FR2562331A1 - Structure de cellule pour batterie d'alliage de lithium/sulfure de metal - Google Patents

Abstract

STRUCTURE DE CELLULE POUR BATTERIE D'ALLIAGE DE LITHIUMSULFURE DE METAL. LA STRUCTURE COMPREND DES COLLECTEURS DE COURANT POSITIF 50 ET NEGATIF 60 ISOLES L'UN DE L'AUTRE PAR UN MOYEN SEPARATEUR 70, LE COLLECTEUR POSITIF ETANT LOGE A L'EXTERIEUR DU COLLECTEUR NEGATIF. DES CHAMBRES SEPAREES SONT DEFINIES A L'EXTERIEUR DU COLLECTEUR POSITIF ET A L'INTERIEUR DU COLLECTEUR NEGATIF, S'OUVRANT RESPECTIVEMENT DANS DES DIRECTIONS OPPOSEES VERS LES EXTREMITES OUVERTES DU BOITIER 38 CONTENANT LES COLLECTEURS; DES MATERIAUX D'ELECTRODES POSITIVE 57 ET NEGATIVE 67 PEUVENT ETRE EXTRUDES DANS CES CHAMBRES. UNE PAROI TRANSVERSALE 44 RENFORCE LE BOITIER ET DEFINIT DEUX CAVITES, DES COLLECTEURS POSITIF ET NEGATIF APPARIES ETANT DISPOSES DANS CHACUNE DES CAVITES ET CONNECTES EN PARALLELE.

Description

STRUCTURE DE CELLULE POUR BATTERIE D'ALLIAGE DE LITHIUM/

SULFURE DE METAL

Les batteries d'alliage de lithium/suLfure de fer actuellement en cours de mise au point comportent

des matériaux d'électrodes positive et négative confi-

nés par, ou par rapport à, des collecteurs de courant structuraux positif et négatif, qui sont électrique- ment isolés l'un de l'autre par des séparateurs. En général, le matériau d'électrode négative est un alliage de lithium (généralement LiAl), le matériau d'électrode positive est un sulfure de fer (Fes ou FeS2), et les séparateurs sont constitués d'un nitrure de bore fibreux (NB) ou d'oxyde de magnésium (MgO) en poudre comprimée. Un électrolyte tel qu' un mélange de

chlorure de lithium et de chlorure de potassium (LiCl-

KCl) est normalement infiltré dans les matériaux d'élec-

trodes et dans Les séparateurs. Les collecteurs de cou-

rant positif et négatif sont constitués communément par une structure de feuille ou de plaque conductrice à mailles ouvertes, de façon à confiner le matériau d'électrodes tout en permettant également la migration de l'électrolyte selon les nécessités, par rapport aux matériaux d'électrodes confinés. Les batteries complètes fabriquées industriellement actuellement existantes de

ce type sont constituées de nombreuses cellules, cha-

cune d'entre elles ayant la structure indiquée ci-

dessus, qui sont logées ensemble dans un bottier de batterie commun et qui sont électriquement connectées

en série afin de produire une tension de sortie effi-

cace plus élevée.

Ce type de batterie ou de cellule est conçu pour fonctionner à des températures dans la gamme de

425 à 500 C. Les matériaux d'électrodes et l'éLectro-

lyte sont très corrosifs à ces températures, de sorte que les collecteurs de courant doivent être constitués par un matériau résistant mais néanmoins électriquement

conducteur. Certains succès ont été obtenus en utili-

sant de L'acier inoxydable déposé sur du cuivre. En outre, la batterie est conçue de façon à présenter une durée de vie dépassant 1 000 cycles de "décharge complète", chacun des cycles de "décharge complète" représentant une décharge de La batterie complètement chargée jusqu'à seulement environ 20 X du niveau de charge avant qu'elle soit rechargée. Lors de ces cycles

de décharge complète, les matériaux d'électrodes posi-

tive et négative subissent des variations volumétriques

à des vitesses différentes. Cela peut décaler les col-

lecteurs de courant respectifs-de confinement physique les uns par rapport aux autres, à l'intérieur de la

cellute de la batterie, ou peut même déformer les col-

lecteurs et/ou le bottier de cellule. De plus, La non

utilisation de ce type de batterie conduit à l'abais-

sement des températures de l'électrolyte et des maté-

riaux d'électrodes (qui sont chacun sous La forme d'un liquide pâteux aux températures opérationnelles) à des températures o ils peuvent se congeler à l'état solide. Ces cycles de congéLation-décongélation peuvent

également provoquer des déplacements entre Les collec-

teurs de courant, les matériaux d'électrodes et le boi-

tier de cellule.

Bien que les mouvements de déplacement ou la déformation puissent n'être que mineurs, ils peuvent être suffisants-pour provoquer un court-circuit dans la

batterie, en particulier après un grand nombre de cycles.

Cela conduit à une dégradation du rendement coulombien, et une batterie peut être considérée comme médiocre

lorsque son rendement coulombien s'abaisse a 95 %.

