Brevet FR2022893A1 — publié le 19700807

Cette invention concerne des dispositifs électro-chimiques et, plus particulièrement, un procédé pour sceller un dispositif électrochimique tel qu'un élément producteur de courant électrique, particulièrement une pile sèche, une batterie, un coulombmètre ou un dispositif similaire. Des dispositifs de ce type nécessitent l'emploi d'un conducteur électronique, tel qu'un métal, ou un produit composite plastique ou céramique rempli de carbone, afin de réaliser un contact électrique avec l'équipement associé au dispositif électrochimique. Il est également essentiel que les parties conductrices correspondant à la polarité positive et à la polarité négative soient sép - rées par un matériau isolant, en général plastique ou céramique; la plupart des éléments et batteries existants utilisent un matériau plastique pour séparer les électrodes, du fait de son bon marché et de sa facilité de fabrication. Actuellement, la majorité des éléments et batteries dits "scellés" utilisent un contact physique intime entre la partie conductrice métallique et les parties isolantes plastiques du dispositif. C'est un but de la présente invention de réaliser une fermeture étanche améliorée, et en particulier une liaison par collage vrai entre les parties conductrices et isolantes du système. L'un des principaux problèmes soulevé dans l'emploi des matières thermoplastiques qui adhèrent bien au métal est que, tandis qu'elles procurent une bonne adhérence entre la matière plastique et l'électrode métallique conductrice, la fabrication d'une structure composite d'électrode isolée par l'une quelconque des techniques de moulage des plastiques actuellement connues entrain que l'adhérence de la matière plastique au moule a la même résistance que l'adhérence de la matière plastique A l'électrode métallique. En vue de surmonter ce problème, la présente invention propose un pr#océdé pour sceller une électrode électroniquement conductrice à contact généralement discoïdal à un corps en matière plastique isolante de forme générale tubulaire ou aniiulaire, dans lequel ledit corps est lié, par application de chaleur, à la région périphérique de l'électrode. Sous l'un de ses aspect, llinsention propose ut procédé p# sceller un dispositif électrochimique, qui consls-ve à appliquer une matière plastique adhésive à point de fusion relativement bas, ne préférence un adhésif "fusible à chaud" (hot @alt") , sur une électrode métallique qui peut com-zorter une cavité appropriée pour recevoir cette matière plastique, et à lier thermiquement cette matière sur l'électrode, à mouler autour de l'électrode une structure de matière plastique à point de fusion plus élevé que la première matière plastique considérée et à lier ensemble les deux matières plastiques par application de chaleur. Sous un second aspect, l'invention propose un procédé pour sceller un dispositif électrochimique, qui consiste à former un mélange d'une matière plastique adhésive à point de fusion relativement bas et d'un matériau granulaire conducteur, par exemple du métal, ou du graphite, pulvérulent, en une électrode plastique conductrice, à former une structure en matière plastique autour de l'électrode, et à lier ensemble les deux matières plastiques par application de chaleur. L'électrode peut être formée, par exemple en mélangeant le matériau conducteur avec des particules de matière plastique adhésive, à former le mélange en une feuille, et à détacher l'électrode de la feuille, par exemple par poinçonnage ou découpe, ou en dissolvant la matière plastique adhésive dans un solvant approprié. En général, pour effectuer la liaison, on peut employer la pression aussi bien que la chaleur. Selon l'agencement préféré, la liaison des deux matières plastiques dans l'un ou l'autre des deux procédés définis dans les deux paragraphes précédents s'effectue grâce à la chaleur dégagée par le procédé de moulage ou de formage, qui a lieu simultanément ou immédiatement avant, et qui est de préférence un procédé de moulage par injection. Selon un autre aspect de l'invention, un procédé de fabrication d'un dispositif électrochimique consiste à prévoir des parties d'étanchéité en matière plastique, par exemple des ensembles électrodes-structures d'étanchéité réalisés comme décrit ci-dessus, et à lier un séparateur plastique entre ces parties pour diviser l'intérieur du dispositif.Le séparateur, par exemple en matière thermoplastique poreuse, peut Entre lié, par exemple par ultrasons, à l'une des parties avant que les parties soient liées ensemble, ou les parties et le séparateur peuvent titre assemblés ensemble et telle nés ensemble en une-seul opération, par exemple par soudage un , En mettant en pratiquel'invention d'une manière appropriée pour sceller un dispositif électrochimique comportant une électrode métallique conductrice, on fait adhérer à l'électrode métallique une matière plastique adhésive, qui peut être préformée à l'état solide, la liaison se faisant grâce à une application de chaleur.Parmi les matériaux appropriés, on peut citer les adhésifs Plastiques fusibles a chaud" ("not melt") ~ ~Jase e copolymères éthylène-acétate de vinyle, lesquels sont bien connus. L'électrode a une forme qui facilite la liaison sélective de la matière plastique adhésive