Brevet FR2245094A1 — publié le 19750418

La présente invention concerne les sources de courant chimiques, et plus particulièrement les 1éments manganèse-zinc a électrolyte alcalin. Les éléments mangandse zinc sont largement connus et utilisés pour les appareils a destinations diverses. Les éléments manganèse-zinc existants sont réalisés à électrolyte alcalin ou neutre (salin). L'élément manganèse zinc à électrolyte neutre (salin) possède généralement une forme cylindrique, rectangulaire ou plate (en galette). Les constructions cylindrique et rectangulaire se distinguent seulement par-la forme de 11 électrode négative qui sert de bottier a l'élément Ce bottier, ou dans certains cas, surtout pour les éléments de forme rectangulaire, des conducteurs soudés au bottier3 sont les sorties de courant dans ces éléments pour l'électrode négative, pour l'électrode positiveune tige réalisée en carbone avec divers additifs. Les coefficients d'utilisation des matériaux actifs dans ces constructions sont peu élevés et atteignent environ 30-35 % pour le zinc et 35-45 Z pour 11 électrode positive. Les éléments a construction en galettes sont préférables lorsqu'son a besoin d'une batterie comportant plusieurs éléments a courant de décharge faible. Ces éléments se composent de deux électrodes plates (des galettes) de forme rectangulaire ,séparées par un séparateur contenant l'électrolyte. Le couplage en série des éléments formant le batterie est réalisé en empilant les éléments et en serrant mécaniquement la pile obtenue avec une frette. Pour éviter les courts-circuits entre les éléments ceux-ci sont sépares par une couche conductrice chiniquement neutre par rapport aux msté- riaux des électrodes, cette couche est portée en film mince sur le coté externe de la plaque en zinc, c'est-A-dire de 11 électrode. Les sorties de courant d'une telle batterie sont réalisées en forme de conducteurs, qui sont soudés par un bout a l'anode en zinc, et par l'autre b a une plaque métallique apposée sur l'électrode positive, cette plaque étant également recouverte de ce cOté d'une couche conductrice. Dans les éléments manganèse-zinc d électrolyte neutre, pour assurer leur conservation, on n'admet pas d'impuretés métalliques dans les électrodes, pouvant provoquer l'autodécharge de ces éléments. Les impuretés de fer contenues dans le zinc, ainsi que dans 1'éIPc trode en mangénèse et dans l'électrolyte, sont particulièrement nuisibles C'est pourquoi en qualité de sortie de courant pour l'électrode positive on utilise, comme on l'a indique plus haut, une tige en carbone à résistance ohmique relativement élevée. Dans# les éléments manganèse-zinc à électrolyte alcalin l'utilisation du fer pour les sorties de courant de l'électrode positive n'a pas le meme effet négatif sur l'autodécharge des éléments car dans une solution alcaline, par exemple KOH, il se produit la passivation du fer, c'est-à-dire, qu'il se recouvre d'un film d'oxyde, empêchant son passage dans la solution et le dépit ultérieur du fer sur l'anode, ainsi que la corrosion du zinc. Les éléments manganèse-zinc connus à électrolyte alcalin se présentent sous la forme #d'un cylindre métallique dans lequel est pressée la masse des l'électrode positive. L'électrode négative est généralement une tige pressée en limaille de zinc et placée à l'intérieur de l'électrode positive. Les électrodes positive et négative sont séparées par un séparateur porteur d'électrolyte La difficulté principale dans la réalisation de la construction de ces éléments est la mise au point d'un ensemble d'étanchéité fiable, étant donné que l'électrolyte alcalin "fuit" facilement, ctest à-dire qu'il est capable de pénétrer à l'extérieur par les micropores de la paroi du bottier de l'élément. Afin d'éviter la fuite de l'électrolyte alcalin on prévoit dans certains cas des bottiers et des couvercles doubles, et on épaissit l'4lec- trolyte. L'avantage principal de ces sources de courant,en oncomparaison avec les éléments manganèse-zinc à électrolyte salin,sont les caractéristiques spécifiques et la puissance de décharge élevées. Les coefficients d'utilisation des matériaux actifs dans les éléments manganèse-zinc à électrolyte -alcalin sont beaucoup plus élevés que ceux des éléments à électrolyte neutre, et ils atteignent des valeurs de l'ordre de 80-8S % pour le zinc et 70-80 % pour l'électrode positive. Cepen dans, ces avantages ne pouvaient être jusqu'à présent entièrement utilisés à cause des faibles dimensions des éléments alcalins manganèse-zinc pour un poids relativement élevé des pièces constructives. La diminution du pourcentage des pièces constructives peut être obtenue en augmentant les dimensions de l'élément, ce qui soulève des difficultés technologiques en ce