Foram realizadas pesquisas em uma série de condutores iônicos que apresentam aplicações na área dos dispositivos eletroquímicos de estado sólido, utilizando-se basicamente a técnica de Ressonância Magnética Nuclear (RMN). A primeira parte deste trabalho é dedicada aos compostos de intercalação baseados na matriz de dissulfeto de molibdênio (MoS2) onde as espécies intercalantes (íons de lítio e moléculas de aminas) são inseridas num espaço de dimensionalidade reduzida gerado pela matriz. Já a segunda parte envolve os condutores iônicos poliméricos do tipo compósitos, nos quais foram utilizadas nanopartículas de carbono (Carbon Black) e titânio (TiO2) no eletrólito formado pelo poli(óxido de etileno) (POE) e o perclorato de lítio (LiClO4). Todos estes sistemas apresentam, em geral, uma considerável complexidade estrutural, o que significa que os movimentos moleculares e de difusão iônica se produzem num meio semicristalino (caso dos compósitos) ou num meio de dimensionalidade reduzida (caso dos intercalados). A espectroscopia de RMN dos núcleos de 7Li e 1H é uma técnica conveniente para o estudo destes materiais, pois é possível avaliar, através dos resultados obtidos das medidas dos tempos de relaxação e formas de linha, os efeitos provocados pela baixa dimensionalidade dos movimentos em estruturas laminares (caso dos intercalados), bem como identificar e aferir as interações e os mecanismos de relaxação resultantes dos diferentes graus de liberdade dos movimentos (iônicos e moleculares), fornecer parâmetros estruturais (distâncias interatômicas) que auxiliam na proposta de possíveis modelos estruturais e caracterizar completamente a escala temporal dos movimentos iônicos e moleculares. / Nuclear Magnetic Resonance (RMN) techniques were used to study a series of ionic conductor materials, which present applications in the area of the solid-state electrochemical devices. The first part of this work is dedicated to the study of intercalation compounds based on the molybdenum disulfide matrix (MoS2), where the intercalated species (lithium ion and amine molecule) are inserted in the low-dimensionality space generated by the matrix. The second part involves the study of a composite polymer electrolyte, employing fillers like Carbon Black and titanium dioxide (Tio2) nano particles in the electrolyte formed by the poly(ethy1ene oxide) and a lithium salt (LiClO4). In general, these systems present a considerable structural complexity, meaning that the molecular movements and ionic diffusion are produced in a semicrystalline environment (case of the composites) or in an environment of reduced dimensionality (case of intercalates). The 7Li and 1H NMR spectroscopy is a convenient technique for the study of these materials. Relaxation time and line shape measurements may provide a tool to investigate the effects provoked by the low-dimensionality of the movements in laminate structures (case of intercalate), to identify the interactions and relaxation mechanisms of the ionic and molecular motions, to supply structural parameters (interatomic distances) that would help the proposal of possible structural models, and finally, to characterize the time scale of the ionic and molecular movements completely.

