Les ultrasons font progresser les matériaux à changement de phase pour le stockage d’énergie

Face à la croissance de la demande mondiale en gestion efficace de l’énergie, les matériaux à changement de phase (MCP) suscitent un intérêt croissant en tant que solution performante pour le stockage d’énergie thermique. Ces matériaux peuvent absorber et restituer de grandes quantités de chaleur lors de la fusion et de la solidification, ce qui les rend précieux pour des applications allant de la climatisation des bâtiments au refroidissement des batteries et aux systèmes d’énergie renouvelable.
Cependant, malgré leurs propriétés prometteuses, de nombreux MCP se heurtent à des difficultés pratiques qui limitent leur utilisation à grande échelle. Chercheurs et ingénieurs se tournent de plus en plus vers le traitement par ultrasons de haute puissance – également appelé sonication – pour surmonter ces obstacles et exploiter pleinement le potentiel des matériaux à changement de phase.
Le traitement par ultrasons permet de créer des MCP nano-améliorés et nanoencapsulés, améliore la stabilité des dispersions et contribue à optimiser les performances thermiques. La sonication s’impose ainsi comme l’une des technologies les plus efficaces pour produire des systèmes MCP avancés.

Homogénéisateur à ultrasons UIP2000hdT pour le traitement des MCP

Pourquoi les matériaux à changement de phase sont importants pour le stockage d’énergie

Les matériaux à changement de phase stockent l’énergie sous forme de chaleur latente, absorbée lors de la fusion et restituée lorsque le matériau se solidifie. Contrairement aux matériaux conventionnels, qui stockent la chaleur uniquement par variation de température, les MCP peuvent stocker et restituer de grandes quantités d’énergie à une température presque constante.
Cette propriété les rend très intéressants pour les systèmes de gestion thermique. Dans les bâtiments, les MCP peuvent réguler la température intérieure en absorbant l’excédent de chaleur pendant la journée et en le restituant lorsque la température baisse. Dans les systèmes d’énergie renouvelable, ils permettent de stocker l’énergie thermique provenant des capteurs solaires. Ils sont également de plus en plus utilisés pour le refroidissement de l’électronique, la gestion thermique des batteries et le transport à température contrôlée.
Les hydrates de sel et les matériaux organiques comptent parmi les MCP les plus étudiés. Par exemple, le sel de Glauber (sulfate de sodium décahydraté) suscite un intérêt considérable en raison de son enthalpie de fusion élevée et de sa température de transition de phase adaptée. Ces caractéristiques lui permettent de stocker efficacement d’importantes quantités d’énergie thermique.
Pourtant, de nombreux systèmes MCP présentent des problèmes de stabilité qu’il faut résoudre avant qu’ils puissent être largement adoptés.

Les défis persistants des MCP conventionnels

Si les matériaux à changement de phase peuvent stocker de grandes quantités d’énergie, leurs performances pratiques dépendent souvent de la stabilité du matériau au fil des cycles répétés de chauffage et de refroidissement. De nombreux MCP souffrent de ségrégation de phases, de surfusion et d’une faible stabilité de dispersion, autant de phénomènes qui peuvent dégrader les performances thermiques au fil du temps.
Dans les systèmes à base d’hydrates de sel tels que le sel de Glauber, ces problèmes sont particulièrement marqués. Une ségrégation de phases peut se produire lorsque différents composants se séparent pendant la fusion, tandis que la surfusion peut empêcher le matériau de cristalliser à la température attendue. Cela retarde la libération de chaleur et réduit l’efficacité du système.
Un autre problème courant est la formation d’agrégats lors de l’incorporation d’additifs ou de nanoparticules dans les formulations de MCP. Les méthodes de mélange conventionnelles échouent souvent à disperser les particules de manière uniforme, ce qui entraîne des dispersions instables et un comportement thermique irrégulier.
Pour remédier à ces limites, les chercheurs ont de plus en plus recours au traitement par ultrasons, qui offre une méthode très efficace pour disperser des matériaux à l’échelle micro- et nanométrique.

