Customer SUCCESS STORY
Die Bestimmung Thermophysikalischer Eigenschaften von Energiespeichermaterialien
Ein Anwenderbericht von Dr. Daniel Lager, Research Engineer für nachhaltige thermische Energiespeichersysteme im Center for Energy am AIT in Wien, Austrian Institute of Technology GmbH
Das AIT Austrian Institute of Technology (https://www.ait.ac.at/) ist Österreichs größte außeruniversitäre Forschungseinrichtung. Mit seinen sieben Centern ist das AIT ein hochspezialisierter Forschungs- und Entwicklungspartner in der Industrie und beschäftigt sich mit den zentralen Infrastrukturthemen der Zukunft.
„Als Gerätehersteller hat sich NETZSCH als zuverlässiger Partner etabliert. Die Qualität der Analysegeräte und deren Langlebigkeit sowie die Bedienbarkeit der Messsoftware Proteus® über alle Messgrößen hinweg sind wichtige Aspekte der erfolgreichen Zusammenarbeit. Vor allem der gute Service und Austausch mit dem Entwicklungs- und Applikationslabor von NETZSCH haben schon so manches Mal zur Lösung einer kniffligen Situation beigetragen.“
Über das AIT Austrian Institute of Technology
Als akkreditierte Prüfstelle (EN ISO/IEC 17025) im Center for Energy bietet das Labor für Thermophysik mit seiner hochwertigen und spezifischen Labor-Infrastruktur und langjähriger Erfahrung Messungen der thermischen Eigenschaften von Materialien, Prozessen und Produkten sowie die Bestimmung der thermophysikalischen Eigenschaften und Übergangsparametern an. Zu den thermophysikalischen Eigenschaften zählen die WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit (λ mit der Einheit W/(m•K)) beschreibt den Transport von Energie - in Form von Wärme - durch einen Körper aufgrund eines Temperaturgefälles.Wärmeleitfähigkeit λ(T), die TemperaturleitfähigkeitDie Temperaturleitfähigkeit (a mit der Einheit mm2/s) ist eine materialabhängige Stoffeigenschaft zur Charakterisierung des instationären Wärmetransports. Sie gibt an, wie schnell ein Material auf eine Temperaturänderung reagiert.Temperaturleitfähigkeit a(T), die Spezifische Wärmekapazität (cp)Die spezifische Wärmekapazität oder Wärmekapazität ist eine messbare physikalische Größe, die dem Verhältnis der einem Objekt zugeführten Wärme zur resultierenden Temperaturänderung entspricht.spezifische Wärmekapazität cp(T), die thermische Ausdehnung ΔL(T)/L0, der thermische Längenausdehnungskoeffizient CTE α(T) und die DichteDie Massen-Dichte ist definiert als Verhältnis zwischen Masse und Volumen.Dichte ρ(T) im Temperaturbereich von -180 °C bis 1600 °C. Zusätzlich zu den thermophysikalischen Eigenschaften werden simultane thermische Analysen mit Infrarot- und Massenspektrometrie zur Bestimmung von charakteristischen Temperaturen, Enthalpieunterschieden und Massenänderungen sowie zur Identifizierung der freigesetzten Gase eingesetzt.
Als Gerätehersteller hat sich NETZSCH als zuverlässiger Partner etabliert. Die Qualität der Analysegeräte und deren Langlebigkeit sowie die Bedienbarkeit der Messsoftware Proteus® über alle Messgrößen hinweg sind wichtige Aspekte der erfolgreichen Zusammenarbeit. Vor allem der gute Service und Austausch mit dem Entwicklungs- und Applikationslabor von NETZSCH haben schon so manches Mal zur Lösung einer kniffligen Situation beigetragen.
Das älteste am AIT im Einsatz befindliche Gerät ist die Laser-Flash LFA 427, die seit über 20 Jahren in Betrieb ist:
Phasenwechselmaterialien (PCMs) für Thermische Energiespeicheranwendungen
Die sensible thermische Energiespeicherung (STES) ist gegenwärtig die gängigste Art der Wärmespeicherung, bei der die Wärmekapazität des verwendeten Speichermaterials genutzt wird, die sich aus einem vorherrschenden Temperaturunterschied ergibt (z.B. Warmwasserspeicher). Da sich die Zufuhr und Entnahme der thermischen Energie bei diesen Speichersystemen fühlbar durch eine Änderung der Temperatur äußert, spricht man von sensiblen Wärmespeichern. Eine neuere Technologie ist die Latentwärmespeicherung (LTES), bei der die Wärme einer Phasenumwandlung / PhasenänderungDer Begriff Phasenumwandlung (oder Phasenänderung) wird am häufigsten verwendet, um Übergänge zwischen dem festen, flüssigen und gasförmigen Zustand zu beschreiben. Eine Phase eines thermodynamischen Systems und die Zustände haben einheitliche physikalische Eigenschaften.Phasenänderung eines Materials genutzt wird. Der Hauptunterschied zwischen der Verwendung von PCMs und STES in einer Wärmespeicheranwendung besteht darin, dass bei ersteren die gespeicherte Wärme innerhalb eines engen Temperaturbereichs liegt und die Phasenumwandlungstemperatur konstant ist. Diese Eigenschaften werden für spezielle Anwendungen, beispielsweise in Gebäuden, genutzt. Herausforderungen an das Messverfahren sind die genaue Messung der Phasenänderungs- oder -umwandlungstemperatur Tt, der tatsächlichen Phasenumwandlungsenthalpien Δht und der spezifischen Wärmekapazität cp(T) der verschiedenen Phasen.
