FR2508712A1 - THERMAL BATTERIES - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention se rapporte à des piles thermiques et à des batteries thermiques. The present invention relates to thermal batteries and thermal batteries.
Les piles thermiques sont bien connues et comprennent une anode, une cathode et un électrolyte qui sont inactifs aux températures ambiantes et de stockage, mais qui sont rendus actifs au moyen d'une matière pyrotechnique. Dans une forme connue de pile thermique, l'anode comprend une matière réactive contenue dans une matrice conductrice poreuse qui a la double fonction d'agir comme collecteur de courant et comme moyen de rétention de la matière réactive qui est relativement mobile ou fluide pendant le fonctionnement actif de la pile. La matière réactive de l'anode est en général du lithium, qui est très fluide aux températures élevées qui règnent lorsque la pile est en service, ou certains alliages de lithium qui sont également très mobiles à de telles températures. Thermal cells are well known and include an anode, a cathode and an electrolyte which are inactive at ambient and storage temperatures, but are rendered active by pyrotechnic material. In a known form of thermal cell, the anode comprises a reactive material contained in a porous conductive matrix which has the dual function of acting as a current collector and as a means of retaining the reactive material which is relatively mobile or fluid during the active operation of the battery. The reactive material of the anode is generally lithium, which is very fluid at the high temperatures that prevail when the battery is in use, or certain lithium alloys that are also very mobile at such temperatures.
La présente invention a pour objet une pile thermique comprenant une anode, une cathode et un électrolyte, l'anode étant constituée d'une matière réactive contenue dans une matrice conductrice poreuse. La pile suivant l'invention est caractérisée en ce que la matrice est principalement une plaque de nickel fritté et la matière réactive est du lithium ou des alliages de lithium qui sont fondus à la température de fonctionnement de la pile. The present invention relates to a thermal cell comprising an anode, a cathode and an electrolyte, the anode being made of a reactive material contained in a porous conductive matrix. The battery according to the invention is characterized in that the matrix is mainly a sintered nickel plate and the reactive material is lithium or lithium alloys which are melted at the operating temperature of the cell.
De préfèrence, la matrice comprend une feuille support perforée, en nickel ou acier nickelé, sur les deux faces de laquelle adhère du nickel fritté. Cette forme de matière de matrice peut en pratique être fournie par la
Société Berec (batteries spéciales).Preferably, the matrix comprises a perforated support sheet, made of nickel or nickel-plated steel, on both sides of which adheres sintered nickel. This form of matrix material can in practice be provided by the
Berec company (special batteries).
La présente invention permet d'obtenir facilement de meilleurs résultats de la pile, car la capacité de l'anode peut être ajustée à un degré notablement supérieur, lorsqu'on
utilise une plaque de nickel fritté,- -par rapport aux autres formes connues de matrice conductrice. The present invention makes it possible to easily obtain better results from the stack, since the capacity of the anode can be adjusted to a significantly higher degree, when
uses a sintered nickel plate, relative to other known forms of conductive matrix.
Cela tient en partie à la pureté chimique de la plaque, en partie à la nature robuste de la plaque qui permet une imprégnation continue de lithium, et en partie au degré constant de porosité par unité de volume de la plaque.This is partly due to the chemical purity of the plate, partly to the rugged nature of the plate which allows for continuous lithium impregnation, and partly to the constant degree of porosity per unit volume of the plate.
De préférence, la cathode de la pile, qui peut prendre toute forme physique connue, comprend du bisulfure de fer ou du chromate de calcium comme matière réactive et l'électrolyte est un mélange eutectique de chlorures de lithium et de potassium, ou un mélange eutectique de bromure: chlorureetdefluorure de lithium, ou un mélange de bromure, chlorure, fluorure et iodure de lithium. De préférence, de tels mélanges sont eutectiques. L'électrolyte peut également contenir un liant en matière inerte, pour constituer une masse et augmenter le volume de l'électrolyte sans augmenter son contenu en matière active tout en réduisant la mobilité de la matière active contenue. Preferably, the cathode of the cell, which can take any known physical form, comprises iron disulfide or calcium chromate as a reactive material and the electrolyte is a eutectic mixture of lithium and potassium chlorides, or an eutectic mixture bromide: chloride and lithium fluoride, or a mixture of bromide, chloride, fluoride and lithium iodide. Preferably, such mixtures are eutectic. The electrolyte may also contain a binder of inert material to form a mass and increase the volume of the electrolyte without increasing its content of active material while reducing the mobility of the active material contained.
