고객 성공 사례
에너지 저장 재료의 열물리학적 특성을 결정하는 방법
AIT 오스트리아 공과대학 에너지 센터의 지속 가능한 열에너지 시스템 연구 엔지니어인 다니엘 라거 박사의 현장 보고서
AIT 오스트리아 공과대학(https://www.ait.ac.at/)은 오스트리아 최대 규모의 비대학 연구 기관입니다. 7개의 센터를 보유한 AIT는 산업계를 위한 고도로 전문화된 연구 개발 파트너로서 미래의 주요 인프라 주제에 대해 연구하고 있습니다.
“NETZSCH 는 신뢰할 수 있는 파트너로 자리매김했습니다. 계측기의 품질과 수명은 물론 모든 측정 변수에 대한 측정 소프트웨어( Proteus® )의 유용성 또한 중요한 요소로 작용합니다. 무엇보다도 개발 및 응용 연구실( NETZSCH )과의 좋은 대화와 좋은 서비스는 이미 많은 까다로운 상황을 해결해 주었습니다.”
AIT 열물리 연구실 소개
에너지 센터의 공인 시험소(EN ISO/IEC 17025)인 열물리 실험실은 고품질의 구체적인 실험실 인프라와 다년간의 경험을 바탕으로 재료, 공정 및 제품의 열 특성 측정은 물론 열물리 특성 및 전이 파라미터의 결정을 제공합니다. 분석되는 열물리 특성으로는 -180°C~1600°C 온도 범위에서 열전도도 λ (T), 열확산도 a(T), 비열용량 비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp(T), 열팽창 ΔL(T)/L0, 열팽창 계수 CTE α(T) , 밀도 ρ (T) 등이 있습니다. 열물리학적 특성 외에도 적외선 및 질량 분석법을 사용한 동시 열 분석을 통해 특성 온도, 엔탈피 차이 및 질량 변화를 결정하고 진화한 가스를 식별할 수 있습니다.
NETZSCH 는 장비 제조업체로서 신뢰할 수 있는 파트너로 자리매김했습니다. 계측기의 품질과 수명은 물론 모든 측정 변수에 대한 측정 소프트웨어( )의 유용성 또한 중요한 요소입니다. 그러나 무엇보다도 개발 및 응용 연구실( )과의 좋은 대화와 좋은 서비스는 이미 많은 까다로운 상황을 해결해 주었습니다. Proteus® NETZSCH
현재 AIT에서 사용 중인 가장 오래된 기기는 20년 이상 사용된 Laser-Flash LFA 427입니다:
열 에너지 저장 애플리케이션을 위한 상변화 물질(PCM)
현열 에너지 저장(STES)은 현재 가장 일반적인 방법으로, 일반적인 온도 차이(예: 온수 탱크)에서 발생하는 활용 저장 물질의 열 용량을 이용해 열을 저장하는 방식입니다. 최근 기술로는 재료의 상 변화 열을 이용하는 잠열 에너지 저장(LTES)이 있습니다. 열 저장 애플리케이션에서 PCM과 STES 소재를 사용하는 것의 주요 차이점은 전자의 경우 저장된 열이 좁은 온도 범위 내에 있고 상전이 온도가 일정하다는 것입니다. 이러한 특성은 건물 애플리케이션과 같은 특정 애플리케이션에 사용됩니다. 측정 절차의 과제는 상 변화 또는 전이 온도인 Tt, 실제 상 전이 엔탈피인 Δht, 다른 상들의 비열 용량인 비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp(T)를 정확하게 측정하는 것입니다.
조사 대상 PCM은 시중에서 판매되는 파라핀 왁스로, 제조사 사양에 따라 용융 온도 범위는 69°C~71°C, 엔탈피 차이는 62°C~77°C에서 Δh = 260kJ kg-1, 비열 용량은 비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp = 2kJ kg-1 K-1입니다.
다음 DSC 실험은 타입-E DSC 센서가 장착된 NETZSCH 204 F1 DSC로 수행되었습니다. 부피가 25 μl인 알루미늄 도가니에 PCM을 채우고 뚜껑을 냉용접했습니다. 고체 유기 시료는 시료와 도가니 바닥이 잘 접촉할 수 있도록 한쪽 면이 평평하도록 절단했습니다. DSC 실험은 β = 0.25 K min-1 및 β = 10 K min-1의 두 가지 가열 속도와 질량 유량 제어 질소 가스 분위기에서에서 수행되었습니다.
그림 3 (a): Β = 0.25 K min-1 및 β = 10 K min-1에서 파라핀 왁스를 사용한 DSC 측정의 겉보기비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp(T) 결과
그림 3은 두 가지 가열 속도에서 유기 PCM에 대한 DSC 측정 결과를 보여줍니다. Β = 0.25 K min-1의 낮은 가열 속도에 대한 결과는 급격한 피크를 보였지만 실제 비열 용량인 비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp(T)에 대한 고체 또는 액체상의 높은 불확실성을 초래했습니다. Β = 10 K min-1로 가열 속도가 빠를수록 용융 범위가 흐릿하게 표현되지만 고체 또는 액체상의 실제 비열 용량 cp(T) 에 대해서는 훨씬 더 정확한 결과를 나타냈습니다.