La source la plus courante de courts-circuits de celLules est le contact direct des collecteurs de courant L'un avec l'autre. Une autre cause habituelle

de courts-circuits de celLules est le fait qu'un maté-

riau d'électrode s'écoule hors du matériau qui le retient et forme des ponts vers le matériau d'électrode opposé Une autre forme de courtscircuits de cellules se produit lorsque Le matériau d'électrode positive "gonfLevo davantage que le matériau d'électrode négative, de façon à former un court-circuit contre le boîtier de cellule, qui se trouve le plus souvent au potentiel négatif. Des efforts pour limiter ces inconvénients par fixation, etc., des collecteurs de courant l'un par rapport à L'autre, ou par renforcement du boîtier de cellule par des contraintes externes, n'ont eu

jusqu'à présent que des succès marginaux.

Un autre probLème majeur causé par Les structures de batteries actuelles est Le nombre de plaques de structure séparées devant être utilisées dans la cellule pour former les collecteurs de courant,

et le nombre de séparateurs devant également être uti-

lisés. Ces constituants structuraux doivent générale-

ment être fixes en place séquentiellement les uns par

rapport aux autres afin de former le montage stratifié.

Cette fabrication à la pièce nécessite une précision et un soin extrêmes. De plus, les essais préalables de ces plaques et séparateurs empilés en vue de déterminer d'éventuels courts-circuits avant de les disposer à l'intérieur du boîtier de cellule, sont difficiles à mettre en oeuvre ou inutiles, dans la mesure o ils pourraient toujours être décalés avant d'être instaLlés dans le boîtier de cellule. Le matériaux d'électrode

active sont souvent montés en môme temps que les consti-

tuants de structure, bien que la présence de ces consti-

tuants chimiques rende:- fabrication plus difficile,

longue, coûteuse et peu fiable.

La -;-'sente invention concerne une cellule ou une batterie d'alliage de lithium/sulfure de fer, et plus précisément, décrit une structure améliorée de

cellule et un procédé pour son montage.

Un but fondamental de L'invention est de fournir une structure de cellule d'alliage de lithium/ sulfure de fer pouvant être fabriquée aux températures ambiantes en ne demandant qu'un soin modéré lors de la fixation des constituants de structure et/ou de l'ad-

dition des matériaux d'électrodes et/ou de l'électro-

lyte. Un autre but de L'invention est de fournir une structure de cellule d'alliage de lithium/ sulfure de fer ayant des constituants collecteurs de courant structuraux séparés, regroupés les uns avec les autres en tant que sous-ensembles différents, puis montés et fixés à L'intérieur d'un boîtier de celtule, ce qui

permet de soumettre à des essais préalables les cons-

tituants structuraux montés,en vue de déterminer la présence de courtscircuits, etc., avant d'ajouter les

matériaux d'électrodes et/ou L'éLectrolyte dans La cel-

Lule et de loger et de fermer hermétiquement la cet-

Lule. Un but plus détaillé de la présente invention est de fournir une cellule d'alliage de lithium/sulfure

de fer ayant un boîtier de cellule à extrémités ouvertes.

comportant des sous-ensembles d'électrodes positive et

négative qui sont imbriqués l'un dans l'autre (le sous-

ensemble positif étant situé-à l'extérieur du sous-

ensemble négatif) et une structure séparatrice prise

en sandwich entre Les sous-ensembles, les isolant élec-

triquement l'un de l'autre, et ces sous-ensembles étant montés dans le boîtier de cellule et définissant des cavités respectivement ouvertes aux extrémités ouvertes

opposées du boltier de cellule.

Un autre but de L'invention est de fournir une structure de boîtier de cellule qui est cloisonnée par une paroi transversale intermédiaire hautement conductrice, de façon à définir des cavités de cellule sur Les côtés opposés de la paroi transversate. Cette structure de cellule permet de loger le matériau d'électrode positive entre le boîtier de cellule et le sous-ensemble coLlecteur de courant d'électrode positive, ce qui permet d'éviter qu'un éventuel gon- flement de cycle de charge-décharge se produise vers l'intérieur, pour atteindre les deux sous-ensembles

d'électrodes positive et négative et/ou vers l'exté-

rieur, pour atteindre le boîtier de cellule. La paroi transversale renforce structurellement le boîtier de cellule, et sert en outre de collecteur de courant vis-à-vis des sous-ensembles positifs adjacents dans

les cavités adjacentes. Cela permet en fait aux cel-

lules d'avoir une structure auto-renforcée et, par conséquent, de minimiser la nécessité d'ajouter des contraintes de structures de boîtier externes, ou l'éventualité

d'un court-circuit interne.

Un autre but de l'invention est de fournir une structure de cellule au moyen de laquelle les colo lecteurs de courant structuraux peuvent être d'abord placés et fixés en place dans le boîtier, ainsi qu'un

procédé pour remplir le boîtier de cellule des maté-

riaux d'électrodes par extrusion dans des chambres définies par les constituants structuraux et par l'intermédiaire d'extrémités ouvertes opposées du

boîtier de cellule.

