FR2737046A1

FR2737046A1 - Electrochemical generator that operates in any position - has buffers, between top cover and electrochemical assembly, formed from plastic and filled with inert gas, liquid or polymer material to hold contents in place

Info

Publication number: FR2737046A1
Application number: FR9508879A
Authority: FR
Inventors: Philippe Jehanno
Original assignee: SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Current assignee: SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Priority date: 1995-07-21
Filing date: 1995-07-21
Publication date: 1997-01-24

Abstract

The electrochemical generator has a container with terminals (2) in the cover and filled with an electrochemical core (1), with a network of connections (4) to connect the electrodes of the same polarity to a terminal. A solid, compressible, chemically inert layer is placed between the electrochemical core and the electrical connections. The inert layer is formed by plastic cells (5) filled with an inert gas such as argon or alternatively filled with a liquid. A polymer filling may also be used. This inert layer holds the contents of the electrochemical generator in the correct operating position regardless of the orientation of the electrochemical generator.

Description

Générateur électrochimique fonctionnant en toutes Dositions
La présente invention concerne un générateur électrochimique susceptible de fonctionner avec le même niveau de performances dans toutes les positions.Electrochemical generator operating in all Dositions
The present invention relates to an electrochemical generator capable of operating with the same level of performance in all positions.

Les générateurs classiques comportent un faisceau d'électrodes, planes ou enroulées en spirale, surmonté d'un volume libre occupé par les connexions permettant de relier électriquement les électrodes d'une même polarité à la borne correspondante située sur le couvercle du conteneur. Ce volume laissé vide est déterminé en fonction du volume d'électrolyte contenu dans le générateur et de sa température de fonctionnement. I1 a pour rôle de permettre la dilatation du liquide, l'électrolyte lui-même étant peu ou pas compressible. Par exemple, dans un générateur lithium-carbone de 100 Ah, le volume libre représente environ 8% du volume total. Conventional generators comprise a bundle of electrodes, flat or spirally wound, surmounted by a free volume occupied by the connections making it possible to electrically connect the electrodes of the same polarity to the corresponding terminal situated on the lid of the container. This volume left empty is determined according to the volume of electrolyte contained in the generator and its operating temperature. Its role is to allow the liquid to expand, the electrolyte itself being little or not compressible. For example, in a 100 Ah lithium-carbon generator, the free volume represents approximately 8% of the total volume.

L'electrolyte liquide introduit dans le générateur va imprégner le faisceau d'électrodes mais n'occupe pas le volume libre. Lorsque le générateur se trouve en position verticale, la borne située en haut, le volume libre surmonte le faisceau d'électrodes et l'électrolyte. Le fonctionnement du générateur est alors correct, les composants du faisceau baignant de manière homogène dans l'électrolyte. The liquid electrolyte introduced into the generator will permeate the electrode bundle but does not occupy the free volume. When the generator is in the vertical position, the terminal located at the top, the free volume overcomes the electrode bundle and the electrolyte. The operation of the generator is then correct, the components of the beam bathing homogeneously in the electrolyte.

Lorsque le générateur se trouve en position horizontale, le volume libre se déplace pour se maintenir au-dessus de l'électrolyte. La zone prévue initialement pour la dilatation du liquide se remplit partiellement d'électrolyte, alors que la partie haute du faisceau se trouve asséchée. Les électrodes ne fonctionnent plus sur la totalité de leur surface : les performances chutent et le vieillissement du faisceau électrochimique s'effectue de manière hétérogène ce qui abrège la durée de vie du générateur. Par exemple, lorsque le générateur lithiumcarbone se trouve en position horizontale, 20 à 25 % de la surface active des électrodes ne fonctionne plus normalement. When the generator is in a horizontal position, the free volume moves to stay above the electrolyte. The zone initially planned for the expansion of the liquid partially fills with electrolyte, while the upper part of the bundle is dried up. The electrodes no longer work on their entire surface: performance drops and the aging of the electrochemical beam takes place in a heterogeneous manner which shortens the lifetime of the generator. For example, when the lithiumcarbon generator is in a horizontal position, 20 to 25% of the active surface of the electrodes no longer works normally.

