Novel approaches to the synthesis and treatment of cathode materials for lithium-ion batteries

Nous avons mis au point une approche novatrice pour la synthèse d’un matériau de cathode pour les piles lithium-ion basée sur la décomposition thermique de l’urée. Les hydroxydes de métal mixte (NixMnxCo(1-2x)(OH)2) ont été préparés (x = 0.00 à 0.50) et subséquemment utilisés comme précurseurs à la préparation de l’oxyde de métal mixte (LiNixMnxCo(1-2x)O2). Ces matériaux, ainsi que le phosphate de fer lithié (LiFePO4), sont pressentis comme matériaux de cathode commerciaux pour la prochaine génération de piles lithium-ion. Nous avons également développé un nouveau traitement post-synthèse afin d’améliorer la morphologie des hydroxydes. L’originalité de l’approche basée sur la décomposition thermique de l’urée réside dans l’utilisation inédite des hydroxydes comme précurseurs à la préparation d’oxydes de lithium mixtes par l’intermédiaire d’une technique de précipitation uniforme. De plus, nous proposons de nouvelles techniques de traitement s’adressant aux méthodes de synthèses traditionnelles. Les résultats obtenus par ces deux méthodes sont résumés dans deux articles soumis à des revues scientifiques. Tous les matériaux produits lors de cette recherche ont été analysés par diffraction des rayons X (DRX), microscope électronique à balayage (MEB), analyse thermique gravimétrique (ATG) et ont été caractérisés électrochimiquement. La performance électrochimique (nombre de cycles vs capacité) des matériaux de cathode a été conduite en mode galvanostatique.

Étude de l'influence de la réassociation en surface des atomes N et O sur l'inactivation des spores bactériennes dans une post-décharge N2-O2 basse pression en flux

Le recours au plasma pour stériliser des dispositifs médicaux (DM) est un domaine de recherche ne datant véritablement que de la fin des années 1990. Les plasmas permettent, dans les conditions adéquates, de réaliser la stérilisation à basse température (≤ 65°C), tel qu’exigé par la présence de polymères dans les DM et ce contrairement aux procédés par chaleur, et aussi de façon non toxique, contrairement aux procédés chimiques comme, par exemple, l’oxyde d’éthylène (OEt). Les laboratoires du Groupe de physique des plasmas à l’Université de Montréal travaillent à l’élaboration d’un stérilisateur consistant plus particulièrement à employer les effluents d’une décharge N2-%O2 basse pression (2-8 Torrs) en flux, formant ce que l’on appelle une post-décharge en flux. Ce sont les atomes N et O de cette décharge qui viendront, dans les conditions appropriées, entrer en collisions dans la chambre de stérilisation pour y créer des molécules excitées NO*, engendrant ainsi l’émission d’une quantité appréciable de photons UV. Ceux-ci constituent, dans le cas présent, l’agent biocide qui va s’attaquer directement au bagage génétique du micro-organisme (bactéries, virus) que l’on souhaite inactiver. L’utilisation d’une lointaine post-décharge évite du même coup la présence des agents érosifs de la décharge, comme les ions et les métastables. L’un des problèmes de cette méthode de stérilisation est la réduction du nombre de molécules NO* créées par suite de la perte des atomes N et O, qui sont des radicaux connus pour interagir avec les surfaces, sur les parois des matériaux des DM que l’on souhaite stériliser. L’objectif principal de notre travail est de déterminer l’influence d’une telle perte en surface, dite aussi réassociation en surface, par l’introduction de matériaux comme le Téflon, l’acier inoxydable, l’aluminium et le cuivre sur le taux d’inactivation des spores bactériennes. Nous nous attendons à ce que la réassociation en surface de ces atomes occasionne ainsi une diminution de l’intensité UV et subséquemment, une réduction du taux d’inactivation. Par spectroscopie optique d’émission (SOE), nous avons déterminé les concentrations perdues de N et de O par la présence des matériaux dans le stérilisateur, ainsi que la diminution de l’émission UV en découlant. Nous avons observé que cette diminution des concentrations atomiques est d’autant plus importante que les surfaces sont catalytiques. Au cours de l’étude du phénomène de pertes sur les parois pour un mélange N2-%O2 nous avons constaté l’existence d’une compétition en surface entre les atomes N et O, dans laquelle les atomes d’oxygènes semblent dominer largement. Cela implique qu’au-delà d’un certain %O2 ajouté à la décharge N2, seuls les atomes O se réassocient en surface. Par ailleurs, l’analyse des courbes de survie bi-phasiques des micro-organismes a permis d’établir une étroite corrélation, par lien de cause à effet, entre la consommation des atomes N et O en surface et la diminution du taux d’inactivation des spores dans la première phase. En revanche, nous avons constaté que notre principal agent biocide (le rayonnement ultraviolet) est moins efficace dans la deuxième phase et, par conséquent, il n’a pas été possible d’établir un lien entre la diminution des concentrations et le taux d’inactivation de cette phase-là.

