’aluminium ou le cuivre. De plus, le silicium recyclé contient des impuretés qui le rendent impropre à un réemploi dans d’autres technologies.

En quoi la méthode NTU est-elle innovante ?

Elle utilise un seul réactif non toxique, l’acide phosphorique, contrairement aux méthodes conventionnelles qui nécessitent plusieurs produits chimiques. Elle permet d’obtenir un silicium très pur, avec un excellent taux de récupération.

À quoi servira ce silicium recyclé ?

À la fabrication de batteries lithium-ion pour les véhicules électriques, pour répondre à la demande croissante liée à leur développement.

Quels sont les avantages pour l’environnement ?

Cette méthode de recyclage des panneaux solaires permet de réutiliser une ressource précieuse et d’éviter l’enfouissement de déchets, s’inscrivant dans une démarche d’économie circulaire.

Légende illustration principale : L’approche de NTU Singapore a démontré un taux de récupération et une pureté plus élevés que les technologies actuelles de récupération du silicium. – Crédit : NTU Singapore