In this work, fiber optic sensor networks were developed to be integrated in commercially available lithium-ion batteries (cylindrical and prismatic) and pre-fabricated batteries in a laboratory environment (pouch cells), with the objective of monitoring in situ, operando and in real time, the internal and external variations of temperature and strain, under different environmental conditions and different charge and discharge rates. To this end, and in order to show the improved performance of fiber optic sensors in relation to the electronic ones, typically used in this type of application, their response time and resolution were compared. An improvement of 28% of the response time and a better resolution are attained with fiber optic sensors. Monitorization studies of the temperature and strain variations using fiber Bragg gratings (FBGs) in the cylindrical configuration have been made, as well as temperature and bi-directional strain variations in the prismatic configuration, under normal or abusive operating conditions, using the FBG method strain free. When the batteries were subjected to abusive operating conditions, it was evident that greater temperature and strain variations occur, being promoted by the rapid transport of lithium ions between the positive and negative electrodes. Due to the thermal expansion of the materials that compose the battery, its internal structure is an important parameter to consider and that can influence its behavior in terms of expansion and contraction. In order to monitor the thermal performance of lithium-ion prismatic batteries in different environmental conditions, studies were performed in which the battery operated at different discharge rates over different conditions of temperature and relative humidity, in order to simulate the performance of the battery in three distinct climates: cold, temperate, and dry. From these studies, the poor performance of this type of batteries in the cold climate, and consequent lower thermal performance was verified. A network of 37 FBG sensors has also been used to monitor the interfaces of a pack of 3 lithium polymer batteries connected in series. It was possible to perform a spatial and temporal thermal mapping under different discharge rates, and to identify areas that are more susceptible to the appearance of hot spots and that are capable of endanger its normal functioning. Hotter zones were detected near the current collectors, due to the higher density of lithium ions in this region. For the first time, the simultaneous discrimination of internal temperature and strain variations in lithium-ion batteries in the pouch cell configuration was carried out, through the incorporation of hybrid sensors, which combine the operational characteristics of the Fabry-Perot and FBG sensors. The evolution of the strain and temperature signals was followed by the proposed sensors and the largest strain variations were detected at the beginning of the discharge process, in the bottom position of the pouch cell. With the work developed in this Thesis, it is concluded that the integration of optical fiber sensors into lithium-ion batteries contributes to a better internal and external knowledge of the thermal performance and volume variations under different operating conditions. This might improve the safety conditions and optimize the design of the next generation of lithium-ion batteries.

O interesse pela aplicação de biomateriais para substituição e regeneração óssea aumentou significativamente na última década. A hidroxiapatite [HAp; Ca10(PO4)6(OH)2] é considerada um dos biomateriais mais promissores, devido à sua biocompatibilidade, bioatividade e osteocondutividade. O osso exibe um comportamento piezoelétrico e, como tal, desenvolve carga elétrica sob a aplicação de tensão mecânica e vice-versa, pensando-se que tal comportamento influencia a atividade de formação óssea. As propriedades elétricas da HAp preparada na forma de monolítico e na forma de filme fino têm sido estudadas nos últimos anos. Neste âmbito, foi referido que a HAp não apresenta resposta piezoelétrica. No entanto recentemente um coeficiente piezoelétrico foi reportado para filmes finos de HAp preparados pelo método sol gel. Perante esta aparente contradição pretende-se com este trabalho averiguar a existência de atividade piezoelétrica em monolíticos de HAp e comparar a sua resposta com a dos filmes finos, com o objetivo de contribuir para o esclarecimento destas diferenças de comportamento. Assim, prepararam-se monolíticos de HAp por prensagem uniaxial de pós através da mistura convencional de óxidos, seguido de uma caracterização morfológica por SEM, caracterização estrutural por DRX e caracterização dieléctrica através da medição de permitividade dielétrica, perdas dielétricas, resistividade elétrica e coeficiente piezoelétrico . Cerâmicos com densidade final de 96% apresentaram valores de permitividade dielétrica de 13, perdas dielétricas de 0,6 e uma resistividade elétrica na ordem dos Ωm para a frequência de 1MHz. Estes monolíticos apresentaram comportamento piezoeletrico nulo ( = 0 pC/N). Replicou-se a metodologia reportada na literatura relativa à preparação de filmes finos de HAp por sol gel, nos quais se mediu pela primeira vez um coeficiente piezoelétrico . A caraterização estrutural por DRX do filme fino obtido mostrou que o mesmo se apresentou sempre amorfo, não se conseguindo assim a sua caraterização dielétrica, contrariando o que é reportado na literatura relativamente à existência de um coeficiente piezoelétrico em filmes finos de HAp. Assim, concluiu-se que será necessário um estudo mais aprofundado e uma pesquisa mais criteriosa sobre a possibilidade de actividade piezoeléctrica da HAp. No estágio actual de conhecimento parece assim razoável continuar a admitir-se que o comportamento piezoelétrico exibido pelo osso deve ser fundamentalmente atribuído à presença das fibras de colagéneo e não da fase inorgânica de hidroxiapatite.