Le carbone dur issu des cendres de paniers de riz peut être recyclé pour des matériaux de batterie à plus haute capacité.
La combustion de la couche extérieure des grains de riz peut fournir une source inattendue de matériaux en carbone dur comme intrants pour des batteries à plus haute capacité, selon une étude publiée dans Advanced Sustainable Systems. Des chercheurs de l’Université du Michigan ont découvert que le carbone dur contenu dans les cendres de paniers de riz offre presque le double de la densité énergétique des matériaux d’anode standard pour batteries lithium-ion ou sodium-ion, tels que le graphite.
L’étude a également mentionné des méthodes de combustion de biomasse capables de transformer le dioxyde de carbone capturé par photosynthèse en carbone combustible pour produire de l’électricité neutre en carbone.
L’Université du Michigan a noté que cette étude est la première à démontrer la production de carbone dur à partir des cendres de paniers de riz par combustion. Cela diffère de la pratique standard qui consiste à carboniser des précurseurs organiques – tels que les déchets agricoles et d’autres sources de biomasse – à des températures de 1 200 °C dans un environnement inerte et exempt d’oxygène.
La production de graphite à partir de biomasse est intensive en carbone, nécessitant des températures supérieures à 2 000 °C et émettant 5 à 10 tonnes de CO2 pour chaque tonne de graphite. Cependant, la majorité de la production de carbone dur consomme moins d’énergie que les réactions de graphitisation.
Un site en Californie convertit les déchets de paniers de riz en électricité. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Wadham Energy
Recyclage des cendres de paniers de riz
En plus de découvrir un moyen de recycler le carbone dur présent dans les paniers de riz, l’étude de l’Université du Michigan aborde des stratégies de valorisation des déchets en énergie qui génèrent une électricité propre à partir de ces paniers. Cette énergie est neutre en carbone car le CO2 libéré par la combustion des paniers de riz est le même que celui absorbé par la plante à partir de l’atmosphère via la photosynthèse.
La combustion des paniers de riz génère des centaines de gigawatts annuellement aux États-Unis et produit 150 000 tonnes de cendres de paniers de riz chaque année, offrant une opportunité attrayante de réutiliser un sous-produit souvent enfoui.
Wadham Energy, qui gère la plus grande installation mondiale de valorisation des déchets de riz en énergie, a fourni les cendres utilisées dans cette étude. Son usine de biomasse dans la riche vallée de Sacramento transforme 200 000 tonnes de paniers de riz chaque année en 26,5 MW d’énergie, suffisante pour 22 000 foyers locaux. L’entreprise vend la production annuelle de l’installation de 200 000 GWh au marché de l’énergie renouvelable de Californie.
L’usine Wadham Energy en Californie. Image utilisée avec l’aimable autorisation de California Biomass Energy Alliance
Selon Wadham Energy, l’installation incinère quotidiennement 600 à 700 tonnes de paniers, les introduisant dans des broyeurs, les pulvérisant, puis les transmettant à un générateur de vapeur surchauffée où les brûleurs les incinèrent à 857 °C. La chaleur convertit l’eau en vapeur à haute pression qui fait tourner deux turbines pour produire 30 MW d’électricité.
Matériaux d’anode prometteurs
Mercedes-Benz Research and Development North America a partiellement financé l’étude. Dans un contexte de restrictions récentes à l’exportation et de volatilité de la chaîne d’approvisionnement des anodes, les fabricants de véhicules électriques s’intéressent de plus en plus aux alternatives d’origine nationale aux matériaux de batterie à base de graphite.
Les auteurs de l’étude ont mentionné qu’on ne s’attendrait généralement pas à trouver du carbone dur dans les cendres de paniers de riz. Cependant, l’équipe a tiré parti de leurs précédentes recherches sur la dépolymérisation des cendres de paniers de riz pour retirer la silice et isoler le carbone. Le matériau recyclé peut ensuite être utilisé pour fabriquer du silicium de qualité solaire.
L’équipe a utilisé une spectroscopie Raman avancée et une microscopie électronique à transmission à balayage pour observer des caractéristiques au niveau moléculaire. Ils ont trouvé du graphène empilé dans les cendres de paniers de riz dépourvues de silice, présentées dans une matrice de carbone microporeux. La combustion des paniers crée de la silice autour du carbone restant.
Ils ont testé les performances électrochimiques des cendres de paniers dépourvues de silice avec divers contenus en carbone dur et évalué la contribution du dioxyde de silicium dans les composites. Grâce à la structure nanoporeuse, ils ont trouvé des capacités en lithium supérieures (700 mAh par gramme) dans le carbone dur dérivé des cendres par rapport au carbone dur commercial standard (500 mAh par gramme) et au graphite (370 mAh par gramme) dans les anodes de batterie.
Ces résultats se traduisent par une densité énergétique significativement plus élevée dans les matériaux de batterie à base de carbone dur recyclé.