Brevet FR2599190A1 — publié le 19871127

La présente invention se rapporte à des accumulateurs à éléments de pile ou cellules multiples du type qui risque d'être gravement endommagé en cas de court-circuit d'un des éléments, comportant des moyens de dissipation de la chaleur engendrée lors du court-circuit et de transfert de cette chaleur à l'autre ou aux autres éléments de pile. Un des problèmes de sécurité les plus graves,rencontrés dans les accumulateurs à éléments multiples de for10 te puissancelest l'emballement thermique pendant un courtcircuit accidentel d'un seul élément de l'accumulateur. Afin d'éviter un tel phénomène, tous les accumulateurs au lithium de forte puissance (et également beaucoup d'autres accumulateurs) sont équipés d'un évent de décharge de pression, en plus d'un fusible. Toutefois, on n'évite pas ainsi le rejet de matières toxiques et corrosives dans l'environnement. La difficulté principale réside en ce que la capacité calorifique d'un seul élément de pile est trop faible pour éviter une surchauffe dangereuse. On peut éviter une situation dangereuse si la chaleur en excès dégagée pendant un court-circuit accidentel d'un élément de pile peut être transférée à un milieu possédant une capacité calorifique adéquate et/ou aux éléments voisins. La présente invention a pour objet un accumulateur 25 à éléments multiples qui procure de tels avantages. Conformément à la présente invention, une matière de transmission de chaleur, appelée "matière de refroidissement", est insérée dans l'espace libre entre les éléments ou cellules du bloc accumulateur. Cette matière d'absorption 30 de chaleur, par exemple de la paraffine, de la cire ou analogue, est solide jusqu'à une température prédéterminée, dans la plage de 40 C à 150 C. Lors d'un court-circuit accidentel d'un élément de l'accumulateur à éléments multiples, cette matière fond et transfère la chaleur dégagée à 35 tous les éléments de l'accumulateur. Ainsi, la capacité ca- lorifique disponible est sensiblement augmentée et on évite l'emballement thermique. La matière ajoutée doit être un isolant électrique à la fois à l'état solide et à l'état fondu (liquide). Lorsque des éléments de pile au lithium ou calcium et chlorure de thionyle (ou lithium-SO2) du type à enroulement,de dimension C ou D, sont mis en court-circuit, leur température s'élève à 200 C en quelques minutes, selon la conception de la pile. Dans le cas de piles au lithium, l'anode fond, ce qui provoque une explosion de la pile. Dans le cas d'une pile au calcium, la pression intérieure s'élève à plus de 100.105 Pa et il se produit un gonflement de la pile aboutissant à une rupture au point le plus faible de celle-ci, le plus souvent à la jonction verre-métal. La figure 2 illustre les résultats d'un essai de court-circuit d'une pile au calcium-chlorure de thionyle de taille C, de moyenne puissance, à la fois dans l'air et dans un accumulateur équipé d'une matière de transfert de chaleur conforme à la présente invention. On voit que dans l'air, dans des conditions de court-circuit, la température de la pile s'élève à 180 C environ tandis que, dans le cas d'un accumulateur conforme à la présente invention, la température atteint seulement C environ. Dans le cas illustré, la matière d'absorption 25 de chaleur est de la paraffine ayant un point de fusion de à 60 C. D'autres objets et avantages apparaltront à la lumière de la description ci-après d'un mode préféré de réalisation de l'invention, avec référence aux dessins an30 nexés dans lesquels; Fig. 1 représente un accumulateur conforme à l'invention, en vue de côté et en vue de dessus avec coupe; Fig. 2 est un graphique des résultats d'un essai de court-circuit. Avec référence à la fgure 1, A, B et C sont des éléments de pile de taille C, D est une cuve en matière plastique et E désigne la matière de refroidissement placée dans l'espace compris entre les éléments de pile. Sur cette figure, "a" indique un thermocouple inséré pour effectuer des mesures dans une pile expérimentale. Les dimensions sont indiquées, en millimètres, pour illustration seulement. Sur la figure 2, les résultats des essais dans l'air sont indiqués par O et par *; et dans l'accumulateur comportant la matière de refroidissement par a et par a, 10 la matière utilisée étant de la paraffine avec un point de fusion dans la plage de 55 à 60 C. L'accumulateur représenté sur la figure 1 comprend trois éléments de pile au calcium-chlorure de thionyle à enroulement,de taille C, ayant une surface d'élec15 trode de 