Industrielle Anwendungen von hochreinem Siliziummaterial

Silizium, auch Siliziummetall genannt, ist heute eines der strategischen Materialien. Es ist ein chemisches Element mit dem Symbol Si und der Ordnungszahl 14. Es ist ein harter, spröder kristalliner Feststoff mit blaugrauem Metallglanz und ein vierwertiges Metalloid und Halbleiter.

Es gehört zur Gruppe 14 im Periodensystem: Kohlenstoff liegt darüber; und darunter liegen Germanium, Zinn und Blei.

Siliziumbasierte Produkte bieten ein vielseitiges Anwendungsspektrum in der Fertigungsindustrie. Da Silizium leicht zu handhaben und anzupassen ist und eine hohe Temperaturstabilität und Alterungsbeständigkeit aufweist, wird Silizium häufig in Verbindung mit anderen Materialien verwendet, um ein Produkt zu isolieren, zu reinigen, zu erweichen, zu haften, zu konditionieren oder auf andere Weise zu schützen. Materialien auf Siliziumbasis werden auch verwendet, um das Aussehen zu verbessern, Energie zu übertragen und den Wiederaufbau zu unterstützen.

Lassen Sie uns die verschiedenen Arten von Siliziumzuständen und ihre Anwendungen in der Industrie diskutieren.

Silizium in metallurgischer Qualität

Damit Silizium als metallurgisch hochwertig gilt, muss es einen Reinheitsgrad von mindestens 98 % aufweisen. Silizium in metallurgischer Qualität ist der Hauptrohstoff für die Herstellung von Silizium in Solarqualität und ein entscheidender Schritt im Raffinierungsprozess von Siliziummetall.

Die Stahl- und Aluminiumindustrie sind gute Beispiele für die metallurgische Industrie.

Die Herstellung von Silizium in metallurgischer Qualität erfolgt durch die Reaktion von hochreinem Silizium mit Holz oder Holzkohle in einem Elektrolichtbogenofen. Es wird häufig in der metallurgischen Industrie eingesetzt, die mit Metalllegierungen arbeitet. Die Stahl- und Aluminiumindustrie sind gute Beispiele für die metallurgische Industrie.

Für den Aluminiumguss zur Entwicklung von Aluminiumlegierungsprodukten wird überwiegend metallurgisches Silizium verwendet.

Am häufigsten wird metallurgisches Silizium in der Automobilindustrie verwendet, die mit 55 % einen knappen Großteil des gesamten industriell verwendeten metallurgischen Siliziums ausmacht. Aluminium ist ein bevorzugtes Metall, da es langlebig, zuverlässig und leicht ist. In Kombination mit metallurgischem Silizium werden die positiven Eigenschaften von Aluminium noch verstärkt und es entsteht eine hocheffiziente Legierung.

Elektrofahrzeuge sind in der Lage, die Vorteile dieser hocheffizienten Aluminiumlegierungen zu nutzen, da ihre Karosserie, Motoren, Räder und Schrauben alle aus solchen Materialien hergestellt werden können.

Die schnell steigende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen hat sich positiv auf die Marktstärke verwandter Industrien wie Aluminium und Siliziummetall ausgewirkt. Während sich die Volkswirtschaften weiter in Richtung globaler Elektrifizierung bewegen, wird die Nachfrage nach solchen Legierungen aufgrund ihrer bewährten Konsistenz und Haltbarkeit weiter steigen.

Silizium in chemischer Qualität

Silizium in chemischer Qualität stellt im Vergleich zu Silizium in metallurgischer Qualität einen Fortschritt im Raffinierungsprozess dar. Die Reinheit von Silizium in chemischer Qualität liegt zwischen 99 und 99,99 %. Die Produktion von Siliciummetall in chemischer Qualität beginnt mit dem Raffinierungsprozess von Siliciumdioxid in Quarzgestein oder Sand.