aux zones où il est nécessaire ae lier la structure de matière plastique afin d'obtenir une fermeture étanche efficace, et cette matière plastique de structure est alors formée autour de l'électrode revêtue de matière plastique adhésive. Il est bien entendu qu'une partie de l'électrode ne doit pas recevoir de matière plastique afin de permettre d'y réaliser un contact électrique. Si l'on emploie une électrode plastique conductrice, le revêtement plastique adhésif est supprimé et la matière plastique de structure est formée autour de l'électrode. La matière plastique de structure est de préférence thermoplastique. Elle est de préférence formée par moulage par injection. Parmi les matériaux appropriés , on peut citer le polystyrène, et un copolymère d'acrylonitrile, de butadiène et de styrène. Une caractéristique essentielle du procédé est que la matière plastique adhésive ou la matière plastique conductrice doivent avoir Uri point de fus on irférieur au point de fusion de la mati re plastique de structure, de telle sorte que l'application de la matière plastique de structure chauffée, par exemple par moulage par injection, entraine la fusion de la surface des matières plastiques adhésives ou conductrices, de façon à obtenir une liaison effective entre les deux matières plastiques. L'électrode moulée ainsi obtenue, qui peut avoir toute dimension ou toute forme appropriée, convient idéalement à la réalisation de batteries en couches, du fait que les moulages peuvent être empilés et soudés plastique à plastique, soit directement soit par chauffage. De préférence, le soudage de deux ou plusieurs moulages est effectué par soudage ultrasonique, c'est-à-dire en appliquant des ondes sonores à haute fréquence supérieures à 200000 Hz. On préfère ce procédé du fait de sa rapidité et de la nature sélective du procédé d'étanchéité aux interfaces à lier ensemble. Cependant, l'invention n'est pas limitée à la réalisation de batteries en couches, mais peut également être utilisée dans un élément unique plat, c'est-à-dire un élément bouton, et dans une réalisation cylindrique d'un élément unique. Des exemples de dispositifs électrochimiques scellés selon l'invention sont montrés sur le dessin jointe Les figures 1 et 1A illustrent une couche unitaire, dont plusieurs peuvent être employées pour réaliser une batterie d'éléments empilés comme il sera maintenant exposé, L'électrode métallique À est sous forme d'une coupelle avec une cavité, sur le pourtour de laquelle est placée la matière plastique adhésive B sous la forme d'un anneau torique, lequel peut être réalisé en comprimant une poudre, ou en le découpant à partir d'un rouleau ou d'une feuille de matériau. Le matériau B est fondu, et il est ainsi lié au pourtour de l'électrode. En variante, le matériau B peut être au préalable fondu, et ensuite déversé ou projeté sur le pourtour de l'électrode à laquelle il doit être lié.Une matière plastique de structure C est formée autour de l'électrode après liaison de la matière adhésive B à l'électrode À. Le moulage d'électrode résultant peut alors être scellé à d'autres moulages, après que les composants actifs de l'élément, par exemple le dépolariseur et l'é lectrolyte, le matériau électropositif ou électronégatif, aient été placés dans la cavité F formée par l'électrode À et la matière plastique C, par application de fréquence ultrasonique, avec application simultanée d'une pression suffisante pour comprimer doucement les parties ensemble. Les figures 2 et 2A montrent l'application de cette invention à la réalisation d'un élément plat. Dans ce cas, les deux électrodes d'un élément, une positive et une négative, sont encore repérées par A. La matière plastique adhésive B est liée dans la cavité du pourtour, comme dans le cas de la figure 1, et la matière plastique de structure est moulée sur cette matière B et sur les pourtours des électrodes, comme il est représenté en Cl et C2. Les parties Cl et C2 sont alors liées ensemble, de préférence par soudage électronique, après que les composants actifs de l'élément aient été mis en place, Cl étant associé au matériau actif d'une polarité et C2 au matériau actif de la polarité opposée.Un séparateur plastique poreux G peut être placé entre les parties Ci et C2, et leur être lié dans la même opération de soudure, ou il peut être lié à l'une du à l'autre des parties avant qu'elles soient liées ensemble. Les figures 3 et 3A illustrent une application de cette invention à une réalisation d'éléments cylindriques. Dans ce cas, on utilise seulement une électrode moulée C, réalisée comme précédemment. Celle-ci est alors liée à un boitier extérieur plastique D, fait de la même matière plastique de structure, par soudure, par exemple par soudure ultrasonique. L'autre électrode E, qui sert également de bac d'élément, n'est pas liée à D, mais, par un choix attentif des matières plastiques de structure, la structure cylindrique finale est réalisée sous forme de système "de mise à air libre", en ce que , bien qu'il y ait étanchéité entre ltélec- trode À et l'isolant plastique C, et qu'il y ait également étanchéité entre les paries C et D, il y a seulement une étanchéité "de contact" entre C et E.Dans de nombreux cas, ceci est souliai- table d'un point de vue de sécurité, du fait qu'on évite ainsi