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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une demande de
BREVET D'INVENTION formée par DURACELL INTERNATIONAL INC. pour : "Perfectionnements aux piles électrochimiques"
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Priorité d'une demande de brevet aux Etats-Unis d'Amérique
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déposée le 7 septembre 1982, sous le nO 415. 208 < & , -F. . -oj
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"Perfectionnements aux piles électrochimiques" La présente invention est relative à des perfectionnements aux piles électrochimiques et se rapporte en particulier à des contacts de raccordement entre des électrodes et des bornes pour celles-ci, notamment pour les électrodes à enroulement hélicoïdal prévues des boîtiers de piles non aqueuses, type des dispositifs à aérosol.
Le contact de raccordement entre une électrode et la partie du boîtier de pile qui doit agir comme borne pour cette électrode, en particulier dans les piles non aqueuses, a été réalisé, d'une manière générale, suivant plusieurs méthodes bien connues, dont la plus courante consiste à souder l'électrode directement sur la borne ou en utilisant une patte ou fil intermédiaire conducteur de l'électricité. Une autre méthode courante consiste à assurer un contact direct par compression entre la matière de l'électrode et une partie du boîtier de pile métallique ; dans le cas de certaines électrodes métalliques, par exemple des électrodes en lithium, les forces utilisées pour assurer un tel contact par compression créent en réalité une soudure à froid.
Dans des piles du type à enroulement hélicoïdal. un tel contact par compression est difficile à réa-
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liser de manière sûre et, en conséquence, pour la fiabilité on a utilisé des connexions par soudure dans ces piles. Toutefois, le soudage pour des connexions de bornesexige des phases supplémentaires de fabrication, ce qui augmente évidemment le coût.
De plus, les endroits soudés sont particulièrement sujets à une corrosion préjudiciable.
Un but de la présente invention est en conséquence de prévoir un procédé pour réaliser une connexion économique et sûre entre électrode et borne, dans une pile scellée ou obturée par compression, l'invention englobant la pile réalisée de la sorte.
Un autre but de la présente invention est de prévoir un procédé de ce genre pour la construction de piles électrochimiques non aqueuses d'une structure du type pour aérosol et comportant une structure d'électrode à enroulement hélicoïdal.
Ces buts et d'autres encore de l'invention, ainsi que les caractéristiques et les avantages de celle-ci, apparaîtront plus clairement de la description suivante donnée avec référence aux dessins non limitatifs annexés.
La Figure 1 illustre une méthode préférée de découpage ou fendage d'électrodes suivant une forme convenant pour l'utilisation dans le cadre de la présente invention.
La Figure 2 est une vue en perspective prise durant l'enroulement des électrodes de pile, notamment des électrodes découpées suivant la Figure 1, pour former une structure à enroulement hélicoïdal.
La Figure 3 est une vue en élévation par-
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tiellement en coupe d'un boîtier de pile dans lequel la structure à enroulement hélicoïdal a été mise en place, et ce avant l'obturation ou scellage de la pile.
La Figure 4 est une vue en coupe agrandie de la rallonge d'électrode emprisonnée par l'enroulement de l'extrémité du bottier de pile.
La Figure 5 est une vue partielle en élévation et en coupe de la pile fermée.
D'une manière générale, la présente invention concerne un procédé pour réaliser par voie mécanique une connexion électrique sûre entre une électrode et une borne dans une pile électrochimique, sans qu'il soit nécessaire de prévoir un soudage, l'invention englobant également les piles comportant ure telle connexion électrique. L'électrode, en particulier l'anode, qui présente habituellement une plus grande difficulté dans la réalisation des connexions par soudage, est d'abord calibrée et découpée ou réalisée d'une autre manière pour être plus grande au départ afin qu'une partie de cette électrode s'étende audelà de la structure générale d'électrode que l'on enroule de manière hélicoïdale.
L'électrode est métallique ou contient un support métallique qui est conducteur de l'électricité et la partie susdite, formant extension ou rallonge, est également métallique ou contient un métal afin de réaliser la connexion de borne requise, suivant la présente invention. La rallonge de l'électrode est disposée de telle sorte que, lorsque la structure d'électrode
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est placée à l'intérieur du boîtier de pile, généralement cylindrique, avant le scellage ou l'obturation de ce boîtier, cette rallonge se trouve au voisinage de l'extrémité ouverte du boîtier de pile ou de la zone d'obturation.
