WO1996030955A1 - Dispositif de protection thermique interne de sources d'energie, notamment de sources d'energie au lithium, en milieu corrosif ou pollue - Google Patents

Dispositif de protection thermique interne de sources d'energie, notamment de sources d'energie au lithium, en milieu corrosif ou pollue Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an internal thermal protection device for energy sources, in particular lithium energy sources, in a polluted or corrosive environment.
  • One field of the present invention relates to lithium energy sources, in particular cylindrical batteries of the R14 or R20 type.
  • the applications of this type of energy sources are multiple, both in civil and military applications. They make it possible to produce generators, often miniaturized, with high energy performance.
  • a lithium battery is generally made up of a sealed and corrosion-resistant tank, seat of a chemical reaction between two electrodes: an anode and a cathode both made of a determined material, the whole immersed in an electrolyte. Each end of the battery is closed by a negative and positive pole respectively.
  • the chemical reaction creating a movement of anions and cations makes it possible to generate a current by a discharge circuit internal to the battery in the case of a primary source (non-rechargeable battery). This reaction is activated, in the case of a secondary source (rechargeable battery), by a current using a charging circuit often confused with the discharge circuit.
  • lithium batteries require a certain number of precautions due to the high chemical reactivity of the alkali metal (lithium) used as an anode.
  • One of the characteristics of lithium is that at the end of the life of the lithium element of the battery, there is an internal increase in temperature which leads to degassing for use at high temperature; degassing being a phenomenon manifested in the form of a gaseous evolution resulting from the degradation of the internal elements of the cell subjected to a high temperature or to a strong charging current in the case of a rechargeable cell.
  • This degassing causes an overpressure inside the tank which can reach around twenty bars. This overpressure causes significant deformation of the stack or even the explosion thereof.
  • an additional safety device is arranged inside the stack to keep the space requirement of the energy source minimal without significant modification thereof.
  • the device according to the invention interrupts the charging / discharging circuit of the cell beyond a determined temperature reached inside the cell before degassing.
  • the subject of the invention is therefore an internal thermal protection device for energy sources, in particular lithium energy sources, in a corrosive or polluted environment, characterized in that it comprises a bucket made of insulating, waterproof and resistant material in the corrosive or polluted external environment, arranged in cutoff on the internal charge / discharge circuit of the energy source, and containing a fusible element whose melting point, lower than that of the bucket, is determined to be lower than a temperature maximum determined reached inside the lithium energy source, the mechanical and electrical connection of the fuse element being ensured during its solid state at a first end, by a conductive zone of the cup, resistant to corrosive and polluted medium and of a higher melting point than the fusible element, and at a second end by the fusible element itself, this connection being broken when the element t fuse has reached the liquid state.
  • One of the advantages of the present invention is to guarantee total security for the user, the battery being cut before degradation due to the deletion without thereby increasing the total volume of the energy source.
