Brevet FR2143594A1 — publié le 19730209

L invention concerne les piles alcalines du type zinc-air dans lesquelles une électrode négative, à base de zinc, est espacée d'une électrode positive alimentée en air, par une couche d'électrolyte gélifié, au moins une des em- trémités de ladite électrode positive étant au contact de l'air, de maniere à réaliser une alimentation de cette électrode sensiblement paralèleiient à ladite couche d'électrolyte. Dans les piles de ce type, l'électrode négative, composée généralement d'une suspension de zinc pulvérulent dans un gel, augmente considérablement de volume au cours de la décharge. On peut constater également que la décharge se produit préférentiellement, au moins au début, dans la portion de l'électrode négative située au niveau de l'extrémite de l'électrode positive par où arrive l'air. Dans ce cas, le zinc de cette portion, se transformant en hydroxyde et ainsi gonflant considérablement, arrive à former un véritable bouchon qui peut s'opposer à l'expansioIX vers les espaces libres ménages à cet effet des constituants de la pile pendant la suite de la décharge. Il peut en résulter un gonflement ou meme un éclatement du boitier de la pile. Il est donc important que l'électrode négative travaille d'une façon aussi uniforme que possible sur toute sa surface active. L'invention permet d'aboutir à ce résultat. Elle a pour objet une pile alcaline du type zinc-air, dans laquelle une électrode négative, à base de zinc, est espacée d'une électrode positive alimentée en air, par une couche d'un électrolyte gélifié, au mains une ex.trertlite de ladite électrode positive étant au contact direct avec l'air, de manière à réaliser une alimentation de cette électrode sensiblement parallèlement à ladite couche d'élec- trolyte, caractérisée par le fait qu'au moins une partie dela surface latérale de ladite électrode positive est également au contact de l'air, de manière à réaliser une alimentation complémentaire de cette électrode sensiblement perpen diculairement à ladite couche d'électrolyte, des moyens étant prévus pour détel miner la répartition de l'air sur ladite partie de la surface latérale, afin d'obtenir globalement, au moins dans la partie électrochimiquement active de ladite électrode positive, une distribution d'air sensiblement uniforme. Selon un mode de réalisation conforme à l'invention, lesdits moyens peuyent comprendre sur ladite partie de la surface latérale, un reveotemellt en un matériau imperméable à l'air et muni de perforations convenablement réparties et de dimensions appropriées pour le passage de l'air. Ce revêtement peut etre métallique. Il peut alors constituer le collecteur de @courant positif de la pile. Selon un mode d'exécution préféré, l'électrode positive se présente sous la forma d'un bloc cylindrique muni d'un orifice axial dans lequel est engagé un tube métallique coustituant ledit revêtèment. D'autres caractëristíques de l'ilssvention ressortiront de la description qui va suivre et du dessin annexé dans lequel - la figure 1 représente une coupe d'une pile conforme à l'invention - la figure 2 est une vue en perspective du moyen utilisé dans le mode de réalisation de la figure 1 pour l'alimentation en air, perpendiculairement à la couche d'électrolyte ; . - la figure 3 est relative à des courbes de diffusion d'air dans l'électrode positive. Sur la figure 1, la référence 1 désigne un boitier en matière plastique, obturé par un couvercle 7 fixé sur ledit boitier par tous moyens appropriés, par exemple par collage. La référence 2 désigne l'électrode négative à base de zinc ; elle peut être obtenue à partir d'une pâte composée de zinc divisé, de préférence amalgamé, le taux de mercure pouvant être de 1 %, et d'électrolyte gélifié, consistant par exemple d'une solution de potasse additionnée d'un agent gélifiant approprié. L'anode 2 est au contact de 11 électrolyte gélifié 3 qui peut avoir la même composition que celle qui a été indiqué ci-dessus. On peut signaliser à titre d'exemple que de bons résultats ont été obtenus en utilisant comme électrolyte gélifié une solution de potasse de normalité 13,5 N et contenant environ 150 g/l de fécule de pomme de terre. L'expérience montre que ce gel est suffisamment mobile pour permettre son déplacement lors