Les batteries Ni-MH sont utilisées dans diverses applications, aussi bien stationnaires (panneaux solaires) que mobiles (véhicules hybrides). La matière active des électrodes négatives des batteries actuellement commercialisées est un alliage intermétallique de type AB5 (A = terres rares, B = métaux de transition). La demande croissante en énergie nécessite d'améliorer la capacité massique de ces accumulateurs. Pour cette raison, nous étudions de nouveaux matériaux d'électrode de type ABy (y = 3,5 ou 3,8). La structure d'empilement particulière de ces alliages composés d'unités [AB5] et [A2B4] leur confère une capacité plus importante. L'unité [A2B4] est en effet capable d'absorber davantage d'hydrogène que l'unité [AB5]. Cependant, sa stabilité au cyclage lui fait défaut. Dans cette thèse nous avons, dans un premier temps, mené une étude sur les composés binaires de type ANi3,5 et ANi3,8 (A Æ Gd, Sm ou Y) puis nous avons étudié l'évolution des propriétés thermodynamiques, électrochimiques et de corrosion et après substitutions successives de la terre rare (ou yttrium) par du magnésium puis du lanthane / Ni-MH batteries are used in both stationary (solar panels) and mobile (hybrid vehicles) applications. The active material of negative electrodes currently on the market is an AB5-type alloy (A = rare earth, B = transition metal). The continuously increasing demand for energy requires improving the mass capacity of these batteries. For this reason, we study new type of electrode materials ABy (y Æ 3.5 or 3.8). The particular stacking structure of these alloys composed of [AB5] and [A2B4] units give them more capacity. Indeed, [A2B4] unit is able to absorb more hydrogen than [AB5] unit. However, stability in cycling is lowered. In this phD work we have, at first, conducted a study of binary compounds type ANi 3.5 and ANi3.8 (A = Gd, Sm ou Y), then we studied the evolution of the thermodynamic properties, electrochemical and corrosion after successive substitutions of the rare earth (or yttrium) with magnesium and lanthanum

Neste trabalho foi feito um estudo das propriedades estruturais e eletroquímicas de eletrodos formados por pó de liga de hidreto metálico Zr0,9Ti0,1Ni1,04Mn0,64V0,46 (tipo AB2) preparadas em forno a arco e tratadas por moagem em moinho de bolas na presença de pó de Ni ou da liga LaNi4,7Sn0,3. Também foram estudadas ligas à base de Mg-Ni preparadas por moagem de alta energia, com e sem a inclusão de um terceiro elemento (Ti ou Pt). Neste último caso, foi realizada deposição eletroquímica para o revestimento da superfície da liga Mg-Ni com paládio. Os estudos nos dois sistemas foram conduzidos utilizando-se as técnicas de EDX (energia dispersiva de raios X), DRX (difração de raios X) e MEV (microscopia eletrônica de varredura) para a caracterização física dos materiais. Também foram realizados experimentos espectroscopia de absorção de raios X (XAS) e de microscopia eletrônica de transmissão (MET). Os estudos eletroquímicos incluíram medidas da polarização dos eletrodos ao longo dos ciclos de carga/descarga, com o monitoramento da capacidade de descarga em função do número de ciclos. Medidas de espectroscopia de impedância eletroquímica em diferentes estado de carga, temperaturas e números de ciclos foram realizadas nos eletrodos formados com as diferentes ligas. Foi observado que a capacidade de armazenamento de carga da liga AB2 sem tratamento, aumenta muito lentamente com o decorrer do número de ciclos de carga/descarga, enquanto que os eletrodos formados com essa mesma liga, porém submetida aos tratamentos superficiais pela moagem com os diferentes aditivos, apresentam ativação muito mais rápida. Pelas medidas de impedância eletroquímica, observou-se alta similaridade da cinética reacional nas várias amostras AB2 analisadas. A substituição parcial da liga MgNi pela Pt levou à uma maior estabilidade aos ciclos de carga e descarga, inibindo a formação de hidróxido de Mg e proporcionando uma cinética tanto de absorção quanto de dessorção do hidreto maior que sua correspondente liga base. A eletrodeposição de Pd nestas ligas, leva à um incremento adicional na estabilidade do eletrodo. / This work reports results of studies on the structure and electrochemical properties of hydrogen storage alloy electrodes, formed by Zr0,9Ti0,1Ni1,04Mn0,64V0,46 (AB2-type), prepared in arc furnace and processed by ball milling in the presence of Ni and/or LaNi4,7Sn0,3 powder additives. The Mg- Ni based alloys with and without incorporation of Ti and Pt, processed by mechanical alloying were also investigated. In this case, electrochemical deposition of palladium was carried out on the surface of Mg-Ni based alloy particles aiming at improving the alloy stability. The structure of all materials were characterized by energy dispersive X-ray (EDS) analyses, X-ray diffraction (XRD) and scanning electronic microscopy (SEM). X-ray absorption spectroscopy (XAS) and transmission electron microscopy (TEM) were also employed for this purpose. Electrochemical studies involved measurements of the electrode polarization along the charge/discharge cycles and also monitoring total discharge capacity as a function of the cycle number. Reaction kinetics were investigated by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements, conducted at different states of charge, temperatures and cycle numbers for the different metal hydride electrodes. It was found that the charge storage capacity increased very slowly along the initial charge/discharge cycles for the bare AB2 alloy, but a significant decrease of the activation time, due to a raise on the active area caused by the milling treatment was seen, independent of the additive nature. Electrochemical impedance showed similar reaction kinetics for different AB2 samples. The inclusion of small content of Pt in the Mg-Ni alloy leaded to a significant increase of the material stability for the charge/discharge cycles, probably because of a reduction in the corrosion processes. Consistently, the electrochemical coatings of Pd lead to a raise in the cycling stability of these alloys.

