Aplicaciones industriales de material de silicio de alta pureza.

El silicio, también conocido como metal de silicio, es uno de los materiales estratégicos de la actualidad. Es un elemento químico con el símbolo Si y el número atómico 14. Es un sólido cristalino duro y quebradizo con un brillo metálico gris azulado, y es un metaloide tetravalente y semiconductor.

Es un miembro del grupo 14 en la tabla periódica: el carbono está por encima de él; y el germanio, el estaño y el plomo están debajo de él.

Los productos a base de silicio comprenden una variedad versátil de aplicaciones en la industria manufacturera. Debido a que el silicio se manipula y adapta fácilmente, con estabilidad a altas temperaturas y resistencia al envejecimiento, el silicio a menudo funciona junto con otros materiales para aislar, purificar, suavizar, adherir, acondicionar o proteger un producto. Los materiales a base de silicio también se utilizan para mejorar la apariencia, transferir energía y ayudar en la reconstrucción.

Analicemos los diferentes tipos de estados de silicio y sus aplicaciones en la industria.

Silicio de grado metalúrgico

Para que el silicio se considere de grado metalúrgico, debe presentar un nivel de pureza de al menos el 98 %. El silicio de grado metalúrgico es la principal materia prima utilizada para producir silicio de grado solar y es un peldaño crucial en el proceso de refinación del metal de silicio.

Las industrias del acero y del aluminio son buenos ejemplos de la industria metalúrgica.

La producción de silicio de grado metalúrgico se logra haciendo reaccionar silicio de alta pureza con madera o carbón en un horno de arco eléctrico. Se utiliza mucho en las industrias metalúrgicas, que trabajan con aleaciones metálicas. Las industrias del acero y del aluminio son buenos ejemplos de la industria metalúrgica.

Predominantemente, el silicio de grado metalúrgico se utiliza para la fundición de aluminio para desarrollar productos de aleación de aluminio.

El uso individual más abundante del silicio de grado metalúrgico es para la industria del automóvil, que representa una ligera mayoría, o el 55% de todo el silicio metalúrgico utilizado industrialmente. El aluminio es un metal de elección ya que es duradero, fiable y ligero. Cuando se combina con silicio de grado metalúrgico, las propiedades positivas del aluminio mejoran aún más, produciendo una aleación altamente eficiente.

Los vehículos eléctricos están posicionados para aprovechar estas aleaciones de aluminio altamente eficientes, ya que su cuerpo, motores, ruedas y tornillos pueden fabricarse con dichos materiales.

El rápido aumento de la demanda de vehículos eléctricos ha tenido un impacto positivo en la fortaleza del mercado de las industrias relacionadas, como el aluminio y el silicio metálico. A medida que las economías avanzan hacia la electrificación global, la demanda de tales aleaciones seguirá aumentando debido a su consistencia y durabilidad comprobadas.

Silicio de grado químico

El silicio de grado químico, en comparación con el silicio de grado metalúrgico, representa un paso adelante en el proceso de refinación. La pureza del silicio de grado químico oscila entre el 99 y el 99,99 %. La producción de metal de silicio de grado químico comienza con el proceso de refinación de sílice dentro de roca de cuarzo o arena.

A esto le sigue una reducción carbotérmica de sílice que se produce en un horno de arco para producir silicio de grado metalúrgico. Luego, se refina aún más a través de un proceso hidrometalúrgico para producir silicio de grado químico.

Los usos industriales del silicio de grado químico son muy amplios. La mayoría de las aplicaciones del silicio de grado químico se centran en la producción de polímeros de silicona. Estos polímeros incluyen gomas de silicona, aceites y grasas a base de silicona, selladores, lubricantes y siliconas.

Los polímeros son macromoléculas que se componen de subunidades que se repiten. La repetición de subunidades produce una fuerza y ​​flexibilidad significativas dentro de la molécula, lo que significa que los polímeros tienen usos industriales altamente adaptables. La flexibilidad de los polímeros se mejora aún más porque pueden existir tanto en forma natural como sintética.

Las siliconas son un ejemplo de un polímero sintético formado por siloxano, que es un compuesto químico derivado del silicio. Se utilizan con frecuencia en la construcción, concretamente para selladores, adhesivos y lubricantes. Las industrias de salud, cosmética, electrónica, embalaje y fotovoltaica también utilizan productos de silicona para diversos fines. Las siliconas no reaccionan con la mayoría de los productos químicos, lo que les permite usarse interna y externamente en el campo de la medicina.

Las siliconas son un ejemplo de un polímero sintético formado por siloxano, que es un compuesto químico derivado del silicio.

La silicona se utiliza en implantaciones a largo plazo, así como para ayudar a las tecnologías de dispositivos médicos. Las prótesis, las articulaciones artificiales, los adhesivos médicos, los moldes y los tubos también representan usos medicinales importantes para los productos de silicona.