Foram realizadas pesquisas em uma série de condutores iônicos que apresentam aplicações na área dos dispositivos eletroquímicos de estado sólido, utilizando-se basicamente a técnica de Ressonância Magnética Nuclear (RMN). A primeira parte deste trabalho é dedicada aos compostos de intercalação baseados na matriz de dissulfeto de molibdênio (MoS2) onde as espécies intercalantes (íons de lítio e moléculas de aminas) são inseridas num espaço de dimensionalidade reduzida gerado pela matriz. Já a segunda parte envolve os condutores iônicos poliméricos do tipo compósitos, nos quais foram utilizadas nanopartículas de carbono (Carbon Black) e titânio (TiO2) no eletrólito formado pelo poli(óxido de etileno) (POE) e o perclorato de lítio (LiClO4). Todos estes sistemas apresentam, em geral, uma considerável complexidade estrutural, o que significa que os movimentos moleculares e de difusão iônica se produzem num meio semicristalino (caso dos compósitos) ou num meio de dimensionalidade reduzida (caso dos intercalados). A espectroscopia de RMN dos núcleos de 7Li e 1H é uma técnica conveniente para o estudo destes materiais, pois é possível avaliar, através dos resultados obtidos das medidas dos tempos de relaxação e formas de linha, os efeitos provocados pela baixa dimensionalidade dos movimentos em estruturas laminares (caso dos intercalados), bem como identificar e aferir as interações e os mecanismos de relaxação resultantes dos diferentes graus de liberdade dos movimentos (iônicos e moleculares), fornecer parâmetros estruturais (distâncias interatômicas) que auxiliam na proposta de possíveis modelos estruturais e caracterizar completamente a escala temporal dos movimentos iônicos e moleculares. / Nuclear Magnetic Resonance (RMN) techniques were used to study a series of ionic conductor materials, which present applications in the area of the solid-state electrochemical devices. The first part of this work is dedicated to the study of intercalation compounds based on the molybdenum disulfide matrix (MoS2), where the intercalated species (lithium ion and amine molecule) are inserted in the low-dimensionality space generated by the matrix. The second part involves the study of a composite polymer electrolyte, employing fillers like Carbon Black and titanium dioxide (Tio2) nano particles in the electrolyte formed by the poly(ethy1ene oxide) and a lithium salt (LiClO4). In general, these systems present a considerable structural complexity, meaning that the molecular movements and ionic diffusion are produced in a semicrystalline environment (case of the composites) or in an environment of reduced dimensionality (case of intercalates). The 7Li and 1H NMR spectroscopy is a convenient technique for the study of these materials. Relaxation time and line shape measurements may provide a tool to investigate the effects provoked by the low-dimensionality of the movements in laminate structures (case of intercalate), to identify the interactions and relaxation mechanisms of the ionic and molecular motions, to supply structural parameters (interatomic distances) that would help the proposal of possible structural models, and finally, to characterize the time scale of the ionic and molecular movements completely.

Compostos intercalados de lítio sac considerados materiais apropriados para eletrodos de baterias recarregáveis de lítio. O conhecimento das taxas de difusão, assim como os mecanismos relacionados com a mobilidade dos íons nos espaços interlaminares são portanto pertinentes para a caracterização das propriedades deste tipo de compostos. Investigações por ressonância magnética nuclear tem um papel ativo no estudo do comportamento dinâmico e estrutural destes compostos de lítio sólidos. Por essa razão este trabalho e baseado nos espectros de RMN obtidos entre 150K e 400K em um campo de 2T. As larguras de linha do 1H e do Li+ foram medidas a partir da transformada de Fourier dos FIDs resultantes da excitação da amostra por um pulse &#960/2. O desacoplamento de 1H foi utilizado, quando necessário, para excluir a contribuição dipolar magnética a destes núcleos a largura de linha do 7Li. Os tempos de relaxação spin-rede para os núcleos 7Li e 1H foram obtidos utilizando-se o método de inversão-recuperação. A partir destas medidas, diversos parâmetros dinâmicos e estruturais destes compostos foram encontrados como: energias de ativação, tempos de correlação e coeficientes de difusão dos íons lítio. / Lithium intercalation compounds are considered suitable materials for electrodes in rechargeable lithium batteries. The knowledge of diffusion rates as well as of mechanistic features related with the mobility of ions in the interlamellar spaces is therefore relevant for the regulation of the properties of this kind of compounds. Nuclear magnetic resonance investigations have played an active role in the study of the dynamic and structural behavior of these solid lithium compounds. For this reason this work is based on NMR spectra recorded between 150K and 400K at 2T. The 1H and Li+ linewidths were measured from the Fourier transform of the FIDs following a &#960/2 excitation. IH decoupling was used, when necessary, to exclude the magnetic dipolar contribution of this nucleus to the 7Li linewidth. The 7Li and 1H spin-lattice relaxation time T1 were measured using the inversion-recovery method. Several dynamic and structural NMR parameters were obtained from these NMR measurements like activation energies, correlation times and diffusion coefficients.