des la décharge de la pile. La référence 4 désigne l'électrode à air. Elle peut être formée par un mélange de suie, de charbon, de bioxyde de manganèse et d'un liant plastique, tel qutun copolymère de l'éthylène et de l'acétate de vinyle. Ce liant confère à l'électrode positive une élasticité qui fait que lors du séchage on évite les risques de fissuration. Le couvercle 7 est muni d'orifices 8 permettant l'arrivez de l'air dans la pile. La partie haute de l'électrode positive 4 est alimentée en air par son extremité 17 qui se trouve au contact de l'air pénétrant dans la pile. Dans cette partie haute de l'électrode positive, la diffusion de l'air se fait sensiblement parallèlenant à l'axe vertical de la pile et il est évident que le débit d'air ainsi diffusé dans l'électrode positive diminue à mesure que l'on s'éloigne de l'extrémité 17. Conformément à l'invention, des 'soyens sont prévus pour qu'au moins une partie de la surface latérale de l'électrode positive 4 soit également au contact de l'air. Dans l'exemple représenté ces moyens comprennent un tube métallique 5 dont la structure sera mieux comprise Si un se reporte à la figure 2. Ce tube est r.,t,ni à son extrémité supérieure d'orifices 18 permettant à l'air pénétrant dans la pile par les orifices 8 prévus dans le couvercle 7 de parvenir a l'intérieur du tube. Le tube 5 comporte vers sa partie inférieure des orifices 6 permettant à l'air d'arriver sur l'électrode positive et de réaliser ainsi une nlimentation de cette électrode sensiblem nt perpendiculairement audit tube.Le tube motal- lique 5, par exemple en acier, constitue également le collecteur de courant positif de la pile. Son extrémité est revêtue par une capsule métallique 9, par exemple en laiton ou en acier. La référence 10 désigne la borne positive de la pile, en liaison électrique avec la capsule 9. Elle peut être par exemple constituée de laiton. Le collecteur négatif est formé par un fil métallique 11, par esemple en cuivre, entourant l'anode 2. Ce fil métallique est relié à la borne négative !?, par exemple en laiton. Des précautions doivent etre prises pour que l'air pénétrant dans la pile ne puisse venir au contact de l'anode 2. Dans ce but l'extrémité inférieure du tube métallique 5 est obturée par une rondelle de carton 15, l'étaneb.éité étant améliorée par du brai ou analogue 16 mis en place dans une cavité appropriez ménagée sur l'extrémité de l'électrodc positive et dans le tube avant introduction de ces constituants dans le boîtier. A la partie supérieure de la pile on dispose également une rondelle de carton 13, introduite à frottement entre le boîtier 1 et l'extrémité supérieure de l'électrode positive 4 et sur laquelle on coule du brai ou analogue 14. L'extrémité supérieure de l'électrode négative est recouverte également par une couche d'électrolyte gélifié qui assure sa protection vis-à-vis de l'oxygène de l'air. Cette couche d'électrolyte gélifié supporte une mince couche de brai ou analogue 19 qui délimite en coopération avec la rondelle 13 et l'extrémité supérieure de l'électrode positive 4 une chambre d'expansion 20 présentant avantageusement un volume supericur a l'augmentation de volume du zinc au cours de la décharge du zinc. A l'exception des orifices 18 permettant à l'air de pénétrer à intérieur du tube 5, on peut constat--r que la partie supérieure dudit tube ne comporte pas de perforation, de manière à éviter un excès d'alimentation en air de l'élec- trode positive à ce niveau. La hauteur dudit tube ne comportant pas de perforation peut correspondre sensiblement à au moins un quart de la hauteur de l'électrode positive électrochisiquenent active. Dans le mode de réalisation représenté les perforations 6 ont sensibÎnient les memes dimensions et sont uniformément réparties ; toutefois il est possible de prévoir d'avoir des perforations de dimensions croissantes à mesure qu'on se rapproche de l'extrémité inférieure du tube, et/ou une plîls grande dcusité de perforations, de manière que l'alimentation en air de l'électrode négative, perpendiculairement à la couche d'élccLrolyte, soit plus importante à mesure qu on se rapproche de l'extrémité inférieure de ladite électrode, pour compenser la diminution du débit d'air provenant de l'alimentation de l'électrode par son