CA2249473A1 - Electrode bipolaire pour accumulateur a electrolyte alcalin - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une électrode bipolaire pour accumulateurs alcalins, comportant un écran conducteur (17), un collecteur tridimensionnel (20) comportant des aspérités (23i), plaqué sur chaque face de l'écran conducteur (17), et de la matière active remplissant les collecteurs (20) pour former respectivement les électrodes positive et négative. Selon l'invention, au moins une des faces de l'écran conducteur (17) est rainurée (18i), et les collecteurs tridimensionnels (20) sont collés sur l'écran conducteur (17) par une colle non conductrice (22) stable en présence d'un électrolyte fortement alcalin et sont en contact direct avec les faces externes de l'écran conducteur (17) via les aspérités (23i) des collecteurs tridimensionnels (20).

Description

W O 98/33223 PCT~R97/00230 ELECTRODE BIPOLAIRE POUR AC~u~.u~ATEUR A ELECTROLYTE AL~T.TN
La présente invention concerne une électrode bipolaire pour accumulateur a électrolyte alcalin du type comportant un écran bipolaire, conducteur électronique, sur les faces duquel sont fixées respectivement une électrode positive et une électrode négative. Plusieurs électrodes bipolaires en contact avec un électrolyte, constituant des "éléments" de l'accumulateur, sont mises en série par l'intermédiaire de l'écran bipolaire.

La présente invention a également pour objet un accumulateur alcalin comportant au moins une électrode bipolaire selon l'invention et un procédé de fabrication d'une telle électrode.

Il est bien connu que le recours à un empilement bipolaire, c'est a dire a une collecte frontale des charges, conduit a de nombreux avantages tels que, notamment, l'obtention d'une énergie massique élevée lorsqu'il s'agit d'une batterie a haute tension (> 24 V).
En revanche, en ce qui concerne les accumulateurs alcalins tels que Ni-Cd, Ni-Hydrures, Ni-Zn, des difficultés apparaissent au niveau d'un tel mode d'assemblage.
Pour l'essentiel, ces difficultés sont liées à la réalisation d'une connexion électrique entre l'armature des électrodes et l'écran conducteur séparant l'anode de la cathode, l'ensemble constituant une électrode bipolaire.
Dans le brevet FR 2711015, il a été prévu de souder les parties marginales des électrodes (zones non remplies par les matières actives) directement sur l'écran qui, dans beaucoup de cas, est un feuillard métallique. En effet, il FEUILLE DE REMPLACEMENT (REGLE 26) .

W O 98/33223 PCT~FR97/00230 a eté observé que le compactage de la matière active dans les mousses de nickel assurant à la fois la rétention des matières actives et la collecte des charges, ne pouvait être e~fectué après la soudure des mousses sur le feuillard car il conduit à des fissures du feuillard et/ou l'arrachement des points de soudure.

Dans tous les cas, le recours à de nombreux points de soudure sur l'écran nécessite un réglage extrêmement délicat des soudures, tout dérèglement pouvant entraîner la perforation de l'écran bipolaire. Or la perforation de l'écran rend inutilisable l'electrode bipolaire et il en résulte qu'un tel procédé, bien que réalisable, est très coûteux, compte tenu des réglages fréquents et des rebuts inévitables.

Aussi plusieurs brevets, dont le brevet allemand DE-A-29 07 262, ont proposé que la connexion entre l'ecran bipolaire et l'electrode ou une structure conductrice intermédiaire soit assurée simplement par pression des zones conductrices de l'électrode sur l'écran. Une telle solution évite toute soudure mais il a été observé qu'elle conduit, après un certain nombre de cycles de charge et decharge de l'elément, à une augmentation progressive de la résistance interne de l'accumulateur, par accroissement de la valeur de la résistance de jonction entre la structure métallique de l'electrode et l'écran.

Par ailleurs, la réalisation d'accumulateurs alcalins bipolaires étanches implique que l'architecture des constituants soit telle que les phénomenes de recombinaison de l'oxygène formé en fin de charge puissent opérer avec une cinétique rapide. Pour cela, dans une electrode bipolaire telle que decrite dans le brevet DE-A-W O 98/33223 PCTA~R97/00230 29 07 262, une structure tridimensionnelle intermédiaire telle qu'une mousse ou un tamis est disposé entre la matière active des électrodes et l'écran bipolaire.