Bei dem untersuchten PCM handelte es sich gemäß Herstellerangabe um ein handelsübliches Paraffinwachs mit einem Schmelztemperaturbereich von 69 °C bis 71 °C, einer Phasenumwandlungsenthalpie von Δh = 260 kJ kg-1 von 62 °C bis 77 °C und einer spezifischen Wärmekapazität von cp = 2 kJ kg-1 K-1.
Die folgenden DSC-Untersuchungen wurden mit einer NETZSCH 204 F1 DSC, ausgestattet mit einem DSC-Sensor Typ E, durchgeführt. Das PCM wurde in einen Aluminiumtiegel mit einem Volumen von 25 μL gefüllt und kaltverschweißt mit einem Deckel. Die festen organischen Proben wurden so geschnitten, dass sie eine flache Seite aufwiesen, um einen guten Kontakt zwischen Probe und Tiegelboden sicherzustellen. Die DSC-Messungen wurden mit zwei verschiedenen Heizraten β = 0,25 K min-1 und β = 10 K min-1 und in Massendurchfluss-geregelter Stickstoffatmosphäre durchgeführt.
Abbildung 3 (a): Scheinbare cp(T) Ergebnisse aus DSC-Messungen an einem Paraffinwachs mit β = 0.25 K min-1 und β = 10 K min-1
Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse der DSC-Messungen an organischem PCM mit zwei unterschiedlichen Heizraten. Die Ergebnisse mit niedriger Heizrate mit β = 0.25 K min-1 führen zu einem steilen Peak, aber auch zu hohen Unsicherheiten in der festen und flüssigen Phase in Bezug auf die tatsächliche spezifische Wärmekapazität cp(T). Die höhere Heizrate von β = 10 K min-1 zeigt einen breiten Temperaturbereich der Schmelze, aber auch viel genauere Ergebnisse für die tatsächliche spezifische Wärmekapazität cp(T) in der festen und flüssigen Phase.
Aus diesen Ergebnissen lässt sich ableiten, dass eine Auswertung der charakteristischen Temperaturen und der Umwandlungsenthalpien mehrere DSC-Messungen mit unterschiedlichen Heizraten erfordert, um aussagekräftige Ergebnisse in Bezug auf die Phasenübergangstemperatur und -enthalpie sowie die spezifische Wärmekapazität zu erhalten und gleichzeitig thermische Transportprozesse innerhalb der Probe auszuschließen.
Messung der effektiven Wärmeleitfähigkeit und der spezifischen Wärmekapazität von Batteriezellen
Die effektive Wärmeleitfähigkeit λeff(T)in unterschiedlichen Richtungen von Batteriezellen und deren spezifische Wärmekapazität cp(T) sind von grundlegender Bedeutung für das Verständnis des thermischen Verhaltens und des Wärmemanagements von Batteriepacks.
Die Auswertung dieser Eigenschaften war Fokus der folgenden Untersuchungen mit den NETZSCH-Geräten Laser-Flash 427, DSC 204 F1 Phoenix® und HFM 446. Die LFA 427 und DSC 204 F1 wurden zur Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit a(T) in in-plane-Richtung und von cp(T) der Anode, Kathode, Separator und Pouch-Materialien einer zerlegten Lithium-Ionen-Pouch-Zelle eingesetzt. Mit der HFM-Methode wurde cp(T) und λeff(T) einer Lithium-Ionen-Pouchzelle senkrecht zur Pouch-Oberfläche bei unterschiedlichen Ladezuständen (SoC) bestimmt.
