FR2466870A1 - Lead-acid accumulator with tapered plates - may be stepped or continuously tapered away from electrodes, and contain diagonal matrix of wires holding active material - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention se rapporte aux plaques de batterie d'accumulateurs au plomb, et concerne plus particulièrement la distribution de la matière active sur ces plaques afin d'en obtenir un meilleur rendement. The present invention relates to lead acid battery plates, and relates more particularly to the distribution of the active material on these plates in order to obtain a better yield.
La capacité d'une batterie est généralement mesurée par le nombre des Ampères-heures qu'elle peut délivrer sous une certaine intensité de décharge, avant que la tension aux bornes ne passe au-dessous d'une valeur prédéterminée (c'est-à-dire la tension de coupure). The capacity of a battery is generally measured by the number of Ampere-hours it can deliver under a certain discharge intensity, before the terminal voltage falls below a predetermined value (i.e. - say the cut-off voltage).
Quand la tension aux bornes tombe au-dessous de cette tension de coupure, la batterie est considérée comme com plètement déchargée bien qu'en fait il subsiste dans les plaques une quantité considérable de matière active qui n'a pas réagi. Le rapport entre la quantité de matière active qui a réagi et la quantité de matière active initialement présente est le rendement en utilisation de la matière active (souvent appelée "coefficient d'utilisation).When the terminal voltage falls below this cut-off voltage, the battery is considered to be completely discharged, although in fact a considerable amount of unreacted active material remains in the plates. The ratio between the quantity of active material which has reacted and the quantity of active material initially present is the yield in use of the active material (often called "coefficient of use").
Une mesure commode de la quantité de matière active qui a réagi est le nombre des Ampères-heures délivrés par gramme de matière active pour une intensité de décharge donnée et une tension de coupure donnée. En générai, le reste de matière active qui n'a pas réagi (c'està-dire sur la base de la totalité de la plaque) dépasse la matière qui a réagi à la fin de la décharge. Par conséquent, des rendements inférieurs à 50% sont courants. A convenient measure of the amount of active material that has reacted is the number of Ampere-hours delivered per gram of active material for a given discharge intensity and a given cut-off voltage. In general, the rest of the active material which has not reacted (that is to say on the basis of the entire plate) exceeds the material which reacted at the end of the discharge. Therefore, yields below 50% are common.
Le rendement dtutilisation de la matière active varie en fait sur la surface de la plaque. A cet egard, la matière active plus proche des collecteurs de courant tend ? être utilisée avec un meilleur rendement que la matière active plus éloignée de ces collecteurs. Ce phénomène est dû apparemment, au moins en partie, à la chute de tension dans la plaque entre le collecteur de courant et les zones plus éloignées du collecteur, entraînant us distribution non uniforme du courant sur la surface de la plaque. Par conséquent, les zones de la plaque plus éloignées du collecteur, conduisent des courants de charge et de décharge moins intenses tandis que les zones plus voisines du collecteur de courant conduisent davantage de courant de charge et de décharge.Une autre raison à l'utilisation non uniforme dans la plaque est Je fait que le sulfate de plomb formé pendant la décharge, et pendant les périodes de repos augmente la résistance électrique et réduit la porosité de la matière active là où il se forme dans la plaque. L'augmenttion de la résistance réduit l'intensité du courant et la diminution de la porosité gène la diffusion de l'électrolyte dans la plaque, ces deux effets combinés conduisant à une mauvaise utilisation de la matière dans les zones de la grille ou la formation de sulfate est importante.De plus, la résistance de 1 'électrolyte lui-merie varie quand la bat terie se charge et se décharge et, en fait, cette résistance est différente à des niveaux différents dans la batterie, c 'est-à-dire du haut en bas, en raison de la stratification de l'électrolyte. Etant donné que le poids spécifique de l'électrolyte varie, il se produit une stratiFication. L'.acide plus'lourda et plus visqueux stagne au fond de la batterie. Cet acide plus visqueux est non seulement moins apte à pénétrer la matière active dans les zones les plus basses de la batterie, mais en outre, la teneur plus élevée en acide favorise une plus importante sulfatation de la surface de la plaque.La surface davantage sulfatée près du fond de la batterie tend a isoler le centre de la plaque (dans la direction de son épaisseur) de la réaction avec ltacide. Enfin, le mauvais rendement d'utilisation dans les zones inférieures d'une plaque peut résulter du dépôt entre les plaques, au fond de la batterie, de matière active détachée de la surface des plaques. Cette matière détachée des plaques se dépose près du fond de