Environmental sustainability of energy storage devices : the production process of aluminum electrolytic capacitors

The energetic crisis related to the depletion of fossil fuel reserves and the rising global warming resulted in the need for complete energy independence and the development of efficient systems to support climate change mitigation actions. Thanks to the awareness about energy conservation, various energy storage technologies were developed using efficient devices, such as the capacitor, which is the object under study. This thesis work analyzes two series of aluminum electrolytic capacitors, named screw and snap-in, produced with two different electrolytes. A comparative life cycle assessment (LCA) analysis was carried out between the different aluminum electrolytic capacitors to determine which design determines the most significant environmental impact, considering the characteristic lifetimes. The study consisted of different stages: the characterization of the capacitors materials, the evaluation of the energy distribution along the various steps of the manufacturing process, and the study of the chemical compounds of the electrolytic solutions. This last step was made by verifying the most reliable synthesis pathways. The numerical values for the impact categories of interest for electronic devices were calculated for each type of capacitor according to the product category rules by the software SimaPro. Finally, the two electrolytes were compared. This element heavily affects the capacitor lifetime. It turned out that the electrolyte with the greater environmental impacts due to transport and manufacturing is the least impactful solution as it doubles the life span, compared to the electrolyte characterized by a less impactful production.

La crisi energetica correlata all'esaurimento delle riserve di combustibili fossili e all'aumento del riscaldamento globale ha portato alla necessità di una completa indipendenza energetica e allo sviluppo di sistemi efficienti per supportare le azioni di mitigazione del cambiamento climatico. Grazie alla consapevolezza sul risparmio energetico, sono state sviluppate diverse tecnologie di accumulo di energia utilizzando dispositivi efficienti, come il condensatore, che è l'oggetto in studio. Questo lavoro di tesi analizza due serie di condensatori elettrolitici all’alluminio, denominati a vite e snap-in, prodotti con due diversi elettroliti. È stata effettuata un'analisi comparativa del ciclo di vita (LCA) tra i diversi condensatori elettrolitici all'alluminio per determinare quale processo determina l'impatto ambientale più significativo, considerando le durate caratteristiche. Lo studio si è articolato in diverse fasi: la caratterizzazione dei materiali dei condensatori, la valutazione della distribuzione dell'energia lungo le varie fasi del processo produttivo e lo studio dei composti chimici delle soluzioni elettrolitiche. Quest'ultimo passaggio è stato effettuato verificando i percorsi di sintesi più affidabili. I valori numerici per le categorie di impatto di interesse per i dispositivi elettronici sono stati calcolati per ciascuna tipologia di condensatore, secondo le regole della categoria di prodotto, dal software SimaPro. Infine, i due elettroliti sono stati confrontati. Questo componente influisce pesantemente sulla durata del condensatore. Si è scoperto che l'elettrolita con i maggiori impatti ambientali dovuti al trasporto e alla produzione è la soluzione meno impattante in quanto raddoppia la durata della vita del condensatore, rispetto all'elettrolita caratterizzato da una produzione meno impattante.