A detailed study of the lithiation of iron phosphate as well as the development of a novel synthesis of lithium iron silicate as cathode material for lithium-ion batteries

Dans cette thèse nous démontrons le travail fait sur deux matériaux de cathodes pour les piles lithium-ion. Dans la première partie, nous avons préparé du phosphate de fer lithié (LiFePO4) par deux méthodes de lithiation présentées dans la littérature qui utilisent du phosphate de fer (FePO4) amorphe comme précurseur. Pour les deux méthodes, le produit obtenu à chaque étape de la synthèse a été analysé par la spectroscopie Mössbauer ainsi que par diffraction des rayons X (DRX) pour mieux comprendre le mécanisme de la réaction. Les résultats de ces analyses ont été publiés dans Journal of Power Sources. Le deuxième matériau de cathode qui a été étudié est le silicate de fer lithié (Li2FeSiO4). Une nouvelle méthode de synthèse a été développée pour obtenir le silicate de fer lithié en utilisant des produits chimiques peu couteux ainsi que de l’équipement de laboratoire de base. Le matériau a été obtenu par une synthèse à l’état solide. Les performances électrochimiques ont été obtenues après une étape de broyage et un dépôt d’une couche de carbone. Un essai a été fait pour synthétiser une version substituée du silicate de fer lithié dans le but d’augmenter les performances électrochimiques de ce matériau.

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.

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.

Études de la réponse du métabolisme énergétique à la carence en fer dans les cultures cellulaires de Solanum tuberosum

Le fer est un micronutriment important pour la croissance et le développement des plantes. Il agit comme cofacteur pour plusieurs enzymes et il est important pour des processus tels que la photosynthèse et la respiration. Souvent, le Fe dans le sol n’est pas bio-disponible pour la plante. Les plantes ont développé des stratégies pour solubiliser le Fe du sol pour le rendre disponible et assimilable pour elles. Il y a deux stratégies, la première est caractéristique des dicotylédones et la seconde est caractéristique des monocotylédones. Le modèle utilisé dans cette étude est une culture cellulaire de Solanum tuberosum. Une partie de la recherche effectuée a permis la mesure d’activité et d’expression relative de certaines enzymes impliquées dans le métabolisme énergétique et la fourniture de précurseurs pour la synthèse d’ADN : la Nucléoside diphosphate kinase, la Ribonucléotide reductase, la Glucose 6-phosphate déshydrogénase et la 6-Phosphogluconate déshydrogénase dans les cellules en présence ou en absence de Fe. Chez certains organismes, la déficience en Fe est associée à une perte de croissance qui est souvent liée à une diminution de la synthèse d’ADN. Chez les cultures de cellules de S. tuberosum, les résultats indiquent que la différence de biomasse observée entre les traitements n’est pas due à une variation de l’activité ou l’expression relative d’une de ces enzymes. En effet, aucune variation significative n’a été détectée entre les traitements (+/- Fe) pour l’activité ni l’expression relative de ces enzymes. Une autre partie de la recherche a permis d’évaluer l’activité des voies métaboliques impliquées dans la stratégie 1 utilisée par S. tuberosum. Cette stratégie consomme des métabolites énergétiques: de l’ATP pour solubiliser le Fe et du pouvoir réducteur (NAD(P)H), pour réduire le Fe3+ en Fe2+. Des études de flux métaboliques ont été faites afin d’étudier les remaniements du métabolisme carboné en déficience en Fe chez S. tuberosum. Ces études ont démontré une baisse du régime dans les différentes voies du métabolisme énergétique dans les cellules déficientes en Fe, notamment dans le flux glycolytique et le flux de C à travers la phosphoenolpyruvate carboxylase. En déficience de Fe il y aurait donc une dépression du métabolisme chez S. tuberosum qui permettrait à la cellule de ralentir son métabolisme pour maintenir sa vitalité. En plus des flux, les niveaux de pyridines nucléotides ont été mesurés puisque ceux-ci servent à réduire le Fe dans la stratégie 1. Les résultats démontrent des niveaux élevés des formes réduites de ces métabolites en déficience de Fe. L’ensemble des résultats obtenus indiquent qu’en déficience de Fe, il y a une baisse du métabolisme permettant à la cellule de s’adapter et survivre au stress.

