Brevet FR2749706A1 — publié le 19971212

La présente invention concerne un ensemble à électrodes enroulées et plus particulièrement un tel ensemble contenant un séparateur ayant une nouvelle forme et qui possède une grande durabilité et une grande capacité ainsi qu'une pression interne faible, comme par exemple dans le cas d'une pile cylindrique ou d'un condensateur cylindrique. Un ensemble à électrodes enroulées tel qu'une pile cylindrique et un condensateur, comporte un séparateur servant à empêcher un court- circuit entre la cathode et l'anode. La présente invention a trait à une technologie concernant un ensemble à électrodes enroulées comprenant une cathode, une anode et un séparateur. On va décrire à titre d'exemple une pile cylindrique, en particulier une pile cylindrique à nickel-hydrogène. De plus en plus de dispositifs électroniques portables, tels qu'une caméra, un camescope, un lecteur portable de disques compacts, un appareil radio, une cassette, un ordinateur bloc-notes, un dispositif de téléappel et un téléphone cellulaire, etc. requièrent une pile ayant une capacité plus grande et une durabilité plus longue. En général, une pile est un dispositif qui convertit une énergie chimique en une énergie électrique au moyen d'une différence de potentiel entre les contacts et il en existe de nombreux types. Les piles et batteries électrochimiques sont identifiées, du point de vue technologique, comme étant une pile primaire non rechargeable ou une pile secondaire rechargeable ou une pile à combustible qui convertit une chaleur de combustion en une énergie électrique, ou une pile solaire qui convertit une énergie lumineuse en une énergie électrique. Les piles et batteries électrochimiques sont classées en fonction de la composition de l'électrolyte et de leur forme. La composition de l'électrolyte concerne des piles alcalines, solides ou non aqueuses et la forme concerne des piles et batteries du type cylindrique, en forme de bouton ou de pièce de monnaie. Dans ces types de piles, une pile cylindrique (du type à rouleau de gelée) décharge un courant et comprend une cathode, une anode, un séparateur servant à empêcher un court-circuit entre la cathode et l'anode, un électrolyte, une borne positive et une borne négative. De façon spécifique, la structure d'une pile à nickel-hydrogène est illustrée sur la figure 8 annexée à la présente demande. La pile cylindrique à nickel-hydrogène est constituée par une cathode 13 recouverte de Ni(OH)2 en tant que matériau à effet positif, une anode 15 formée d'un alliage hydrogéné et recouverte par un matériau à effet négatif, qui est constitué principalement de LaNis, MmNi5, un alliage Ti-Fe ou Ti-Ni, un séparateur 17 qui est formé d'un non tissé et une bande de Cellophane pour empêcher un court-circuit entre la cathode 13 et l'anode 15, un capuchon 19 formant borne positive et un boîtier 12 en tant que borne négative et un équipement d'emballage, et en outre une garniture d'étanchéité 21, un évent de sécurité 23, une plaque de couverture 25, une bague isolante 27 et une plaque isolante 29. Le processus de fabrication d'une pile cylindrique à nickel-hydrogène est le suivant. Tout d'abord, on fabrique la cathode en déposant une pâte formée d'un matériau à effet positif, en la faisant sécher et en l'appliquant par laminage sur un support métallique, puis on fabrique une anode en déposant une pâte formée d'un matériau à effet négatif, en la faisant sécher et en l'appliquant par laminage sur un support métallique. Ensuite, on dépose un séparateur entre la cathode et l'anode, et on enroule l'ensemble. On insère alors cet ensemble enroulé formé des électrodes et du séparateur dans un pot. Ensuite on introduit un électrolyte dans le pot et on place un ensemble formant capuchon sur l'ouverture de la partie supérieure. On va donner ci-après une description détaillée concernant les réactions de charge et de décharge de la pile cylindrique à nickel-hydrogène fabriquée conformément au procédé indiqué ci-dessus. On utilise un alliage hydrogéné en tant que matériau à effet négatif, de l'hydroxyde de nickel en tant que matériau à effet positif et une solution aqueuse d'hydroxyde de potassium (KOH) en tant qu'électrolyte. L'alliage hydrogéné stocke des ions hydrogène produits par dissociation de l'eau dans l'électrolyte au cours du processus de charge et libère des ions hydrogène dans l'électrolyte pendant le processus de décharge. Les réactions de charge et de décharge sont les suivantes: Charge Cathode: Ni(OH)2 + OH- NiOOH + H20 Décharge Charge Anode: M + H20 MH + OH Décharge Décharge Réaction globale: MH + NiOOH M + Ni(OH)2 charge Dans les réactions indiquées précédemment, M désigne un alliage hydrogéné qui peut absorber et émettre des ions hydrogène, identifiés comme étant un groupe AB, qui est formé d'éléments de terres rares, ou un groupe AB2 qui est formé de Ti, Z, V, etc. Conformément à la réaction indiquée précédemment, une charge et une décharge s'effectuent plus de cent fois dans une pile. Dans le procédé pour fabriquer une pile cylindrique à nickel-hydrogène, qui possède le fonctionnement et la structure indiqués précédemment, comme représenté sur la figure 1, on place une cathode 13 et une anode 15 sur des côtés opposés d'un séparateur 17 pour les enrouler en utilisant un mandrin, autour du centre d'un axe d'enroulement 11. Mais on utilise le séparateur pour empêcher un court- circuit entre la cathode et l'anode et ce séparateur occupe un certain espace dans le pot, ce qui réduire le volume d'injection de l'électrolyte dans l'espace intérieur de la pile ainsi que la capacité de cette dernière. En outre, lorsqu'on enroule la cathode 13, l'anode 15 et le séparateur 17 dans la pile indiquée précédemment, il se pose le problème consistant en ce que le séparateur peut glisser et que l'anode et la cathode peuvent établir entre elles un court-circuit. Comme cela est représenté sur la figure 2 annexée à la présente demande, on a développé une technique consistant à utiliser un séparateur supplémentaire 31 qui recouvre la partie initiale de la cathode 13 et la partie initiale de l'anode 15 pour empêcher un court- circuit dû à une fissure. Bien que le court-circuit correspondant à la fissure soit réduit dans le cas de l'addition d'un séparateur supplémentaire 31 au séparateur 17 comme indiqué précédemment, la capacité de la pile est réduite de façon supplémentaire en raison de l'espace additionnel occupé par le séparateur supplémentaire. Comme représenté sur la figure 3, bien que l'on ait développé un type d'utilisation d'un séparateur supplémentaire 41 recouvrant la partie initiale de la cathode 13 à partir de l'axe d'enroulement, pour résoudre le problème de la réduction de la capacité d'une pile, il s'est avéré cependant qu'avec ce type de technique il se pose le problème consistant en ce que la capacité d'une pile n'est pas fortement accrue en raison de limites imposées à la réduction du volume du séparateur. L'inconvénient mentionné précédemment se présente dans tous les types d'ensembles de plaques polaires enroulées formant une pile cylindrique et un condensateur cylindrique ainsi que, comme précédemment, une pile cylindrique à nickel-hydrogène. Pour éliminer les problèmes de l'art antérieur, un but de la présente invention est de fournir un ensemble à électrodes enroulées comportant une cathode, une borne positive reliée à ladite cathode, une anode, une borne négative reliée à ladite anode, un séparateur placé entre ladite cathode et ladite anode, et un électrolyte. Cet ensemble à électrodes enroulées est caractérisé en ce que ledit séparateur comporte une pluralité de pores dans la région qui n'est pas recouverte par ladite cathode et ladite anode. De préférence, ledit ensemble à électrodes enroulées comporte en outre un séparateur supplémentaire situé d'un côté dudit premier séparateur. De préférence, ledit séparateur supplémentaire possède des dimensions telles qu'il recouvre la partie initiale de ladite cathode et la partie initiale de ladite anode. De préférence, ledit séparateur supplémentaire comporte une pluralité de pores dans la région qui n'est pas recouverte par ladite cathode ou ladite anode. De préférence, ledit séparateur supplémentaire possède des dimensions telles qu'il recouvre la partie initiale de ladite cathode jusqu'à l'axe d'enroulement. De préférence, ledit séparateur supplémentaire comporte une pluralité de pores dans la région qui n'est pas recouverte par ladite cathode ou ladite anode. De préférence, lesdits pores possèdent une ou plusieurs formes choisies dans le groupe comprenant un cercle, un triangle, un carré, un hexagone et octogone. De préférence, ledit ensemble à électrodes enroulées est une pile cylindrique ou un condensateur cylindrique. De préférence, ledit ensemble à électrodes enroulées est une pile cylindrique à nickel-hydrogène. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur les- quels: - la figure 1, dont il a déjà été fait mention, est un schéma représentant une cathode et une anode classiques et des parties d'un séparateur avant l'enroulement; - la figure 2, dont il a déjà été fait mention, est un autre schéma montrant une cathode et une anode classiques, des parties d'un séparateur et un séparateur supplémentaire avant l'enroulement; - la figure 3, dont il a déjà été fait mention, est un troisième schéma, représentant une cathode et un anode classiques, des parties d'un séparateur et un séparateur supplémentaire avant l'enroulement; - la figure 4 est un schéma montrant une cathode, une anode et des parties d'un séparateur avant l'enroulement, conformément à une première forme de réalisation de la présente invention; - la figure 5 est un schéma représentant une cathode, une anode, des parties d'un séparateur et un séparateur supplémentaire avant l'enroulement conformément à une seconde forme de réalisation de la présente inven- tion; - la figure 6 est une schéma représente une cathode, une anode, des parties d'un séparateur et un séparateur supplémentaire avant l'enroulement conformément à une troisième forme de réalisation de la présente inven- tion; - la figure 7 est une illustration des nombreuses formes de pores, de leurs nombres et de leur positionnement dans un séparateur selon la présente invention; et - la figure 8, dont il a déjà été fait mention, représente une structure d'une pile cylindrique. Dans la description détaillée qui va suivre, on va décrire uniquement la forme de réalisation préférée de l'invention, simplement à titre d'illustration du meilleur mode de mise en oeuvre envisagé par les auteurs à la base de la présente invention. Comme on le notera, on peut apporter à de nombreux égards des modifications à l'invention, sans sortir du cadre de cette dernière. C'est pourquoi le dessin et la description doivent être considérés uniquement comme étant illustratifs et n'ont aucun caractère limitatif. [EXEMPLE 1] Comme cela est représenté sur la figure 4, on a disposé une cathode 13 ayant pour dimensions 114 x 35 x 0,73 mm et une anode 15 ayant pour dimensions 149 x 35 x 0,40 mm sur les deux faces d'un séparateur 17 ayant pour dimensions 260 x 38 x 0,15 mm et on les a centrées sur l'axe d'enroulement 11. On a formé une pluralité de pores ayant un rayon de 1 mm dans une partie du séparateur, qui n'est pas recouverte par l'anode et la cathode. On a enroulé la cathode 13, l'anode 15 et le séparateur 17 autour de l'axe d'enroulement et on les a insérés dans pot. On injecté un électrolyte et on a exécuté l'assemblage et la mise en forme pour fabriquer une pile. [EXEMPLE 2] Comme cela est représenté sur la figure 5, on a disposé une cathode 13 ayant pour dimensions 114 x 35 x 0,73 mm et une anode 15 ayant pour dimensions 59 x 35 x 0,40 mm sur les deux faces d'un séparateur 17 ayant pour dimensions 263 x 38 x 0,15 mm et on les a centrées sur l'axe de rotation 11. On a disposé sur une face du séparateur 17 portant la cathode 13 un séparateur supplémentaire 31 ayant pour dimensions 40 x 38 x 0,15 mm, dimensions suffisantes pour que le séparateur recouvre des parties initiales de la cathode 13 et de l'anode 15. On a formé une pluralité de pores ayant un rayon de 1 mm dans une partie du séparateur 17 et du séparateur supplémentaire 31, qui n'est pas recouverte par la cathode 13 et l'anode 15. Après enroulement de la cathode 13, de l'anode 15, du séparateur 17 et du séparateur supplémentaire 31 autour de l'axe d'enroulement 11, on a placé l'ensemble enroulé dans un pot. On a injecté de l'électrolyte et on a effectué l'assemblage et la mise en forme