Kunde-succeshistorie
Sådan bestemmer du de termofysiske egenskaber ved energilagringsmaterialer
En feltrapport af Dr. Daniel Lager, forskningsingeniør for bæredygtige termiske energisystemer ved Center for Energi, AIT Austrian Institute of Technology
AIT Austrian Institute of Technology(https://www.ait.ac.at/) er Østrigs største ikke-universitære forskningsinstitution. Med sine syv centre betragter AIT sig selv som en højt specialiseret forsknings- og udviklingspartner for industrien og beskæftiger sig med fremtidens centrale infrastrukturemner.
“NETZSCH har etableret sig som en pålidelig partner. Kvaliteten af instrumenterne og deres lange levetid samt anvendeligheden af målesoftwaren Proteus® på tværs af alle målte variabler udgør vigtige aspekter af billedet. Frem for alt har den gode service og den gode dialog med udviklings- og applikationslaboratoriet på NETZSCH allerede løst mange vanskelige situationer.”
Om det termofysiske laboratorium på AIT
Det termofysiske laboratorium er et akkrediteret testlaboratorium (EN ISO/IEC 17025) i Center for Energi og tilbyder målinger af termiske egenskaber ved materialer, processer og produkter samt bestemmelse af termofysiske egenskaber og overgangsparametre med sin specifikke laboratorieinfrastruktur af høj kvalitet og mange års erfaring. De termofysiske egenskaber, der analyseres, omfatter Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne λ(T), Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet a(T), Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.specifik varmekapacitet Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp(T), termisk ekspansion ΔL(T)/L0, termisk ekspansionskoefficient Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE α(T) og densitet ρ ( T) i et temperaturområde fra -180 °C til 1600 °C. Ud over de termofysiske egenskaber bruges samtidig termisk analyse med infrarød og massespektrometri til at bestemme karakteristiske temperaturer, entalpidifferencer og masseændringer samt til at identificere udviklede gasser.
NETZSCH har etableret sig som en pålidelig partner som udstyrsproducent. Kvaliteten af instrumenterne og deres lange levetid samt anvendeligheden af målesoftwaren på tværs af alle målte variabler udgør vigtige aspekter af billedet. Men frem for alt har den gode service og den gode dialog med udviklings- og applikationslaboratoriet på allerede løst mange vanskelige situationer. Proteus® NETZSCH
Det ældste instrument, der i øjeblikket er i brug hos AIT, er Laser-Flash LFA 427, som har været i drift i mere end 20 år:
Faseændringsmaterialer (PCM) til termisk energilagring
Sensibel termisk energilagring (STES) er i øjeblikket den mest almindelige måde at lagre varme på ved at bruge varmekapaciteten i det anvendte lagringsmateriale, der er resultatet af en fremherskende temperaturforskel (f.eks. en varmtvandsbeholder). Nyere teknologi omfatter latent termisk energilagring (LTES), som bruger varmen fra en faseændring i et materiale. Den største forskel mellem at bruge PCM'er og STES-materialer til varmelagring er, at i førstnævnte ligger den lagrede varme inden for et snævert temperaturområde, og faseovergangstemperaturen er konstant. Denne egenskab bruges til specifikke anvendelser, f.eks. i bygninger. Udfordringerne i måleproceduren er nøjagtig måling af faseændringen eller overgangstemperaturen, Tt, de faktiske faseovergangsenthalpier, Δht, og den specifikke varmekapacitet, Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp(T), for de forskellige faser.
Det undersøgte PCM var en kommercielt tilgængelig paraffinvoks med et smeltetemperaturområde fra 69 °C til 71 °C, en entalpidifference på Δh = 260 kJ kg-1 fra 62 °C til 77 °C og en Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.specifik varmekapacitet på Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp = 2 kJ kg-1 K-1i henhold til producentens specifikationer.
De følgende DSC-eksperimenter blev udført med en NETZSCH 204 F1 DSC udstyret med en type-E DSC-sensor. Aluminiumdigler med et volumen på 25 μl blev fyldt med PCM og koldsvejset med låg. De faste organiske prøver blev skåret til, så de havde en flad side for at sikre god kontakt mellem prøven og digelbunden. DSC-eksperimenterne blev udført ved to forskellige opvarmningshastigheder, med β = 0,25 K min-1 og β = 10 K min-1, ogmed en massestrømskontrolleret nitrogengasatmosfære.
Figur 3 (a): Tilsyneladende Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp(T)-resultater fra DSC-målinger med en paraffinvoks ved β = 0,25 K min-1 og β = 10 K min-1
Figur 3 viser resultaterne af DSC-målingerne på det organiske PCM ved to forskellige opvarmningshastigheder. Resultaterne for den lave opvarmningshastighed med β = 0,25 K min-1 førte til en skarp top, men også til store usikkerheder i den faste eller flydende fase med hensyn til den faktiske specifikke varmekapacitet, Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp(T). Den hurtigere opvarmningshastighed med β = 10 K min-1 indikerer en udtværet repræsentation af smelteområdet, men meget mere nøjagtige resultater for den faktiske specifikke varmekapacitet cp(T) i den faste eller flydende fase.
