Brevet FR2504735A1 — publié le 19821029

La présente invention concerne un dispositif de contact pour un élé- ment de pile galvanique comprenant une couche formant masse positive, une couche formant électrode négative, une couche de séparation qui sépare la masse positive et l'électro- de négative l'une de l'autre, un collecteur de courant positif relié à la masse positive, un boîtier en un matériau isolant renfermant hermétiquement les élé- ments actifs de la pile, des éléments de contact destinés à entrer en contact, à travers le boîtier, avec le collecteur de courant positif et avec l'électrode négatif respectivement, et au moins une couche isolante supplémentaire en un matériau résistant et adhésif qui est entouré par le boîtier afin d'assurer la nature hermétique du boîtier malgré que ce dernier soit traversé par un élément de contact. Les piles galvaniques qui contiennent un électrolyte corrodant doi- vent être fermées de manière étanche pour éviter la fuite de l'électrolyte dans toutes les conditions de fonctionnement, afin d'éviter la détérioration de l'appareil utilisant là pile comme source d'énergie La cause la plus fréquen- te de fuite électrolyte dans les piles galvaniques se trouve dans une étanchéi- té insuffisante au point o la borne du collecteur de courant négatif traverse la couche de matériau isolant servant de boîtier de la pile. Le brevet finlandais n' 49 090 (brevet américain N O 4 060 670) décrit un ensemble de contact qui empêche toute fuite d'électrolyte, cet ensemble se basant sur la notion qulune plaque métallique rigide est une partie essentielle à la fois du collecteur de courant négatif et du collecteur de courant positif, plaque métallique qui est disposée à l'intérieur du bottier de la pile et qui est revêtue, au point o un élément de contact traverse le boîtier de la pile, d'un matériau isolant résistant adhérant fortement sur la face intérieure du boîtier Le contact électriquement conducteur avec ces plaques métalliques connectées aux électrodes est assuré par des ressorts, disposés à l'extérieur de la pile et traversant le boîtier de la pile ainsi que la couche de matériau d'étanchéité, qui appuient fortement sur les plaques métalliques Cet ensemble de contact s'avère utilisable et fiable, mais il est difficile d'automatiser la fabrication de piles basées sur cette notion En outre, on a constaté, notam- ment dans le cas de petites piles, que ce système de contact occupe une propor- tion trop importante du volume de la pile. Le but de la présente invention est d'éliminer les inconvénients pré- cités et de réaliser un nouveau dispositif de contact pratique pour piles gal- vaniques. L'invention se base sur la notion qu'il suffit de disposer, du côté négatif de la pile, une couche de matériau isolant adhésif à l'extérieur du boîtier de la pile, et de prendre le courant de l'électrode négatif à l'aide d'au moins un élément de contact en forme de broche qui traverse cette couche de matériau isolant et le couvercle de la pile pour pénétrer dans l'électrode négative Ainsi, la plaque métallique servant de borne collectrice de courant est fixée sur l'élément de contact sensiblement perpendiculairement et appuie fortement sur la couche de matériau isolant sur la face extérieure de la pile pour que le point de fixation entre l'élément de contact et la plaque métalli- que servant de borne collectrice de courant soit entièrement entouré de maté- riau isolant Plus précisément, le dispositif de contact conforme à la présente in- vention se caractérise en ce que la couche isolante supplémentaire est disposée, du côté négatif de la pile, sur la face extérieure du boîtier pour que l'élé- ment de contact, lorsqu'il traverse le boîtier, traverse d'abord cette couche isolante supplémentaire. La présente invention permet d'obtenir de nombreux avantages Par exemple, les bornes collectrices de courant de piles individuelles et le monta- ge en série de plusieurs piles peuvent être réalisés grâce à une construction simplifiée, construction qui permet une fabrication automatisée des piles Le dispositif de contact conforme à l'invention se prête aussi bien aux piles pla- tes alcalines et aux piles cylindriques de divers types, tels que piles al- calines au dioxyde de manganèse ainsi qu'aux piles acides au plomb. Plusieurs formes d'exécution de la présente invention seront décrites