Brevet FR2470449A1 — publié le 19810529

La présente invention se rapporte d'une manière gé- nérale à la fabrication de cellules électrochimiques et plus précisément à une cellule électrochimique dans laquelle on a disposé, à l'intérieur du boîtier de la cellule, entre les parties exposables d'un assemblage de plaques d'électrodes et le boîtier conducteur, un isolant. Elle comprend égale- ment un procédé pour la fabrication de cette cellule. La cellule électrochimique typique est de forme cy- lindrique. C'est le cas par exemple de la pile bien connue pour lampestylo ou lampe éclair. La cellule est constituée d'un boîtier cylindrique conducteur qui sert de borne néga- tive pour la cellule et d'un assemblage intérieur de plaques d'électrodes enroulées en spirale, avec alternance de l'élec- trode positive et de l'électrode négative. Au cours de la fabrication, l'assemblage d'électrodes, en forme de rouleau, est inséré dans l'extrémité ouverte du boîtier cylindrique. On établit une liaison électrique entre les bords de la pla- que d'électrode positive et la borne centrale d'un élément isolé servant de couvercle. Cet élément est ensuite inséré dans le sommet du boîtier et fixé sur sa bordure de la ma- nière habituelle, de sorte que l'assemblage de couvercle, électriquement positif, est isolé du boîtier, électriquement négatif. Dans les cellules électrochimiques construites de cette manière, on a constaté que les électrodes en forme de plaques enroulées en spirale pouvaient subir des translations, c'est-à-dire des déplacements parallèlement à l'axe de la cellule, et différents d'une plaque à l'autre, en particulier au fond du boîtier. Si le déplacement des circonvolutions de la plaque positive est excessif, elles entrent en contact électrique avec le fond du boîtier. Comme le boîtier est électriquement négatif, la cellule est courtcircuitée si l'un quelconque des bords des plaques positives entre en contact avec le fond du boitier. Par suite, il est quelque- fois nécessaire d'utiliser un isolant au fond du boîtier, entre la surface de ce dernier et les bords inférieurs de l'assemblage de plaques d'électrodes enroulées. Ainsi par exemple, on peut placer un disque mince de polyéthylène au fond du bottier avant d'insérer l'assemblage des plaques enroulées, afin d'isoler les électrodes du boîtier. Si cette manière d'opérer permet d'éviter un court-circuit accidentel de la cellule par suite d'un déplacement axial des électro- des, elle présente également des inconvénients à la fabrica- tion. La pratique courante consiste à découper séparément les boîtiers cylindriques à la presse et de fournir ces bottiers à partir d'une trémie ou d'un conteneur, lors des opérations subséquentes de fabrication, et par exemple l'in- sertion de l'assemblage des plaques d'électrodes enroulées dans le bottier. Si l'on tente de placer le disque isolant au fond du bottier avant introduction des boîtiers dans la tréemie, les disques isolants peuvent se déplacer ou même tomber. En outre, dans certaines opérations de fabrication, l'assemblage des plaques enroulées est inséré dans le bot- tier alors que celui-ci est en position horizontale. Lors- qu'on tente de placer le disque isolant au fond du boîtier, même immédiatement avant l'insertion de l'assemblage des plaques d'électrodes, il est difficile de le maintenir en place. Une autre solution éventuelle, consistant à utiliser des isolants adhésifs qui restent collés en place une fois insérés dans le bottier, ne constitue pas une solution pra- ticable en raison des difficultés rencontrées dans la mani- pulation de matières portant un revêtement d'adhésif. En effet, un renfort adhésif placé sur l'isolant empêcherait une alimentation et une mise en place rapides des isolants dans les bottiers à l'échelle industrielle en raison de la tendance du renfort adhésif à adhérer à d'autres isolants et à des composants de machines. La présente invention permet de remédier aux diffi- cultés de fabrication décrites ci-dessus. Conformément à l'invention, on coule un isolant en place, au fond du bot- tier (ou sur d'autres surfaces à isoler des électrodes) avant insertion de l'assemblage