Ni - MH batteries have superior properties which are long cycle life, low maintenance, high power, light weight, good thermal performance and configurable design. Hydrogen storage alloys play a dominant role in power service life of a Ni - MH battery and determining the electrochemical properties of the battery. LaNi5, belonging to the CaCu5 crystal structure type, satisfy many of the properties. The most important property of LaNi5 is fast hydrogen kinetics. Recently, CaNi5, belonging to same crystal type, has taken some attention due to its low cost, higher hydrogen storage capacity, good kinetic properties. However, the main restriction of its use is its very low cycle life. The aim of the study is to obtain a more stable structure providing higher cycle life by the addition of different alloying elements. In this study, the effect of sixteen alloying elements (Mn, Sm, Sn, Al, Y, Cu, Si, Zn, Cr, Mg, Fe, Dy, V, Ti, Hf and Er) on cycle life was investigated. Sm, Y, Dy, Ti, Hf and Er were added for replacement of Ca and Mn, Sn, Al, Cu, Si, Zn, Cr, Mg, Fe and V were added for replacement of Ni. Alloys were produced by vacuum casting and heat treating followed by ball milling. The cells assembled, using the produced active materials as anode, which were cycled for charging and discharging. As a result, replacement of Ca with Hf, Ti, Dy and Er, and replacement of Ni with Si and Mn were observed to show better cycle durability rather than pure CaNi5.

Ni-MH battery today is one of the most widely used secondary battery type because of its properties like secure use at high voltages, excellent thermal properties and consisting of environmentally acceptable materials. LaNi5, as an anode material, is the dominant commercial active material for the Ni-MH battery industry. CaNi5, belonging to same crystal structure, is an alternative for LaNi5, due to higher hydrogen storage capacity, higher theoretical discharge capacity, light weight and low cost. However, low cycle life is the main restriction for the use of CaNi5. In this study, effects of alloying was studied using an ab initio pseudo potential method. In this regard, formation energies of the CaNi5 compounds having different alloying elements were calculated for the understanding of the effect of the alloying element on the stability of the compound. It was found that, all lanthanides and actinides and early transition metals (Sc, Y, Zr, Hf) replacing Ca and early transition metals (Sc, Ti, Zr, Hf) plus elements like Al, Si, P, Ge, Zn, Sn and Sb replacing Ni, decrease the formation energy of CaNi5. Lower formation energy, compared to the pure compound, increases the stability which could improve the cyclic durability of CaNi5 to be used as an anode in Ni-MH batteries. In addition, in order to investigate effects of alloying on Ca diffusion in CaNi5, activation energies of Ca diffusion for different alloys were calculated by Nudged Elastic Band method (NEB) method.

