Brevet FR2532787A1 — publié le 19840309

La présente invention est relative à des per- fectionnements aux piles électrochimiques et se rapporte en particulier à des contacts de raccordement entre des électrodes et des bornes pour celles-ci, notamment pour les électrodes à enroulement héli- coïdal prévuesdans des boîtiers de piles non aqueu- ses,du type des dispositifs à aérosol. Le contact de raccordement entre une élec- trode et la partie du bottier de pile qui doit agir 1 o comme borne pour cette électrode, en particulier dans les piles non aqueuses, a été réalisé, d'une manière générale, suivant plusieurs méthodes bien connues, dont la plus courante consiste à souder l'électrode directement sur la borne ou en utilisant une patte ou fil intermédiaire conducteur de l'élec- tricité Une autre méthode courante consiste à assu- rer un contact direct par compression entre la ma- tière de l'électrode et une partie du bottier de pile métallique;-dans le cas de certaines électrodes , rmétalliques, par exemple des électrodes en lithium, les forces utilisées pour assurer un tel contact par compression créent en réalité une soudure à froid. Dans des piles du type à enroulement hélicordal, un tel contact par compression est difficile à réa- liser de manière sare et, en conséquence, pour la fiabilité on a utilisé des connexions par soudure dans ces piles Toutefois, le soudage pour des connexions de bornesexige des phases supplémentaires de fabrication, ce qui augmente évidemment le coat. De plus, les endroits soudés sont particulièrement sujets à une corrosion préjudiciable. Un but de la présente invention est en conséquence de prévoir un procédé pour réaliser une connexion économique et s Cre entre électrode et borne, dans une pile scellée ou obturée par compression l'invention englobant la pile réalisée de la sorte. Un autre but de la présente invention est de prévoir un procédé de ce genre pour la construc- tion de piles électrochimiques non aqueuses d'une struc- ture du type pour aérosol et comportant une structure d'électrode à enroulement hélicoïdal, Ces buts et d'autres encore de l'invention, ainsi que les caractéristiques et les avantages de celle-ci, apparaîtront plus clairement de la descrip- tion suivante donnée avec référence aux dessins non limitatifs annexés. La Figure 1 illustre une méthode préférée de découpage ou fendage d'électrodes suivant une forme convenant pour l'utilisation dans le cadre de la présente invention. La Figure 2 est une vue en perspective prise durant l'enroulement des électrodes de pilenotamment des électrodes découpées suivant la Figure 1, pour former une structure à enroulement hélicoïdal. La Figure 3 est une vue en élévation par- tiellement en coupe d'un bottier de pile dans lequel la structure à enroulement hélicoïdal a été mise en place, et ce avant l'obturation ou scellage de la pile. La Figure 4 est une vue en coupe agrandie de la rallonge d'électrode emprisonnée par l'enrou- lement de l'extrémité du bottier de pile. La Figure 5 est une vue partielle en éléva- tion et en coupe de la pile fermée. D'une manière générale, la présente invention concerne un procédé pour réaliser par voie mécanique une connexion électrique sûre entre une électrode et une borne dans une pile électrochimique, sans qu'il soit nécessaire de prévoir un soudage, l'invention englobant également les piles comportant um telle connexion électrique L'électrode, en particulier l'anode, qui présente-habituellement une plus grande difficulté dans la réalisation des connexions par soudage, est d'abord calibrée et découpée ou réalisée d'une autre manière pour être plus grande au départ afin qu'une partie de cette électrode s'étende au- delà de la structure générale d'électrode que l'on enroule de manière hélicoïdale L'électrode est métallique ou contient un support métallique qui est conducteur de l'électricité et la partie susdite formant extension ou rallonge, est également métal- lique ou contient un métal afin de réaliser la con- nexion de borne requise, suivant la présente inven- tion La rallonge de l'électrode est disposée de telle sorte que, lorsque la structure d'électrode est placée à l'intérieur du bottier de pile, géné- ralement cylindrique, avant le scellage ou l'obtu- ration de ce bottier, cette