d'électrodes. L'isolant consiste en 241O449 une coulée qui est auto-adhésive sur la surface inférieure du boîtier et placée dans une position intermédiaire entre la surface du logement et les parties exposables de l'assem- blage de plaques d'électrodes. La coulée isolante est formée à partir d'une matière qui à l'origine, au moment o elle est introduite dans le boîtier, est fluide mais qui durcit ou sèche en un temps relativement court et ne peut plus alors s'écouler. Ces pro- priétés permettent d'introduire la matière isolante à couler dans le boîtier sur la chaîne de production, la matière dur- cissant rapidement et se solidifiant au fur et à mesure que le boîtier de cellule se déplace le long de la chaîne de production. Dans la pratique de l'invention, le boîtier peut être soumis à un chauffage et à des vibrations soniques immé- diatement après introduction de la matière fluide dans le boîtier, afin de faciliter le durcissement et la répartition souhaitée de la matière isolante. La forme sous laquelle la matière se répartit dans le boîtier peut être déterminée, dans certaines limites, par la quantité de matière introduite. Ainsi par exemple, cette dernière, selon sa viscosité, forme un ménisque concave au fond du boîtier. Si la couche de matière est relativement mince, elle forme un anneau isolant laissant une surface nue ou apparente en son centre. Du fait que le déplacement indé- sirable des circonvolutions des plaques d'électrodes se pro- duit en général à la périphérie extérieure du rouleau d'é- lectrodes, à l'endroit o la matière isolante coulée est plus épaisse, on peut utiliser la partie centrale apparente du fond du boîtier pour fixer ou souder une patte connectrice s'étendant entre les parties de bordure apparentes de la pla- que d'électrode négative et le fond du boîtier. La suite de la description se réfère aux figures du dessin annexé qui représentent respectivement: 35. figure 1, une vue éclatée d'un boîtier classique pour cellule électrochimique rechargeable, avec l'assemblage de plaques enroulées en spirale associé au boîtier; figure 2, une vue en coupe partielle d'une cellule électrochimique rechargeable contenant un isolant coulé en place selon l'invention; figure 3, une vue analogue à celle de la figure 2 mais représentant une autre forme de l'isolant coulé en place selon l'invention; et figure 4, une vue schématique d'un appareillage pour la mise en oeuvre du procédé de formation des isolants coulés en place conformément à l'invention. En référence tout d'abord à la figure 1, celle-ci représente les éléments fondamentaux d'une cellule électro- chimique du type rechargeable, d'un modèle courant, avec électrodes de nickel/cadmium. La cellule comprend un bottier cylindrique 10 ouvert à une extrémité et présentant la forme d'une boite, un assemblage d'électrodes enroulées en spirale 12, un disque isolant supérieur 14 et un assemblage de cou- vercle 15. L'assemblage de couvercle comprend un couvercle de fermeture en métal 16 dont la partie centrale 17, consti- tue une borne et un disque isolant 19 dont le bord est relevé. Ce disque 19 isole le couvercle 16, électriquement positif, du bottier 10 électriquement négatif au moment o on réunit l'assemblage de couvercle 15 et le bottier. Tel que représenté dans la figure 1, l'assemblage d'électrodes comprend une patte connectrice 21- soudée sur le bord supérieur apparent de l'électrode positive. Cette patte, avant fermeture de la cellule, est soudée sur la face infé- rieure du couvercle 16, établissant ainsi la liaison élec- trique positive entre la plaque d'électrode positive et la borne 17. Une patte connectrice analogue 23 part du pied de l'assemblage d'électrodes 12. Cette patte 23 est soudée sur les bords inférieurs apparents de la plaque d'électrode néga-- tive enroulée et elle est repliée sur la face de l'assemblage d'électrodes enroulées 12 avant insertion de ce dernier dans le bottier (comme on l'expliquera ci-après en référence à la figure 2), ou bien repliée et soudée sur la surface inté- rieure au fond du bottier (comme expliqué ci-après en réfé- rence à la figure 3). La patte 23 établit la liaison élec- trique négative-entre