La présente invention a également pour objet une batterie thermique comprenant une pluralité de piles thermiques, qui sont chacune conforme à la présente invention, en même temps qu'une matière pyrotechnique pour la mise en -activité de la batterie. The present invention also relates to a thermal battery comprising a plurality of thermal cells, which are each in accordance with the present invention, together with a pyrotechnic material for the setting -activity of the battery.
Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions, qui ressortiront de la description qui va suivre. In addition to the foregoing, the invention also comprises other provisions, which will emerge from the description which follows.
L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description qui va suivre , qui se réfère au dessin annexé dans lequel
La figure 1 illustre une pile thermique, en vue éclatée, accompagnée d'une matière pyrotechnique, et
La figure 2 représente schématiquement une batterie thermique.The invention will be better understood with the aid of the additional description which follows, which refers to the appended drawing in which
FIG. 1 illustrates a thermal stack, exploded view, accompanied by a pyrotechnic material, and
Figure 2 schematically shows a thermal battery.
Il doit être bien entendu, toutefois, que ce dessin et les parties descriptives correspondantes, sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. It should be understood, however, that this drawing and the corresponding descriptive parts are given solely by way of illustration of the subject of the invention, of which they in no way constitute a limitation.
Comme représenté sur la figure 1, une pile thermique 10 comprend un empilage multicouches composé d'une cathode 11, d'un électrolyte 12 et d'Une anode 13. Une couche 14 de matière pyrotechnique est associée à la pile 10 pour l'activation thermique de celle-ci, de façon connue. As shown in FIG. 1, a thermal stack 10 comprises a multilayer stack composed of a cathode 11, an electrolyte 12 and an anode 13. A layer 14 of pyrotechnic material is associated with the battery 10 for activation thermal thereof, in a known manner.
La cathode 11 est formée d'une pastille 2 de bisulfure de fer, comme matière réactive, associée à un collecteur de courant 6 en fer ou nickel, bien que cela ne soit pas impératif puisque, dans son état de fonctionnement, la pastille 2 de bisulfure de fer est elle-même électriquement conductrice.The cathode 11 is formed of a pellet 2 of iron disulfide, as a reactive material, associated with a current collector 6 of iron or nickel, although this is not imperative since, in its operating state, the pellet 2 of Iron disulfide is itself electrically conductive.
L'électrolyte 12 se présente sous forme d'une pastille comprimée 3 de matière active associée à un liant inerte, la matière active étant un mélange eutectique de chlorures de lithium et de potassium, ou de bromure de lithium,de chlorure de lithium et ifluorure de lithium. Si on le désire, la pastille de cathode 2 peut comporter en plus un corps de la matière active d'électrolyte, afin d'augmenter la surface libre de la matière réactive de cathode.The electrolyte 12 is in the form of a compressed tablet 3 of active material associated with an inert binder, the active ingredient being a eutectic mixture of lithium and potassium chlorides, or lithium bromide, lithium chloride and ifluoride of lithium. If desired, the cathode chip 2 may further include a body of the electrolyte active material to increase the free surface of the cathode reactive material.
L'anode 13 est constituée d'une coupelle 5 en nickel ou en fer contenant un corps 4 de plaque de nickel fritté imprégné de lithium comme matière réactive d'anode. The anode 13 consists of a nickel or iron cup 5 containing a lithium impregnated nickel-plated body body 4 as anode reactive material.