Compósitos de xerogel de pentóxido de vanádio (VXG) com cucurbit[6]urila (CB[6]), hemicucurbit[6]urila (HCB[6]) e oxovanadio(IV)cucurbit[6]urila (CB[6]VO) em diferentes concentrações foram preparados por mistura mecânica dos macrociclos com o gel de V2O5. Misturas homogêneas foram obtidas para quantidades até 10% em mol de CB[6] e HCB[6], e 1% de CB[6]VO. Estes macrociclos foram intercalados nos espaços interlamelares do VXG como mostram os dados de difração de raios-X (DRX), aumentando o espaço interlamelar e criando dois domínios cristalográficos distintos. As propriedades estruturais e composição destes intercalados foram estudadas por espectroscopia no infravermelho, análise termogravimétrica, microscopia eletrônica de varredura e microscopia de força atômica. Ensaios eletroquímicos mostraram que a capacidade específica de carga inicial do VXG (158 mA.h.g-1) melhora com a presença de CB[6] (168 mA.h.g-1), da HCB[6] (200 mA.h.g-1), e principalmente com CB[6]VO (230 mA.h.g-1), em filmes finos com baixa concentração dos macrociclos. Isto supera a capacidade de eletrodos de bateria comerciais. Nos intercalados com CB[6] a complexação dos íons Li+ com seus opérculos prejudica a reversibilidade na inserção/desinserção deste íon, diminuindo drasticamente a ciclabilidade de carga/descarga; a presença da HCB[6], que não complexa com o íon Li+, não sustenta a estrutura do VXG ao longo de vários ciclos, por não ser um macrociclo rígido. A presença de CB[6]VO parece estabilizar a estrutura do VXG oferencendo caminhos alternativos na difusão do íon Li+, que não complexa com os opérculos da CB obstruído pelo ion VO2+, aumentando a ciclabilidade, mantendo sua carga específica em aproximadamente 88% após 40 ciclos cronopotenciométricos. / Cucurbit[n]uril (CB[n]), hemi-cucurbit[6]uril (HCB[6]), and oxovanadium(IV)cucurbit[6]uril (CB[6]VO) vanadium pentoxide composites were prepared in several mole ratios by mechanically mixing the macrocycles and the V2O5 gel. Homogeneous mixtures were obtained for amounts as high as 10% in mol of CB[6] and HCB[6] and 1% of CB[6]VO. These macrocycles were intercalated in VXG interlamellar space as we could demonstrate with X-ray powder diffraction experiments (XRPD),which clearly show basal distance expansions and the formation of two crystallographic domains. The structural properties of such intercalates as well as their composition were studied with infrared spectroscopy, thermogravimmetric analysis, sweeping electron microscopy, and atomic force microscopy. Electrochemical experiments have shown that the initial specific charge capacity of VXG (158 mA.h.g1) was enhanced with the addition of CB[6] (168 mA.h.g1) and HCB[6] (200 mA.h.g1) and even more with (230 mA.h.g1) in thin films with low macrocycle amounts. These capacities exceed commercial batteries electrodes. Complexation of CB[6] with Li+ ions in CB[6]/VXG intercalates reduces considerably the reversibility of insertion/expulsion of this ion, reducing drastically its charge/discharge cyclability. The presence of HCB[6], who does not bind Li+ ions, is not rigid enough to sustain the oxide structure during many cycles. The presence of CB[6]VO seems to stabilize the VXG structure and offers alternative pathways for Li+ diffusion. It does not bind these ions since the occulli are occupied by VO2+ ions, enhancing cyclability. Its specific charge remains as high as 88% of the maximum charge capacity after 40 chronopotentiometric cycles.