ciaprès à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue latérale en coupe d'une pile plate pouvant être équipée de l'ensemble de contact conforme à l'invention; la figure 2 est une vue en plan de la pile représentée sur la figu- re i; les figures 3 et 4 représentent les piles des figures 1 et 3 compor- tant une couche isolante et un dispositif de contact conforme à l'invention; la figure 5 est une vue latérale en coupe d'un montage de trois piles; les figures 6 et 7 sont des vues latérales en coupe d'une variante de réalisation du dispositif conforme à l'invention; la figure 8 est une vue latérale en coupe d'une autre variante de réalisation du dispositif conforme à l'invention; les figures 9, 10 et 11 représentent des détails de construction relatifs à la figure 8; les figures 12 et 13 sont respectivement des vues en coupe et en plan d'une variante de réalisation de la pile; la figure 14 est une vue latérale en coupe d'un montage de trois piles conformes à la figure 12; la figure 15 représente des éléments de contact utilisables dans une pile conforme à la figure 14; la figure 16 représente des éléments de contact utilisables dans le dispositif de contact conforme à l'invention; la figure 17 est une vue en coupe et une vue éclatée d'une pile cylindrique pouvant 9 tre équipée du dispositif de contact conforme à l'invention; et la figure 18 est une vue en coupe d'une variante de réalisation d'une pile cylindrique. La pile représentée sur les figures 1 et 2 comprend un boîtier consti- tué de feuilles de matière plastique 1 et 2 Ces feuilles sont constituées d'un stratifié de polyéthylène et de polyamide, le polyéthylène étant disposé inté- rieurement La couche de séparation 5 est pénétrable aux ions, étant par exem- ple en un feutre non tissé de polyamide Cette couche de séparation sépare la partie positive et la partie négative de la pile l'une de l'autre La bordure de la couche de séparation 5 est en polyéthylène thermo-soudable, ce qui permet de souder sous vide les parties 1 et 2 du boîtier et la bordure 3 de la couche de séparation 5, les couches de polyéthylène étant en contact les unes avec les autres. La pastille 6 formant masse positive contient, par exemple, du Mn O 2 comme dépolarisant ainsi que du graphite comme substance conducteur d'électrons. En outre, elle contient comme électrolyte de la solution KOH dans des propor- tions d'usage et éventuellement un liant pour maintenir la pastille compacte. Une plaque métallique 7, par exemple en fer, sert de collecteur de courant posi- tif Sa face en regard de la pastille 6 est revêtue d'une couche de peinture protectrice 8 qui contient du carbone La face extérieure de la plaque métal- lique 7 est revêtue d'une couche de substance isolante 9, qui peut être une substance fondant à chaud ou du bitumen, à laquelle on ajoute des additifs analogues à du caoutchouc La couche de substance isolante 9 est une substance adhésive résistante non coulante qui est inerte vis-à-vis de l'électrolyte On prévoit une zone vide 10, par exemple rectangulaire, au milieu de la couche de matériau isolant 9. L'électrode négative 11 est constituée d'une masse de zinc qui con- tient un amalgame de zinc finement divisé ainsi que la quantité de solution KOH nécessaire à la réaction de la pile et, pour lier ces derniers à la manière d'un colloide, du carboxyméthylcellulose. La fabrication automatique de piles de ce type peut être réalisée par la mise en oeuvre du procédé de conditionnement sous vide pratiqué dans les industries alimentaires Du fait que l'élément de pile est fermé de tous les côtés par une feuille de matière plastique, il n'est pas encore une pile parce qu'il ne comporte pas les éléments de contact formant les bornes de prises de courant Pour obtenir une pile opérationnelle à partir de l'élément de pile représenté sur les figures 1 et 2, celui-ci doit être équipé d'éléments de contact. Les figures 3 et 4 montrent comment réaliser la prise de contact sur le collecteur de courant positif 7 en éliminant la partie 10 du couvercle 1 qui n'est pas en contact avec le matériau isolant 9 Sur la face métallique décou- verte de cette façon, on fixe, par exemple, un élément de contact 12 en U com- prenant deux branches Cet élément peut être, par exemple, en cuivre, laiton ou en fer recouvert de zinc Il peut être fixé par soudage par point ou à l'aide