Doctor of Philosophy / Department of Chemistry / Jun Li / Nanostructured electrode materials for electrochemical energy storage systems have been shown to improve both rate performance and capacity retention, while allowing considerably longer cycling lifetime. The nano-architectures provide enhanced kinetics by means of larger surface area, higher porosity, better material interconnectivity, shorter diffusion lengths, and overall mechanical stability. Meanwhile, active materials that once were excluded from use due to bulk property issues are now being examined in new nanoarchitecture. Silicon was such a material, desired for its large lithium-ion storage capacity of 4,200 mAh g[superscript]-1 and low redox potential of 0.4 V vs. Li/Li[superscript]+; however, a ~300% volume expansion and increased resistivity upon lithiation limited its broader applications. In the first study, the silicon-coated vertically aligned carbon nanofiber (VACNF) array presents a unique core-shell nanowire (NW) architecture that demonstrates both good capacity and high rate performance. In follow-up, the Si-VACNFs NW electrode demonstrates enhanced power rate capabilities as it shows excellent storage capacity at high rates, attributed to the unique nanoneedle structure that high vacuum sputtering produces on the three-dimensional array. Following silicon’s success, titanium dioxide has been explored as an alternative highrate electrode material by utilizing the dual storage mechanisms of Li+ insertion and pseudocapacitance. The TiO[subscript]2-coated VACNFs shows improved electrochemical activity that delivers near theoretical capacity at larger currents due to shorter Li[superscript]+ diffusion lengths and highly effective electron transport. A unique cell is formed with the Si-coated and TiO[subscript]2-coated electrodes place counter to one another, creating the hybrid of lithium ion battery-pseudocapacitor that demonstrated both high power and high energy densities. The hybrid cell operates like a battery at lower current rates, achieving larger discharge capacity, while retaining one-third of that capacity as the current is raised by 100-fold. This showcases the VACNF arrays as a solid platform capable of assisting lithium active compounds to achieve high capacity at very high rates, comparable to modern supercapacitors. Lastly, manganese oxide is explored to demonstrate the high power rate performance that the VACNF array can provide by creating a supercapacitor that is highly effective in cycling at various high current rates, maintaining high-capacity and good cycling performance for thousands of cycles.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne la réalisation des batteries souples lithium-ion. Il a comme objectif le développement de nouveaux procédés comme l'impression par sérigraphie pour la fabrication de batteries et le remplacement des polymères issus de la chimie de synthèse par des matériaux bio-sourcés utilisables en milieu aqueux. Les résultats obtenus ont montré qu'il est possible de formuler des encres aqueuses à base des matériaux actifs classiquement utilisés pour l'élaboration d'électrodes (anode et cathode) de batterie Li-ion mais avec des liants dérivés de cellulose en substitution du PVDF qui intègre les formulations standards. Cette encre, dont les propriétés rhéologiques sont compatibles avec le procédé d'impression sérigraphique, permet l'obtention d'électrodes présentant des propriétés spécifiques aux bons fonctionnements de la batterie. Les résultats obtenus ont montré que cette technique d'impression du séparateur pouvait être utilisée pour remplacer la technique de déposition classique des matières actives sur les collecteurs de courant, basée sur un procédé d'enduction à lame (blade coating). Enfin, une batterie lithium-ion imprimée a pu être élaborée en utilisant la stratégie d'impression recto/verso du séparateur avec l'intégration des collecteurs de courant pendant la phase d'impression, validant ainsi cette nouvelle technique d'assemblage. / The work presented in this manuscript describes the manufacturing of lithium-ion batteries on papers substrates by printing technique. Its aim is the development of new up scalable and large area techniques as screen printing for the fabrication of lithium-ion batteries and the replacement of conventional toxic components by bio-sourced one and water based solvent. First results shows how it is possible to formulate cellulose based ink tailored for screen printing technology with suitable properties for lithium-ion batteries requirements. Electrodes were manufactured and tested from a physical and electrochemical point of view and two strategies were proposed to enhance performances. Finally, by considering results obtained for the electrodes, a full cell was manufactured with a new assembling strategy based on: front / reverse printing approach and the embedding of the current collectors during printing stage. As a final point cells were characterized and compared with others obtained by conventional assembling strategies.