Un autre but de l'invention est de fournir une structure de celluLe d'alliage de lithium/sulfure de fer de faible poids par comparaison à la puissance

électrique fournie, ce qui permet d'obtenir une cel-

lule d'énergie spécifique éLevée.

L'invention concerne plus particulièrement un boîtier de ceLlule dont les extrémités sont ouvertes

lors de la fabrication de la cellule, et des sous-

ensembles collecteurs de courant séparés négatif et positif pouvant être montés l'un avec L'autre sous forme d'une structure composite et pouvant ensuite être montés

et fixés en place dans le bottier. En outre, les sous-

ensembles positif et négatif tels qu'ils sont adaptés dans le bottier de cellule définissent des chambres à extrémités ouvertes dans lesquelles on peut insérer

des buses de remplissage, de préférence par les extré-

mités ouvertes opposées du boîtier, ce qui permet ensuite d'injecter les matériaux d'électrodes positive et négative par ces buses de remplissage, sous forme d'une bouillie, dans les chambres respectives et à proximité de leurs sous-ensembles collecteurs de courant, et de fermer et d'obturer hermétiquement les chambres

pour former La cellule.

La figure 1 est une vue en perspective,

partiellement éclatée et en coupe pour que la descrip-

tion soit plus claire, illustrant une batterie compor-

tant plusieurs cellules auxqueltLes ta présente inven-

tion apporte une amélioration; La figure 2 est une vue en perspective, également partiellement éclatée et en coupe pour que

la description soit plus claire, illustrant une cellule

individuelle utilisée dans la batterie de la figure 1, mais à une échelle plus grande que celle de la figure 1; La figure 3 est une vue en perspective à l'état préassembLé, éclatée, de certains des collecteurs de courant utilisés pour former la celLuLe de la figure 2; La figure 4 est une vue en coupe, prise dans Le sens des flèches suivant le plan 4-4 de la figure 2, à L'exception du fait qu'elle représente la cellule à l'état préassembLé et montre comment on peut remplir cette cellule avec le matériau d'électrodes

conformément au procédé décrit par la présente inven-

tion; La figure 5 est une vue en perspective,éclatée, semblable à la figure 3, excepté qu'elle montre une variante de la présente invention; et La figure 6 est une vue en coupe, Le Long

du plan 6-6 de ta figure 5, excepté queLLe repré-

sente les constituants en position assemblée, tels

qu'iLs se trouveraient dans La cellule de La figure 2.

La présente invention décrit une nouveLle structure et un nouveau procédé de fabrication d'une cellule 10 pour batterie d'alliage de Lithium/sutlure de métal 12. La batterie particulière 12 illustrée sur la figure 1 comporte un boatier étanche extérieur 14 ayant des paires opposées de parois Latérales 16,

une paroi inférieure 18 et une paroi supérieure amo-

vible 20 adaptée à être fixée en position contre un

rebord périphérique situé au sommet des parois Last-

raIes. Une pluralité de celLules individuelles 10n, lob, 10c, etc., sont empilées côte-à-côte à Vinté rieur du boîtier 14. Dans La mesure o la ceLluLe fonctionne dans la gamme de 425 à 500C, l'isoLation 22 est située entre le boîtier de batterie 14 et Les cellules 10, pour maintenir La face extérieure du bottier à une température raisonnable au toucher,

par exemple inférieure à 1000C. Une isoLation supplé-

mentaire (non représente) peut &tre ajoutée à L'ex-

térieur du boÂtier pour abaisser davantage les tempé= ratures de la surface exposée, si nécessaire, selon l'emplacement final de la batterie. Des bornes externes positive et négative 24(+) c- 54 (-) sont prévues sur chacune des cellules, e, 2es barrettes conductrices 26 connectert en série Lts bornes (+) et (2 des ceol lules adjacentes! L!s aux autres, pour fournir une tension dc barterie cumulée. Des bornes de batterie extérieures -. ïtive et négative 30(+) et 30(C) sont montées sur Le boÂtier 14, au moins l'une d'entre elles

traversant la paroi de bottier en passant par une con-

nexion de traversée isolée 32(-); et des conducteurs souples 34(+) et 34() connectent Les bornes 24(+)e et 24(-)e des cellules d'extrémité à ces bornes de

batteries 30.

La figure 2 représente une vue agrandie de La cellule améliorée 10 utilisée dans La batterie 12. La ceLLule 10 -comporte une enveloppe extérieure étanche 38 ayant de préférence la forme d'un cube rectangulaire allongé dans le sens de la largeur, et ayant par conséquent des parois latérales opposées longues 40 et des parois opposées latérales courtes 42. La taille de cellule préférée. pourrait être de

l'ordre de 15-20 cm de hauteur sur 10-15 cm de lar-

geur, sur 4-6 cm d'épaisseur. Une paroi transversale 44 est fixée entre les parois latérales courtes 42 et s'étend parallèlement aux parois latérales Longues,

divisant ainsi L'enveloppe en deux cavités identiques.

