Several electrochemical processes are modeled at process levels and atomic scales. Processes are presented for acid generation and ion exchange media regeneration, along with corresponding process models. Transport and reaction processes in individual ion exchange beads are also modeled. Acids of mild strength (pH = ~1-2) are generated from electrolyte solutions and their strength is effectively modeled as a function of time. The regeneration of ion exchange media is also modeled, to close agreement with measurements, and the process model is reconciled with a model for solute flux from an individual ion exchange bead. Together, the models show that the "gentle" regeneration process is controlled by the plating rate. Processes interior to the particle are controlled by diffusion, but all processes are faster than the characteristic time for plating. In a separate process, an electrochemical method is used to produce hypochlorite for disinfection. The process generates perchlorate as a toxic byproduct. Density function theory is used to construct an atomic-scale model of the mechanism for producing perchlorate, as well as the aging of the boron-doped diamond anode used in the process. The mechanism shows that the boron-doped diamond surface plays an important role in chemisorbing and stabilizing radicals of oxychlorine anions, allowing the radicals to live long enough to react and form higher ions like perchlorate. Wear mechanisms that occur on the anode are shown to oxidize and etch the surface, changing its chemical functionality over time. As the surface ages, the overpotential for water oxidation is decreased, decreasing the efficiency of the electrode.

A diminuição nos custos de fabricação das SOFC e também a flexibilização do combustível utilizado em seu abastecimento são obstáculos que, uma vez transpostos, podem possibilitar a utilização em larga escala das SOFC. A melhoria no desempenho dos componentes das SOFC pode fazer esse dispositivo trabalhar em temperaturas mais baixas, facilitando a operação do dispositivo e aumentando sua vida útil. Nesse sentido, é útil o desenvolvimento de métodos de fabricação simples e de baixo custo de componentes de SOFC, que atualmente são obtidos na forma de filmes finos cerâmicos. Assim, é proposto o desenvolvimento de uma nova técnica baseada na reação de combustão para síntese de pós e a aerografia, no intuito de, por via úmida, obter filmes finos porosos de composições cerâmicas. Foram realizadas deposições de manganitas de lantânio dopadas com estrôncio e cromo (LSM e LSCM) e óxido de cério dopado com lantânio (LCO) sobre substratos de zircônia estabilizada com ítria (YSZ) e de aço AISI 430, com o propósito de verificar a viabilidade do método de combustão de solução aspergida (CSA) proposto neste trabalho. Embora vários dos filmes fabricados tenham ficado descontínuos ou com uma quantidade excessiva de trincas, alguns resultados foram satisfatórios. Alguns filmes de LSM depositados sobre YSZ apresentaram tamanho de grão reduzido, da ordem de algumas dezenas de nanômetros, e uma porosidade fina e interconectada que levou o material a apresentar um bom desempenho eletroquímico, visando sua aplicação como cátodo de SOFC. A partir das suas propriedades eletroquímicas e, principalmente, pela energia de ativação dos processos do eletrodo, verificou-se que a microestrutura conferida pelo método de CSA proporcionou uma melhoria no desempenho da LSM. Os filmes de LSM obtidos nesse trabalho apresentaram energias de ativação inferiores a 1,26 eV, enquanto na literatura são encontrados valores mais altos para meia-células semelhantes. / Lowering fabrication costs of SOFC’s and also their fuel flexibility are obstacles that, once transposed, can make possible the mass utilization of such devices. The improvement on the performance of SOFC’s components can allow these devices to work in lower temperatures, facilitating their operation and increasing their lifespan. In this sense, is very useful the development of simple and cheap fabrication techniques of SOFC’s components, which are nowadays obtained in the form of thin ceramic films. Thus, the development of a new fabrication method is proposed, based on the solution combustion synthesis reaction and airbrush painting, in order to obtain, by a wet chemical route, thin and porous ceramic films. Depositions of strontium and cobalt doped lanthanum manganites (LSM and LSCM) and lanthanum doped cerium oxide (LCO) were carried out over yttria-stabilized zirconia (YSZ) and AISI 430 steel with the intent of verifying the viability of the Airbrushed Solution Combustion (ASC) method, proposed in this work. Although several films fabricated by ASC were discontinuous or excessively cracked, some results were satisfactory. Some LSM films deposited over YSZ showed reduced grain size, in the order of tens of nanometers, and a fine interconnected porosity, which led the material to present good electrochemical performance, aiming its application as a SOFC’s cathode. From their electrochemical properties and, mainly, through activation energy of the electrode processes, it was seeing that the microstructure acquired with the ASC method enhanced the overall performance of LSM. The LSM films obtained in this work showed activation energies below 1,26 eV, while in the literature the values are higher than this for similar half-cells.

