Desenvolvimento de conjunto membrana-eletrodos para célula a combustível de metanol direto passiva

Direct methanol fuel cells (DMFCs) without external pumps or other ancillary devices for fuel and oxidant supply are known as passive DMFCs and are potential candidates to replace lithium-ion batteries in powering portable electronic devices. This paper presents the results obtained from a membrane electrode assembly (MEA) specifically designed for passive DMFCs. Appropriated electrocatalysts were prepared and the effect of their loadings was investigated. Two types of gas diffusion layers (GDL) were also tested. The influence of the methanol concentration was analyzed in each case. The best MEA performance presented a maximum power density of 11.94 mW cm-2.

Akkujen ja superkondensaattorien yhteiskäyttö energiavarastoina ja niiden verkkoon liittäminen ajoneuvoissa

Ajoneuvojen tiukentuneet päästörajoitukset, sekä ajoneuvojen kokonaishyötysuhteen parantamisen tarve ohjaavat ajoneuvovalmistajia kehittämään uusia ratkaisuja. Energiavarastojen käyttö ajoneuvoissa on yleistynyt ja niiden käytöllä voidaan saada huomattava energiasäästö. Tässä kandidaatintyössä on esitelty erilaisia energiavarastoja ja niiden verkkoon liittämistä. Pääpaino työssä on akkujen ja superkondensaattorien rinnankytkennässä. Energiavarastot pyritään kytkemään mahdollisimman vähällä tehoelektroniikalla verkkoon. Esimerkkitapaukseksi on otettu litium-ioni akkujen ja superkondensaattorien rinnankytkentä vaihtojännitteeseen pelkällä invertterillä.

Litium-polymeeri- ja litium-rautafosfaattiakkujen käyttö kannettavassa audiolaitteessa

Akkuteknologia on kehittynyt viime vuosina erityyppisten litium-ioniakkujen hallitessa markkinoita. Uutta teknologiaa kaupallisissa litium-pohjaisissa akuissa edustavat litium-polymeeri- ja litium-rautafosfaattiakut. Työn tarkoituksena oli selvittää soveltuvatko litium-polymeeri- ja litium-rautafosfaattiakut kannettavaan audiolaitteeseen ja verrata näitä Ni-Cd- ja Ni-Mh-akkuihin sekä LiCoO2- ja LiMnO4-kemian litium-ioniakkuihin. Kyseisten akkutyyppien soveltuvuutta kannettavaan audiolaitteeseen ei kirjallisuudessa ole juuri tutkittu. Työ toteutettiin kirjallisuustutkimuksena.

Sähköajoneuvojen akkujen uusiokäyttö

Tässä kandidaatintyössä tutkittiin sähkö- ja hybridiajoneuvojen akkujen uusiokäyttöä. Tutkimus toteutettiin kirjallisuustyönä. Tavoitteena oli selvittää voidaanko sähkö- ja hybridiajoneuvojen akkuja uusiokäyttää, mitä ongelmia mahdollisesti uusiokäyttöön liittyy, minkälaisissa sovelluksissa käytettyjä akkuja voisi käyttää ja uusiokäytetäänkö kyseisenlaisia akkuja jo nykyään. Työssä esiteltiin myös yleisimpiä akkutekniikoita sekä niiden kierrätystä. Tutkimuksessa havaittiin, että akuissa on runsaasti kapasiteettia jäljellä ajoneuvokäytön jälkeen. Uusiokäytössä akku voi kestää jopa yhtä paljon käyttöä kuin ajoneuvokäytössä. Ongelmat uusiokäytössä liittyvät akkujen vaihtelevaan kuntoon ja kapasiteettiin. Ennen uusiokäyttöä akut tulisi tarkastaa ja jos mahdollista, poistaa huonokuntoiset ja vialliset kennot. Käytettyjen akkujen uusiokäyttöön soveltuvista laitteistoista on tehty muutamia prototyyppejä, jotka ovat teholtaan ja kapasiteetiltaan hyvin vaihtelevia. Sopivalla valvontajärjestelmällä varustettuna käytettyjä akkuja voitaneen käyttää myös olemassa olevissa, akkuja sisältävissä järjestelmissä. Käytettyjä akkuja voitaneen käyttää muun muassa uusiutuvan energian varastointiin, sähköverkon kulutushuippujen kompensointiin ja sähköajoneuvojen pikalatauksen puskurina. Etenkin litiumioniakkujen uusiokäyttö on järkevää, koska kierrätys ei ole kovin tehokasta ainakaan vielä.

