Brevet FR2550387A1 — publié le 19850208

TITRE : PLAQUES DE BATTERIES COMPOSITES DOMATNE DE LA TECHNIQUE : Transports - Industrie EXEMPLE D'APPLICATION : Plaques de batteries pour la traction, le démar rage. POSITION DU PROBLEME : Les plaques de batteries sont actuellement consti tuées d'une trame de plomb semblable à une gaufrette sur laquelle on "tartine" de l'oxyde de plomb. Le rôle de la plaque est donc à la fois m6- canique (tenue d'une géométrie) et électrique (conduction du courant).Or le plomb ayant des propriétés mécaniques mediocres et une forte densitz on aboutit à la définition d'une plaque relativement lourde afin d'obtenir une raideur correcte. par ailleurs, le plomb n'est pas "le conducteur idéal" et l'on est en droit de se demander si électriquement il n'y aurait pas de meilleures solutions. PRINCIPE DE L'INVNTION s La solution objet de l'invention, consiste à tiliser une plaque composite constitués par des fibres de renforcements tels fils de verre, de métaux (acier, cuivre, titane), de carbone, ou de fibres organiques telles Kevlar rayonne etc... La conductivité électrique étant assurée par un dépôt métallique effectué sos viole par projection ionique, condensation en phase vapeur, ou projrti. on par pistolet à plasma, le dépôt peut être mono ou mieux, multi couches. Par exemple on peut avantageusement envisager sur un fil de verre une sous couche de cuivre et une couche de surface de plomb. Le plomb protège ainsi la sous couche contre l'attaque de l'acide, et favorise l'adhérenec de l'oxyde de plomb que l'on rapporte sur la plaque, les dépôts étant ty piquement de l'ordre de 0,5 à 3Y uniformément répartit autour des fibres exemple : diamètre d'une fibre de verre 20 > ' ). La couche ainsi déposée sur chaque fil correspond à la matrice du matériau composite (fibre matri- ce) que l'on cherche à confectionner.On a donc réalisé un préimprégoé thermoplastique à matrice métallique Les fibres sont disposées en fils préférentiellement non tordus et sont tissés pour constituer une trame analogue à un tissu ou à un tamis.(Une autre méthode consiste à les dépo ser en nappes de fils parallèles puis à superposer les nappes les unes au de3,us des autres). A ce stade il est alors possible de "réticuler" et structurer la future plaque en la pressant à chaud ou simplement en la chauffant0 En effet on obtient alors la fusion de la matrice enveloppe des fils et la réalisation de soudures entre les fibres parallèles ou orthogonales qui se touchent. On obtient donc par ce procédé un compooite plus ou moins lagunaire (suivant la pression exercée dunAant la cuisson). . Ce composite peut être très solide, comportant une grande quantité de liaisons. Il peut de plus présenter des propriétés de conductive cette ment supérieures à une plaque classique pouvant utiliser au moins parti ellRment des métaux nettement plus conducteurs que le plomb. . Remarque : d'autres applications de ce preimprégné à matrice métallique peuvent Qtre envisagées. Description de la méthode d'imprégnation des fils : valable indifféremment pour projection ionique, condensation en phase vapeur, vaperisation sous vide, etc... A - Ythode discontinue Dans des cloches à vides équipées de tourne-broche à broche planetaire la broche tourne autour de la source tout en tournant sur elle-meme. La broche peut être constituée d'une barre centrale portant au voisinage de chacune de ses extrémités un disque constitué de rayons radiaux. Le fil à métalliser est disposé parallèlement A la barre allant du rayon d'un disque à celui homologue du disque opposé, effectuant un demi-tour autour du rayon et retournant vers le rayon opposé. Chaque demi-tour au niveau du rayon se fait en décalant radialement le fil d'une distance radiale au moins égale à la largeur du fil étalé contre le rayon. Ainsi il n'y a pas de recouvrement entre deux enroulements successifs. Lorsque un couple de rayons est saturé, on passe au voisin en ayant un fil qui passe du sommet du rayon n d'une extrmité à la base du rayon n+1 de l'autre extrêmité. il est ai :i possible de traiter environ un millier de mètres de fil par opération. L'inconvénient de ce procédé est d'impliquer une manipulation importante des fils ; une mauvaise imprégnation à chaque point où le fil effectue son demi-tour autour des rayons. B - Méthode continue "interne" il existe deux variantes à cette méthode qui à nos yeux est la plus ifr. téressante et fournit les fils de meilleure qualité, Le fil est stocké en une bobine HXlt de plussiez milliers de mètres dans l'enceinte à vide, il est progressivement déroulé et suit une trajectoire qui le conduit de poulies en poulies à parcourir des génératrices ou des périmètres de la cloche à vide; entre une trajectoire allée et une trajectoire retour selon par exemple une génératrice , il est possible de retourner le fil par rapport à la source centrale et donc de le métalliser sur deux faces opposées, si le plan de la poulie de renvoi est placé coplanaire à un plan radial depuis la source. Après avoir cheminé le long de la cloche, le fil ainsi métallisé est emmagasiné sur le tambour d'une bobine réceptrice "B" qui étant motorisée à la manière d'un treuil anime le déplacement et donc le traitement en continu du fil. Remarque : 1/ La bobine émettrice étant susceptible de polluer le vide par de l'air adsorbé dans son volume et piégé par le fil, il est possible de la placer dans une "antichambre" de la cloche branchée en direct sur la pompe à vide et communicant avec la cloche principale à travers un passage étroit. 2/ Dans le cadre d'un traitement bimétallique ou polymétallique il est possible de procéder de deux manières - La première technique consiste à procéder à deux traitements séparés dans le temps mais effectués dans la mEme cloche. C'est-à-dire que llon métallise le fil d'une bobine à l'autre. Arrivé à la fin du déroulement du fil on change de métal par exemple en chauffant un autre creuset et l'on inverse le sens de défilement du fil en ramenant le fil vers la bs- bine origine "A". Ce procédé permet de limiter le volume du montage.De plus dans le cas d'un traitement mono métal il permet d'utiliser une a morce qui reste à poste fixe sur la bobine "B" ce qui évite toute mani pulation lors du changement de bobine type "A". - La seconde technique consiste à avoir deux cloches (ou deux zones di- tinctes d'une même cloche) reliées par un tube, la bobine "A" se trouvant dans la 1ère cloche, la bobine "B" dans la 2ème cloche, chaque cloche étant spécialisée pour le dépôt d'un métal. Ainsi la cloche contenant la bobine "A" dépose par exemple du cuivre puis la cloche suivante dépose du plomb puis le fil s'enroule sur la bobine "B", Le passage entre les deux cloches peut, entre autre. être un tube en U remplit de meroure. Remarque : le deuxième dépôt pourrait être obtenu de façon différée par exemple par électrolyse. C - Méthode continue "externe" Cette méthode est voisine de la précédente au détail près que la (ou les) bobine(s) est (sont) à l'extérieur de la cloche à vide. Le fil pénétrant dans la cloche à travers un "sas" constitué par exemple par un tube en U remplit de mercure et éventuellement soumis à des ultra Sons. Un autre type de sas peut être constitué par des tubes en U contenant des huiles ferrofluides controlées par un champ magnétique Un a:re type de sas peut être constitué par un tube à silicone dont les deux extrêmités sont terminées par des joints ou des rouleaux essoreurs Une autre intéressante méthode à "postériori", permettant d'obtenir des plaques conductrices, consiste à préparer une plaque offrant une géomètrie telle qu'on la souhaite dès la métallisation Cette plaque peut être un tissu de fibres (vers, kevlar,etc) , un non tisse ou mieux un matériau alvéolaire , une mousse pouvant avoir un fort pourcentage de cellules ouvertes (exemple mouse dure de polyurétane rigide). Ce peut être également une plaque de plastique fortement indentée (exem- ple plaque de stratifié; fibre, résine organique, ou SMC,DMC ou non telle du PVC moulé en gaufrette dans un moule à la surface tourmantée). La plaque ainsi préparée est alors mise dans la cloche à vide où elle subit une métallisation mono ou multimétallique (par condensation? par sputering ou par projection d'un pistolet à plasma). Alternativement une métallisation par voie chimique en phase liquide est possible à ce stade du concept. Une métallisation au pistolet à gaz ou à plasma est également envisageable (sous pression normale). Remarque : cette technologie peut être appliquée à d'autre type de batteries que la batterie de plomb. Elle devrait alors permettre d'économiser les métaux qui dans bien des cas sont précieux, exemple batterie zinc/ argent. RiV:TDICkICfTS 16 Technique discontinue de métallisation de fibres sous vide valable indifféremment pour procédés de projection ionique (dit sputtering), pulvérisation cathodique, condensation en phase vapeur, vaporisation sous vide, projection sous plasma etc, caractérisée par le fait que les fibres sont tendues entre les rayons de satellites qui orbitent préférentiellement en tournant sur eux mêne dans la cloche. 20 Technique continue de métallisation de fibres sous vide selon la revendication 10 caractérisée par le fait que les fibres défilent en continu dans la cloche à vide en décrivant une trajectoire qui passe par des poulies ou passe fils. 30 Plaques de batterie- en matériaux composites selon les revendications 10 et 20 assurant les fonctions de résistance mécanique, de conduction électrique et de support des oxydes métalliques nécessaires au stockage de l'énergie électrique, caractérisces par le fait que la plaque est une feuille de composite métallisée. 40 Plaque selon la reirendicstion 30 caractérisée par le fait que la plaque est une feuille de matière organique (alvéolaire ou non) thermoplastique ou thermodurcissable, chargée ou non de fibres de renforcement et métallisée en surface. 50 Plaque selon la revendication 30 caractérisée par le fait que la plaque est une feuille de non tissé métallisée en surface. 60 Plaque selon la revendication 3 caractérisée par le fait que la plaque est une feuille de tissu ayant été métallisée après le tissage. 74 Plaque selon les revendications 1 à-3 caractérisée par le fait que la plaque est une feuille de tissu ayant été métallisée avant le tissage et ayant été éventuellement chauffée (sous pression ou non) après tissage. 80 Plaque selon les revendications 1 et 7 caractérisée par le fait que la métallisation s'effectue sous vide par condensation de métal vaporisé, ou par projection ionique, ou par pistolet à plasma, ou par pulvérisation cathodique. i 90 Plaque selon les revendications 30 à 70 caractérisée par le fait que la métallisation s'effectue par voie chimique en phase liquide ou par projection au pistolet à plasma ou au pistolet à flamme à une pression voisine de la pression atmosphèrique,ou en phase gazeuse (exemple lits fluidisés métalliques)0