Brevet FR2771218A1 — publié le 19990521

GÉNÉRATEUR ÉLECTROCHIMIQUE CYLINDRIQUE AU LITHIUM A RACCORDEMENT ÉLECTRIQUE AMÉLIORÉ DU FAISCEAU ÉLECTROCHIMIQUE SPIRALÉ La présente invention concerne les générateurs électrochimiques cylindriques au lithium, par exemple de type LiXC6, LixCoO2, LiXNiO2, ou LixMnO2, notamment les générateurs utilisés dans les véhicules électriques. Un générateur électrochimique cylindrique comporte deux électrodes, respectivement positive et négative, encadrant un séparateur et spiralées pour former un bobineau à au moins une extrémité duquel est prévu un dispositif pour le raccordement électrique à une borne de sortie de courant, chaque électrode comprenant un support conducteur bidimensionnel dont au moins une face est revêtue d'une pâte contenant la matière électrochimiquement active. De façon classique pour les générateurs au lithium, on soude sur le support de chaque électrode une languette collectrice raccordée à une borne. Pour des générateurs de forte puissance, une seule languette est insuffisante. Une solution est de souder plusieurs languettes, mais le grand nombre de connexions affectées à la collecte du courant ralentit la fabrication et est un frein à l'industrialisation en série. Dans les accumulateurs Ni-Cd cylindriques, le support d'électrode est un feuillard en acier nickelé d'environ 0,2 mm d'épaisseur. I1 n'y a pas de difficultés particulières à souder directement sur la tranche du feuillard une pièce reliée électriquement à la borne. En revanche, dans les générateurs au lithium concernés par l'invention, le support de l'électrode positive est généralement un feuillard d'aluminium mince d'épaisseur inférieure à 50ym et celui de l'électrode négative est un feuillard de cuivre mince d'épaisseur inférieure à 50pu. De telles minceurs n'offrent pas la résistance mécanique nécessaire à la réalisation de soudures fiables sur la tranche. Selon une technique non spécifique aux générateurs au lithium illustrée dans les documents JP-A-59 194 351 et JP A-57 191 965, on incorpore un conducteur linéaire dans l'électrode spiralée et on lui relie une languette conductrice connectée à la borne. Selon le document JP-A4324248, la languette collectrice est soudée à un bord dénudé et replié sur lui-même de l'électrode spiralée. Selon l'enseignement des documents JP-A-07 006 749 et EP-A-0 029 925, le raccordement électrique s'effectue par l'intermédiaire d'un disque, disposé sur la tranche du bobineau, sur lequel sont fixées les languettes de connexion émergeant du faisceau spiralé. En ce qui concerne des techniques développées dans le cadre d'électrodes planes (non spiralées), souvent réalisées en matériau tridimensionnel épais (feutre de fibres frittées, support mousse, etc.), on a proposé de fixer sur le bord du support d'électrode une profilé de feuillard métallique sur laquelle est fixée la connexion électrique (cf. documents JP-A-62 219 462 ou GB-A-1 302 550). Aucune solution entièrement satisfaisante n'a été cependant proposée, à la connaissance de la Demanderesse, dans le cadre spécifique des générateurs cylindriques au lithium à électrolyte non aqueux. Le but de la présente invention est de proposer une telle solution, qui soit facilement industrialisable. L'invention a pour objet un générateur électrochimique cylindrique au lithium, comportant deux électrodes respectivement positive et négative encadrant un séparateur, et spiralées pour former un bobineau à au moins une extrémité duquel est prévu un dispositif pour le raccordement électrique à une borne de sortie de courant, chaque électrode comprenant un support conducteur bidimensionnel dont au moins une face est revêtue d'une pâte contenant la matière électrochimiquement active, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend - un profilé conducteur, dont l'épaisseur est au moins égale à celle dudit support, fixé sur un bord longitudinal dépourvu de pâte dudit support, - un disque conducteur plan fixé sur la tranche dudit support une fois spiralé du côté dudit bord portant ledit profilé, ledit disque étant relié électriquement à ladite borne. En pratique, le support mince d'électrode a une épaisseur inférieure à 50ym, et de préférence de l'ordre de 10 à 30 ym. Le profilé épais a par exemple une épaisseur de l'ordre de 100 ssm. La faible épaisseur du feuillard vis à vis de la couche de matière active laisse subsister un interstice entre deux spires successives. Lors de la soudure, des particules fines peuvent s'introduire dans cet interstice et provoquer des courts-circuits. De manière particulièrement avantageuse, l'épaisseur du profilé correspond sensiblement à l'interstice entre spires successives du bobineau, de sorte que le bobineau enroulé présente une face transversale sensiblement pleine, sur laquelle il est plus facile de venir disposer et fixer la surface conductrice plane. Le profilé est de préférence fixé sur une largeur d'environ lmm du bord longitudinal. Avantageusement, le profilé est soudé au bord longitudinal pour assurer un contact électrique plus fiable. Le profilé est réalisé dans un métal de même nature que le support d'électrode auquel il est associé. Par exemple le support de l'électrode positive étant en aluminium, on choisira de préférence un profilé en alumunium afin d'assurer la compatibilité des matériaux. De même le support de