Brevet FR2542925A1 — publié le 19840921

La présente invention est relative à un procédé pour former un séparateur pour une pile cylindrique (par exemple une pile à électrolyte organique, une pile alca- lines au zinc et autres) qui comprend des électrodes positi- ves et négatives cylindriques ou en forme de colonnes qui sont disposées concentriquement avec interposition d'un séparateur. Dans des batteries telles que décrites ci-dessus on utilise habituellement des séparateurs qui sont préala- blement moulés de façon à former un élément cylindrique ayant une extrémité fermée. Pour économiser la phase consistant à former préa- lablement le séparateur cylindrique comme ci-dessus, il a été récemment proposé un procédé de fabrication d'une pile qui consiste à enrouler u N séparateur plusieurs fois autour d'une électrode disposée au centre de la pile, et à souderine partie résiduelle de l'extrémité inférieure du séparateur ou à la souder après l'avoir tordue, fermant ainsi le séparateur (demande de brevet Japonaise publiée NO 41 690/1979). Dans ce procédé en ce qui concerne l'état du contact entre l'électrode et le séparateur, ce dernier est seulement enroulé autour de l'électrode et par conséquent il n'est pas suffisamment en contact avec l'électrode et il existe un intervalle entre celle-ci et le séparateur. En conséquence on rencontre des problèmes du fait que le volume occupé par le séparateur dans la pile est augmenté, le rendement du volume intérieur de la pile est abaissé, et du fait que la distance entre les électrodes est aug- mentée la résistance interne de la pile est augmentée et diminue son rendement. L'invention a été réalisée afin d'améliorer les difficultés décrites cidessus et elle fournit un procédé pour former un séparateur, caractérisé en ce qu'on dispose une électrode cylindrique ou en forme de colonne sur un moule en métal comportant une gorge circulaire avec inter- position d'un séparateur en forme de bande, à une ou plu- sieurs couches, qui est plus large que la longueur de l'élec- trode, on pousse l'électrode dans la gorge pour amener le séparateur en contact avec une partie de la périphérie de l'électrode, on applique les deux extrémités restantes du séparateur suivant la périphérie de l'électrode, et on sou- de l'une sur l'autre de façon continue ou discontinue une partie à recouvrement des deux extrémités du séparateur. Suivant l'invention, du fait que l'électrode et le sépara- teur sont maintenus dans un état de contact étroit, le vo- lume occupé par le séparateur est réduit et la distance entre les électrodes positive et négative est également réduite, améliorant ainsi les problèmes rencontrés dans les piles classiques La mise en oeuvre de ce procédé peut éga- lement être automatisée. De plus, les termes "séparateur en forme de ban- de à plusieurs couches" tels qu'utilisés ci-dessus doivent être entendus comme désignant un séparateur formé de deux ou trois feuilles L'invention comprend un procédé de fa- brication d'un tel séparateur suivant lequel on superpose les uns aux autres plusieurs séparateurs en forme de bande, et on soude les feuilles superposées à deux extrémités de leur axe médian ou de fagn continue ou discontinue l'une sur l'autre le long de cet axe Lorsqu'on utilise les feuil- les séparatrices obtenues par ce procédé, les feuilles res- pectives du séparateur ne sont pas déplacées et des plis indésirables ne sont pas provoqués lors de la mise en con- tact avec l'électrode. L'invention comprend également l'utilisation d'une électrode comportant une partie de jonction en creux. Lorsqu'on utilise une telle électrode, on forme un sépara- teur en disposant une partie à recouvrement des deux ex- trémités d'un séparateur en forme de bande sur une partie de jonction en creux de l'électrode, et on soude la partie à recouvrement du séparateur de façon continue ou discon- tinue Suivant ce procé*dé, l'obstruction à la réaction dans l'électrode, qui est provoquée au voisinage de la partie à recouvrement des deux extrémités du séparateur peut être considérablement réduite De plus du fait qu'une partie à recouvrement du séparateur est disposée sur la partie de jonction en creux de l'électrode, le séparateur peut être maintenu dans la configuration à peu près circulaire même si l'électrode comporte" une partie de jonction encreux, et par conséquent la distance entre l'électrode enroulée dans le séparateur et une autre électrode disposée de l'au- tre c 8 té du séparateur est ainsi rendue uniforme En con- séquence l'efficacité de la réaction de la pile peut être augmentée. Enfin l'invention comprend un procédé pour former un séparateur, suivant lequel on met en contact un sépara- teur sous forme de bande autour d'une électrode, on soude de façon continue ou discontinue une partie à recouvrement des deux extrémités du séparateur, on serre et on ferme une extrémité du séparateur qui dépasse d'une extrémité de l'électrode au moyen d'au moins deux outils et on soude la partie du séparateur destinée à être fermée Ce procédé peut assurer complètement la fermeture de l'extrémité du séparateur d'une façon automatique. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaitront au cours de la description qui va suivre faite en se référant au dessin annexé donné unique- ment à titre d'exemple et dans lequel: les Fig l à 4 sont des vues schématiques en'cou- pe montrant un mode de mise en oeuvre d'un procédé pour former un séparateur en utilisant un moule en métal, sui- vant l'invention; les Fig 5, 10 et 13 sont des vues en perspective d'électrodes négatives au lithium comportant un séparateur moulé d'une seule pièce suivant le procédé de l'invention; les Fig 6 et 11 sont des vues schématiques en section verticale d'une pile à électrolyte organique utili- sant un séparateur moulé suivant le procédé de l'invention; la Fig 12 est une vue en perspective d'une élec- trode cylindrique comportant une partie de jonction en creux utilisée suivant l'invention; les Fig 7 à 9 sont des vues en perspective et schématiques en coupe montrant un mode de mise en oeuvre d'un procédé pour mouler deux feuilles séparatrices superposées, suivant l'invention,et les Fig 14 à 19 sont des vues en perspective mon- trant deux autres modes de mise en oeuvre d'un procédé pour fermer une partie d'extrémité d'un séparateur en uti- lisant au moins une paire d'outils de travail. On décrira maintenant le procédé de formation d'un séparateur pour pile dans son application à la fa- brication d'une pile à électrolyte organique. Dans cette pile on moule une matière positive contenant du bioxyde de manganèse} utilisée comme matiè- re positive active (par exemple bioxyde de manganèse/gra- phite en tant que matière conductrice/polytétrafluoroéthy- lène en tant que liant, 85:10:5 parties en poids) pour réaliser une électrode cylindrique positive, et une élec- trode cylindrique négative en un métal léger tel que du lithium, du sodium et autres est introduite dans la par- tie creuse de l'électrode positive cylindrique par l'in- termédiaire d'un séparateur (par exemple on peut utiliser des tissus non tissés de fibres de polypropylène ou de polyéthylène, des pellicules poreuses de polypropylène ou de polyéthylène et autres, et il n'est pas toujours néces- saire d'utiliser les mêmes matières lorsque le séparateur est formé d'une pluralité de feuilles) A titre d'exemple de l'électrolyte, on peut utiliser une solution préparée en dissolvant une concentration à 1 mole de perchlora- te de lithium dans un solvant mélangé de carbonate de poly- propylène et diméthoxyéthane en volumes égaux. Exemple 1 (en se référant aux Fig l à 6) Comme représenté à la Fig l on prépare un moule en métal comportant une gorge circulaire 10 ' (dans cet exemple une gorge semi-circulaire) sur lequel on place tout d'abord une électrode cylindrique négative 2 au li- thium avec interposition d'un séparateur 1 en un tissu non tissé de polypropylène qui est plus large que la longueur de l'électrode négative 2 Comme représenté à la Fig 2 si l'électrode négative au lithium est poussée dans la gor- ge 10 ' du moule 10 en utilisant un premier organe de pres- sion A, le séparateur 1 est alors déformé pour présenter une forme en U et est en contact étroit avec la périphérie inférieure de l'électrode 2 Ensuite, comme représenté à la Fig 3, après qu'une partie d'extrémité 1 ' du séparateur 1 ait été appliquée et soit entrée en contact avec la péri- phérie de l'électrode négative 2 en utilisant un second or- gane de pression B, l'autre partie 1 " est appliquée et mise en contact avec la périphérie de l'électrode 2 au moyen d'un troisième organe de pression C Comme représenté à la Fig 4 les parties du séparateur qui se recouvrent sont soudées de façon continue ou discontinue en utilisant une machine à souder D par ultra-sons afin de réaliser une électrode négative 2 au lithium solidaire du séparateur 1 comme représenté à la Fig 5 Pour l'utiliser, la partie résiduelle du séparateur qui dépasse d'une extrémité de l'électrode négative 2 au lithium est rassemblée et fer- mée par soudage à chaud ou analogue La Fig 6 montre une pile cylindrique du type à électrolyte organique qui uti- lise l'électrode négative 2 au lithium solidaire du sépa- rateur 1 et dans laquelle la référence 3 désigne une en- veloppe servant de borne positive et contenant une élec- trode cylindrique positive 4 en bioxyde de manganèse sur sa surface interne, la référence 5 désignant un chapeau de fermeture servant de borne négative, qui est isolée de l'enveloppe 3 par l'intermédiaire d'une garniture isolan- te 6 et une extrémité d'un collecteur négatif 7 qui s'é- tend à partir de l'électrode négative 2 est soudée par un point de soudage sur la surface inférieure du chapeau 5 pour relier électriquement l'électrode négative 2 à la borne négative du chapeau 5. Suivant le-procédé de moulage décrit ci-dessus, le séparateur est rendu solidaire de l'électrode par mou- lage en appliquant une pression sur l'électrode, mainte- nant ainsi l'électrode et le séparateur dans un état de contact étroit Par conséquent l'intervalle entre l'élec- trode et le séparateur est réduit afin d'améliorer le ren- dement de la pile par une augmentation du rendement du volume interne de la pile et une réduction de sa résistan- ce interne Lorsqu'on utilise pour l'électrode un métal mou tel que le lithium, le contact étroit entre le sépa- rateur et l'électrode est particulièrement excellent. Exemple 2 (en se référant aux Fig 7 à 11) Deux feuilles séparatrices 11 ' et 11 " en un tis- su non tissé de polypropylène découpéesà la dimension dési-_ rée comme représenté à la Fig 7, sont superposées l'une à l'autre et les feuilles séparatrices sont soudées aux deux extrémités 18 et 18 ' à peu près suivant leur axe médian en utilisant un soudage par ultra-sons ou un soudage ther- mique, réalisant ainsi un séparateur 11 à deux couches Le soudage peut être effectué en continu ou de façon discon- tinue à peu près suivant l'axe médian Ensuite, comme re- présenté à la Fig 8, le séparateur 11 à deux couches est disposé sur un moule 20 en métal comportant une gorge semi- circulaire 20 ', et une électrode cylindrique 12 en lithium est poussée et pressé,e dans la gorge semi-circulaire du moule 20 en 1 ' appliquant sur la partie supérieure du sépa- rateur 11 A ce moment, le séparateur 11 est disposé sur le moule 20 de telle sorte que son axe médian reliant deux parties soudées 18, 18 ' soit parallèle à l'électrode 20. Ensuite, comme représenté à la Fig 9, le séparateur 11 est appliqué et enroulé autour de l'électrode cylindrique 12 et la partie 19 présentant un recouvrement est soudée de façon continue ou discontinue par soudage par ultra-sons ou thermique, rendant ainsi le séparateur 11 à deux cou- ches solidaire de la périphérie de l'électrode négative 12 au lithium comme représenté à la Fig 10. La partie résiduelle 11 i'' du séparateur 11 est ensuite fermée au moyen d'une technique classique, par exemple par soudage après torsion ou rétreint. La Fig ll est une vue en coupe verticale d'une pile cylindrique du type à électrolyte organique comprenant le séparateur 11 moulé suivant le procédé décrit ci-dessus/ A la Fig il, la référence 13 désigne une enveloppe de pile utilisée comme borne positive et dans laquelle est disposée une électrode cylindrique positive 14 en bioxyde de manganèse La référence 15 désigne un chapeau en métal couvrant une ouverture de l'enveloppe 13 un= plot 17 for- mant la borne négative est fixé dans un trou central du chapeau 15 en métal à travers un organe isolant 16, et une extrémité d'une plaque 12 ' en plomb reliée à l'électrode négative 12 est fixée à la surface inférieure du plot 17. Suivant ce procédé les feuilles respectives du séparateur sont facilement mises en contact avec la sur- face de l'électrolyte sans décalage indésirable de posi- tion De plus, du fait que la périphérie du séparateur est librement maintenue excepté aux deux extrémités de l'axe médian, des plis indésirables ne sont pas formés lorsque le séparateur est mis en contact avec la surface de l'électrode. Exemple 3 (en se référant aux Fig 12 et 13). Dans les exemples 1 et 2, une'électrode cylin- drique négative autour de laquelle doit être enroulé, un séparateur peut souvent comprendre une partie de jonction en creux dans une direction longitudinale par rappport à sa périphérie Une électrode 22 comporte dans le sens longi- tudinal une portion 22 ' en creux, comme représenté à la Fig 12 Dans ce cas la partie à recouvrement 21 ' du sépa- rateur est disposée sur la partie de jonction 22 ' en creux et est soudée de façon continue ou discontinue comme repré- senté à la Fig 13. Comme on l'a décrit