Études de la réponse du métabolisme énergétique à la carence en fer dans les cultures cellulaires de Solanum tuberosum

Le fer est un micronutriment important pour la croissance et le développement des plantes. Il agit comme cofacteur pour plusieurs enzymes et il est important pour des processus tels que la photosynthèse et la respiration. Souvent, le Fe dans le sol n’est pas bio-disponible pour la plante. Les plantes ont développé des stratégies pour solubiliser le Fe du sol pour le rendre disponible et assimilable pour elles. Il y a deux stratégies, la première est caractéristique des dicotylédones et la seconde est caractéristique des monocotylédones. Le modèle utilisé dans cette étude est une culture cellulaire de Solanum tuberosum. Une partie de la recherche effectuée a permis la mesure d’activité et d’expression relative de certaines enzymes impliquées dans le métabolisme énergétique et la fourniture de précurseurs pour la synthèse d’ADN : la Nucléoside diphosphate kinase, la Ribonucléotide reductase, la Glucose 6-phosphate déshydrogénase et la 6-Phosphogluconate déshydrogénase dans les cellules en présence ou en absence de Fe. Chez certains organismes, la déficience en Fe est associée à une perte de croissance qui est souvent liée à une diminution de la synthèse d’ADN. Chez les cultures de cellules de S. tuberosum, les résultats indiquent que la différence de biomasse observée entre les traitements n’est pas due à une variation de l’activité ou l’expression relative d’une de ces enzymes. En effet, aucune variation significative n’a été détectée entre les traitements (+/- Fe) pour l’activité ni l’expression relative de ces enzymes. Une autre partie de la recherche a permis d’évaluer l’activité des voies métaboliques impliquées dans la stratégie 1 utilisée par S. tuberosum. Cette stratégie consomme des métabolites énergétiques: de l’ATP pour solubiliser le Fe et du pouvoir réducteur (NAD(P)H), pour réduire le Fe3+ en Fe2+. Des études de flux métaboliques ont été faites afin d’étudier les remaniements du métabolisme carboné en déficience en Fe chez S. tuberosum. Ces études ont démontré une baisse du régime dans les différentes voies du métabolisme énergétique dans les cellules déficientes en Fe, notamment dans le flux glycolytique et le flux de C à travers la phosphoenolpyruvate carboxylase. En déficience de Fe il y aurait donc une dépression du métabolisme chez S. tuberosum qui permettrait à la cellule de ralentir son métabolisme pour maintenir sa vitalité. En plus des flux, les niveaux de pyridines nucléotides ont été mesurés puisque ceux-ci servent à réduire le Fe dans la stratégie 1. Les résultats démontrent des niveaux élevés des formes réduites de ces métabolites en déficience de Fe. L’ensemble des résultats obtenus indiquent qu’en déficience de Fe, il y a une baisse du métabolisme permettant à la cellule de s’adapter et survivre au stress.

External pressure in the hardening of phosphate in tribofilm on iron surfaces

Purpose: In the present work we consider our (in progress) spectroscopy study of zinc and iron phosphates under the influence external high pressure to determine zinc ion change coordination from tetrahedral to octahedral (or hexahedral) structure.----- Design/methodology/approach: The standard equipment is the optical high pressure cell with diamond (DAC). The DAC is assembled and then vibrational or electronic spectra are collected by mounting the cell in an infrared, Raman, EXAFS or UV-visible spectrometer.----- Findings: Mechanism by which zinc and iron methaphosphate material is transformed to glassy meta-phosphate is enhancing mechanical properties of tribofilm. The two decades of intensive study demonstrates that Zn (II) and Fe (III) ions participate to cross-link network under friction, hardening the phosphate.----- Research limitations/implications: Transition metal atoms with d orbital have flexible coordination numbers, for example zinc acts as a cross-linking agent increasing hardness, by changing coordination from tetrahedral to octahedral. Perhaps the external pressure effect on the [Zn–(O-P-)4 ] complex causes a transformation to an [Zn –(O-P-)6] grouping.----- Originality/value: This paper analyses high-pressure spectroscopy which has been applied for the investigation of 3D transition metal ions in solids. When studying pressure effects on coordination compounds structure, we can expect changes in ground electronic state (spin-crossovers), electronic spectra due to structural distortions (piezochromism), and changes in the ligand field causing shifts in the electronic transitions.

Raman spectroscopic study of the phosphate mineral Churchite-(Y) YPO4.2H2O

Raman spectroscopy has been used to study the rare earth mineral churchite-(Y) of formula (Y,REE)(PO4) •2H2O. The mineral contains yttrium and depending on the locality, a range of rare earth metals. The Raman spectra of two churchite-(Y) mineral samples from Jáchymov and Medvědín in the Czech Republic were compared with the Raman spectra of churchite-(Y) downloaded from the RRUFF data base. The Raman spectra of churchite-(Y) are characterized by an intense sharp band at 975 cm-1 assigned to the ν1 (PO4)3- symmetric stretching mode. A lower intensity band observed at around 1065 cm-1 is attributed to the ν3 (PO43-) antisymmetric stretching mode. The (PO43-) bending modes are observed at 497 cm-1 (ν2) and 563 cm-1(ν4). Some small differences in the band positions between the four churchite-(Y) samples from four different localities were found. These differences are possible to explain as different compositions of the churchite-(Y) minerals.