A ce stade, la structure de l'enveloppe 38 est par conséquent à extrémités ouvertes, et des capuchons ou bouchons 46 et 48 sont soudés aux parois latérales et transversales pour fermer les extrémités ouvertes de l'enveloppe. Une électrode ou sous-ensemble collecteur de courant positif 50 ayant une section transversale sous La forme d'une boucle sans fin est logée dans chacune des cavités; une électrode ou un sous-ensemble collecteur de courant négatif 60 ayant également une section transversale ayant la forme d'une boucle sans

fin, est montée à l'intérieur du sous-ensemble d'élec-

trode positive 50 (un interstice radial entourant complètement et séparant les sous-ensembles d'électrodes

positive et négative) et des séparateurs 70 sont dispo-

sés dans cet interstice entre les sous-ensembles. Dans un mode de réalisation préféré, chaque sous-ensemble d'électrode positive est fixé par l'intermédiaire d'une paroi supérieure 72, directement aux parois latérales et transversales de l'enveloppe, afin de définir une

structure de cellule à borne positive (+) à La masse.

Les séparateurs 70 isolent électriquement les sous-

ensembles d'électrodes l'un de l'autre, et soutiennent

en outre le sous-ensemble d'électrode négative par rap-

port au sous-ensemble d'électrode positive et/ou au boîtier.

Comme le montre l'illustration, les sous-

ensembles d'électrodes positive et négative (50 et 60) pré-

sentent des faces majeures ou faces principales espacées (54 et

64) et des faces mineures ou faces secondaires laterales et infé-

rieures espacées (55-et 65) et (56 et 66) disposées perpendi-

culairement à celles-ci. Un matériau d'électrode posi-

tive 57 est logé dans les deux chambres latérales définies à l'intérieur de la cellule, entre les parois de cellule longues et transversales respectives et les faces principales du sous-ensemble d'électrode positive, et le cas échéant, également dans les petites chambres entre les parois de cellule courtes et les

faces secondaires du sous-ensemble d'électrode posi-

tive. Ces chambres s'ouvrent vers le fond de l'enve-

loppe de la cellule (qui, comme cela a été mentionné, est ouvert lorsque le bouchon d'obturation 48 n'est

pas en place). En outre, un matériau d'électrode néga-

tive 67 est logé dans la chambre unique définie à l'in-

térieur du sous-ensemble négatif 60, laquelle chambre est ouverte vers le sommet de l'enveloppe de la cellule (celui-ci étant également ouvert lorsque les bouchons d'obturation 46 et 68 ne sont pas en place). La paroi

supérieure ou capuchon 68 du sous-ensemble d'élec-

trode négative est soudée ou fixée de façon étanche

d'une autre manière au sommet du sous-ensemble d'élec-

trode négative pour enfermer hermétiquement le matériau d'électrode négative 67; et les capuchons d'obturation inférieure 48 sont soudés aux parois de cellule 40, 42

et 44, pour enfermer hermétiquement le matériau d'élec-

trode positive à l'intérieur de l'enveloppe, à proximité du sous-ensembLe d'électrode positive, et le capuchon supérieur 46 est soudé aux parois de La celluLe pour fermer hermétiquement La cavité de ceLluLe dans son ensemble. Chacun des sous-ensembles positif et négatif et 60 est formé de deux feuilles constitutives structurelLes 51 et 61, respectivement. Chacune des feuilles constitutives 51 et 61 comporte la face principale 54 et 64 déjà mentionnée et des rebords

latéraux et inférieurs courts 52 et 53 agencés trans-

versalement par rapport à celle-ci. Les rebords Laté-

raux et inférieurs 52 et 53 de chaque feuille consti-

tutive positive 51 sont imbriqués les uns dans Les autres de façon à être superposés les uns aux autres, de même que les rebords latéraux et inférieurs 62 et 63 des feuiLles constitutives négatives 61, de façon à ce qu'elles forment ensemble Les faces latérales mineures 55 et 65 et les faces inférieures mineures 56 et 66 des ensembles collecteurs de courant positif et négatif. De plus, la feuille constitutive positive 51 comporte un rebord de paroi supérieure 72 disposé perpendiculairement à la face majeure 54, mais dans la direction opposée aux rebords Latéral et inférieur 52- et 53; et une partie de rebord latéraL 73 formée perpendiculairement au rebord de paroi supérieure 72 et parallèlement à la face majeure 54. La partie de rebord latéral 73 est conçue de façon à venir en butée contre la paroi intérieure du bottier de cellule (paroi latérale 40 ou paroi transversale 44) et à être soudée

par soudure continue étanche aux Liquides à la paroi.