Dans ces conditions, il convient que soient résolus les problèmes de connectique évoqués précedemment, au niveau écran/structure intermediaire et structure intermédiaire/armature des électrodes.

D'autre part, le recours à l'emploi de composants supplémentaires de coût élevé tels que mousses et tamis, entraîne des couts importants.

La présente invention a pour but de pallier not~m~ent les inconvénients qui vlennent d'être décrits.

A cet effet l'invention a pour objet une électrode bipolaire pour accumulateurs alcalins, comportant un écran conducteur, un collecteur tridimensionnel comportant des aspérités, plaqué sur chaque face de l'écran conducteur, et de la matière active remplissant les collecteurs pour former respectivement les électrodes positive et négative, et au moins une des faces de l'écran conducteur est rainurée, et les collecteurs tridimensionnels sont collés sur l'écran conducteur par une colle non conductrice stable en présence d'un électrolyte fortement alcalin et sont en contact direct avec les faces externes de l'écran conducteur via les aspérités des collecteurs tridimensionnels.
Les rainures de largeur, de profondeur et d'espacement déterminés, s'étendent sur toute la face de l'écran à l'exclusion d'une marge de largeur déterminée.

W 098/33223 PCT~Rg7/00230 Selon une caractéristique de l'invention, les rainures s'étendent selon au moins deux directions differentes en communiquant les unes avec les autres.

Le collecteur tridimensionnel de chaque électrode est par exemple une mousse ou un déployé de nickel.

La colle est par exemple une résine époxy. L'ecran conducteur est par exemple un matériau metallique ou un polymère comportant une charge conductrice.

La face de l'ecran en regard de l'electrode negative est de preference recouverte d'une couche de cadmium ou de zinc d'epaisseur determinée.
Pour une electrode de zinc, la face de l'électrode, opposée à celle en contact avec l'écran conducteur, est rainuree, alors que la face de l'écran conducteur en contact de l'électrode n'est pas rainurée.
L'invention concerne en outre un accumulateur alcalin, notamment de type Ni-Cd, Ni-Hydrures, Ni-Fe, Ni-Zn, comportant au moins une électrode bipolaire selon l'invention.
L'invention concerne egalement un procéde de fabrication d'une électrode bipolaire. Il consiste :
- à enduire les faces de l'écran conducteur d'un film de colle non conductrice, - à appli~uer les aspérités des collecteurs tridimensionnels servant également d'armatures aux électrodes, sur cha~ue face externe de l'écran conducteur enduite de colle, W098/33223 PCTn~7100230 - à maintenir une pression déterminée, pendant une durée déterminée, sur les collecteurs tridimensionnels pour chasser la colle entre les aspérités des collecteurs tridimensionnels et les faces externes de l'écran conducteur, et après polymérisation de la colle, - à supprimer la pression sur les collecteurs tridimensionnels, et - à empâter les collecteur de matières actives sans que les opérations de calandrage et de compactage des électrodes ne désolidarisent les collecteurs tridimensionnels de l'écran conducteur.

D'autres avantages et caracteristiques de la presente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit faite en référence aux figures annexées qui représentent respectivement:
- les figures 1 et 2, une vue partielle d'un écran conducteur d'une électrode bipolaire selon l'invention respectivement en vue de dessus et en coupe selon l'axe A-A, - la figure 3, une vue schématique partielle, en coupe transversale d'un accumulateur alcalin, notamment un accumulateur Ni-Cd ou Ni-~ydrures comportant des électrodes bipolaires selon l'invention mises en série, - la figure 4, une vue de détail en coupe d'une électrode bipolaire selon l'invention sur laquelle sont représentés l'écran et la structure tridimensionnelle après son collage sur l'écran et avant son remplissage de matière active.
Les différentes figures sont représentées sans tenir compte des échelles des dessins.

.... . . .. . .. .. .

W O 98/33223 PCT~R97/00230 A la suite de différentes expériences effectuées dans le cadre de la présente invention il a été démontré
qu'il était possible d'assurer la connexion électrique d'un collecteur tridimensionnel telle qu~ une mousse métallique ou un deploye servant d'armature aux electrodes (notamment positives) avec l'ecran bipolaire par collage de cette mousse sur l'ecran. Les bons resultats obtenus sont inattendus dans la mesuré où le collage est effectué à
l'aide d'une colle non conductrice. Le succes du procéde résulte d'une ~ise directe en contact des aspérités du collecteur tridimensionnel, mousse métallique ou du deployé, avec l'ecran conducteur à travers un film de colle.