La rallonge est en outre disposée de telle sorte que, lors de l'enroulement vers l'intérieur (comme dans le cas des joints du type pour aérosol) de l'extrémité du boîtier de pile, elle est capturée ou emprisonnée et maintenue à compression entre cette extrémité enroulée et la paroi du boîtier, pour créer une connexion électrique positive entre l'électrode et le boîtier. Lorsque le boîtier est scellé par la mise en place et le sertissage d'un couvercle sur l'extrémité enroulée, la connexion électrique est encore renforcée du point de vue mécanique. Suivant une variante de réalisation, que l'on préfère moins, la rallonge d'électrode est emprisonnée entre l'extrémité enroulée susdite et le couvercle de pile.
Des précautions doivent toutefois être prises pour que la rallonge d'électrode (par exemple dans le cas d'une rallonge comportant un support en métal déployé) ne perfore pas l'isolement prévu entre l'extrémité enroulée susdite et le couvercle, et pour que la rallonge d'électrode n'affecte pas de façon importante l'intégrité du joint existant entre cette extrémité enroulée et le couvercle.
Comme la présente invention exige que l'extrémité du boîtier soit enroulée vers l'intérieur pour réaliser la connexion de borne requise, elle est d'une applicabilité particulière dans les boîtiers de pile d'une configuration du type pour aérosol,
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telle qu'illustrée par les brevets des Etats-Unis d'Amérique n 4. 136.438 et 4.052. 537, qui prévoient des constructions particulières avec de telles ex- trié. mitées enroulées vers l'intérieur. Bien que l'on préfère que la rallonge soit formée d'une pièce avec l'électrode pour des raisons de simplicité 1 une telle rallonge pourrait également être constituée par un élément distinct au départ et attaché par la suite à l'électrode.
Si on examine les dessins de manière plus appronfondie, la Figure 1 montre un rouleau principal de cathode 1, qui est fendu pour former des rubans de cathode 2 utilisables dans un type de pile à enroulement hélicoïdal. Chacun des rubans de cathode 2 comporte une extension ou rallonge 3 formée d'une pièce avec lui et prévue dans une position prédéterminée au voisinage de l'extrémité externe du ruban de cathode 2 (lorsque celui-ci est enroulé).
En fendant le rouleau principal de cathode 1 de cette manière, on obtient une rallonge 3 formée d'une pièce avec le ruban, sans qu'il faille prévoir des phases opératoires supplémentaires, et on réduit en outre le gaspillage.
Chaque ruban de cathode 2 est constitué d'une poudre comprimée (par exemple une poudre de Mono2 pour une cathode active ou une-poudre de carbone ou de graphite pour une cathode inactive, suivant le système particulier de pile), cette poudre se trouvant sur un support métallique, par exemple en métal déployé. La poudre peut rester sur la rallonge 3 ou bien elle peut en être enlevée pour laisser à nu
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le support métallique déployé, qui assure la connexion conductrice de l'électricité requise.
La longueur de la rallonge 3 peut être la même que celle de la cathode mais elle est de préférence prédéterminée comme étant inférieure à la circonférence de l'extrémité du boîtier de pile, avant l'obturation, afin d'éviter un recouvrement de la rallonge 3 sur elle-même, ce qui pourrait affecter
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le contact mécanique. Comme la rallonge 3, lorsqu' elle présente- de fendage illustrée, provoque une perte de la capacité de cathode, il est en outre préférable de réduire la longueur au minimum, une longueur d'environ un tiers de la circonférence apportant un bon contact mécanique avec un minimum de perte de capacité.
La hauteur de la rallonge 3 est également prédéterminée par rapport à l'extrémité du boîtier de pile, de manière que cette rallonge se situe au voisinage et de préférence légèrement en dessous de cette extrémité, lorsque l'électrode est mise en place dans le boîtier de pile avant l'obturation.
Après le fendage, les rubans de cathode 2
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sont enroulés hélicoldalement en une structure d'électrode 10 du type"gâteau telle qu'il- lustrée par la Figure 2, les couches de la matière du séparateur 4 et de la matière d'anode 5, par exemple en lithium, s'étendant avec la rallonge 3 en dehors de la structure de"gâteau enroulé"susdite.
La structure d'électrode 10 à enroulement hélicoïdal est ensuite mise en place à l'intérieur d'un boîtier de pile métallique 6 qui est ensuite
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soumis à un étranglement pour former un col, comme illustré par la Figure 3, la rallonge de cathode 3 étant adjacente de la partie terminale 7 du bottier de pile 6 mais légèrement en dessous du bord de cette partie terminale. Une telle opération d'étranglement est toutefois totalement facultative et dépend de l'allure désirée pour le boîtier de pile.