Afin de résoudre ce problème, on peut prévoir un volume libre équivalent se situant toujours au-dessus du faisceau quelle que soit la position du générateur. Par exemple, pour un élément prismatique cela revient à ménager un volume libre entre le faisceau et chacune des six faces du conteneur, de telle sorte qu'en toute position on ait toujours un volume libre placé au-dessus du faisceau imprégné d'électrolyte. Cette solution conduit à une augmentation du volume du générateur de cinq fois le volume de dilatation nécessaire et à une augmentation de poids équivalente à la quantité d'électrolyte nécessaire au remplissage de ces volumes supplémentaires. Par exemple, pour le générateur lithium-carbone précédemment cité, cela correspond à une augmentation de 40% du volume total et de 1108 de la quantité d'électrolyte. In order to solve this problem, an equivalent free volume can be provided, which is always above the beam regardless of the position of the generator. For example, for a prismatic element this amounts to providing a free volume between the bundle and each of the six faces of the container, so that in any position there is always a free volume placed above the bundle impregnated with electrolyte. This solution leads to an increase in the volume of the generator of five times the volume of expansion necessary and to an increase in weight equivalent to the quantity of electrolyte necessary to fill these additional volumes. For example, for the aforementioned lithium-carbon generator, this corresponds to a 40% increase in the total volume and 1108 in the amount of electrolyte.

La présente invention a pour but de proposer un générateur électrochimique susceptible de fonctionner en toutes positions à un niveau de performances égal, sans diminution notable de son énergie volumique et massique. The object of the present invention is to propose an electrochemical generator capable of operating in any position at an equal level of performance, without appreciable reduction in its volume and mass energy.

L'objet de la présente invention est un générateur électrochimique comportant un conteneur muni d'un fond et d'un couvercle portant au moins une borne, un faisceau électrochimique placé dans ledit conteneur, et un ensemble de connexions pour raccorder électriquement les électrodes d'une même polarité à ladite borne, caractérisé en ce que ledit générateur contient en outre un moyen solide compressible inerte chimiquement occupant une position fixe à l'intérieur dudit générateur. The object of the present invention is an electrochemical generator comprising a container provided with a bottom and a cover carrying at least one terminal, an electrochemical bundle placed in said container, and a set of connections for electrically connecting the electrodes of the same polarity at said terminal, characterized in that said generator further contains a chemically inert compressible solid means occupying a fixed position inside said generator.

Ce moyen a pour rôle de remplacer une partie ou la totalité du volume libre précédemment réservé au-dessus du faisceau. sa compressibilité permet la dilatation de l'électrolyte. Plus le moyen sera facilement compressible et moins il s'exercera d'effort sur la paroi du conteneur, il sera alors possible d'envisager une réduction de l'épaisseur de cette paroi et donc un gain de poids pour le générateur. The role of this means is to replace part or all of the free volume previously reserved above the beam. its compressibility allows the electrolyte to expand. The more the means will be easily compressible and the less effort will be exerted on the wall of the container, it will then be possible to envisage a reduction in the thickness of this wall and therefore a weight gain for the generator.

Lorsque la position du générateur varie, ce moyen reste en position fixe immobilisant ainsi l'électrolyte à l'intérieur du faisceau. En conséquence le fonctionnement du générateur ne se trouve pas affecté par le changement de position. Sa position fixe peut être librement choisie en fonction de la conception du générateur. When the position of the generator varies, this means remains in a fixed position, thus immobilizing the electrolyte inside the bundle. Consequently, the operation of the generator is not affected by the change of position. Its fixed position can be freely chosen according to the design of the generator.

Ce moyen doit être chimiquement inerte car il ne participe pas à la réaction électrochimique et ne doit pas se dégrader au contact de son environnement. This means must be chemically inert because it does not participate in the electrochemical reaction and must not degrade in contact with its environment.

Selon un mode de réalisation préférentielle, ledit moyen est un volume fermé délimité par une paroi étanche présentant au moins une zone déformable, ledit volume contenant un matériau compressible. According to a preferred embodiment, said means is a closed volume delimited by a sealed wall having at least one deformable zone, said volume containing a compressible material.

La paroi solide et chimiquement inerte constitue l'interface du moyen avec le reste du générateur et permet de maintenir le volume libre qu'elle délimite dans une position déterminée. Sa surface est déformable, partiellement ou entièrement afin de permettre la compression du volume interne sous l'effet de la pression de l'électrolyte. Le volume intérieur ne doit pas pouvoir communiquer avec le volume extérieur, ce qui est obtenu par l'étanchéité de la paroi. The solid and chemically inert wall constitutes the interface of the means with the rest of the generator and makes it possible to maintain the free volume which it delimits in a determined position. Its surface is deformable, partially or entirely in order to allow compression of the internal volume under the effect of the pressure of the electrolyte. The interior volume must not be able to communicate with the exterior volume, which is obtained by sealing the wall.

De préférence, ladite paroi est composée d'une matière choisie parmi un polymère et un métal. Preferably, said wall is composed of a material chosen from a polymer and a metal.