d'une soudure tendre sur la plaque collectrice de courant 7 Avant d'assembler la pile, on dispose, du côté négatif de la pile, une couche isolante 13 en un matériau adhésif résistant qui assure l'étanché té de la pile pendant et après l'étape finale d'assemblage Cette couche peut être constituée de la même substance que la couche 9 précitée. La figure 5 représente une pile réalisée à partir de trois piles élé- mentaires du type décrit ci-dessus, les deux piles inférieures étant réalisées conformément aux figures 3 et 4, mais la pièce de contact 14 de la pile supé- rieure est constituée de préférence d'une feuille d'acier mince qui est fixée par soudage par point sur la plaque collectrice de courant positif 7 Un côté 04735 de cet élément de contact 14 est en contact avec la borne collectrice de cou- rant positif 15 de la pile. L'élément de contact négatif 16 est fixé, quant à lui, par soudage par point, sur la borne collectrice du courant négatif 17 Les piles sont main- tenues ensemble à l'aide d'ne bande en caoutchouc 18. Comme il ressort de ce qui précède, les broches de contact qui pénè- trent dans l'électrode négative 11 sont entourées d'une couche isolante 13 dis- posée sur la face extérieure de la pile pour éviter toute fuite En même temps les piles élémentaires, maintenues ensemble, sont collées ensemble grâce à la couche isolante 13 disposée sur le c 8 té négatif de chaque pile élémentaire de façon à obtenir un bloc solide L'encombrement de ce dispositif de contact, par rapport au volume total de la pile est négligeable En outre, le contact électrique entre les cellules est excellent et ce contact reste bon même en présence de vibrations mécaniques. La figure 6 et la figure 7 se rapportant à la figure 6 représentent une variante de réalisation du dispositif de contact décrit ci-dessus, cette variante se prêtant particulièrement bien à des piles minces ainsi qu'à des piles destinées à supporter des décharges élevées Selon ce mode de réalisation, les élémeats de contact 12 et 16 sont constitués d'un fil de cuivre, et les éléments de contact peuvent comporter par exemple une seule broche Lors de l'assemblage de la pile, cette broche traverse une feuille mince de cuivre 19 disposée sous la masse de l'électrode négative 11, comme on le voit clairement sur la figure 7 Ainsi, on assure un très bon contact électrique avec la feuille de cuivre 19 servant de collecteur de courant négatif Dans ces conditions, la densité de courant entre le collecteur de courant négatif et le collecteur de courant positif de la pile peut être rendue homogène, et la pile peut débiter des courants relativement élevés Il est évident que, si on empile un certain nombre de piles élémentaires les unes sur les autres, on peut obtenir une batte- rie de piles présentant la tension désirée. Du fait que la broche est perpendiculaire à la face de la pile suivan- te lors de l'assemblage de la batterie, elle traverse d'abord la couche 13 de matériau isolant et ensuite le couvercle 2, si bien que le vide régnant dans la. pile est maintenu Lorsque les piles sont serrées les unes contre les autres,, cette couche isolante 13 maintient la batterie hermétiquement étanche. Les figures 8 à 11 représentent une autre variante de réalisatioe de la solution représentée sur les figures 6 à 7, cette variante étant appliquée 2504735 D à une solution conforme à la demande de brevet finlandaise no 810552 Dans ce cas, le collecteur de courant négatif 19 comprend un réseau de fils de cuivre et de fils de fibres de matière plastique 21 Ainsi, un tissu de matière plastique 21 est relié au collecteur de courant en fils de cuivre 19, ce tissu 21 servant de réservoir supplémentaire d'électrolyte L'élément de contact 12 peut, dans ce cas, avoir une forme triangulaire, comme le montre la figure 9, pour qu'il se forme un contact électrique avec les fils de cuivre 20 lorsqu'ils traversent le réseau collecteur de courant 19, comme le montre la figure 10. Du fait de sa forme, la pointe triangulaire, lorsqu'elle pénètre dans le réseau 19, écarte les fils de cuivre 20 pour assurer un bon contact avec eux Dans ces conditions, comme le montre la figure 11, la base b du triangle doit être au moins égale à la distance a entre les fils de cuivre 20 formant le tissu. Les figures 12 et 13 représentent une réalisation de la pile représen- tée sur les figures 1 