l'él-ectrode négative étant en cuivre, on choisira de préférence un profilé en cuivre mais on pourra aussi utiliser un profilé de nickel. Selon un premier mode de réalisation, le profilé est constitué par les deux ailes d'un même ruban plié longitudinalement et fixé à cheval sur le bord du support. Chaque aile à une épaisseur qui représente la moitié de l'épaisseur totale du profilé. Selon un second mode de réalisation, le profilé a une section rectangulaire et est fixé d'un seul côté dudit bord longitudinal. La face transversale du bobineau peut former ainsi une surface sensiblement pleine, facilitant la fixation du disque conducteur. Dans les deux modes de réalisation, mais plus facilement dans le second, le profilé peut être fixé audit bord au moment même du spiralage. Selon une forme d'exécution particulière, le disque collecteur est serré par vissage contre la face transversale du bobineau. Celui-ci est formé autour d'un noyau central comportant au moins une pièce isolante de vissage à au moins l'une de ses extrémités. La borne est vissée dans la pièce isolante pour serrer le disque contre la face transversale située à une des extrémités du bobineau. Le disque métallique collecteur peut faire éventuellement corps avec la borne ou être relié à celle-ci. La borne et ledit disque peuvent être réalisés d'un seul tenant pour constituer une pièce unique, ou bien au contraire être réalisés séparément. Avantageusement, ledit disque est soudé (par laser, ultra-sons, ou soudure électrique) sur ledit profilé pour rendre la liaison électrique plus fiable. Cette soudure peut aussi bien être pratiquée après vissage. A cet effet, le disque comporte au moins une zone amincie pour la soudure sur ledit profilé. Par ailleurs, ledit disque comporte au moins une perforation destinée d'une part à laisser passer l'électrolyte lors du remplissage et d'autre part à l'équilibrage des pressions à l'intérieur du conteneur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de deux modes particuliers de réalisation, pour laquelle on se réfèrera aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une coupe transversale partielle d'une électrode montrant un bord du support dépourvue de matière active - la figure 2 est une coupe transversale analogue de la même électrode dont le bord est coiffée d'un profilé conforme à un premier mode de réalisation de l'invention - la figure 3 est une vue de dessus de l'électrode de la figure 2 - la figure 4 est une coupe longitudinale d'un bobineau d'électrodes conformes à l'invention spiralées et associées à deux disques conducteurs - les figures 5 et 6 montrent de face les deux disques conducteurs associées respectivement à la borne positive et à la borne négative du générateur électrochimique - la figure 7 montre en perspective une électrode dont le bord porte un profilé de renfort et de remplissage conforme à un second mode de réalisation de l'invention - la figure 8 montre en coupe longitudinale part~ieRDe l'extrémité d'un bobineau formé avec deux électrodes conformes à la figure 7 - la figure 9 montre en perspective l'extrémité d'un bobineau formé avec deux électrodes conformes à la figure 7, et le disque conducteur qui lui est associé. L'électrode 1 est constituée d'une couche 2 contenant la matière active, déposée sur les deux faces d'un support collecteur métallique 3 très mince et donc fragile (déchirable notamment) . Pour l'électrode positive d'un générateur au LiNiO2, le support est en aluminium et son épaisseur est de l'ordre de 20ym ; pour l'électrode négative, le support est en cuivre et son épaisseur est de l'ordre de 12ym à 20m. L'épaisseur de l'électrode 1 est par exemple de l'ordre de 0,23mm à 0,25mm. Le bord 4 du support 3 de l'électrode 1 destiné à la connexion avec sa borne respective est laissé sans matière active ou est débarrassé de la matière active sur ses deux faces sur environ 4mm. On peut alors y rapporter un profilé 5 constituée d'un feuillard épais en U, plié et disposé à cheval sur le bord longitudinal du support 3 de l'électrode 1 où il est fixé, par exemple par des soudures par points 6 ou par soudure continue à la molette, ou encore par soudure ultrasonique. Le profilé est un feuillard en aluminium ou en nickel selon qu'il coiffe l'électrode positive ou négative. L'épaisseur de ce feuillard est par exemple de 0,05mm, ce qui augmente l'épaisseur totale du bord du support de 0,lmm : l'épaisseur du bord de l'électrode positive passe donc de 20pm à 120ym, et celle de I électrode négative atteint 112ym à lZ0ym. De telles épaisseurs deviennent compatibles avec une soudure sur la tranche, qu'elle soit électrique, au laser ou par ultrasons. De manière classique les deux électrodes, respectivement positive et négative, séparées par un film de polypropylène (le séparateur a par exemple une épaisseur d'environ 25m), sont enroulées autour d'un noyau central 7 pour former un bobineau 8 d'électrodes. Aux extrémités du bobineau 8 dépassent respectivement le bord du support portant le profilé spiralée 5+ et 5- des électrodes 1 positive et négative. Afin de collecter le courant sur les profilés 5, on serre contre les extrémités du bobineau 8 deux rondelles ou disques collecteurs 9+ et 9- respectivement au moyen des bornes 10+ et 10- qu'on visse sur une pièce isolante 11 filetée (par exemple en polypropylène), elle-même