Abbildung 4: LFA- (rechts) und DSC-Messungen (links) an dem Pouch-Material (Hüllenmaterial) einer Pouchzelle
Abbildung 4 zeigt die cp(T)- und a(T)-Ergebnisse des Pouch-Materials der untersuchten Pouch-Batteriezelle. Dieses Messverfahren wurde mit allen festen Komponenten der Pouch-Batteriezelle durchgeführt, um die effektive Wärmeleitfähigkeit in der Fläche (in-plane) auf Grundlage weiterer Finite-Elemente-Berechnungen auszuwerten.
Abbildung 5: links: im Wärmeflussmesser HFM 446 gestapelte Pouch-Zellen; rechts: Ergebnisse der effektiven Wärmeleitfähigkeit basierend auf HFM 446-Messungen
Abbildung 5 zeigt links den Messaufbau für eine through-plane-Messung (normal zur Fläche)mit dem HFM 446 und rechts die erhaltenen Ergebnisse.
Das Messverfahren auf Basis der HFM 446-Methode mit dem verwendeten Erweiterungsset und dem Pouch-Zellenstapel zeigt eine gute Reproduzierbarkeit für λeff(T)mit λeff = 0.715 W m-1 K-1 bei T = 25°C und eine erweiterte kombinierte Unsicherheit von U(k=2) = 0,02 W m-1 K-1. Unterschiede in λeff(T) konnten aufgrund des Ladezustandes (SoC) nicht aufgelöst werden.
Die ermittelten Daten für cp(T) und a(T) in in-plane-Richtung der Pouch-Komponente wurden in einem Finite-Elemente-(FE)-Modell verarbeitetet, um die In-plane-Wärmeleitfähigkeit der gesamten Pouch-Zelle mit λeff = 52.54 W m-1 K-1 zu berechnen.
Die ausgewerteten Ergebnisse zeigen, dass HFM eine geeignete zerstörungsfreie Methode zur Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit in in-plane-Richtung für Pouch-Zellen ist. Die effektive Wärmeleitfähigkeit in der Fläche lässt sich bestimmen, wenn die Zelle in ihre Bestandteile zerlegt wird, um die In-plane Temperaturleitfähigkeit sowie die spezifische Wärmekapazität und Dichte zu ermitteln. Diese Daten können dann in einem FE-Modell verarbeitet werden, um die effektive Wärmeleitfähigkeit in in-plane-Richtung zu berechnen.
Über den Autor:
Dr. Daniel Lager, MSc beschäftigt sich seit 2007 mit dem Themengebiet Thermophysik und thermische Analyse und leitet seit 2019 das dazugehörige akkreditierte Labor am AIT Austrian Institute of Technology GmbH. Er erhielt 2017 für seine Dissertation zum Thema thermophysikalischer Charakterisierung von Wärmespeichermaterialien den akademischen Grad „Doktor der technischen Wissenschaften“ von der TU Wien und ist Autor und Co-Autor zahlreicher Publikationen. Zuvor absolvierte er 2008 den Masterstudiengang Medizintechnik und 2005 den Diplomstudiengang Elektronik an der Fachhochschule Technikum-Wien. Parallel zu seiner Tätigkeit am AIT ist er als externer Lehrbeauftragter an der Fachhochschule Burgenland tätig. Daniel Lager konnte im Laufe seiner Berufstätigkeit auch Erfahrungen als Systemphysiker eines Teilchenbeschleunigers für Ionentherapie, als Systemingenieur für öffentlich sichere Datenübertragungssysteme, als Softwareentwickler für Schadensdetektionssysteme und als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschung über die Wirkung elektromagnetischer Felder auf den menschlichen Körper sammeln.
Sehen Sie sich auch das Webinar an!
In diesem Webinar stellt Dr. Daniel Lager den aktuellen Stand der Technik bezüglich Messmethoden für die thermophysikalischen Eigenschaften von Energiespeichermaterialien vor. Bezogen auf die spezifische Wärmekapazität Spezifische Wärmekapazität (cp)Die spezifische Wärmekapazität oder Wärmekapazität ist eine messbare physikalische Größe, die dem Verhältnis der einem Objekt zugeführten Wärme zur resultierenden Temperaturänderung entspricht.cp(T), Phasenübergangsenthalpie Ht, Reaktionstemperatur und ReaktionsenthalpieReaktionstemperatur und Reaktionsenthalpie können mit z.B. mit Hilfe der dynamischen Differenz Thermoanalyse (DSC) bestimmt werden. Das Verfahren dazu ist z.B. in der DIN EN ISO 11357-5 beschrieben.Reaktionsenthalpie Hr, Temperaturleitfähigkeit a(T), Wärmeleitfähigkeit λ(T) und charakteristische Temperaturen T vollzieht, vergleicht und bewertet er verschiedene standardisierte, aber auch neue Messverfahren auf Basis bestehender Messmethoden.