Ud fra disse resultater konkluderede vi, at en evaluering af de karakteristiske temperaturer og transformationsenthalpierne kræver flere DSC-målinger ved forskellige opvarmningshastigheder for at opnå meningsfulde resultater vedrørende faseovergangstemperaturen og -enthalpien og også vedrørende den specifikke varmekapacitet, samtidig med at termiske transportprocesser i prøven udelukkes.
Målinger af effektiv Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne og Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.specifik varmekapacitet på battericeller
Den effektive Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne λeff(T)i forskellige retninger for battericeller samt deres specifikke varmekapacitet cp(T) er af afgørende betydning for at forstå den termiske adfærd og varmestyring af batteripakker.
De følgende eksperimenter fokuserede på brugen af NETZSCH Laser Flash LFA 427, NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix® og NETZSCH Heat Flow Meter HFM 446 til at evaluere disse egenskaber. LFA 427 og DSC 204 F1 blev brugt til at bestemme den termiske diffusivitet a(T) i in-plane-retningen og cp( T ) for anode, katode, separator og pouch-materialer i en dissekeret lithium-ion pouch-celle. HFM-metoden blev anvendt til at evaluere cp(T) og λeff( T)i en litium-ion-pouch-celle vinkelret på pouch-overfladen ved forskellige ladetilstande (SoC).
Figur 4: LFA- (højre) og DSC-målinger (venstre) på posematerialet i en posecelle
Figur 4 viser resultaterne af cp(T) og a(T) for pouch-materialet i den undersøgte pouch-battericelle. Denne måleprocedure blev udført med alle faste komponenter i pouch-battericellen for at evaluere den effektive Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne i in-plane-retningen baseret på yderligere Finite Element-beregninger.
Figur 5: til venstre: Pouch-celler stablet i HFM 446; til højre: Effektiv Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne baseret på HFM 446-målinger
Figur 5 viser måleopsætningen til måling af den effektive varmeledningsevne gennem planet med HFM 446 og posecellestakken på venstre side samt de modtagne resultater på højre side.
Måleproceduren baseret på HFM 446-målemetoden med det anvendte udvidelsessæt og posecellestakken viste god reproducerbarhed for λeff(T)med λeff = 0.715 W m-1 K-1 ved T = 25 °C og en udvidet kombineret usikkerhed på U(k=2 ) = 0,02 W m-1 K-1. Forskelle i λeff(T) på grund af SoC kunne ikke opløses i resultaterne.
De påbestemte data for cp( T ) og a(T) i posekomponentens retning i planet blev behandlet i en Finite Element (FE)-model for at beregne varmeledningsevnen i planet for hele posecellen med λeff = 52,54 W m-1 K-1.
De evaluerede resultater viser, at HFM er en egnet ikke-destruktiv metode til at analysere den effektive varmeledningsevne i gennemgående retning for pouch-celler. Den effektive varmeledningsevne i planets retning kan bestemmes ved at dissekere cellen til dens komponenter for at bestemme den termiske diffusivitet i planets retning samt den specifikke varmekapacitet og densitet. Disse data kan behandles i en FE-model for at evaluere den effektive varmeledningsevne i planet.
Om forfatteren:
Dr. Daniel Lager, MSc, har arbejdet inden for termofysik og termisk analyse siden 2007. Fra 2019 er han leder af det tilknyttede akkrediterede laboratorium ved AIT Austrian Institute of Technology GmbH. I 2017 modtog han en ph.d.-grad fra Vienna University of Technology (TU Wien) for sin afhandling om den termofysiske karakterisering af varmelagringsmaterialer. Han er forfatter og medforfatter til adskillige publikationer.
I 2005 fik han en diplomgrad i elektronik fra University of Applied Sciences Technikum-Wien, efterfulgt af en kandidatgrad i biomedicinsk ingeniørvidenskab i 2008.
Sideløbende med sit arbejde på AIT er han ekstern lektor på University of Applied Sciences Burgenland. I løbet af sin professionelle karriere har Daniel Lager også fået erfaring som systemfysiker for en partikelaccelerator til ionterapi, som systemingeniør for datatransmissionssystemer i offentlige sikkerhedsapplikationer, som softwareudvikler for skadesregistreringssystemer og som forsker inden for effekten af elektromagnetisk kompatibilitet.
Se det tilhørende webinar!
I dette webinar præsenterer Dr. Daniel Lager state-of-the-art målemetoder for termofysiske egenskaber af energilagringsmaterialer. Med fokus på specifik varmekapacitetcp(T), faseovergangsenthalpiHt, reaktionsenthalpi Hr, Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet a(T), varmeledningsevne λ(T) og karakteristiske temperaturer T udfører, sammenligner og evaluerer han forskellige standardiserede, men også nye måleteknikker baseret på tilgængelige målemetoder. Pas på nu!