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This Master s Dissertation is proposes the development of a charge management system of a bank of 16 lead-acid batteries with 7Ah load capacity, commonly used in Uninterruptible Power Supplies (UPS). This system aims to ensure that these batteries reach a full charge status faster than the conventional way. To this, it was chosen to make the modification of the pulsed current charging method, in order to reduce problems, such as elevation of bus voltage to return the energy to it, or dissipation of that energy in a resistance, resulting in lower system efficiency, inherent in the method taken as a basis when the battery power withdrawal interval occurs. For the development of the suggested charging system the static converter Full-Bridge Isolated with modulation Phase Shift was chosen. To implement the digital control as well as its practical development in the same laboratory the simplified modeling of this converter was made. The results of simulation and experimental to validate the method are presented. / Esta dissertação de mestrado tem como proposta o desenvolvimento de um sistema de gerenciamento de carga de um banco de 16 baterias de chumbo ácido, com capacidade de carga de 7Ah, comumente utilizado em Fontes Ininterruptas de Energia (UPS). Este sistema visa garantir que estas baterias cheguem a um estado de carga completo e de forma mais rápida que a convencional. Para isto, foi escolhido fazer a modificação do método de carga de corrente pulsada, com o objetivo de reduzir problemas inerentes do método tomado como base, quando ocorre o intervalo de retirada de energia da bateria, tais como: elevação da tensão do barramento ao retornar a energia para ele, ou, dissipar esta energia em uma resistência, o que acarreta em baixa eficiência do sistema. Para o desenvolvimento do sistema de carga sugerido foi escolhido o conversor estático Full-Bridge Isolado com modulação Phase Shift. Foi feita a modelagem simplificada deste conversor, para a implementação do controle digital, assim como o desenvolvimento prático do mesmo em laboratório. São apresentados os resultados de simulação e experimentais para validar o método.

A inserção e a expansão da geração distribuída (GD) trazem desafios intrínsecos relacionados, sobretudo, a confiabilidade e operação do sistema elétrico de potência (SEP), o que resulta em uma mudança de paradigma imposta aos sistemas de distribuição de energia. Dentre os desafios e oportunidades associados à geração distribuída, destaca-se a operação ilhada dos sistemas de distribuição e microrredes. Nesse contexto, esse trabalho propõe estratégias operacionais e de controle para viabilizar a operação de sistema eólicos. O controle proposto baseia-se em uma malha de controle suplementar, adicionada à malha de controle de velocidade da unidade eólica. A malha de controle proposta consiste em uma quebra de paradigma para o controle da tensão no barramento CC, pois nos sistemas tradicionais essa tensão é normalmente controlada apenas pelo banco de baterias. Através do controle suplementar proposto, torna-se possível reduzir o número e a duração de atuações do banco de baterias, aumentando sua vida útil. Propõe-se ainda, como contribuição, uma metodologia para o dimensionamento mínimo do sistema de armazenamento de energia baseado em banco de baterias para permitir a operação ilhada autônoma de sistemas eólicos. Esse dimensionamento considera um degrau de carga máximo que deverá ser atendido pelo sistema. Por fim, as estratégias operacionais e de controle propostas em conjunto com o sistema de armazenamento de energia são avaliadas e validadas por meio de análises matemáticas e simulações no domínio do tempo utilizando o sistema proposto. Os resultados obtidos demonstraram que o controle proposto permitiu a operação autônoma de um sistema eólico baseado em gerador síncrono com conversor estático completo. / The insertion and expansion of distributed generation bring about intrinsic challenges, especially concerning to the reliability and operation of the electric power system, which results in a paradigm shift imposed on power distribution systems. Among the challenges and opportunities associated to distributed generation, the islanded operation of distribution systems and microgrids has grown considerably. In this context, this paper proposes operational and control strategies to properly allow the operation of a wind generation system. The proposed control is based on a supplementary control loop, added to the speed control loop of the wind turbine. The proposed control loop consists of a paradigm shift to control the DC-link voltage, since in traditional systems the DC-link voltage is usually controlled only by the BESS. The proposed supplementary control loop reduces the number and duration of the BESS actuations. Furthermore, the proposed strategy can contribute to enhance the reliability and the life cycle of the energy storage device. This work also proposes a new methodology for minimum sizing of battery energy storage systems to allow the islanded operation of wind power systems. The methodology considers a maximum load step to be supplied by the system. Finally, the proposed control and operational strategies with the BESS are evaluated and validated throughout mathematical analysis and simulation in the time domain using the proposed system. The proposed control strategy was effective in regulating the DC-link voltage, allowing the islanded operation of a wind power system based on synchronous generator with full-size power converters.