La naturaleza no reactiva de las siliconas permite que los productos cosméticos aprovechen el material. Las siliconas se utilizan a menudo en productos para el cuidado de la piel que no se aclaran y en todo tipo de productos para el cabello. Los agentes cicatrizantes y calmantes también cuentan con silicona, ya que el material no irrita y es ampliamente aplicable para la gran mayoría de la población.

Las siliconas también prevalecen en la industria del envasado, concretamente en el envasado y procesamiento de alimentos. Son seguros en aplicaciones alimentarias, ya que las siliconas no modifican las propiedades de los alimentos y se pueden producir para que no tengan olor.

La industria fotovoltaica es otro usuario principal de silicio y siliconas. La tecnología fotovoltaica se refiere a equipos que son capaces de convertir la luz en electricidad utilizando materiales semiconductores. Los paneles solares representan el ejemplo más obvio de esta tecnología y se producen con mayor frecuencia utilizando células solares de silicio.

Los paneles solares a base de silicio representan aproximadamente el 90 % de los módulos solares del mercado. Las industrias solar y eólica dependen en gran medida del silicio como materia prima. Los paneles solares no solo utilizan silicio en su diseño, sino que también se utilizan selladores y adhesivos de silicona para unir los módulos solares. Las turbinas eólicas también utilizan con frecuencia estos adhesivos y selladores industriales durante la construcción.

Un módulo fotovoltaico es un conjunto de células fotovoltaicas montadas en un marco para su instalación. Las células fotovoltaicas utilizan la luz solar como fuente de energía y generan electricidad de corriente continua. Una colección de módulos fotovoltaicos se denomina panel fotovoltaico y un sistema de paneles es una matriz. Las matrices de un sistema fotovoltaico suministran electricidad solar a los equipos eléctricos.

La cantidad de electricidad producida por una instalación solar depende de una combinación de la calidad de la luz (intensidad y longitudes de onda), así como de múltiples indicadores de rendimiento de las células solares del panel. Cuanto mayor sea la pureza del silicio utilizado en las células solares, más eficientes serán para convertir la luz solar en electricidad. Esto, a su vez, crea módulos solares más eficientes y rentables.

Silicio para Baterías

El silicio metálico tiene un gran potencial para mejorar el rendimiento de las baterías estándar de iones de litio (li-ion). La incorporación de silicio, en lugar de grafito en el ánodo de la batería, puede mejorar enormemente la eficiencia de la batería. La innovación en torno a la tecnología de ánodos de silicio es prometedora.

El silicio exhibe una densidad de energía mucho mayor que el grafito, lo que permite almacenar una mayor concentración de energía en la parte de la batería del mismo tamaño (o de menor tamaño). Esto es fundamental para la industria del almacenamiento de energía, ya que la eficiencia de las baterías es clave para la rentabilidad y la solidez del mercado de dicha industria.

Las implicaciones del uso de silicio en las baterías son amplias, con tiempos de carga más rápidos (hasta 10 veces la velocidad actual), cargas que se agotan más lentamente y cargas generales más sustanciales que brindan amplias oportunidades para el crecimiento en el almacenamiento de energía y las industrias relacionadas.

La energía limpia sería la industria más notable impulsada por un desarrollo tan dramático en la tecnología de baterías.

El almacenamiento de energía en la red (almacenamiento de energía a gran escala) es una colección de métodos utilizados para almacenar energía eléctrica a gran escala dentro de una red eléctrica. La energía eléctrica se almacena durante los momentos en que la producción (especialmente de plantas de energía intermitentes, como fuentes de electricidad renovables, como energía eólica, energía de las mareas, energía solar) supera el consumo y se devuelve a la red cuando la producción cae por debajo del consumo.

La energía eólica y solar se consideran fuentes de energía intermitentes, lo que significa que producen electricidad de manera menos confiable que los combustibles fósiles tradicionales. No hay producción de energía solar durante la noche, al igual que no se produce energía eólica cuando no hay viento. Estas fuentes de energía se basan en la capacidad de almacenar la energía recolectada, lo que significa que hasta que se mejoren las aplicaciones de almacenamiento de energía, las restricciones de la batería seguirán representando una barrera importante para la energía verde.

De todos modos, está quedando claro que las capacidades de almacenamiento de energía del metal de silicio tienen el potencial de revolucionar la economía energética mundial.

Pero para que el silicio cumpla con la Revolución de la Energía Renovable ("RER") actualmente en curso, se necesita silicio de alta pureza, ya que el silicio no existe en estado puro; debe extraerse del cuarzo (SiO2), en lo que históricamente ha sido un proceso intensivo en capital y energía.

Aquí es donde entra HPQ Silicon.

Desde 2015, HPQ Silicon ha estado desarrollando el Proyecto de Reactor de Reducción de Cuarzo (QRR) PUREVAP™. El proyecto es un proceso innovador (pendiente de patente), que permitirá la transformación en un solo paso de cuarzo (SiO2) en silicio de alta pureza (Si) a costos, consumo de energía y huella de carbono reducidos.