  • FIGS. 1a and 1b an embodiment of a protection device according to the invention respectively in front view cut along the cutting axis AA and in top view, and
  • the device according to the invention uses an alloy ball 1 having a melting point corresponding to the temperature from the solid state to the liquid state, at a relatively low temperature between 80 ° and 110 ° C approximately.
  • An alloy based on lead, tin and bismuth according to the following percentages can be used to make ball 1:
  • the ball 1 is placed in the center of a cup 2 made of electrical insulating material, waterproof and resistant to the corrosive or polluted external environment, for example made of Teflon.
  • the cup 2 for example, of cylindrical shape, has an outer ring 3 and an inner ring 4. These two rings 3 and 4 are concentric and integral with the bottom 5 of the cup 2.
  • the outer ring 3 forms the side wall of the cup 2 It is full and allows the protection device to be isolated from the outside environment.
  • the incomplete inner ring 4 keeps the ball 1 centered in the cup 2.
  • the bottom 5 of the cup 2 has in its center a zone 6, blackened in FIG. 1a, electric conductor and resistant to corrosive or polluted medium, in contact with a first end of the ball 1.
  • the bucket 2 is arranged in cutoff on the internal charge / discharge circuit of the battery, not shown.
  • the mechanical and electrical connection between the cup 2 and the charging / discharging circuit being provided on the one hand at a first end by the conductive zone 6 of the bottom 5 of the cup 2 and on the other hand by the second end of the ball 1 .
  • the incomplete inner ring 4 also allows the flow of the molten alloy and a distribution thereof in a space 7 formed between the outer ring 3 and the inner ring 4.
  • This space 7 is determined to form a determined volume intended to contain the alloy after fusion and making it possible to break the electrical connection provided by the ball 1 in its solid state, regardless of the position of the device in space.
  • the nature of the alloy and its melting point are determined by taking into account the conductivity of the material so as to minimize the dissipated power, and the thermal conductivity.
  • FIG. 2 illustrates a sectional view of a battery of the R20 type for example, of which only the main elements are identified, comprising a thermal protection device 1, 2 according to the invention.
  • the cell comprises a sealed reservoir 8 resistant to corrosive and polluted medium, of cylindrical shape.
  • the reservoir 8 contains a block of electrodes 9 immersed in an electrolyte 10.
  • a first end of the battery corresponding to the bottom of the reservoir 8 is coupled to a negative terminal 11
  • a second end is closed by a sealed closure device 12 comprising inter alia a safety valve 13 allowing the gas to escape in the event of an internal overpressure
  • the external end of the closing device 12 constitutes the positive terminal 14 of the battery
  • the positive terminal 14 is internally coupled to a rod 15, electric conductor, separate in two parts by the protection device 1, 2 according to the invention
  • is coupled by a first end to the positive terminal 14 and it is held by a second end by an insulation plate 16 also sealingly closing the open part of the cup 2 of the device according to the invention This second end is in contact with a first end of the ball 1
  • the second part 152 of the rod 15 is coupled by a first end to the conductive zone 6 of the bottom
  • the present invention is not limited to the embodiment detailed in the description.
  • the shape of the bucket 2 should allow the alloy to flow during the melting so that in all cases there is opening of the circuit. internal battery charge / discharge
  • the conductive area 6 of the bottom 5 of the cup 2 can be directly connected to the block of electrodes 9 by the conductive wire 16