plus haut, suivant ce procé- dé, du fait que la partie 21 ' à recouvrement du séparateur est positionnée sur la partie de jonction 22 ' en creux, on obtient les avantages suivants: du fait que la partie à recouvrement 21 ' du séparateur présente une faible perméa- bilité à l'électrolyte, l'efficacité de la réaction de l'électrode au-dessous de la partie 21 ' est réduite si cet- te partie 21 ' de recouvrement est située sur la surface de l'électrode en un autre point que la partie en creux 22 '. Cependant du fait que la partie en creux 22 ' présente une faible quantité de matière active, la réduction du rende- ment de la réaction dans l'électrode peut être supprimée même si la partie à recouvrement est disposée sur la par- tie en creux De plus la totalité de la périphérie de l'é- lectrode négative est maintenue à une distance à peu près uniforme par rapport à une électrode positive opposée à l'électrode négative-par l'intermédiaire du séparateur, aug- mentant ainsi le rendement de la réaction des deux élec- trodes. Exemple 4 ( en se référant aux Fig 14 à 19). Deux outils 33 et 33 ' en forme de plaques comi- portant une encoche dans un bord sont disposés face à face avec une partie d'extrémité-31 ' d'un séparateur 31 enroulée autour d'une électrode cylindrique 32 du type négatif telle que représentée à la Fig 14 Les deux outils 33 et 33 ' sont alors déplacés dans le sens des flêches de façon que la partie d'extrémité 31 ' du séparateur soit serrée et fermée comme représenté à la Fig 15 Ensuite la partie fermée du séparateur est soudée par application d'un outil de sou- dage 34 par ultra-sons tout en étant maintenue par les deux outils 33 et 33 ', formant ainsi la partie fermée com- me représenté à la Fig 16. Les Fig 17 à 19 montrent une autre technique de fermeture A la Fig 17, après l'application de deux outils et 35 ' en forme de tiges sur une partie d'extrémité 31 " d'un séparateur à partir de positions opposées, ces tiges et 35 ' sont reculées et deux outils 36 et 36 ' en forme de plaques sont déplacés suivant le sens des flèches de- puis une position qui se croise avec les tiges 35 et 35 ', fermant ainsi la partie d'extrémité 31 " du séparateur En- suite un outil 37 de soudage par ultra-sons est appliqué sur la partie à fermer tandis qu'elle est maintenue par les outils 36 et 36 ' comme représenté à la Fig 18 et elle est ensuite soudée En conséquence la partie soudée est fermée comme représenté à la Fig 19 - La technique de fermeture décrite ci-dessus pré- sente des avantages tels que l'automatisation est facile à réaliser, du fait que la paire d'outils a une première fonction qui est de fermer la partie d'extrémité du sépara- teur et une seconde fonction qui est de maintenir la par- tie à fermer lors du soudage. REVENDICATIONS 1 Procédé pour former un séparateur pour une pile cylindrique, caractérisé en ce qu'on dispose une électrode cylindrique ou en forme de colonne ( 12) sur un moule en métal ( 10, 20) comportant une gorge circulaire ( 10, 20 ') avec interposition d'un séparateur ( 1, 11) à une ou plusieurs couches sous forme de bande plus large que la longueur de ladite électrode, on pousse l'électrode dans ladite gorge pour faire entrer en contact le sépara- teur ( 1, 11) avec une partie de la périphérie de l'élec- trode ( 2, 12), on presse les deux extrémités résiduelles du séparateur ( 1, 11) le long de la périphérie résiduelle de ladite électrode et on soude de façon continue ou dis- continue une partie à recouvrement des deux extrémités dudit séparateur. 2 Procédé suivant la revendication l, caractérisé en ce que le séparateur ( 11) à plusieurs couches en forme de bande, est formé de deux ou trois couches ( 11, 11 ') qui sont préparées par superposition de plusieurs feuilles séparatrices, les feuilles séparatrices superposées sont - soudées à deux extrémités de son axe à peu près médian ou les feuilles sont soudées ensemble en continu ou en discontinu suivant leur axe médian. 3 Procédé suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que l'électrode ( 22) comporte une partie de jonction ( 22 ') en creux, le soudage de l a partie à recou- vrement ( 21 ') du séparateur ( 21) étant fait à l'émplace- ment de ladite jonction en creux ( 22 '). 4 Procédé suivant la revendication 1, caracté- risé en ce qu'après le soudage de la partie à recouvrement du séparateur, une extrémité du séparateur ( 31) qui dépas- se d'une extrémité de l'électrode ( 32) est serrée et fer- mée au moyen de deux outils ( 33, 33 '), et la partie fermée du séparateur est alors scellée par soudage.