高純度シリコン素材の産業応用

シリコン金属としても知られるシリコンは、今日の戦略的材料の 1 つです。 これは、記号 Si、原子番号 14 の化学元素です。青灰色の金属光沢を持つ硬くて脆い結晶固体であり、四価の半金属および半導体です。

それは周期表の第 14 族のメンバーであり、炭素はその上にあります。 ゲルマニウム、錫、鉛はその下にあります。

シリコンベースの製品は、製造業界におけるさまざまな用途で構成されています。 シリコンは加工や調整が容易で、高温安定性と耐老化性を備えているため、多くの場合、シリコンは他の材料と組み合わせて機能し、絶縁、浄化、軟化、接着、調整、またはその他の方法で製品を保護します。 シリコンベースの材料は、外観の改善、エネルギーの伝達、再建の補助にも使用されます。

さまざまな種類のシリコン状態とその産業における応用について説明しましょう。

冶金グレードのシリコン

シリコンが冶金グレードとみなされるには、少なくとも 98% の純度レベルを示す必要があります。 冶金グレードのシリコンは、太陽光発電グレードのシリコンの製造に使用される主原料であり、金属シリコンの精製プロセスにおける重要な足掛かりとなります。

鉄鋼産業とアルミニウム産業は冶金産業の良い例です。

冶金グレードのシリコンの製造は、電気アーク炉内で高純度のシリコンと木材または木炭を反応させることによって実現されます。 金属合金を扱う冶金産業で広く使用されています。 鉄鋼産業とアルミニウム産業は冶金産業の良い例です。

主に、冶金グレードのシリコンは、アルミニウム合金製品を開発するためのアルミニウム鋳造に使用されます。

冶金グレードのシリコンの最も豊富な用途は自動車産業であり、これは工業的に使用される全冶金シリコンのわずか大部分、つまり 55% を占めています。 アルミニウムは、耐久性、信頼性、軽量であるため、金属として最適です。 冶金グレードのシリコンと組み合わせると、アルミニウムの優れた特性がさらに強化され、高効率の合金が生成されます。

電気自動車は、車体、エンジン、ホイール、ネジのすべてがこれらの高効率アルミニウム合金を使用して製造できるため、これらの高効率アルミニウム合金を活用することができます。

電気自動車の需要の急速な高まりは、アルミニウムやシリコン金属などの関連産業の市場力にプラスの影響を与えています。 経済が世界的な電化に向けてさらに進むにつれて、その安定性と耐久性が証明されているため、このような合金の需要は今後も増加し続けるでしょう。

化学グレードのシリコン

化学グレードのシリコンは、冶金グレードのシリコンと比較すると、精製プロセスにおけるステップアップを表します。 化学グレードのシリコンの純度は 99 ～ 99.99% の範囲です。 化学グレードの金属シリコンの製造は、石英岩または砂内のシリカの精製プロセスから始まります。

続いて、アーク炉内でシリカの炭素熱還元が行われ、冶金グレードのシリコンが生成されます。 次に、これを湿式冶金プロセスを通じてさらに精製して、化学グレードのシリコンを生成します。

化学グレードのシリコンの工業用途は広範囲に及びます。 化学グレードのシリコンの用途のほとんどは、シリコン ポリマーの製造を中心としています。 これらのポリマーには、シリコーンゴム、シリコーンベースのオイル、グリース、シーラント、潤滑剤、シリコーンが含まれます。

ポリマーは、繰り返しサブユニットで構成される高分子です。 サブユニットの繰り返しにより、分子内に大きな強度と柔軟性が生み出されます。これは、ポリマーが高度に適応可能な産業用途を持つことを意味します。 ポリマーは天然と合成の両方の形態で存在できるため、ポリマーの柔軟性はさらに高まります。

シリコーンは、シリコンに由来する化合物であるシロキサンで構成される合成ポリマーの一例です。 これらは建設現場、つまりシーラント、接着剤、潤滑剤などによく使用されます。 ヘルスケア、化粧品、エレクトロニクス、包装、太陽光発電業界でも、さまざまな目的でシリコーン製品が使用されています。 シリコーンはほとんどの化学物質と反応しないため、医療分野で内外に使用できます。

シリコーンは、シリコンに由来する化合物であるシロキサンで構成される合成ポリマーの一例です。

シリコーンは、長期にわたる移植や医療機器技術の補助に使用されます。 義肢、人工関節、医療用接着剤、型、およびチューブも、シリコーン製品の著名な医療用途を代表します。