Compósitos de xerogel de pentóxido de vanádio (VXG) com cucurbit[6]urila (CB[6]), hemicucurbit[6]urila (HCB[6]) e oxovanadio(IV)cucurbit[6]urila (CB[6]VO) em diferentes concentrações foram preparados por mistura mecânica dos macrociclos com o gel de V2O5. Misturas homogêneas foram obtidas para quantidades até 10% em mol de CB[6] e HCB[6], e 1% de CB[6]VO. Estes macrociclos foram intercalados nos espaços interlamelares do VXG como mostram os dados de difração de raios-X (DRX), aumentando o espaço interlamelar e criando dois domínios cristalográficos distintos. As propriedades estruturais e composição destes intercalados foram estudadas por espectroscopia no infravermelho, análise termogravimétrica, microscopia eletrônica de varredura e microscopia de força atômica. Ensaios eletroquímicos mostraram que a capacidade específica de carga inicial do VXG (158 mA.h.g-1) melhora com a presença de CB[6] (168 mA.h.g-1), da HCB[6] (200 mA.h.g-1), e principalmente com CB[6]VO (230 mA.h.g-1), em filmes finos com baixa concentração dos macrociclos. Isto supera a capacidade de eletrodos de bateria comerciais. Nos intercalados com CB[6] a complexação dos íons Li+ com seus opérculos prejudica a reversibilidade na inserção/desinserção deste íon, diminuindo drasticamente a ciclabilidade de carga/descarga; a presença da HCB[6], que não complexa com o íon Li+, não sustenta a estrutura do VXG ao longo de vários ciclos, por não ser um macrociclo rígido. A presença de CB[6]VO parece estabilizar a estrutura do VXG oferencendo caminhos alternativos na difusão do íon Li+, que não complexa com os opérculos da CB obstruído pelo ion VO2+, aumentando a ciclabilidade, mantendo sua carga específica em aproximadamente 88% após 40 ciclos cronopotenciométricos. / Cucurbit[n]uril (CB[n]), hemi-cucurbit[6]uril (HCB[6]), and oxovanadium(IV)cucurbit[6]uril (CB[6]VO) vanadium pentoxide composites were prepared in several mole ratios by mechanically mixing the macrocycles and the V2O5 gel. Homogeneous mixtures were obtained for amounts as high as 10% in mol of CB[6] and HCB[6] and 1% of CB[6]VO. These macrocycles were intercalated in VXG interlamellar space as we could demonstrate with X-ray powder diffraction experiments (XRPD),which clearly show basal distance expansions and the formation of two crystallographic domains. The structural properties of such intercalates as well as their composition were studied with infrared spectroscopy, thermogravimmetric analysis, sweeping electron microscopy, and atomic force microscopy. Electrochemical experiments have shown that the initial specific charge capacity of VXG (158 mA.h.g1) was enhanced with the addition of CB[6] (168 mA.h.g1) and HCB[6] (200 mA.h.g1) and even more with (230 mA.h.g1) in thin films with low macrocycle amounts. These capacities exceed commercial batteries electrodes. Complexation of CB[6] with Li+ ions in CB[6]/VXG intercalates reduces considerably the reversibility of insertion/expulsion of this ion, reducing drastically its charge/discharge cyclability. The presence of HCB[6], who does not bind Li+ ions, is not rigid enough to sustain the oxide structure during many cycles. The presence of CB[6]VO seems to stabilize the VXG structure and offers alternative pathways for Li+ diffusion. It does not bind these ions since the occulli are occupied by VO2+ ions, enhancing cyclability. Its specific charge remains as high as 88% of the maximum charge capacity after 40 chronopotentiometric cycles.

