Témoignage de réussite d'un client
Comment déterminer les propriétés thermophysiques des matériaux de stockage de l'énergie ?
Un rapport de terrain du Dr. Daniel Lager, ingénieur de recherche pour les systèmes d'énergie thermique durable au Centre pour l'énergie, AIT Institut autrichien de technologie
L'Institut autrichien de technologie(AIT) (https://www.ait.ac.at/) est la plus grande institution de recherche non universitaire d'Autriche. Avec ses sept centres, l'AIT se considère comme un partenaire hautement spécialisé en matière de recherche et de développement pour l'industrie, et se préoccupe des thèmes clés de l'avenir en matière d'infrastructures.
“NETZSCH s'est imposé comme un partenaire fiable. La qualité des instruments et leur longévité ainsi que la facilité d'utilisation du logiciel de mesure Proteus® pour toutes les variables mesurées constituent des aspects importants de l'image. Surtout, le bon service et le bon dialogue avec le laboratoire de développement et d'application de NETZSCH ont déjà permis de résoudre de nombreuses situations délicates.”
À propos du laboratoire de thermophysique de l'ACI
Le laboratoire de thermophysique, en tant que laboratoire d'essai accrédité (EN ISO/IEC 17025) au sein du Center for Energy, propose des mesures des caractéristiques thermiques des matériaux, des processus et des produits ainsi que des déterminations des propriétés thermophysiques et des paramètres de transition grâce à son infrastructure de laboratoire spécifique et de haute qualité et à ses nombreuses années d'expérience. Les propriétés thermophysiques analysées comprennent la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique λ (T), la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique a(T), la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp(T), la dilatation thermique ΔL(T)/L0, le coefficient de dilatation thermique Coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE/CTE)Le coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE) décrit la variation de longueur d'un matériau en fonction de la température.CTE α (T) et la densité ρ (T) dans une plage de températures allant de -180°C à 1600°C. Outre les propriétés thermophysiques, l'analyse thermique simultanée par spectrométrie infrarouge et de masse est utilisée pour déterminer les températures caractéristiques, les différences d'enthalpie et les changements de masse, ainsi que pour identifier les gaz dégagés.
NETZSCH s'est imposé comme un partenaire fiable en tant que fabricant d'équipements. La qualité des instruments et leur longévité ainsi que la facilité d'utilisation du logiciel de mesure pour toutes les variables mesurées constituent des aspects importants de l'image. Mais surtout, le bon service et le bon dialogue avec le laboratoire de développement et d'application à ont déjà permis de résoudre de nombreuses situations délicates. Proteus® NETZSCH
L'instrument le plus ancien actuellement utilisé à l'AIT est le Laser-Flash LFA 427, qui fonctionne depuis plus de 20 ans :
Matériaux à changement de phase (MCP) pour les applications de stockage de l'énergie thermique
Le stockage de l'énergie thermique sensible (STES) est actuellement le moyen le plus courant de stocker la chaleur en utilisant la capacité thermique du matériau de stockage utilisé qui résulte d'une différence de température dominante (par exemple, un réservoir d'eau chaude). Les technologies récentes incluent le stockage de l'énergie thermique latente (LTES), qui utilise la chaleur d'un changement de phase d'un matériau. La principale différence entre l'utilisation des MCP et des matériaux STES dans une application de stockage de chaleur est que, dans le premier cas, la chaleur stockée se situe dans une plage de température étroite et que la température de Transitions de phaseLe terme de transition de phase (ou changement de phase) est le plus souvent utilisé pour décrire les transitions entre les états solide, liquide et gazeux. transition de phase est constante. Cette caractéristique est utilisée pour des applications spécifiques, par exemple dans le domaine de la construction. Les défis de la procédure de mesure sont la mesure précise du changement de phase ou de la température de transition, Tt, les enthalpies de Transitions de phaseLe terme de transition de phase (ou changement de phase) est le plus souvent utilisé pour décrire les transitions entre les états solide, liquide et gazeux. transition de phase réelles, Δht, et la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique, Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp(T), des différentes phases.
Le MCP étudié était une cire de paraffine disponible dans le commerce avec une plage de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). température de fusion de 69°C à 71°C, une différence d'enthalpie de Δh = 260 kJ kg-1 de 62°C à 77°C, et une Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique de Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp = 2 kJ kg-1 K-1conformément aux spécifications du fabricant.
Les expériences DSC suivantes ont été réalisées avec une DSC NETZSCH 204 F1 équipée d'un capteur DSC de type E. Des creusets en aluminium d'un volume de 25 μl ont été remplis de PCM et soudés à froid avec des couvercles. Les échantillons organiques solides ont été coupés pour avoir un côté plat, afin d'assurer un bon contact entre l'échantillon et le fond du creuset. Les expériences DSC ont été menées à deux vitesses de chauffage différentes, avec β = 0,25 K min-1 et β = 10 K min-1, etavec une atmosphère d'azote gazeux à débit massique contrôlé.
Figure 3 (a) : Résultats du Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp(T) apparent des mesures DSC avec une cire de paraffine à β = 0,25 K min-1 et β = 10 K min-1
La figure 3 illustre les résultats des mesures DSC sur le MCP organique à deux vitesses de chauffage différentes. Les résultats pour la faible vitesse de chauffage avec β = 0,25 K min-1 ont conduit à un pic net mais aussi à de grandes incertitudes dans la phase solide ou liquide concernant la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique réelle, Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp(T). La vitesse de chauffage plus rapide avec β = 10 K min-1 indique une représentation étalée de la plage de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion mais des résultats beaucoup plus précis pour la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique réelle cp(T) dans la phase solide ou liquide.
