Brevet FR2827426A1 — publié le 20030117

Générateur électrochimique à électrodes spiralées La présente invention se rapporte à un générateur électrochimique (comme par exemple une pile, un accumulateur ou un super condensateur) comprenant au moins deux électrodes spiralées disposées de part et d'autre d'un séparateur isolant électrique. L'invention peut s'appliquer aux générateurs électrochimiques primaire ou secondaire, mais elle concerne plus particulièrement les générateurs électrochimiques rechargeables notamment les accumulateurs au lithium ou les accumulateurs alcalins, en particulier du type nickel-cadmium (Ni-Cd) et nickel-métal hydrurable (Ni-MH). L'invention s'étend en outre au procédé de fabrication de ce générateur. Dans le cas des générateurs électrochimiques, le plus souvent de forme cylindrique, le faisceau électrochimique est un bobineau spiralé formé de l'enroulement de l'électrode positive et de l'électrode négative alternant avec une première et une seconde couches de séparateur. Le bobineau ainsi formé est introduit dans le godet métallique étanche cylindrique. Un couvercle, isolé du godet, est relié, généralement par soudure, à l'électrode positive par l'intermédiaire d'une connexion et forme le pôle positif, alors que l'électrode négative est reliée au fond du godet qui devient le pôle négatif. Puis on introduit dans le bobineau un électrolyte qui permet l'échange ionique. Le serrage du godet sur le couvercle par l'intermédiaire d'un joint assure l'étanchéité de l'accumulateur. Le séparateur a pour rôle de séparer physiquement les électrodes et d'isoler électriquement l'électrode positive de l'électrode négative tout en autorisant la conduction ionique au travers de ses pores imprégnés d'électrolyte. Il est essentiel d'éviter la mise en court-circuit du générateur électrochimique par contact constant ou ponctuel entre l'électrode positive et l'électrode négative. Ce contact peut s'effectuer lors du montage du générateur, il est alors décelable au moment du contrôle de fabrication, mais il survient surtout lors de l'utilisation normale du générateur en charge et décharge sous l'action des effets thermiques (dilatation) et des vibrations. Les courts-circuits entre la connexion et le haut de l'électrode sont liés a des aléas de montage tels qu'une dérive de l'électrode négative par rapport au séparateur lors du spiralage, un défaut de position du couvercle lors de la soudure de la connexion ou bien encore un défaut de pliage de la connexion lors de la fermeture du couvercle. Les courts-circuits entre l'électrode positive et l'électrode négative peuvent être dus à une poussière ou une particule de matière active détachée de l'une des électrodes. Pour diminuer ce risque, le document EP-0867 961 propose un séparateur comportant une partie qui se projette hors du faisceau et qui vient s'intercaler entre le bord des électrodes et la connexion repliée. Cette projection ou dépassement hors du faisceau est supérieure au dépassement de sécurité usuel du séparateur par rapport à l'électrode de manière à former une protection interposée entre la connexion et le faisceau. Pour un générateur spiralé, la partie qui dépasse ainsi du faisceau est localisée sur une ou plusieurs spires intérieures de l'enroulement spiralé, par exemple les deux premières spires intérieures. Vis-à-vis du risque de court-circuit connexion/électrode, cette solution a comme inconvénient de ne protéger que la partie centrale du bobineau. D'autre part elle ne diminue pas le risque de court circuit électrode/électrode, par exemple provoqué par une particule. Le document US-5,116, 698 propose un assemblage électrode/séparateur comprenant une électrode rectangulaire et deux séparateurs, dont la largeur est égale à deux fois celle de l'électrode, pliés en U longitudinalement. Le premier séparateur est placé de telle sorte que sa pliure coïncide avec l'un des bords longitudinaux de l'électrode. Le séparateur est maintenu en place par un adhésif appliqué en plusieurs endroits sur sa face interne en contact avec l'électrode. Le second séparateur comportant une fente pour le passage de la connexion est disposé en sens inverse de manière à ce que sa pliure soit le long du bord longitudinal opposé de l'électrode et qu'il recouvre le premier séparateur. Il est maintenu en place par un adhésif appliqué également sur sa face interne. Ainsi chaque tranche de l'électrode est recouverte d'un séparateur et chaque face est recouverte par deux séparateurs. L'électrode de polarité opposée est ensuite disposée sur les deux séparateurs recouvrant l'une des faces de la première électrode. L'ensemble est alors spiralé selon un axe perpendiculaire à la longueur de l'électrode pour former un bobineau qui est introduit dans le conteneur métallique. Si cette solution apporte une réponse au problème des courts-circuits électrode/électrode, elle ne diminue pas le risque de court-circuit entre la connexion de la première électrode et l'électrode de polarité opposée. Le générateur décrit dans ce document a une énergie volumique notablement réduite par la présence d"'une double couche de séparateur