Les parois majeures 54 et 64 de ces feuilles constitu-

tives sont perforées, et facultativement, Les rebords latéral et inférieur superposés 52, 53, 62 et 63 peuvent être perforés. Dans une structure préférée, chacune des feuilles constitutives 51 et 61 des sous- ensembles d'électrodes positive et négative est formée d'une feuille d'acier ayant par exemple une épaisseur dans

la gamme de 0,13 à 0,63 mm.

En ce qui concerne le mode de montage de La cellule, le sous-ensemble d'électrode négative est le premier à être imbriqué, puis est placé dans une

feuille constitutive latérate du sous-ensemble délec-

trode positive,e6intercalant entre celles-ci une plaquette de séparateurs classiques au NB ou lgO disposée sur les faces majeures et mineures; des séparateurs supplémentaires sont disposés sur Les faces majeures et mineures encore exposées du souk ensemble d'électrode négative, et l'autre feuiLle constitutive latérale du sous-ensemble d'électrode positive est ensuite disposée sur le séparateur, Les rebords des constituants du sous-ensemblte d'électrode positive étant imbriqués les uns dans les autres. Les sous-ensembles d'électrode positive et négative sont néanmoins espacés l'un de l'autre et comportent des séparateurs disposés entre eux, de façon à ce que Les constituants structuraux des sous-ensembles soient

électriquement isolés les uns des autres. Le sous-

ensemble d'électrode positive renfermant le sous-

ensemble d'électrode négative est ensuite placé dans le bottier, de façon à ce que les rebords de parois supérieures soient disposés par-dessus les parois de bottier adjacentes et puissent y être soudés. Les faces majeures de l'ensemble;[ectrode positive restent encore suffisamment espacées des parois longues du boîtier et définissent deux cavités ouvertes vers le fond du boîtier de cellule, alors que Le sous-ensemble d'électrode d'";ative définit une cavité ouverte vers l'extrémit' supérieure du boîtier de celluleo On peut alors effectuer les vérifications de

continuité le long des sous-ensembles d'électrodes posi-

tive et négative pour s'assurer que les constituants sont convenablement isolés électriquement les uns des

autres. Comme mentionné précédemment, chaque sous-

ensemble d'électrode positive 50 est électriquement

solidaire de l'enveloppe 12.

Dans Le mode de réalisation préféré, les matériaux d'électrodes 57 et 67 sont extrudés dans chacune des chambres respectives, par des buses ou têtes d'extrusion de remplissage opposées 57e et 67e (représentées seulement en traits discontinus dans

la figure 4) pouvant être installées initiale-

ment en entier dans Les chambres, puis retirées des chambres lorsque le matériau d'électrodes extrudé remplit Les chambres. Cette extrusion peut s'effectuer conformément aux directives -fournies par le brevetYn 4 386 019, aux températures ambiantes, en utilisant des solvants appropriés et sous des pressions convenables, ou en variante, à des températures élevées en utilisant des

sels fondus. Le matériau d'électrode extrudé est suf-

fisamment souple pour remplir totalement La chambre de confinement, mais Le matériau d'électrode ne devrait pas être injecté avec des pressions telles qu'il s'écoute à travers les perforations du collecteur de

courant de confinement ou à travers Les séparateurs.

Néanmoins, Le matériau d'électrode peut être réatisé

de teLte manière qu'il ait un caractère pâteux suffi-

sant pour rester à proximité du sous-ensemble collec-

teur de courant adjacent, même sans ou avant L'instal-

lation des capuchons d'étanchéité 48 et 68. Les maté-

riaux d'électrodes positive et négative peuvent être extrudés simultanément ou successivement. Une fois que le matériau d'électrodes positive ou négative respectif remplit totalement sa chambre, La chambre est obturée et fermée hermétiquement. A cet effet, le capuchon d'obturation 4-8 de l'extrémité inférieure est soudé à l'enveloppe pour fermer les extrémités inférieures ouvertes de l'enveloppe, et Les capuchons 68 peuvent être soudés aux parois de l'ensemble d'électrode négative pour enfermer hermétiquement le matériau d'électrode négative. Ces soudures sont continues afin de former un joint étanche efficace entre Le capuchon d'obturation et L'enveloppe ou l'ensemble collecteur de courant. Un pontage de borne négative est soudé à des pattes 76 dépassant verticalement

des capuchons d'extrémité négative 68, pour connec-

ter électriquement l'une à l'autre les deux éLectrodes négatives adjacentes dans L'enveloppe commune 38. IL est souhaitable que la paroi intermd-iaUre 44 du Loi tier de cellule et qui Le rebord lateral 73 de ta feuille collectrice adjacente soient enta6llés en

78 et en 79 pour permettre cette oppra'ioio Le capu-

chon d'obturation supérieure 45 peut maintenant étre aussi soudà au sommedu b:iir 4 Un électrolyte ets contenu dans a v de cel tule, remplie çcmmunéncrat par L1 n:ermfcHire d'un tube de remplisseage (no; reprsent) à travers

l'enveloppe de cellule 38 e' qui est ensuit fermiée her-

métiquement. L'électrolyt- migre Libreaent à L[inté-

rieur de la cavité, travers Les separateurs$ a 450 sous l 'effet de l tiravitation et duun vide présent

dans les sépara ieur- 70 c- les deux oa ráux dé Lec-

trodes positive et nénative 57 et 67. Si les miatériaux d'êlectrodes ont été extrudés à t.elipérature eLevée avec rn electrolyte de sel =;ndu, il se peut quiL

ne soit pas nécessaire d'ajouLer d'"lectrolyte supplé-

mentai re.

