Brevet FR2466870A1 — publié le 19810410

La présente invention se rapporte aux plaques de batterie d'accumulateurs au plomb, et concerne plus particulièrement la distribution de la matière active sur ces plaques afin d'en obtenir un meilleur rendement. La capacité d'une batterie est généralement mesurée par le nombre des Ampères-heures qu'elle peut délivrer sous une certaine intensité de décharge, avant que la tension aux bornes ne passe au-dessous d'une valeur prédéterminée (c'est-à-dire la tension de coupure). Quand la tension aux bornes tombe au-dessous de cette tension de coupure, la batterie est considérée comme com plètement déchargée bien qu'en fait il subsiste dans les plaques une quantité considérable de matière active qui n'a pas réagi. Le rapport entre la quantité de matière active qui a réagi et la quantité de matière active initialement présente est le rendement en utilisation de la matière active (souvent appelée "coefficient d'utilisation). Une mesure commode de la quantité de matière active qui a réagi est le nombre des Ampères-heures délivrés par gramme de matière active pour une intensité de décharge donnée et une tension de coupure donnée. En générai, le reste de matière active qui n'a pas réagi (c'està-dire sur la base de la totalité de la plaque) dépasse la matière qui a réagi à la fin de la décharge. Par conséquent, des rendements inférieurs à 50% sont courants. Le rendement dtutilisation de la matière active varie en fait sur la surface de la plaque. A cet egard, la matière active plus proche des collecteurs de courant tend ? être utilisée avec un meilleur rendement que la matière active plus éloignée de ces collecteurs. Ce phénomène est dû apparemment, au moins en partie, à la chute de tension dans la plaque entre le collecteur de courant et les zones plus éloignées du collecteur, entraînant us distribution non uniforme du courant sur la surface de la plaque. Par conséquent, les zones de la plaque plus éloignées du collecteur, conduisent des courants de charge et de décharge moins intenses tandis que les zones plus voisines du collecteur de courant conduisent davantage de courant de charge et de décharge.Une autre raison à l'utilisation non uniforme dans la plaque est Je fait que le sulfate de plomb formé pendant la décharge, et pendant les périodes de repos augmente la résistance électrique et réduit la porosité de la matière active là où il se forme dans la plaque. L'augmenttion de la résistance réduit l'intensité du courant et la diminution de la porosité gène la diffusion de l'électrolyte dans la plaque, ces deux effets combinés conduisant à une mauvaise utilisation de la matière dans les zones de la grille ou la formation de sulfate est importante.De plus, la résistance de 1 'électrolyte lui-merie varie quand la bat terie se charge et se décharge et, en fait, cette résistance est différente à des niveaux différents dans la batterie, c 'est-à-dire du haut en bas, en raison de la stratification de l'électrolyte. Etant donné que le poids spécifique de l'électrolyte varie, il se produit une stratiFication. L'.acide plus'lourda et plus visqueux stagne au fond de la batterie. Cet acide plus visqueux est non seulement moins apte à pénétrer la matière active dans les zones les plus basses de la batterie, mais en outre, la teneur plus élevée en acide favorise une plus importante sulfatation de la surface de la plaque.La surface davantage sulfatée près du fond de la batterie tend a isoler le centre de la plaque (dans la direction de son épaisseur) de la réaction avec ltacide. Enfin, le mauvais rendement d'utilisation dans les zones inférieures d'une plaque peut résulter du dépôt entre les plaques, au fond de la batterie, de matière active détachée de la surface des plaques. Cette matière détachée des plaques se dépose près du fond de la batterie empêche la circulation libre de l'électrolyte dans cette région. Un but de lSinvention est donc d'améliorer le rendement global d'utilisation de la matière active dans des plaques de batterie d'accumulateursau au plomb, grâce à une distribution non uniforme de cette matière active sur la surface des plaques; cette distribution réduit le poids et le prix-de chaque plaque sans réduire sensiblement sa capacité. L'invention concerne donc une distribution non