qui concerne la création d'électrodes positive et négative à résistance mécanique suffisante. Les tentatives de renfermer l'électrode positive dans une carcasse métallique rectangulaire en l'installant à 11 intérieur d'un cylindre avec 11 électrode négative entraient la complication de la construction et du procédé technologique de la préparation de l'électrode négative. L'invention a pour but la mise au point d'une construction d'élément manganèse-zinc à électrolyte alcalin, permettant d'obtenir des éléments à capacité énergétique variant dans des limites allant de plusieurs unités à quelques milliers d'ampères-heures. Un autre but de la présente invention est l'amélioration de la capacité énergétique spécifique d'un élément manganèse zinc. Encore un but de l'invention est la création d'une construction d'élément, à capacité énergétique spécifique constante, permettant d'obtenir des capacités diverses avec le meme volume. On s'est proposé de mettre en oeuvre une construction d'élément manganèse-zinc à électrolyte alcalin permettant de créer sur sa base des éléments à capacité énergétique allant de quelques unités à plusieurs milliers d'amp;res#heures,d'améliorer la capacité énergétique spécifique et la puis sanve des éléments. La solution consiste en ce que dans un élément alcalin manganèsezinc à l'intérieur duquel se trouvent des électrodes positives et négatives, selon l'invention, les électrodes positives et négatives sont réalisées plates et assemblées en forme de paquet, par ailleurs chaque électrode positive est placée dans une carcasse métallique avec plusieurs perforations, tandis que chaque électrode négative est réalisée en forme de plaque métallique dont la surface est recouverte par dépôt de zinc poreux. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris a la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins en annexe, dont - la figure 1 représente l'élément alcalin manganèse-zinc (en coupe longitudinale), selon l'invention, - la figure 2 représente l'élément alcalin manganèse-zinc, selon l'invention (vue latérale sur la figure 1), - la figure 3 représente une section en III-III de la figure 1, - la figure 4 représente l'électrode positive, selon l'invention, - la figure 5 représente l'électrode négative, selon l'invention, - la figure 6 représente la garniture isolante. L'élément alcalin manganèse-zinc se compose d'un boîtier 1 (figures 1, 2,#3) réalisé en matière plastique, par exemple en polyéthylène. Dans le boîtier 1 de l'élément se trouve un paquet, assemblé avec des électrodes positives 2 et négatives 3 s'alternant. Le nombre d'électrodes détermine la puissance et la capacité de l'élément. Les électrodes sont séparées par un séparateur 4, qui permet d'éviter les courts-circuits à l'intérieur de l'élément et qui retient l'électrolyte 5. En qualité d'électrolyte on utilise une solution aqueuse de potasse caustique (KOH). Sa concentration peut varier selon les conditions d'utilisation de l'élément. Le séparateur 4 est réa Usé en forme de sac en papier résistant aux alcalis ou en tissu capron, dans lequel est placée l'électrode positive Le nombre de séparateurs dans l'élément correspond au nombre d'électrodes positives. Des ailettes 6 aménagées à l'intérieur du bottier constituent un séparateur supplémentaire et créent entre les électrodes un jeu strictement déterminé, aussi > toutes les électrodes 2, 3, indépendamment de leur quantité dans le paquet, travaillent-elles uniformément sur toute leur surface. Le bottierlestfermé par en haut avec un couvercle 7 placé à demeure et étanchéisé par soudure ou collage sur le périmètre du bottier 1. Dans le couvercle 7 du bottier 1 est aménagée une soupape 8 d'échappement des gaz, qui se dégagent au cours du fonctionnement ou du stockage de l'élément alcalin manganese- zinc. Les électrodes positives 2 sont raccordées à des sorties 9, qui sont soudées à une borne 10 qui sort à ltextérieur du bottier de 11 élément à travers le couvercle 7. Les électrodes négatives 3 sont également raccordées à des sorties 11 raccordées à une borne 12. chaque électrode positpia 2 (figure 4)lue de forme plate, est constituée par une masse constituée du bioxyde de manganèse en poudre avec des additifs conducteurs de courant, placée dans une carcasse métallique 13 possédant à sa surface plusieurs perforationsk. Les perforations 14 sont prévu##4our permettre un passage aisé de l'électrolyte 8 vers la masse de l'électrode 2. On peut utiliser comme carcasse 13 des grilles de divers types ou un ruban perforé. La carcasse métal- lique 13 non seulement retient la masse de l'électrode positive 2, mais joue le rôle de sortie de courant. Le prélèvement du courant à partir de I'élec- trode positive 2 est réalisé à travers le