Applications industrielles du silicium de haute pureté

Le silicium, également appelé silicium métal, fait aujourd'hui partie des matériaux stratégiques. C'est un élément chimique avec le symbole Si et le numéro atomique 14. C'est un solide cristallin dur et cassant avec un éclat métallique bleu-gris, et c'est un métalloïde et semi-conducteur tétravalent.

C'est un membre du groupe 14 dans le tableau périodique : le carbone est au-dessus de lui ; et le germanium, l'étain et le plomb sont en dessous.

Les produits à base de silicium comprennent une gamme polyvalente d'applications dans l'industrie manufacturière. Étant donné que le silicium est facilement manipulable et adapté, avec une stabilité à haute température et une résistance au vieillissement, le silicium fonctionne souvent en conjonction avec d'autres matériaux pour isoler, purifier, adoucir, adhérer, conditionner ou autrement protéger un produit. Les matériaux à base de silicium sont également utilisés pour améliorer l'apparence, transférer de l'énergie et aider à la reconstruction.

Discutons des différents types d'états du silicium et de leurs applications dans l'industrie.

Silicium de qualité métallurgique

Pour que le silicium soit considéré comme de qualité métallurgique, il doit présenter un niveau de pureté d'au moins 98 %. Le silicium de qualité métallurgique est la principale matière première utilisée pour produire du silicium de qualité solaire et constitue un tremplin crucial dans le processus de raffinage du silicium métal.

Les industries de l'acier et de l'aluminium sont de bons exemples de l'industrie métallurgique.

La production de silicium de qualité métallurgique est obtenue en faisant réagir du silicium très pur avec du bois ou du charbon de bois dans un four à arc électrique. Il est largement utilisé dans les industries métallurgiques, qui travaillent avec des alliages métalliques. Les industries de l'acier et de l'aluminium sont de bons exemples de l'industrie métallurgique.

Le silicium de qualité métallurgique est principalement utilisé pour la coulée d'aluminium afin de développer des produits en alliage d'aluminium.

L'utilisation la plus abondante du silicium de qualité métallurgique est pour l'industrie automobile, qui représente une légère majorité, soit 55% de tout le silicium métallurgique utilisé industriellement. L'aluminium est un métal de choix car il est durable, fiable et léger. Lorsqu'il est combiné avec du silicium de qualité métallurgique, les propriétés positives de l'aluminium sont encore améliorées, produisant un alliage très efficace.

Les véhicules électriques sont positionnés pour tirer parti de ces alliages d'aluminium hautement efficaces, car leur carrosserie, leurs moteurs, leurs roues et leurs vis peuvent tous être produits à l'aide de ces matériaux.

L'augmentation rapide de la demande de véhicules électriques a eu un impact positif sur la force du marché des industries connexes, telles que l'aluminium et le silicium métal. À mesure que les économies progressent vers l'électrification mondiale, la demande pour ces alliages continuera d'augmenter en raison de leur cohérence et de leur durabilité éprouvées.

Silicium de qualité chimique

Le silicium de qualité chimique, comparé au silicium de qualité métallurgique, représente une avancée tout au long du processus de raffinage. La pureté du silicium de qualité chimique varie entre 99 et 99,99 %. La production de silicium-métal de qualité chimique commence par le processus de raffinage de la silice dans la roche ou le sable de quartz.

Ceci est suivi d'une réduction carbothermique de la silice qui se produit dans un four à arc pour produire du silicium de qualité métallurgique. Celui-ci est ensuite affiné par un processus hydro-métallurgique pour produire du silicium de qualité chimique.

Les utilisations industrielles du silicium de qualité chimique sont vastes. La plupart des applications du silicium de qualité chimique sont centrées sur la production de polymères de silicone. Ces polymères comprennent les caoutchoucs de silicone, les huiles à base de silicone et les graisses, les mastics, les lubrifiants et les silicones.

Les polymères sont des macromolécules composées de sous-unités répétitives. La répétition des sous-unités produit une résistance et une flexibilité importantes au sein de la molécule, ce qui signifie que les polymères ont des utilisations industrielles hautement adaptables. La flexibilité des polymères est encore améliorée car ils peuvent exister à la fois sous des formes naturelles et synthétiques.

Les silicones sont un exemple de polymère synthétique composé de siloxane, qui est un composé chimique dérivé du silicium. Ils sont fréquemment utilisés dans la construction, notamment pour les mastics, les adhésifs et les lubrifiants. Les industries de la santé, des cosmétiques, de l'électronique, de l'emballage et du photovoltaïque utilisent également des produits en silicone à diverses fins. Les silicones ne réagissent pas avec la plupart des produits chimiques, ce qui leur permet d'être utilisés en interne et en externe dans le domaine de la médecine.

Les silicones sont un exemple de polymère synthétique composé de siloxane, qui est un composé chimique dérivé du silicium.

Le silicone est utilisé dans les implantations à long terme, ainsi que pour aider les technologies des dispositifs médicaux. Les membres prothétiques, les articulations artificielles, les adhésifs médicaux, les moules et les tubes représentent également des utilisations médicales importantes pour les produits en silicone.