rallonge se trouve au voisinage de l'extrémité ouverte du bottier de pile ou de la zone d'obturation La rallonge est en outre disposée de telle sorte que, lors de l'enroulement vers l'intérieur (comme dans le cas des joints du type pour aérosol) de l'extrémité du bottier de pile, elle est capturée ou emprisonnée et maintenue à compression entre cette extrémité enroulée et la paroi du bottier, pour créer une connexion électrique positive entre l'électrode et le bottier Lorsque le bottier est scellé par la mise en place et le sertissage d'un couvercle sur l'extrémité enroulée, la connexion électrique est encore renforcée du point de vue mécanique Suivant une variante de réalisation, que l'on préfère moins, la rallonge d'électrode est emprisonnée entre l'extrémité enroulée susdite et le couvercle de pile Des précautions doivent toute- fois être prises pour que la rallonge d'électrode (par exemple dans le cas d'une rallonge comportant un support en métal déployé) ne perfore pas l'isole- ment prévu entre l'extrémité enroulée susdite-et le couvercle, et pour que la rallonge d'électrode n'affecte pas de façon importante l'intégrité du joint existant entre cette extrémité enroulée et le couvercle Comme la présente invention exige que l'extrémité du bottier soit enroulée vers l'intérieur pour réaliser la connexion de borne requise, elle est d'une applicabilité particulière dans les bottiers de pile d'une configuration du type pour aérosol, 2532787, telle qu'illustrée par les brevets des Etats-Unis d'Amérique N O 4 136 438 et 4 052 537, qui prévoient des constructions particulières avec de telles ex- trémités enroulées vers l'intérieur Bien que l'on préfère que la rallonge soit formée d'une pièce avec l'électrode pour des raisons de simplicité une telle rallonge pourrait également 9 tre constituée par un élément distinct au départ et attaché par la suite à l'électrode. Si on examine les dessins de manière plus appronfondie, la Figure 1 montre un rouleau princi- pal de cathode 1, qui est fendu pour former des rubans de cathode 2 utilisables dans un type de pile à enroulement hélicotdal Chacun des rubans de cathode 2 comporte une extension ou rallonge 3 formée d'une pièce avec lui et prévue dans une position prédéterminée au voisinage de l'extrémité externe du ruban de cathode 2 (lorsque celui-ci est enroulé). En fendant le rouleau principal de cathode 1 de cette manière, on obtient une rallonge 3 formée d'une pièce avec le ruban, sans qu'il faille prévoir des phases opératoires supplémentaires, et on réduit en outre le gaspillage. Chaque ruban de cathode 2 est constitué d'une poudre comprimée (par exemple une poudre de Mn O 2 pour une cathode active ou une- poudre de carbone ou de graphite pour une cathode inactive, suivant le système particulier-de pile), cette poudre se trouvant sur un support métallique, par exemple en métal déployé La poudre peut rester sur la rallonge 3 ou bien-elle peut en être enlevée pour laisser à nu le support métallique déployé, qui assure la connexion conductrice de l'électricité requise. La longueur de la rallonge 3 peut être la même que celle de la cathode mais elle est de préfé- rence prédéterminée comme étant inférieure à la cir- conférence de l'extrémité du bottier de pile, avant l'obturation, afin d'éviter un recouvrement de la rallonge 3 sur elle-même, ce qui pourrait affecter le contact mécanique Comme la rallonge 3, lorsqu' elle présente-l'allure de fendage illustrée-, provoque une perte de la capacité de cathode, il est en outre préférable de réduire la longueur au minimum, une longueur d'environ un tiers de la circonférence apportant un bon contact mécanique avec un minimum de perte de capacité La hauteur de la rallonge 3 est également prédéterminée par rapport à l'extrémité du bottier de pile, de manière que cette rallonge se situe au voisinage et de préférence légèrement en dessous de cette extrémité, lorsque l'électrode est mise en place dans le boîtier de pile avant l'obturation. Après le fendage, lesrubans de cathode 2 sont enroulés bélicoldalement en une structure d'élec- trode 10 du type "gateau enroulé", telle qu'il- lustrée par la Figure 2, les couches de la matière du séparateur 4 et de la matière d'anode 5, çar exemple en liihium, s'étendant avec la rallonge 