O desenvolvimento de tecnologias para a obtenção de energias renováveis tem recebido crescente atenção nos dias atuais. Células a combustível microbianas (CCMs) são dispositivos bioeletroquímicos que utilizam microrganismos sob condições anaeróbicas para catalisar reações redox em compostos orgânicos visando geração de energia elétrica. Pesquisas recentes estão voltadas para otimizar o desempenho e a eficiência das CCMs. Um dos desafios é a necessidade de se testar novos materiais condutores como eletrodos visando aumentar o potencial elétrico destes dispositivos. O polipirrol é um polímero orgânico condutor que possui boa condutividade elétrica, elevada área superficial, biocompatibilidade e baixo custo. Neste trabalho foi construída uma CCM de dupla câmara para a geração de energia elétrica a partir da degradação de glucose por Escherichia coli. Foram avaliados 2 tipos de eletrodos: um de grafite, normalmente utilizado em estudos com CCMs, outro de grafite modificado pela eletrodeposição de polipirrol, obtido após síntese. A diferença de potencial foi verificada utilizando um multímetro data logger ligado em série com a CCM e conectado a um computador para a aquisição de dados em tempo real. Para avaliação da formação de biofilme na superfície dos eletrodos foi utilizada a técnica de microscopia eletrônica de varredura (MEV). As CCMs apresentaram valores de densidade de potência que variaram entre 15 mW.m-2, no experimento com eletrodo de grafite e 20 mW.m-2, obtida no experimento utilizando eletrodo de grafite com polipirrol. Com a modificação da superfície de um eletrodo de grafite pela adição do polipirrol foi possível observar um incremento de atividade elétrica e aumento de área superficial do eletrodo. Em termos da eficiência da célula foi possível observar um acréscimo em termos de eficiência coulombica no sistema contendo polipirrol (17,18%) em relação ao sistema que não possuía (7,31%), o que representa um melhor aproveitamento dos elétrons do substrato que podem de fato ser convertidos em energia elétrica. Portanto, foi mostrado que o eletrodo de grafite modificado pela eletrodeposição de polipirrol pode ser uma alternativa viável e proveitosa para uso em CCMs. / The development of technologies to obtain renewable energy has received increasing attention nowadays. Microbial fuel cells (MFC) are chemical devices that uses microorganisms under anaerobic conditions to catalyze redox reactions in organic compounds for electricity generation. Recent research is focused to optimize the performance and efficiency of MFCs. One challenge is the need to test new conductive materials as electrodes in order to increase the electric potential in these devices. Polypyrrole is a conductive organic polymer which presents good electrical conductivity, high surface area, low cost and also biocompatibility. In this work, a double chamber MFC was built to generate electricity from glucose degradation by Escherichia coli. We assessed two types of electrodes: a graphite one, normally used in studies with MFCs, and graphite modified by electrodeposition of polypyrrole, obtained after synthesis. The potential difference was recorded using a data logger multimeter connected in series with the MFC and connected to a computer to obtain data in real time. For evaluation of biofilm formation on the surface of the electrodes scanning electron microscopy (SEM) was carried out. The MFCs had power density values ranging from 15 MW.m-2, in the experiment using graphite electrode 20 and MW.m-2 in the experiment using graphite electrode with polypyrrole. By the modification of the graphite surface with polypyrrole it was observed an increase in electrical activity and increased surface area of the electrode. In terms of cell efficiency, it was possible to observe an increased coulombic efficiency in the system containing polypyrrole (17.18%) compared with the system that lacked (7.31%), representing an improvement in flow of electrons from the substrate that can be converted into electricity. Therefore, it was shown in this work that the graphite electrode modified by electrodeposition of polypyrrole can be a viable and profitable alternative for use in MCC.

