Dal quarzo alla polvere: come viene prodotto il silicio metallico
Il silicio metallico, chiamato anche silicio di grado metallurgico, è prodotto mediante riduzione carbotermica di quarzo ad elevata purezza in un forno ad arco sommerso. Il quarzo e un riducente del carbonio come coke di petrolio, carbone o carbone vengono caricati insieme e fatti reagire a una temperatura compresa tra 1800 e 2000 gradi circa, e il silicio fuso viene spillato, colato e raffreddato. Il metallo risultante contiene tipicamente dal 98,5% al 99,5% di silicio con ferro, alluminio e calcio come principali elementi residui, ed è la materia prima per ogni grado di silicio più fine sul mercato.
La trasformazione del lingotto in polvere è un processo meccanico che deve evitare contaminazioni. La frantumazione a mascelle è seguita dalla frantumazione a rulli o coni, quindi dalla macinazione a sfere, a getto o dalla classificazione ad aria per raggiungere la distribuzione granulometrica desiderata. Poiché il silicio è duro e abrasivo, i rivestimenti dei mulini e i mezzi di macinazione vengono scelti in modo che la raccolta del ferro rimanga entro le specifiche e le frazioni fini vengono trattate sotto azoto o aria secca per mantenere la pellicola di ossido superficiale sottile e riproducibile.
Gradi e specifiche tipiche
| Grado | Contenuto di silicio | Intervallo di dimensioni delle particelle | Utilizzo principale |
|---|---|---|---|
| Polvere di grado metallurgico | 98.5–99.5% | 45–500 µm | Leghe di alluminio, disossidazione, siliconi |
| Polvere di grado chimico | 99.0–99.5% | 1–100 µm | Monomeri siliconici, silani, ceramici |
| Polvere di grado solare | 99.9999% (6N) | 1–200 µm | Materia prima di polisilicio, celle fotovoltaiche |
| Polvere di grado elettronico | 99,9999999% (9N e superiore) | micron e sub-micron | Dispositivi a semiconduttore, bersagli sputtering |
La dimensione delle particelle è il secondo asse di specificazione dopo la chimica. Le frazioni vagliate grossolane da 75 a 500 µm si comportano come un solido granulare scorrevole, mentre i gradi micronizzati inferiori a 10 µm si comportano come una polvere coesiva con un'elevata area superficiale e una reattività e un contenuto di ossigeno corrispondentemente più elevati.
Percorso di sviluppo: dal metallo sfuso alla polvere ingegnerizzata
Lo sviluppo commerciale della polvere di silicio metallico segue la tendenza generale dell'ingegneria dei materiali, passando dal tonnellaggio alla rinfusa alla progettazione di particelle ingegnerizzate. Il consumo iniziale era quasi interamente metallurgico, come disossidante e come legante nell'alluminio. Successivamente la domanda è arrivata dall’industria chimica, dove la polvere di silicio viene dosata nel processo diretto con cloruro di metile su un catalizzatore di rame per produrre metilclorosilani, gli elementi costitutivi dei siliconi. La crescita più recente è arrivata dal settore dell’energia e dell’elettronica, dove la polvere non viene più giudicata solo dal contenuto di silicio ma anche dalla distribuzione delle dimensioni delle particelle, dalla chimica della superficie e dai livelli di tracce di metalli.
Semiconduttori e dispositivi elettronici
Nella produzione di semiconduttori, la polvere di silicio viene utilizzata come precursore e come materiale di processo per la deposizione, il drogaggio e la preparazione del target. I requisiti sono estremi: boro, fosforo e impurità metalliche devono essere nell’ordine delle parti per miliardo e la polvere deve essere maneggiata in un’atmosfera controllata perché la pellicola di ossido nativo sulle particelle fini di silicio cresce rapidamente e modifica il comportamento elettrico dello strato finito. La struttura reticolare uniforme e la distribuzione dimensionale ristretta sono importanti in questo caso, poiché determinano il comportamento di fusione e deposizione tanto quanto la purezza chimica.