la plaque d'électrode négative et le boîtier. Conformément à l'invention, on dispose une matière isolante auto-adhésive à l'intérieur du bottier entre les parties à nu ou apparentes des plaques d'électrodes et l'in- térieur du boîtier, afin d'isoler ces parties apparentes du boîtier. En référence maintenant à la figure 2, on a repré- senté une telle matière isolante au fond du boîtier 10, avec le numéro de référence 25. On peut constater que la matière 25 a une épaisseur (ou dimension verticale) plus grande sur le bord du boîtier qu'en son centre. Celà est dû au fait que la matière isolante 25 est introduite dans le boîtier alors qu'elle est à l'état de liquide visqueux, de sorte qu'elle forme un ménisque qui, lorsque la matière a durci, confère à cette dernière une section concave. Pour faciliter les explications, on a représenté la construction de l'assemblage d'électrodes en spirale de ma- nière un peu plus détaillée dans la figure 2. Cet assemblage comprend une plaque négative 26 et une plaque positive 27 qui sont séparées par une ou plusieurs couches séparatrices 28 et enroulées ensemble en spirale sous forme d'un cylindre uni- taire. Ainsi, dans l'assemblage enroulé en spirale et comme représenté-dans la figure 2, les électrodes positive et né- gative alternent. Pour permettre des liaisons électriques entre les électrodes positive et négative, celles-ci sont décalées en hauteur. C'est-à-dire que les bords inférieurs de la plaque d'électrode négative 26 dépasse les bords in- férieurs de la plaque d'électrode positive 26. Toutefois, sur le dessus de l'assemblage d'électrodes, c'est l'inverse qui se produit, c'est-à- dire que les bords supérieurs de la plaque d'électrode positive 27 dépassent les bords supérieurs de la plaque d'électrode négative 26. Cette disposition per- met de souder électriquement les pattes connectrices respec- tives 21, 23 sur les bords apparents des plaques d'électro- des, la patte négative 23 étant soudée aux bords apparents de la plaque négative et la patte positive 21 aux bords su- périeurs apparents de la plaque positive. En référence maintenant à la figure 3, sur cette fi- gure, l'isolant 25a coulé au fond du boîtier est discontinu sur la surface du fond, laissant apparente une partie circu- laire de la surface 30 du fond du bottier. Cette partie de surface apparente 30 offre la place pour souder la patte né- gative 23a au bottier. La manière la plus simple de former l'isolant 25a tel que représenté dans la figure 3 consiste à utiliser simplement moins de matière isolante à l'état fluide. Naturellement, on peut aussi parvenir à des résultats analo- gues en modifiant la viscosité de la matière mais, pour une matière déterminée, on peut laisser à nu une partie de la surface intérieure du bottier en limitant simplement avec soin la quantité de matière isolante fluide introduite dans le bottier. Comme on l'a dit précédemment, on peut laisser une partie à nu telle que la partie 30 de la figure 3 parce que le déplacement axial indésirable des électrodes enroulées se produit en général sur les bords extérieurs du rouleau, et c'est la raison pour laquelle, dans le mode de réalisation représenté dans la figure 3, l'isolant 25a présente cette forme. En référence maintenant à la figure 4 du dessin annexé, on a représenté schématiquement un appareillage servant à la mise en oeuvre de l'invention. Cet appareillage comprend un mécanisme de convoyage classique avec une bande de convoyage 22 et tambour d'entraînement de bande 33 à une extrémité de cette dernière (l'autre extrémité de la bande n'a pas été re- présentée et, naturellement, le mécanisme peut comprendre. d'autres éléments non représentés). Les bottiers de cellule sont transportés à la surface supérieure de la bande de convoyage 32 et guidés vers une station d'alimentation en matière isolante par les rails latéraux 35. Au moment o les bottiers de cellule 10 transportés par la bande 32 atteignent la station d'alimentation, ils rencontrent un mécanisme d'espacement représenté dans la figure 4 par le piston pneumatique 37 à retrait commandé. Ce mécanisme d'espacement 37 interrompt momentanément le déplacement