Em um momento em que questões ambientais e a segurança energética estão numa posição de destaque, Veículos Elétricos (VEs) estão no centro das atenções. Entretanto, ainda é difícil para eles substituir os tradicionais veículos de combustão interna e a razão principal para isso é o seu sistema de energia. Normalmente, devido a suas características, baterias são usadas como banco de energia para VEs. No entanto, baterias também apresentam algumas limitações para essa aplicação e o problema no sistema de energia é relacionado a essas limitações. Uma das soluções propostas é se colocar baterias e supercapacitores (SC) em paralelo, resultando em um Sistema Híbrido de Armazenamento de Energia (SHAE). Para fazer essa configuração possível e o fluxo de potência controlável em um SHAE, um conversor CC-CC bidirecional interfaceando a bateria e o SC é necessário. Levando isso em consideração, o estudo de topologias CC-CC bidirecionais é apresentado nessa Dissertação de Mestrado. Primeiro, o estudo de um conversor CC-CC bidirecional com indutor dividido, envolvendo sua análise teórica em regime permanente, análise dinâmica e uma metodologia de projeto com resultados de simulação, é apresentado, resultando na construção de um protótipo experimental com as seguintes especificações de projeto: Fonte de tensão 1 de 300 V, fonte de tensão 2 de 96 V, frequência de comutação de 20 kHz e potência nominal de 1000 W. Então, o estudo de uma segunda topologia, um conversor CC-CC Buck-Boost ZVS bidirecional, envolvendo sua análise em regime permanente e uma metodologia de projeto com resultados de simulação, também é apresentado. / In an era where environmental issues and the energetic safety are in an outstanding position, Electric Vehicles (EVs) are in the spotlight. However, it is difficult for them to replace the ICE vehicles and the main reason for that it is their energy system. Normally, due to some of their characteristics, batteries are used as energy bank in Electric Vehicles. Nevertheless, batteries also present some limitations for this application and the energy system problem is related to these limitations. One of the proposed solutions is to place batteries and Supercapacitors (SC) in parallel, resulting in a Hybrid Energy Storage System (HESS). To make this configuration possible and the power flow controllable in the HESS, a bidirectional DC-DC converter interfacing the battery and the SC is necessary. Taking this into account, the study of bidirectional DC-DC topologies is presented in this Master’s Thesis. First, a study of a bidirectional DC-DC converter with tapped inductor, involving its theoretical steady state analysis, dynamic analysis and design methodology with simulation results, is presented, resulting in the design of an experimental prototype with the following design specifications: Voltage source 1 of 300 V, voltage source 2 of 96 V, switching frequency of 20 kHz and rated power of 1000 W. Then, the study of a second topology, a bidirectional ZVS Buck-Boost DC-DC converter, involving he steady state analysis and a design methodology with simulation results, is also presented.

Cílem práce byl návrh a implementace řídicích algoritmů pro optimalizaci spotřeby energie elektrického vozidla. Hlavním úkolem byla optimalizace rozložení energie mezi hlavním zdrojem energie (bateriemi) a super-kapacitory v průběhu jízdního cyklu. Jízdní výkonový profil je odhadován a předpovězen na základě 3D geografických souřadnic a matematického modelu vozidla. V první části jsou uvedeny komponenty vozidla a jejich modely. Poté jsou představeny algoritmy na základě klouzavého průměru a dynamického programování. Byly provedeny simulace a analýzy pro demostraci přínosů algoritmů. V poslední části je popsána Java implementace algoritmů a také aplikace pro operační systém Android.