Accumulo di energia: silicio negli anodi agli ioni di litio-
Il silicio offre la più alta capacità pratica di stoccaggio del litio rispetto a qualsiasi materiale anodico abbondante, con un valore teorico vicino a 3579 mAh/g rispetto a circa 372 mAh/g per la grafite convenzionale. La difficoltà è meccanica più che chimica: una particella di silicio si espande di circa il 300% quando è completamente litiata, il che polverizza la particella e rompe l'elettrodo se il silicio viene utilizzato da solo. Lo sviluppo commerciale si concentra quindi sulla polvere di silicio di dimensioni micron e nano, spesso rivestita di carbonio o incorporata in una matrice di carbonio, per assorbire la deformazione preservando un'elevata capacità reversibile e un ciclo di vita accettabile.
Celle solari, siliconi e usi metallurgici
Fotovoltaico: la polvere di silicio ad elevata purezza alimenta la produzione di polisilicio e consente direttamente concetti di film sottile e celle stampate che riducono gli sprechi di silicio.
Siliconi e silani: il silicio finemente suddiviso reagisce con il cloruro di metile per produrre la famiglia di monomeri utilizzata nei sigillanti, negli oli e nelle gomme.
Leghe di alluminio: le aggiunte di polvere e granuli di silicio migliorano la fluidità e il comportamento di fusione delle leghe Al-Si.
Refrattari e ceramici: la polvere di silicio è una materia prima per i sistemi leganti al nitruro di silicio e al carburo di silicio.
Metallurgia: polveri e granuli vengono utilizzati per processi di disossidazione e riduzione silicotermica.
Movimentazione, sicurezza e controllo qualità
La polvere fine di silicio ha un'elevata area superficiale e uno strato di ossido passivante, ma è comunque reattiva in presenza di umidità, alcali e forti ossidanti e la polvere dispersa può comportare un rischio di combustione. Lo stoccaggio in contenitori sigillati e asciutti con copertura di azoto per gradi micron limita sia l'ossidazione che lo sviluppo di idrogeno. Il controllo di qualità normalmente combina l'analisi del plasma accoppiato induttivamente per le impurità metalliche, la diffrazione laser per la distribuzione delle dimensioni delle particelle e la fusione di gas inerte per il contenuto di ossigeno, poiché due polveri con analisi identiche del silicio possono comportarsi in modo completamente diverso in un elettrodo di batteria se le loro distribuzioni dimensionali differiscono.
Domande frequenti
D: Qual è la differenza tra polvere di silicio metallico e polvere di ferrosilicio?
Il ferrosilicio è una lega di ferro e silicio utilizzata principalmente per la disossidazione e la lega nella produzione dell'acciaio, mentre la polvere di silicio metallico è un materiale molto più puro utilizzato nelle applicazioni elettroniche, solari e delle batterie dove è necessario evitare la raccolta del ferro.
D: Quali dimensioni delle particelle sono disponibili?
Le frazioni vagliate standard vanno da circa 500 µm fino a 45 µm, mentre i gradi micronizzati inferiori a 10 µm vengono prodotti mediante fresatura a getto o classificazione ad aria quando è richiesta un'elevata area superficiale.
D: Perché il contenuto di ossigeno è importante nelle specifiche della polvere di silicio?
Il valore dell'ossigeno è in gran parte dovuto al film di ossido nativo sulla superficie delle particelle, quindi controllandolo si controlla il contenuto di silicio attivo e il comportamento della polvere nella deposizione, nei siliconi e negli elettrodi della batteria.
D: Perché il silicio necessita di un rivestimento in carbonio negli anodi delle batterie?
Il silicio si espande di circa il 300% durante la litiazione completa e il rivestimento in carbonio e l'architettura composita tamponano la tensione, preservando il contatto elettrico tra le particelle e mantenendo la capacità stabile nel corso di cicli ripetuti.
D: Come deve essere conservata la polvere di silicio di grado micron?
Si consigliano contenitori sigillati e asciutti sotto azoto; l'esposizione all'aria umida aumenta la crescita di ossido e il contatto alcalino o ossidante può generare gas, quindi lo stoccaggio sigillato protegge anche l'operatore.
D: È sempre meglio una polvere più fine?
No. La polvere più fine aumenta l'area superficiale e la reattività, ma aumenta anche il contenuto di ossigeno, la polverosità e i costi, quindi la dimensione ottimale viene stabilita dal processo, dove la distribuzione ristretta di solito è più importante della dimensione media più piccola possibile.