du bottier 10, permettant ainsi l'introduction d'une matière isolante liquide durcissable dans le fond du boîtier. A cette fin, un dispositif d'alimentation classique, par exemple un dispositif d'alimentation Tridak 39, lui-même alimenté en matière isolante liquide durcissable par le ré- servoir 40, permet de délivrer une quantité dosée de matière isolante par l'intermédiaire d'un pointeau d'alimentation 41 disposé immédiatement au-dessus du boîtier 10 placé en pre- mière position et dont le déplacement a été interrompu par le mécanisme d'espacement 37. Ledispositif d'alimentation 39 ainsi que son réservoir 40 sont isolés de l'atmosphère, ceci afin d'empêcher une évaporation et un durcissement pré- maturé de la matière isolante par exposition à l'air. Lorsque la matière isolante liquide, fluide et durcis- sable a été introduite dans le boîtier, et que le mécanisme d'espacement 37 a été libéré, le bottier peut avancer vers la section avant 44 du mécanisme de convoyage. Dans cette section du mécanisme de convoyage, le bottier traverse une région - chauffée et soumise à des vibrations qui accélèrent le séchage ou durcissement de la matière liquide délivrée. Avec une ma- tière recommandée décrite ci-après, il y a durcissement dans un délai de 2 mn après l'introduction. Toutefois, lorsqu'on soumet le boîtier contenant la matière isolante à chauffage et vibrations simultanés, la durée de durcissement est rac- courcie. Dans la figure 4, la section chauffée et soumise à des vibrations sur le mécanisme de convoyage est désignée par le numéro de référence 44. Cette section comprend un ra- diateur 46 et un vibreur sonique 48 disposés directement au- dessous du passage supérieur de la bande du mécanisme de con- voyage. Naturellement, on peut faire appel à d'autres dispo- sitifs de chauffage et par exemple à des lampes à rayons in- frarouges disposées au voisinage du trajet des boîtiers. Comme on l'a dit plus haut, la section chauffée et soumise à des vibrations du trajet provoque une accélération du durcissement de la matière isolante délivrée. Au cours dela phasede séchage, la matière libère des vapeurs, ces vapeurs sont recueillies par une hotte 50 et rejetées à l'extérieur de l'installation. Lorsqu'elle a quitté la section chauffée et soumise à des vibrations 44 du mécanisme de convoyage, la matière isolante est suffisamment rigide pour conserver sa forme-dans les opérations ultérieures de fabrication. Par suite, les bottiers sont envoyés à une trémie (non re- présentée) d'o ils sont envoyés successivement à la machine qui insère l'assemblage d'électrodes enroulées. *Bien qu'il soit possible d'utiliser plusieurs matiè- res liquides à température ambiante et durcissant rapidement, on a constaté que la matière ci-après provenant de la firme B.F. Goodrich et portant la marque KE-1123, possédait les propriétés voulues. Cette matière consiste en 90 % de méthy- léthylcétone-contenant 10 % d'une résine vinylique et de ma- tières de charge. On trouvera les propriétés de cette matière dans le tableau I ci-après. TABLEAU I Point d'ébullition 770C Pression de vapeur 70,6 mm Hg Densité de vapeur (air = 1) 2,5 Densité 0,953 Vitesse d'évaporation (acétate de butyle = 1) 4,6 Point d'éclair (coupelle fermée) -6,70C Limites d'inflammabilité (% en volume) inférieure: 2 supérieure: 10 Solubilité dans l'eau appréciable Avec cette matière, on peut introduire la quantité voulue de matière isolante dans les boîtiers à la vitesse de /mn. C'est-à-dire qu'on dispose d'environ 1 s pour l'opé- ration d'introduction de la matière isolante, ce qui est suffisant. La quantité nécessaire pour isoler correctement le fond du boîtier d'avec les plaques d'électrodes varie natu- rellement selon la dimension de la cellule et également selon l'épaisseur voulue pour la couche isolante. Comme on l'a dit précédemment cette quantité est moindre lorsqu'on veut lais- ser à nu une partie intérieure de la surface du bottier, s permettant la soudure. Néanmoins, on trouvera dans le tableau II ci-après les quantités approximatives nécessaires pour isoler complètement le fond du boîtier comme illustré sur la figure 2. Dans la colonne de gauche du