Le matériau doit être choisi de telle sorte à offrir une faible résistance à la déformation. Tout matériau souple et facilement déformable peut convenir. On peut par exemple envisager l'utilisation d'un soufflet en inox ou d'un ballonet constitué d'une ou plusieurs cellules closes, reliées ou non entre elles, à paroi en polyéthylène ou polypropylène. The material should be chosen so as to offer low resistance to deformation. Any flexible and easily deformable material may be suitable. One can for example consider the use of a stainless steel bellows or a balloon consisting of one or more closed cells, connected or not connected to one another, with a polyethylene or polypropylene wall.

De préférence encore, ledit matériau compressible est choisi parmi un gaz, un liquide, et un polymère. More preferably, said compressible material is chosen from a gas, a liquid, and a polymer.

Ce-matériau doit être le plus léger possible afin de ne pas augmenter la masse du générateur. La solution préférée est un gaz léger et chimiquement inerte comme l'argon. This material must be as light as possible so as not to increase the mass of the generator. The preferred solution is a light, chemically inert gas such as argon.

Selon une première forme d'exécution de l'invention, ledit moyen est placé entre ledit faisceau et ledit couvercle. According to a first embodiment of the invention, said means is placed between said beam and said cover.

Cette solution présente l'avantage d'utiliser un volume laissé disponible en raison des contraintes liées à la conception du générateur. This solution has the advantage of using a volume left available due to the constraints linked to the design of the generator.

Selon une deuxième forme d'exécution, ledit moyen est placé est placé entre ledit faisceau et ledit fond. According to a second embodiment, said means is placed is placed between said beam and said bottom.

Lorsque la conception du générateur permet de réduire la longueur des connexions, le moyen compressible peut alors être placé à l'autre extrémité du faisceau. On a l'avantage de disposer d'un espace de forme régulière sans la contrainte du passage des connexions. When the design of the generator makes it possible to reduce the length of the connections, the compressible means can then be placed at the other end of the bundle. We have the advantage of having a space of regular shape without the constraint of the passage of the connections.

Mais on peut également placer le moyen compressible entre le faisceau et la paroi du conteneur, ou bien à l'intérieur du faisceau, comme par exemple au centre d'un faisceau spiralé. Ces dernières solutions sont néanmoins moins aisées à mettre en pratique. But it is also possible to place the compressible means between the bundle and the wall of the container, or else inside the bundle, as for example in the center of a spiral bundle. These latter solutions are nevertheless less easy to put into practice.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaltront au cours de la description suivante de modes de réalisation, donnés bien entendu à titre illustratif mais nullement limitatif, en référence au dessin annexé sur lequel:
- la figure 1 représente en coupe verticale partielle selon I-I de la figure 2, un générateur électrochimique muni du moyen selon l'invention,
- la figure 2 montre une vue de dessus du même générateur.Other characteristics and advantages of the present invention will appear during the following description of embodiments, given of course by way of illustration but in no way limiting, with reference to the appended drawing in which:
FIG. 1 represents in partial vertical section along II of FIG. 2, an electrochemical generator provided with the means according to the invention,
- Figure 2 shows a top view of the same generator.

EXEMPLE 1
Selon l'invention, on réalise un générateur électrochimique A rechargeable au lithium de type prismatique analogue à celui représenté sur les figures 1 et 2 La figure 1 est une coupe verticale partielle de l'accumulateur selon I-I de la figure 2. Le générateur électrochimique possède un conteneur qui contient un faisceau électrochimique 1, comportant des anodes de carbone susceptible d'intercaler du lithium, des cathodes à base d'oxyde de nickel lithié Lino02, et un électrolyte contenant un solvant organique et un sel de lithium. Les électrodes sont reliées à la borne 2, située sur le couvercle 3 du conteneur, par un faisceau de connexions 4.Le volume libre de 100 cm3 est placé au-dessus du faisceau électrochimique 1. I1 est occupé par un ballonet 5 composé de trois cellules non communicantes à paroi en polyéthylène rempli d'argon. Une grille de protection 6 peut être interposée entre le ballonet 5 et le faisceau 1 pour protéger le ballonet 5 du bord des électrodes si nécessaire.EXAMPLE 1
According to the invention, an electrochemical generator A rechargeable with lithium of prismatic type similar to that shown in FIGS. 1 and 2 is produced. FIG. 1 is a partial vertical section of the accumulator according to II in FIG. 2. The electrochemical generator has a container which contains an electrochemical bundle 1, comprising carbon anodes capable of interposing lithium, cathodes based on lithiated nickel oxide LinoO2, and an electrolyte containing an organic solvent and a lithium salt. The electrodes are connected to terminal 2, located on the lid 3 of the container, by a bundle of connections 4. The free volume of 100 cm3 is placed above the electrochemical bundle 1. It is occupied by a balloon 5 composed of three non-communicating cells with polyethylene walls filled with argon. A protective grid 6 can be interposed between the balloon 5 and the bundle 1 to protect the balloon 5 from the edge of the electrodes if necessary.

