FR2737046A1 - Generateur electrochimique fonctionnant en toutes positions - Google Patents

Abstract

La présente invention a pour objet un générateur électrochimique comportant un conteneur muni d'un fond et d'un couvercle portant au moins une borne, un faisceau électrochimique placé dans ledit conteneur, et un ensemble de connexions pour raccorder électriquement les électrodes d'une même polarité à ladite borne, caractérisé en ce que ledit générateur contient en outre un moyen solide compressible inerte chimiquement occupant une position fixe à l'intérieur dudit générateur.

Description

Générateur électrochimique fonctionnant en toutes Dositions
La présente invention concerne un générateur électrochimique susceptible de fonctionner avec le même niveau de performances dans toutes les positions.

Les générateurs classiques comportent un faisceau d'électrodes, planes ou enroulées en spirale, surmonté d'un volume libre occupé par les connexions permettant de relier électriquement les électrodes d'une même polarité à la borne correspondante située sur le couvercle du conteneur. Ce volume laissé vide est déterminé en fonction du volume d'électrolyte contenu dans le générateur et de sa température de fonctionnement. I1 a pour rôle de permettre la dilatation du liquide, l'électrolyte lui-même étant peu ou pas compressible. Par exemple, dans un générateur lithium-carbone de 100 Ah, le volume libre représente environ 8% du volume total.

L'electrolyte liquide introduit dans le générateur va imprégner le faisceau d'électrodes mais n'occupe pas le volume libre. Lorsque le générateur se trouve en position verticale, la borne située en haut, le volume libre surmonte le faisceau d'électrodes et l'électrolyte. Le fonctionnement du générateur est alors correct, les composants du faisceau baignant de manière homogène dans l'électrolyte.

Lorsque le générateur se trouve en position horizontale, le volume libre se déplace pour se maintenir au-dessus de l'électrolyte. La zone prévue initialement pour la dilatation du liquide se remplit partiellement d'électrolyte, alors que la partie haute du faisceau se trouve asséchée. Les électrodes ne fonctionnent plus sur la totalité de leur surface : les performances chutent et le vieillissement du faisceau électrochimique s'effectue de manière hétérogène ce qui abrège la durée de vie du générateur. Par exemple, lorsque le générateur lithiumcarbone se trouve en position horizontale, 20 à 25 % de la surface active des électrodes ne fonctionne plus normalement.

Afin de résoudre ce problème, on peut prévoir un volume libre équivalent se situant toujours au-dessus du faisceau quelle que soit la position du générateur. Par exemple, pour un élément prismatique cela revient à ménager un volume libre entre le faisceau et chacune des six faces du conteneur, de telle sorte qu'en toute position on ait toujours un volume libre placé au-dessus du faisceau imprégné d'électrolyte. Cette solution conduit à une augmentation du volume du générateur de cinq fois le volume de dilatation nécessaire et à une augmentation de poids équivalente à la quantité d'électrolyte nécessaire au remplissage de ces volumes supplémentaires. Par exemple, pour le générateur lithium-carbone précédemment cité, cela correspond à une augmentation de 40% du volume total et de 1108 de la quantité d'électrolyte.

La présente invention a pour but de proposer un générateur électrochimique susceptible de fonctionner en toutes positions à un niveau de performances égal, sans diminution notable de son énergie volumique et massique.

L'objet de la présente invention est un générateur électrochimique comportant un conteneur muni d'un fond et d'un couvercle portant au moins une borne, un faisceau électrochimique placé dans ledit conteneur, et un ensemble de connexions pour raccorder électriquement les électrodes d'une même polarité à ladite borne, caractérisé en ce que ledit générateur contient en outre un moyen solide compressible inerte chimiquement occupant une position fixe à l'intérieur dudit générateur.

Ce moyen a pour rôle de remplacer une partie ou la totalité du volume libre précédemment réservé au-dessus du faisceau. sa compressibilité permet la dilatation de l'électrolyte. Plus le moyen sera facilement compressible et moins il s'exercera d'effort sur la paroi du conteneur, il sera alors possible d'envisager une réduction de l'épaisseur de cette paroi et donc un gain de poids pour le générateur.

Lorsque la position du générateur varie, ce moyen reste en position fixe immobilisant ainsi l'électrolyte à l'intérieur du faisceau. En conséquence le fonctionnement du générateur ne se trouve pas affecté par le changement de position. Sa position fixe peut être librement choisie en fonction de la conception du générateur.

Ce moyen doit être chimiquement inerte car il ne participe pas à la réaction électrochimique et ne doit pas se dégrader au contact de son environnement.

Selon un mode de réalisation préférentielle, ledit moyen est un volume fermé délimité par une paroi étanche présentant au moins une zone déformable, ledit volume contenant un matériau compressible.

La paroi solide et chimiquement inerte constitue l'interface du moyen avec le reste du générateur et permet de maintenir le volume libre qu'elle délimite dans une position déterminée. Sa surface est déformable, partiellement ou entièrement afin de permettre la compression du volume interne sous l'effet de la pression de l'électrolyte. Le volume intérieur ne doit pas pouvoir communiquer avec le volume extérieur, ce qui est obtenu par l'étanchéité de la paroi.

De préférence, ladite paroi est composée d'une matière choisie parmi un polymère et un métal.

Le matériau doit être choisi de telle sorte à offrir une faible résistance à la déformation. Tout matériau souple et facilement déformable peut convenir. On peut par exemple envisager l'utilisation d'un soufflet en inox ou d'un ballonet constitué d'une ou plusieurs cellules closes, reliées ou non entre elles, à paroi en polyéthylène ou polypropylène.

