SUCCESVERSLAG VAN KLANT
Hoe de thermofysische eigenschappen van materialen voor energieopslag te bepalen
Een veldrapport door Dr. Daniel Lager, onderzoeksingenieur voor duurzame thermische energiesystemen aan het Centrum voor Energie, AIT Austrian Institute of Technology
Het Oostenrijks Instituut voor Technologie AIT(https://www.ait.ac.at/) is de grootste niet-universitaire onderzoeksinstelling van Oostenrijk. Met zijn zeven centra beschouwt het AIT zichzelf als een zeer gespecialiseerde onderzoeks- en ontwikkelingspartner voor de industrie en houdt het zich bezig met de belangrijkste infrastructuurthema's van de toekomst.
“NETZSCH heeft zichzelf bewezen als een betrouwbare partner. De kwaliteit van de instrumenten en hun levensduur, evenals de bruikbaarheid van de meetsoftware Proteus® voor alle gemeten variabelen, vormen belangrijke aspecten van het plaatje. Bovenal hebben de goede service en de goede dialoog met het ontwikkelings- en applicatielaboratorium op NETZSCH al veel lastige situaties opgelost.”
Over het thermofysisch laboratorium bij AIT
Het thermofysisch laboratorium biedt als geaccrediteerd testlaboratorium (EN ISO/IEC 17025) in het Centrum voor Energie metingen van thermische eigenschappen van materialen, processen en producten en bepalingen van thermofysische eigenschappen en overgangsparameters met zijn hoogwaardige en specifieke laboratoriuminfrastructuur en jarenlange ervaring. De geanalyseerde thermofysische eigenschappen omvatten warmtegeleidingscoëfficiënt λ (T), Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie a(T), Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp(T), thermische uitzetting ΔL(T)/L0, thermische uitzettingscoëfficiënt Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE α(T) en DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid ρ (T) in een temperatuurbereik van -180°C tot 1600°C. Naast de thermofysische eigenschappen wordt gelijktijdige thermische analyse met infrarood- en massaspectrometrie gebruikt om karakteristieke temperaturen, enthalpieverschillen en massaveranderingen te bepalen en om geëvolueerde gassen te Identify.
NETZSCH heeft zich als fabrikant van apparatuur gevestigd als een betrouwbare partner. De kwaliteit van de instrumenten en hun levensduur, evenals de bruikbaarheid van de meetsoftware voor alle gemeten variabelen, vormen belangrijke aspecten van het plaatje. Maar bovenal hebben de goede service en de goede dialoog met het ontwikkelings- en applicatielaboratorium op al veel lastige situaties opgelost. Proteus® NETZSCH
Het oudste instrument dat momenteel in gebruik is bij AIT is de Laser-Flash LFA 427, die al meer dan 20 jaar in gebruik is:
Phase Change Materials (PCM's) voor toepassingen van warmte- en koudeopslag
Voelbare thermische energieopslag (STES) is momenteel de meest gebruikelijke manier om warmte op te slaan door gebruik te maken van de warmtecapaciteit van het gebruikte opslagmateriaal dat ontstaat door een heersend temperatuurverschil (bijv. een warmwatertank). Recente technologie omvat latente thermische energieopslag (LTES), waarbij gebruik wordt gemaakt van de warmte van een faseverandering van een materiaal. Het belangrijkste verschil tussen het gebruik van PCM's versus STES-materialen in een warmteopslagtoepassing is dat in het eerste geval de opgeslagen warmte binnen een smal temperatuurbereik ligt en de faseovergangstemperatuur constant is. Deze eigenschap wordt gebruikt voor specifieke toepassingen, bijvoorbeeld in gebouwen. Uitdagingen in de meetprocedure zijn de nauwkeurige meting van de faseovergangs- of overgangstemperatuur, Tt, de werkelijke enthalpie van de FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergang, Δht, en de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit, Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp(T), van de verschillende fasen.
Het onderzochte PCM was een in de handel verkrijgbare paraffinewas met een smelttemperatuurbereik van 69 °C tot 71 °C, een enthalpieverschil van Δh = 260 kJ kg-1 van 62 °C tot 77 °C en een Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit van Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp = 2 kJ kg-1 K-1volgens de specificatie van de fabrikant.
De volgende DSC-experimenten werden uitgevoerd met een NETZSCH 204 F1 DSC uitgerust met een type-E DSC-sensor. Aluminium kroezen met een volume van 25 μl werden gevuld met het PCM en koud gelast met deksels. De vaste organische monsters werden zo gesneden dat ze één vlakke kant hadden, zodat er goed contact was tussen het monster en de bodem van de kroes. De DSC-experimenten werden uitgevoerd bij twee verschillende verwarmingssnelheden, met β = 0,25 K min-1 en β = 10 K min-1, enmet een massastroom geregelde stikstofgasatmosfeer.
Figuur 3 (a): Schijnbare Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp(T)-resultaten van DSC-metingen met een paraffinewas bij β = 0,25 K min-1 en β = 10 K min-1
Figuur 3 toont de resultaten van de DSC-metingen aan het organische PCM bij twee verschillende verwarmingssnelheden. De resultaten voor de lage verwarmingssnelheid met β = 0,25 K min-1 leidde tot een scherpe piek maar ook tot grote onzekerheden in de vaste of vloeibare fase wat betreft de werkelijke Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit, Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp(T). De snellere verwarmingssnelheid met β = 10 K min-1 geeft een uitgesmeerde weergave van het smelttraject maar veel nauwkeurigere resultaten voor de werkelijke Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit cp(T) in de vaste of vloeibare fase.