Ces résultats nous ont permis de conclure qu'une évaluation des températures caractéristiques et des enthalpies de transformation nécessite plusieurs mesures DSC à différentes vitesses de chauffage pour obtenir des résultats significatifs concernant la température et l'enthalpie de Transitions de phaseLe terme de transition de phase (ou changement de phase) est le plus souvent utilisé pour décrire les transitions entre les états solide, liquide et gazeux. transition de phase ainsi que la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique, tout en excluant les processus de transport thermique à l'intérieur de l'échantillon.
Mesures de la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique effective et de la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique des cellules de batterie
La Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique effective λeff(T)dans différentes directions des éléments de batterie ainsi que leur Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique cp(T) sont d'une importance essentielle pour comprendre le comportement thermique et la gestion thermique des packs de batteries.
Les expériences suivantes se sont concentrées sur l'utilisation du flash laser LFA 427 ( NETZSCH ), du DSC 204 ( NETZSCH ) F1 ( Phoenix® ) et du débitmètre thermique HFM 446 ( NETZSCH ) pour évaluer ces propriétés. Le LFA 427 et le DSC 204 F1 ont été utilisés pour déterminer la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique a(T) dans la direction du plan et le cp(T) des matériaux de l'anode, de la cathode, du séparateur et de la poche d'une cellule lithium-ion disséquée. La méthode HFM a été appliquée pour évaluer cp(T) et λeff(T)d'une cellule lithium-ion à poche perpendiculaire à la surface de la poche à différents états de charge (SoC).
Figure 4 : Mesures LFA (à droite) et DSC (à gauche) sur le matériau de la poche d'une cellule de poche
La figure 4 représente les résultats cp(T) et a(T) pour le matériau de la poche de la cellule de batterie à poche étudiée. Cette procédure de mesure a été effectuée avec tous les composants solides de la cellule de batterie à poche afin d'évaluer la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique effective dans la direction du plan, sur la base de calculs supplémentaires par éléments finis.
Figure 5 : à gauche : Cellules de poche empilées dans le HFM 446 ; à droite : Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.Conductivité thermique effective basée sur les mesures du HFM 446
La figure 5 illustre le dispositif de mesure de la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique effective dans le plan traversant avec le HFM 446 et la pile de cellules de poche sur le côté gauche, ainsi que les résultats obtenus sur le côté droit.
La procédure de mesure basée sur la méthode de mesure HFM 446 avec le jeu d'extension appliqué et la pile de cellules de poche a montré une bonne reproductibilité pour λeff(T)avec λeff= 0.715 W m-1 K-1 à T = 25°C et une incertitude combinée élargie de U(k=2) = 0,02 W m-1 K-1. Les différences de λeff(T) dues au SoC n'ont pas pu être résolues dans les résultats.
Les données déterminées surpour cp(T) et a(T) dans la direction du plan de la poche ont été traitées dans un modèle d'éléments finis (FE) pour calculer la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique dans le plan de la cellule de la poche entière avec λeff= 52,54 W m-1 K-1.
Les résultats évalués montrent que la méthode HFM est une méthode non destructive appropriée pour analyser la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique effective dans le plan des cellules de poche. La Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique effective dans le sens du plan peut être déterminée en disséquant la cellule en ses composants pour déterminer la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique dans le plan ainsi que la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique et la densité. Ces données peuvent être traitées dans un modèle FE pour évaluer la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique effective dans le plan.
À propos de l'auteur :
Daniel Lager, MSc, travaille dans le domaine de la thermophysique et de l'analyse thermique depuis 2007. Il dirige le laboratoire accrédité associé à l'AIT Austrian Institute of Technology GmbH à partir de 2019. En 2017, il a obtenu un doctorat de l'Université de technologie de Vienne (TU Wien) pour sa thèse sur la caractérisation thermophysique des matériaux de stockage de la chaleur. Il est l'auteur et le coauteur de nombreuses publications.
En 2005, il a obtenu un diplôme en électronique à l'université des sciences appliquées de Technikum-Wien, puis un master en sciences de l'ingénierie biomédicale en 2008.
Parallèlement à son travail à l'ACI, il est chargé de cours à l'université des sciences appliquées du Burgenland. Au cours de sa carrière professionnelle, Daniel Lager a également pu acquérir de l'expérience en tant que physicien système pour un accélérateur de particules destiné à la thérapie ionique, en tant qu'ingénieur système pour des systèmes de transmission de données dans des applications de sécurité publique, en tant que développeur de logiciels pour des systèmes de détection de dommages et en tant que chercheur dans le domaine de l'effet de la compatibilité électromagnétique.
Regardez le webinaire correspondant !
Dans ce webinaire, le Dr. Daniel Lager présente les méthodologies de mesure les plus modernes pour les propriétés thermophysiques des matériaux de stockage de l'énergie. En se concentrant sur la capacité thermique spécifiquecp(T), l'enthalpie de transition de phaseHt, l'enthalpie de réaction Hr, la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique a(T), la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique λ(T) et les températures caractéristiques T, il effectue, compare et évalue diverses techniques de mesure standardisées mais aussi nouvelles, basées sur les méthodes de mesure disponibles. Attention !