Le conteneur présente extérieurement deux grandes faces 7 et deux petites faces 8.The container has two large faces 7 and two small faces 8 on the outside.

EXEMPLE 2
Un générateur électrochimique B selon l'art antérieur a été réalisé. I1 est analogue à celui décrit dans l'exemple 1 mais ne contient pas de ballonet.EXAMPLE 2
An electrochemical generator B according to the prior art has been produced. I1 is similar to that described in Example 1 but does not contain a balloon.

EXEMPLE 3
Les générateurs électrochimiques A et B sont évalués électrochimiquement de la manière suivante:
- charge à un courant constant de 50A jusqu'à une tension de 4,1V,
- décharge à un courant constant de 100A jusqu'à une tension de 2,5V
Les générateurs subissent d'abord un cyclage de courte durée en position verticale afin de déterminer leur capacité. Ils sont ensuite placés en position couchée, leur grande face 7 étant dans le plan horizontal, et cyclés de la même manière.Les résultats sont rassemblés dans le tableau I ci-dessous:
TABLEAU I
A B
(invention) (art antérieur)
Capacité (Ah): en position verticale 59,3 59,3 en position horizontale 59,0 51,2
99,5 86,3
Un générateur de l'art antérieur perd près de 14% de sa capacité lorsque les circonstances l'obligent à fonctionner en position couché, alors qu'un générateur selon la présente invention continue de fonctionner avec une capacité pratiquement inchangée.EXAMPLE 3
The electrochemical generators A and B are evaluated electrochemically as follows:
- charge at a constant current of 50A up to a voltage of 4.1V,
- discharge at a constant current of 100A up to a voltage of 2.5V
The generators first undergo a short cycle in vertical position in order to determine their capacity. They are then placed in the supine position, their large face 7 being in the horizontal plane, and cycled in the same way. The results are collated in Table I below:
TABLE I
AB
(invention) (prior art)
Capacity (Ah): in vertical position 59.3 59.3 in horizontal position 59.0 51.2
99.5 86.3
A generator of the prior art loses almost 14% of its capacity when the circumstances force it to operate in the supine position, while a generator according to the present invention continues to operate with a capacity practically unchanged.

La présente invention a pour avantage de permettre l'utilisation de générateurs de conception standard quelle que soit leur position dans l'espace sans observer de différence dans leurs performances (capacité durée de vie, ....). Par conséquent on pourra concevoir une batterie dont les éléments seront dans des positions différentes sans entraîner de perturbation dans son fonctionnement. Ainsi il sera possible d'optimiser le volume de la batterie et son adaptation à l'espace prévu dans l'application à laquelle elle est destinée. The present invention has the advantage of allowing the use of generators of standard design whatever their position in space without observing any difference in their performance (lifetime capacity, etc.). Therefore we can design a battery whose elements will be in different positions without causing disturbance in its operation. Thus it will be possible to optimize the volume of the battery and its adaptation to the space provided in the application for which it is intended.

Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. En particulier, on pourra sans sortir du cadre de l'invention utiliser le moyen dans tout type de générateur électrochimique, primaire en secondaire, de forme prismatique ou cylindrique, comportant tout type de couple électrochimique en présence d'une électrolyte liquide aqueux ou organique. Of course, the present invention is not limited to the embodiments described and shown, but it is capable of numerous variants accessible to those skilled in the art without departing from the spirit of the invention. In particular, without departing from the scope of the invention, it is possible to use the means in any type of electrochemical generator, primary to secondary, of prismatic or cylindrical shape, comprising any type of electrochemical couple in the presence of an aqueous or organic liquid electrolyte.

Claims

1. / Electrochemical generator comprising a container provided with a bottom and a cover carrying at least one terminal, an electrochemical bundle placed in said container, and a set of connections for electrically connecting electrodes of the same polarity to said terminal , characterized in that said generator further contains a chemically inert compressible solid means occupying a fixed position inside said generator.

2. / Generator according to claim 1, wherein said means is a closed volume delimited by a sealed wall having at least one deformable zone, said volume containing a compressible material.

3. / Generator according to claim 1 and 2, wherein said wall is composed of a material chosen from a polymer and a metal.

4. / Generator according to claim 1 and 2, wherein said compressible material is chosen from a gas, a liquid, and a polymer.

5. / Generator according to one of the preceding claims, wherein said means is placed between said beam and said cover.

6. / Generator according to one of the preceding claims, wherein said means is placed between said beam and said bottom.