qu'il s'établisse à l'intérieur de l'élément des pressions excessives. Un joint d'étanchéité torique peut être prévu en H, entre le bac E et le boitier D. Si l'on utilise une électrode plastique conductrice au lieu d'utiliser une électrode métallique, les processus sont similaires, mais le matériau adhésif B et-#l'évidement du pourtour associé sont supprimés, le matériau C étant lié directement à la matière plastique de l'électrode. Dans tous les cas, l'emploi de quantités relativement importantes de matière plastique présente l'avantage que les gaz engendrés lors de la vie de l'élément, c'est-à-dire lors de la recharge dans le cas d'un élément secondaire, peuvent diffuser hors de l'élément beaucoup plus aisément que dans les éléments à base de métal, réduisant ainsi le risque de dommages ou de déformation de l'élément. Pour assembler une batterie, les matériaux actifs d'éléments sont placés dans une multiplicité d'ensembles électrodes-corps de structure, par exemple comme il est représenté en A, lesquels ensembles sont alors empilés ensemble avec leurs parties plastiques C bout à bout, et les périphéries des parties C sont soudées ensemble, de préférence par ultrasons. Or. peut interposer des séparateurs dans la pile de la manière déjà décrite. Des ensembles ln- dividuels sont de préférence identiques et sont orientés de la même façon dans la pile. Au lieu d'avoir un dessus et un dessous distinctz,comme il est représenté, les ensembles peuvent être pratiquement symétriques par rapport à l'électrode, formant ainsi des volumes des deux côtés de l'électrode pour contenir des matériaux actifs. Une telle batterie élimine le sertissage des métaux et pratiquement toutes les soudures métaux-métaux nécessaires jusqu'ici dans la fabrication de batteries en piles ou en couches. RB V E N D I C h T I O N S 1.- Procédé pour sceller une électrode électroniquement conductrice à contact généralement discoïdal à un corps de matière plastique de forme généralement tubulaire ou annulaire, caractérisé en ce que ledit corps est lié, par application de chaleur, à la région périphérique de l'électrode. 2.- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on applique à la région périphérique d'une électrode métallique une matière plastique adhésive à point de fusion relativement bas, que l'on colle thermiquement la matière plastique adhésive à l'électrode, et que par l'intermédiaire de la matière plastique adhésive on lie la matière plastique isolante à ltélec- trode par application de chaleur. 3.- Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'électrode comporte une cavité qui reçoit la matière plastique adhésive. 4.- Procédé selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que la matière plastique adhésive est un adhésif "fusible à chaud" ("hot melt"). So Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'électrode de contact est constituée par une matière plastique adhésive à point de fusion relativement bas mélangé avec un matériau granulaire électroniquement conducteur, et en ce que le corps est directement lié, par application de chaleur, à la région périphérique de l'électrode. 6.- Procédé selon la revendication 2,3,4 ou 5 caractérisé en ce que la matière plastique isolante est formée dans ledit corps, en étant en contact avec l'électrode. 7.- Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le corps est formé par application de chaleur à la matière plastique isolante, et que la liaison est effectuée en chauffant le corps lors du formage, le formage étant effectué en même temps ou immédiatement avant la liaison. 8.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la liaison est effectuée en appliquant une pression aussi bien qu'en chauffant. 9.- Procédé pour fabriquer un élément galvanique ou une batterie comportant une multiplicité d'éléments galvaniques caractérisé en ce que l'on prévoit une multiplicité d'électrodes de contact scellées de façon étanche à leurs corps structuraux par le procédé selon l'une des revendications précédentes , l'une au moins de cette multiplicité d'électrodes et de corps structuraux constituant un boitier; en ce que l'on place le matériau actif d'élément galvanique dans le ou les boitiers; en ce que l'on empile la multiplicité d'électrodes et de corps structuraux avec les corps structuraux placés bout à bout; et, en ce que l'on soude ensemble les régions périphériques des corps structuraux. 10.- Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que le soudage est effectué par application de vibrations ultrasoniques. 11.- Procédé selon les revendications 9 ou 10 caractérisé en ce qu'un séparateur, par exemple en matière plastique, est placé entre au moins une paire de ces corps avant qu'ils soient empilés ensemble. 12.- Procédé selon la revendication il caractérisé en ce que le séparateur est lié à un corps de la paire avant empilage. 13.- Procédé selon la revendication 12 caractérisé en ce que le séparateur est lié aux corps de la paire auncours du soudage. 14.- Dispositif électrochimique comportant une électrode électroniquement conductrice à contact généralement discoïdal, et une structure de corps de forme généralement tubulaire ou annulaire en matière plastique isolante, maractérisé en ce que le corps est thermiquement lié à la région périphérique de l'lectro- de.