Comment la sonication améliore la formulation des MCP

La sonication repose sur le phénomène de cavitation acoustique, qui se produit lorsque des ondes ultrasonores de haute intensité se propagent dans un liquide. Ces ondes génèrent des bulles microscopiques qui implosent rapidement, produisant des zones localisées de température, de pression et de forces de cisaillement extrêmes.
Ce processus crée des conditions de mélange intenses, impossibles à atteindre avec une agitation mécanique traditionnelle. La sonication peut ainsi briser les agglomérats de particules, réduire la taille des particules et répartir uniformément les additifs dans toute la matrice du MCP.
Des travaux expérimentaux sur des dispersions de MCP montrent que le mélange par ultrasons produit des agrégats nettement plus petits et des mélanges plus homogènes que l’agitation magnétique, ce qui se traduit par une meilleure stabilité et une meilleure reproductibilité.
Ces améliorations influencent directement les performances thermiques, car une dispersion homogène garantit que le changement de phase se produit de manière uniforme dans tout le matériau.

Pourquoi la sonication améliore la stabilité des MCP

Les recherches montrent que la méthode de mélange joue un rôle crucial dans les performances des MCP.
Par exemple, des expériences menées sur des dispersions de MCP à base d’hydrates de sel ont montré que le mélange par ultrasons améliorait l’homogénéité et la stabilité par rapport aux méthodes de mélange traditionnelles

Le traitement par ultrasons améliore les systèmes MCP grâce à plusieurs mécanismes :

1. Taille de particules plus petite
   Les forces de cavitation fragmentent les gros cristaux ou agrégats en fines particules.
2. Meilleure uniformité de dispersion
   Les ultrasons garantissent une répartition homogène des additifs tels que les agents de nucléation et les épaississants.
3. Sédimentation réduite
   Les particules plus fines restent plus longtemps en suspension.
4. Meilleures performances thermiques
   Les systèmes homogènes présentent des transitions de phase plus régulières et un stockage de chaleur effectif plus élevé.

Matériaux à changement de phase nano-améliorés : améliorer la conductivité thermique

L’une des avancées les plus prometteuses de la recherche sur les MCP est l’émergence des matériaux à changement de phase nano-améliorés (NePCM). Dans ces systèmes, des nanoparticules sont incorporées dans la matrice du MCP afin d’augmenter la conductivité thermique et d’accélérer le transfert de chaleur.
Des nanomatériaux tels que le graphène, les nanotubes de carbone et les oxydes métalliques peuvent améliorer considérablement les vitesses de transfert de chaleur. Cependant, les nanoparticules ont tendance à s’agglomérer en raison des fortes forces d’attraction entre particules. Si ces amas ne sont pas correctement dispersés, les améliorations attendues de la conductivité thermique ne peuvent pas être obtenues.
Le traitement par ultrasons joue ici un rôle crucial. Les forces de cavitation intenses générées par la sonication désagrègent les amas de nanoparticules et les répartissent uniformément dans tout le MCP. Les MCP nano-améliorés ainsi obtenus absorbent et restituent la chaleur plus rapidement, ce qui les rend bien plus efficaces pour les applications de stockage d’énergie thermique.

Nano-encapsulation : prévenir les fuites et améliorer la durabilité

Une autre innovation importante rendue possible par le traitement par ultrasons est la nano-encapsulation des matériaux à changement de phase.
Dans les MCP nano-encapsulés, le matériau à changement de phase est enfermé dans une coque protectrice – souvent constituée de polymères, de silice ou de matériaux hybrides. Cette coque empêche les fuites lorsque le MCP fond et protège le matériau de la dégradation chimique.
La sonication permet de produire des émulsions extrêmement fines qui servent de base aux micro- et nanocapsules. Le procédé génère des gouttelettes uniformes qui forment ensuite le cœur de MCP, tandis que les matériaux de la coque polymérisent ou se condensent autour d’elles. Les capsules obtenues présentent des distributions de taille étroites et une meilleure stabilité mécanique.
Ces MCP encapsulés sont de plus en plus utilisés dans des applications avancées, notamment les textiles intelligents, les revêtements, le refroidissement de l’électronique et les systèmes de gestion thermique.

