Kundens framgångshistoria
Hur man fastställer de termofysiska egenskaperna hos energilagringsmaterial
En fältrapport av Dr. Daniel Lager, forskningsingenjör för hållbara termiska energisystem vid Center for Energy, AIT Austrian Institute of Technology
AIT Austrian Institute of Technology(https://www.ait.ac.at/) är Österrikes största forskningsinstitution utanför universitetsvärlden. Med sina sju centra betraktar sig AIT som en högspecialiserad forsknings- och utvecklingspartner för industrin och ägnar sig åt framtidens viktigaste infrastrukturfrågor.
“NETZSCH har etablerat sig som en pålitlig partner. Instrumentens kvalitet och långa livslängd samt mätprogramvarans användbarhet Proteus® för alla mätvariabler är viktiga aspekter i sammanhanget. Framför allt har den goda servicen samt den goda dialogen med utvecklings- och applikationslaboratoriet på NETZSCH redan löst många knepiga situationer.”
Om det termofysiska laboratoriet vid AIT
Termofysiklaboratoriet som är ett ackrediterat testlaboratorium (EN ISO/IEC 17025) i Center for Energy erbjuder mätningar av termiska egenskaper hos material, processer och produkter samt bestämningar av termofysiska egenskaper och övergångsparametrar med sin högkvalitativa och specifika laboratorieinfrastruktur och många års erfarenhet. De termofysikaliska egenskaper som analyseras inkluderar Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga λ(T), Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheten mm2/s) är en materialspecifik egenskap för att karakterisera instationär värmeledning. Detta värde beskriver hur snabbt ett material reagerar på en temperaturförändring.termisk diffusivitet a(T), Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.specifik värmekapacitet Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp(T), termisk expansion ΔL(T)/L0, termisk expansionskoefficient Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE α(T) och TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet ρ ( T) i ett temperaturområde från -180°C till 1600°C. Förutom de termofysikaliska egenskaperna används samtidig termisk analys med infraröd- och masspektrometri för att bestämma karakteristiska temperaturer, entalpidifferenser och massförändringar samt för att Identify utvecklade gaser.
NETZSCH har etablerat sig som en pålitlig partner i egenskap av utrustningstillverkare. Instrumentens kvalitet och livslängd samt användbarheten hos mätprogramvaran för alla mätvariabler är viktiga aspekter i sammanhanget. Framför allt har dock den goda servicen och den goda dialogen med utvecklings- och applikationslaboratoriet på redan löst många knepiga situationer. Proteus® NETZSCH
Det äldsta instrumentet som för närvarande används hos AIT är Laser-Flash LFA 427, som har varit i drift i mer än 20 år:
Fasändringsmaterial (PCM) för lagring av termisk energi
Känslig termisk energilagring (STES) är för närvarande det vanligaste sättet att lagra värme genom att utnyttja värmekapaciteten hos det använda lagringsmaterialet som uppstår vid en rådande temperaturskillnad (t.ex. en varmvattentank). Ny teknik inkluderar latent termisk energilagring (LTES), som använder värmen från en fasförändring av ett material. Den största skillnaden mellan att använda PCM- och STES-material i en värmelagringsapplikation är att den lagrade värmen i det förstnämnda materialet ligger inom ett smalt temperaturintervall och att fasövergångstemperaturen är konstant. Denna egenskap används för specifika tillämpningar, t.ex. i byggnadsapplikationer. Utmaningar i mätförfarandet är noggrann mätning av fasförändringen eller övergångstemperaturen, Tt, de faktiska fasövergångsenthalpierna, Δht, och den specifika värmekapaciteten, Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp(T), för de olika faserna.
Den undersökta PCM var ett kommersiellt tillgängligt paraffinvax med en Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smälttemperatur på 69°C till 71°C, en entalpiskillnad på Δh = 260 kJ kg-1 från 62°C till 77°C och en Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.specifik värmekapacitet på Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp = 2 kJ kg-1 K-1enligt tillverkarens specifikation.
Följande DSC-försök utfördes med en NETZSCH 204 F1 DSC utrustad med en DSC-sensor av typ E. Aluminiumdeglar med en volym på 25 μl fylldes med PCM och kallsvetsades med lock. De fasta organiska proverna skars så att de fick en plan sida för att säkerställa god kontakt mellan provet och degelns botten. DSC-experimenten utfördes med två olika uppvärmningshastigheter, med β = 0,25 K min-1 och β = 10 K min-1, ochmed en massflödeskontrollerad kvävgasatmosfär.
Figur 3 (a): Resultat från DSC-mätningar med ett paraffinvax vid β = 0,25 K min-1 och β = 10 K min-1
Figur 3 visar resultaten från DSC-mätningarna på den organiska PCM vid två olika uppvärmningshastigheter. Resultaten för den låga uppvärmningshastigheten med β = 0,25 K min-1 ledde till en skarp topp men också till stora osäkerheter i den fasta eller flytande fasen när det gäller den faktiska specifika värmekapaciteten, Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp(T). Den snabbare uppvärmningshastigheten med β = 10 K min-1 indikerar en utsmetad representation av smältområdet men mycket mer exakta resultat för den faktiska specifika värmekapaciteten Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp(T ) i den fasta eller flytande fasen.