3 en dehors de la structure de "gâteau enroulé" susdite. La structure d'électrode 10 à enroulement hélicoïdal est ensuite mise en place à l'intérieur d'un bottier de pile métallique 6 qui est ensuite soumis à un étranglement pour former un col, comme illustré par la Figure 3, la rallonge de cathode 3 étant adjacente de la partie terminale 7 du bottier de pile 6 mais légèrement en dessous du bord de cette partie terminale Une telle opération d'étran- glement est toutefois totalement facultative et dépend de l'allure-désirée pour le bottier de pile. La rallonge 3 est de préférence située dans la cathode en un endroit prédéterminé de manière telle que après l'opération d'étranglement du bottier 6, cette rallonge se situe, en direction verticale, au voi- sinage de la partie terminale 7 Sans étranglement du bottier de pile, cette rallonge 3 se sitoe géné- ralement à l'extrémité extérieure du ruban de cathode 2, La partie terminale 7 est ensuite enroulée vers l'in- térieur, opération qui fait partie du procédé d'obtu- ration ou de scellage-de la pile a et cette partie 7 capture ainsi de manière fixe, par compression la rallonge de cathode 3 entre l'extrémité enroulée 7 et la paroi de bottier 8, comme illustré de manière détaillée par la Figure 4 Il est préférable que la rallonge 3 se situe en dessous du bord de la partie terminale 7 et au voisinage de ce bord afin de fa- ciliter cette "capture" de la rallonge 3 par la partie terminale 7 lorsque celle-ci est enroulée sur elle- même durant le procédé d'obturation de la pile. Comme les cathodes à enroulement hélicoïdal sont généralement construites avec des supports métal- liques (généralement en nickel, aluminium ou acier inoxydable déployé dans les piles non aqueuses), le bord de la partie terminale 7 mord de préférence dans 8- la matière de cathode 9, qui est formée de carbone, de dioxyde de manganèse ou d'une autre matière pul- vérulente, et crée un contact mécanique et électri- que positif avec le support métallique il, si la matière de cathode n'a pas déjà été enlevée de la rallonge 3 Bien que l'on ait représenté le bord de la partie terminale 7 comme assurant un tel con- tact électrique, un enroulement étroit peut atre -également efficace à la fois pour maintenir la ral- longe de cathode et réaliser le contact électrique, en particulier lorsque la matière de cathode 9 a été préalablement enlevée de la rallonge 3. Le bottier de pile 6 est scellé par compres- sion avec son couvercle 12, de la façon illustrée par la Figure 5, grâce à un sertissage 13 par man- drin d'expansion, du type pour dispositif à aérosol, ce sertissage comprimant l'extrémité enroulée 7 dans laquelle la rallonge de cathode 3 est captive, pour renforcer encore le contact de raccordement mécani- que et électrique entre la cathode et le bottier de pile 6 qui agit de la sorte comme borne de cathode de cette pile Le couvercle de bottier 12 est isolé, du point de vue électrique, par rapport au bottier 6 grâce à une garniture d'étanchéité 14 qui est faite par exemple en polytétrafluoréthylène ou en un autre polymère polyhalogéné inerte, en polyoléfine, comme le polypropylène et le polyéthylène, en Nylon, en polyuréthanne, en néoprène, etc, la matière par- ticulière pour cette garniture d'étanchéité étant généralement déterminée par la compatibilité avec les pièces constitutives de la pile Cette garniture d'étanchéité 14 assure a double fonction de former un joint hermétique pour la pile et d'assurer l'isolement électrique de celle -ci. Un tel joint assure l'herméticité qui est particulièrement requise pour les piles non aqueuses qui, pour la plus grande part,comportaient jusqu'à présent des joints en verre sur métal ou céramique. Suivant une variante de réalisation de la présente invention, la rallonge de cathode 3 peut etre em- prisonrée en tant que partie du joint lui-même si elle est disposée entre la garniture d'étanchéité 14 et l'extrémité enroulée 7 durant le procédé de scellage Toutefois, comme la matière de cathode elle-même ne forme pas un bon support d'étanchéité, il doit exister une surface mutuelle suffisamment importante entre la garniture d'étanchéité et l'ex- trémité enroulée pour assurer-l'étanchéité requise de la pile. Bien que la configuration des électrodes de la forme