pour fabriquer une pile. [EXEMPLE 3] Comme cela est représenté sur la figure 6, on a disposé une cathode 13 ayant pour dimensions 114 x 35 x 0,73 mm et une anode 15 ayant pour dimensions 149 x 35 x 0,40 mm sur les deux faces d'un séparateur 17 ayant pour dimensions 263 x 38 x 0,15 mm et on les a centrées autour de l'axe d'enroulement 11. On a placé sur une face du séparateur 17 portant la cathode 13 un séparateur supplémentaire 41 ayant pour dimensions 26 x 38 x 0,15 mm, dimensions suffisantes pour que le séparateur recouvre la partie initiale de la cathode 13 jusqu'à l'axe d'enroulement 11. On a formé une pluralité de pores ayant un rayon de 1 mm dans une région du séparateur 17 et du séparateur supplémentaire 41, qui n'est pas recouverte par la cathode 13 et l'anode 15. Après avoir enroulé la cathode 13, l'anode 15, le séparateur 17 et le séparateur supplémentaire 41 autour de l'axe d'enroulement 11, on a introduit l'ensemble enroulé dans un pot. On a injecté un électrolyte et on a exécuté l'assemblage et la mise en forme pour fabriquer une pile. [EXEMPLE COMPARATIF 1] Comme représenté sur la figure 1, on a disposé une cathode 13 ayant pour dimensions 114 x 35 x 0,73 mm et une anode 15 ayant pour dimensions 149 x 35 x 0,40 mm sur les deux faces d'un séparateur 17 ayant pour dimensions 263 x 38 x 0,15 mm et on les centrées autour de l'axe d'enroulement 11. Après avoir enroulé la cathode 13, l'anode 15, et le séparateur 17 autour de l'axe d'enroulement 11, on a introduit l'ensemble enroulé dans un pot. On a injecté l'électrolyte et on a exécuté l'assemblage et la mise en forme pour former une pile. [EXEMPLE COMPARATIF 2] Comme cela est représenté sur la figure 2, on a disposé une cathode 13 ayant pour dimensions 114 x 35 x 0,73 mm et une anode 15 ayant pour dimensions 149 x 35 x 0,40 mm sur les deux faces d'un séparateur 17 ayant pour dimensions 263 x 38 x 0,15 mm et on les a centrées autour de l'axe d'enroulement 11. On a placé sur une face du séparateur 17 portant la cathode 13 un séparateur supplémentaire 31 ayant pour dimensions 40 x 38 x 0,15 mm, dimensions suffisantes pour que le séparateur recouvre des parties initiales de la cathode 13 et de l'anode 15. Après enroulement de la cathode 13, de l'anode 15 et du séparateur 17 et du séparateur supplémentaire 31 autour de l'axe d'enroulement 11, on a inséré l'ensemble enroulé dans un pot. On a injecté un électrolyte, et on a exécuté l'assemblage et la mise en forme pour former une pile. [EXEMPLE COMPARATIF 3] Comme représenté sur la figure 3, on a disposé une cathode 13 ayant pour dimensions 114 x 35 x 0,73 mm et une anode 15 ayant pour dimensions 149 x 35 x 0,40 mm sur chaque face d'un séparateur 17 ayant pour dimensions 263 x 38 x 0,15 mm et on les a centrées autour d'un axe d'enroulement 11. On a placé sur une face du séparateur 17 portant la cathode 13 un séparateur supplémentaire 41 ayant pour dimensions 26 x 38 x 0,15 mm, dimensions suffisantes pour que le séparateur recouvre les parties initiales de la cathode 13 jusqu'à l'axe d'enroulement 11. Après enroulement de la cathode 13, de l'anode 15, du séparateur 17 et du séparateur supplémentaire 41 autour de l'axe d'enroulement 11, on a introduit l'ensemble enroulé dans un pot. On a injecté un électrolyte et on a exécuté l'assemblage et la mise en forme pour fabriquer une pile. Le tableau suivant indique les résultats de mesure de la réduction de volume d'un séparateur, du volume d'injection d'un électrolyte, de la pression interne et de la durabilité conformément aux exemples et aux exemples comparatifs, indiqués précédemment. (Tableau) Volume Volume Pression Durabilité d'injection d'un interne (cycles) (mm3) électrolyte (g) (105 Pa) Exemple 1 1470 3,4 10 350 Exemple 2 1665 3,4 10 350 Exemple 3 1601 3,4 10 350 Exemple comparatif1 1500 3,2 10 300 Exemple comparatif 2 1727 3,2 10 300 Exemple comparatif 3 1647 3,2 10 300 Comme cela est indiqué dans le tableau ci-dessus, le volume de la pile comportant un séparateur pourvu d'un grand nombre de pores conformément aux exemples de la présente invention diminue d'une valeur maximale de 7 % par rapport à une pile comportant un séparateur ne possédant aucun pore, conformément