A diminuição nos custos de fabricação das SOFC e também a flexibilização do combustível utilizado em seu abastecimento são obstáculos que, uma vez transpostos, podem possibilitar a utilização em larga escala das SOFC. A melhoria no desempenho dos componentes das SOFC pode fazer esse dispositivo trabalhar em temperaturas mais baixas, facilitando a operação do dispositivo e aumentando sua vida útil. Nesse sentido, é útil o desenvolvimento de métodos de fabricação simples e de baixo custo de componentes de SOFC, que atualmente são obtidos na forma de filmes finos cerâmicos. Assim, é proposto o desenvolvimento de uma nova técnica baseada na reação de combustão para síntese de pós e a aerografia, no intuito de, por via úmida, obter filmes finos porosos de composições cerâmicas. Foram realizadas deposições de manganitas de lantânio dopadas com estrôncio e cromo (LSM e LSCM) e óxido de cério dopado com lantânio (LCO) sobre substratos de zircônia estabilizada com ítria (YSZ) e de aço AISI 430, com o propósito de verificar a viabilidade do método de combustão de solução aspergida (CSA) proposto neste trabalho. Embora vários dos filmes fabricados tenham ficado descontínuos ou com uma quantidade excessiva de trincas, alguns resultados foram satisfatórios. Alguns filmes de LSM depositados sobre YSZ apresentaram tamanho de grão reduzido, da ordem de algumas dezenas de nanômetros, e uma porosidade fina e interconectada que levou o material a apresentar um bom desempenho eletroquímico, visando sua aplicação como cátodo de SOFC. A partir das suas propriedades eletroquímicas e, principalmente, pela energia de ativação dos processos do eletrodo, verificou-se que a microestrutura conferida pelo método de CSA proporcionou uma melhoria no desempenho da LSM. Os filmes de LSM obtidos nesse trabalho apresentaram energias de ativação inferiores a 1,26 eV, enquanto na literatura são encontrados valores mais altos para meia-células semelhantes. / Lowering fabrication costs of SOFC’s and also their fuel flexibility are obstacles that, once transposed, can make possible the mass utilization of such devices. The improvement on the performance of SOFC’s components can allow these devices to work in lower temperatures, facilitating their operation and increasing their lifespan. In this sense, is very useful the development of simple and cheap fabrication techniques of SOFC’s components, which are nowadays obtained in the form of thin ceramic films. Thus, the development of a new fabrication method is proposed, based on the solution combustion synthesis reaction and airbrush painting, in order to obtain, by a wet chemical route, thin and porous ceramic films. Depositions of strontium and cobalt doped lanthanum manganites (LSM and LSCM) and lanthanum doped cerium oxide (LCO) were carried out over yttria-stabilized zirconia (YSZ) and AISI 430 steel with the intent of verifying the viability of the Airbrushed Solution Combustion (ASC) method, proposed in this work. Although several films fabricated by ASC were discontinuous or excessively cracked, some results were satisfactory. Some LSM films deposited over YSZ showed reduced grain size, in the order of tens of nanometers, and a fine interconnected porosity, which led the material to present good electrochemical performance, aiming its application as a SOFC’s cathode. From their electrochemical properties and, mainly, through activation energy of the electrode processes, it was seeing that the microstructure acquired with the ASC method enhanced the overall performance of LSM. The LSM films obtained in this work showed activation energies below 1,26 eV, while in the literature the values are higher than this for similar half-cells.

