Brevet FR2749978A1 — publié le 19971219

Accumulateur électrique à plaques d'électrodes habillées par des sacs séparateurs L'invention concerne des accumulateurs électriques, notamment des éléments ou monoblocs d'accumulateurs alcalins étanches (de type NiCd ou NiMH), comportant des plaques d'électrodes de technologies diverses (plaques frittées, plastifiées ou en mousse), destinées à des utilisations variées (véhicule électrique, batterie de secours, démarrage ferroviaire ou aéronautique). D'une manière générale, mais encore plus particulièrement pour 1' application aux véhicules électriques, on distingue trois objectifs importants: a) réduire la masse de la batterie (ou augmenter les Wh/kg), pour augmenter par exemple l'autonomie et la nervosité du véhicule. Cela entraîne des problèmes thermiques liés aux puissances spécifiques (avec des élévations de températures plus importantes), donc il est nécessaire d'améliorer les échanges thermiques. b) réduire le volume de la batterie (ou augmenter les Wh/l) pour augmenter par exemple le volume utile du véhicule. I1 est opportun de diminuer au maximum l'espace compris entre la matière active des électrodes et la partie supérieure de l'élément. c) réduire la maintenance de la batterie (supprimer les opérations de réfection des niveaux d'électrolyte). C'est pourquoi on a développé les accumulateurs dits étanches. Dans le cas de ces accumulateurs étanches, le jeu de montage entre le bac et les électrodes est rempli de gaz (conductivité de 0.01 à 0.2 W/m2 K) au lieu d'électrolyte (conductivité de 0.5 W/m2 K). Le transfert de chaleur entre les électrodes et le bac doit être assuré par un corps intermédiaire : le séparateur imbibé d'électrolyte. On connaît des séparateurs réalisés sous forme de sacs en matière fibreuse polymère (on entend ici par matière fibreuse une matière réalisée à partir de fibres, filaments ou fils, enchevêtrés ou tissés, de manière à former une structure capable d'être imprégnée d'électrolyte) dans lesquels sont placées les plaques individuellement. Selon la technique d'habillage dite en "chaussette", le sac est formé par deux feuilles assemblées le long de deux lignes verticales marginales de part et d'autre de la plaque d'électrode par soudure continue par ultrasons. Si cette technique est relativement facile à mettre en oeuvre, elle a pour inconvénient cependant de nécessiter, en hauteur au-dessus et audessous des électrodes, un dépassement de séparateur important (typiquement 6 mm en haut et en bas), afin d'éviter tout court-circuit par contact direct entre deux électrodes de polarité opposées. D'autre part, la soudure verticale sur le bord de la chaussette crée de la matière non poreuse sur une faible épaisseur. Cette épaisseur ne pouvant pas être remplie d'électrolyte, sa conductivité thermique est divisée par 2,5 : la conductance thermique du jeu entre électrodes et bac est de 0,5432 W/"K dans le cas où le séparateur touche la paroi du bac. Enfin, il n'y a pas de positionnement vertical de l'électrode par rapport au séparateur (d'où l'obligation de dépassement de séparateur en haut et en bas déjà citée et difficultés pour mettre les électrodes en vis-à-vis; on aligne en général les électrodes à l'aide d'un trou dans la tête de plaque). Un autre type d'habillage fréquemment utilisé, dit "en zig-zag", consiste à passer une bande de séparateur en accordéon horizontalement autour et entre des plaques successives. Outre que cet habillage nécessite des dépassements en haut et en bas du même ordre que l'habillage en chaussette, il présente d'autres inconvénients. Ainsi, pour maîtriser le vis-à-vis des électrodes pendant l'habillage, le pli du séparateur doit venir en contact avec l'électrode. On ne peut donc pas avoir le séparateur en contact avec la paroi plastique du bac. La conductance thermique du jeu entre les électrodes et la paroi du bac n'est que de 0,4195 W/ K. Si un dépassement latéral du pli de séparateur est cependant imposé, au risque de perdre en vis-à-vis des électrodes, ce dépassement est très difficile à maîtriser (dispersion, incertitude de toucher la paroi, difficultés pour rentrer l'accumulateur dans le bac). La conductance thermique du jeu devient alors : 