La cire de paraffine comme MCP : un exemple pratique de sonication

Les matériaux à changement de phase organiques tels que la cire de paraffine sont largement utilisés en raison de leur stabilité chimique, de leur caractère non corrosif et de leurs températures de fusion favorables. Les MCP à base de paraffine sont couramment utilisés dans les matériaux de construction, les systèmes solaires thermiques et les technologies de régulation thermique.
Cependant, la cire de paraffine présente aussi une conductivité thermique relativement faible et peut former de grosses gouttelettes ou des agrégats lorsqu’elle est incorporée dans des émulsions ou des matériaux composites. La sonication offre une solution performante à ces difficultés.
Lorsque la cire de paraffine est traitée par ultrasons de haute puissance, les forces de cavitation fragmentent la cire fondue en gouttelettes extrêmement fines, créant des émulsions ou des dispersions stables. La cire peut ainsi être répartie uniformément dans un fluide porteur ou une matrice polymère. Les formulations de MCP obtenues présentent de meilleures propriétés de transfert de chaleur et une stabilité accrue au fil des cycles répétés de changement de phase.
Le traitement par ultrasons est également largement utilisé pour produire des microcapsules de paraffine, dans lesquelles des gouttelettes de cire fondue sont encapsulées dans des coques polymères. Ces capsules empêchent les fuites lors de la fusion et permettent d’intégrer les MCP à base de paraffine dans des matériaux de construction, des revêtements ou des textiles.

Pourquoi les sonicateurs Hielscher sont idéaux pour le traitement des MCP

Un équipement à ultrasons de haute puissance est indispensable pour atteindre la qualité de dispersion requise par les formulations de MCP avancées. Hielscher Ultrasonics est devenu un fournisseur de premier plan de processeurs à ultrasons, tant pour les laboratoires de recherche que pour la fabrication industrielle.
Les systèmes Hielscher offrent un contrôle précis de l’amplitude ultrasonore, de la puissance appliquée et de la durée de traitement, permettant aux chercheurs d’ajuster finement les formulations de MCP avec une reproductibilité exceptionnelle. Leurs processeurs à ultrasons génèrent des champs de cavitation puissants et constants, qui garantissent une réduction efficace de la taille des particules, une désagglomération et une homogénéisation efficaces.
Un autre avantage clé de la technologie Hielscher est son évolutivité. Les procédés développés sur des systèmes de laboratoire peuvent être transférés directement vers des réacteurs à ultrasons industriels, ce qui permet aux fabricants de passer de l’expérimentation à petite échelle à la production commerciale sans modifier les paramètres de procédé sous-jacents.
Les processeurs à ultrasons Hielscher ont déjà été utilisés dans des études scientifiques pour préparer des dispersions de MCP, démontrant leur efficacité pour produire des mélanges homogènes et réduire les agrégats de particules.

Les progrès du développement des MCP grâce à la sonication

À mesure que les systèmes énergétiques évoluent et que la demande en stockage thermique efficace augmente, les matériaux à changement de phase avancés joueront un rôle de plus en plus important. Les performances de ces matériaux dépendent non seulement de leur composition chimique, mais aussi des méthodes utilisées pour les préparer et les traiter.
Le traitement par ultrasons constitue un outil puissant et polyvalent pour contrôler la microstructure des systèmes MCP. En permettant des dispersions uniformes, l’intégration de nanoparticules et la nanoencapsulation, la sonication aide à surmonter bon nombre des limites qui ont traditionnellement freiné les technologies MCP.

Le traitement par ultrasons devient rapidement une technologie habilitante clé pour les MCP de nouvelle génération, notamment :

• MCP nano-améliorés
• MCP nano-encapsulés
• Composites MCP à haute conductivité
• Émulsions et dispersions de MCP stables

Les sonicateurs Hielscher haute performance de qualité industrielle permettent une mise à l’échelle linéaire jusqu’à la production à grande échelle – transformant ainsi les matériaux à changement de phase, de matériaux de laboratoire prometteurs, en solutions fiables pour le stockage d’énergie et la gestion thermique modernes.

Bibliographie / Références

• Daniel López Pedrajas (2022): Development Of Nanoencapsulated Phase Change Material Slurry For Residential Applications. Thesis Universidad de Castilla-La Mancha 2022.
• De Paola, Maria Gabriela, Natale Arcuri, Vincenza Calabrò, Marilena De Simone (2017): Thermal and Stability Investigation of Phase Change Material Dispersions for Thermal Energy Storage by T-History and Optical Methods. Energies 10, no. 3: 354; 2017.
• De Paola, Maria; Calabrò, Vincenza; De Simone, Marilena (2017): Light scattering methods to test inorganic PCMs for application in buildings. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 251; 2017.
• Siahkamari, Leila; Rahimi, Masoud; Azimi, Neda; Banibayat, Maysam (2019): Experimental investigation on using a novel phase change material (PCM) in micro structure photovoltaic cooling system. International Communications in Heat and Mass Transfer 100, 2019. 60-66.