-:.rime le tbotter jou2 Le role de colLecteur de coi, irant pos tf, i [ doc t avoi r une bocnne conducti vité. A cet i1 fet, la paroi transversale intermnédaire 44 est de préférence constituée d'une feuille de cuivre revêtue sur chacune de ses faces majeures opposées d'une couche 82 d'acier inoxydable, alors que Les autres parois du boitier peuvent être constituées

d'acier inoxydable.

En outre, des plaques de cuivre 84 sont dis-

posées contre la surface extérieure de chaque paroi majeure du boîtier pour favoriser La conductivité du bottier jouant le rôle d'électrode positive lorsque de nombreux bottiers de cellule sont empilés ensemble le long de la paroi majeure du boîtier et montés

dans une seule enveloppe structurelle isolée de batterie.

Une isolation appropriée 86 est disposée entre les plaques de cuivre pour maintenir Les bottiers de

cellule adjacents électriquement séparés.

Les figures 5 et 6 illustrent un second mode

de réalisation de l'invention présentant un grand inté-

rêt potentiel dans la fabrication de ce type de cellule.

Dans ce mode de réalisation, Les feuilles constitu-

tives physiques 51a et 61a sont très semblables aux constituants correspondants 51 et 61 précédemment

décrits à propos de La figure 3. Cependant, le.sépa-

rateur 70a n'est pas sous La forme d'une plaquette

physique classique, mais au contraire se trouve ini-

tialement sous la forme d'un ruban coulé ou d'une

bouillie appliquée ou enduite entre les feuilles cons-

titutives. A cet égard, le séparateur 70a est consti-

tué d'un ruban coulé ou d'une bouillie par addition du solvant approprié, conformément au brevet des E. U. A. no 4 411 968, délivré le 28 octobre 1983 à Reiser et coll., et intituLé "Molten Carbonate Fuel Cell Integral Matrix Tape and Bubble Barrier". Par la suite, s'il se trouve sous la forme d'un ruban coulé, le séparateur 70a sous la forme de la couche mince, est disposé entre les feuilles constitutives séparées 51a et 61a, d'une façon tout à fait semblable à celle décrite à propos de la figure 3. S'il s'agit d'une bouillie, les feuilles constitutives séparées 51a et 61a sont convenablement espacées l'une de l'autre par un élément (non représenté) et le séparateur 70a sous

forme d'une bouillie est enduit à travers les perfo-

rations pratiquées dans l'une des feuilles constitutives, pour combLer l'interstice séparant ces feuilles cons= titutives. Dans les deux cas, c'est-àdire dans le cas d'un séparateur sous forme d'un ruban coulé et d'un séparateur sous forme d'une bouMlie, les euilles constitutives 51a et 61a prenant en sandwich le sepsra= teur 70a, sont ensuite traitées à une tempéerature éLevée de l'ordre de 1 000-1 400 C pendant deux à huit heures, au bout desquelles le séparateur se solidifie et se lie intimement sur ses faces opposées, aux,feuilles consti= tutives d'électrodes adjacentes 51a et 61ao Ceci déf7nit un demi-ensemble unitaire 59a constitué par chacune des feuiLLes constitutives espacées 51a et 61a adhérant l'une à l'autre par l'intermédiire du séparateur main= tenantsolide 70a, et deux ie=ensembles soet utlises pour former chaque cellule= Les rebords latériux et inférieurs 52a, 53a et 62a, 63a) des demi-ensembLes unitaires 59e sent imbriî qués les uns dans les autres (cone LiLustre La

figure 6) mais, pour éviter d'tre gané par Le s5pa-

rateur solide 70a disposé entre ceux-ci, Le séparateur a est retiré du bord d'un demiensemble unitare (comme en 58a). Un mat rieu séparateur suppLémentaire du type nappe (non representé) pourrait etre d sposé dans cette zone en vue d'augmenter queLque peu la r&sistance mécanique tout en remplissant nompLitement l'espace de séparation entre Les sous-; L o;:tez d'électrodes posi tive et négative adjac5,-3 d-nis 50a et 60a. Les debit ensembles unitaires snt montés en place dans le bottier de cellule, la parc- iu rebord suprieur 72a de La feuille consltiiutive d'électrode positiVfe étent fI;:e