シリコーンの非反応性の性質により、化粧品はその素材を活用することができます。 シリコーンは、洗い流さないスキンケア製品やあらゆる種類のヘア製品によく使用されます。 瘢痕治癒剤や傷跡鎮静剤にもシリコーンが含まれており、その材料は刺激性がなく、大多数の人に広く適用できるためです。

シリコーンは包装業界、つまり食品包装や加工にも広く使用されています。 シリコーンは食品の性質を変えず、無臭に製造できるため、食品用途でも安全です。

太陽光発電産業もシリコンおよびシリコーンの主要なユーザーです。 太陽光発電技術とは、半導体材料を使用して光を電気に変換できる装置を指します。 ソーラーパネルはこの技術の最も明白な例であり、シリコン太陽電池を使用して最も頻繁に製造されます。

シリコンベースのソーラーパネルは、市場に出ているソーラーモジュールの約 90% を占めています。 太陽光産業と風力産業は、原材料としてシリコンに大きく依存しています。 ソーラーパネルは設計内でシリコンを利用しているだけでなく、ソーラーモジュールを組み立てるのにもシリコンシーラントと接着剤が使用されています。 風力タービンも建設中にこれらの工業用接着剤やシーラントを頻繁に使用します。

PV モジュールは、設置用のフレームワークに取り付けられた太陽電池のアセンブリです。 光電池は太陽光をエネルギー源として使用し、直流電力を生成します。 PV モジュールの集合は PV パネルと呼ばれ、パネルのシステムはアレイと呼ばれます。 太陽光発電システムのアレイは、電気機器に太陽光電気を供給します。

太陽光発電設備によって生成される電気の量は、光の品質 (強度と波長) とパネルの太陽電池の複数の性能指標の組み合わせによって決まります。 太陽電池に使用されるシリコンの純度が高いほど、太陽光を電気に変換する効率が高くなります。 これにより、より効率的でコスト効率の高い太陽電池モジュールが作成されます。

電池用シリコン

シリコン金属には、標準的なリチウムイオン (Li-ion) バッテリーの性能を向上させる大きな可能性があります。 バッテリーの陽極にグラファイトではなくシリコンを組み込むと、バッテリー効率が大幅に向上します。 シリコン陽極技術を取り巻くイノベーションは有望です。

シリコンはグラファイトよりもはるかに高いエネルギー密度を示すため、同じサイズ (またはより小さいサイズ) のバッテリー部分により高いエネルギー集中を蓄えることができます。 バッテリー効率はエネルギー貯蔵産業の費用対効果と市場力の鍵となるため、これはエネルギー貯蔵産業にとって非常に重要です。

バッテリーにシリコンを使用することの影響は広範囲に及び、充電時間が短縮され（現在の速度の最大 10 倍）、充電の消耗が遅くなり、全体の充電量がより充実するため、エネルギー貯蔵および関連産業に成長の十分な機会がもたらされます。

クリーンエネルギーは、電池技術のこのような劇的な発展によって後押しされる最も注目すべき産業となるだろう。

グリッド エネルギー貯蔵 (大規模エネルギー貯蔵) は、電力網内で大規模に電気エネルギーを貯蔵するために使用される方法の集合です。 電気エネルギーは、生産（特に、風力、潮力、太陽光などの再生可能電源などの断続的な発電所からの）が消費を上回るときに貯蔵され、生産が消費を下回ると送電網に戻されます。

風力と太陽光発電は断続的なエネルギー源とみなされます。つまり、従来の化石燃料よりも発電の信頼性が低くなります。 風がないときに風力エネルギーが生成されないのと同じように、夜間には太陽エネルギーの生成はありません。 これらのエネルギー源は、収集したエネルギーを貯蔵する能力に依存しているため、エネルギー貯蔵用途が改善されるまでは、バッテリーの制限がグリーン エネルギーの顕著な障壁となり続けることになります。

いずれにせよ、金属シリコンのエネルギー貯蔵能力には世界のエネルギー経済に革命をもたらす可能性があることが明らかになりつつあります。

しかし、シリコンが現在進行中の再生可能エネルギー革命（「RER」）を実現するには、シリコンは純粋な状態では存在しないため、高純度のシリコンが必要です。 石英（SiO2）から抽出する必要があり、歴史的には資本とエネルギーを大量に消費するプロセスでした。

ここで HPQ シリコンが登場します。

2015 年以来、HPQ Silicon は PUREVAP™ 石英還元反応器 (QRR) プロジェクトを開発してきました。 このプロジェクトは、コスト、エネルギー投入量、二酸化炭素排出量を削減しながら、石英 (SiO2) を高純度シリコン (Si) にワンステップで変換できる革新的なプロセス (特許出願中) です。