et 2, à la différence que la couche de matériau isolant 9 prévue sur la face extérieure du collecteur de courant positif 7 est uniforme (c'est-à-dire qu'elle ne présente pas d'ouverture) Dans ce cas, lors du mon- tage d'un dispositif conforme à l'invention, il faut prévoir des éléments de contact séparés. Les figures 14 et 15 montrent une solution de ce type, dans laquelle il faut prévoir trois sortes de dispositifs de contact 22, 23, 24, qui sont représentés sur la figure 15 En ce qui concerne l'élément de contact positif 22, il faut prévoir des pointes 22 ' pliées dans un seul sens, c'est-à-dire vers le bas Quant aux éléments de contact 23 disposés entre les piles élémentaires, il faut prévoir des pointes 23 ' et 23 " dirigées dans deux sens afin d'assurer la connexion en série Pour l'élément de contact 24 de la borne négative 17, une seule pointe 24 " suffit qui pénètre dans l'électrode négative 11. Pour plus de clarté, les éléments de contact ont été représentés de manière caricaturale sur la figure 15 On fait remarquer ici que du fait que la couche de matériau isolant 9 et le couvercle 1 en liaison avec le collecteur de courant positif 7 sont minces, les pointes 21 ' et 23 ' sont en réalité très courtes par rapport aux pointes 23 " et 24 " qui pénètrent dans l'électrode né- gative. Les figures 16 a à d représentent des modes de réalisation d'éléments de contact destinés à être fixés sur le collecteur de courant positif, par exemple par soudage par point dans les figures 1 à 11. Par contre, les figures 16 e à h montrent des exemples d'éléments de contact comportant des pointes 23 ' et 23 " dirigées dans deux sens. Sur la figure 17, on voit comment le dispositif conforme à l'inven- tion peut être appliqué à des piles cylindriques Dans ce cas, la pile comprend un boîtier cylindrique en matière plastique constitué d'une enveloppe relati- vement épaisse 101 et un fond relativement mince 102 L'enveloppe 101 se pro- longe, à la manière d'un collier 101 ', au-delà du fond 102 A l'intérieur du bottier 101, 102 est disposé un collecteur de courant positif cylindrique 107 dont la face intérieure est revêtue d'une couche de peinture protectrice 108. Une pièce torique 106 obtenue par moulage de la masse dépolarisante est dispo- sée en contact direct avec la couche de peinture protectrice 108. Une masse 111, formant électrode négative, entourée de tous côtés par une couche de séparation 105 de la manière d'un sac, a la forme d'une cartouche remplissant l'espace cylindrique à l'intérieur de la pièce de dépolarisation 106 La borne collectrice de courant positif 115 ferme le boîtier cylindrique 101 de manière étanche tout en étant serré par ses bords contre le bord supé- rieur du cylindre collecteur de courant positif 107 Le boîtier en matière plastique 101 est ensuite réalisé par formage à chaud pour venir recouvrir les bords de la borne 115, permettant ainsi de rendre la pile étanche. La borne collectrice de courant négatif est constituée de préférence d'une plaque de fer recouverte de nickel 117, sur laquelle est fixée, par exem- ple par soudage, une pièce de contact 116 en forme de broche La face inférieu- re de la partie inférieure 102 du boîtier est revêtue d'une couche 113 d'un ma- tériau isolant adhésif visqueux, l'élément de contact en forme de broche 116 traversant axialement ensuite la couche de matériau isolant 113, la partie in- férieure 102 du boîtier en matière plastique et la couche de séparation 105 pour venir pénétrer dans la masse 11 formant électrode négative La pièce 117 en forme de disque vient serrer la couche 113 de matériau isolant et la partie en forme de collier 101 ' est rabattue à chaud vers l'intérieur pour recouvrir le bord de l'enveloppe 117, pour obtenir une pile finie. Afin d'éviter tout court-circuit, l'intérieur de la partie saillante ' de la borne collectrice de courant positif 115 peut être rempli d'un maté- riau isolant 125, par exemple du bitumen. La pile peut en outre être fermée de manière classique dans une enve- loppe d'acier. La figure 18 représente une variante de réalisation de la pile repré- sentée sur-la figure 17, variante selon laquelle la borne collectrice de cou- rant positif 115, 107 sert non seulement de collecteur de courant positif mais s'étend jusqu'au fond 102 du boîtier en matière pastique 101 Ce fond comporte une rainure annulaire 126 