à la paroi r. 9enveloppe. Comme Le sous-ensembLe d élec-

trode positive 50a est Le ceuL qui soit physiquenent relié au boîtier de ceLLuLer Le sous=ensenbLe d élec= trode négative 60a pe.tre légèrement déca l par rapport à celui-ci ou par ruop rt au boîtier de celluLe, pour minimiser les effets de suintement du matériau d'électrode positive et/ou la déformation physique des électrodes L'une par rapport à l'autre, de telle manière qu'un court-circuit ne puisse pas se produire entre cellesci ou avec le boTtier de batterie. L'un des avantages du boîtier de cellule à extrémités ouvertes est que tous Les constituants d'électrodes peuvent être mécaniquement assemblés sans

que le matériau d'électrode soit en place. Ces opéra-

tions de fabrication peuvent être effectuées à la tempé-

rature ambiante sans nécessiter d'attentions ou de soins

particuliers. Cependant, un préassemblage du sous-

ensemble d'électrode négative à L'intérieur du sous-

ensemble d'électrode positive, électriquement isoLé de celui-ci par Le séparateur, permet de tester ces

sous-ensembLes avant qu'ils soient montés dans le boi-

tier et/ou après ce montage, mais avant de remplir La ceLlule avec les matériaux d'électrodes. L'introduction

par extrusion des matériaux d'électrodes permet un mon-

tage en chaîne automatique, bien adapté à une produc-

tion de masse de cellules de ce type.

La paroi transversale intermédiaire 44 du boi-

tier renforce La cellule afin de minimiser Les effets nuisibles du gonflement se produisant lors de la charge et de la décharge de la batterie. De plus, l'ensemble

d'électrode négative peut pratiquement flotter libre-

ment, de teLLe sorte que grâce au séparateur qui l'en-

toure complètement, il est peu probable qu'il se pro-

duise des courts-circuits entre les ensembles d'éLec-

trodes négative et positive. Comme le matériau d'élec-

trode positive est confiné par Les parois du boîtier

de ceLlute, il peut suinter entre ces parois et L'en-

semble d'électrode positive, et comme son accroissement

volumétrique est supérieur à celui du matériau d'éLec-

trode négative qui posait jusqu'à présent le problème de gonflement, les éventuelles forces différentielles

s'exercent vers l'intérieur à partir des parois du bottier ren-

forcées, directement contre le sous-ensemble collecteur

de courant ou d'électrode positive, et seulement indi-

rectement contre le sous-ensemble d'électrode négative.

Cette configuration du boîtier de cellule fournit un rapport puissance / poids correspondant à une valeur d'énergie spécifique pratiquement supérieur de 30 % aux cellules classiques ne comportant pas la paroi intermédiaire ou transversale de renforcement et la structure à double cavité qui en résulte. Malgré ceci, on dispose en outre d'une résistance électrique

de cellule interne inférieure, ce qui permet une puis-

sance de sortie soutenue plus importante. L'agencement de boîtier à extrémités ouvertes semble bien se prêter à un montage en chaîne, à la température ambiante, et Lors duquel on peut tester préalablement les sous-ensembles

d'électrodes en vue de déceler d'éventuels courts-

circuits avant d'extruder en position le matériau d'éLec-

trode et de fermer hermétiquement le boitier de cellule

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Cellule ou batterie d'alliage de lithium/ suLfure de fer, caractérisée en ce qu'elle comprend

un boîtier (38) extérieur, des sous-ensembles collec-

teurs de courant positif (50) et négatif (60) dispo-

ses dans le boîtier et ayant des surfaces perforées mutuellement appariées et espacées (54, 64), un moyen

(73) de fixation du sous-ensemble collecteur de cou-

rant positif au boîtier, utilisable pour maintenir ses

faces majeures espacées du boîtier, un matériau d'élec-

trode positive (57) confiné entre Le boîtier et les faces perforées du sous-ensemble d'électrode positive

et un moyen (48) pour enfermer hermétiquement Le maté-

riau d'électrode positive à L'intérieur de celui-ci, un moyen séparateur (70) disposé entre Les sous-ensembles

collecteurs de courant positif et négatif pour les iso-

ler électriquement l'un par rapport à l'autre et égale-

ment soutenir le sous-ensemble collecteur de courant négatif à L'intérieur du sous-ensemble collecteur de courant positif et par rapport à celui-ci, un matériau

d'électrode négative (67) confiné à l'intérieur du sous-

ensemble d'électrode négative et un moyen (68) pour

enfermer hermétiquement le matériau d'électrode néga-

tive à L'intérieur de celui-ci, et un moyen (46) pour

fermer hermétiquement le boîtier.

2. Cellule ou batterie d'alliage de Lithium/ sulfure de fer selon la revendication 1, caractérisée en outre par le fait que ces sous-ensembles collecteurs

de courant positif (50) et négatif (60) ont des struc-

tures de parois respectives s'étendant sous forme de boucles continues espacées, et par le fait que la boucle du sous-ensemble de collecteur de courant négatif (60) est disposée à l'intérieur de la boucle du sousensemble collecteur de courant positif (50) et en est séparée par

le moyen séparateur (70).

