Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element auf der Erde. Seine Häufigkeit und sein niedriger Preis machen es zu einem der am leichtesten verfügbaren anorganischen Materialien. In modernen technologischen Entwicklungen kann die Nanomaterialisierung die verschiedenen Eigenschaften von Silizium deutlich verbessern. Dies bietet ein breites Anwendungspotenzial in siliziumbasierten Anodenmaterialien, Photovoltaikzellen, Lumineszenz, Biomedizin und anderen Bereichen. Nanosilizium bezeichnet Siliziumpartikel im Nanomaßstab. Nanosiliziumpulver zeichnet sich durch hohe Reinheit, geringe Partikelgrößeund gleichmäßige Verteilung. Es hat außerdem eine große Oberfläche, eine hohe Oberflächenaktivität und eine geringe Schüttdichte. Das Produkt ist ungiftig und geruchlos. Die wichtigsten Methoden zur Herstellung von Nano-Siliziumpulver umfassen derzeit mechanisches Kugelmahlen, chemisch Dampfabscheidung (CVD) und Plasmaverdampfungskondensation.
Mechanisch Kugelmahlen Verfahren
Dieses Verfahren basiert auf mechanischer Rotation und Partikelinteraktion. Dadurch entstehen mechanischer Mahldruck und Scherkräfte. Größere Siliziummaterialien werden zu nanometergroßem Pulver gemahlen. Typischerweise wird Nasssandmahlen mit Sprühtrocknung kombiniert. Während des Mahlvorgangs werden Mahlhilfsmittel zugegeben. Nachbehandlungen sind ebenfalls erforderlich. Die entstehenden Nanosiliziumpartikel sind etwa 100 nm groß. Diese Größe kann weiter auf 75–80 nm reduziert werden. Branchenexperten sind überzeugt, dass die Optimierung der Prozesskette und der Ausrüstung im Kugelmahlprozess entscheidend sein wird, bevor die Volumenzunahme von Silizium-Kohlenstoff-Anodenmaterial eintritt. Dies wird dazu beitragen, das beste Gleichgewicht zwischen Produktleistung und Kosten zu erreichen.
Chemische Gasphasenabscheidung
Bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) wird Silan (SiH4) als Reaktionsmaterial verwendet. Sie dient zur Herstellung von Nano-Siliziumpulver. Abhängig von der Energiequelle, die zur SiH4-Pyrolyse verwendet wird, kann CVD in plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), laserinduzierte chemische Gasphasenabscheidung (LICVD) und Wirbelschichtreaktoren (FBR) unterteilt werden. PECVD und LICVD sind die am weitesten verbreiteten industriellen Produktionstechnologien für Nano-Siliziumpulver.
Plasmaverdampfungs-Kondensationsmethode
Dieses Verfahren wurde in den letzten zehn Jahren zur Herstellung hochreiner, ultrafeiner, sphärischer und hochwertiger Pulver eingesetzt. Es ist ein sicheres und effizientes Verfahren. Mithilfe von Plasmawärmequellen wird das Rohmaterial zu gasförmigen Atomen, Molekülen oder teilweise ionisierten Ionen verdampft. Anschließend werden diese rasch zu festem Pulver kondensiert. Dieses Verfahren eignet sich zur Herstellung verschiedener metallischer Nanomaterialien. Es ist auch ideal für Carbid- und Nitrid-Nanomaterialien. Das mit diesem Verfahren hergestellte Nanosiliziumpulver weist eine hohe Reinheit, kontrollierbare Partikelgröße und eine hohe Produktionseffizienz auf. Es ist die gängige Technologie führender ausländischer Hersteller. In China wurde sie jedoch erst relativ spät eingeführt. Die Forschung auf diesem Gebiet befindet sich noch in einem frühen Stadium. Herausforderungen in Bereichen wie der theoretischen Grundlagenforschung und Studien zur Leistungsfähigkeit von Nanopartikeln bleiben bestehen. Auch Fragen zu Ausbeute und Produktionsrate bleiben bestehen. Die Produktion von Hochleistungs-Nanosiliziumpulver muss in China noch vollständig unabhängig kontrolliert werden.