Compostos intercalados de lítio sac considerados materiais apropriados para eletrodos de baterias recarregáveis de lítio. O conhecimento das taxas de difusão, assim como os mecanismos relacionados com a mobilidade dos íons nos espaços interlaminares são portanto pertinentes para a caracterização das propriedades deste tipo de compostos. Investigações por ressonância magnética nuclear tem um papel ativo no estudo do comportamento dinâmico e estrutural destes compostos de lítio sólidos. Por essa razão este trabalho e baseado nos espectros de RMN obtidos entre 150K e 400K em um campo de 2T. As larguras de linha do 1H e do Li+ foram medidas a partir da transformada de Fourier dos FIDs resultantes da excitação da amostra por um pulse &#960/2. O desacoplamento de 1H foi utilizado, quando necessário, para excluir a contribuição dipolar magnética a destes núcleos a largura de linha do 7Li. Os tempos de relaxação spin-rede para os núcleos 7Li e 1H foram obtidos utilizando-se o método de inversão-recuperação. A partir destas medidas, diversos parâmetros dinâmicos e estruturais destes compostos foram encontrados como: energias de ativação, tempos de correlação e coeficientes de difusão dos íons lítio. / Lithium intercalation compounds are considered suitable materials for electrodes in rechargeable lithium batteries. The knowledge of diffusion rates as well as of mechanistic features related with the mobility of ions in the interlamellar spaces is therefore relevant for the regulation of the properties of this kind of compounds. Nuclear magnetic resonance investigations have played an active role in the study of the dynamic and structural behavior of these solid lithium compounds. For this reason this work is based on NMR spectra recorded between 150K and 400K at 2T. The 1H and Li+ linewidths were measured from the Fourier transform of the FIDs following a &#960/2 excitation. IH decoupling was used, when necessary, to exclude the magnetic dipolar contribution of this nucleus to the 7Li linewidth. The 7Li and 1H spin-lattice relaxation time T1 were measured using the inversion-recovery method. Several dynamic and structural NMR parameters were obtained from these NMR measurements like activation energies, correlation times and diffusion coefficients.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents a detailed analysis about the interleaved buck converter applied to electronic ballasts to supply high power HID lamps, assuming the input voltage as a PFC stage output. As the output capacitor has a maximum value to be applied in parallel with the lamp, parallel operated converters are a suitable choice because the output current ripple cancellation characteristic. Besides, the output current ripple cannot be greater than 5% of the nominal current to avoid acoustic resonance phenomena. Also, interleaved converters allow magnetic and semiconductors losses reduction. The applied topology was the interleaved buck converter, because its inherent characteritstic of the output as a current source. A generalized model for the IBC operating in CCM was obtained, including inductors and semiconductors losses, besides an analysis to achieve the optimum point of design in terms of efficiency, size and complexity of implementation. To apply the IBC in CCM supplying HID lamps, it is necessary inductors current control, which means to guarantee a current source behavior of the converter. For that, two current control loop were designed, one for each inductor being measured via a shunt resistor located at the circuit input. Also, stability was analyzed based on impedance criterion. Finally, complete electronic ballast was presented, gathering a two-cell IBC, full-bridge inverter, measuring circuits for current and voltage and an external circuit for the correct delay of the IBC MOSFETs gate signals. Obtained experimental results were satisfatory, showing equal current sharing, once warm-up stage and closed-loop implementation were via an 8-bits microcontroller. / Este trabalho apresenta uma análise detalhada do conversor buck intercalado como reator eletrônico aplicado à alimentação de lâmpadas de descarga em alta pressão (HID) de alta potência, assumindo a entrada como a saída de uma etapa de correção de fator de potência (PFC). A característica de diminuição da ondulação da corrente de saída de conversores operando em paralelo é uma grande vantagem, pois o capacitor em paralelo com a lâmpada tem um valor limite a fim de garantir a estabilidade do sistema. Aliada a essa condição, a ondulação de corrente na lâmpada não pode ultrapassar 5% da corrente nominal para garantir que não ocorra o fenômeno da ressonância acústica de forma destrutiva. Além disso, permitem redução de perdas magnéticas e nos semicondutores, além de apresentar diminuição na ondulação da corrente de saída através da defasagem dos sinais de comando dos interruptores, diminuindo o capacitor de saída a ser empregado. Em termos de análise do conversor buck intercalado (IBC), foi obtida uma modelagem generalizada para o conversor operando em modo de condução contínua (CCM) incluindo as perdas nos interruptores, indutores e diodo. Também foi realizada uma análise de ponto ótimo de projeto contemplando tamanho, eficiência e complexidade de implementação. Para a utilização do IBC em CCM na alimentação de lâmpadas HID é necessário o controle de corrente dos indutores, ou seja, garantir que o conversor tenha o comportamento semelhante à uma fonte de corrente. Para tal, foram utilizadas duas malhas de controle de corrente, uma para cada indutor, sendo o sinal de controle medido através de um resistor shunt localizado na entrada do conversor. Ainda, foi apresentada uma análise de estabilidade baseada na relação entre as impedâncias da lâmpada e do conversor, com realimentação em modo corrente. Finalmente, o reator completo foi apresentado, constituído do IBC com duas células, inversor full-bridge, circuito inibidor para defasagem dos sinais de comando do IBC e o circuito de medição das correntes e tensão. Os resultados experimentais obtidos foram satisfatórios, com correntes equilibradas, uma vez que o IBC com malha fechada em ambos os indutores foi implementado com um microcontrolador de 8-bits, com frequência de barramento de 16 MHz.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:56:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AntonioWAS_DISSERT.pdf: 2078440 bytes, checksum: 8f0b0683ae325a95be82dafa64af1734 (MD5) Previous issue date: 2013-12-18 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / The use of Field Programmable Gate Array (FPGA) for development of digital control strategies for power electronics applications has aroused a growing interest of many researchers. This interest is due to the great advantages offered by FPGA, which include: lower design effort, high performance and highly flexible prototyping. This work proposes the development and implementation of an unified one-cycle controller for boost CFP rectifier based on FPGA. This controller can be applied to a total of twelve converters, six inverters and six rectifiers defined by four single phase VSI topologies and three voltage modulation types. The topologies considered in this work are: full-bridge, interleaved full-bridge, half-bridge and interleaved half-bridge. While modulations are classified in bipolar voltage modulation (BVM), unipolar voltage modulation (UVM) and clamped voltage modulation (CVM). The proposed project is developed and prototyped using tools Matlab/Simulink? together with the DSP Builder library provided by Altera?. The proposed controller was validated with simulation and experimental results / A utiliza??o de Field Programmable Gate Array (FPGA) para o desenvolvimento de estrat?gias de controle digital para aplica??es em eletr?nica de pot?ncia tem despertado um crescente interesse entre muitos pesquisadores. Tal interesse se deve as grandes vantagens apresentadas pelo FPGA, que incluem: menor esfor?o de projeto, alto desempenho e grande flexibilidade de prototipagem. Este trabalho prop?e o desenvolvimento e implementa??o de um controlador unificado, mediante o uso de FPGA, utilizando a t?cnica de controle de um ciclo (One-Cycle Control Technique) para corre??o de fator de pot?ncia com retificadores boost. Este controlador pode ser aplicado a um total de doze conversores, sendo seis inversores e seis retificadores, definidos pela topologia e pelo tipo de modula??o de tens?o. As topologias consideradas neste trabalho s?o: ponte completa, ponte completa intercalada, meia ponte e meia ponte intercalada. Enquanto que as modula??es s?o classificadas em modula??o bipolar de tens?o (MBT), modula??o unipolar de tens?o (MUT) e modula??o com grampeamento de tens?o (MGT). O projeto ? desenvolvido e prototipado utilizando as ferramentas Matlab?/Simulink em conjunto com a biblioteca DSP Builder, disponibilizada pela Altera?. O controlador proposto ? com resultados de simula??o e experimentais