Uit deze resultaten hebben we geconcludeerd dat voor een evaluatie van de karakteristieke temperaturen en de omzettingsenthalpie meerdere DSC-metingen bij verschillende verwarmingssnelheden nodig zijn om zinvolle resultaten te verkrijgen met betrekking tot de faseovergangstemperatuur en enthalpie en ook met betrekking tot de specifieke warmtecapaciteit, terwijl thermische transportprocessen binnen het monster worden uitgesloten.
Metingen van de effectieve Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid en de specifieke warmtecapaciteit van batterijcellen
De effectieve Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid λeff(T)in verschillende richtingen van accucellen en hun specifieke warmtecapaciteit cp(T) zijn van essentieel belang voor het begrijpen van het thermisch gedrag en het thermisch beheer van accupacks.
De volgende experimenten waren gericht op het gebruik van de NETZSCH Laser Flash LFA 427, de NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix® en de NETZSCH warmtestromingsmeter HFM 446 om deze eigenschappen te evalueren. De LFA 427 en DSC 204 F1 werden gebruikt om de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie a(T) in de inwendige richting en de cp(T) van anode, kathode, separator en buidelmaterialen van een ontleed lithium-ion buidelcel te bepalen. De HFM-methode werd toegepast om de cp(T) en λeff(T)van een lithium-ionenzakcel loodrecht op het zakoppervlak bij een verschillende ladingstoestand (SoC) te evalueren.
Afbeelding 4: LFA- (rechts) en DSC-metingen (links) aan het buidelmateriaal van een buidelcel
Figuur 4 toont de cp(T) en a(T) resultaten voor het buidelmateriaal van de onderzochte buidelbatterijcel. Deze meetprocedure werd uitgevoerd op alle vaste onderdelen van de batterijcel om de effectieve warmtegeleiding in de vlakke richting te evalueren op basis van aanvullende berekeningen met eindige elementen.
Figuur 5: links: Buidelcellen gestapeld in HFM 446; rechts: Effectieve Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid gebaseerd op HFM 446 metingen
Figuur 5 toont de meetopstelling voor de effectieve warmtegeleidingsmeting door het vlak met de HFM 446 en de stapel buidelcellen aan de linkerkant en de ontvangen resultaten aan de rechterkant.
De meetprocedure op basis van de HFM 446 meetmethode met de toegepaste uitbreidingsset en het stapelen van de zakjescel toonde een goede reproduceerbaarheid voor λeff(T)met λeff= 0.715 W m-1 K-1 bij T = 25 °C en een uitgebreide gecombineerde onzekerheid van U(k=2) = 0,02 W m-1 K-1. Verschillen in λeff(T) als gevolg van de SoC konden niet worden opgelost in de resultaten.
De opbepaalde gegevens voor cp(T) en a(T) in de inwendige richting van de zakcomponent werden verwerkt in een eindige-elementenmodel (FE) om de inwendige warmtegeleiding van de hele zakcel te berekenen met λeff= 52,54 W m-1 K-1.
De geëvalueerde resultaten tonen aan dat HFM een geschikte niet-destructieve methode is voor het analyseren van de effectieve Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid in de doorgaande richting voor zakjescellen. De effectieve Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid in de vlakke richting kan worden bepaald door de cel te ontleden tot zijn componenten om de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie in het vlak te bepalen, evenals de specifieke warmtecapaciteit en DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid. Deze gegevens kunnen worden verwerkt in een FE-model om de effectieve warmtegeleiding in de lengterichting te bepalen.
Over de auteur:
Dr. Daniel Lager, MSc is sinds 2007 werkzaam op het gebied van thermofysica en thermische analyse. Sinds 2019 is hij hoofd van het geassocieerde geaccrediteerde laboratorium van het AIT Austrian Institute of Technology GmbH. In 2017 promoveerde hij aan de Technische Universiteit Wenen (TU Wien) op zijn proefschrift over de thermofysische karakterisering van warmteopslagmaterialen. Hij is auteur en medeauteur van talrijke publicaties.
In 2005 behaalde hij een diploma in elektronica aan de Universiteit voor Toegepaste Wetenschappen Technikum-Wien, gevolgd door een mastergraad in biomedische ingenieurswetenschappen in 2008.
Naast zijn werk bij AIT is hij een externe docent aan de Universiteit voor Toegepaste Wetenschappen Burgenland. In de loop van zijn professionele carrière heeft Daniel Lager ook ervaring opgedaan als systeemfysicus voor een deeltjesversneller voor ion therapy, als systeemingenieur voor datatransmissiesystemen in openbare veiligheidstoepassingen, als softwareontwikkelaar voor schadedetectiesystemen en als onderzoeker op het gebied van het effect van elektromagnetische compatibiliteit.
Bekijk het bijbehorende webinar!
In dit webinar presenteert Dr. Daniel Lager de nieuwste meetmethodes voor thermofysische eigenschappen van materialen voor energieopslag. Hij richt zich op specifieke warmtecapaciteitcp(T), faseovergangsenthalpieHt, reactieenthalpie Hr, Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie a(T), Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid λ(T) en karakteristieke temperaturen T, en vergelijkt en evalueert verschillende gestandaardiseerde maar ook nieuwe meettechnieken op basis van beschikbare meetmethoden. Kijk nu uit!