la batterie empêche la circulation libre de l'électrolyte dans cette région.The efficiency of use of the active ingredient in fact varies over the surface of the plate. In this regard, the active ingredient closer to the current collectors tends? be used with a better yield than the active material further from these collectors. This phenomenon is apparently due, at least in part, to the voltage drop in the plate between the current collector and the areas further from the collector, causing us non-uniform distribution of the current on the surface of the plate. Consequently, the areas farther from the collector lead to less intense charge and discharge currents while the areas closer to the current collector conduct more charge and discharge current. Another reason for use non uniform in the plate is the fact that the lead sulphate formed during the discharge, and during the periods of rest increases the electrical resistance and reduces the porosity of the active ingredient where it is formed in the plate. The increase in resistance reduces the intensity of the current and the decrease in porosity hinders the diffusion of the electrolyte in the plate, these two effects combined leading to poor use of the material in the areas of the grid or the formation sulphate is important. In addition, the resistance of the electrolyte itself varies when the battery charges and discharges and, in fact, this resistance is different at different levels in the battery, i.e. say from top to bottom, due to the stratification of the electrolyte. Since the specific weight of the electrolyte varies, stratification occurs. The heavier and more viscous acid stagnates at the bottom of the battery. This more viscous acid is not only less able to penetrate the active ingredient in the lower areas of the battery, but also, the higher acid content promotes greater sulfation of the surface of the plate. near the bottom of the battery tends to isolate the center of the plate (in the direction of its thickness) from the reaction with the acid. Finally, the poor efficiency of use in the lower zones of a plate can result from the deposit between the plates, at the bottom of the battery, of active material detached from the surface of the plates. This material detached from the plates is deposited near the bottom of the battery preventing the free circulation of the electrolyte in this region.
Un but de lSinvention est donc d'améliorer le rendement global d'utilisation de la matière active dans des plaques de batterie d'accumulateursau au plomb, grâce à une distribution non uniforme de cette matière active sur la surface des plaques; cette distribution réduit le poids et le prix-de chaque plaque sans réduire sensiblement sa capacité. An object of the invention is therefore to improve the overall efficiency of use of the active material in lead-acid battery plates, thanks to a non-uniform distribution of this active material on the surface of the plates; this distribution reduces the weight and the price of each plate without significantly reducing its capacity.
L'invention concerne donc une distribution non uniforme de la matière active, à savoir Pb + Pb02, le long de la surface d'une plaque de batte-rie d'accumulateur au plomb de manière que les zones les moins actives de la plaque, dicignées du collecteur de courant, soient plus minces que les zones plus actives de la plaque à proximité du collecteur de courant. Dans une plaque courante d'accumulateurs au plomb, le collecteur principal de# courant est le bord supérieur de la grille de la plaque, supportant la patte de fixation de cette plaque. Dans une plaque de ce genre la zoné la moins active se trouve en bas de la plaque, à ltopposé du collecteur de courant.Une plaque de ce genre comporte une zone avec une couche de pâte plus épaisse dans sa partie supérieure, à proximité du bord supérieur et une zone avec une couche de pâte mince dans sa partie inférieure, opposée au bord supérieur. La zone supérieure qui reçoit une couche épaisse de pâte constitue environ les deux tiers aux trois quarts de la surface de la plaque tandis que la zone inférieure qui reçoit une couche de pate mince constitue le reste de la surfacé de la plaqué. The invention therefore relates to a non-uniform distribution of the active material, namely Pb + Pb02, along the surface of a lead-acid battery plate so that the less active areas of the plate, lines of the current collector, are thinner than the more active areas of the plate near the current collector. In a common plate of lead-acid batteries, the main collector of # current is the upper edge of the grid of the plate, supporting the fixing lug of this plate. In a plate of this kind, the least active zone is at the bottom of the plate, opposite the current collector. A plate of this kind has an area with a thicker layer of dough in its upper part, near the edge. upper and an area with a thin layer of dough in its lower part, opposite the upper edge. The upper zone which receives a thick layer of dough constitutes approximately two thirds to three quarters of the surface of the plate while the lower zone which receives a layer of thin paste constitutes the rest of the surface of the cladding.