aux exemples comparatifs. C'est pourquoi, une face interne d'une pile est accrue, d'une il valeur maximale de 33 %, sur la base du volume d'injection d'un électrolyte. L'espace interne plus grand empêche un accroissement de la pression interne du gaz produit. Comme indiqué précédemment, la qualité de la pile comportant un séparateur pourvu de pores selon la présente invention est excellent en raison du grand espace interne, de la durabilité qui est plus élevée que dans le cas de l'accroissement d'un volume d'injection de l'électrolyte, d'une pression interne de gaz plus faible et d'une durabilité nettement plus élevée que celle d'une pile classique. Comme cela est représenté sur la figure 7, un séparateur conforme à la présente invention peut comporter des pores ayant une ou plusieurs formes différentes et conformément à plusieurs procédés de positionnement. Les différentes formes de pores sont: un cercle, un triangle, un carré, un hexagone, un octogone, etc. Comme cela a été indiqué précédemment, un séparateur comportant des pores selon la présente invention empêche un court-circuit, accroit l'espace interne de la pile, augmente le volume d'injection de l'électrolyte et réduit la pression interne du gaz, ce qui conduit à une durabilité plus grande. L'effet fourni par la présente invention peut être appliqué à un ensemble à électrodes enroulées, par exemple non seulement la pile cylindrique à nickel-hydrogène, mais également une pile cylindrique ou un condensateur cylindrique ayant la même structure que la pile cylindrique à nickel-hydrogène. Dans la présente description, on a représenté et décrit uniquement la forme de réalisation préférée de l'invention, mais, comme cela a été mentionné précédemment, on comprendra que l'invention peut être utilisée selon différentes autres combinaisons et dans d'autres environ- nements et que l'on peut y apporter des changements ou modifications tout en restant dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Ensemble à électrodes enroulées, comportant: une cathode (13); une borne positive reliée à ladite cathode; une anode (15); une borne négative reliée à ladite anode; un séparateur (17) placé entre ladite cathode et ladite anode; et un électrolyte; caractérisé en ce que ledit séparateur (17) comporte une pluralité de pores dans la région qui n'est pas recouverte par ladite cathode (13) et ladite anode (15). 2. Ensemble à électrodes enroulées selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ensemble à électrodes enroulées comprend en outre un séparateur supplémentaire (31, 41) situé sur un côté dudit séparateur (17). 3. Ensemble à électrodes enroulées selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit séparateur supplémentaire (31) possède des dimensions telles qu'il recouvre une partie initiale de ladite cathode (13) et une partie initiale de ladite anode (15). 4. Ensemble à électrodes enroulées selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit séparateur supplémentaire (41) possède des dimensions telles qu'il recouvre une partie initiale de ladite cathode jusqu'à l'axe d'enroulement (11). 5. Ensemble à électrodes enroulées selon la revendication 3, caractérisé en ce que le séparateur supplémentaire (31, 41) comporte une pluralité de pores dans la région qui n'est pas recouverte par ladite cathode (13) et ladite anode (15). 6. Ensemble à électrodes enroulées selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit séparateur supplémentaire (31, 41) possède une pluralité de pores dans la région qui n'est pas recouverte par ladite cathode (13) et ladite anode (15). 7. Ensemble à électrodes enroulées selon la revendication 1, caractérisé en ce que la forme desdits pores est une ou plusieurs des formes choisies dans le groupe comprenant un cercle, un triangle, un carré, un hexagone et un octogone. 8. Ensemble à électrodes enroulées selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ensemble à électrodes enroulées forme une pile cylindrique ou un condensateur cylindrique. 9. Ensemble à électrodes enroulées selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ensemble à électrodes enroulées est une pile cylindrique à nickel- hydrogène.