Pour cela, selon l'invention, une pression determinee est appliquée sur la mousse ou le deployé avant polymerisation de la colle. Cette pression doit être suffisante pour chasser la colle se trouvant interposée entre les aspérités du collecteur tridimensionnel et les faces externes de l'ecran.

Après polymérisation, on obtient, d'une part une resistance surfacique de contact tres faible (de l'ordre de 10 3 n cm2) et d'autre part, une excellente adhérence entre mousse et écran.

Pour effectuer une recombinaison rapide des gaz formés en fin de charge, il est nécessaire, d'une part de favoriser le depart de l'oxygene à partir de l'electrode positive ou il se forme et, d~autre part, de faciliter son acces a l'electrode négative sur laquelle il va se recombiner.

~ W098/33223 PCTn~7/00230 Dans ce but, la présente invention consiste à
remplacer la structure intermédiaire non remplie de matière active et située entre la masse active de l'électrode et l'écran par un rainurage de l'écran.

Les figures l et 2 illustrent un exemple de rainurage 1 sur les deux faces 2 et 3 de l'écran conducteur 4 d'une électrode bipolaire selon l'invention, respectivement suivant une vue de dessus et une vue en coupe selon l'axe A-A.

Les rainures li ont une largeur l comprise entre environ 1 et 5 mm et une profondeur P comprise entre environ 0,05 et 0,2 mm et sont distantes d'environ 5 à
12 mm.

Dans un mode de réalisation ou l'écran 4 est un écran entièrement métallique, l'épaisseur e de ce dernier ne doit pas être trop importante et, dans ces conditions, la profondeur P des rainures li ne doit pas excéder environ 0,1 mm.

Le rainurage ~ de l'écran 4 peut être réalisé
suivant une seule ou suivant plusieurs directions, par exemple, comme illustre sur les figures 1 et 2, suivant deux axes X et Y perpendiculaires, chaque rainure ~i communiquant avec les autres permettant ainsi le passage des gaz dans toutes les directions.

Les rainures li s'etendent sur toute la surface des faces 2 et 3 de l'écran conducteur 4 à l'exclusion d'une marge M d'environ 15 mm sur le pourtour de l'écran 4.

- W O 98/33223 PCT~R97/00230 Ces marges permettent la fixation de l'ecran à
l'interieur d'un élement d'accumulateur.

En outre, comme la connexion entre la mousse de l'electrode et l'ecran bipolaire n'est plus effectuée par soudure, il devient possible d'utiliser comme écran un polymère conducteur (la conduction étant, par exemple, donnée par une charge en carbone), la densité de ce materiau permettant alors d'utiliser un écran d'une epaisseur allant jusqu'à 0,5 mm. Dans ces conditions, les rainures peuvent avoir une profondeur d'environ 0,2 mm.

Bien qu'a prlori il soit envisageable d'utiliser directement un ecran en polymere conducteur, des résultats plus interessants en terme de résistance de contact sont obtenus lorsque la surface du polymere est revetue par une couche métallique de faible épaisseur (inferieure a 10 ~m).
Ainsi, pour la face de l'ecran en contact avec l'electrode positive, on revêtira préalablement celle-ci avec une couche de nickel d'environ 5 ~m d'épaisseur . Ce revêtement peut être obtenu par voie chimique (réduction de sels de Ni par l'hypophosphite) ou électrochimique.

En ce qui concerne l'electrode négative, pour des
2~ électrodes de cadmium ou d'hydrures, la face de l'ecran est par exemple rainurée de la même façon que cela a ete indiqué pour la face en contact avec l'electrode positive et revêtue par cadmiage ou zinguage afin de limiter les risques de degagement d'hydrogene.
En revanche, dans un mode de réalisation d'une electrode bipolaire selon l'invention utilisant une electrode de zinc, le rainurage de l'ecran est inopérant car les rainures sont progressivement obturées par le depôt - W O 98/33223 PCT~FR97/00230 du zinc. Dans ces conditions, afin de faciliter l'acces de l'oxygene à toute l'électrode de zinc, la face de l'électrode de zinc, opposee a celle en contact avec l'écran, est de préférence rainurée.