Av dessa resultat drog vi slutsatsen att en utvärdering av de karakteristiska temperaturerna och omvandlingsentalpierna kräver flera DSC-mätningar vid olika uppvärmningshastigheter för att uppnå meningsfulla resultat avseende fasövergångstemperaturen och -entalpin och även avseende den specifika värmekapaciteten, samtidigt som termiska transportprocesser inom provet utesluts.
Mätningar av effektiv Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga och Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.specifik värmekapacitet på battericeller
Den effektiva värmeledningsförmågan λeff(T)i olika riktningar hos battericeller samt deras specifika värmekapacitet cp(T ) är av avgörande betydelse för att förstå det termiska beteendet och den termiska hanteringen av batteripaket.
Följande experiment fokuserade på användning av NETZSCH Laser Flash LFA 427, NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix® och NETZSCH Heat Flow Meter HFM 446 för att utvärdera dessa egenskaper. LFA 427 och DSC 204 F1 användes för att bestämma den termiska diffusiviteten a(T) i planriktningen och cp( T ) för anod-, katod-, separator- och pouchmaterial i en dissekerad litiumjon-pouchcell. HFM-metoden användes för att utvärdera cp(T) och λeff( T)för en litiumjoncell vinkelrätt mot cellens yta vid olika laddningstillstånd (SoC).
Figur 4: LFA- (höger) och DSC-mätningar (vänster) på påsmaterialet i en påscell
I figur 4 visas resultaten för cp(T) och a(T) för påsmaterialet i den undersökta battericellen med påse. Denna mätprocedur genomfördes med alla solida komponenter i battericellen för att utvärdera den effektiva värmeledningsförmågan i planriktningen baserat på ytterligare Finita Element-beräkningar.
Figur 5: vänster: Pouchceller staplade i HFM 446; höger: Effektiv Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga baserad på HFM 446-mätningar
Figur 5 visar mätuppställningen för mätning av effektiv Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga genom planet med HFM 446 och påscellsstacken på vänster sida samt de mottagna resultaten på höger sida.
Mätproceduren baserad på HFM 446-mätmetoden med den tillämpade förlängningsuppsättningen och påsens cellstapel visade god reproducerbarhet för λeff(T)med λeff = 0.715 W m-1 K-1 vid T = 25°C och en utökad kombinerad osäkerhet på U(k=2 ) = 0,02 W m-1 K-1. Skillnader i λeff(T) på grund av SoC kunde inte lösas upp i resultaten.
De påbestämda uppgifterna för cp( T ) och a(T) i påskomponentens riktning i planet bearbetades i en FE-modell (Finita Element) för att beräkna värmeledningsförmågan i planet för hela påscellen med λeff = 52,54 W m-1 K-1.
De utvärderade resultaten visar att HFM är en lämplig icke-destruktiv metod för att analysera den effektiva värmeledningsförmågan i genomgående plan för påsceller. Den effektiva värmeledningsförmågan i planets riktning kan bestämmas genom att dissekera cellen till dess beståndsdelar för att bestämma den termiska diffusiviteten i planets riktning samt den specifika värmekapaciteten och densiteten. Dessa data kan bearbetas i en FE-modell för att utvärdera den effektiva värmeledningsförmågan i planet.
Om författaren:
Dr. Daniel Lager, MSc, har arbetat inom termofysik och termisk analys sedan 2007. Sedan 2019 är han chef för det tillhörande ackrediterade laboratoriet vid AIT Austrian Institute of Technology GmbH. År 2017 erhöll han en doktorsexamen från Wiens tekniska universitet (TU Wien) för sin avhandling om termofysisk karakterisering av värmelagringsmaterial. Han har författat och varit medförfattare till ett stort antal publikationer.
År 2005 tog han en examen i elektronik från University of Applied Sciences Technikum-Wien, följt av en magisterexamen i biomedicinsk ingenjörsvetenskap 2008.
Parallellt med sitt arbete på AIT är han extern föreläsare vid University of Applied Sciences Burgenland. Under sin yrkeskarriär har Daniel Lager också hunnit skaffa sig erfarenhet som systemfysiker för en partikelaccelerator för jonterapi, som systemingenjör för dataöverföringssystem i tillämpningar för allmän säkerhet, som mjukvaruutvecklare för system för skadedetektering och som forskare inom området för effekten av elektromagnetisk kompatibilitet.
Titta på motsvarande webinar!
I detta webinar presenterar Dr. Daniel Lager de senaste mätmetoderna för termofysikaliska egenskaper hos energilagringsmaterial. Med fokus på specifik värmekapacitetcp(T), fasövergångsentalpiHt, reaktionsentalpi Hr, Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheten mm2/s) är en materialspecifik egenskap för att karakterisera instationär värmeledning. Detta värde beskriver hur snabbt ett material reagerar på en temperaturförändring.termisk diffusivitet a(T), Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga λ(T) och karakteristiska temperaturer T, utför, jämför och utvärderar han olika standardiserade men även nya mättekniker baserat på tillgängliga mätmetoder. Se upp nu!