Кремний — второй по распространённости элемент на Земле после кислорода. Его распространённость и низкая стоимость делают его одним из самых доступных неорганических материалов. В современных технологических разработках наноматериализация может значительно улучшить различные свойства кремния. Это открывает широкий потенциал для применения в анодных материалах на основе кремния, фотоэлектрических элементах, люминесценции, биомедицине и других областях. Нанокремний — это кремниевые частицы в наномасштабе. Порошок нанокремния отличается высокой чистотой, малыми размерами. размер частицыи равномерное распределение. Он также обладает большой площадью поверхности, высокой поверхностной активностью и низкой насыпной плотностью. Продукт нетоксичен и не имеет запаха. В настоящее время основными методами получения нанокремниевого порошка являются механическая шаровая мельница, химический осаждение из паровой фазы (CVD) и плазменная конденсация испарения.
Механический Шаровая мельница Метод
Этот метод включает механическое вращение и взаимодействие частиц. Это создает механическое давление измельчения и сдвиговое усилие. Он измельчает более крупные кремниевые материалы до наноразмерного порошка. Процесс обычно использует мокрое измельчение в сочетании с распылительной сушкой. В процессе измельчения добавляются измельчающие добавки. Также требуются процедуры последующей обработки. Размер получаемых нанокремниевых частиц составляет около 100 нм. Этот размер может быть дополнительно уменьшен до 75–80 нм. Отраслевые эксперты считают, что до наступления периода увеличения объема кремний-углеродного анодного материала ключевым фактором будет оптимизация технологической цепочки и оборудования в процессе шаровой мельницы. Это поможет достичь наилучшего баланса между производительностью продукта и стоимостью.
Метод химического осаждения из паровой фазы
Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) использует силан (SiH4) в качестве реакционного материала. Он используется для получения порошка нанокремния. В зависимости от источника энергии, используемого для пиролиза SiH4, CVD можно разделить на плазменно-стимулированное химическое осаждение из газовой фазы (PECVD), лазерно-индуцированное химическое осаждение из газовой фазы (LICVD) и реакторы с псевдоожиженным слоем (FBR). Среди них PECVD и LICVD являются наиболее широко используемыми промышленными технологиями производства порошка нанокремния.
Метод плазменного испарения и конденсации
Этот метод использовался в последнее десятилетие для получения высокочистых, ультратонких, сферических и высокодобавочных порошков. Это безопасный и эффективный метод. Плазменные источники тепла используются для испарения сырья в газообразные атомы, молекулы или частично ионизированные ионы. Затем они быстро конденсируются в твердый порошок. Этот метод подходит для получения различных металлических наноматериалов. Он также идеально подходит для карбидных и нитридных наноматериалов. Нанокремниевый порошок, полученный этим методом, отличается высокой чистотой, контролируемым размером частиц и высокой производительностью. Это основная технология, используемая ведущими зарубежными производителями. Однако ее внедрение в Китае произошло относительно поздно. Исследования в этой области все еще находятся на ранней стадии. Остаются проблемы в таких областях, как фундаментальные теоретические исследования и изучение характеристик наночастиц. Также остаются вопросы, связанные с выходом и производительностью производства. Производство высокопроизводительного нанокремниевого порошка в Китае еще не полностью независимо контролируется в Китае.
Анодные материалы на основе кремния
В последние годы бурное развитие литиевых аккумуляторов привело к акценту на кремниевых анодных материалах. Кремниевые анодные материалы являются важнейшим компонентом литиевых аккумуляторов высокой плотности энергии нового поколения. Однако в процессе литиирования кремний претерпевает значительное расширение объёма. Это расширение требует оптимизации активного материала для поддержания обратимых процессов легирования и делегирования. Такая оптимизация предотвращает фрагментацию или деградацию активного материала. Таким образом, наноструктурированные кремниевые аноды способны обеспечить долговременную стабильность характеристик, в отличие от традиционных кремниевых анодов микронного размера.
Поле фотоэлектрических элементов
Нанокремний используется в производстве тонкоплёночных фотоэлектрических ячеек второго поколения на основе кремния. В частности, он используется в тонкоплёночных ячейках на основе микрокристаллического кремния. Технология тонкоплёночных ячеек на основе нанокремния обладает уникальными преимуществами по сравнению с другими кремниевыми технологиями второго поколения. Однако производство нанокремния и его применение в фотоэлектрических ячейках всё ещё находятся на начальной стадии развития. Фотоэлектрические ячейки второго поколения занимают относительно небольшую долю рынка и пока не стали основной технологией.
Высокочистый нанокристаллический кремний используется для производства кремниевой электронной пасты. Эта паста наносится на поверхность подложек солнечных элементов. Она повышает эффективность преобразования энергии кремниевыми солнечными элементами. Это стало важным направлением в солнечной энергетике.
Поле освещения
Управляя диаметром нанокремниевых частиц, можно добиться полного спектра излучения от синего до красного. Кроме того, возможна поддержка электроуправляемой электролюминесценции.
Область биомедицины
Благодаря низкой токсичности и биосовместимости, биоматериалы на основе кремния уже давно играют незаменимую роль в биомедицине. С 2001 года мезопористые кремниевые наночастицы успешно используются в качестве носителей для доставки лекарств. Нульмерные кремниевые наноматериалы получили широкое развитие в биомедицинских приложениях. Например, кремниевые квантовые точки с хорошей биосовместимостью были разработаны в качестве новых биологических зондов для визуализации. Это основано на фотолюминесцентных свойствах полупроводниковых квантовых точек, обусловленных эффектами квантового ограничения.
Другие приложения
Помимо перечисленных выше областей применения, нанокремний используется для изготовления мощных выпрямителей, транзисторов высокой мощности, диодов, коммутационных устройств, полупроводниковых дискретных приборов, силовых приборов, интегральных схем и эпитаксиальных подложек. Он также используется в качестве сырья для высокотемпературных покрытий, тугоплавких, коррозионно-стойких и антистатических материалов. При смешивании под высоким давлением с алмазами нанокремний образует композиционные материалы «карбид кремния – алмаз», которые применяются для изготовления режущего инструмента. Кроме того, нанокремний используется для получения высококремнистого чугуна, кремнистой стали и различных кремнийорганических соединений.
Эпический порошок
Передовые решения Epic Powder для измельчения занимают лидирующие позиции в процессе производства нанокремния. Благодаря интеграции высокопроизводительного оборудования, такого как шаровые мельницы и воздушные сепараторы, Epic Powder обеспечивает точность, необходимую для производства нанокремния с оптимальным распределением размеров частиц и чистотой. Специально разработанное для конкретных условий измельчения оборудование Epic Powder позволяет максимально повысить эффективность производства при минимальном энергопотреблении, будь то анодные системы литиевых аккумуляторов, фотоэлектрические элементы или биомедицинские решения. Благодаря постоянным исследованиям и разработкам, Epic Powder вносит свой вклад в глобальное развитие технологий применения нанокремния. Компания оказывает необходимую поддержку для достижения наилучшей производительности по выгодным ценам.