[发明专利]低温电化学生产硅

说明书

一种用于电化学生产硅的方法，包括使用一种施加于阳极和阴极上的电势用以在阴极处提供电子。所述阳极和所述阴极在反应温度下与电解质熔融体进行接触。所述电解质熔融体包括一种熔融盐或者一种熔融盐的混合物；一种含硅前体，所述含硅前体至少部分地溶解于所述电解质熔融体中用来提供在电解质熔融体中的可溶性含硅离子；以及一种辅助电解质，所述辅助电解质至少部分地溶解于电解质熔融体中用来在电解质熔融体中提供O^2‑离子。所述可溶性含硅离子在阴极处通过与电子发生还原反应，从而在阴极上释放O^2‑离子同时沉积硅。

发明背景

硅不仅是微电子器件的基础材料，同时也是许多可再生能源和化学以及冶金应用中的关键材料¹。目前，对硅的需求正在迅速增长，其中仅太阳能行业对于硅的需求每年就会有大约30％的增长²。硅作为地壳中第二丰富的元素，能够天然地存在于硅石和硅酸盐中，同时目前可以确认硅是大多数岩石和砂砾的主要组成成分³。当前的工业生产硅的方法是通过使用焦炭(元素碳或活性炭)的碳热来还原SiO₂来得到实现，该方法要求电炉中具有较高的工作温度(1700℃或更高)。所述净反应是：

SiO₂(s)+C(s)→Si(l)+CO₂(g) (1)

尽管这种方法具有可扩展性，但是该方法却具有高耗能(超过20kWh每千克硅)、非常低的能效(少于30％)⁴、并且在实施过程中会产生大量的二氧化碳排放物质，所述二氧化碳排放物质既来自CO₂的直接反应产物也直接来自于驱动高温炉所需电力所产生的CO₂排放⁵。此外，基于氢硅烷的后续提纯步骤以及西门子工艺以及通过西门子工艺进行的蒸馏步骤都会在高纯度硅的制备过程中应用到⁶。因此，硅价格的高昂的主要原因在于其在制备相关过程中的高成本以及高能耗。虽然通过活性金属例如镁进行热还原(镁热还原反应)的方式也可以被用于将二氧化硅还原为硅^7,8，但是使用所述活性金属的前提必须是所述活性金属是通过电解反应生成。

发明内容

本发明提供了一种用于生产硅的电化学方法。在一个实施方案中，所述用于电化学生产硅的方法包括在阳极和阴极上施加电势，用以在阴极处提供电子。所述阳极和所述阴极在反应温度下与一种电解质熔融体进行接触。所述电解质熔融体包括一种熔融盐或者熔融盐的混合物；一种含硅前体，所述含硅前体至少部分溶解在电解质熔融体中，用以在电解质熔融体中提供可溶性含硅离子；以及一种辅助电解质，所述辅助电解质至少部分溶解在电解质熔融体中，用以在电解质熔融体中提供O^2-离子。在阴极处的可溶性含硅离子与电子发生还原反应，释放O^2-离子并在阴极上沉积硅。

在阅读了以下附图、具体实施方案以及所附权利要求之后，本发明的其他主要技术特征和优点对于本领域普通技术人员来说将变得显而易见。

附图说明

下文将参考附图对本发明的示例性实施方案进行描述。

附图1A显示的是用于依据本发明所公开方法的示例性实施方案生产硅的电化学电池的示意图。附图1B为示意图，所述示意图阐述了在研发本发明所公开方法中的示例性实施方案中实施的实验进程。

附图2A显示的是在电化学还原过程之前，将不同剂量的CaO添加至熔融CaCl₂时，从-2.0到2.0V的循环伏安(CV)曲线。附图2B显示的是不同剂量的CaO在-1.6V恒定电压下的电流-时间曲线。