3. Cellule ou batterie d'alliage de lithium/ -

sulfure de fer selon la revendication 2, caractérisée en outre par le fait que Les structures de parois de

La boucle du sous-ensemble collecteur de courant posi-

tif (50) sont espacées du bottier (38) et que le maté- riau d'électrode positive (57) est situé entre les structures de parois et le boitier, que les structures de parois de La boucle du sous-ensemble collecteur de

courant négatif définissent une ouverture à une e::tré-

mité et que le matériau d'électrode négative (67) est confiné contre Les structures de parois du sous-ensembLe collecteur de courant négatif, jusqu'à son extrémité ouverte, et par le fait que des capuchons (68) sont fixés aux structures de parois du sous-ensemble cole

lecteur de courant négatif à son extrémité ouverte, pré-

vus pour enfermer hermétiquement le matériau d' lectrode négative à L'intérieur du sous-ensemble collecteur de

courant négatif.

4. Cellule ou batterie d'aliage de lithium/ sulfure de fer selon La revendication 2, caractérisée en outre par le fait que les structures de parois des

boucles des sous-ensembles collecteurs de courant posi-

tif et négatif présentent chacune au moins une zone de faces majeures perforées (54, 64) et au moins une zone de rebords (56, 66) imbriqués et superposés,inclinés

perpendiculairement à leurs faeces wajeures.

5. Cellule ou bat!:-.r x: d'alliage de lithium/ sulfure de fer seLon la rveindication 1e caractérisée en outre par le fait qt le moyen s$paraseur (70) est sous forme d'une mas- en plaque de matériau disposée librement contz: et entre les sous-ensembLes collecteurs de courant 'oli'] (50) et négatif (60) ou qu'iL est sous la forme d'une nasse solide de matériau liée au, et entre les sous-ensembles collecteurs de courant

positif et négatif.

6. CeLluLe ou batterie d'alliage de Lithium/ sulfure de fer selon La revendication 1, caractérisée en outre par le fait que Le boÂtier (38) est formé par une paire de parois latérales Longues (40) et une paire de parois latéraLes courtes (42) et une paroi transver- sale (44) s'étendant paralLèlement aux parois latérales

Longues et reliée aux parois latérales courtes, défi-

nissant ainsi une paire de cavités, un sous-ensemble

positif et.négatif étant disposé dans chacune des cavi-

tés, et par te fait que cette paroi transversale est

formée d'une feuille de cuivre revêtue d'acier inoxy-

dable sur ses faces opposées; et par le fait qu'elle comporte une bande de pontage (75) connectée aux et

entre les sous-ensembles collecteurs de courant néga-

15.tif des cavités adjacentes afin de les connecter élec-

triquement l'une à l'autre.

7. Procédé de fabrication d'une cellule ou d'une batterie d'alliage de tithium/sulfure de fer ayant un boîtier extérieur (38) qui, lors de ses étapes initiales de fabrication, est à extrémités ouvertes, comprenant les opérations consistant à disposer un sous-ensemble collecteur de courant négatif (60) à l'intérieur d'un sous-ensemble collecteur de courant positif (50), un matériau séparateur (70) étant disposé entre ceux-ci afin de les isoler électriquement l'un de l'autre, de façon que des faces perforées (54, 64) situées sur les

collecteurs de courant positif et négatif soient mutuel-

lement appariées et espacées l'une de l'autre, à fixer

le sous-ensemble collecteur de courant positif au boî-

tier de façon à présenter ses faces perforées espacées du boîtier et définissant entre elles une chambre ouverte vers une extrémité du boîtier, le sous-ensemble collecteur de courant négatif tel qu'il est disposé définissant ainsi une chambre ouverte vers l'autre

extrémité du boîtier; à extruder des matériaux d'élec-

trodes positive (57) et négative (67) respectivement dans la chambre du sous-ensemble collecteurde courant respectif, par les extrémités ouvertes opposées-du boîtier; et à fermer hermétiquement les chambres et

les extrémités ouvertes du boîtier.

8. Procédé de fabrication d'une cellule ou d'une batterie d'alliage de lithium/sulfure de fer selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'opération consistant à extruder le matériau d'électrode positive (57) et le matériau

d'électrode négative (67) séquentiellement.

9. Procédé de fabrication d'une cellule ou d'une batterie d'alliage de lithium/sulfure de fer selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'opération consistant à extruder le matériau d'électrode positive (57) et le matériau d'électrode

négative (67) simultanément.

10. Procédé de fabrication d'une cellule ou d'une batterie d'alliage de lithium/sulfure de fer selon la

revendication 7, caractérisé en outre en ce qu'il com-

porte l'opération consistant à lier Le matériau sépa-

rateur (70) aux sous-ensembles collecteurs de courant

positif et négatif, tandis qu'ils sont encore à l'exté-

rieur du boîtier, en produisant le matériau séparateur

sous forme de bouillie et en le disposant entre les sous-

ensembles puis en traitant le matériau séparateur à une

température éLevée sur une période prolongée.