destinée à recevoir le bord inférieur du collecteur de courant cylindrique 107 Le centre du fond 102 présente une zone plus mince 127 pour faciliter la traversée de l'élément de contact en forme de broche 116. Autrement, ce mode de réalisation est identique à celui de la figure 17. On fait remarquer que la notion de base de l'invention s'applique éga- lement au côté positif d'une pile. 250 735 REVENDICATIONS 1 Dispositif de contact pour une pile d'une batterie galvanique comprenant une couche formant masse positive ( 6, 106), une couche formant électrode négative ( 11, 111), une couche de séparation ( 5, 105), qui sépare la couche formant masse positive ( 6, 106) et la couche formant électrode négative ( 11, 111), l'une par rapport à l'autre, un collecteur de courant positif ( 7, 107), qui est relié à la couche formant masse positive ( 6, 106), un boîtier ( 1, 2, 101, 102), en un matériau isolant qui renferme hermétiquement les éléments actifs de la pile, des éléments de contact ( 12, 14, 16, 22, 23, 24, 116) destinés à assurer le contact à travers le boîtier ( 1, 2, 101, 102) avec le collecteur de courant positif ( 7, 107) et la couche formant électrode négative ( 11, 111), respectivement, et au moins une couche isolante supplémentaire ( 9, 13, 113), en un ma- tériau adhésif et résistant qui est entouré par le boîtier ( 1, 2, 101, 102), afin de maintenir la nature hermétique du boîtier malgré que celui-ci soit tra- versé par un élément de contact ( 12, 14, 16, 22, 23, 24, 116), caractérisé en ce que la couche isolante supplémentaire ( 13, 113) est disposée, au moins du côté négatif de la pile, sur la face extérieure du boî- tier ( 1, 2, 101, 102),pour que l'élément de contact ( 16, 23, 24, 116), lors- qu'il traverse le bottier ( 1, 2, 102), pénètre d'abord dans la couche isolante supplémentaire ( 13, 113). 2 Dispositif de contact selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de contact ( 22, 23, 24, 116) sont des éléments séparés (figu- res 15 et 16 e, a, h). 3 Dispositif de contact selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de contact ( 12, 14, 16) sont fixés en permanence sur le collec- teur de courant positif ( 7) de la pile ou sur la borne négative ( 17, 117) de la batterie (figures 3 à 11 et 16 a à c). 4 Dispositif de contact selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments de contact ( 22, 23, 24, 116) sont constitués d'une partie en forme de plaque ( 22, 23, 24, 117) servant de borne collectrice de courant et une structure en forme de broche ( 22 ', 23 ', 22 ", 24 ") faisant saillie du plag 4735 de cette plaque au moins sensiblement perpendiculairement (figures 15 et 16 e à h). Dispositif de contact selon la revendication 4, caractérisé en ce que, lorsque l'élément de contact est en position, sa partie en forme de plaque ( 22, 23, 24) est entièrement entourée de la couche isolante supplémentaire ( 13). 6 Dispositif de contact selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une feuille métallique ( 19) est disposée en- tre l'électrode négative ( 11) et le boîtier ( 2), cette feuille métallique étant destinée à être transpercée par l'élément de contact ( 16) afin d'assurer un bon contact électrique (figures 6 et 7). 7 Dispositif de contact selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un réseau ( 19) disposé entre l'électrode négative ( 11) et le boîtier ( 2), ce réseau comprenant des fils métalliques ( 20) et des fils de fibres en matière plastique ( 21), et un élément de contact ( 12, 16) qui diverge de préférence de manière continue à partir de sa pointe ayant, par exemple, une forme triangulaire (figures 8 à 11). 8 Dispositif de contact selon la revendication 1, pour pile cylindri- que, caractérisé en ce que la couche isolante supplémentaire ( 113) est disposée sur la face extérieure de la partie extrême relativement mince ( 102) du boîtier ( 101, 102) et en ce que l'élément de contact ( 116, 117) est constitué d'une combinaison d'une plaque ( 117) servant de borne et d'une broche ( 116) faisant saillie perpendiculairement sur la plaque, la broche ( 116) étant disposée de façon à traverser de préférence coaxialement la couche isolante supplémentaire ( 113), la partie extrême ( 102) du boîtier ( 101, 102), et la couche de séparation en forme de sac ( 105) pour pénétrer dans la masse formant électrode négative ( 111) (figure 17).