Low cost synthesis of cathode and anode materials for lithium-ion batteries

Dans cette thèse, nous démontrons des travaux sur la synthèse à faible coût des matériaux de cathode et l'anode pour les piles lithium-ion. Pour les cathodes, nous avons utilisé des précurseurs à faible coût pour préparer LiFePO4 et LiFe0.3Mn0.7PO4 en utilisant une méthode hydrothermale. Tout d'abord, des matériaux composites (LiFePO4/C) ont été synthétisés à partir d'un précurseur de Fe2O3 par une procédé hydrothermique pour faire LiFePO4(OH) dans une première étape suivie d'une calcination rapide pour le revêtement de carbone. Deuxièmement, LiFePO4 avec une bonne cristallinité et une grande pureté a été synthétisé en une seule étape, avec Fe2O3 par voie hydrothermale. Troisièmement, LiFe0.3Mn0.7PO4 a été préparé en utilisant Fe2O3 et MnO comme des précurseurs de bas coûts au sein d'une méthode hydrothermale synthétique. Pour les matériaux d'anode, nous avons nos efforts concentré sur un matériau d'anode à faible coût α-Fe2O3 avec deux types de synthèse hydrothermales, une a base de micro-ondes (MAH) l’autre plus conventionnelles (CH). La nouveauté de cette thèse est que pour la première fois le LiFePO4 a été préparé par une méthode hydrothermale en utilisant un précurseur Fe3+ (Fe2O3). Le Fe2O3 est un précurseur à faible coût et en combinant ses coûts avec les conditions de synthèse à basse température nous avons réalisé une réduction considérable des coûts de production pour le LiFePO4, menant ainsi à une meilleure commercialisation du LiFePO4 comme matériaux de cathode dans les piles lithium-ion. Par cette méthode de préparation, le LiFePO4/C procure une capacité de décharge et une stabilité de cycle accrue par rapport une synthétisation par la méthode à l'état solide pour les mêmes précurseurs Les résultats sont résumés dans deux articles qui ont été récemment soumis dans des revues scientifiques.

Studies on Rubber Composition as Passive Acoustic Materials in Underwater Electro Acoustic Tranducer Technology and Their aging Characteristic

The research work has been in the area of compounding and characterization of rubbers for use in under water electro acoustic transducers. The study also covers specific material system such as encapsulation materials, baffle material, seal material, etc. Life prediction techniques of under water rubbers in general have been established with reference to more than one functional property. Ranges of passive materials, besides the active sensing material go into the construction of underwater electro acoustic transducers. Reliability of the transducer is critically dependent on these passive materials. Rubbers are a major class of passive materials. The present work concentrates on these materials. Conventional rubbers are inadequate to meet many of the stringent function specific requirements. There exists a large gap of information in the rubber technology of underwater rubbers, particularly relating to underwater electro acoustic transducers. This study is towards filling up the gaps of information in this crucial area. Water intake into rubber is considered as the single most important issue for the long-term performance of rubbers, especially Neoprene. In this study, the cause and effects of a range of parameters affecting the water absorption by diffusion and permeation have been investigated.

Polycyclic aromatic hydrocarbons and toxic trace metals in seawater and sediments from the west coast of India and their bioaccumulation in some selected species of fishes

Polycyclic Aromatic Hydrocarbons and other toxic compounds from industrial effluents are noted for their high potency for skin, lung, bladder and gastrointestinal cancers. Increased industrialization, and population growth led to greater production of wastes, Pesticides and PAHs have received attention due to their carcinogenic effects. The main objectives of the study were; to collect base line data on the concentration of PAHs in seawater and sediment from the west coast of India, the concentration of PAHs in certain species of fishes, the comparative levels of PAHs in fish, the influence of sediment characteristics on the concentration of PAH in sediment, changes in PAH concentration in water, sediment and fish, to provide a base line concentration of trace metals in water, sediment and fish, the seasonal changes in content of selected trace metals in water, sediment and fish from the west coast of India. The present study revealed that a predominance of silt and clay at all stations in the off Cochin area. The study has provided comprehensive information available to date for PAHs in seawater, sediment and fishes from the west cost of India especially from the Quilon to Mangalore region.