Dans le cas d'accumulateurs Ni-Cd ou Ni-Hydrures, le rainurage de l'écran, aussi bien du côté de l'electrode négative que de l'electrode positive, permet donc le dé~agement aise de l'oxygene sur la face des électrodes positives en regard de l'ecran conducteur et sa recombinaison sur la face des électrodes négatives en regard de l'écran conducteur. Le transport de l'oxygène d'une electrode à l'autre s'effectue dans l'espace existant entre le bord des electrodes et le séparateur et la paroi de l'élement.

En revanche, dans un mode de réalisation d'une electrode selon l'invention appliqué au cas d'accumulateurs Ni-Zn pour lesquels serait employée une membrane échangeuse d'ions séparant le compartiment anodique du compartiment cathodique, un étanchement étant réalisé dans certains cas sur tous les bords de la membrane, il convient de prévoir un mode particulier de passage des gaz.

La figure 3 illustre un exemple de mise en serie d'électrodes bipolaires 5 et 6 selon l'invention, appliquées à la réalisation d'un accumulateur notamment un accumulateur Ni-Cd ou Ni-Hydrures.

Un cadre 7 assure le maintien des électrodes 5 et 6 et l'étanchement de l'accumulateur.

Une électrode bipolaire 5 selon l'invention comporte un écran bipolaire 8 conducteur, fixé par ses ... . .... . . . ... . .. ....

W O 98/33223 PCT~Rg7/00230 extrémités 9 et 10 au cadre 7, une électrode positive 11 et une électrode négative 12 collées respectivement sur les faces de l'écran bipolaire 8 et sensiblement centrées par -rapport à ce dernier.

Dans cet exemple, la face de l'écran 8 recevant l'électrode positive ll est aménagée de rainures 13i, du meme type que celles représentées aux figures 1 et 2 par exemple, mais sur une seule face de l'écran 8.
Ces rainures 13i permettent l'évacuation de l'oxygene dégagée sur la face externe de l'électrode positive 11.

15L'électrode bipolaire 5 baigne par la base de l'ecran concducteur 10 dans une réserve d'electrolyte 14.
Les électrodes 5 et 6 sont séparées les unes des autres par un séparateur 1~.

20Le séparateur 15 est imprégné d'électrolyte et baigne par sa base dans la réserve d'électrolyte 14.

Il est pincé entre l'électrode positive 11 de l'électrode bipolaire 5 et l'electrode négative 16 de 25l'électrode bipolaire adjacente 6.

Un mode de réalisation détaillé d'une électrode bipolaire selon l'invention comportant une électrode positive du type NiOoH/Ni(OH)2 et un écran conducteur est 30décrit ci-après a titre d'exemple non limitatif en regard de la figure 4.

L'écran 17 est constitué par une plaque de polymere rendu conducteur par une charge de carbone. Le polymere est - W O 98/33223 11 PCTnPR97/00230 stable en milieu alcalin. L'épaisseur de la plaque 17, hors tout, est de 0,4 mm. Les rainures 18i situées sur la face en contact avec l'électrode positive ont une largeur de 1 mm et une profondeur de 0,2 mm. La distance entre deux rainures est de 8 mm. Le rainurage s'étend sur toute la surface de la plaque 17, à l'exclusion d'une marge M de 15 mm représentée sur les figures 1 et 2, située sur tout le pourtour de la plaque 20, ladite marge M, étant destinée à l'étanchement de l'accumulateur.
La face rainurée est recouver~e d'une couche de nickel 19, sauf sur les marges M, l'épaisseur du dépôt de Ni étant de 5 ~m. La plaque 17 dans sa partie rainurée a une surface de 200 mm x 200 mm, soit 4 dm2.
La mousse de nickel 20 est constituée par une plaque dont l'epaisseur est de 2,2 mm et les dimensions externes 195 mm x 195 mm. L'ouverture de ses alvéoles 21i est de l'ordre de 0,25 mm, correspondant au produit ppi 125 commercialisé par la Société Nitech sous le nom MN 090.

