Stability of Electrode-Electrolyte Interfaces during Charging in Lithium Batteries

In this thesis we study the growth of a Li electrode-electrolyte interface in the presence of an elastic prestress. In particular, we focus our interest on Li-air batteries with a solid electrolyte, LIPON, which is a new type of secondary or rechargeable battery. Theoretical studies and experimental evidence show that during the process of charging the battery the replated lithium adds unevenly to the electrode surface. This phenomenon eventually leads to dendrite formation as the battery is charged and discharged numerous times. In order to suppress or alleviate this deleterious effect of dendrite growth, we put forth a study based on a linear stability analysis. Taking into account all the mechanisms of mass transport and interfacial kinetics, we model the evolution of the interface. We find that, in the absence of stress, the stability of a planar interface depends on interfacial diffusion properties and interfacial energy. Specifically, if Herring-Mullins capillarity-driven interfacial diffusion is accounted for, interfaces are unstable against all perturbations of wavenumber larger than a critical value. We find that the effect of an elastic prestress is always to stabilize planar interfacial growth by increasing the critical wavenumber for instability. A parametric study results in quantifying the extent of the prestress stabilization in a manner that can potentially be used in the design of Li-air batteries. Moreover, employing the theory of finite differences we numerically solve the equation that describes the evolution of the surface profile and present visualization results of the surface evolution by time. Lastly, numerical simulations performed in a commercial finite element software validate the theoretical formulation of the interfacial elastic energy change with respect to the planar interface.

Emprego dos processos de eletrofloculação e osmose inversa no tratamento de águas oleosas

A descarga desenfreada de águas residuais no meio ambiente, ao longo dos últimos anos, vem acelerando o processo de contaminação e degradação dos corpos hídricos no mundo. Tais rejeitos apresentam elevada carga de contaminantes e de concentração de matéria orgânica o que leva a mortandade das espécies pela concorrência ao oxigênio e, em casos extremos, a aceleração dos processos de eutrofização. Pensando nisso, o presente trabalho estudou um sistema híbrido, em batelada, de tratamento de águas oleosas simuladas em laboratório pela adição de um determinado óleo lubrificante em uma solução aquosa de agentes emulsificantes e eletrólito suporte. O sistema de tratamento foi composto de duas etapas, onde na primeira avaliou-se o uso da técnica da eletrofloculação, responsável por quebrar a estabilidade das emulsões óleo/água e de uma segunda que avaliou o uso de processos de separação com membranas visando à remoção do metal adicionado ao efluente na etapa anterior. O sistema de eletrofloculação foi avaliado em relação ao uso de eletrodos de alumínio e ferro com correntes elétricas de 1A, 2A e 3A, nos modos contínuo e alternado. Os resultados apontaram um maior consumo evidente de massa de eletrodos quando do uso da corrente contínua, 4,0337g 0,0132 para o alumínio e 3,8260g 0,0181 para o ferro ao passo que o consumo foi de 2,1400g 0,0099 para o alumínio e 2,4121g 0,0127 para o ferro quando do o uso da corrente alternada. Foram alcançadas remoções máximas de 98 % 0 da DQO, 99,77 % 0,27 de remoção da cor e 100 % 0 de remoção da turbidez para o uso de corrente alternada e eletrodos de alumínio enquanto se alcançaram remoções máximas 96 % 1 da DQO, 99,46 % 0,82 de remoção da cor e também 100 % 0 de remoção da turbidez no uso de eletrodos de ferro. Na segunda etapa do estudo, a osmose inversa, o sistema utilizado atingiu rejeições de 99,53 % 0,12; 99,56 % 0,13 e de 98,87 % 0,36, para pressões respectivas de 10, 20 e 30 bar. Além disso, foram obtidos fluxos crescentes de permeado 10,87 L/h.m2 0,25; 15,67 L/h.m2 0,53; 18,49 L/h.m2 0,74 com o também aumento da pressão. Ao final do estudo alcançou-se um efluente final com baixa carga orgânica e de metais, estando o mesmo apto ao lançamento nos corpos receptores. Entretanto, mecanismos de controle, sobretudo de pH devem ser incluídos no projeto desses sistemas uma vez que esse parâmetro sofre alterações ao longo do processo