La tesis realizada se engloba dentro de los sistemas de carga rápida de baterías de media y gran capacidad. Dentro de esta tesis se ha desarrollado una metodología de ensayos original para el estudio de los procesos de carga de baterías de Ni-Cd y de Ni-MH. Además se ha propuesto un método de finalización de carga rápida original. El contenido de la tesis es el que se describe a continuación:En el capítulo 1 se estudia el estado del arte relacionado con las distintas tecnologías de baterías utilizadas en sistemas que funcionan bajo regímenes cíclicos de carga-descarga (plomo-ácido, níquel-cadmio, níquel-hidruro metálico y litio-ión). Además, se seleccionan las tecnologías más adecuadas para el funcionamiento en regímenes cíclicos de carga-descarga (Ni-Cd y Ni-MH), se plantea la problemática de la carga rápida y se establecen los objetivos del trabajo.En el capítulo 2 se realiza el estudio de las características de descarga de las tecnologías de baterías seleccionadas (Ni-Cd y Ni-MH).En el capítulo 3 se presenta una metodología de ensayos original desarrollada específicamente para el estudio de los procesos de carga en baterías de Ni-Cd y Ni-MH de media y gran capacidad (carga lenta y carga rápida). Además, se presentan los bancos de ensayos desarrollados para la realización de los ensayos de carga.En el capítulo 4 se realiza un exhaustivo análisis de los procesos de carga en baterías de Ni-Cd y Ni-MH basándose en diferentes índices de comportamiento como son: evolución de la tensión y de la temperatura, capacidad cargada y descargada, aceptación de carga, eficiencia energética, etc. Este estudio aporta una valiosa información dada la novedad de las baterías en estudio.En el capítulo 5 se realiza un análisis crítico de los métodos de carga actuales desde el punto de vista de su posible aplicación en carga rápida en baterías de media y gran capacidad.En el capítulo 6 se propone un método original de finalización de carga que junto a la selección de la razón de carga óptima en cada tecnología dan lugar a un método de carga preciso, fiable, fácil de implementar y económico.En el capítulo 7 se resumen las principales conclusiones y aportaciones de la tesis y las líneas futuras de trabajo.

The topic of this study is to develop a battery capacity management system. The main purpose is to monitor the state of battery during charging and discharging. Form this, user can know the battery status and to avoid loss of data before sudden system power down caused by a spent battery. Different states of battery were collected in different conditions by a battery measurement system, after which characteristics were analyzed. A fast-charge and residual capacity estimation system was developed according to the battery characteristics. The fast-charge system is a technique that emphasizes not only fastness charging but also safety. In this study a fast-charge end method was adopted to terminate the fast charging state of the battery and the initial state had been estimated before charging. Furthermore, the battery was charged with the optimum method according to the battery initial state. That can recover the capacity of the battery within a short period without causing any side effects from repeated usage. The residual capacity estimation system works by first estimating the initial capacity of the batteries, and then recording the current of batteries continuously using the coulomb counting method to make compensation for the effects of battery aging, environmental temperature, self-discharging, and output current.

Les applications portables et stationnaires des accumulateurs Ni-MH nécessitent sans cesse des autonomies de plus en plus importantes. Cet accroissement d'autonomie peut être obtenu en développant de nouveaux composés intermétalliques hydrurables de type ABx (3