entre les électrodes de polarité opposée. Cet inconvénient est d'autant plus marqué que le nombre de spires est élevé c'est à dire que le générateur a une forte puissance. Enfin le procédé de fabrication est discontinu et ne peut être facilement automatisé. La présente invention a pour but de proposer une solution nouvelle pour éviter à la fois les courts-circuits connexion/électrode et électrode/électrode sans diminuer l'énergie volumique du générateur. Elle propose en outre un générateur dont la fabrication puisse être réalisée de manière continue et automatisée. L'objet de la présente invention est un générateur électrochimique comprenant un conteneur et un faisceau électrochimique spiralé formé de l'enroulement d'au moins une électrode positive et d'au moins une électrode négative alternant avec une couche de séparateur, lesdites électrodes et ledit séparateur ayant chacun la forme d'un rectangle allongé présentant deux bords longitudinaux et deux bords transversaux de longueur moindre que lesdits bords longitudinaux, caractérisé en ce que les couches de séparateur disposées de part et d'autre de l'une desdites électrodes sont fixées l'une à l'autre le long de l'un de leurs bords longitudinaux, de manière à recouvrir alternativement les bords longitudinaux opposés de ladite électrode positive et de ladite électrode négative. En parcourant l'une des sections d'extrémité du faisceau du centre vers la périphérie, on observe qu'une spire sur deux présente un recouvrement par la jonction des deux couches de séparateur, les spires recouvertes correspondant à une même polarité. Une section longitudinale du faisceau fait apparaître une disposition du séparateur de type boustrophédon. Le séparateur recouvre une polarité différente à chacune des extrémités du faisceau, ce qui a pour effet de ne laisser apparaître qu'une seule polarité accessible à chaque extrémité. Il n'y a par conséquent aucune possibilité de court-circuit ou de pollution entre des électrodes contiguës ni de contact avec les connexions, si ce n'est par transpercement du séparateur. La largeur des séparateurs est légèrement supérieure à la dimension des bords transversaux des électrodes de telle sorte que les séparateurs dépassent de l'extrémité du faisceau. Les bords des couches de séparateur, disposées de part et d'autre d'une électrode d'une même polarité, sont reliés de manière à recouvrir entièrement le bord de l'électrode. Les bords longitudinaux des couches de séparateur sont fixés l'un à l'autre notamment par collage ou soudage. Les bords longitudinaux des couches de séparateurs peuvent être fixés par exemple par thermo-soudure, par un ruban adhésif ou par dépôt d'un filet de colle. La présente invention a comme avantage de rendre plus fiable le générateur électrochimique sans augmenter son volume, ce qui est particulièrement appréciable dans le cas des éléments de forte puissance qui sont déjà volumineux. L'invention a aussi pour but de proposer un procédé de fabrication d'un générateur électrochimique qui soit simple à mettre en oeuvre et automatisable La présente invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un générateur électrochimique tel que décrit précédemment, dans lequel la fixation des bords longitudinaux des couches du séparateur l'un à l'autre s'effectue simultanément au spiralage du faisceau. Selon une première variante de réalisation, la fixation des bords longitudinaux des couches de séparateur s'effectue par application d'une résistance chauffante sur l'un des bords. La thermo-soudure est ainsi réalisée au fur et à mesure du déroulement du séparateur, juste avant son spiralage. Selon une deuxième variante de réalisation, la fixation des bords longitudinaux des couches de séparateur s'effectue par dépôt d'un ruban adhésif le long du bord. Le ruban adhésif double face est posé sur l'un des bords d'une première couche de séparateur juste avant sa rencontre avec la deuxième couche à laquelle elle s'accole Selon une troisième variante de réalisation, la fixation des bords longitudinaux des couches de séparateur s'effectue par dépôt d'un filet de colle sur le bord longitudinal de l'électrode à recouvrir. Au cours du spiralage, les couches de séparateur encadrant cette électrode viendront s'appliquer sur ce bord, et se colleront à l'électrode. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est un schéma montrant en perspective les éléments constitutifs d'un faisceau électrochimique spiralé, -la figure 2 est une vue schématique en coupe montrant la fixation des bords longitudinaux des couches de séparateurs encadrant les électrodes conformément à l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe d'un générateur incorporant l'invention (l'échelle n'est pas respectée pour permettre de mieux voir les dépassements), - la figure 4 montre schématiquement une installation permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Comme le montre la figure 1,) le faisceau électrochimique 1 est composé d'une électrode positive 2, d'une première couche de séparateur 4, d'une électrode négative 3 et d'une seconde couche de séparateur 5. Pour obtenir la disposition