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The rechargeable lithium ion batteries (LIB) are playing increasingly important roles in powering portal commercial electronic devices. They are also the potential power sources of electric mobile vehicles. The first kind of the cathode materials, LiXCoO2, was commercialized by Sony Company in 1980s, and it is still widely used today in LIB. However, the high cost of cobalt source, its environmental unfriendliness and the safety issue of LiXCoO2 have hindered its widespread usage today. Searching for alternative cathode materials with low cost of the precursors, being environmentally benign and more stable in usage has become a hot topic in LIB research and development. In the first part of this study, lithium nickel manganese cobalt oxide (LiNi0.6Mn0.35Co0.05O2) is studied as the electrode. The materials are synthesized at high temperatures by solid state reaction method. The effect of synthesis temperature on the electrochemical performance is investigated, where characterizations by, for example, X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM), for particle size distribution, specific surface area, and charge-discharge property, are done over samples prepared at different conditions for comparison. The electrochemical tests of the rechargeable Li ion batteries using LiNi0.6Mn0.35Co0.05 cathode prepared at optimum conditions are carried out in various voltage ranges, at different discharge rates and at high temperature. In another set of experiments, the material is adopted as anode with lithium foil as the cathode, and its capacitance is tested. In the second part of this study, the iron based cathode material is investigated. Lithium iron orthosilicate with carbon coating is synthesized at 700℃ by solid state reaction, which is assisted by high energy ball milling. Characterizations are done for discharge capacities of the samples with different carbon weight ratio coatings. / published_or_final_version / Physics / Master / Master of Philosophy

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:30:45Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:01:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 01366.pdf: 2764676 bytes, checksum: eb0ee3f52111d5d6caca21c0dc82fd30 (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Two novel lithium host materials were investigated using structural and electrochemical analysis; the cathode material Li₂CoSiO₄ and the LiMO₂ class of anodes (where M is a transition metal ion). Li₂CoSiO₄ materials were produced utilising a combination of solid state and hydrothermal synthesis conditions. Three Li₂CoSiO₄ polymorphs were synthesised; β[subscript(I)], β[subscript(II)] and γ₀. The Li₂CoSiO₄ polymorphs formed structures based around a distorted Li₃PO₄ structure. The β[subscript(II)] material was indexed to a Pmn2₁ space group, the β[subscript(I)] polymorph to Pbn2₁ and the γ₀ material was indexed to the P2₁/n space group. A varying degree of cation mixing between lithium and cobalt sites was observed across the polymorphs. The β[subscript(II)] polymorph produced 210mAh/g of capacity on first charge, with a first discharge capacity of 67mAh/g. It was found that the β[subscript(I)] material converted to the β[subscript(II)] polymorph during first charge. The γ₀ polymorph showed almost negligible electrochemical performance. Capacity retention of all polymorphs was poor, diminishing significantly by the tenth cycle. The effect of mechanical milling and carbon coating upon β[subscript(II)], β[subscript(I)] and γ₀ materials was also investigated. Various Li[subscript(1+x)]V[subscript(1-x)]O₂ materials (where 0≤X≤0.2) were produced through solid state synthesis. LiVO₂ was found to convert to Li₂VO₂ on discharge, this process was found to be strongly dependent on the amount of excess lithium in the system. The Li₁.₀₈V₀.₉₂O₂ material had the highest first discharge capacity at 310mAh/g. It was found that the initial discharge consisted of several distinct electrochemical processes, connected by a complicated relationship, with significant irreversible capacity on first discharge. Several other LiMO₂ systems were investigated for their ability to convert to layered Li₂MO₂ structures on low voltage discharge. While LiCoO₂ failed to convert to a Li₂CoO₂ structure, LiMn₀.₅Ni₀.₅O₂ underwent an addition type reaction to form Li₂Mn₀.₅Ni₀.₅O₂. A previously unknown Li₂Ni[subscript(X)]Co[subscript(1-X)]O₂ structure was observed, identified during the discharge of LiNi₀.₃₃Co₀.₆₆O₂.

Submitted by Pedro Silva Filho (pfsilva@ipen.br) on 2017-11-22T17:35:38Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2017-11-22T17:35:38Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / O projeto de doutorado tem como objetivo estudo e montagem de um sistema laser que gere feixe laser de comprimento de onda sintonizável continuamente, com intervalo espectral na região infravermelho (IV) próximo e médio. O trabalho foi dividido em três partes: (i) laser de Nd:YAG @1064nm, (ii) aplicação deste sobre uma cavidade ressonante OPO e (iii) simulação de cavidades laser em anel. O laser de Nd:YAG foi montado e aprimorado a partir de outro laser desenvolvido anteriormente, o qual foi transformado em fonte polarizada pela inserção de um elemento óptico no seu interior. Em comparação com o laser não polarizado, ele apresentou potência de saída com valores relativamente altos, com um máximo de 30W, e melhora do fator de qualidade do feixe de M2<1,3 mais próximo do valor ideal igual a 1 e assim próximo do modo TEM00, adequado para aplicações de transferência de energia. A aplicação do laser Nd:YAG polarizado sobre uma cavidade OPO linear (meio ativo: cristal de Niobato de Lítio dopado 5%MgO:LiNbO3 com alternância de polarização, conhecido pela sigla PPLN) foi bem sucedida, por ter sido observado seu funcionamento pela geração em seu meio ativo dos feixes (&lambda;S, &lambda;C) sinal e complementar sintonizados continuamente, mostrando que valores de potência e fator de qualidade foram adequados e suficientes para ser testado em um OPO. Foi mensurada na saída potencia de 1W para o feixe complementar, onde a eficiência de inclinação da curva mostrou valores de 20,8% e 23,4% para bombeio pulsado (temperaturas do cristal TC=100°C/150°C), e o valor de 11,1% (TC=150°C) para bombeio contínuo. A aplicação da técnica knife-edge no feixe complementar (TC=150°C/rede periódica do cristal &Lambda;0=31,59m/ &lambda;C=2470nm) resultou em fator de qualidade do feixe de M2=5,75(165). Foi realizada simulação numérica, visando estudo e planejamento de duas cavidades em anel simétricas, com sintonização contínua dos feixes de interesse na saída. A primeira contém um cristal PPLN como meio ativo, onde ocorre Oscilação Paramétrica, gerando feixe na região espectral do IV médio. A segunda cavidade possui dois cristais, que são PPLN e Triborato de Lítio (LiB3O5 conhecido pela sigla LBO), onde ocorrem na ordem Oscilação Paramétrica e Geração de Segundo Harmônico, gerando feixe na região espectral entre visível e IV próximo. Foram obtidos dois conjuntos de valores de dimensões para as cavidades, usando base teórica e condições de contorno apropriadas ao realizar os cálculos necessários, fixadas as informações sobre os respectivos componentes ópticos, onde o feixe de bombeio @1064nm focalizado no centro do cristal PPLN possui valor de cintura de feixe pouco maior que 50 &mu;m. O laser de Nd:YAG @1064nm polarizado desenvolvido possui montagem simples e custo baixo de seus componentes, reduzindo o custo do sistema laser final onde foi aplicado, comparado com outros sistemas laser sintonizáveis. Deseja-se estudar o desenvolvimento destes para um modelo de frequência única, usando-o como fonte de bombeio para geração de feixes com largura de linha estreita, visando aplicação em espectroscopia. / Tese (Doutorado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP