Brevet FR2222761A1 — publié le 19741018

La présente tnvential1 concerne les piles-galvaniques dépolarisables par des gaz et dont la capacité par unité de volume est améliorée et elle concerne plus particulièrement des piles miniatures de ce type. Les piles selon l'inventionn dépolarisables par l'air seront décrites ci-après en détail dans leur application à la batterie de piles au type zinc-air d'une prothèse auditive comprenant le boîtier et le dispositif de fermeture du sommet des batteries de type alcalin des prothèses auditives existantes, à savoir les--piles RAY-O-vAC 41G et 675R, car la pile dépolarisable par l'air selon 11 invention a été mise particulièrement au point en vue de l'amélioration de sa capacité et de manière à permettre, en m#me#temps, l'u-- tilisation des équipements de fabrication avec un minimum de modifications. Cependant la présente Invention ne se limite pas à une pile quelconque de dimensions particulières, ni à un choix particulier quelconque de sa matière anodique. Le mode de fonctionnement des piles dépolarisées par des gaz, du type envisagé dans la présente invention, est bien connu et décrit par exemple dans les brevets des Etats Unis#d'Amérique n0 2 848 525, n0 3 392 057, n0 3 415 685 et n0 3 489 616. Il convient d'indiquer, de plus, que la tension de décharge des piles dépolarisées par des gaz est relativement constante et que du point de vue capacité, leur rendement est excellent. Du fait de ces facteurs, leur mise en oeuvre est avantageuse dans de nombreux dispositifs électroniques, en comparaison avec d'autres types de piles. De plus, le développement de dispositifs électroniques miniatures, dont les tailles diminuent de plus en plus, exige que les sources de courant qui fournissent leur énergie électrique soient également de taille réduite, sinon les progrès de la miniaturisation des circuits et des éléments électroniques sont impossibles à réaliser. En conséquence, 9'"assemblage" des dispositifs électroniques impose de strictes limitations de volume aux sources de courant qui leur sont destinées et en m#me temps, dans de nombrex cas, il exige une capacité plus élevée que celle qui existe normalement dans les sources de courant actuelles. Comme indiqué plus haut, une forme avantageuse de réalisation de l'invention comprend le boîtier et le disposi tif- -de fermeture du sommet des piles ou batteries de type alcalin existantes, utilisées dans les prothèses auditives. Cependant, il est possible d'utiliser le cas échéant d'autres boîtiers et d'autres-dispositifs de fermeture du sommet. Les piles des prothèses auditives comprennent, en général, un boîtier ou une boite métallique interne dont le sommet-est obturé par un élément de fermeture qui, de préférence, comprend d#eux plaques ou disques métalliques. Un élément d'étanchéité isolant ou un collier de matière élastique est interposé entre la rive de la boite métallique interne et les disques de l'é- lément de fermeture. Une partie du collier d'étanchéité est disposée autour des bords des disques et se prolonge sur une courte distance.Une boite métallique ou chemise extérieure entourant la boite interne est resserrée d l'une de ses extrémités située directement au-dessus du collier, afin d'exercer sur ce dernier une pression d'étanchéité et de manière à constituer pnur la pile une enveloppe sensiblement étanche à l'air. On trouvera une description plus complète de ce dispositif dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 2 712 565. L'avantage principal du dispositif décrit ci-dessus est le fait qu'il permet de limiter les fuites d'électrolyte vers la surface du sommet de la pile et la formation d'incrustations qui en résulte lorsque l'électrolyte vient en contact avec l'atmosphère. Ces incrustationsjproduisent une corrosion et la formation sur le sommet de la pile d'une pellicule isolante qui augmente la résistance de contact entre cette pile et un circuit extérieur quelconque dans lequel elle est utilisée. Bien que la réalisation décrite ci-dessus apporte une solution simple mais fiable aux problèmes posés par les fuites d'électrolyte dans ces piles, un dispositif supplémentaire quelconque permettant de réduire encore le risque de fuites-de l'électrolyte et comprenant des joints supplémentaires empE- chant l'électrolyte de s'échapper constituerait un progrès dans la technique des piles. En conséquence, la -présente invention concerne un pile galvanique miniature, dépolarisée par l'air, d'une capacité en ampères-heures élevée par unité de volume. Blle n'offre qu'un risque minimal de fuites de 11 électrolyte et sa réalisation permet l'utilisation des équipements de fabrication existants avec un minimum de modifications, de sorte que les piles selon l'invention peuvent être fabriquées à échelle pratique et industrielle à faible prix et sans nécessiter la conception complète de nouveaux équipements de fabrication. En bref , la présente invention concerne une pile galvanique, dépolarisable par un gaz, comprenant un sous-ensemble de cathode spécial. Des parties du sous-ensemble de la cathode sont en une matière non conductrice de l'électricité et l'une de ses parties comprend une électrode dépolarisable par un gaz. Le sous-ensemble de la cathode est disposé dans la partie inférieure du bottier de la pile qu'il occupe. Le bottier, dont l'extrémité supérieure est ouverte, constitue l'une des bornes de la pile. Une matière anodique est disposée dans le bottier dont elle occupe la partie supérieure. Un électrolyte est en contact ionique avec l'électrode et la matière anodique. Un séparateur est interposé entre celle-ci et l'électrode.Un sous-ensemble de fermeture du sommet est disposé dans l'extrémité supérieure ouverte du bottier et comprend au moins une plaque métallique et un élément d'étanchéité isolant. L'élément d'étanchéité est maintenu entre des parties associées de la plaque métallique et les parties non-conductrices de l'électricité du sous-ensemble de la cathode, des parties associées du bottier et la-plaque métallique. La plaque métallique constitue l'autre borne de la pile et elle est isolée électriquement du bottier par l'élément d'étanchéité. Cette disposition permet la réalisation de première et seconde zones d'étanchéité dans la pile, destinées à réduire les fuites d'électrolyte. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure 1 est une coupe transversale de la pile galvanique dépolarisable par un gaz selon l'invention, complètement assemblée; la figure 2 est une coupe transversale éclatée d#s éléments de la pile selon l'invention; et la figure 3 est une vue en plan du sous-ensemble de la cathode, suivant la ligne 111-111 de la figure 2. Il convient d'indiquer que toutes les mentions telles que: dépolarisable par un gaz, dépolarisable-par l'air, par l'oxygène atmosphéique, un gaz ambiant, et autres, données à la fois ci-dessus et ci-après, englobent tous les concepts des piles-métal-air et métal-oxygène. De plus, bien que des matières anodiques et cathodique.s particulières. soient indiquées ainsi que d'autres matières pour les divers éléments de la pile selon l'invention, il est possible d'utiliser ntim- porte quelles a-utres matières appropriées. Le dessin, dans lequel des références numériques semblables concernent des élément-s semblables dans les différentes vues, représente en 10 la pile dépolarisable par un gaz selon l'invention. Une botte métallique cylindrique ou bottier est représenté en 12. Le bottier 12 constitue la borne positive de la pile. Il comprend une paroi inférieure 14 qui fait partie intégrante de ses parois et, à l'opposé, un sommet ouvert 16. Plusieurs ouvertures 18 destinées à l'entrée de l'air ou d'un gaz sont réalises sur le bottier 12. le bottier peut Entre en acier nickelé ou en toute autre matière appropriée. Un sous-ensemble de cathode, représenté d'une façon générale en 20, est disposé à l'intérieur du bottier 12. Il occupe la partie inférieure de celui-ci. Le sous-ensemble de la cathode comprend une bague ou cadre annulaire 22, de préférence en une matière non conductrice de l'électricité moulée, par exemple un polymère. La bague annulaire comprend une élec troue dépolarisable par l'air ou par un gaz, indiquée d'une façon générale en 24, disposée dans son ouverture centrale et dont les parties périphériques sont noyées complètement dans les limites du cadre 22. Dans ce but, on peut commencer par former l'électrode 24 par une opération séparée et ensuite mettre en oeuvre des techniques de moulage d'éléments rapportés pour la formation d'un ensemble composite comprenant le cadre 22 et l'électrode 24. Le mode de préparation de l'électrode dépolarisable avantageuse est décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 859 221 déposé le 14 juillet 1969 par David P. Boden. Une première surface 26 de l'électrode 24 est une pellicule d'un polymère hydrophobe, telle qu#'une pellicule d'un polymère de fluorocarbure microporeux, c 'est-à-dire du polytétrafluoroéthylène. La surface 26 est directement en contact avec le ga 6mbiant ou l'oxygène atmosphérique qui pénètre dans la pile 10 par les ouvertures d'entrée 18, pendant la décharge. Une grille toile métallique 28, de préférence en nickel, est disposée sur la surface interne de l'électrode 24. Un composé catalyseur 30 poreux, humide ou étanche aux liquides est pressé sur la toile métallique 28 et comprend du carbone et un polymère humide, par exemple du polytétrafluoroéthylène, une cire, etc. La toile métallique 28 constitue un collecteur de courant, L'une de ses parties passe par le cadre 22 et est repliée le long de sa périphérie externe, comme on le voit en 30 (figure 1). Une partie encochée 32 est formée de chaque e8té du cadre 22 de façon à loger partiellement l'épaisseur de la toile métallique 28. Comme on s'en rend compte d'après ce qui précède, l'électrode 24 comprend la grille métallique 28, le composé catalyseur 30 étanche aux liquides et la surface 26 constituée par une pellicule d'un polymère hydrophobe. Lorsque le sous-ensemble de la cathode est poussé dans le bottier 12, au cours d'une phase ultérieure de 1' assem- blage de la pile 10, non seulement les parties allongées de la grille métallique 28 permettent un ajustage mécanique ou par forçage mais encore elles constituent également un contact électrique entre l'électrode 24 et le bottier 12. Un séparateur, en forme de rev#tement 36, est disposé sur l'électrode 24. Un revêtement; séparateur avantageux 36 peut être préparé suivant les techniques décrites dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 126 103 déposée le 19 mars 1971 par John J. Kelley.Il peut être appliqué sur 1 'é- lectrode dépolarisable après la formation par moulage de l'ensemble composite qui comprend le cadre 22 et l'électrode 24. Conformément aux enseignements de cette demande de brevet, le séparateur est préparé sous la forme d'une solution d'un acide polyacrylique, de poids moléculaire élevé, dans de l'eau désionisée. La solution est placée dans un appareil de dessiccation et elle est mise sous vide jusqu'à ce que la masse soit exempte de bulles. La solution est gélatineuse et thixotropi que. Une charge du gel du séparateur est déposée dans la poche centrale 40 formée dans le cadre 22 et délimitée -par ses surfaces de bordures supérieures internes et la surface située audessus de l'électrode 24. Il convient de noter que cette disposition permet une étanchéité complète de la surface du catalyseur actif sur la cathode de la pile 10, du fait du revête- ment séparateur 56. Les surfaces inférieures internes du cadre 22 et la région située en dessous de l'électrode 24 constituent un réservoir pour un gaz ou un espace d'air, 41, au fond de la pile, en communication avec les ouvertures 18. L'espace 41 permet l'amorçage et l'entretien de la réaction électrochimique de la pile. Un second séparateur 42 est disposé au-dessus du séparateur 36. Dans le mode de réalisation avantageux de l'invention qui est décrit, la matière anodique est une poudre de zinc amalgamée tassée ou une pastille de zinc comprimée 44. En conséquence, il faut un séparateur 42. Si, cependant, on utilise un gel de zinc comme matière anodique de la pile, le séparateur 42 peut être supprimé. Un exemple de gel de zinc qui peut être utilisé dans la pile sans le séparateur 42, est une poudre de zinc finement divisée dans une solution d'acide polyacrylique dans de l'hydroxyde de potassium. Le gel de zinc est placé dans la cavité du bottier 12 située au-dessus du sousensemble cathodique 20 et occupe de ce fait la partie supérieure du bottier. Le séparateur 42 est un séparateur absorbant qui contient l'électrolyte de la pile. A titre d'exemple, l'électro- lyte est, de préférence, un hydroxyde d'un métal alcalin qui contient également une quantité appropriée de zinc dissous. Si l'on utilise les deux saparateurs 56 et 42 ou si l'on n'utilise que le séparateur ,6 (suivant la matière anodique choisie), dans tous les cas, l'électrolyUe de la pile est en contact ionique avec l'électrode 24 et la matière anodique. Le séparateur 42 peut être en n'importe quelle matière appropriée par exemple en "Pellon" ou en "Webril". Il est disposé dans un second alvéole central 46 du cadre,délimité par un rebord annulaire 48, la surface annulaire 49 et la région située au-dessus du séparateur 36. L'alvéole 46 permet la mise en position du séparateur 42 et constitue un-puits pour l'électrolyte qui permet de lé maintenir pendant les stades de production qui précèdent la fermeture de la pile par le sous-ensemble 50. Le sous-ensemble 50 de fermeture du sommet de la pile est disposé dans l'extrémité supérieure ouverte 16 du bottier 12. Il comprend au moins un disque ou plaque métallique et de préférence deux disques bombés, représentés en 52 et 54 sur le dessin. Le disque intérieur 52 est en métal ou est revêtu d'un métal d'un faible potentiel de contact avec le zinc, par exemple de l'acier étamé. Le disque supérieur externe 54 est en métal ou revêtu d'un métal offrant une bonne résistance à la corrosion vis-à-vis de l'électrolyte. Un matériau approprié, dans ce but, est de l'acier nickelé.Les centres des disques bombés sont réalisés de manière-que le disque intérieur 52 soit embossé dans le disque extérieur et soit ajusté dans ce dernier par un ajustage à friction serré de façon à maintenir les deux disques en bon contact électrique permanent, l'un avec l'autre. A volonté, les deux disques peuvent être soudés par points l'un à l'autre de la façon indiquée en 56 afin d'éviter tout déplacement relatif entre eux. Les bords extérieurs 58, 60 des disques 52, 54 sont légèrement séparés l'un de l'autre et inscrivent entre eux un angle aigu. Les disques 52, 54 sont en contact électrique avec la matière anodique 44 et- constitueut# la borne régative de la pile. Le sous-ensemble de fermeture supérieur 50 comprend, de plus, un élément d'étanchéité ou collier isolant 62. Le collier 62 qui peut être en n importe quelle matière appropriée telle que du polyéthylène ou du Nylon, est destiné à isoler les disques supérieurs du bottier 12 et à constituer de plus une fermeture étanche à l'air pour le bottier. Le collier d'étanchéité 62 comprend une première partie ou corps 64 disposé entre la face supérieure 72 du sousensemble 20 de la cathode et le bord circonférentiel-du disque supérieur interne 52. Une seconde partie ou manchon 68 du collier 62 est disposée le long de la surface du disque supérieur externe 54 (figure 1). Lorsque le sous-ensemble de fermeture supérieur 50 est disposé à l'intérieur du bottier 12, ce dernier entoure les bordures des disques de dessus 52, 54. Le bord de ltextrémité supérieure du bottier est serti vers l'intérieur , de la façon indiquée en 70 (figure 1). On voit que le sertissage exerce une compression axiale sur le corps 64 du collier 62 et comprime en même temps son manchon 68 dans une direction générale radiale. Le collier 62 est maint en nu ainsi, lorsqu'il est en place sur la pile 10, entre les éléments-associés des disques 52, 54 et les parties non con ductrices du sous-ensemble de la cathode, à savoir la surface annulaire 72 et les éléments associés du bottier 12 et des disques 52, 54.En conséquence, le collier 62 forme une première zone d'étanchéité entre les éléments associés des disques 52, 54 et la surface annulaire 72 du sous-ensemble 20 de la cathode et une seconde zone d'étanchéité entre les, lé- ments associésdu bottier 1#t les disques 52, 54. Il maintient également le buStier 12 et les disques 52, 54 isolés électriquement les uns des autres. Si l'on utilise comme matière anodique une poudre de zinc tassée ou une pastille de zinc poreux qui offre la caractéristique d'être imbibée par l'électrolyte qui pénètre dans ses interstices, la formation de la pastille peut être effectuée à l'intérieur du sous-ensemble 50. La pastille peut également être formée séparément puis introduite afin de faire partie du sous-ensemble 50 de manière à permettre une manipulation facile pendant les opérations de fabrication. Le sous-ensemble 50 > qu'on voit sur la figure 2, peut être formé par une opération de moulage appropriée. Comme on le comprendra d'après les descriptions précédentes, le sous-ensemble de la cathode constitue une caractéristique importante de la présente invention. Il facilite les opérations de fabrication et en même temps il constitue un élément important de la pile 10. Le sous-ensemble de la cathode est un élément stable et rigide qui est manipulé et orienté facilement et qui permet une production en série. Il constitue un support pour une électrode dépolarisable 24 qui, autrement, est instable mécaniquement pendant son introduction dans le bottier 12 et pendant les périodes où elle subit des tensions élevées, pendant la fermeture de la pile, c'est-à-dire pendant l'opéra tion de sertissage.Ce sous-ensemble constitue un montage ou une enveloppe pour ltélectrode 24 qui empêche les fuites autour de sa périphérie et/ou par les interstices du collecteur de courant. Le sous-ensemble de la cathode est un support pour le collecteur de courant allongé qui est ajusté à la presse contre las parois du bottier 12, afin d'être mis en contact électrique avec celle-ci et il supprime la nécessité-du soudage par points du collecteur de courant sur le bottier.Finalement, et suivant une caractéristique importante il comprend une surface 72 qui supporte un joint de compression avec le corps 64 du collier 62 et qui est susceptible d'être adaptée à diverses possibilités d'étanchéité auxildaires (par exemple par des procédés chimiques, calorifiques, ultra-soniques , etc.). En d'autres termes, les surfaces associées du corps 64 du collier 62 et du sous-ensem ble. 20 de la cathode peuvent oetre scellées à volonté, les unes sur les autres par des procédés autres que la mise en oeuvre d'un joint mécanique. En général, cette caractéristique nsest pas offerte dans les réalisations antérieures de piles classiques du type envisagé par la présente invention. De ce fait, la première zone d'étanchéité, à savoir celle qui est située entre les surfaces associées du corps 64 du collier 62 et le sous-ensemble 20, décrite plus haut constitue un joint perfectionné à cet emplacement par rapport aux réalisations antérieures comportant le dispositif de fermeture supérieur décrit et un siège ou rebord comparable à la surface 72, qui est nécessaire pour l'utilisation d'une telle fermeture supérieure. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté sans sortir du cadre de 11 invention. REV13NDTCAXIONS 1. Pile galvanique dépolarisable par un gaz, caractérisée en ce qu'elle comprend un boîtier métallique qui constitue l'une des bornes de la pile et comporte un fond faisant partie intégrante de ses parois et une extrémité opposée ouverte au sommet, au moins une ouverture d'entrée du gaz étant réalisée sur le boîtier, un sous-ensemble de cathode étant disposé dans le -boîtier et occupant la partie de son fond, des parties du sous-ensemble étant en une matière non conductrice de l'électricité et l'une de ces parties constituant une électrode dépolarisable par un gaz, connectée électriquement au boîtier et disposée de manière à être en contact avec le gaz ambiant qui pénètre dans le boîtier par ladite ouverture d'entrée, une matière anodique étant disposée dans le boîtier et occupant la partie de son sommet, ctest-à-dire étant placée au-dessus de 11 ensemble de la cathode, un électrolyte étant en contact ionique avec l'électrode dépolarisable par un gaz et avec la matière anodique, un séparateur étant interposé entre l'électrode dépolarisable et la matière anodique, un sous-ensemble de fermeture du sommet étant disposé dans l'extrémité ouverte du boîtier et