Neste trabalho foi feito um estudo das propriedades estruturais e eletroquímicas de eletrodos formados por pó de liga de hidreto metálico Zr0,9Ti0,1Ni1,04Mn0,64V0,46 (tipo AB2) preparadas em forno a arco e tratadas por moagem em moinho de bolas na presença de pó de Ni ou da liga LaNi4,7Sn0,3. Também foram estudadas ligas à base de Mg-Ni preparadas por moagem de alta energia, com e sem a inclusão de um terceiro elemento (Ti ou Pt). Neste último caso, foi realizada deposição eletroquímica para o revestimento da superfície da liga Mg-Ni com paládio. Os estudos nos dois sistemas foram conduzidos utilizando-se as técnicas de EDX (energia dispersiva de raios X), DRX (difração de raios X) e MEV (microscopia eletrônica de varredura) para a caracterização física dos materiais. Também foram realizados experimentos espectroscopia de absorção de raios X (XAS) e de microscopia eletrônica de transmissão (MET). Os estudos eletroquímicos incluíram medidas da polarização dos eletrodos ao longo dos ciclos de carga/descarga, com o monitoramento da capacidade de descarga em função do número de ciclos. Medidas de espectroscopia de impedância eletroquímica em diferentes estado de carga, temperaturas e números de ciclos foram realizadas nos eletrodos formados com as diferentes ligas. Foi observado que a capacidade de armazenamento de carga da liga AB2 sem tratamento, aumenta muito lentamente com o decorrer do número de ciclos de carga/descarga, enquanto que os eletrodos formados com essa mesma liga, porém submetida aos tratamentos superficiais pela moagem com os diferentes aditivos, apresentam ativação muito mais rápida. Pelas medidas de impedância eletroquímica, observou-se alta similaridade da cinética reacional nas várias amostras AB2 analisadas. A substituição parcial da liga MgNi pela Pt levou à uma maior estabilidade aos ciclos de carga e descarga, inibindo a formação de hidróxido de Mg e proporcionando uma cinética tanto de absorção quanto de dessorção do hidreto maior que sua correspondente liga base. A eletrodeposição de Pd nestas ligas, leva à um incremento adicional na estabilidade do eletrodo. / This work reports results of studies on the structure and electrochemical properties of hydrogen storage alloy electrodes, formed by Zr0,9Ti0,1Ni1,04Mn0,64V0,46 (AB2-type), prepared in arc furnace and processed by ball milling in the presence of Ni and/or LaNi4,7Sn0,3 powder additives. The Mg- Ni based alloys with and without incorporation of Ti and Pt, processed by mechanical alloying were also investigated. In this case, electrochemical deposition of palladium was carried out on the surface of Mg-Ni based alloy particles aiming at improving the alloy stability. The structure of all materials were characterized by energy dispersive X-ray (EDS) analyses, X-ray diffraction (XRD) and scanning electronic microscopy (SEM). X-ray absorption spectroscopy (XAS) and transmission electron microscopy (TEM) were also employed for this purpose. Electrochemical studies involved measurements of the electrode polarization along the charge/discharge cycles and also monitoring total discharge capacity as a function of the cycle number. Reaction kinetics were investigated by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements, conducted at different states of charge, temperatures and cycle numbers for the different metal hydride electrodes. It was found that the charge storage capacity increased very slowly along the initial charge/discharge cycles for the bare AB2 alloy, but a significant decrease of the activation time, due to a raise on the active area caused by the milling treatment was seen, independent of the additive nature. Electrochemical impedance showed similar reaction kinetics for different AB2 samples. The inclusion of small content of Pt in the Mg-Ni alloy leaded to a significant increase of the material stability for the charge/discharge cycles, probably because of a reduction in the corrosion processes. Consistently, the electrochemical coatings of Pd lead to a raise in the cycling stability of these alloys.

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. / In this work, the positive action of the substitution of lanthanum by praseodymium and lanthanum by magnesium in the electrochemical performance of the as-cast and annealed hydrogen storage alloys electrodes had been evaluated. La was replaced by Mg in La0.7-xMgxPr0.3Al0.3Mn0.4Co0.5Ni3.8 (x=0.0-0.7) alloys and by Pr in La0.7-yPryMg0.3Al0.3Mn0.4Co0.5Ni3.8 (y=0.0-0.7) alloys. The electrochemical parameters analyzed were activation, discharge capacity, discharge capacity retention, self-discharge rate and high-rate dischargeability. The alloys showed a passive corrosion behavior. The analyses by SEM/EDS and XRD with Rietveld refinement revealed the majority presence of LaNi5, PrNi5, LaMg2Ni9 and PrMg2Ni9 similar reference phases depending on the compositions of the studied alloys. The lattice parameters and cell volumes of the component phases decreased with increasing substitution of La for Mg and with La for Pr. The maximum discharge capacity decreased with increasing substitution of La for Mg and with La for Pr, following the decrease in the abundance of LaNi5 similar phase and the increase in the abundance of to the LaMg2Ni9 similar phase. Lower self-discharge rates were observed for the alloy electrode when x=0.1, while higher high-rate dischargeability for the alloy electrode when y=0.0 indicated better kinetic performance, comparatively.