Une meilleure utilisation globale peut être obtenue avec des zones à mince couche de pâte représentant environ les neuf dixièmes de l'épaisseur moyenne des zones qui reçoivent une couche épaisse. Mais de préférence, 1 'épaisseur moyenne de la zone à couche mince est environ les trois quarts de l'épaisseur moyenne de la zone à couche épaisse ou moins. L'espace supplémentaire ainsi formée entre les zones inférieures des plaques peut recevoir davantage de matière active détachée des plaques sans gener la circulation de ltélectrolyte ou sans boucher les zones#infé- rieures des plaques.Pour diverses raisons, le résultat global est que la matière active dans ces zones à mince couche de pâte est utilisée de façon plus efficace, que le poids total de la plaque est réduit et que l'utilisa- tion de moins de matière active entraîne une réduction de prix, et ce avec un léger sacrifice seulement de la capacité. Better overall use can be obtained with zones with a thin layer of paste representing approximately nine-tenths of the average thickness of the zones which receive a thick layer. Preferably, however, the average thickness of the thin layer area is about three-quarters of the average thickness of the thick layer area or less. The additional space thus formed between the lower zones of the plates can receive more active material detached from the plates without generating the circulation of the electrolyte or without blocking the lower zones of the plates. For various reasons, the overall result is that the material active in these thin-layer areas is used more efficiently, the total weight of the plate is reduced and the use of less active material leads to a reduction in price, with only a slight sacrifice of capacity.
Dans un mode particulièrement simple de réalisation de l'invention, la grille formant la plaque reçoit un excès de pate, (c'est-à-dire une couche supérieure à l'épaisseur de la grille) dans sa région-supérieure à proximité du bord supérieur collecteur de courant pour former la zone à couche épaisse, et reçoit une couche de pâte affleu rante(c'est-à-dîre de même épaisseur que la grille) dans sa région inférieure opposée au-bord supérieur collecteur de courant. Une manière particulièrement simple de réaliser une telle plaque consiste à appliquer un excès de. In a particularly simple embodiment of the invention, the grid forming the plate receives an excess of paste, (that is to say a layer greater than the thickness of the grid) in its upper region near the upper current collector edge to form the thick layer area, and receives a layer of flush paste (ie the same thickness as the grid) in its lower region opposite the upper current collector edge. A particularly simple way of making such a plate is to apply an excess of.
pate sur toute la grille, puis dans une opération séparée, à éliminer sélectivement l'excès de pâte pour former la zone à couche mince. La matière active, récupérée est recyclée et réutilîsée. dough all over the grid, then in a separate operation, selectively removing the excess dough to form the thin-film area. The active material, recovered is recycled and reused.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, Ic plaque reçoit une couche de pâte de manière à former un gradient de matière active, dont l'épaisseur diminue depuis l'endroit le plus épais près du bord supérieur collecteur de courant jusqu'a la partie la plus mince apposée à ce bord supérieur (c'est-à-dire au bord inférieur de la plaque). In another embodiment of the invention, the plate receives a layer of paste so as to form a gradient of active material, the thickness of which decreases from the thickest point near the upper current collector edge up to the thinnest part affixed to this upper edge (that is to say to the lower edge of the plate).
Une #variante selon l'invention consiste à modifier la section transversale des cloisons de la grille de la plaque de manière que les cloisons les plus éloignées du collecteur de courant (c'est-à-dire du bord supérieur) soient plu#s minces que celles plus proches du collecteur de courant. Cela réduit encore le poids de la plaque en laissant un plus grand volume entre les cloisons dans la zone à couche épaisse pour redevoir davantage de pâte. A #variante according to the invention consists in modifying the cross section of the partitions of the grid of the plate so that the partitions furthest from the current collector (that is to say of the upper edge) are more thin than those closer to the current collector. This further reduces the weight of the plate by leaving more volume between the partitions in the thick-filmed area to become more paste.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront au cours de la description qui va suivre. Other characteristics and advantages of the invention will appear during the description which follows.