La nature non réactive des silicones permet aux produits cosmétiques de tirer parti du matériau. Les silicones sont souvent utilisées dans les produits de soin sans rinçage et dans toutes sortes de produits capillaires. Les agents cicatrisants et apaisants contiennent également du silicone, car le matériau est non irritant et largement applicable à la grande majorité de la population.

Les silicones sont également répandues dans l'industrie de l'emballage, à savoir l'emballage et la transformation des aliments. Ils sont sans danger dans les applications alimentaires, car les silicones ne modifient pas les propriétés des aliments et peuvent être produits sans odeur.

L'industrie photovoltaïque est un autre grand utilisateur de silicium et de silicones. La technologie photovoltaïque fait référence à un équipement capable de convertir la lumière en électricité à l'aide de matériaux semi-conducteurs. Les panneaux solaires représentent l'exemple le plus évident de cette technologie et sont le plus souvent produits à l'aide de cellules solaires au silicium.

Les panneaux solaires à base de silicium représentent environ 90% des modules solaires du marché. Les industries solaire et éolienne dépendent fortement du silicium comme matière première. Non seulement les panneaux solaires utilisent du silicium dans leur conception, mais les mastics et adhésifs en silicone sont également utilisés pour assembler les modules solaires. Les éoliennes utilisent également fréquemment ces adhésifs et produits d'étanchéité industriels pendant la construction.

Un module PV est un ensemble de cellules photovoltaïques montées dans une ossature pour installation. Les cellules photovoltaïques utilisent la lumière du soleil comme source d'énergie et génèrent de l'électricité à courant continu. Une collection de modules PV est appelée un panneau PV et un système de panneaux est un réseau. Les réseaux d'un système photovoltaïque fournissent de l'électricité solaire aux équipements électriques.

La quantité d'électricité produite par une installation solaire dépend d'une combinaison de la qualité de la lumière (intensité et longueurs d'onde) ainsi que de multiples indicateurs de performance des cellules solaires du panneau. Plus la pureté du silicium utilisé dans les cellules solaires est grande, plus elles sont efficaces pour convertir la lumière du soleil en électricité. Ceci, à son tour, crée des modules solaires plus efficaces et plus rentables.

Silicium pour Batteries

Le silicium métal a un énorme potentiel pour améliorer les performances des batteries lithium-ion (li-ion) standard. L'incorporation de silicium, plutôt que de graphite dans l'anode de la batterie, peut améliorer considérablement l'efficacité de la batterie. L'innovation autour de la technologie des anodes en silicium est prometteuse.

Le silicium présente une densité d'énergie bien supérieure à celle du graphite, ce qui permet de stocker une plus grande concentration d'énergie sur une partie de batterie de même taille (ou de taille plus petite). Ceci est essentiel pour l'industrie du stockage de l'énergie, car l'efficacité des batteries est essentielle à la rentabilité et à la force du marché d'une telle industrie.

Les implications de l'utilisation du silicium dans les batteries sont vastes, avec des temps de charge plus rapides (jusqu'à 10 fois la vitesse actuelle), des charges qui s'épuisent plus lentement et des charges globales plus importantes offrant de nombreuses opportunités de croissance dans le stockage de l'énergie et les industries connexes.

L'énergie propre serait l'industrie la plus notable, stimulée par un développement aussi spectaculaire de la technologie des batteries.

Le stockage d'énergie du réseau (stockage d'énergie à grande échelle) est un ensemble de méthodes utilisées pour stocker l'énergie électrique à grande échelle au sein d'un réseau électrique. L'énergie électrique est stockée pendant les périodes où la production (en particulier à partir de centrales électriques intermittentes telles que les sources d'électricité renouvelables telles que l'énergie éolienne, l'énergie marémotrice, l'énergie solaire) dépasse la consommation, et est renvoyée au réseau lorsque la production tombe en dessous de la consommation.

L'énergie éolienne et solaire sont considérées comme des sources d'énergie intermittentes, ce qui signifie qu'elles produisent de l'électricité de manière moins fiable que les combustibles fossiles traditionnels. Il n'y a pas de production d'énergie solaire pendant la nuit, tout comme il n'y a pas d'énergie éolienne produite lorsqu'il n'y a pas de vent. Ces sources d'énergie reposent sur la capacité de stocker l'énergie collectée, ce qui signifie que tant que les applications de stockage d'énergie ne seront pas améliorées, les restrictions sur les batteries continueront de représenter un obstacle important pour l'énergie verte.

Quoi qu'il en soit, il devient clair que les capacités de stockage d'énergie du silicium métal ont le potentiel de révolutionner l'économie énergétique mondiale.

Mais pour que le silicium accomplisse la révolution des énergies renouvelables ("RER") actuellement en cours, du silicium de haute pureté est nécessaire, car le silicium n'existe pas à l'état pur ; il doit être extrait du quartz (SiO2), selon un processus historiquement capital et énergivore.

C'est là qu'intervient HPQ Silicon.

Depuis 2015, HPQ Silicon développe le projet PUREVAP™ Quartz Reduction Reactor (QRR). Le projet est un procédé innovant (brevet en instance), qui permettra la transformation en une étape du quartz (SiO2) en silicium (Si) de haute pureté à des coûts, un apport énergétique et une empreinte carbone réduits.