0,4667 W/ K. A noter que par construction au maximum un pli d'une plaque sur deux peut toucher le bord. Enfin, de même que dans l'habillage en chaussette, il n'y a pas de positionnement vertical des électrodes par rapport au séparateur. Le but de l'invention est tout à la fois d'améliorer les échanges thermiques sans augmentation de la masse et de diminuer l'encombrement en hauteur, c'est-à-dire de satisfaire au mieux les objectifs généraux rappelés plus haut. Ce but est atteint grâce à un habillage séparateur réalisé sous forme d'un sac constitué par pliage d'une bande, la pliure couvrant la tranche supérieure de la plaque et comportant une fente de passage pour la patte de connexion de la plaque (tête de plaque). Cette solution permet un gain de hauteur en limitant le dépassement de séparateur au-dessus et audessous des électrodes. Cet habillage en "poncho" permet d'assurer le remplissage optimal du jeu entre les plaques et le bac qui les contient, par du séparateur imbibé d'électrolyte. Autrement dit les sacs séparateurs imbibés d'électrolyte sont en contact avec les parois latérales du bac et contribuent à l'amélioration du refroidissement de l'accumulateur. En alternative, on peut prévoir que les sacs restent séparés des parois latérales du bac et que le jeu soit comblé par un feutre poreux intercalaire imbibé d'électrolyte. Les positions mutuelles de la plaque et du séparateur sont bloquées par la tête de plaque insérée dans la fente, et la tranche supérieure de la plaque en butée contre la pliure du sac. En réunissant les deux plis de la bande formant le sac, après insertion de la plaque, par soudure (de préférence ponctuelle), on ferme le sac et on empêche aussi des déplacements dans un sens perpendiculaire au plan de la plaque. Les dépassements du sac par rapport à la plaque n'ont lieu que sur les trois côtés autres que la pliure et peuvent être réduits à une très faible valeur, compte-tenu du positionnement assuré de la plaque dans le sac. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante. On se référera aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 montre en plan la bande dans laquelle est découpé le sac séparateur de l'invention, - la figure 2 est un schéma en perspective illustrant l'étape d'insertion de la tête de plaque dans la fente du sac séparateur de l'invention, - la figure 3 montre en perspective une plaque habillée du sac de l'invention; - la figure 4 montre cette même plaque, de face, - la figure 5 montre de face un ensemble de plaques habillées, destiné à être placé dans un bac de batterie, - la figure 6 montre ces mêmes plaques de dessus, - la figure 7 montre en vue de dessus le bac destiné à recevoir les plaques de la figure 6. La figure 1 montre une bande 1 de matière fibreuse polymère destinée à constituer le séparateur qui sera imprégné d'électrolyte: ce peut être un feutre, un non tissé ou un tissage de polymère (un polyamide ou une polyoléfine), en une ou plusieurs épaisseurs. L'épaisseur totale est de préférence comprise entre 0,1 mm et 1 mm. La largeur de la bande 1 correspond à la largeur de la plaque 2 augmentée de quelques millimètres (dans un exemple particulier de réalisation 121 mm + 6 mm = 127 mm). On découpe dans la bande 1 un pavé 2 (ligne de découpe 3 réalisée par exemple par découpe thermique ou à ultrasons) d'une longueur égale à deux fois la hauteur de plaque plus quelques millimètres (par exemple:2 x 106 + 8 = 220 mm). On incise le milieu du pavé pour former une fente 4 dont la longueur correspond à l'embase de la tête de plaque qui devra s'y insérer (par exemple 52 mm). On insère donc (figure 2) la tête de plaque 5 de la plaque 6 dans la fente 4, et on replie en sac les deux plis 2a, 2b du pavé 2 de chaque côté de la plaque d'électrode 6, la pliure 7 du sac couvrant la tranche supérieure de la plaque 6. Les marges inférieures 8 du sac (4 mm dans l'exemple donné) peuvent être soudées en un ou plusieurs points au centre 9, ou de préférence aux extrémités 10 de la marge, par ultrasons ou par effet thermique, ou toute autre technique. Le sac 2 obtenu affecte la forme d'un poncho. I1 est bien bloqué sur la plaque 6 dans le plan de celle-ci grâce à la coopération de la fente 4 et de