A diminuição nos custos de fabricação das SOFC e também a flexibilização do combustível utilizado em seu abastecimento são obstáculos que, uma vez transpostos, podem possibilitar a utilização em larga escala das SOFC. A melhoria no desempenho dos componentes das SOFC pode fazer esse dispositivo trabalhar em temperaturas mais baixas, facilitando a operação do dispositivo e aumentando sua vida útil. Nesse sentido, é útil o desenvolvimento de métodos de fabricação simples e de baixo custo de componentes de SOFC, que atualmente são obtidos na forma de filmes finos cerâmicos. Assim, é proposto o desenvolvimento de uma nova técnica baseada na reação de combustão para síntese de pós e a aerografia, no intuito de, por via úmida, obter filmes finos porosos de composições cerâmicas. Foram realizadas deposições de manganitas de lantânio dopadas com estrôncio e cromo (LSM e LSCM) e óxido de cério dopado com lantânio (LCO) sobre substratos de zircônia estabilizada com ítria (YSZ) e de aço AISI 430, com o propósito de verificar a viabilidade do método de combustão de solução aspergida (CSA) proposto neste trabalho. Embora vários dos filmes fabricados tenham ficado descontínuos ou com uma quantidade excessiva de trincas, alguns resultados foram satisfatórios. Alguns filmes de LSM depositados sobre YSZ apresentaram tamanho de grão reduzido, da ordem de algumas dezenas de nanômetros, e uma porosidade fina e interconectada que levou o material a apresentar um bom desempenho eletroquímico, visando sua aplicação como cátodo de SOFC. A partir das suas propriedades eletroquímicas e, principalmente, pela energia de ativação dos processos do eletrodo, verificou-se que a microestrutura conferida pelo método de CSA proporcionou uma melhoria no desempenho da LSM. Os filmes de LSM obtidos nesse trabalho apresentaram energias de ativação inferiores a 1,26 eV, enquanto na literatura são encontrados valores mais altos para meia-células semelhantes. / Lowering fabrication costs of SOFC’s and also their fuel flexibility are obstacles that, once transposed, can make possible the mass utilization of such devices. The improvement on the performance of SOFC’s components can allow these devices to work in lower temperatures, facilitating their operation and increasing their lifespan. In this sense, is very useful the development of simple and cheap fabrication techniques of SOFC’s components, which are nowadays obtained in the form of thin ceramic films. Thus, the development of a new fabrication method is proposed, based on the solution combustion synthesis reaction and airbrush painting, in order to obtain, by a wet chemical route, thin and porous ceramic films. Depositions of strontium and cobalt doped lanthanum manganites (LSM and LSCM) and lanthanum doped cerium oxide (LCO) were carried out over yttria-stabilized zirconia (YSZ) and AISI 430 steel with the intent of verifying the viability of the Airbrushed Solution Combustion (ASC) method, proposed in this work. Although several films fabricated by ASC were discontinuous or excessively cracked, some results were satisfactory. Some LSM films deposited over YSZ showed reduced grain size, in the order of tens of nanometers, and a fine interconnected porosity, which led the material to present good electrochemical performance, aiming its application as a SOFC’s cathode. From their electrochemical properties and, mainly, through activation energy of the electrode processes, it was seeing that the microstructure acquired with the ASC method enhanced the overall performance of LSM. The LSM films obtained in this work showed activation energies below 1,26 eV, while in the literature the values are higher than this for similar half-cells.