uniforme de la matière active, à savoir Pb + Pb02, le long de la surface d'une plaque de batte-rie d'accumulateur au plomb de manière que les zones les moins actives de la plaque, dicignées du collecteur de courant, soient plus minces que les zones plus actives de la plaque à proximité du collecteur de courant. Dans une plaque courante d'accumulateurs au plomb, le collecteur principal de# courant est le bord supérieur de la grille de la plaque, supportant la patte de fixation de cette plaque. Dans une plaque de ce genre la zoné la moins active se trouve en bas de la plaque, à ltopposé du collecteur de courant.Une plaque de ce genre comporte une zone avec une couche de pâte plus épaisse dans sa partie supérieure, à proximité du bord supérieur et une zone avec une couche de pâte mince dans sa partie inférieure, opposée au bord supérieur. La zone supérieure qui reçoit une couche épaisse de pâte constitue environ les deux tiers aux trois quarts de la surface de la plaque tandis que la zone inférieure qui reçoit une couche de pate mince constitue le reste de la surfacé de la plaqué. Une meilleure utilisation globale peut être obtenue avec des zones à mince couche de pâte représentant environ les neuf dixièmes de l'épaisseur moyenne des zones qui reçoivent une couche épaisse. Mais de préférence, 1 'épaisseur moyenne de la zone à couche mince est environ les trois quarts de l'épaisseur moyenne de la zone à couche épaisse ou moins. L'espace supplémentaire ainsi formée entre les zones inférieures des plaques peut recevoir davantage de matière active détachée des plaques sans gener la circulation de ltélectrolyte ou sans boucher les zones#infé- rieures des plaques.Pour diverses raisons, le résultat global est que la matière active dans ces zones à mince couche de pâte est utilisée de façon plus efficace, que le poids total de la plaque est réduit et que l'utilisa- tion de moins de matière active entraîne une réduction de prix, et ce avec un léger sacrifice seulement de la capacité. Dans un mode particulièrement simple de réalisation de l'invention, la grille formant la plaque reçoit un excès de pate, (c'est-à-dire une couche supérieure à l'épaisseur de la grille) dans sa région-supérieure à proximité du bord supérieur collecteur de courant pour former la zone à couche épaisse, et reçoit une couche de pâte affleu rante(c'est-à-dîre de même épaisseur que la grille) dans sa région inférieure opposée au-bord supérieur collecteur de courant. Une manière particulièrement simple de réaliser une telle plaque consiste à appliquer un excès de. pate sur toute la grille, puis dans une opération séparée, à éliminer sélectivement l'excès de pâte pour former la zone à couche mince. La matière active, récupérée est recyclée et réutilîsée. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, Ic plaque reçoit une couche de pâte de manière à former un gradient de matière active, dont l'épaisseur diminue depuis l'endroit le plus épais près du bord supérieur collecteur de courant jusqu'a la partie la plus mince apposée à ce bord supérieur (c'est-à-dire au bord inférieur de la plaque). Une #variante selon l'invention consiste à modifier la section transversale des cloisons de la grille de la plaque de manière que les cloisons les plus éloignées du collecteur de courant (c'est-à-dire du bord supérieur) soient plu#s minces que celles plus proches du collecteur de courant. Cela réduit encore le poids de la plaque en laissant un plus grand volume entre les cloisons dans la zone à couche épaisse pour redevoir davantage de pâte. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront au cours de la description qui va suivre. Au dessin annexé donné- uniquement à titre d'exemples nullement limitatifs: La figure 1 est une coupe verticale partielle d'une batterie dtaccusulateurs au plomb comportant des plaques selon l'invention, la figure 2 est une coupe verticale à plus grande échelle d'un seul élément comportant des plaques selon l'invention, la figure 3 est une vue de face d'une plaque d'accumulateurs, suivant la direction 3-3 de la figure 2, et la figure 4 est une coupe verticale d'un autre mode de réalisation d'une plaque selon l'invention. La figure 1 représente donc une batterie d'accumulateurs 2 à plusieurs éléments comprenant un bac 4 définissant plusieurs