Sähköautojen akkuteknologioiden tilannekatsaus

Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli tutkia sähköautoissa käytettäviä akkuteknologioita ja verrata niiden ominaisuuksia keskenään sekä sähköautojen asettamien akkuvaatimusten kanssa. Akkuteknologiakartoituksen ja ominaisuusvertailun avulla tutkimuksessa oli tarkoitus selvittää sähköautojen akkujen kehitystä menneestä nykyhetkeen ja luoda katsaus akkuteknologian tulevaisuuteen. Tutkimuksessa painotettiin akkujen suorituskykynäkökulmaa, mutta tutkimuksessa otettiin kantaa myös eri akkuteknologioiden turvallisuuteen, ympäristötekijöihin ja hintaan. Työ toteutettiin kirjallisuustutkimuksena ja lähteinä käytettiin alan kirjallisuutta, IEEE artikkeleita, tutkimusraportteja ja verkkodokumentteja. Lisäksi tutkimuksessa hyödynnettiin akku- ja sähköautovalmistajilta saatavaa tietoa, johon suhtauduttiin varauksin. Tutkimuksessa kävi ilmi, että erilaisia litiumioniakkuteknologioita käytetään tällä hetkellä eniten sekä täyssähköautoissa että pistokehybrideissä. Huomattiin, että akkujen suorituskyvyn kehittyminen on nopeutunut viime vuosina. Erityisesti akkujen energianvarastointikykyyn vaikuttavat ominaisenergiatasot ovat kasvaneet selkeästi. Nykyisen kehittyneen litiumioniakkuteknologian todettiin täyttävän jo osittain lähivuosien suorituskykytavoitteet. Tutkimuksessa tultiin siihen tulokseen, että litiumrikkiakkuteknologia voi korvata litiumioniakkuteknologian ainakin täyssähköautoissa parempien ominaisenergiatasojen ja halvempien valmistuskustannuksien takia. Myös litiumilma-akkuteknologialla havaittiin olevan mahdollisuuksia haastaa muut litiumakkuteknologiat seuraavalla vuosikymmenellä. Tutkimuksen johtopäätöksenä todetaan, että sähköautot voivat kaupallistua laajemmin lähivuosina akkujen suorituskykyominaisuuksien kehittyessä jatkuvasti. Suorituskykyominaisuuksien parantuminen tulee todennäköisesti johtamaan siihen, että täyssähköautot yleistyvät enemmän ja pistokehybridit tulevat jäämään sähköautojen välivaiheeksi. Uusien akkuteknologioiden käyttöönotto kaupallisiin sähköautoihin voi viedä kuitenkin odotettua kauemmin, sillä akut tarvitsevat huolellista testausta ja käyttöönotto edellyttää, että kaikki ominaisuudet ovat vaaditulla tasolla.

Reuse of electric vehicle battery in uninterruptible power supply

Tässä diplomityössä tarkasteltiin Nissan Leaf -sähköauton käytetyn litiumakun soveltuvuutta UPS-varavirtalaitteen energialähteeksi. Kun akku on heikentynyt niin ettei sen kapasiteetti enää ole riittävä autokäyttöön, sitä voidaan kuitenkin vielä hyödyntää muissa sovelluksissa, kuten UPS-laitteessa. Työ sai alkunsa osana GreenDataNet-projektia, jossa pyritään kehittämään datakeskuksiin ympäristöä vähemmän kuormittavia ratkaisuja käyttämällä uusiutuvia energialähteitä, akkujen uusiokäytöllä, sekä energianhallinnan optimoinnilla. Työssä käytiin läpi akun ja sen ohjausjärjestelmän ominaisuuksia, kerrottiin UPS:in ohjelmistoon tehdyistä muutoksista sekä esitettiin testitulokset. Lopputuloksena todettiin akun sopivan muuten hyvin UPS-käyttöön, mutta vaadittu päivittäinen kennojännitteiden tasaus ja sen aiheuttama katkos energian saatavuuteen heikentää UPSin käyttövarmuutta kuorman suojauksessa. Lopussa esitettiin muutamia ehdotuksia tämän ongelman korjaamiseksi.