Au dessin annexé donné- uniquement à titre d'exemples nullement limitatifs:
La figure 1 est une coupe verticale partielle d'une batterie dtaccusulateurs au plomb comportant des plaques selon l'invention,
la figure 2 est une coupe verticale à plus grande échelle d'un seul élément comportant des plaques selon l'invention,
la figure 3 est une vue de face d'une plaque d'accumulateurs, suivant la direction 3-3 de la figure 2, et
la figure 4 est une coupe verticale d'un autre mode de réalisation d'une plaque selon l'invention.In the appended drawing given only by way of non-limiting examples:
FIG. 1 is a partial vertical section of a lead accumulator battery comprising plates according to the invention,
FIG. 2 is a vertical section on a larger scale of a single element comprising plates according to the invention,
FIG. 3 is a front view of an accumulator plate, in the direction 3-3 of FIG. 2, and
Figure 4 is a vertical section of another embodiment of a plate according to the invention.
La figure 1 représente donc une batterie d'accumulateurs 2 à plusieurs éléments comprenant un bac 4 définissant plusieurs éléments individuels 6 séparés les uns des autres par des cloisons 8. Chaque compartiment 6 contient un élément actif électrochimique 10. L'élément 10 comporte plusieurs plaques positives et négatives 12 et 14. Les plaques 12, 14 sont séparées les unes des autres par des séparateurs 16 microporeux pliés autour des plaques positives 12 en les enveloppant.Les plaques positives 12 de chaque élément 10 sont interconnectées par une bande 18, par intermédiaire de pattes 32. De même, les plaques négatives de chaque élément 10 sont interconnectées par une bande négative 20, par intermédiaire de pattes 32'. Les bandes 18, 20 comportent chacune une patte ou une oreille 22 verticale servant à interconnecter les différents éléments et passant par une ouverture 24 des cloisons 8 entre les éléments. FIG. 1 therefore represents a storage battery 2 with several cells comprising a tank 4 defining several individual cells 6 separated from each other by partitions 8. Each compartment 6 contains an electrochemical active cell 10. The cell 10 comprises several plates positive and negative 12 and 14. The plates 12, 14 are separated from each other by microporous separators 16 folded around the positive plates 12 by enveloping them. The positive plates 12 of each element 10 are interconnected by a strip 18, by means of legs 32. Likewise, the negative plates of each element 10 are interconnected by a negative strip 20, by means of legs 32 '. The strips 18, 20 each have a vertical tab or lug 22 used to interconnect the different elements and passing through an opening 24 in the partitions 8 between the elements.
Les figures 2 et 3 sont des vues à grande échelle d'un élément 10, montrant particulièrement les plaques 12, 14. Ces plaques 12, 14 comportent chacune une grille support constituée par une grille 26 (voir figure 3) constituée par des fils conducteurs 28 croisés, un collecteur de courant ou bord supérieur 30 et des pattes 32 - 32' destinées à connecter les plaques 12, 14 aux bandes 18, 20. Figures 2 and 3 are large-scale views of an element 10, particularly showing the plates 12, 14. These plates 12, 14 each have a support grid formed by a grid 26 (see Figure 3) formed by conductive son 28 crossed, a current collector or upper edge 30 and lugs 32 - 32 'intended to connect the plates 12, 14 to the strips 18, 20.