ruban métallique, servant de sortie de courant et qui est soudé à la carcasse 13 de l'électrode 2. L'électrode négative 3 (figure 5) se présente sous la forme d'une plaque métallique conductrice, par exemple en cuivre ou en zinc, la surface de laquelle est appliquai par un procédé Electrolytiqueaun recouvrement en zinc poreux. Pour la sortie de courant on utilise un ruban en cuivre galva Sn autre métal fixé sur la plaque. Afin d'exclure les déplacements éventuels des électrodes en cas de sollicitations mécaniques diverses on installe'sur celles-ci à l'intérieur du boitier 1 une garniture isolante 15 en forme de peigne, qui s'appuie avec ses dents sur les cOtés en bout des électrodes positives 2, tandis que sa surface supérieure vient s'appuyer contre le couvercle 7 du boitier 1. Le nombre de dents de la garniture isolante-15 correspond au nombre d'électrodes positives 2 de l'élement. Entre les dents se trouvent 1es extrémités du séparateur 4, qui retiennent les électrodes négatives 3. La figure 6 représente la garniture isolante 15 Cette réalisation de l'élément suppose-l'utilisation d'un elec- trolyte liquide, mais elle permet également l'utilisation d'un électrolyte épaissi. Un électrolyte liquide réduit la résistance interne de l'élément grâce à sa bonne conductibilité et améliore les caractéristiques électriques de l'élémsnt. L'utilisation d'un électrolYte -liquide ne réduit pas la résis- tance mécanique de l'électrode positive. La carcasse métallique utilisée pour - l'électrode positive permet d'améliorer sa résistance mécanique ainsi que d'améliorer le prélèvement du courant et elle pontet également d'obtenir des électrodes plates de diverses dimensions. En augmentant ou en diminuant les dimensions des perforations dans la carcasse, on peut accroitre ou réduire ## intensité du courant prélevé et par conséquent la valeur de la puissance. L'utilisation dans l'élément manganèse-zinc d'une électrode néga- tive en forme de plaque métallique sur laquelle est appliqué du zinc poreux, à part le prélèvement satisfaisant du courant confère à l'électrode négative une résistance mécanique permettant dtélargir la gamme des dimensions de l'électrode. La porosité de l'électrode négative, étant alors un indice important de sa faculté de fonctionnement, se situe dans les limites 50-60 Z. La-base métallique de l'électrode négative améliore également le coefficient d'utilisation du zinc, qui atteint alors jusqu'à 90-95 %. La construction proposée pour élément manganèse-zinc est particulièrement rationnelle pour une capacité dépassant 20 ampères-heures. La forme plate des électrodes dans ce cas est bien avantageuse, car elle permet d'obtenir, pour le méme volume, des éléments de puissance div=*s avec de faibles variations de la capacité en utilisant un nombre variable d'électrodes de différentes dimensions. Une autre particularité importante importante de la construction proposée réside dans le fait que chaque électrode, sauf les deux électrodes extrêmes, fonctionne de deux cOtés Ce fait améliore le coefficient d'utili- sation des matériaux actifs, qui atteint alors 80 à 95 Z,et permet d'augmenter la puissance prélevée sur l'élément. L'exécution des électrodes à forme plate ne présente aucune difficulté technologique. Les électrodes positives et négatives plates peuvent être réalisées, selon la destination de l'élément, dans une large ganme d'épaisseuks et avec des périmètres divers. L'épaisseur des électrodes positives peut aller de 3-4 mm à 12-15 mm, tandis que celle des électrodes negatives-peut être de 0,5 à 3-5 mm. L'électrode positive ne diminue alors pas sa solidit# car Sa masse introduite dans une carcasse metallique est pressée. La construction dtun élément alcalin manganèse-zinc décrit plus haut permet de créer des éléments à puissance-atteignant 2000 aipères-heures et plus avec des caractéristiques spécifiques#élevées. La capacité énergétique spécifique des éléments possédant une telle construction atteint 100 Wh/kg. Les éléments conservent entièrement leur faculté de fonctionnement après avoir subi des surcharges de choc multiples atteignant jusqu' 20 unités de surcharge vibratoires dans une large gamme de fréquences durant un intervalle de temps prolongé (plusieurs heures). REVENDICATION élément alcalin manganèse-zinc constitué d'un bottier à l'intérieur duquel se trouvent des électrodes positives et négatives, caractérisé par le fait que les électrodes positives et négatives sont réalisées plates et sont assemblées en paquet, chaque électrode positive étant placée dans une carcasse métallique ayant plusieurs perforations, tandis que chaque électrode négative étant réalisée sous la forme d'une plaque métallique à la surface de laquelle est appliqué du zinc poreux.