tout particulièrement préférée de réalisation de la présente invention soit la con- figuration à enroulement hélico Xdal t la présente invention est également applicable à toute configu- ration quelconque comprenant des électrodes du type en plaque ou en couche, et dans laquelle ces élec- trodes peuvent comporter des rallonges faites d'une pièce avec elles et convenant pour assurer la "capture" décrite précédemment en vue de la formation du con- tact électrique suivant la présente invention. De même, bien que la "capture" d'électrode suivant la présente invention soit d'une utilité particulièrement grande avec les cathodes, elle est également applicable aux anodes. La présente invention est applicable aux piles comportant tout système électrochimique quel- conque mais elle est particulièrement intéressante dans les piles électrochimiques non aqueuses, com- portant des composants sous pression ou non, par exemple dans les piles du type Li/SO 2, Li/SOC 12 et Li/Mn O 2, pour lesquelles une réduction du coat sans nuire à l'intégrité de la construction est d'une importance croissante pour amener ces piles à une applicabilité commerciale générale. Il doit être entendu que la forme de réa- lisation décrite et illustrée par les dessins est simplement une illustration et que l'on peut envi- sager des changements dans les parties constitutives des piles et dans leur configuration, sans sortir pour autant du cadre du présent brevet. 1 i REVENDICATIONS 1 Procédé pour réaliser un contact de rac- cordement électrique entre une électrode se trouvant dans une pile électrochimique et une borne externe de celle-ci, caractérisé en ce qu'il comprend: la prévision d'une rallonge conductrice de l'électri- cité sur cette électrode; la mise en place de cette électrode dans un boîtier de pile métallique présen- tant une extrémité ouverte, cette rallonge d'électrode étant placée au voisinage de cette extrémité; l'en- roulement de cette extrémité ouverte vers l'intérieur; et l'emprisonnement par compression de cette rallonge par cette extrémité enroulée, en réalisant ainsi un contact électrique entre l'électrdde et le bottier de pile. 2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode est la cathode de la pile électrochimique. 3 Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la ral- longe d'électrode est emprisonnée entre 11 extrémité enroulée susdite et la paroi du bottier. 4 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la rallon- ge d'électrode est emprisonnée entre l'extrémité enroulée susdite et un couvercle de pile scellé par compression sur cette extrémité enroulée. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élec- trode susdite est enroulée pour former une structure hélicoïdale. 6 Pile électrochimique, comprenant un bottier de pile métallique ( 6) dans lequel des élec- trodes sont disposées et qui est obturé par un joint réalisé par compression et constitué par une extrémi- té enroulée vers l'intérieur ( 7) du bottier et par un couvercle de pile ( 12) dont la périphérie enroulée vers l'extérieur est maintenue à compression sur cette extrémité enroulée vers l'intérieur ( 7) du bottier et en est séparée par une garniture d'isole- ment et d'étanchéité ( 14), caractérisée en ce que l'une de ces électrodes comporte une rallonge conduc- trice de l'électricité ( 3) qui est maintenue à com- pression entre l'extrémité enroulée vers l'intérieur ( 7) du bottier et le bottier ( 6) lui-même, de sorte que ce dernier devient la borne externe pour cette électrode. 7 Pile suivant la revendication 6, carac- térisée en ce que l'électrode susdite, comportant la rallonge, est la cathode de la pile. 8 Pile suivant l'une ou l'autre des reven- dications 6 et 7, caractérisée en ce que la garniture d'isolement et d'étanchéité est constituée d'une ma- tière choisie parmi les polymères polyhalogénés les polyoléfines, les Nylons, les polyuréthannes et le néoprène. 9 Pile suivant l'une quelconque des reven- dications 6 à 8, caractérisée en ce que la cathode est formée d'une poudre comprimée prévue sur un support métallique, la rallonge ( 3) susdite étant faite d'une pièce avec cette cat Iode. Pile suivant la revendication 9, carac- térisée en ce que la poudre susdite est une poudre de carbone, de graphite ou de Mn O 2.