이러한 결과로부터 우리는 특성 온도와 변환 엔탈피를 평가하려면 시료 내의 열 전달 과정을 배제하면서 상전이 온도와 엔탈피, 비열 용량에 관한 의미 있는 결과를 얻기 위해 다양한 가열 속도에서 여러 번의 DSC 측정이 필요하다는 결론을 내렸습니다.
배터리 셀의 유효 열전도율 및 비열 용량 측정
배터리 셀의 여러 방향에 대한 유효 열전도율 λeff(T)과 비열 용량 cp(T) 는 배터리 팩의 열 거동과 열 관리를 이해하는 데 매우 중요합니다.
다음 실험에서는 이러한 특성을 평가하기 위해 NETZSCH 레이저 플래시 LFA 427, NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix® 및 NETZSCH 열 유량계 HFM 446을 사용하는 데 중점을 두었습니다. 해부된 리튬 이온 파우치 셀의 양극, 음극, 분리막 및 파우치 재료의 평면 방향 열 확산도 a(T) 및 cp(T) 를 측정하기 위해 LFA 427 및 DSC 204 F1 를 사용했습니다. HFM 방법을 적용하여 파우치 표면에 수직인 리튬 이온 파우치 셀의 cp(T ) 및 λeff(T)를 다른 충전 상태(SoC)에서 평가했습니다.
그림 4: 파우치 셀의 파우치 재료에 대한 LFA(오른쪽) 및 DSC 측정(왼쪽)
그림 4는 조사 대상 파우치 배터리 셀의 파우치 소재에 대한 cp(T) 및 a(T) 결과를 나타냅니다. 이 측정 절차는 추가 유한 요소 계산을 기반으로 평면 방향의 유효 열전도도를 평가하기 위해 파우치 배터리 셀의 모든 고체 구성 요소에 대해 수행되었습니다.
그림 5: 왼쪽: HFM 446에 적층된 파우치 셀, 오른쪽: HFM 446 측정에 기반한 유효 열전도율
그림 5는 왼쪽에 HFM 446과 파우치 셀 스택을 사용한 유효 열전도율 평면 측정을 위한 측정 설정과 오른쪽에 수신된 결과를 보여줍니다.
확장 세트와 파우치 셀 스택을 적용한 HFM 446 측정 방법을 기반으로 한 측정 절차는 λeff = 0인 λeff(T)에 대해 우수한 재현성을 보여주었습니다. t = 25°C에서 715W m-1 K-1, 확장된 결합 불확도는 U(k=2) = 0.02W m-1 K-1입니다. SoC로 인한 λeff(T) 의 차이는 결과에서 해결할 수 없었습니다.
파우치 구성 요소의 평면 방향의 cp(T ) 및 a(T ) 결정 데이터를 유한 요소(FE) 모델에서 처리하여 전체 파우치 셀의 평면 열전도율을 λeff= 52.54W m-1 K-1로 계산했습니다.
평가된 결과는 HFM이 파우치 셀의 관통면 방향 유효 열전도도를 분석하는 데 적합한 비파괴 방법이라는 것을 보여줍니다. 평면 방향의 유효 열전도율은 셀을 구성 요소로 분해하여 평면 내 열 확산률과 비열 용량 및 밀도를 측정하여 결정할 수 있습니다. 이 데이터는 FE 모델에서 처리하여 평면 내 유효 열전도율을 평가할 수 있습니다.
저자 소개:
다니엘 라거 박사는 2007년부터 열물리학 및 열 분석 분야에서 일하고 있습니다. 2019년 현재 AIT 오스트리아 공과대학교의 관련 공인 연구소 책임자로 재직 중입니다. 2017년에는 열 저장 재료의 열물리학적 특성 분석에 관한 논문으로 비엔나 공과대학교(TU Wien)에서 박사 학위를 받았습니다. 그는 수많은 출판물을 저술 및 공저했습니다.
2005년에는 빈 응용과학대학 테크니쿰에서 전자공학 학사 학위를, 2008년에는 생명공학 석사 학위를 취득했습니다.
AIT에서의 업무와 병행하여 부겐란트 응용과학대학의 외부 강사로도 활동하고 있습니다. 다니엘 라거는 전문 경력을 쌓는 과정에서 이온 치료용 입자 가속기의 시스템 물리학자, 공공 안전 애플리케이션의 데이터 전송 시스템 엔지니어, 손상 감지 시스템용 소프트웨어 개발자, 전자기 호환성 효과 분야의 연구원으로도 경험을 쌓을 수 있었습니다.