extrémité 17 Sur la figure 3 on a représenté schématiquec.nt les courbes de diffusion de gaz dans l'électrode positive en fonction de la distance prise dans l'électrode par rapport à son extrémité supérieure au contact de 11 air. Le débit d'air "d" a été porté en ordonnée alors que la distance "e" est portée en abscisse. La courbe (a) correspond a la diffusion de l'air pénétrant par l'extrémité de l'électrode, ou diffusion longitudinale.A mesure qu on s'éloigne de l'extrémité de l'électro- de, on constate que le débit d'air diffusé dans l'électrode diminue très sensiblement, La courbe (b) correspond à une alimentation de l'électrode par les orifices prévus dans le tube métallique et dans l'hypothèse où il n'y aurait pas d'alimentation par l'extrémité. Dans l'exemple représente, les orifices étant régulièrement répartis et de mêmes oia,ensions > on peut considérer qu'à partir du lliveall de ces orifices on obtient une diffusion transversale sensiblement uniforme et qui décroît quand. on themine dans l'électrode du bas vers le haut à partir des orifices les plus eleves. La tourbe (c) représente la courbe résultante e. qui correspond à l'alimentation effective globale de l'électrode positive. L'allure de cette courbe peut être modifiée, et en particulier rendue plus horizontale, en jouant sur la répartition de la section totale d'arrivée d'air par diffusion transversale. Une pile conforme à l'invention peut présenter les dimensions suivantes 85 x 85 x 200 min, son poids étant d'environ lKg 800. Sa f.e.m est d'environ 1,40-1,43 volts et sa capacité de 360 ampères heure. L'énergie massique est alors de 140 Wh par kg. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n ont été donnés qu'à titre d'exemples. En particulier, on peut sans sortir du cadre de l'invention, apporter des modifications de détail, changer certaines dispositions eu remplacer certains moyens par dc moyens équivalents. REVENDICATIONS 1/ Pile alcaline du type zinc-air, dans laquelle une électrode négative à base de zinc est esp:cée d'une électrode positive aligeutée en air, par une couche d'un électrolyte gélifié, au moins une des extrémités de ladite électrode positive étant au contact direct de flair, de manière o realiser une alimentation de cette électrode sensiblement parallèleunt à ladite couche d'électrolyte, caractérisce par le fait qu'au moins uuc partie de la surface latérale de ladite électrode positive est également au contact de 1' air, de manière à réaliser une alimenta- tion complémentaire de cette électrode sensiblement perpendieulakirement à ladite couche d'électrolyte, des moyens étant en outre prévus pour déterminer la répartition de l'air sur ladite partie de la surface latérale, afin d'obtenir globalement, au moins dans la partie électrochimiquement active de ladite électrode positive, une distribution d'air sensiblrent uniforme. 2/ Pile alcaline selon la revendication 1, caractérisée par le fait que lesdits moyens comprennent sur ladite pattie de la surface latérale un revêtement en un matériau imperséable à l'air et muni de pergages convenablement répartis et de dimensions appropriées pour le passage de l'air 3/ Pile alcaline selon la revendication 2, caractériée par le fait que ledit revêtement est métalliqu 4/ Pile alcaline selon la revendication 3, caractérisée par le fait que ledit revêtement métallique constitue le collecteur de courant positif de la pile. 5/ Pile alcaline selon l'une des revandications 3 et 4, earacterîsee par le fait que l'électrode positive se présente sous la forme d'un bloc cylindrique muni d'un orifire axial daus lequel est engagé un tube métaliique constituant ledit revéterent. 6/ Pile alcaline selon la revendication 5, earactérisée par le fait que le tube métallique, du côté de son extrémité par laquelle pénètre l'air. n'est pas muni de pergage sur une hauteur correspundent sensiblement à auk moins un quart de la hauteur de l'électrode positive élestrochimiquement active 7/ Pile alcaline selon la revendication 6, caractérisée par le fait que les perçages prévus sur le tube métallique ont sensiblement les mêmes dime 8/ Pile alcaline selon l'und des revendieneiens précédentes, caractérisée par le fait que l'électrode négative est forme a à partir d'une poudre de zinc et d'électrelyte gélifié.