Comme représenté sur la figure 2, une batterie thermique 20 comprend un bottier creux 21, revêtu intérieurement d'une matière thermiquement isolante 22, dans lequel sont logées une pluralité de piles thermiques 10 dont une seulement est représentée entièrement, pour la clarté du dessin. Les piles 10 sont bien entendu reliées électriquement en série et le collecteur de courant de cathode 6 de la pile supérieure est relié à une borne 23A de la batterie 20 tandis que l'anode de la pile inférieure est raccordée à l'autre borne 23B de la batterie. La batterie 20 comporte également un dispositif d'allumage fusible 24 qui est raccordé à des bornes 25A, 25B, pour permettre l'activation thermique des diverses piles 10 dans la batterie. As shown in FIG. 2, a thermal battery 20 comprises a hollow housing 21, internally coated with a thermally insulating material 22, in which a plurality of thermal cells 10 are housed, only one of which is completely represented, for the sake of clarity. The batteries 10 are of course electrically connected in series and the cathode current collector 6 of the upper battery is connected to a terminal 23A of the battery 20 while the anode of the lower battery is connected to the other terminal 23B of the battery. drums. The battery 20 also has a fuse ignition device 24 which is connected to terminals 25A, 25B, to allow the thermal activation of the various batteries 10 in the battery.
A des niveaux déterminés sur la hauteur de la batterie, sont prévues des pastilles 26 de matière pyrotechnique, correspondant à la couche 14 de la figure 1. D'autre part, afin de maintenir les valeurs de température nécessaires à l'intérieur de la batterie 20, sont prévues des pastilles thermiquement isolantes d'extrémité, 27A, 27B, par exemple en thermite et amiante.At levels determined on the height of the battery are provided pellets 26 of pyrotechnic material, corresponding to the layer 14 of Figure 1. On the other hand, in order to maintain the necessary temperature values inside the battery 20, there are provided thermally insulating end pads, 27A, 27B, for example thermite and asbestos.
Les diverses anodes illustrées sur le dessin comportent une plaque de nickel fritté, fournie par Berec (batteries spéciales), et sont constituées d'un support perforé, en feuille de nickel ou d'acier nickelé de 0,1 mm + 0,01 mm d'épaisseur et de 48 à 49% d'ouverture, et d'un frittage de nickel adhérant aux deux faces du support. Avec cette construction, on peut fabriquer des anodes dans une gamme d'épaisseurs croissantes, à partir de 0,25 mm, qui sont estampées en disques circulaires d'anodes. Le tableau 3 indique les diverses épaisseurs et capacités d'anodes, pour un disque de diamètre nominal de 75 mm. On notera que l'épaisseur de la plaque de nickel peut être choisie par paliers de l'ordre de 0,20 mm au-dessous de 1,00 mm, afin d'ajuster la capacité de l'anode à la valeur désirée. Cela constitue un avantage notable par rapport aux matières de matrices connues, en particulier,les mousses métalliques dont l'épaisseur minimale est de 1,2 mm si on veut conserver une facilité de manipulation. Toutefois, même si la nature fragile des métaux en mousse pouvait être vaincue pour permettre des épaisseurs d'anode inférieures à 1,00 mm, la variabilité de porosité dans ces métaux en mousse est tellement grande que cela empêche la fabrication régulière de capacités précises d'anode. Le tableau 2 fournit une comparaison entre une plaque de nickel et une mousse de métal, pour une dimension nominale d'anode de 0,5 mm d'épaisseur et de 60 mm de diamètre. Cela met en évidence que la porosité de la plaque de nickel peut être réglée pendant la fabrication à 3% près en volume, tandis que celle de la mousse de métal peut varier jusqu'à + 15%. The various anodes shown in the drawing include a sintered nickel plate, supplied by Berec (special batteries), and consist of a perforated support, made of nickel sheet or nickel-plated steel 0.1 mm + 0.01 mm thickness and 48 to 49% opening, and sintering nickel adhering to both sides of the support. With this construction, anodes can be made in a range of increasing thicknesses, from 0.25 mm, which are stamped into circular disks of anodes. Table 3 shows the various thicknesses and anode capacities, for a disc with a nominal diameter of 75 mm. It will be noted that the thickness of the nickel plate can be chosen in stages of the order of 0.20 mm below 1.00 mm, in order to adjust the capacity of the anode to the desired value. This is a significant advantage over known matrix materials, in particular metal foams with a minimum thickness of 1.2 mm to maintain ease of handling. However, even if the fragile nature of the foamed metals could be overcome to allow anode thicknesses of less than 1.00 mm, the porosity variability in these foamed metals is so great that it prevents the regular manufacture of precise capacities of 'anode. Table 2 provides a comparison between a nickel plate and a metal foam, for a nominal anode size of 0.5 mm in thickness and 60 mm in diameter. This shows that the porosity of the nickel plate can be adjusted during manufacture to 3% by volume, while that of the metal foam can vary up to + 15%.