Les plaques peuvent également comporter un bord inférieur 34 conducteur, et, dans certains cas, des bords latéraux non représentés. Les fils 28 de la grille sont représentés avec une section rectangulaire et sont disposés angulairement entre les faces principales des plaques 12, 14 comme cela est courant pour l'orientation des fils 28 en métal expansé. Mais d'autres ty-pes de grilles pourraient également convenir. De préférence, les fils 28 de la zone inférieure 42 d'une plaque ont une section inférieure à celle des fils de la zone supérieure 35. La grille 26 est remplie d'une matière active 36 sous forme d'une pate au plomb.La zone supérieure 38 au-dessus de l'épau- lement 40 reçoit une épaisseur de pâte supérieure à l'épaisseur des fils 28, c'est-à-dire un excès de pâte.The plates may also include a conductive bottom edge 34, and, in certain cases, side edges not shown. The wires 28 of the grid are shown with a rectangular section and are arranged angularly between the main faces of the plates 12, 14 as is common for the orientation of the wires 28 made of expanded metal. But other types of grids may also be suitable. Preferably, the wires 28 of the lower zone 42 of a plate have a smaller cross-section than that of the wires of the upper zone 35. The grid 26 is filled with an active material 36 in the form of a lead paste. upper zone 38 above the shoulder 40 receives a thickness of dough greater than the thickness of the wires 28, that is to say an excess of dough.
Par contre, la zone inférieure 42 au-dessous de l'épau- lement 40 reçoit-une couche de pâte qui remplit# exactement les interstices entre les fils 28 et qui affleure avec la-grille 26, c'est-à-dire que cette dernière est remplie à ras. La zone supérieure 38 est voisine du collecteur de courant 30 et, selon l'invention, elle tende à comporter davantage de sa matière active utilisée, en pourcentage, que la zpne inférieure 42 qui est plus éloignée du collecteur de courant 30. On the other hand, the lower zone 42 below the shoulder 40 receives a layer of paste which exactly fills the interstices between the wires 28 and which is flush with the grid 26, that is to say that the latter is filled to the brim. The upper zone 38 is close to the current collector 30 and, according to the invention, it tends to contain more of its active material used, in percentage, than the lower zone 42 which is further from the current collector 30.
La figure 4 illustre un autre mode de réalisation de l'invent4on dans-lequel la plaque 50 comporte un bord supérieur 52 collecteur de courant, des fils de grille 54, un bord inférieur 56 et de la matière active 58 au plomb. Dans ce mode de réalisation, la section transversale des fils de grille 54 diminue progressivement à partir du bord supérieur 52 jusqu'au bord inférieur 56 et la couche 58 de matière active s'amincit régulièrement à partir d'une zone tqui reçoit une couche en excès en son point le plus épais à proximité du bord supérieur 52, jusqu'à la zone la plus mince à proximité du bord inférieur 56. FIG. 4 illustrates another embodiment of the invent4on in which the plate 50 comprises an upper edge 52 current collector, grid wires 54, a lower edge 56 and active material 58 with lead. In this embodiment, the cross section of the grid wires 54 decreases progressively from the upper edge 52 to the lower edge 56 and the layer 58 of active material thins regularly from an area which receives a layer of excess at its thickest point near the top edge 52, to the thinnest area near the bottom edge 56.
Des essais ont été conduits sur un mode particulier de réalisation pour démontrer l'efficacité de linven- tion en ce qui concerne l'amélioration du coefficient d'utilisation de matière active. Un certain nombre de plaques positives (d'une -largeur de 139 mm et d'une hauteur de 124 mm) comportant un bord supérieur collecteur de courant sur une grille en métal expansé (d'une épaisseur de 1,2 mm) a reçu une couche de pâte d'une épaisseur uniforme de 2,25 mm. Le poids moyen de la pâte positive dans ces plaques était 47,67 grammes. Cinq de ces plaques ont ~été enveloppées chacune dans un séparateur microporeux et intégrées avec cinq plaques négatives courantes pour former un élément de contrôle (c'est-à-dire avec 238,4 grammes de# pâte positive par élément).De la pâte a été enlevée sur cinq autres de ces plaques,- sur la surface du tiers inférieur jusqu'à une épaisseur finale de 1,5 mm, laissant une moyenne de 35,76 grammes de pâte positive par plaque (c'est-à-dire 178,8 grammes par élément). Ces plaques ont été assemblées en deux éléments d'essai exactement comme les autres avaient été assemblées pour un élément de contrôle. Les éléments ont été soumis trois fois à un cycle sous un régime qui les déchargeait de 25 Ampères/heures jusqu'à une tension de coupure de 1,75 Volt. La capacité