Porcine bone marrow stromal cell differentiation on heparin-adsorbed poly (e-caprolactone)-tricalcium phosphate-collagen scaffolds

We evaluate the potential of heparin as a substrate component for the fabrication of bone tissue engineering constructs using poly(e- caprolactone)–tricalcium phosphate–collagen type I (PCL–TCP–Col) three-dimensional (3-D) scaffolds. First we explored the ability of porcine bone marrow precursor cells (MPCs) to differentiate down both the adipogenic and osteogenic pathways within 2-D culture systems, with positive results confirmed by Oil-Red-O and Alizarin Red staining, respectively. Secondly, we examined the influence of heparin on the interaction and behaviour of MPCs when seeded onto PCL–TCP–Col 3-D scaffolds, followed by their induction into the osteogenic lineage. Our 3-D findings suggest that cell metabolism and proliferation increased between days 1 and 14, with deposition of extracellular matrix also observed up to 28 days. However, no noticeable difference could be detected in the extent of osteogenesis for PCL–TCP–Col scaffolds groups with the addition of heparin compared to identical control scaffolds without the addition of heparin.

Sphingosine-1-phosphate mediates proliferation maintaining the multipotency of human adult bone marrow and adipose tissue-derived stem cells

High renewal and maintenance of multipotency of human adult stem cells (hSCs), are a prerequisite for experimental analysis as well as for potential clinical usages. The most widely used strategy for hSC culture and proliferation is using serum. However, serum is poorly defined and has a considerable degree of inter-batch variation, which makes it difficult for large-scale mesenchymal stem cells (MSCs) expansion in homogeneous culture conditions. Moreover, it is often observed that cells grown in serum-containing media spontaneously differentiate into unknown and/or undesired phenotypes. Another way of maintaining hSC development is using cytokines and/or tissue-specific growth factors; this is a very expensive approach and can lead to early unwanted differentiation. In order to circumvent these issues, we investigated the role of sphingosine-1-phosphate (S1P), in the growth and multipotency maintenance of human bone marrow and adipose tissue-derived MSCs. We show that S1P induces growth, and in combination with reduced serum, or with the growth factors FGF and platelet-derived growth factor-AB, S1P has an enhancing effect on growth. We also show that the MSCs cultured in S1P-supplemented media are able to maintain their differentiation potential for at least as long as that for cells grown in the usual serum-containing media. This is shown by the ability of cells grown in S1P-containing media to be able to undergo osteogenic as well as adipogenic differentiation. This is of interest, since S1P is a relatively inexpensive natural product, which can be obtained in homogeneous high-purity batches: this will minimize costs and potentially reduce the unwanted side effects observed with serum. Taken together, S1P is able to induce proliferation while maintaining the multipotency of different human stem cells, suggesting a potential for S1P in developing serum-free or serum-reduced defined medium for adult stem cell cultures.

Some aspects of calcium phosphate chemistry in sugarcane clarification

This paper reviews some aspects of calcium phosphate chemistry since phosphate in juice is an important parameter in all sugar juice clarification systems. It uses basic concepts to try and explain the observed differences in clarification performance obtained with various liming techniques. The paper also examines the current colorimetric method used for the determination of phosphate in sugar juice. In this method, a phosphomolybdate blue complex formed due to the addition of a dye is measured at 660 nm. Unfortunately, at this wavelength there is interference of the colour arising from within the juice and results in the underestimation of the amount of soluble inorganic phosphate content of juice. It is suggested that phosphate analysis be conducted at the higher wavelength of 875 nm where the interference of the juice colour is minimised.

Structure of selected basic zinc/copper (II) phosphate minerals based upon near-infrared spectroscopy : implications for hydrogen bonding

The NIR spectra of reichenbachite, scholzite and parascholzite have been studied at 298 K. The spectra of the minerals are different, in line with composition and crystal structural variations. Cation substitution effects are significant in their electronic spectra and three distinctly different electronic transition bands are observed in the near-infrared spectra at high wavenumbers in the 12000-7600 cm-1 spectral region. Reichenbachite electronic spectrum is characterised by Cu(II) transition bands at 9755 and 7520 cm-1. A broad spectral feature observed for ferrous ion in the 12000-9000 cm-1 region both in scholzite and parascholzite. Some what similarities in the vibrational spectra of the three phosphate minerals are observed particularly in the OH stretching region. The observation of strong band at 5090 cm-1 indicates strong hydrogen bonding in the structure of the dimorphs, scholzite and parascholzite. The three phosphates exhibit overlapping bands in the 4800-4000 cm-1 region resulting from the combinations of vibrational modes of (PO4)3- units.