tableau II, on trouvera la désignation de dimension de cellule selon une nomenclature courante (General Electric Company). La ma- tière KE-1123 est stable en présence de l'hydroxyde de po- tassium couramment utilisé comme électrolyte dans les cel- lules rechargeables énumérées ci-après. TABLEAU II Dimension Diamètre intérieur Surface du fond Quantité de de du du matière cellule boîtier, cm bottier (cm2) nécessaire, g 9V 1,186 1,10 0,06 AAsd 1,306 1,35 0,07 AA 1,334 1,42 0,08 A 1,511 1,81 0,10 Af 1,570 1,94 0,11 Cs 2,111 3,48 0,19 C 2,443 4,71 0,26 D 3,114 7,61 0,42 On peut constater qu'il suffit d'une très petite quan- tité de matière isolante liquide pour réaliser l'isolation électrique du bottier et des électrodes. En outre, il n'y a pas de perte de matière, contrairement à la solution qui consiste à découper des disques isolants dans une feuille brute de matière plastique, et l'application de la matière est moins coûteuse. Pour être efficace, il n'est pas néces- saire que la matière durcisse sous forme d'une couche rigide elle est efficace même lorsqu'elle reste élastique. R E V E N D I C A T I O N S 1. Cellule électrochimique comportant un boîtier con- ducteur et un assemblage de plaques d'électrodes disposé à l'intérieur de ce dernier, l'assemblage de plaques (12) com- portant des parties apparentes au voisinage d'une surface intérieure du boîtier (10), cellule caractérisée en ce qu'elle contient un dispositif isolant (25) consistant en un isolant non conducteur auto-adhésif coulé sur la surface in- térieure et disposé entre cette surface intérieure et les parties apparentes de l'assemblage de plaques d'électrodes, de manière à empêcher un contact électrique accidentel entre des parties de l'assemblage de plaques et la surface inté- rieure. 2. Cellule électrochimique selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'isolant coulé (25) épouse la géomé- trie de la surface intérieure à tous les points de contact avec cette dernière. 3. Cellule électrochimique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le boîtier (10) présente la forme d'un cylindre dont une extrémité est fermée et l'assem- blage de plaques d'électrodes consiste en plaques d'électro- des (27, 28) alternantes enroulées en spirale et dont les bords sont apparents, l'isolant coulé (25) étant disposé en position intermédiaire entre l'extrémité fermée du boîtier et les bords apparents des électrodes. 4. Cellule électrochimique selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'isolant coulé (25) présente la forme d'un anneau épousant la périphérie de l'intérieur du boîtier et laissant à nu une partie (30) de l'extrémité du boîtier au centre de la coulée, ce qui permet l'établissement d'une liaison électrique entre l'une des électrodes et le boîtier. 5. Procédé de préparation d'une cellule électrochi- mique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que l'on introduit dans le boîtier une matière fluide durcissable possédant des propriétés isolantes de l'électricité, on place ce boîtier de manière à permettre à la matière de revêtir la surface intérieure du boîtier, on laisse la matière durcir et on insère l'assemblage d'élec- trodes dans le boîtier, la matière coulée permettant d'iso- ler efficacement la surface intérieure d'avec les parties apparentes de l'assemblage d'électrodes. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, pour activer le durcissement de la matière isolante, on chauffe le boîtier. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caracté- risé en ce que, pour faciliter la répartition et le durcis- sement de la matière isolante sur la surface intérieure du boîtier à revêtir, on-soumet le bottier à des vibrations. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications à 7, caractérisé en ce que la matière isolante est intro- duite dans le boîtier alors que ce dernier se trouve sur une chaîne de production. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications à 8, caractérisé en ce que le boîtier présente la forme d'un cylindre ouvert à une extrémité et orienté verticale- ment, de sorte que la matière isolante revêt la surface in- térieure du fond du boîtier.