La rallonge 3 est de préférence située dans la cathode en un endroit prédéterminé de manière telle que, après l'opération d'étranglement du bottier 6, cette rallonge se situe, en direction verticale, au voisinage de la partie terminale 7. Sans étranglement du bottier de pile, cette rallonge 3 se sitoe généralement à l'extrémité extérieure du ruban de cathode 2, La partie terminale 7 est ensuite enroulée vers l'intérieur, opération qui fait partie du procédé d'obturation ou de scellage de la pile, et cette partie 7 capture ainsi de manière fixe, par compression, la rallonge de cathode 3 entre l'extrémité enroulée 7 et la paroi de boîtier 8, comme illustré de manière détaillée par la Figure 4.
Il est préférable que la rallonge 3 se situe en dessous du bord de la partie terminale 7 et au voisinage de ce bord afin de faciliter cette"capture"de la rallonge 3 par la partie terminale 7 lorsque celle-ci est enroulée sur ellemême durant le procédé d'obturation de la pile.
Comme les cathodes à enroulement hélicoïdal sont généralement construites avec des supports métalliques (généralement en nickel, aluminium ou acier inoxydable déployé dans les piles non aqueuses), le bord de la partie terminale 7 mord de préférence dans
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la matière de cathode 9, qui est formée de carbone, de dioxyde de manganèse ou d'une autre matière pulvérulente, et crée un contact mécanique et électrique positif avec le support métallique Il, si la matière de cathode n'a pas déjà été enlevée de la rallonge 3.
Bien que l'on ait représenté le bord de la partie terminale 7 comme assurant un tel contact électrique, un enroulement étroit peut être également efficace à la fois pour maintenir la rallonge de cathode et réaliser le contact électrique, en particulier lorsque la matière de cathode 9 a été préalablement enlevée de la rallonge 3.
Le boîtier de pile 6 est scellé par compression avec son couvercle 12, de la façon illustrée par la Figure 5, grâce à un sertissage 13 par mandrin d'expansion, du type pour dispositif à aérosol, ce sertissage comprimant l'extrémité enroulée 7 dans laquelle la rallonge de cathode 3 est captive, pour renforcer encore le contact de raccordement mécanique et électrique entre la cathode et le boîtier de pile 6 qui agit de la sorte comme borne de cathode de cette pile.
Le couvercle de boîtier 12 est isolé, du point de vue électrique, par rapport au boîtier 6 grâce à une garniture d'étanchéité 14 qui est faite par exemple en polytétrafluoréthylène ou en un autre polymère polyhalogéné inerte, en polyoléfine, comme le polypropylène et le polyéthylène, en Nylon, en polyuréthanne, en néoprène, etc., la matière particulière pour cette garniture d'étanchéité étant généralement déterminée par la compatibilité avec les pièces constitutives de la pile. Cette garniture
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d'étanchéité 14 assure b double fonction de former un joint hermétique pour la pile et d'assurer l'isolement électrique de celle-ci.
Un tel joint assure l'herméticité qui est particulièrement requise pour les piles non aqueuses qui, pour la plus grande part, comportaient jusqu'à présent des joints en verre sur métal ou céramique.
Suivant une variante de réalisation de la présente invention, la rallonge de cathode 3 peut être emprisonrée en tant que partie du joint lui-même, si elle est disposée entre la garniture d'étanchéité 14 et l'extrémité enroulée 7 durant le procédé de scellage. Toutefois, comme la matière de cathode elle-même ne forme pas un bon support d'étanchéité, il doit exister une surface mutuelle suffisamment importante entre la garniture d'étanchéité et l'extrémité enroulée pour assurer l'étanchéité requise de la pile.
Bien que la configuration des électrodes de la forme tout particulièrement préférée de réalisation de la présente invention soit la configuration à enroulement hélicoïdal, la présente invention est également applicable à toute configuration quelconque comprenant des électrodes du type en plaque ou en couche, et dans laquelle ces électrodes peuvent comporter des rallonges faites d'une pièce avec elles et convenant pour assurer la"capture" décrite précédemment en vue de la formation du contact électrique suivant la présente invention.
De même, bien que la"capture"d'électrode suivant la présente invention soit d'une utilité
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particulièrement grande avec les cathodes, elle est également applicable aux anodes.
La présente invention est applicable aux piles comportant tout système électrochimique quelconque mais elle est particulièrement intéressante dans les piles électrochimiques non aqueuses, comportant des composants sous pression ou non, par exemple dans les piles du type Li/SO,Li/SOCl et Li/MnO, pour lesquelles une réduction du coût sans nuire à l'intégrité de la construction est d'une importance croissante pour amener ces piles à une applicabilité commerciale générale.
Il doit être entendu que la forme de réalisation décrite et illustrée par les dessins est simplement une illustration et que l'on peut envisager des changements dans les parties constitutives des piles et dans leur configuration, sans sortir pour autant du cadre du présent brevet.