Darauf folgt eine carbothermische Reduktion von Siliziumdioxid in einem Lichtbogenofen, um Silizium in metallurgischer Qualität herzustellen. Dieses wird dann durch einen hydrometallurgischen Prozess weiter verfeinert, um Silizium in chemischer Qualität herzustellen.

Die industriellen Einsatzmöglichkeiten von Silizium in chemischer Qualität sind vielfältig. Die meisten Anwendungen für Silizium in chemischer Qualität konzentrieren sich auf die Herstellung von Silikonpolymeren. Zu diesen Polymeren gehören Silikonkautschuke, silikonbasierte Öle sowie Fette, Dichtstoffe, Schmiermittel und Silikone.

Polymere sind Makromoleküle, die aus sich wiederholenden Untereinheiten bestehen. Die Wiederholung von Untereinheiten führt zu erheblicher Festigkeit und Flexibilität innerhalb des Moleküls, was bedeutet, dass Polymere äußerst anpassungsfähige industrielle Anwendungen haben. Die Flexibilität von Polymeren wird weiter erhöht, da sie sowohl in natürlicher als auch in synthetischer Form vorliegen können.

Silikone sind ein Beispiel für ein synthetisches Polymer aus Siloxan, einer chemischen Verbindung, die aus Silizium gewonnen wird. Sie werden häufig im Bauwesen eingesetzt, insbesondere für Dichtstoffe, Klebstoffe und Schmierstoffe. Auch in der Gesundheits-, Kosmetik-, Elektronik-, Verpackungs- und Photovoltaikindustrie werden Silikonprodukte für verschiedene Zwecke eingesetzt. Silikone reagieren nicht mit den meisten Chemikalien und können daher innerlich und äußerlich im medizinischen Bereich eingesetzt werden.

Silikone sind ein Beispiel für ein synthetisches Polymer aus Siloxan, einer chemischen Verbindung, die aus Silizium gewonnen wird.

Silikon wird bei Langzeitimplantationen sowie zur Unterstützung medizinischer Gerätetechnologien verwendet. Prothesen, künstliche Gelenke, medizinische Klebstoffe, Formen und Schläuche stellen ebenfalls wichtige medizinische Anwendungen für Silikonprodukte dar.

Da Silikone nicht reaktiv sind, können kosmetische Produkte die Vorteile des Materials nutzen. Silikone werden häufig in Leave-on-Hautpflegeprodukten und Haarprodukten aller Art verwendet. Narbenheilende und beruhigende Mittel enthalten ebenfalls Silikon, da das Material nicht reizend und für die überwiegende Mehrheit der Bevölkerung vielseitig einsetzbar ist.

Silikone sind auch in der Verpackungsindustrie weit verbreitet, insbesondere in der Lebensmittelverpackung und -verarbeitung. Sie sind in Lebensmittelanwendungen sicher, da Silikone die Lebensmitteleigenschaften nicht verändern und geruchlos hergestellt werden können.

Ein weiterer Hauptabnehmer von Silizium und Silikonen ist die Photovoltaikindustrie. Unter Photovoltaik-Technologie versteht man Geräte, die mithilfe halbleitender Materialien Licht in Elektrizität umwandeln können. Sonnenkollektoren stellen das offensichtlichste Beispiel dieser Technologie dar und werden am häufigsten mit Silizium-Solarzellen hergestellt.

Solarmodule auf Siliziumbasis machen etwa 90 % der auf dem Markt befindlichen Solarmodule aus. Die Solar- und Windindustrie ist stark auf Silizium als Rohstoff angewiesen. Nicht nur bei der Konstruktion von Solarmodulen wird Silizium verwendet, sondern auch beim Zusammenbau von Solarmodulen werden Silikondichtstoffe und -klebstoffe verwendet. Auch bei Windkraftanlagen werden diese industriellen Kleb- und Dichtstoffe häufig beim Bau eingesetzt.

Ein PV-Modul ist eine Anordnung von Photovoltaikzellen, die zur Installation in einem Rahmen montiert sind. Photovoltaikzellen nutzen Sonnenlicht als Energiequelle und erzeugen Gleichstrom. Eine Ansammlung von PV-Modulen wird als PV-Panel bezeichnet, und ein System von Panels ist ein Array. Felder einer Photovoltaikanlage versorgen elektrische Geräte mit Solarstrom.