comprenant au moins une plaque métallique en contact électrique avec la matière anodique de manière à constituer l'autre borne de la pile, un élément d'étanchéité isolant étant maintenu entre les parties associées de la plaque métallique, et les parties non#conductrices du sous-ensemble de la cathode d'une part et les parties associées du boîtier -et de la plaque métallique d'autre part, l'élément d'étanchéité isolant constituant une première zone d'étanchéité entre les parties associées de la plaque métallique et les parties non conductrices du sousensemble de la cathode et une seconde zone d'étanchéité entre les parties associées du boîtier et de la plaque métallique, tout en maintenant le boîtier et la plaque métallique isolés électriquement l'un de l'autre. 2. Pile galvanique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les parties du sous-ensemble de la cathode, qui sont en matière non conductrice, constituent un cadre comportant une ouverture centrale dans laquelle est disposée ltélectrode qui est dépolariable par le gaz et dont les parties périphé riques sont noyées complètement dans le cadre, l'électrode dépolarisable comprenant un collecteur de courant dont une partie, au moins, passe par le cadre et est en contact mécanique et électrique avec le bottier. 3 - Pile galvanique suivant la revendication 2, caractérisée en cedue le collecteur de courant est une grille métallique sur laquelle est pressé un catalyseur imperméable, une pellicule d'un polymère hydrophobe étant disposée sur la surface du catalyseur, la grille métallique, le catalyseur et la pellicule de polymère disposée sur la surface du catalyseur étant en contact avec le gaz ambiant qui pénètre dans le bottier par son ouverture d'entrée. 4 - Pile galvanique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le bottier est cylindrique, le sous-ensemble de la cathode étant une bague annulaire en matière non conductrice de l'électricité et comportant une ouverture centrale dans laquelle est disposée llélectrode dépolarisable dont les parties# périphériques sont noyées complètement dans la bague, l'électrode dépalarisable comprenant une grille métallique sur laquelle est pressé un catalyseur imperméable aux liquides, une pellicule d'un polymère hydrophobe étant disposée sur la surface du catalyseur, une partie au moins de la grille métallique passant par la bague et étant repliée le long de ses surfaces de bordures extérieures. 5 - Pile galvanique suivant la revendication 4, caractérisée en ce que la surface supérieure interne de ltouverture centrale de la bague et un espace situé au-dessus de l'électro- de dépolarisable délimitent une première poche, le séparateur étant un revetement d'une solution d'un polymère déposée sur la surface de l'électrode dépolarisable et étant disposé à l'intérieur de la première poche. 6 - Pile galvanique suivant la revendication 5, carac térisée en ce qu'une seconde poche réalisée dans la bague est délimitée par un rebord annulaire de celle-ci, une surface annulaire de la bague et l'espace situé au-dessus du revêtem'ent déposé sur la surface de électrode dépolarisable, l'ensemble du séparateur comprenant, de plus, un séparateur absorbant lté- lectrolyte et disposé à l'intérieur de la seconde poche. 7 - Pile galvanique suivant la revendication 6, caractérisée en ce que la matière anodique est de la poudre Pe zinc finement divisée et un acide polyacrylique en solution dans de l'hydroxyde de potassium. 8 - Pile galvanique suivant la revendication 4, caractérisée en ce qu'un espace ménagé entre ltélectrode dépolari sable et le boîtier est délimité par. la surface inférieure interne de 11 ouverture centrale de la bague et la région située entre la pellicule de polymère hydrophobe disposée sur la surface du catalyseur et la paroi inférieure du boîtier, ledit espace étant en communication avec l'ouverture d'entrée du gaz dans la pile. 9 - Pile galvanique suivant la revendication 6, caraco térisée en ce que la matière anodique est de la poudre de zinc en forme de pastille poreuse qui offre la caractéristiques d' être imbibée par l'électrolyte pénétrant dans ses interstices.