éléments individuels 6 séparés les uns des autres par des cloisons 8. Chaque compartiment 6 contient un élément actif électrochimique 10. L'élément 10 comporte plusieurs plaques positives et négatives 12 et 14. Les plaques 12, 14 sont séparées les unes des autres par des séparateurs 16 microporeux pliés autour des plaques positives 12 en les enveloppant.Les plaques positives 12 de chaque élément 10 sont interconnectées par une bande 18, par intermédiaire de pattes 32. De même, les plaques négatives de chaque élément 10 sont interconnectées par une bande négative 20, par intermédiaire de pattes 32'. Les bandes 18, 20 comportent chacune une patte ou une oreille 22 verticale servant à interconnecter les différents éléments et passant par une ouverture 24 des cloisons 8 entre les éléments. Les figures 2 et 3 sont des vues à grande échelle d'un élément 10, montrant particulièrement les plaques 12, 14. Ces plaques 12, 14 comportent chacune une grille support constituée par une grille 26 (voir figure 3) constituée par des fils conducteurs 28 croisés, un collecteur de courant ou bord supérieur 30 et des pattes 32 - 32' destinées à connecter les plaques 12, 14 aux bandes 18, 20. Les plaques peuvent également comporter un bord inférieur 34 conducteur, et, dans certains cas, des bords latéraux non représentés. Les fils 28 de la grille sont représentés avec une section rectangulaire et sont disposés angulairement entre les faces principales des plaques 12, 14 comme cela est courant pour l'orientation des fils 28 en métal expansé. Mais d'autres ty-pes de grilles pourraient également convenir. De préférence, les fils 28 de la zone inférieure 42 d'une plaque ont une section inférieure à celle des fils de la zone supérieure 35. La grille 26 est remplie d'une matière active 36 sous forme d'une pate au plomb.La zone supérieure 38 au-dessus de l'épau- lement 40 reçoit une épaisseur de pâte supérieure à l'épaisseur des fils 28, c'est-à-dire un excès de pâte. Par contre, la zone inférieure 42 au-dessous de l'épau- lement 40 reçoit-une couche de pâte qui remplit# exactement les interstices entre les fils 28 et qui affleure avec la-grille 26, c'est-à-dire que cette dernière est remplie à ras. La zone supérieure 38 est voisine du collecteur de courant 30 et, selon l'invention, elle tende à comporter davantage de sa matière active utilisée, en pourcentage, que la zpne inférieure 42 qui est plus éloignée du collecteur de courant 30. La figure 4 illustre un autre mode de réalisation de l'invent4on dans-lequel la plaque 50 comporte un bord supérieur 52 collecteur de courant, des fils de grille 54, un bord inférieur 56 et de la matière active 58 au plomb. Dans ce mode de réalisation, la section transversale des fils de grille 54 diminue progressivement à partir du bord supérieur 52 jusqu'au bord inférieur 56 et la couche 58 de matière active s'amincit régulièrement à partir d'une zone tqui reçoit une couche en excès en son point le plus épais à proximité du bord supérieur 52, jusqu'à la zone la plus mince à proximité du bord inférieur 56. Des essais ont été conduits sur un mode particulier de réalisation pour démontrer l'efficacité de linven- tion en ce qui concerne l'amélioration du coefficient d'utilisation de matière active. Un certain nombre de plaques positives (d'une -largeur de 139 mm et d'une hauteur de 124 mm) comportant un bord supérieur collecteur de courant sur une grille en métal expansé (d'une épaisseur de 1,2 mm) a reçu une couche de pâte d'une épaisseur uniforme de 2,25 mm. Le poids moyen de la pâte positive dans ces plaques était 47,67 grammes. Cinq de ces plaques ont ~été enveloppées chacune dans un séparateur microporeux et intégrées avec cinq plaques négatives courantes pour former un élément de contrôle (c'est-à-dire avec 238,4 grammes de# pâte positive par élément).De la pâte a été enlevée sur cinq autres de ces plaques,- sur la surface du tiers inférieur jusqu'à une épaisseur finale de 1,5 mm, laissant une moyenne de 35,76 grammes de pâte positive par plaque (c'est-à-dire 178,8 grammes par élément). Ces plaques ont été assemblées en deux éléments d'essai exactement comme les autres avaient été assemblées pour un élément de contrôle. Les éléments ont été soumis trois fois à un cycle sous un régime qui les déchargeait de 25 