Kulutuselektroniikan akkujen tekniset ominaisuudet ja markkinaosuudet 2015

Työssä tutkittiin kirjallisuustyönä akkuteknologian nykytilaa ja markkinoita kulutuselektroniikan osalta. Työssä tehtiin myös katsaus potentiaalisiin tulevaisuuden akkuteknologioihin. Työssä havaittiin, että kulutuselektroniikassa ainoat suuresti käytetyt akkutyypit ovat nikkelimetallihybridi- (NiMH) ja litiumioniakut (Li-ion). Tärkeimpänä ominaisuutena kulutuselektroniikassa akuilla yleensä pidetään kapasiteettia, jossa Li-ion akut ovat selvästi parempia jopa kaksinkertaisen energiatiheyden takia. Li-ion akuilla voidaan saavuttaa myös moninkertainen käyttöikä lataussykleinä ja moninkertainen purkausvirta, riippuen käytetystä katodimateriaalista. NiMH akuilla etuna on lähinnä halvempi hinta ja parempi turvallisuus. Toisaalta myös pieni jännite voidaan laskea hyväksi puoleksi, koska NiMH akuilla voidaan korvata kertakäyttöisiä alkaliparistoja. Vuonna 2012 Li-ion akkuja myytiin kapasiteetissa mitattuna jopa kahdeksan kertaa enemmän kuin NiMH akkuja ja myyntimäärien ennustetaan myös kasvavan tulevaisuudessa. Liion akkujen myyntimääristä suurin osa oli kulutuselektroniikan käyttökohteisiin ja jopa kaksi kolmasosaa oli kannettavien tietokoneiden ja kännyköiden akkuja. Uusia akkuteknologioita ja Li-ion akkujen parannuksia on paljon kehitteillä, mutta suurimman potentiaalin ja myös suuret ongelmat kaupallistumiseen omaa litium-ilma akut. Lyhyemmällä aikavälillä potentiaalisia teknologioita ovat litium-rikki akut, sekä nykyisiin Li-ion akkuihin kehitteillä olevat anodimateriaalit kuten esim. pii ja alumiini/titaani, joiden ongelmiin on löydetty ratkaisuja nanoteknologiasta.

Synthèse du LiXFePO4 par voie fondue et l’étude de la couche de carbone sur LiFePO4

Le LiFePO4 est un matériau prometteur pour les cathodes des batteries au lithium. Il possède une bonne stabilité à haute température et les précurseurs utilisés pour la synthèse sont peu couteux. Malheureusement, sa faible conductivité nuit aux performances électrochimiques. Le fait de diminuer la taille des particules ou d’enrober les particules d’une couche de carbone permet d’augmenter la conductivité. Nous avons utilisé une nouvelle méthode appelée « synthèse par voie fondue » pour synthétiser le LiFePO4. Cette synthèse donne des gros cristaux et aucune impureté n’est détectée par analyse Rayon-X. En revanche, la synthèse de LiXFePO4 donne un mélange de LiFePO4 pur et d’impureté à base de lithium ou de fer selon l’excès de fer ou de lithium utilisé. La taille des particules de LiFePO4 est réduite à l’aide d’un broyeur planétaire et plusieurs paramètres de broyage sont étudiés. Une couche de carbone est ensuite déposée sur la surface des particules broyées par un traitement thermique sur le LiFePO4 avec du -lactose. L’influence de plusieurs paramètres comme la température du traitement thermique ou la durée du chauffage sont étudiés. Ces expériences sont réalisées avec un appareil d’analyse thermogravimétrique (ATG) qui donne la quantité de chaleur ainsi que la variation de masse durant le chauffage de l’échantillon. Ce nouveau chauffage pour la couche de carbone donne des échantillons dont les performances électrochimiques sont similaires à celles obtenues précédemment avec la méthode de chauffage pour la couche de carbone utilisant le four tubulaire.

