Alharbi, Sultan (2026) Development and Characterization of Sustainable Phase Change Materials for Battery Thermal Management. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis -G201725510.pdf Restricted to Repository staff only until 18 June 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

تُعد إدارة الحرارة في بطاريات الليثيوم من التحديات المهمة، خصوصًا مع ارتفاع درجات الحرارة في المناطق الحارة. في هذه الدراسة، تم تطوير مادة متغيرة الطور مستقرة الشكل ومستدامة (SSPCM) باستخدام رماد الزيت الصناعي كمصفوفة مسامية داعمة ل (ASTM D87) وPEG 1000 من أجل تحسين الإدارة الحرارية للبطاريات. تم تحضير العينات باستخدام طريقة التشريب بالتفريغ وبنسب تحميل مختلفة من المواد متغيرة الطور. أظهر اختبار التسرب أن بنية رماد الزيت قادرة على احتواء ما يصل إلى 40% من البرافين دون حدوث تسرب. كما أظهرت المادة المستقرة الشكل المعتمدة على البرافين (PF-SSPCM) درجة انصهار بلغت ºC 49.82 درجة مئوية وحرارة كامنة مقدارها 82.13 J/g. بالإضافة إلى ذلك، ارتفعت الموصلية الحرارية إلى 0.65 W/m.K. كما أكد تحليل الثبات الحراري استقرار المركب ضمن النطاق الحراري المحدد. كما تم اختبار المادة المصنعة عن طريق جهاز طور لمحاكاة ارتفاع الحرارة في البطاريات. النتائج أظهرت ان المادة المصنعةPF-SSPCM خفضت درجة الحرارة العظمى بنسبة 12%، حيث وصلت درجة الحرارة القصوى إلى ºC 61.9 درجة مئوية. كما تم دراسة PEG 1000 مع رماد الزيت بنسب تحميل وصلت إلى 50%. ومع ذلك، لم تُظهر المادة المصنعة PEG-SSPCM أداءً حراريًا يمكن استخدامه في تطبيقات الانظمة الحرارية، ولذلك تم الإستنتاج بأن المادة المصنعة ليست مناسبة لتنظيم الحرارة في البطاريات. ختاما، أثبتت الدراسة إمكانية استخدام رماد الزيت كمادة داعمة مستدامة للمواد متغيرة الطور مستقرة الشكل المعتمدة على البرافين (ASTM D87) في تطبيقات الإدارة الحرارية لبطاريات الليثيوم.

English Abstract

Thermal management is a critical challenge in lithium-ion battery systems. An Industrial waste oil ash was utilized as a porous supporting matrix to develop sustainable shape-stabilized phase change materials (SSPCMs) based on paraffin wax (PF) - ASTM D87 and polyethylene glycol (PEG - 1000) for battery thermal management applications. The samples were synthesized using the vacuum impregnation method with different PCM loading ratios. Leakage test indicated that the oil ash structure could accommodate up to 40 wt.% paraffin without PCM leakage. FTIR and XRD analyses showed that the characteristic chemical bonds and crystalline peaks of paraffin were retained after impregnation, indicating physical confinement within the oil ash matrix. SEM observations revealed the porous structure of oil ash and confirmed its ability to accommodate PF within its pores, while XRF analysis verified that the prepared samples were not significantly affected by impurities. The developed paraffin-based SSPCM (PF-SSPCM) exhibited a melting temperature of 49.82 ºC and a latent heat of 82.13 J/g. In addition, its thermal conductivity increased to 0.65 W/m.K. Thermogravimetric analysis confirmed the thermal stability of the composite within the intended operating range. Under a 4 W heat load, the PF-SSPCM reduced the maximum temperature by 12%, reaching a peak temperature of 61.9 ºC. PEG - 1000 was also studied with oil ash at loading ratios up to 60 wt.%. The maximum PEG loading was limited to 50 wt.%. Although FTIR, XRD, and SEM confirmed the successful incorporation of PEG into the oil ash matrix. FTIR showed the characteristic PEG bands without new major peaks, indicating physical interaction. XRF analysis confirmed that the samples prepared were not significantly influenced by impurities, as no major unexpected elemental contaminants were detected after preparation. XRD confirmed that PEG retained its crystalline structure after impregnation, while SEM revealed that PEG was present within the porous oil ash structure but with nonuniform filling. These results suggest that PEG was physically confined but not sufficiently retained in the oil ash pores, leading to limited shape stability and a maximum stable loading of only about 50 wt.%. However, the PEG-based SSPCM (PEG-SSPCM) did not provide reliable thermal performance and was therefore not considered suitable as a thermal management solution. These findings demonstrate the potential of oil ash as a sustainable supporting material for paraffin-based SSPCMs in lithium-ion battery thermal management applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Research Research > Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Ali Alshehri,
Thesis Co-Advisor:	Md Hasan Zahir,
Thesis Committee Members:	Hussein A Mohammed Mohammed,
Depositing User:	SULTAN ALHARBI
Date Deposited:	28 Jun 2026 06:50
Last Modified:	30 Jun 2026 09:21
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144596