de chaque élément a diminue au cours de ces cycles. La moyenne des plus fortes capacités enregistrées pour l'élément de contrôle était 67,72 Ampères/ heures, soit 0,284 Ampères/heures par gramme de pâte positive.La moyenne des plus fortes capacités enregistrées pour des éléments d'essai était 63,33 Ampères/heure, soit 0,354 Ampères/heures par gramme de pâte positive. Cet essai montre que la capacité totale d'un élément d'essai est inférieure à celle de ltélément de contrôle en pourcentage, mais que davantage de la pâte positive a été utilisée dans les éléments d'essai. Tests have been carried out on a particular embodiment to demonstrate the effectiveness of the invention with regard to improving the coefficient of use of active material. A certain number of positive plates (of a width of 139 mm and a height of 124 mm) having an upper edge collector of current on an expanded metal grid (of a thickness of 1.2 mm) received a layer of dough with a uniform thickness of 2.25 mm. The average weight of the positive dough in these plates was 47.67 grams. Five of these plates were ~ each wrapped in a microporous separator and integrated with five common negative plates to form a control element (i.e. with 238.4 grams of # positive dough per element). was removed from five more of these plates, - on the surface of the lower third to a final thickness of 1.5 mm, leaving an average of 35.76 grams of positive dough per plate (i.e. 178.8 grams per item). These plates were assembled into two test elements exactly as the others were assembled for a control element. The elements were subjected three times to a cycle under a regime which discharged them from 25 Amps / hour up to a cut-off voltage of 1.75 Volt. The capacity of each element has decreased during these cycles. The average of the highest recorded capacities for the control element was 67.72 Amps / hour, or 0.284 Amps / hours per gram of positive dough. The average of the highest recorded capacities for test elements was 63.33 Amperes / hour, or 0.354 amps / hour per gram of positive dough. This test shows that the total capacity of a test element is less than that of the percentage control element, but that more of the positive dough was used in the test elements.
L'invention permet donc d'obtenir un meilleur coefficient d'utilisation de la matière active d'une batterie d 'accumulateurs, ce qui permet de concevoir et de fabriquer des batteries plus légères, moins chères, sans sacrifice notable de capacité. The invention therefore makes it possible to obtain a better coefficient of use of the active material of a storage battery, which makes it possible to design and manufacture lighter, cheaper batteries, without significant sacrifice of capacity.
L'invention s'applique plus particulièrement à des plaques dans lesquelles le collecteur de courant se trouve dans la partie supérieure et la zone avec une couche mince de pâte dans la partie inférieure, mais elle peut également s'appliquer à des plaques comportant des collecteurs de courant en haut et en bas et même sur le côté ou les côtés. Dans le cas de collecteurs de courant en haut eten bas, la zone de pâte mince se trouve dans la partie centrale, entre les collecteurs de courant en haut et en bas. Les avantages obtenus dans cette disposition sont probablement inférieurs à ceux obtenus dans le mode de réalisation décrit ci-dessus. car l'effet nuisible de la stratification de l'électrolyte et du dépôt de matière ac- tive n'est pas aussi marqué lorsque la zone à couche mince se trouve bien au-dessus du fond de l'élément. The invention applies more particularly to plates in which the current collector is located in the upper part and the area with a thin layer of paste in the lower part, but it can also be applied to plates comprising collectors current up and down and even on the side or sides. In the case of current collectors at the top and bottom, the thin paste area is located in the central part, between the current collectors at the top and at the bottom. The advantages obtained in this arrangement are probably less than those obtained in the embodiment described above. since the deleterious effect of the stratification of the electrolyte and the deposition of active material is not as marked when the thin-film zone is well above the bottom of the element.
il est bien entendu que de nombreuses motres modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits et illustrés à titre d'exemples nullement limitatifs sans sortir du cadre ni de l'esprit de ltinvention. it is understood that many other modifications can be made to the embodiments described and illustrated by way of non-limiting examples without departing from the scope or the spirit of the invention.
Claims (5)
Applications Claiming Priority (1)
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