Silicium is het op één na meest voorkomende element op aarde, na zuurstof. De overvloed en lage kosten maken het een van de meest direct beschikbare anorganische materialen. In hedendaagse technologische ontwikkelingen kan nanomaterialisatie de verschillende eigenschappen van silicium aanzienlijk verbeteren. Dit biedt brede mogelijkheden voor toepassingen in anodematerialen op basis van silicium, fotovoltaïsche cellen, luminescentie, biomedische toepassingen en andere gebieden. Nanosilicium verwijst naar siliciumdeeltjes op nanoschaal. Nanosiliciumpoeder heeft een hoge zuiverheid, kleine deeltjesgroottes. deeltjesgrootteen een gelijkmatige verdeling. Het heeft ook een groot oppervlak, een hoge oppervlakteactiviteit en een lage bulkdichtheid. Het product is niet-giftig en geurloos. Momenteel zijn de belangrijkste methoden voor de bereiding van nanosiliciumpoeder mechanisch kogelmalen, chemisch dampdepositie (CVD) en plasmaverdampingscondensatie.
Mechanisch Kogelmalen Methode
Deze methode omvat mechanische rotatie en interactie tussen deeltjes. Dit genereert mechanische maaldruk en schuifkracht. Grotere siliciummaterialen worden vermalen tot nanopoeder. Het proces maakt doorgaans gebruik van nat zandmalen in combinatie met sproeidrogen. Tijdens het maalproces worden maalhulpmiddelen toegevoegd. Nabehandelingsprocedures zijn ook vereist. De resulterende nanosiliciumdeeltjes zijn ongeveer 100 nm groot. Deze kunnen verder worden teruggebracht tot 75-80 nm. Experts uit de industrie zijn van mening dat, voordat de toename van het silicium-koolstofanodemateriaal aanbreekt, het optimaliseren van de procesketen en de apparatuur in het kogelmaalproces essentieel zal zijn. Dit zal helpen de beste balans te bereiken tussen productprestaties en kosten.
Chemische dampafzettingsmethode
Chemische dampdepositie (CVD) gebruikt silaan (SiH4) als reactiemateriaal. Het wordt gebruikt om nanosiliciumpoeder te produceren. Afhankelijk van de energiebron die wordt gebruikt om SiH4-pyrolyse te induceren, kan CVD worden onderverdeeld in plasmaversterkte chemische dampdepositie (PECVD), lasergeïnduceerde chemische dampdepositie (LICVD) en wervelbedreactoren (FBR). PECVD en LICVD zijn hier de meest gebruikte industriële productietechnologieën voor nanosiliciumpoeder.
Plasma-verdampingscondensatiemethode
Deze methode is het afgelopen decennium gebruikt om zeer zuivere, ultrafijne, bolvormige poeders met een hoge toegevoegde waarde te produceren. Het is een veilige en efficiënte methode. Plasmawarmtebronnen worden gebruikt om de grondstof te verdampen tot gasvormige atomen, moleculen of gedeeltelijk geïoniseerde ionen. Vervolgens worden ze snel gecondenseerd tot een vast poeder. Deze methode is geschikt voor de bereiding van diverse metalen nanomaterialen. Het is ook ideaal voor carbide- en nitride-nanomaterialen. Het met deze methode geproduceerde nanosiliciumpoeder heeft een hoge zuiverheid, een regelbare deeltjesgrootte en een hoge productie-efficiëntie. Het is de gangbare technologie die wordt gebruikt door toonaangevende buitenlandse fabrikanten. De introductie ervan in China is echter relatief laat. Het onderzoek op dit gebied bevindt zich nog in een vroeg stadium. Er blijven uitdagingen bestaan op gebieden zoals fundamenteel theoretisch onderzoek en prestatiestudies van nanodeeltjes. Ook problemen met betrekking tot opbrengst en productiesnelheid blijven bestaan. De productie van hoogwaardig nanosiliciumpoeder is in China nog niet volledig onafhankelijk gecontroleerd.