la tête de plaque 5, et il est bloqué dans une direction perpendiculaire à la plaque 6 grâce à la soudure de la marge inférieure 8. Le sac 2 présente aussi deux marges latérales 1 1 (ici de 3 mm). Le faisceau ou élément d'accumulateur est ensuite constitué par l'empilage d'un certain nombre de plaques alternativement positives et négatives, et dont au moins une sur deux, mais de préférence toutes, sont habillées du sac-poncho 2 de l'invention. Dans l'exemple particulier donné, l'empilage a une hauteur de 110 mm (hauteur des sacs), une largeur de 127 mm (largeur des sacs), et une épaisseur de 52 mm. La figure 6 montre l'empilage en vue de dessus, les têtes 5a des plaques positives et les têtes 5b des plaques négatives étant réunies en faisceaux. L'empilage doit venir se loger dans un bac 12 (de 52 mm de large, et 126 mm de longueur). Le bac est mono-élément ou monobloc (2 ou plus d'éléments en série). On préfère pour les monoblocs avoir l'empilage des éléments dans la direction perpendiculaire au plan des électrodes, pour des raisons de facilité pour connecter les éléments entre eux et pour reprendre de façon efficace la poussée des électrodes. Dans ce cas, il est préférable du point de vue volumique de refroidir sur les faces perpendiculaires au plan des électrodes (en général la petite face de l'élément et la grande face du monobloc). L'accumulateur est en général monté serré ou à jeu nul dans le bac dans la direction de l'épaisseur de l'empilage (la cote du bac = 52 mm, pour une cote d'épaisseur d'empilage = 52 mm). Dans l'autre direction, il n'est pas possible de monter l'accumulateur à jeu nul car on risque de détériorer le bord des électrodes. On admet en général un jeu de montage compris entre 1 et 10 mm (dans l'exemple : 5 mm) entre la cote de largeur d'électrode (121 mm) et la cote de largeur de bac (125 mm en bas et 126 mm en haut, à cause d'une dépouille de démoulage obligatoirement présente). Pour l'accumulateur étanche, ce jeu est rempli de gaz (mélange de 02, N2 et un peu de H2 dans le cas du NiMH). Comme on a majoritairement de l'oxygène et de l'azote, la conduction dans le gaz est très faible. Le poncho permet d'assurer une interférence de 1 à 2 mm entre le séparateur et le bac. Le séparateur étant imbibé d'électrolyte, le transfert de chaleur s'opère avec une grande efficacité. Dans l'exemple étudié, la conductance thermique obtenue est de 0,5804 W/ K, ce qui représente une amélioration de 107 % par rapport à l'habillage "chaussette" et 130 SO par rapport à l'habillage "zig-zag" réalisés dans les mêmes conditions. Le gain en hauteur de l'habillage "poncho" par rapport à ces deux habillages "chaussette" et "zig-zag" est d'environ 8 mm et 10 mm. L'exemple illustré dessus n'est pas limitatif. Notamment, les cotes des éléments empilés peuvent différer, généralement dans une gamme de largeurs allant de 40 à 200 mm, de hauteur allant de 50 à 200 mm, l'épaisseur de l'empilage variant entre 20 et 100 mm. REVENDICATIONS 1. Accumulateur électrique du type comportant dans un bac (12) des plaques d'électrodes (6) habillées, au moins pour certaines d'entre elles, par un séparateur (2) formé d'un sac en matière fibreuse polymère, la plaque (6) comportant sur sa tranche supérieure une patte (5) de connexion à une borne, caractérisé en ce que le sac (2) est constitué par pliage d'une bande, la pliure (7) couvrant la tranche supérieure de la plaque (6) et comportant une fente (4) de passage de la patte (5). 2. Accumulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux plis (20, 24) de la bande formant le sac (2) sont réunis par soudure (9, 10) après insertion de la plaque. 3. Accumulateur selon la revendication 2, la soudure (9, 10) est ponctuelle. 4. Accumulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le sac (2) dépasse d'une faible marge (8, 11) de la plaque (2) sur les trois côtés autres que la pliure. 5. Accumulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sacs (2) imbibés d'électrolyte sont en contact avec les parois latérales du bac (12). 6. Accumulateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les sacs (2) sont séparés des parois latérales du bac (12) par un feutre poreux intercalaire imbibé d'électrolyte.