Submitted by Mery Piedad Zamudio Igami (mery@ipen.br) on 2017-03-10T15:20:01Z No. of bitstreams: 1 22060.pdf: 3959215 bytes, checksum: 0a58b276270c30e02d2f6935bafba229 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-10T15:20:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 22060.pdf: 3959215 bytes, checksum: 0a58b276270c30e02d2f6935bafba229 (MD5) / Neste trabalho avaliou-se a ação positiva da substituição de lantânio por praseodímio e de lantânio por magnésio na performance eletroquímica de eletrodos de ligas de armazenamento de hidrogênio em estado bruto de fusão e com tratamento térmico. O La foi substituído por Mg nas ligas La0,7-xMgxPr0,3Al0,3Mn0,4Co0,5Ni3,8 (x=0,0-0,7) e por Pr nas ligas La0,7-yPryMg0,3Al0,3Mn0,4Co0,5Ni3,8 (y=0,0-0,7). Os parâmetros eletroquímicos analisados foram ativação, capacidade de descarga, retenção da capacidade de descarga, autodescarga e alta taxa de descarga. As ligas apresentaram comportamento passivo em relação à corrosão. As análises por MEV/EDS e por DRX com refinamento por Rietveld revelaram a presença majoritária de fases similares às fases LaNi5, PrNi5, LaMg2Ni9 e PrMg2Ni9 em função das composições das ligas estudadas. Os parâmetros de rede e os volumes da célula unitária das fases diminuíram com a substituição crescente de La por Mg e de La por Pr. As capacidades de descarga máxima decresceram com a substituição crescente de La por Mg e de La por Pr, acompanhando o decréscimo da abundância da fase similar à fase LaNi5 e o aumento da abundância da fase similar à fase LaMg2Ni9. Comparativamente, menores taxas de autodescarga e maior estabilidade cíclica foram observadas para o eletrodo da liga na condição x=0,1, ao passo que o eletrodo da liga na condição y=0,0 apresentou maiores valores de alta taxa de descarga, indicando melhor performance cinética. / Tese (Doutorado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Orientador: Jose Antonio Siqueira Dias / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-08T10:27:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Moraes_LucianoCamaraBuenode_M.pdf: 4566206 bytes, checksum: 004300417197b06c786d6cac40898584 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Este trabalho tem como objetivo propor um sistema de baixo custo para conversão de veículos urbanos convencionais para propulsão elétrica. Serão abordadas também, técnicas, de paralelismo de dispositivos semicondutores para altas demandas de potência, motores elétricos, baterias, e sistemas de recarga. De uma maneira geral o projeto apresenta a viabilização de uni kit prático de conversão que permite a Substituição do sistema de tração original (gasolina ou álcool) para o sistema de tração elétrica movido à bateria interna recarregável, para uso urbano que, futuramente, possa ser produzido em larga escala. Os resultados dos modelos teóricos são confrontados com os testes práticos. É apresentado, ao final, um veículo completo, que opera apenas com propulsão elétrica, bem como os íesíes realizados neste veículo / Abstract: The objective of the dissertation is to present a low cost system for the utilization of electric propulsion in urban vehicles powered with internal combustion engines, ft will be discussed semiconductor devices parallelism techniques for high demands of power, electric engines, batteries, and re-charge- systems. In a general way. the project has as objective the design of a conversion kit that allows the substitution of the of original traction of the vehicle by an electric traction system with rechargeable interna! batteries, and that can be produced in large scale. The results of the theoretical models are compared with the practical evaluation tests. The experimental results measured in a complete vehicle assembled using the developed kit are presented / Mestrado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Mestre em Engenharia Elétrica