Op silicium gebaseerde anodematerialen
De snelle ontwikkeling van lithiumbatterijen heeft de afgelopen jaren de focus gelegd op siliciumanodematerialen. Siliciumanodematerialen zijn een essentieel onderdeel van de volgende generatie lithiumbatterijen met hoge energiedichtheid. Silicium ondergaat echter een aanzienlijke volume-expansie tijdens de lithiumionisatie. Deze expansie vereist optimalisatie van het actieve materiaal om reversibele legerings- en delegeringsprocessen te behouden. Deze optimalisatie voorkomt fragmentatie of degradatie van het actieve materiaal. Nanostructurerende siliciumanoden kunnen daarom een langdurige prestatiestabiliteit bereiken. Dit in tegenstelling tot traditionele siliciumanoden van micrometerformaat.
Fotovoltaïsch celveld
Nanosilicium wordt gebruikt bij de productie van tweede-generatie silicium-gebaseerde dunnefilm-zonnecellen. Het wordt met name gebruikt in microkristallijne silicium dunnefilmcellen. Nanosilicium-gebaseerde dunnefilmceltechnologie heeft unieke voordelen ten opzichte van andere tweede-generatie silicium-gebaseerde technologieën. De productie van nanosilicium en de toepassing ervan in zonnecellen staan echter nog in de kinderschoenen. Tweede-generatie zonnecellen hebben een relatief laag marktaandeel. Ze zijn nog niet de mainstream technologie.
Nanokristallijn silicium met een hoge zuiverheidsgraad wordt gebruikt voor de productie van elektronische siliciumpasta. Deze pasta wordt aangebracht op het oppervlak van zonnecelsubstraten. Het verbetert de conversie-efficiëntie van siliciumzonnecellen. Dit is een belangrijke ontwikkeling in de zonne-energiesector.
Verlichtingsveld
Door de diameter van nanosiliciumdeeltjes te regelen, kan een volledige spectrumemissie van blauw tot rood licht worden bereikt. Daarnaast kan elektrogestuurde elektroluminescentie worden ondersteund.
Biomedisch veld
Vanwege hun lage toxiciteit en biocompatibiliteit spelen biomaterialen op basis van silicium al lange tijd een onmisbare rol in de biomedische wetenschap. Sinds 2001 worden mesoporeuze siliciumnanodeeltjes op ingenieuze wijze gebruikt als dragers voor medicijnafgifte. Nuldimensionale siliciumnanomaterialen hebben een uitgebreide ontwikkeling doorgemaakt in biomedische toepassingen. Zo zijn siliciumkwantumdots met goede biocompatibiliteit ontwikkeld als nieuwe biologische beeldvormingssondes. Dit is geïnspireerd op de fotoluminescente eigenschappen van halfgeleiderkwantumdots, veroorzaakt door kwantumopsluitingseffecten.
Andere toepassingen
Naast de bovengenoemde toepassingen wordt nanosilicium gebruikt voor de productie van hoogvermogengelijkrichters, hoogvermogentransistoren, diodes, schakelapparatuur, discrete halfgeleidercomponenten, vermogenscomponenten, geïntegreerde schakelingen en epitaxiale substraten. Het wordt ook gebruikt als grondstof voor hogetemperatuurcoatings en vuurvaste, corrosiebestendige en antistatische materialen. Wanneer nanosilicium onder hoge druk wordt gemengd met diamanten, ontstaan siliciumcarbide-diamantcomposieten. Deze worden gebruikt voor snijgereedschappen. Daarnaast wordt nanosilicium gebruikt bij de productie van gietijzer met een hoog siliciumgehalte, siliciumstaal en diverse organosiliciumverbindingen.
Episch poeder
De state-of-the-art maaloplossingen van Epic Powder lopen voorop in het productieproces van nanosilicium. Door de integratie van hoogwaardige apparatuur zoals kogelmolens en luchtclassificatoren, garandeert Epic Powder de precisie die nodig is om nanosilicium te produceren met een optimale deeltjesgrootteverdeling en zuiverheid. Of het nu gaat om geavanceerde anodes voor lithiumbatterijen, fotovoltaïsche cellen of biomedische toepassingen, de op maat gemaakte maalapparatuur van Epic Powder kan de productie-efficiëntie maximaliseren en tegelijkertijd het energieverbruik minimaliseren. Door continu onderzoek en ontwikkeling draagt Epic Powder bij aan de wereldwijde vooruitgang van nanosiliciumtoepassingen. Het bedrijf biedt essentiële ondersteuning om de beste prestaties te behalen tegen kosteneffectieve prijzen.