vissée dans le noyau 7 de chaque côté. Les bornes 10+ et 10peuvent être d'un seul tenant avec les disques 9+ et 9-. Le disque 9+ est en cuivre nickelé et le disque 9- est en aluminium. Les disques 9+ et 9- comportent des zones radiales 12 amincies permettant la soudure au laser de ces zones sur les tranches des électrodes (i.e. sur les profilés 5+ ou 5-). Afin de donner un ordre de grandeur, les disques 9+ et 9ont par exemple une épaisseur de l'ordre de 0,3mm à lmm, et les zones amincies ont une épaisseur de 0,lmm à 0,5mm. Par ailleurs, le disque supérieur 9+ comporte des perforations 13 entre les zones 12 amincies de façon à permettre le remplissage en électrolyte quand le bobineau a été mis dans son boîtier. Les figures 7 à 9 illustrent un second mode de réalisation de l'invention. On y retrouve une électrode 1' dont le feuillard collecteur 3' est recouvert de matière active 2', sauf sur un bord 4' sur lequel est soudé d'un seul côté un profilé 5' de section rectangulaire. La hauteur e de profilé sur laquelle le profilé 5' est soudé est d'environ lrnm. Le profilé 5' est soudé au bord du support pendant le spiralage (dans le sens de la flèche de la figure 7) et on prévoit un léger décalage longitudinal entre l'enroulement d'électrode négative 2'-, 3'-, et l'enroulement d'électrode positive 2'+, 3'+, dont les spires sont séparées des spires du premier enroulement par les couches de séparateur 17' (cf. fig.8). Ce décalage longitudinal permet que le profilé 5'-, dont l'épaisseur E est voisine de l'épaisseur de deux électrodes et de leurs séparateurs, remplisse l'intervalle entre deux spires de même polarité, de sorte qu'après enroulement simultané des deux électrodes de polarité opposée, comme représenté sur les figures 8 et 9, le bobineau 8' présente à son extrémité une face 14', sinon pleine, du moins assez consistante pour qu'on puisse y souder aisément le disque 9' de la borne 10'. Sur la figure 9, on a représenté en pointillés la ligne 15' de démarcation de la matière active 2', et la ligne 16' marquant le début du profilé 5'. REVENDICATIONS 1./ Générateur électrochimique cylindrique au lithium, comportant deux électrodes (1, 1') respectivement positive et négative encadrant un séparateur, et spiralées pour former un bobineau (8, 8') à au moins une extrémité duquel est prévu un dispositif pour le raccordement électrique à une borne (10, 10') de sortie de courant, chaque électrode (1, 1') comprenant un support conducteur bidimensionnel (3, 3') dont au moins une face est revêtue d'une pâte contenant la matière électrochimiquement active (2, 2'), caractérisé en ce que ledit dispositif comprend - un profilé conducteur (5, 5'), dont l'épaisseur est au moins égale à celle dudit support, fixé sur un bord longitudinal (4, 4') dépourvu de pâte dudit support (3, 3'), - un disque conducteur plan (9, 9') fixé sur la tranche dudit support (3, 3')une fois spiralé, du coté dudit bord (4, 4') portant ledit profilé (5, 5'), ledit disque étant relié électriquement à ladite borne (10, 10'). 2./ Générateur selon la revendication 1, dans lequel ledit support a une épaisseur inférieure à 50pu. 3./ Générateur selon la revendication 2, dans lequel ledit support a une épaisseur comprise entre 10pm et 30m. 4./ Générateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit profilé a une épaisseur de l'ordre de 100pu. 5./ Générateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit profilé a une épaisseur de l'ordre de la largeur de l'interstice entre deux spires successives du bobineau. 6./ Générateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit profilé est fixé audit bord sur une largeur d'environ lmm. 7./ Générateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit profilé est soudé audit bord. 8./ Générateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit profilé est réalisé dans un métal de même nature que ledit support. 9./ Générateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le profilé est constitué par les deux ailes d'un ruban plié longitudinalement et fixé à cheval sur ledit bord. i0./ Générateur selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel ledit profilé a une section rectangulaire et est fixé d'une seul côté dudit bord. 11./ Générateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit profilé est fixé audit bord au moment du spiralage du bobineau. 12./ Générateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit disque est serré par vissage contre la face transversale dudit bobineau. 13./ Générateur selon la revendication 11, dans lequel ledit bobineau (8) est formé autour d'un noyau central (7) comportant au moins une pièce isolante (11) de vissage à au moins l'une de ses extrémités. 14./ Générateur selon la revendication 12, dans lequel ladite borne (10) est vissée dans ladite pièce isolante (11) pour serrer ledit disque (9). 15./ Générateur selon la revendication 13, dans lequel ladite borne et ledit disque constitue une pièce unique. 16./ Générateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit disque est soudé sur ledit profilé. 17./ Générateur selon la revendication 15, dans lequel ledit disque comporte au moins une zone amincie (12) pour la soudure sur ledit profilé (5). 18./ Générateur selon l'une des revendications 15 et 16, dans lequel ledit disque (9) comporte au moins une perforation (13).