La colle utilisée est une résine époxy, sta~le en milieu alcalin, telle que le produit Scotchweld de la Société 3 M. Elle est fluidifiée par un solvant approprié
(par exemple l'acétone) de telle sorte que l'enduction de la surface externe de l'écran 17 rainuré conduise au dépôt d'un film de colle 22 représenté en trait fort sur la figure, dont l'épaisseur n'excedera pas 50 ~m, tout en étant au moins égale a 10 ~m.
La mousse de nickel 20 repose sur les parties externes de l'écran 17, c'est-à-dire sur les parties externes des rainures 18i, via ses asperites 23i.

La plaque de mousse 20 de Ni est appliquée sur la face de l'écran 17 enduite de colle 22 en maintenant pendant au moins 0,5 heure une pression comprise entre 1,3 et l,8 kg/cm2. A la température ambiante, la polymérisation s'effectue en 6 heures. Un chauffage sous rampe infrarouge permet d'effectuer plus rapidement cette operation. Après polymerisation, on peut supprimer la pression. Il est ensuite possible d'effectuer l'enduction de la mousse 20 par la matière active (non représentée) sans que les operations de ca~andrage et de compactage désolidarise la mousse 20 de l'ecran.

Claims (12)

REVENDICATIONS
1. Electrode bipolaire pour accumulateurs alcalins, comportant un écran conducteur (17), un collecteur tridimensionnel (20) comportant des aspérités (23i), plaqué
sur chaque face de l'écran conducteur (17), et de la matière active remplissant les collecteurs (20) pour former respectivement les électrodes positive et négative, caractérisé en ce qu'au moins une des faces de l'écran conducteur (17) est rainurée (18i), et en ce que les collecteurs tridimensionnels (20) sont collés sur l'écran conducteur (17) par une colle non conductrice (22) stable en présence d'un électrolyte fortement alcalin et sont en contact direct avec les faces externes de l'écran conducteur (17) via les aspérités (23i) des collecteurs tridimensionnels (20).
2. Electrode bipolaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rainures (18i) de largeur, de profondeur et d'espacement déterminés, s'étendent sur toute la face de l'écran (17) à l'exclusion d'une marge (M) de largeur déterminée.
3. Electrode bipolaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que les rainures (18i) s'étendent selon au moins deux directions (X, Y) différentes en communiquant les unes avec les autres.
4. Electrode bipolaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le collecteur tridimensionnel (20) de chaque électrode est une mousse ou un déployé de nickel.
5. Electrode bipolaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que la colle (22) est une résine époxy.
6. Electrode bipolaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écran conducteur (17) est un matériau métallique.
7. Electrode bipolaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écran conducteur (17) est un polymère comportant une charge conductrice.
8. Electrode bipolaire selon les revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que la face de l'écran (17) en regard de l'électrode négative est recouverte d'une couche (19) de cadmium ou de zinc d'épaisseur déterminée.
9. Electrode bipolaire selon la revendication 7, caractérisé en ce que la face de l'écran conducteur (17) en regard de l'électrode positive est recouverte d'une couche (19) de nickel d'épaisseur déterminée.
10. Electrode bipolaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que pour une électrode de zinc, la face de l'électrode, opposée à celle en contact avec l'écran conducteur (17), est rainurée, et en ce que la face de l'écran conducteur (17) en contact de l'électrode n'est pas rainurée.
11. Accumulateur alcalin ,notamment de type Ni-Cd, Ni-Hydrures, Ni-Fe, Ni-Zn, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une électrode bipolaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
12. Procédé de fabrication d'une électrode bipolaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il consiste :
- à enduire les faces de l'écran conducteur (17) d'un film de colle (22) non conductrice, - à appliquer les aspérités (23i) des collecteurs tridimensionnels (20) servant également d'armatures aux électrodes, sur chaque face externe de l'écran conducteur (17) enduite de colle (22), - à maintenir une pression déterminée, pendant une durée déterminée, sur les collecteurs tridimensionnels (20) pour chasser la colle (22) entre les aspérités (23i) des collecteurs tridimensionnels (20) et les faces externes de l'écran conducteur (17), et après polymérisation de la colle (22), - à supprimer la pression sur les collecteurs tridimensionnels (20), et - à empâter les collecteur (20) de matières actives sans que les opérations de calandrage et de compactage des électrodes ne désolidarisent les collecteurs tridimensionnels (20) de l'écran conducteur (17).
CA002249473A 1997-01-24 1997-02-05 Electrode bipolaire pour accumulateur a electrolyte alcalin Abandoned CA2249473A1 (fr)

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