Nanostructure de pores ordonnés pour augmenter la capacité des condensateurs électrolytiques

Vers la fin du 19e siècle, Charles Pollak découvre qu'une mince couche d'oxyde d'aluminium ou d'alumine formée à la surface de l'aluminium agit comme un diélectrique et permet d'établir une très grande capacité entre l'aluminium et un électrolyte. Il venait de découvrir le principe fondamental du condensateur électrolytique. Durant le 20e siècle, l'évolution du condensateur électrolytique débute. On commence à utiliser du papier électrolytique entre les électrodes du condensateur, on effectue un forming prolongeant la durée de vie des condensateurs et on scelle adéquatement le bobinage évitant ainsi l'évaporation de l'électrolyte. De plus, pour augmenter davantage la capacité des condensateurs électrolytiques, on développe des techniques de gravure de pores dans les électrodes de plus en plus efficaces, augmentant la surface et par le fait même la capacité. La capacité surfacique d'un condensateur fonctionnant à 200 V passe de 0,09 μF/cm2, pour une électrode plane, à 2,56 μF/cm2 [1], pour une électrode gravée en 2013. La gravure nous permet donc d'obtenir un gain en capacité de 30 pour une tension de 200 V. Dans cet ouvrage, nous proposons une nouvelle méthode, consistant à ordonner les pores dans l'électrode, qui pourrait nous permettre d'obtenir un gain de 75 pour une tension de 200 V. Pour mener à terme cette proposition, l'objectif principal de ce mémoire est de mettre en évidence la possibilité d'ordonner les pores gravés dans les électrodes des condensateurs électrolytiques pour en augmenter leur capacité. Une fois le principe éprouvé, il y aura une grande opportunité pour augmenter la capacité des condensateurs électrolytiques ou, d'un autre point de vue, de les miniaturiser. Pour y arriver, nous débutons par élaborer un modèle théorique décrivant la capacité surfacique des condensateurs électrolytiques disponibles sur le marché. En maximisant cette capacité, nous réalisons que la capacité des condensateurs présents sur le marché s'approche considérablement de la valeur théorique maximale. Cela signifie que la technique actuelle de gravure, produisant des pores aléatoires à la surface, a quasiment atteint son plein potentiel. Par la suite, nous développons un modèle théorique décrivant la capacité surfacique pour une gravure produisant des pores ordonnés. En maximisant cette capacité, nous montrons que cette nouvelle méthode gravure produit une capacité 2,5 fois plus importante que la gravure à pores aléatoires.

Abstract

At the end of the 19e century, Charles Pollak discovered that a thin layer of aluminum oxide or alumina formed on the surface of aluminum acts like a dielectric and enables a very high capacity between the aluminum and the electrolyte thereby formulating the fundamental principle of the electrolytic capacitor. The 20e century saw the evolution of the electrolytic capacitor with the use of electrolytic paper between the electrodes of the capacitor and a forming that prolongs the life of the capacitors. Evaporation of the electrolyte was avoided by adequately sealing the spool. Also, new more effective methods were developed to etch tunnels in the electrodes thereby increasing the surface and thus the capacity. In this period, the surface capacity of a capacitor working at 200 V increases from 0.09 μF/cm2 for a flat electrode to 2.56 μF/cm2 [1] for an etched electrode developed in 2013. The etching increases the capacity by a factor of 30 for the aforementioned tension. In this essay we propose a new method of ordering the tunnels in the electrode to eventually obtain a gain of 75 for the same tension. To successfully demonstrate this proposition, the principal objective of this essay is to highlight the possibility of organising the etched tunnels in the electrodes of electrolytic capacitors with the aim of increasing their capacity. Proving this principle will open opportunities not only to increase the capacity but also to miniaturize electrolytic capacitors. To achieve this, a theoretical model describing the surface capacity of electrolytic capacitors available on the market is developed. Maximizing this capacity, we realize that the capacity of capacitors on the market is close to the maximum theoretical value. This means that the actual method of producing randomly etched tunnels at the surface has reached its full potential. Thereafter, we develop a theoretical model describing the surface capacity for an etching producing random tunnels. Maximising this capacity, we show that this new etching method produces a capacity 2.5 times greater than random etching. To organize the etched tunnels in the aluminum, we propose to etch the aluminum with a mask formed by an alumina membrane to which the oxide barrier has been etched. To do this, we begin by producing large scale alumina membranes. The fabrication of membranes with interpore distances of 60, 100 and 500 nm is well known. In this work, we produce alumina membrane with interpore distances of 1 μm, 1.2 μm and 1.45 μm compatible with the etched tunnel