Neste trabalho, avaliou-se o efeito da substituição parcial do Ni pelos elementos Co, Cu e Sn, e do La e Mg pelo Pr em ligas do tipo AB5 para as ligas nominais La0,7Mg0,3Al0,3Mn0,4Cu0,5Ni3,8, La0,7Mg0,3Al0,3Mn0,4Co0,5Ni3,8 e La0,7Mg0,3Al0,3Mn0,4Sn0,5Ni3,8, La0,7Pr0,3Al0,3Mn0,4Co0,5Ni3,8, Pr0,7Mg0,3Al0,3Mn0,4Co0,5Ni3,8 sem e com tratamento térmico de 750° e 850°C por 9 e 16 horas. Estas ligas absorvedoras de hidrogênio foram utilizadas como material ativo em eletrodos negativos de baterias de Ni-HM. Avaliou-se a influência destas substituições e do tratamento térmico na microestrutura e nas propriedades eletroquímicas nas ligas. A substituição parcial do Ni pelo Co com o tratamento térmico de 750°C por 16 horas apresentou duas novas fases Al6Mn e PrCo13. Na substituição parcial do Ni pelo Sn formou a fase LaNi2Sn2 na liga. Utilizou-se caracterização de raios-X com refinamento de Rietveld para quantificar as fases em cada composição. Mediu-se a absorção de hidrogênio utilizando um Aparato Sieverts para obtenção das curvas PCT. Observou-se que as ligas La0,7Mg0,3Al0,3Mn0,4Co0,5Ni3,8 e La0,7Pr0,3Al0,3Mn0,4Co0,5Ni3,8 apresentaram as melhores capacidades de absorção de hidrogênio. Verificou-se o comportamento destas ligas na capacidade de descarga, estabilidade cíclica das baterias de Ni-HM. Comparando as ligas, a maior capacidade de descarga medida foi para a substituição parcial do Ni pelo Co, alcançando 406,1 mAh após o tratamento térmico de 850° C por 16 horas. A melhor capacidade de absorção obtida na analise de PCT, foi para a liga La0,7Pr0,3Al0,3Mn0,4Co0,5Ni3,8 com valor de H/M de 0,980. Também, foi avaliada uma correlação das propriedades eletroquímicas com a capacidade de absorção obtida na analise da curva PCT. / In this work, it was evaluated the effect of the partial substitution of Ni by the elements Co, Cu and Sn and of the La and Mg by the Pr in type AB5 alloys to the nominal alloys La0,7Mg0,3Al0,3Mn0,4Cu0,5Ni3,8, La0,7Mg0,3Al0,3Mn0,4Co0,5Ni3,8, La0,7Mg0,3Al0,3Mn0,4Sn0,5Ni3,8, La0,7Pr0,3Al0,3Mn0,4Co0,5Ni3,8 and Pr0,7Mg0,3Al0,3Mn0,4Co0,5Ni3,8, as castting and with annealing treatment of 750 °C and 850 °C for 9 and 16 hours. These hydrogen-absorbing alloys were used as active material on negative electrodes of Ni-HM batteries. The influence of these substitutions and the annealing treatment on the microstructure and on the electrochemical properties in the alloys was evaluated. The partial substitution of Ni by Co with the annealing treatment of 750 °C for 16 hours presented two new phases Al6Mn and PrCo13. In the partial substitution of Ni by Sn formed the LaNi2Sn2 phase in the alloy. It was characterized by X-ray diffraction using Rietveld\'s refinement to quantify the phases in each composition. Hydrogen absorption was measured using the Sieverts apparatus to obtain the PCT curves. It was observed that the alloys La0,7Mg0,3Al0,3Mn0,4Co0,5Ni3,8 and La0,7Pr0,3Al0,3Mn0,4Co0,5Ni3,8, presented the best capacities of hydrogen absorption. The behavior of these alloys in the discharge capacity, the cyclic stability of the Ni-HM batteries, was verified. Comparing the alloys, the biggest discharge capacity measured was for the partial substitution of Ni by Co alloy, reaching 406.1 mAh after the annealing treatment of 850 °C for 16 hours. The finest absorption capacity obtained in the PCT analysis was for the La0,7Pr0,3Al0,3Mn0,4Co0,5Ni3,8 alloy with an H/M value of 0.980. Also, a correlation of the electrochemical properties with the absorption capacity obtained in the analysis of the PCT curve was evaluated.