Siliziumbasierte Anodenmaterialien
In den letzten Jahren hat die rasante Entwicklung von Lithiumbatterien den Fokus auf Siliziumanodenmaterialien gelegt. Siliziumanodenmaterialien sind ein wesentlicher Bestandteil der nächsten Generation von Lithiumbatterien mit hoher Energiedichte. Silizium erfährt jedoch während der Lithiierung eine erhebliche Volumenausdehnung. Diese Ausdehnung erfordert eine Optimierung des Aktivmaterials, um reversible Legierungs- und Entlegierungsprozesse aufrechtzuerhalten. Diese Optimierung verhindert eine Fragmentierung oder Degradation des Aktivmaterials. Daher erreichen nanostrukturierte Siliziumanoden eine langfristige Leistungsstabilität. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Siliziumanoden im Mikrometerbereich.
Photovoltaik-Zellenfeld
Nanosilizium wird bei der Herstellung von Dünnschicht-Photovoltaikzellen der zweiten Generation auf Siliziumbasis verwendet. Insbesondere kommt es in mikrokristallinen Silizium-Dünnschichtzellen zum Einsatz. Die Nanosilizium-basierte Dünnschichtzellentechnologie bietet einzigartige Vorteile gegenüber anderen Siliziumtechnologien der zweiten Generation. Die Herstellung von Nanosilizium und seine Anwendung in Photovoltaikzellen sind jedoch noch nicht ausgereift. Photovoltaikzellen der zweiten Generation haben einen relativ geringen Marktanteil und sind noch nicht zur Mainstream-Technologie geworden.
Hochreines nanokristallines Silizium wird zur Herstellung von Silizium-Elektronikpaste verwendet. Diese Paste wird auf die Oberfläche von Solarzellensubstraten aufgetragen. Sie erhöht den Umwandlungswirkungsgrad von Silizium-Solarzellen. Dies ist zu einer wichtigen Richtung in der Solarindustrie geworden.
Beleuchtungsfeld
Durch die Steuerung des Durchmessers der Nano-Siliziumpartikel kann eine Vollspektrum-Emission von blauem bis rotem Licht erreicht werden. Zusätzlich kann eine elektrogesteuerte Elektrolumineszenz unterstützt werden.
Bereich Biomedizin
Aufgrund ihrer geringen Toxizität und Biokompatibilität spielen siliziumbasierte Biomaterialien seit langem eine unverzichtbare Rolle in der Biomedizin. Seit 2001 werden mesoporöse Silizium-Nanopartikel gezielt als Träger für Arzneimittel eingesetzt. Nulldimensionale siliziumbasierte Nanomaterialien haben in biomedizinischen Anwendungen eine umfassende Entwicklung erfahren. So wurden beispielsweise Silizium-Quantenpunkte mit guter Biokompatibilität als neuartige Sonden für die biologische Bildgebung entwickelt. Inspiriert wurde dies durch die photolumineszierenden Eigenschaften von Halbleiter-Quantenpunkten, die durch Quantenbeschränkungseffekte verursacht werden.
Andere Anwendungen
Neben den oben genannten Anwendungen wird Nano-Silizium zur Herstellung von Hochleistungsgleichrichtern, Hochleistungstransistoren, Dioden, Schaltgeräten, diskreten Halbleiterbauelementen, Leistungsbauelementen, integrierten Schaltkreisen und epitaktischen Substraten verwendet. Es dient auch als Rohstoff für Hochtemperaturbeschichtungen sowie feuerfeste, korrosionsbeständige und antistatische Materialien. Unter hohem Druck mit Diamanten vermischt, entstehen Siliziumkarbid-Diamant-Verbundwerkstoffe. Diese werden für Schneidwerkzeuge verwendet. Darüber hinaus wird Nano-Silizium zur Herstellung von hochsiliziumhaltigem Gusseisen, Siliziumstahl und verschiedenen siliziumorganischen Verbindungen eingesetzt.
Episches Pulver
Die hochmodernen Mahllösungen von Epic Powder sind führend im Nano-Silizium-Produktionsprozess. Durch die Integration von Hochleistungsgeräten wie Kugelmühlen und Windsichtern gewährleistet Epic Powder die nötige Präzision für die Herstellung von Nano-Silizium mit optimaler Partikelgrößenverteilung und Reinheit. Ob für den Einsatz in fortschrittlichen Lithiumbatterieanoden, Photovoltaikzellen oder biomedizinischen Anwendungen – die maßgeschneiderten Mahlanlagen von Epic Powder tragen dazu bei, die Produktionseffizienz zu maximieren und gleichzeitig den Energieverbrauch zu minimieren. Durch kontinuierliche Forschung und Entwicklung trägt Epic Powder zur weltweiten Weiterentwicklung von Nano-Silizium-Anwendungen bei. Das Unternehmen bietet wichtige Unterstützung, um beste Leistung zu kostengünstigen Preisen zu erzielen.