de ces quatre composants telle que représenté sur la figure 1, il faut bien entendu empiler ces composants dépliés et dans l'ordre décrit auparavant, puis les enrouler autour d'un mandrin 6 pour former un faisceau électrochimique spiralé ou bobineau 1. On comprend bien que de cette manière les électrodes se trouvent toujours séparées par une couche de séparateur. Selon la présente invention les bords longitudinaux respectivement 7 et 8 des couches de séparateur 4 et 5 sont fixés l'un à l'autre de manière à recouvrir le bord 9 de l'électrode négative comme le représente la figure 2. De même les bords opposés 10 et 11 des couches de séparateur 4 et 5 sont fixés l'un à l'autre de manière à recouvrir le bord 12 de l'électrode positive. Ainsi à une extrémité donnée du bobineau, seules les électrodes d'une même polarité sont accessibles. A la partie supérieure, les connexions 13 de l'électrode positive 2 peuvent être raccordées à une borne de sortie de courant. A cette extrémité, les bords longitudinaux 7 et 8 respectivement des séparateurs 4 et 5 sont fixés ensemble à cheval au-dessus du bord 9 de l'électrode négative 3 de manière à l'isoler de l'électrode positive 2 et de sa connexion 13. De même à l'extrémité inférieure du bobineau, les connexions 14 de l'électrode négative 3 sont accessibles, alors que les bords longitudinaux 10 et 11 respectivement des séparateurs 4 et 5 sont fixés ensemble à cheval au-dessus du bord 12 de l'électrode positive 2 de manière à l'isoler de l'électrode négative 3 et de sa connexion 14. Une coupe longitudinale du générateur selon l'invention est représentée sur la figure 3. Le générateur 20 comporte un conteneur cylindrique 21, contenant le faisceau électrochimique 1. La disposition en boustrophédon du séparateur est clairement visible sur cette figure. Le séparateur 4,5 recouvre alternativement le bord supérieur de l'électrode négative 3 puis le bord inférieur de l'électrode positive 2. Les connexions 22 émergeant de l'électrode positive 2 sont reliées électriquement à une pièce conductrice 23. De même les connexions 24 émergeant de l'électrode négative 3 sont reliées électriquement à une pièce conductrice 25. La liaison entre les connexions 22,24 et les pièces conductrices 23,25 est réalisée par un procédé consistant à projeter de la matière en fusion sur la section transversale de l'extrémité du faisceau électrochimique 1, une pièce conductrice 23,25 étant insérée entre les connexions 22,23 et la matière projetée afin de collecter le courant. Coté positif la matière projetée est de l'aluminium, coté négatif il s'agit de cuivre. Sur la figure 4, on a représenté schématiquement une installation 40 de préparation d'un faisceau électrochimique 1 spiralé selon l'invention. L'installation 40 comprend des moyens d'alimentation en composants à assembler se présentant sous la forme de rouleaux dont l'épaisseur est égale à la longueur du bord transversal de chaque composant. Successivement sont superposés dans cet ordre une couche de séparateur 5, une électrode négative 3, une couche de séparateur 4 et une électrode positive 2. La superposition est ensuite spiralée autour d'un mandrin 6 de manière à placer la couche de séparateur 5 à l'extérieur de l'enroulement. Selon un mode d'exécution de l'invention, l'installation 40 comprend des moyens d'approvisionnement en adhésif 41,42, qui peuvent être par exemple des réservoirs de colle liquide ou des rouleaux de ruban adhésif. Ces moyens 41 comportent un organe 43,44 permettant de déposer l'adhésif qu'ils contiennent sur les couches de séparateur 4 et 5 juste avant la superposition des composants. Selon un autre mode d'exécution non représenté, on utilise une installation analogue à celle de la figure 4, à l'exception du fait que les moyens d'approvisionnement en adhésif 41 sont remplacés par des moyen de soudure thermique. REVENDICATIONS 1. Générateur électrochimique comprenant un conteneur et un faisceau électrochimique spiralé formé de l'enroulement d'au moins une électrode positive et d'au moins une électrode négative alternant avec une couche de séparateur, lesdites électrodes et ledit séparateur ayant chacun la forme d'un rectangle allongé présentant deux bords longitudinaux et deux bords transversaux de longueur moindre que lesdits bords longitudinaux, caractérisé en ce que les couches de séparateur disposées de part et d'autre de l'une desdites électrodes sont fixées l'une à l'autre le long de l'un de leurs bords longitudinaux, de manière à recouvrir alternativement les bords longitudinaux opposés de ladite électrode positive et de ladite électrode négative. 2. Générateur selon la revendication 1, dans lequel les bords longitudinaux des couches de séparateur sont fixés l'un à l'autre par collage ou soudage. 3. Générateur selon la revendication 2, dans lequel les bords longitudinaux des couches de séparateur sont fixés l'un à l'autre par thermosoudure. 4. Procédé de fabrication d'un générateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la fixation des bords longitudinaux des couches du séparateur l'un à l'autre s'effectue simultanément au spiralage du faisceau.