Structural transformation of graphite by arc-discharge

The formation of novel structures by the passage of an electric current through graphite is described. These structures apparently consist of hollow three-dimensional graphitic shells bounded by curved and faceted planes, typically made up of two graphene layers. The curved structures were frequently decorated with nano-scale carbon particles, or short nanotubes. In some cases, nanotubes were found to be seamlessly connected to the thin shells, indicating that the formation of the shells and the nanotubes is intimately connected. Small nanotubes or nanoparticles were also sometimes found encapsulated inside the hollow structures, while fullerene-like particles were often seen attached to the outside surfaces. With their high surface areas and structural perfection, the new carbon structures may have applications as anodes of lithium ion batteries or as components of composite materials.

A New Insight on the Preparation of Stabilized Alpha-Nickel Hydroxide Nanoparticles

Nickel hydroxide can provide an outstanding cathode material in alkaline secondary batteries, however the progressive decrease of the charge capacity as a function of the number of oxidation/reduction cycles is a challenging problem to be solved. New improvements on the electrochemical properties of electrode materials can be achieved by exploiting the much better performance of alpha-nickel hydroxide. Such materials were obtained in a stable form by sol-gel method and characterized by thermogravimetric analyses, UV-Vis spectroscopy, X-ray diffractometry, scanning and transmission electron microscopy, cyclic voltammetry and electrochemical quartz crystal microbalance techniques. The results revealed not only the formation of the alpha-Ni(OH)(2) phase, but also a much better electrochemical reversibility and stability as compared with similar materials obtained by electrochemical precipitation method.

A surface modification for hydrogen storage intermetallic particles by sol-gel method

A new process for the surface modification of hydrogen storage intermetallic particles used as anode material in secondary batteries is proposed in this article. The copper oxide particles coverage obtained by the sol-gel method is proposed to produce, under operational conditions of a Ni-MH battery, a metallic framework that tolerates the volume changes in charge/discharge cycles and does not inhibit the hydrogen absorption. Furthermore it was noticed an enhancement on the discharge capacity of the electrode material that can be related to a new hydrogen storage phase or to an inhibition of the surface oxidation promoted by the film coverage.

Leaching of Ni and Cu from mine wastes (tailings and slags) using acid solutions and A. ferrooxidans

The objective of this work is to evaluate the acidic and biological leaching of tailings containing Ni/Cu from a flotation and smelting plant. Acidithiobacillus ferrooxidans, strain LR, was used for bioleaching at pH 1.8 and chemical controls were run parallel to that. The acidic leaching was done within 48 hours at pH 0.5 and 1.0. In the slag inoculated flasks the redox potential was high (600 mV), thus indicating oxidative bacterial activity, however, the obtained results after 15 days showed only around 13% Ni and 8% Cu extractions, which were not different to those of the controls. For the flotation tailings bioleaching extractions were approximately 45% for Ni and 16% for Cu while differing figures were obtained for the chemical controls. These were 30% and 12% respectively. Here we could observe that the presence of bacterial activity led to a higher solubility of Ni. Acid leaching of slag showed higher nickel and copper extractions: 56% and 24% respectively at pH 0.5 and 21% and 11% at pH 1.0. However, the acid consumption was 320 and 150 Kg/ton of slag, respectively, both much higher than in bacterial assays. These results indicated that Ni and Cu solubilization from the slag is acid dependent no matter the redox potential or ferric iron concentration of the leaching solution. For flotation tailings, acid treatment showed extractions of 23% for Ni and 16% for copper at pH 0.5 and 22% and 28%, respectively at pH 1.0. The acid consumption was also higher: 220 and 120 Kg/ton, at pH 0.5 and 1.0, respectively. Based on own findings we could observe that acid leaching is found to be more effective for slag, though the acid consumption is much higher, while for the flotation tailings, bacterial leaching seems to be the best alternative. © (2009) Trans Tech Publications.

