Impregnation technique assessment on the electrochemical behaviour of an aluminium electrolytic capacitor

Since the world population keeps increasing, the energetic demand is constantly growing. Issues related to the energy consumption are always topical, especially those regarding energy production and storage. Since the discovery of electricity, different capacitors have been used in order to store energy in the most effective way. In this field aluminium electrolytic capacitors are a good choice. They are capacitors able to store a lot of energy, due to their high capacitance values. The turning point that led to the development of the first electrolytic capacitors was the discovery of certain valve metals, such as aluminium or tantalum. These metals were considered in 1880, because of their ability of conducting charges in one direction only, while avoiding the flux of current the opposite direction, due to the oxide layer growing on their surface. The oxide forms on the surface of the anode after an electrochemical process, and it acts as a dielectric layer, while the electrolytic solution (that must be ionically conductive and must impregnate the paper separator), acts as a connector between the dielectric oxide and the cathode foil. Thanks to the development of the electric industry, new methods for the energy storage are needed. An example is the development of the electrochemical etching process, that aims at increasing the surface of the anode, so that the interface between the dielectric oxide on the anode and the conductive plate will increase too. More in detail, in this thesis the impregnation process, that is the basis of the production process of an aluminium electrolytic capacitor, has been analysed. To do so, the materials supplied by Itelcond company have been used. Itelcond is an Italian industry that produces high voltage capacitors for professional use. The materials supplied by the company are paper separators, electrolytic solutions and aluminium foils. These materials have been characterized before and after the impregnation test, with the purpose of having a precise overview on the impregnation process and the resulting electrical properties. In the first chapters, after a general overview on the capacitors, a general explanation about the production process of the aluminium electrolytic capacitors and the typical related electrical parameters is given. Then in the following chapters the materials and all the details and information about operating condition of the laboratory test are listed. The last chapter reports result of the impregnation tests. From the analysis of these results, it emerged that the kind of paper separators and the behaviour of the electrolytic solutions have an influence on the effectiveness of the impregnation process, as much as the temperature variation and the duration of the process. Through the impregnation of each paper sample and the related characterization analyses it has been possible to understand that the most efficient method is to immerse the paper samples in the most viscous solution at standard conditions. Afterwards the standard parameters of the process have been varied, decreasing the temperature and the duration of the process. This allowed to highlight that there is a difference in weight if the temperature is reduced by 20°C. The next and last step of this thesis was the comparison between the trends resulting from impregnation of two electrolytic capacitors at 85°C and 65°C, and the charge test carried out on capacitors impregnated in the same conditions.

A causa dalla continua crescita della popolazione mondiale, il bisogno energetico è in continuo aumento anno dopo anno. Le problematiche legate al consumo di energia sono sempre attuali e fonte di continui studi. In particolare per quanto riguarda la produzione e lo stoccaggio di energia, dalla scoperta della corrente elettrica fino ai nostri giorni, sono stati utilizzati diversi tipi di condensatori per immagazzinare nel modo più conveniente possibile l’energia elettrica. Di grande interesse sono i condensatori elettrolitici in alluminio, in grado di accumulare energia grazie agli alti valori di capacità. Il passo fondamentale che ha portato allo sviluppo dei primi condensatori elettrolitici è stato la scoperta di alcuni di metalli che si passivano naturalmente (per esempio alluminio o tantalio). Questi metalli furono riconosciuti nel 1880 per la loro capacità di condurre la corrente elettrica in una sola direzione ed impedire il flusso di corrente nella direzione opposta grazie alla formazione di uno strato di ossido sulla superficie degli stessi, quando immersi in un elettrolita appropriato. L’ossido si forma sulla superficie dell’anodo in seguito ad un processo elettrochimico, lo strato di ossido lavora come dielettrico, la soluzione elettrolita (che deve essere conduttiva), di cui è impregnata la carta separatrice, funge da connettore tra l’ossido dielettrico ed il catodo. Dall’invenzione avvenuta nel 1880, all’invenzione del moderno condensatore elettrolitico ad alluminio nel 1925, vi è stato un continuo sviluppo sulla conoscenza alla base di questo tipo di condensatore e alla base del processo di funzionamento. Con la crescita del industria elettrica, nuovi mezzi per lo stoccaggio di energia sono richiesti e i metodi vecchi vanno raffinati e ottimizzati: ne è un esempio lo studio e lo sviluppo del processo di incisione elettrochimico (etching) atto ad incrementare la superficie dell’anodo, in modo da aumentare l’area dell’interfaccia dielettrico - conduttore. In questo elaborato viene analizzata la fase di impregnazione che è alla base del processo di produzione di un condensatore elettrolitico. In particolare, vengono analizzati tutti i materiali forniti dall’azienda Itelcond, leader nel mercato italiano nel campo dei condensatori. Itelcond produce condensatori per applicazioni professionali ed industriali, caratterizzati da alti valori di capacità e applicabili per alti voltaggi. Questi materiali principalmente sono le carte utilizzate come separatori, le soluzioni elettrolitiche ed i fogli di alluminio. Nello studio i materiali vengono caratterizzati prima e dopo il test, in modo da poter avere un quadro preciso su processo di impregnazione e sulla correlazione impregnazione - capacità. Nei primi tre capitoli, dopo una panoramica generale sui condensatori, viene fornita una conoscenza di base sul processo di produzione di un condensatore elettrolitico ad alluminio ed i tipici parametri elettrici che lo caratterizzano. Nel capitolo successivo viene riportata una lista dei materiali che formano un condensatore elettrolitico, seguita da una breve descrizione. La spiegazione dettagliata del lavoro svolto in laboratorio, con una breve descrizione dei metodi utilizzati per caratterizzare questi campioni, è riportata nel capitolo quinto. Successivamente è riportato il dettaglio delle prove di impregnazione effettuate con i risultati ottenuti. Dall’analisi dei risultati ottenuti dai test di impregnazione è emerso che il tipo di carta separatrice utilizzata e la natura della soluzione elettrolitica influenzano l’efficacia del processo di impregnazione quanto la variazione di temperatura o di durata del processo. Attraverso l’impregnazione di singoli provini di carta è possibile notare che il miglior risultato in termini di efficacia si ottiene immergendo i campioni nella soluzione più viscosa ed utilizzando i parametri standard del processo (cioè senza riduzioni di temperatura e di durata del processo). Attraverso una analisi delle misure del peso è possibile calcolare la quantità in grammi su centimetro cubo del soluto intrappolato nel volume di carta, questo valore di impregnazione è confrontabile con gli altri valori ottenuti dalle altre prove svolte con parametri differenti. Dalle misure ottenute, si riscontra che impregnando con soluzione elettrolita un condensatore già arrotolato, prima in condizioni standard e poi a temperatura ridotta, è presente una correlazione tra i provini analizzati. Questa tendenza mostra che la differenza in peso del campione, dovuto al soluto impregnato nella carta, subisce un dimezzamento in peso nel caso di una riduzione di 20°C nella temperatura del processo. Nel capitolo finale due condensatori ottenuti a seguito di processi di impregnazione effettuati con la medesima soluzione ma a temperature differenti (pari a 85°C e 65°C) vengono messi a confronto attraverso prove elettriche di carica, in modo da valutare le capacità dei condensatori.