Radiopaque materials from natural polymers: Special emphasis on chitosan and natural rubber

The present work is to impart radiopacity in various natural polymers like chitosan, natural rubber and derivatives of chitosan and to characterize it. This thesis collated the radiopaque properties of these radiopaque polymers and various technological applications in the medical field. The applications of radiopaque polymers leads to an exploitation of radiopaque properties like X-ray visibility, optical density, effective atomic number, attenuation coefficient of biopolymers like chitosan, chitosan formate, chitosan acetate, carboxy methyl chitosan and natural rubber. The radiopaqe properties of these materials highly depend upon the size, shape, amount of radiopacifier and crystallinity of the radiopaque material. Radiopaque chitosan microspheres were prepared by cross linking with glutaraldehyde followed by the encapsulation of barium sulpahte. The effect of different emulsion systems on the morphology of chitosan microspheres were studied. The study concentrates radiopaque natural rubber for shielding applications. It reveals that to improve the particle size, morphology and crystalline phase of the zinc oxide particles, a novel method for the preparation of zinc oxide is adopted. A detailed radiopacity study was done in natural rubber containing 100phr precipitated zinc oxide prepared from different zinc salts. One of the significant findings of this investigation is that NR vulcanizates containing precipitated zinc oxide (from zinc acetate) shows higher attenuation coefficient. These interesting findings reveal the applications of these natural radiopaque systems in various fields like surgical tools, medical tubings, catheters, radiation shielding,etc.

Tailored Ion Imprinted Polymer Materials for the Preconcentrative Separation of Noble Metals

Tailored ion imprinted polymer materials for the preconcentrative separation of noble metals. This study deals with the synthesis, separation,characterization and analytical application of the noble metals especially palladium and platinum. Platinum group metals(PGM) are currently receiving world wide attention. This group include Palladium(Pt),rhodium(Rh), ruthenium(Ru), iridium(Ir) and osmium(Os).PGM are used as catalysts for a wide variety of hydrogenation, oxidation, isomerization,cyclization,dehydrogenation and dehalogenation reactions.The corrosion resistance of PGM enables them to use in jewellery,electrical and glass industries,extrusion of synthetic fibres,manufacture of laboratory utensils,dental and medical devices. This study clearly establishes selective recovery of platinum from other noble and transition elements.

OFFLINE AND ONLINE SOLID PHASE EXTRACTION/PRECONCENTRATION OF INORGANICS

Solid phase extraction (SPE) is a powerful technique for preconcentration/removal or separation of trace and ultra trace amounts of toxic and nutrient elements. SPE effectively simplifies the labour intensive sample preparation, increase its reliability and eliminate the clean up step by using more selective extraction procedures. The synthesis of sorbents with a simplified procedure and diminution of the risks of errors shows the interest in the areas of environmental monitoring, geochemical exploration, food, agricultural, pharmaceutical, biochemical industry and high purity metal designing, etc. There is no universal SPE method because the sample pretreatment depends strongly on the analytical demand. But there is always an increasing demand for more sensitive, selective, rapid and reliable analytical procedures. Among the various materials, chelate modified naphthalene, activated carbon and chelate functionalized highly cross linked polymers are most important. In the biological and environmental field, large numbers of samples are to be analysed within a short span of time. Hence, online flow injection methods are preferred as they allow extraction, separation, identification and quantification of many numbers of analytes. The flow injection online preconcentration flame AAS procedure developed allows the determination of as low as 0.1 µg/l of nickel in soil and cobalt in human hair samples. The developed procedure is precise and rapid and allows the analysis of 30 samples per hour with a loading time of 60 s. The online FI manifold used in the present study permits high sampling, loading rates and thus resulting in higher preconcentration/enrichment factors of -725 and 600 for cobalt and nickel respectively with a 1 min preconcentration time compared to conventional FAAS signal. These enrichment factors are far superior to hitherto developed on line preconcentration procedures for inorganics. The instrumentation adopted in the present study allows much simpler equipment and low maintenance costs compared to costlier ICP-AES or ICP-MS instruments.

Optical absorption studies in ion implanted and amorphous semiconductors - Investigations in some tetrahedrally co-ordinated and chalcogenide materials

The thesis provides an overall review and introduction to amorphous semiconductors, followed by a brief discussion on the important structural models proposed for chalcogenide glasses and their electrical, optional and thermal properties. It also gives a brief description of the Physics of thin films, ion implantation and Photothermal Deflection Spectroscopy. A brief description of the experimental setup of a photothermal deflection spectrometer and the details of the preparation and optical characterization of the thin film samples. It deals with the employment of the subgap optional absorption measurement by PDS to characterize the defects, amorphization and annealing behavior in silicon implanted with B+ ions and the profiles of ion range and vacancy distribution obtained by the TRIM simulation. It reports the results of all absorption measurements by PDS in nitrogen implanted thin film samples of Ge-Se and As-Se systems

A Simple Free-Space Method for Measuring the Complex Permittivity of Single and Compound Dielectric Materials

A simple and efficient method for determining the complex permittivity of dielectric materials from both reflected and transmitted signals is presented. It is also novel because the technique is implemented using two pyramidal horns without any focusing mechanisms. The dielectric constant of a noninteractive and distributive (NID) mixture of dielectrics is also determined