Ampères/heures jusqu'à une tension de coupure de 1,75 Volt. La capacité de chaque élément a diminue au cours de ces cycles. La moyenne des plus fortes capacités enregistrées pour l'élément de contrôle était 67,72 Ampères/ heures, soit 0,284 Ampères/heures par gramme de pâte positive.La moyenne des plus fortes capacités enregistrées pour des éléments d'essai était 63,33 Ampères/heure, soit 0,354 Ampères/heures par gramme de pâte positive. Cet essai montre que la capacité totale d'un élément d'essai est inférieure à celle de ltélément de contrôle en pourcentage, mais que davantage de la pâte positive a été utilisée dans les éléments d'essai. L'invention permet donc d'obtenir un meilleur coefficient d'utilisation de la matière active d'une batterie d 'accumulateurs, ce qui permet de concevoir et de fabriquer des batteries plus légères, moins chères, sans sacrifice notable de capacité. L'invention s'applique plus particulièrement à des plaques dans lesquelles le collecteur de courant se trouve dans la partie supérieure et la zone avec une couche mince de pâte dans la partie inférieure, mais elle peut également s'appliquer à des plaques comportant des collecteurs de courant en haut et en bas et même sur le côté ou les côtés. Dans le cas de collecteurs de courant en haut eten bas, la zone de pâte mince se trouve dans la partie centrale, entre les collecteurs de courant en haut et en bas. Les avantages obtenus dans cette disposition sont probablement inférieurs à ceux obtenus dans le mode de réalisation décrit ci-dessus. car l'effet nuisible de la stratification de l'électrolyte et du dépôt de matière ac- tive n'est pas aussi marqué lorsque la zone à couche mince se trouve bien au-dessus du fond de l'élément. il est bien entendu que de nombreuses motres modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits et illustrés à titre d'exemples nullement limitatifs sans sortir du cadre ni de l'esprit de ltinvention. REVENDI CA9'I0WS 1 - Accumulateur au plomb comprenant plusieurs plaques electrochimiquement actives séparées les unes des autres par des séparateurs microporeux, chacune desdites plaques comprenant une grille conductrice de l'électricité avec un collecteur de courant sur l'un au moins de ses bords, et de la matière active au plomb remplissant ladite grille, accumulateur caractérisé en ce que ladite grille remplie comporte une zone(38) avec une couche de pâte épaisse a proximité dudit bord (30) et couvrant les deux tiers aux trois quarts de la surface de la grille remplie (26), et une zone (42) avec une couche mince de pâtefiadjacente de ladite zone avec une couche épaisse de pâte mais éloignée dudit bord et couvrant le reste de la surface de la grille remplie, ladite zone (38) à couche épaisse de pâte ayant une première épaisseur moyenne de ladite matière active au plomb et ladite zone (42) à couche mince de pâte ayant une épaisseur moyenne de ladite matière active au plomb inférieure à ladite première épaisseur moyenne. 2 - Accumulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur moyenne de ladite matière active au plomb de ladite zone (42) à couche mince de pâte est inférieure trois quarts de ladite première épaisseur moyenne. 3 - Accumulateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite grille est constituée par des fils (28), la section transversale des fils dans ladite zone (ici) à touche mince de pâte étant inférieure à la section transversale .des fils dans ladite zone (38) à couche épaisse de pâte. 4 - Accumulateur selon ltune quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite zone à couche épaisse de pâte et ladite zone à couche mince de pâte (38, 42) ont une épaisseur uniforme. 5 - Accumulateur selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caractérisé en ce que ladite matière active au plomb dans ladite zone (38) a couche épaisse de pâte présen te une variation progressive d'épaisseur avec une épaisseur plus grande à proximité dudit bord et plus petite à proximité de la dite zone à couche mince de pâte, ladite matière active au plomb dans ladite zone (42) à couche mince de pâteprésentant'une variation progressive d'épaisseur avec une épaisseur plus grande à p#te de ladite zone à couche épaisse de pâte et plus réduite dans la région de ladite plaque plus éloignée dudit bord