Rechargeable lithium-ion batteries have both the power and energy capabilities to be utilized in hybrid electric vehicles and other power demanding applications. However, there are obstacles primarily related to reliability in safety and lifetime. Additionally, there is still room for improvement in the battery performance. In this work, physics-based mathematical models have been successfully set-up and numerically solved to investigate performance, safety, and aging in lithium-ion battery systems. This modeling approach enabled a detailed analysis of the electrochemical processes related to these issues. As the models included many parameters and spatial resolution of several variables with time or frequency, strategies for investigation needed to be developed for most of the work. The accuracy of the investigation was consolidated by the utilization of parameters characterized from experimental work. The performance expressed in terms of polarization was determined for a power-optimized battery cell undergoing various operating conditions. A methodology that separated and quantified the contribution of each process to the polarization was set up, allowing the study of the contributions as a snapshot in time and as an average over a cycle. Mass transport in electrolyte was shown to be a crucial feature to improve especially if the battery is expected to undergo high current-loads for long periods of time. Safety-concerns when a battery cell is short-circuited were investigated for three types of short-circuit scenarios. All scenarios raised the temperature to the point where exothermic side reactions were initiated. The similarities between the scenarios in temperature increase were a result of the limiting current being reached. The differences, however small, were related to the placement of the short-circuit. Especially when the current collectors were not directly connected by the short circuit, an increased electronic resistance was observed which lowered both the generated current and heat. The aging of a battery cell was investigated by model analysis of electrodes harvested from fresh and aged cells. A methodology was used where a frequency-dependent model was fitted to three-electrode impedance experiments by tuning parameters associated to electrode degradation. For cycled cells, electrolyte decomposition products inhibiting the mass transport in the electrolyte and particle cracking in the positive electrode increased the impedance. A similar model was also set up for investigation of the lithium intercalation processes in PAN-based carbon fibers, showing it to have both good mass transport and kinetic capabilities. / Laddningsbara litiumjonbatterier har både ur energi- och effektsynpunkt möjligheten att kunna användas i elhybridfordon och inom andra effektkrävande tillämpningsområden. Batteriets säkerhet och livslängd är dock inte helt tillförlitliga. Dessutom finns det fortfarande utrymme för förbättringar av litiumjonbatteriets prestanda. I det här arbetet har matematiska modeller baserade på fysikaliska egenskaper framgångsrikt ställts upp och lösts numeriskt för att studera prestandan, säkerheten samt åldrandet hos litiumjonbatterisystem. Denna typ av modellering gjorde det möjligt att detaljerat analysera hur de elektrokemiska processerna bidrar. Eftersom modellerna omfattade ett stort antal parametrar och har variabler som förändras i åtminstone en dimension med tid eller frekvens, krävdes det att tydliga strategier för arbetet ställdes upp. Modelleringsstudiens noggrannhet stärktes av att flertalet av de använda parametrarna hade bestämts experimentellt. Polarisationen som ett mått på prestanda bestämdes för ett effektoptimerat batteri under olika laster. En metodik som separerar och beräknar hur mycket varje process bidrar till polarisationen skapades och användes för att studera bidragen över tid eller över en hel lastcykel. Resultaten visade att masstransporten i elektrolyten påverkar till stor del och bör förbättras om batteriet förväntas belastas med hög ström under lång tid. Säkerheten i samband med kortslutning av en battericell undersöktes för tre olika fall av kortslutningar. Alla fall uppvisade en temperaturökning som skulle kunna bidra till att exoterma reaktioner startas och termisk rusning uppstår. Temperaturökningen var liknande i samtliga kortslutningsfall och berodde på att gränsströmmen nåddes inom cellen. Skillnaderna mellan kortslutningsfallen var inte så betydande men kunde härledas till kortslutningens placering. Framförallt fallet då strömtilledarna inte kontakterades av kortslutningen observerades en ökad elektronisk resistans som sänkte både strömmen och värmeproduktionen. Åldringen i en battericell undersöktes genom modellanalys av elektroder som tagits från nya eller åldrade celler. Som metod användes en frekvensberoende modell som anpassades till tre-elektrod-impedansmätningar genom förändring av parametrar som beskriver elektrodnedbrytning. Då cellerna cyklats, visade förändringen av dessa parametrar att impedansen ökar på grund av nedbrytningsprodukter från elektrolyten som hindrar masstransporten och att det aktiva materialet i positiva elektroden spricker. En liknande modell användes också till att undersöka PAN-baserade kolfibrers förmåga att interkalera litium och resultaten visade på att den har mycket goda elektrokemiska egenskaper. / <p>QC 20130520</p>