A reação de redução de oxigênio (RRO) foi estudada em eletrocatalisadores formados por nanopartículas de óxidos puros e mistos de metais de transição de Mn, Co e Ni, além de estrutura tipo espinel, e por nanopartículas de Ag, Au e Ag3M (M= Au, Pt, Pd e Cu) suportadas em carbono Vulcan, em eletrólito alcalino. Os óxidos de metais de transição foram sintetizados por decomposição térmica de seus respectivos nitratos e as nanopartículas a base de prata e ouro foram sintetizadas por redução química com borohidreto. Os eletrocatalisadores foram caracterizados por Difratometria e Espectroscopia de Absorção de Raios X (somente para os óxidos de transição). Os materiais a base de óxidos de manganês, mostraram-se com alta atividade para a RRO, para os quais os resultados espectroscópicos in situ evidenciaram a ocorrência da redução do Mn(IV) para Mn(III), na região de início da RRO. Assim, as atividades eletrocatalíticas foram associadas à ocorrência da transferência de elétrons do Mn(III) para o O2. Entretanto, apresentaram forte desativação após ciclagem potenciodinâmica, o que foi associado à formação da fase Mn3O4, conforme indicado por difratometria de Raios X, após os experimentos eletroquímicos, que é eletroquimicamente inativa. Já o material formado pela estrutura do tipo espinel de MnCo2O4 apresentou alta atividade e estabilidade frente à ciclagem e à RRO. A alta atividade eletrocatalítica foi relacionada a ocorrência do par redox CoII/CoIII em maiores valores de potencial em relação ao CoOx e MnOx, devido a interações entre os átomos de Co e Mn no reticulo espinélico. Contrariamente ao observado nos óxidos com maior quantidade de manganês, o espinel mostrou-se altamente estável, o que foi associada à não alteração de sua estrutura no intervalo de potenciais que a RRO ocorre. Para os materiais bimetálicos a base de prata e ouro, os experimentos eletroquímicos indicaram maior atividade eletrocatalítica para o material de Ag3Au/C. Neste caso, a alta atividade foi associada a dois efeitos principais: (i) a um efeito sinergético, no qual os átomos de ouro atuam na região de ativação, favorecendo a adição de hidrogênio e os átomos vizinhos de prata proporcionam a quebra da ligação O-O, conduzindo a RRO pelo caminho de quatro elétrons por molécula de O2; (ii) ao aumento força da ligação Ag-O, devido à interação da Ag com o Au, resultando em maior atividade para a quebra da ligação O-O, aumentando a atividade da Ag para a RRO, em relação à atividade da Ag pura. Assim, a RRO apresentou menor sobrepotencial e maior número de elétrons em Ag3Au/C, quando comparado com as demais nanopartículas bimetálicas. / The oxygen reduction reaction (ORR) was studied on electrocatalysts composed by pure and mixed transition metal oxides of Mn, Co, and Ni, including spinel-like structures, and by Ag, Au, and Ag3M/C (M= Au, Pt, Pd e Cu) bimetallic nanoparticles, in alkaline electrolyte. The transition metal oxides were synthesized by thermal decomposition of their nitrates, and the silver and gold-based nanoparticles by chemical reduction using borohydride. The electrocatalysts were characterized by X-Ray Diffraction and X-Ray Absorption Spectroscopy (in the case of the metal oxides). The manganese-based oxide materials showed high activity for the ORR, in which the in situ spectroscopic results evidenced the Mn(IV) to Mn(III) reduction, in the range of the ORR onset. In this case, the electrocatalytic activities were correlated to the transfer of electron from Mn(III) to O2. However, they presented strong deactivation after several potentiodynamic cycles, which was ascribed to the formation of the electrochemically inactive phase of Mn3O4, as indicated by the XRD results, after the electrochemical experiments. On the other hand, the MnCo2O4 spinel-like material showed high activity and stability for the ORR. Its high electocatalytic activity was attributed to the CoII/CoIII redox pair, taking place at higher potentials, in relation to that of the CoOx e MnOx pure phases, due to the Co and Mn interactions in the spinel lattice. Contrarily to the behavior observed for the manganese-based materials, the spinel oxide presented high stability, which was ascribed to the non alteration of its crystallographic structure in the range of potentials tha the ORR takes place. For the Au and Ag-based materials, the electrochemical experiments indicated higher electrocatalytic activities for Ag3Au/C. In this case, its higher activity as associated to two main aspects: (i) to a synergetic effect, in which the gold atoms act in the activation region, facilitating the hydrogen addition, and the neighboring Ag atoms promoting the O-O bond breaking, leading the ORR to the 4-electrons pathway; (ii) to the increased Ag-O bond strength, due to the electronic interaction between Ag and the Au atoms, resulting in a faster O-O bond breaking, enhancing the electrocatalytic activity of the Ag atoms in the Ag3Au/C nanoparticle, in relation to that on the pure Ag. Therefore, the ORR presented lower overpotential and higher number of electrons in the Ag3Au/C electrocatalyst, when compared to the other investigated bimetallic nanoparticles.