Brevet FR2749705A1 — publié le 19971212

La présente invention concerne un ensemble à électrodes enroulées et plus particulièrement un tel ensemble présentant les avantages consistant en ce qu'il est protégé contre un court-circuitage, que le volume d'emballage est réduit, que son assemblage est amélioré, que sa durabilité et sa capacité sont accrues et que le pourcentage de fabrication de bons produits est accru, comme par exemple une pile cylindrique ou un condensateur. 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 est soit alcaline, solide ou non aqueuse. La forme d'une pile ou d'une batterie peut être de 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, 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 4 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 LaNi,, MmNi5, un alliage Ti-Fe ou Ti-Ni, un séparateur 17 qui est formé d'un non tissé pour empêcher un court-circuitage de la cathode 13 et de l'anode 15, un pot 12 constitué d'une bague isolante 27 et d'une plaque isolante 29, une plaque formant couvercle 25 formée d'un capuchon 19, une garniture d'étanchéité 21 et un évent de sécurité 23. Le pot 12 sert de borne négative et la plaque formant couvercle 25 sert de borne positive. Le procédé pour fabriquer une pile cylindrique à nickel-hydrogène est le suivant. Avant l'assemblage, on fabrique une cathode en déposant une pâte 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 d'un matériau à effet négatif, en la faisant sécher et en l'appliquant par laminage sur un support métallique. On dispose un séparateur 17 entre la cathode 13 et l'anode 15 et on enroule l'ensemble en spirale et on introduit cet ensemble dans un pot 12. On introduit l'électrolyte dans le pot 12. On scelle la pile de manière étanche en sertissant la plaque formant couvercle 25 sur la partie supérieure du pot 12. 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 -t Cathode: Ni(OH)2 + OH NiOOH + H20 Décharge Charge -t 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, identifié comme étant un groupe AB5 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. Le procédé pour fabriquer une pile cylindrique à nickel-hydrogène, qui possède le fonctionnement et la structure indiqués précédemment est le suivant. La figure 1A, qui est annexée à la présente demande, représente un ensemble d'électrodes, dans lequel une cathode 13 et une anode 15 sont enroulées en spirale moyennant l'interposition d'un séparateur entre ces deux électrodes, et ce grâce à l'utilisation d'un mandrin 11. On insère alors l'ensemble mentionné précédemment dans un pot et on introduit un électrolyte dans ce pot. Cependant, le séparateur 17 occupe un espace conséquent et on ne peut introduire qu'une quantité limitée d'électrolyte dans le pot, ce qui réduit la capacité d'une pile utilisant un tel ensemble. Un autre problème de la pile mentionnée précédemment peut être vu dans le fait que le séparateur 17 peut se rompre pendant le processus d'enroulement, en court-circuitant ainsi la cathode 13 et l'anode 15. Pour résoudre le problème de court-circuitage mentionné précédemment, on a développé, comme représenté sur la figure 2 annexée à la présente demande, une technique consistant à placer un séparateur supplémentaire 31 au niveau de la partie de départ des deux électrodes. Bien que le séparateur supplémentaire 31 réduise la probabilité de rupture du séparateur 17 et du court- circuitage de la cathode 13 et de l'anode 15, la capacité de la pile est fortement réduite étant donné que le séparateur supplémentaire 31 occupe un espace additionnel. Le défaut mentionné précédemment apparaît dans tous les types d'ensemble à électrodes enroulées y compris une pile cylindrique et un condensateur cylindrique, ainsi que, comme indiqué précédemment, une pile cylindrique à nickel- hydrogène. Pour résoudre les problèmes de la technique classique décrite ci-dessus, un but de la présente invention est de fournir une pile comprenant une cathode; une borne positive reliée à ladite cathode; une anode; une borne négative reliée à ladite anode; une séparateur disposé entre ladite cathode et ladite anode; un électrolyte. L'invention est caractérisée par le fait qu'il est prévu un élément de séparateur s'étendant à partir d'un axe d'enroulement jusqu'à sensiblement la partie initiale de ladite cathode. 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. Pour éliminer le problème de la technique classique décrite précédemment, un but de la présente invention est d'indiquer un procédé pour fabriquer un ensemble à électrodes enroulées, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: fabriquer une 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; fabriquer 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, disposer un séparateur entre ladite cathode et ladite anode, insérer un élément de séparateur qui s'étend à partir de l'axe d'enroulement sensiblement jusqu'à la partie initiale de ladite cathode, enrouler ensemble ladite cathode, ladite anode, ledit séparateur et ledit élément de séparateur ensemble, insérer l'ensemble enroulé formé par ladite cathode, ladite anode, ledit séparateur et ledit élément de séparateur, dans un pot; injecter un électrolyte dans ledit pot, et monter un ensemble formant capuchon sur l'ouverture dudit pot. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1A est un schéma montrant une pile cylindrique classique à nickel-hydrogène avant le processus d'enroulement; - la figure lB est un schéma représentant une pile cylindrique classique à nickel-hydrogène au cours du processus d'enroulement; - la figure 2A est un autre schéma montrant une pile cylindrique classique à nickel-hydrogène avant un processus d'enroulement; - la figure 2B est un autre schéma montrant une pile cylindrique classique à nickel-hydrogène au cours du processus d'enroulement; - la figure 3A est un schéma représentant une pile cylindrique à nickel-hydrogène avant le processus d'enroulement, selon une première forme de réalisation de la présente invention; - la figure 3B est un schéma représentant une pile cylindrique à nickel-hydrogène pendant le processus d'enroulement, selon une première forme de réalisation de la présente invention; et - la figure 4 est une illustration d'une structure d'une pile. 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 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 les deux côtés d'un séparateur 17 ayant pour dimensions 263 x 38 x 0,15 mm. On a disposé sur une face du séparateur 17 dirigée vers la cathode 13 un élément de séparateur 41 ayant pour dimensions 26 x 38 x 0,15 mm, dimensions suffisantes pour que cet élément de séparateur s'étende depuis la partie initiale de la cathode 13 jusqu'au mandrin 11. Après avoir enroulé la cathode 13, l'anode 15 et le séparateur 17 et l'élément de séparateur 41 autour du mandrin 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 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 cathode 15 ayant pour dimensions 149 x 35 x 0,40 mm des deux côtés d'un séparateur 17 ayant pour dimensions 263 x 38 x 0,15 mm. Après avoir enroulé la cathode 13, l'anode 15 et le séparateur 17 autour du mandrin 11, on a introduit l'ensemble enroulé dans un pot. On a injecté l'électrolyte et on a effectué l'assemblage et la mise en forme pour fabriquer 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 0,73 mm sur les deux côtés d'un séparateur 17 ayant pour dimensions 263 x 38 x 0,15 mm. On a disposé un séparateur supplémentaire 31 ayant pour dimensions 149 x 35 x 0,15 mm, dimensions suffisantes pour que ce séparateur recouvre les parties initiales de la cathode 15 et de l'anode 15, sur une face du séparateur 17 dirigée la cathode 13. Après avoir enroulé la cathode 13, l'anode 15, le séparateur 17 et le séparateur supplémentaire 31 autour du mandrin 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 fabriquer une pile. Le tableau ci-dessous indique les résultats de la mesure du volume d'une pile, 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 1647 3,3 10 250 Exemple comparatif 1500 33 150 200 Exemple comparatif 2 1727 3,1 10 200 Comme indiqué dans le tableau ci-dessus, le volume de la pile pourvue d'un élément de séparateur 41 conformément à la présente invention est réduit d'une valeur maximale de 4,6 % par rapport à une pile comportant un séparateur supplémentaire 31 conformément à l'exemple comparatif 2. Par conséquent, l'espace interne de la pile est accru au maximum de 22 % 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. Le taux de défaillance d'enroulement de la pile selon la présente invention a été réduit de plus de 30 % par rapport à un séparateur supplémentaire classique 31. Comme indiqué précédemment, la qualité de la pile selon la présente invention est excellente en raison de l'espace interne plus conséquent, d'un plus grand volume pour l'injection d'un électrolyte, d'une pression interne de gaz plus faible et d'une durabilité nettement plus élevée que ceux d'une pile classique. Comme indiqué précédemment, dans le séparateur conforme à la présente invention il ne peut se produire aucun court-circuit, le volume d'emballage est réduit et le pourcentage d'enroulement défectueux est réduit, et la capacité est accrue. Il en résulte que la durabilité et le pourcentage de fabrication de bons produits sont accrus. L'effet fourni par la présente invention peut être appliqué à un ensemble à électrodes enroulées par exemple on 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 environnements et que l'on peut y apporter des changements ou modifications tout en restant dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Ense...be à es enroulées, caractérisé en ce qu'il comporte: une cathode (13); une borne positive reliée à ladite cathode; une anode (15); une borne négative reliée à ladite anode; une séparateur (17) disposé entre ladite cathode et ladite anode; un électrolyte; caractérisé en ce qu'il est prévu un élément de séparateur (41) s'étendant à partir d'un axe d'enroulement jusqu'à sensiblement la partie initiale de ladite cathode (13). 2. Ensemble à électrodes enroulées selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ensemble à électrodes enroulées (13, 15, 17, 41) est une pile cylindrique ou un condensateur cylindrique. 3. Ensemble à électrodes enroulées selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ensemble à électrodes enroulées (13, 15, 17, 41) est une pile cylindrique à nickel-hydrogène. 4. Procédé pour fabriquer un ensemble à électrodes enroulées, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: fabriquer une cathode (13) 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; fabriquer une anode (13) 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; disposer un séparateur (17) entre ladite cathode et ladite anode; insérer un élément de séparateur (41) qui s'étend à partir d'un axe d'enroulement jusqu'à sensiblement la il partie initiale de ladite cathode (13); enrouler ensemble ladite cathode (13), ladite anode (15), ledit séparateur (17) et ledit élément de séparateur (41); insérer l'ensemble enroulé formé par ladite cathode, ladite anode, ledit séparateur et ledit élément de séparateur, dans un pot; injecter un électrolyte dans ledit pot; et monter un ensemble formant capuchon sur l'ouverture dudit pot.