Die von einer Solaranlage erzeugte Strommenge hängt von einer Kombination aus der Lichtqualität (Intensität und Wellenlängen) sowie mehreren Leistungsindikatoren der Solarzellen des Panels ab. Je reiner das in Solarzellen verwendete Silizium ist, desto effizienter wandeln sie Sonnenlicht in Strom um. Dadurch entstehen wiederum effizientere und kostengünstigere Solarmodule.

Silizium für Batterien

Siliziummetall hat ein enormes Potenzial zur Verbesserung der Leistung von Standard-Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion). Der Einbau von Silizium anstelle von Graphit in die Batterieanode kann die Batterieeffizienz massiv steigern. Innovationen rund um die Siliziumanodentechnologie sind vielversprechend.

Silizium weist eine weitaus höhere Energiedichte als Graphit auf, wodurch eine höhere Energiekonzentration im gleich großen (oder kleineren) Batterieteil gespeichert werden kann. Dies ist für die Energiespeicherbranche von entscheidender Bedeutung, da die Batterieeffizienz der Schlüssel zur Kosteneffizienz und Marktstärke einer solchen Branche ist.

Die Auswirkungen der Verwendung von Silizium in Batterien sind weitreichend: schnellere Ladezeiten (bis zum Zehnfachen der aktuellen Geschwindigkeit), Ladungen, die sich langsamer entladen, und größere Gesamtladungen bieten reichlich Wachstumschancen in der Energiespeicherung und verwandten Branchen.

Saubere Energie wäre der bemerkenswerteste Wirtschaftszweig, der durch solch eine dramatische Entwicklung in der Batterietechnologie gefördert würde.

Netzenergiespeicher (Energiegroßspeicher) ist eine Sammlung von Methoden zur Speicherung elektrischer Energie in großem Maßstab innerhalb eines Stromnetzes. Elektrische Energie wird in Zeiten gespeichert, in denen die Produktion (insbesondere aus intermittierenden Kraftwerken wie erneuerbaren Stromquellen wie Windkraft, Gezeitenkraft, Solarenergie) den Verbrauch übersteigt, und in das Netz zurückgeführt, wenn die Produktion unter den Verbrauch fällt.

Wind- und Solarenergie gelten als intermittierende Energiequellen – das heißt, sie erzeugen weniger zuverlässig Strom als herkömmliche fossile Brennstoffe. Nachts gibt es keine Solarenergieproduktion, ähnlich wie es bei Windstille auch keine Windenergieproduktion gibt. Diese Energiequellen sind auf die Fähigkeit angewiesen, gesammelte Energie zu speichern. Das bedeutet, dass Batteriebeschränkungen weiterhin ein erhebliches Hindernis für grüne Energie darstellen werden, bis die Energiespeicheranwendungen verbessert werden.

Unabhängig davon wird deutlich, dass die Energiespeicherfähigkeiten von Siliziummetall das Potenzial haben, die globale Energiewirtschaft zu revolutionieren.

Damit Silizium jedoch die derzeit laufende Revolution der erneuerbaren Energien („RER“) erfüllen kann, ist hochreines Silizium erforderlich, da Silizium nicht in reinem Zustand vorliegt. Es muss aus Quarz (SiO2) gewonnen werden, was in der Vergangenheit ein kapital- und energieintensiver Prozess war.

Hier kommt HPQ Silicon ins Spiel.

Seit 2015 entwickelt HPQ Silicon das Projekt PUREVAP™ Quartz Reduction Reactor (QRR). Bei dem Projekt handelt es sich um einen innovativen Prozess (zum Patent angemeldet), der die einstufige Umwandlung von Quarz (SiO2) in hochreines Silizium (Si) bei reduzierten Kosten, Energieaufwand und CO2-Fußabdruck ermöglichen wird.