Un avantage supplémentaire de la plaque de nickel par rapport à la mousse de métal réside en ce que la plaque de nickel ne contient pratiquement pas d'impuretés chimiques nocives tandis que la mousse de métal est connue pour contenir des proportions non négligeables de soufre, carbone et azote qui réagissent tous avec le lithium et réduisent l'efficacité du lithium comme matière réactive d'anode. An additional advantage of the nickel plate with respect to the metal foam is that the nickel plate contains practically no harmful chemical impurities while the metal foam is known to contain significant proportions of sulfur, carbon and nitrogen, all of which react with lithium and reduce the efficiency of lithium as anode reactive material.
TABLEAU 1 Capacité d'anode et épaisseur de matière
Epaisseur <SEP> Diamètre <SEP> Capacité
<tb> <SEP> de <SEP> Nominal <SEP> Théorique
<tb> Matière <SEP> (mm) <SEP> d'Electrode <SEP> (mm) <SEP> d'anode <SEP> (A.mn)
<tb> <SEP> 0,25 <SEP> 75 <SEP> 70
<tb> <SEP> 0,46 <SEP> 75 <SEP> 161
<tb> <SEP> 0,60 <SEP> 75 <SEP> 241
<tb> TABLEAU 2 Comparaison de variabilité du lithium
dans une plaque de nickel et une mousse de métal (% en poids) %
<tb><SEP> of <SEP> Nominal <SEP> Theoretical
<tb> Material <SEP> (mm) <SEP> of Electrode <SEP> (mm) <SEP> of anode <SEP> (A.mn)
<tb><SEP> 0.25 <SEP> 75 <SEP> 70
<tb><SEP> 0.46 <SEP> 75 <SEP> 161
<tb><SEP> 0.60 <SEP> 75 <SEP> 241
<tb> TABLE 2 Variability Comparison of Lithium
in a nickel plate and a metal foam (% by weight)%
<SEP> Diamètre <SEP> Lithium <SEP> Lithium <SEP> Lithium
<tb> Matière <SEP> Epaisseur <SEP> d'Anode <SEP> (mm) <SEP> moyen <SEP> % <SEP> Maximal <SEP> % <SEP> Minimal <SEP> %
<tb> Plaque <SEP> Ni <SEP> 0,5 <SEP> 60 <SEP> 12,1 <SEP> 12,11 <SEP> 12,09
<tb> Mousse
<tb> Métallique <SEP> 0,5 <SEP> 60 <SEP> 14,5 <SEP> 16,7 <SEP> 12,3
<tb> (Rétimet)
<tb> * Valeurs basées sur 20 échantillons
Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée de la présente invention. <SEP> Diameter <SEP> Lithium <SEP> Lithium <SEP> Lithium
<tb> Material <SEP> Thickness <SEP> of Anode <SEP> (mm) <SEP> average <SEP>% <SEP> Maximal <SEP>% <SEP> Minimal <SEP>%
<tb> Plate <SEP> Ni <SEP> 0.5 <SEP> 60 <SEP> 12.1 <SEP> 12.11 <SEP> 12.09
<tb> Foam
<tb> Metallic <SEP> 0.5 <SEP> 60 <SEP> 14.5 <SEP> 16.7 <SEP> 12.3
<tb> (Retimet)
<tb> * Values based on 20 samples
As is apparent from the above, the invention is not limited to those of its embodiments and applications which have just been described more explicitly; it encompasses all the variants that may come to the mind of the technician in the field, without departing from the scope or scope of the present invention.
Claims (8)
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| FR2508712A1 true FR2508712A1 (en) | 1982-12-31 |
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|---|---|---|---|
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- 1982-06-16 DE DE19823222675 patent/DE3222675A1/en not_active Ceased
- 1982-06-25 FR FR8211149A patent/FR2508712B1/en not_active Expired
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Also Published As
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| FR2508712B1 (en) | 1987-04-10 |
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