Osteoconductivity of modified fluorcanasite glass-ceramics for bone tissue augmentation and repair

Modified fluorcanasite glasses were fabricated by either altering the molar ratios of Na 2O and CaO or by adding P 2O 5 to the parent stoichiometric glass compositions. Glasses were converted to glass-ceramics by a controlled two-stage heat treatment process. Rods (2 mm x 4 mm) were produced using the conventional lost-wax casting technique. Osteoconductive 45S5 bioglass was used as a reference material. Biocompatibility and osteoconductivity were investigated by implantation into healing defects (2 mm) in the midshaft of rabbit femora. Tissue response was investigated using conventional histology and scanning electron microscopy. Histological and histomorphometric evaluation of specimens after 12 weeks implantation showed significantly more bone contact with the surface of 45S5 bioglass implants when compared with other test materials. When the bone contact for each material was compared between experimental time points, the Glass-Ceramic 2 (CaO rich) group showed significant difference (p = 0.027) at 4 weeks, but no direct contact at 12 weeks. Histology and backscattered electron photomicrographs showed that modified fluorcanasite glass-ceramic implants had greater osteoconductivity than the parent stoichiometric composition. Of the new materials, fluorcanasite glass-ceramic implants modified by the addition of P 2O 5 showed the greatest stimulation of new mineralized bone tissue formation adjacent to the implants after 4 and 12 weeks implantation. © 2010 Wiley Periodicals, Inc.

Glass-ceramic material from the SiO 2-Al 2O 3-CaO system using sugar-cane bagasse ash (SCBA)

Brazil is the world's largest producer of alcohol and sugar from sugarcane. Currently, sugarcane bagasse is burned in boilers to produce steam and electrical energy, producing a huge volume of ash. The major component of the ash is SiO 2, and among the minor components there are some mineralizing agents or fluxing. Published works have shown the potential of transforming silicate-based residues into glass-ceramic products of great utility. This work reports the research results of SCBA use to produce glass-ceramics with wollastonite, rankinite and gehlenite as the major phases. These silicates have important applications as building industry materials, principally wollastonite, due to their special properties: high resistance to weathering, zero water absorption, and hardness among others. The glasses (frits) were prepared mixing ash, calcium carbonate and sodium or potassium carbonates as flux agents, in different concentrations. X-ray fluorescence was used to determine the chemical composition of the glasses and their crystallization was assessed by using thermal analysis (DTA/DSC/TGA) and X-ray diffraction. The crystallization kinetics was evaluated using the Kissinger method, giving activation energies ranging from 200 to 600 kJ/mol. © 2011 Ceramic Society of Japan.

Upconversion luminescence in Er3+ doped Ga10Ge 25S65 glass and glass-ceramic excited in the near-infrared

The infrared-to-visible frequency upconversion was investigated in Er 3+-doped Ga10Ge25S65 glass and in the transparent glass-ceramic obtained by heat-treatment of the glass above its glass-transition temperature. Continuous-wave and pulsed lasers operating at 980 nm and 1480 nm were used as excitation sources. The green (2H 11/2 → 4I15/2; 4S3/2 → 4I15/2) and red (4F9/2 → 4I15/2) photoluminescence (PL) signals due to the Er3+ ions were characterized. The PL decay times were influenced by energy transfer among Er3+ ions, by cross-relaxation processes and by energy transfer from the Er3+ ions to the host material. The PL from the Er3+ ions hosted in the crystalline phase was distinguished only when the glass-ceramic was excited by the 1480 nm pulsed laser. The excitation pathways responsible for the green and red PL bands are discussed to explain the differences between the spectra observed under continuous-wave and pulsed excitation. © 2013 American Institute of Physics.