130 cm2 et 0,7 M Ca(AlCl4)2. On mesure la température sur l'enveloppe du premier élément de la rangée (point "a" sur la figure 1). Cet élément est celui qui a les plus mauvaises possibilités de refroidissement, Cet accumulateur contient 20 g de paraffine, ayant 20 un point de fusion de 55 à 60 C. On met l'élément A en court-circuit et on mesure sa température d'enveloppe en fonction du temps (figure 2). La température maximale pendant cet essai est de 62 C. On procède à un essai similaire avec des piles contenant 1,2 M Ca (Al Cl4) 2. Pans cet essai, 25 lorsqu'on court-circuite la pile dans l'air, la température de l'enveloppe atteint 230 C en 7 mn et la pile est mise en communication avec l'atmosphère à travers la jonction verre-métal. Lorsqu'on met en court-circuit cet élément de pile dans un accumulateur conforme à la présente invention 30 (figure 1), la température maximale est de 80 C pendant le court-circuit de l'élément A (figure 1) et la paraffine fond dans l'ensemble de l'accumulateur. Toutefois, aucun élément de pile n'est mis à l'atmosphère et ne présente même pas de fuite. Cela démontre également l'efficacité de 35 la matière de refroidissement suivant la présente invention pour éviter des situations dangereuses en cas de courtcircuit accidentel d'un seul élément d'un accumulateur. On peut utiliser d'autres matières de refroidissement et on peut choisir leur point de fusion en fonc5 tion des besoins. Ce point de fusion peut être plus élevé que la température maximale de fonctionnement du dispositif équipé avec l'accumulateur. Par exemple, une plage de température typique pour des équipements militaires est de -40 C à +70 C. Dans 10 ce cas, le point de fusion de la matière de refroidissement peut être dans la plage de 80 à 100 C. Il est souhaitable que la viscosité de la matière de refroidissement soit faible. En outre, il est souhaitable, mais non indispensable, que la capacité calorifique spécifique de cette ma15 tière de refroidissement soit élevée. L'utilisation de matières de refroidissement n'augmente pas de façon sensible le poids total d'un accumulateur étroitement groupé. Dans l'exemple illustré par la figure 1, on peut calculer que la matière de refroidissement conforme à l'in20 vention accroît le poids total d'accumulateurs au lithium ou au calcium de 15 à 20%. Une liste partielle de matières de refroidissement qui peuvent être utilisées est donnée dans le tableau 1 ci-après. TABLEAU 1 Matière de refroidissement Point de fusion ( 1C) Polyméthylène Paraflint H-1 108 Polyéthylène Polywax 500 86 Polyéthylène Polywax 2000 125 Cire d'abeilles 64 Cire à bougie 70 Cire du Japon 53 Paraffine 46-68 Paraffine de pétrole 60-93 Cires d'amides substituées 140 Il est entendu que des modifications de détail 15 peuvent être apportées dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. Revendications 1 Accumulateur électrique à éléments multiples, comprenant une pluralité d'éléments de pile électrochimique (A,B,C) de section transversale cylindriquequi sont placés dans une cuve (D), caractérisé en ce qu'il comprend une substance solide ou liquide (E), électriquement isolante, placée dans l'espace compris entre les éléments de pile, qui peut absorber la chaleur et également transférer la chaleur d'un élément aux autres. 2. Accumulateur suivant la revendication 1, ca10 ractérisé en ce que la matière de remplissage (E) est une matière solide ayant un point de fusion compris entre 40 C environ et 150 C environ. 3. Accumulateur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la matière de remplissage remplit sen15 siblement l'espace compris entre les éléments de pile. 4. Accumulateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matière de remplissage possède une capacité calorifique élevée et une faible viscosité à l'état liquide. 5. Accumulateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce. que la matière de remplissage est une cire naturelle ou synthétique, une paraffine, un polyéthylène, un goudron ou un mélange de ces substances. 6. Accumulateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les éléments de pile ont une anode en lithium ou en calcium. 7. Accumulateur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les éléments de pile sont des piles du 30 type à électrode enroulée, à haute énergie. 8. Accumulateur suivant la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les éléments de pile ont une anode en lithium ou calcium et un électrolyte de chlorure de thionyle, chlorure de sulfuryle ou dioxyde de soufre,