De préférence encore, ledit matériau compressible est choisi parmi un gaz, un liquide, et un polymère.

Ce-matériau doit être le plus léger possible afin de ne pas augmenter la masse du générateur. La solution préférée est un gaz léger et chimiquement inerte comme l'argon.

Selon une première forme d'exécution de l'invention, ledit moyen est placé entre ledit faisceau et ledit couvercle.

Cette solution présente l'avantage d'utiliser un volume laissé disponible en raison des contraintes liées à la conception du générateur.

Selon une deuxième forme d'exécution, ledit moyen est placé est placé entre ledit faisceau et ledit fond.

Lorsque la conception du générateur permet de réduire la longueur des connexions, le moyen compressible peut alors être placé à l'autre extrémité du faisceau. On a l'avantage de disposer d'un espace de forme régulière sans la contrainte du passage des connexions.

Mais on peut également placer le moyen compressible entre le faisceau et la paroi du conteneur, ou bien à l'intérieur du faisceau, comme par exemple au centre d'un faisceau spiralé. Ces dernières solutions sont néanmoins moins aisées à mettre en pratique.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaltront au cours de la description suivante de modes de réalisation, donnés bien entendu à titre illustratif mais nullement limitatif, en référence au dessin annexé sur lequel:
- la figure 1 représente en coupe verticale partielle selon I-I de la figure 2, un générateur électrochimique muni du moyen selon l'invention,
- la figure 2 montre une vue de dessus du même générateur.

EXEMPLE 1
Selon l'invention, on réalise un générateur électrochimique A rechargeable au lithium de type prismatique analogue à celui représenté sur les figures 1 et 2 La figure 1 est une coupe verticale partielle de l'accumulateur selon I-I de la figure 2. Le générateur électrochimique possède un conteneur qui contient un faisceau électrochimique 1, comportant des anodes de carbone susceptible d'intercaler du lithium, des cathodes à base d'oxyde de nickel lithié Lino02, et un électrolyte contenant un solvant organique et un sel de lithium. Les électrodes sont reliées à la borne 2, située sur le couvercle 3 du conteneur, par un faisceau de connexions 4.Le volume libre de 100 cm3 est placé au-dessus du faisceau électrochimique 1. I1 est occupé par un ballonet 5 composé de trois cellules non communicantes à paroi en polyéthylène rempli d'argon. Une grille de protection 6 peut être interposée entre le ballonet 5 et le faisceau 1 pour protéger le ballonet 5 du bord des électrodes si nécessaire.

Le conteneur présente extérieurement deux grandes faces 7 et deux petites faces 8.

EXEMPLE 2
Un générateur électrochimique B selon l'art antérieur a été réalisé. I1 est analogue à celui décrit dans l'exemple 1 mais ne contient pas de ballonet.

EXEMPLE 3
Les générateurs électrochimiques A et B sont évalués électrochimiquement de la manière suivante:
- charge à un courant constant de 50A jusqu'à une tension de 4,1V,
- décharge à un courant constant de 100A jusqu'à une tension de 2,5V
Les générateurs subissent d'abord un cyclage de courte durée en position verticale afin de déterminer leur capacité. Ils sont ensuite placés en position couchée, leur grande face 7 étant dans le plan horizontal, et cyclés de la même manière.Les résultats sont rassemblés dans le tableau I ci-dessous:
TABLEAU I
A B
(invention) (art antérieur)
Capacité (Ah): en position verticale 59,3 59,3 en position horizontale 59,0 51,2
99,5 86,3
Un générateur de l'art antérieur perd près de 14% de sa capacité lorsque les circonstances l'obligent à fonctionner en position couché, alors qu'un générateur selon la présente invention continue de fonctionner avec une capacité pratiquement inchangée.

La présente invention a pour avantage de permettre l'utilisation de générateurs de conception standard quelle que soit leur position dans l'espace sans observer de différence dans leurs performances (capacité durée de vie, ....). Par conséquent on pourra concevoir une batterie dont les éléments seront dans des positions différentes sans entraîner de perturbation dans son fonctionnement. Ainsi il sera possible d'optimiser le volume de la batterie et son adaptation à l'espace prévu dans l'application à laquelle elle est destinée.

Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. En particulier, on pourra sans sortir du cadre de l'invention utiliser le moyen dans tout type de générateur électrochimique, primaire en secondaire, de forme prismatique ou cylindrique, comportant tout type de couple électrochimique en présence d'une électrolyte liquide aqueux ou organique.

Claims (6)

REVENDICATfONS

1./ Générateur électrochimique comportant un conteneur muni d'un fond et d'un couvercle portant au moins une borne, un faisceau électrochimique placé dans ledit conteneur, et un ensemble de connexions pour raccorder électriquement les électrodes d'une même polarité à ladite borne, caractérisé en ce que ledit générateur contient en outre un moyen solide compressible inerte chimiquement occupant une position fixe à l'intérieur dudit générateur.

2./ Générateur selon la revendication 1, dans lequel ledit moyen est un volume fermé délimité par une paroi étanche présentant au moins une zone déformable, ledit volume contenant un matériau compressible.

3./ Générateur selon la revendication 1 et 2, dans lequel ladite paroi est composée d'une matière choisie parmi un polymère et un métal.

4./ Générateur selon la revendication 1 et 2, dans lequel ledit matériau compressible est choisi parmi un gaz, un liquide, et un polymère.

5./ Générateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit moyen est placé entre ledit faisceau et ledit couvercle.

6./ Générateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit moyen est placé entre ledit faisceau et ledit fond.