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Abstract

Le dispositif selon l'invention comporte un dispositif interne de protection thermique de sources d'énergie, notamment de sources d'énergie au lithium, en milieu corrosif ou pollué, caractérisé en ce qu'il comporte un godet (2) en matériau isolant, étanche et résistant au milieu extérieur corrosif ou pollué, disposé en coupure sur le circuit de charge/décharge interne de la source d'énergie, et renfermant un élément fusible (1) dont le point de fusion, inférieur à celui du godet (2), est déterminé pour être inférieur à une température maximale déterminée atteinte à l'intérieur de la source d'énergie au lithium, la liaison mécanique et électrique de l'élément fusible (1) étant assurée durant son état solide à une première extrémité, par une zone conductrice (6) du godet (2), résistante au milieu corrosif et pollué et de point de fusion supérieur à l'élément fusible (1), et à une deuxième extrémité par l'élément fusible (1) lui-même, cette liaison étant rompue quand l'élément fusible (1) a atteint l'état liquide.

Description

DISPOSITIF DE PROTECTION THERMIQUE INTERNE DE SOURCES
D'ENERGIE, NOTAMMENT DE SOURCES D'ENERGIE AU
LITHIUM, EN MILIEU CORROSIF OU POLLUE.
La présente invention concerne un dispositif interne de protection thermique de sources d'énergie, notamment de sources d'énergie au lithium, en milieu pollué ou corrosif.
Un domaine de la présente invention concerne les sources d'énergie lithium, notamment les piles cylindriques de type R14 ou R20. Les applications de ce type de sources d'énergie sont multiples, aussi bien dans les applications civiles que militaires. Elles permettent de réaliser des générateurs, souvent miniaturisés, à haute performance énergétique.
Une pile au lithium est généralement constituée d'un réservoir étanche et résistant à la corrosion, siège d'une réaction chimique entre deux électrodes : une anode et une cathode toutes deux réalisées dans un matériau déterminé, le tout baignant dans un électrolyte. Chaque extrémité de la pile est fermée par un pôle respectivement négatif et positif. La réaction chimique créatrice d'un mouvement d'anions et de cations permet de générer un courant par un circuit de décharge interne à la pile dans le cas d'une source primaire (pile non rechargeable). Cette réaction est activée, dans le cas d'une source secondaire, (pile rechargeable), par un courant utilisant un circuit de charge souvent confondu avec le circuit de décharge. Un des inconvénients des piles au lithium est de nécessiter un certain nombre de précautions en raison de la grande réactivité chimique du métal alcalin (lithium) utilisé comme anode. Une des caractéristiques du lithium est qu'en fin de vie de l'élément au lithium de la pile, il y a une augmentation interne de la température qui conduit à un dégazage pour une utilisation à température élevée ; le dégazage étant un phénomène se manifestant sous la forme d'un dégagement gazeux issu de la dégradation des éléments internes de la pile soumis à une forte température ou à un fort courant de charge dans le cas d'une pile rechargeable. Ce dégazage provoque une surpression à l'intérieur du réservoir pouvant atteindre une vingtaine de bars. Cette surpression entraîne une déformation importante de la pile voire l'explosion de celle-ci. Pour pallier cet inconvénient, il est prévu généralement par les constructeurs de piles, une sécurité faisant office de "soupape" permettant en cas de surpression de laisser échapper le gaz à l'extérieur de la pile. Cette sécurité irréversible est un ultime recours avant destruction de la pile. Cependant, le dégagement gazeux dû à la décomposition de l'élément lithium, corrosif, risque non seulement d'affecter l'équipement proche de la pile mais présente également un danger pour l'utilisateur.
L'invention a pour but de pallier cet inconvénient. A cet effet, un dispositif de sécurité supplémentaire selon l'invention, est disposé à l'intérieur de la pile pour conserver un encombrement minimal de la source d'énergie sans modification importante de celle-ci. Le dispositif selon l'invention interrompt le circuit de charge/décharge de la pile au-delà d'une température déterminée atteinte à l'intérieur de la pile avant dégazage.
L'invention a donc pour objet un dispositif interne de protection thermique de sources d'énergie, notamment de sources d'énergie au lithium, en milieu corrosif ou pollué, caractérisé en ce qu'il comporte un godet en matériau isolant, étanche et résistant au milieu extérieur corrosif ou pollué, disposé en coupure sur le circuit de charge/décharge interne de la source d'énergie, et renfermant un élément fusible dont le point de fusion, inférieur à celui du godet, est déterminé pour être inférieur à une température maximale déterminée atteinte à l'intérieur de la source d'énergie au lithium, la liaison mécanique et électrique de l'élément fusible étant assurée durant son état solide à une première extrémité, par une zone conductrice du godet, résistante au milieu corrosif et pollué et de point de fusion supérieur à l'élément fusible, et à une deuxième extrémité par l'élément fusible lui- même, cette liaison étant rompue quand l'élément fusible a atteint l'état liquide.
Un des avantages de la présente invention est de garantir une sécurité totale pour l'utilisateur, la pile étant coupée avant dégradation due à la suppression sans augmenter pour cela le volume total de la source d'énergie
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit faite en regard des figures annexées qui représentent - les figures 1a et 1 b, un mode de réalisation d'un dispositif de protection selon l'invention respectivement en vue de face coupée selon l'axe de coupe A-A et en vue de dessus, et
- la figure 2, une pile incorporant un dispositif de protection selon l'invention.
Dans le mode de réalisation illustré par les figures 1a et 1 b, le dispositif selon l'invention utilise une bille en alliage 1 ayant un point de fusion correspondant à la température de passage de l'état solide à l'état liquide, à une température relativement basse entre 80° et 110°C environ. Un alliage à base de plomb, d'étain et de bismuth selon les pourcentages suivants peut être utilisé pour réaliser la bille 1 :
- 32% de plomb, - 15,5% d'étain,
- 52,5% de bismuth. La bille 1 est disposée au centre d'un godet 2 en matériau isolant électrique, étanche et résistant au milieu extérieur corrosif ou pollué, par exemple réalisé en téflon. Le godet 2, par exemple, de forme cylindrique, comporte une couronne extérieure 3 et une couronne intérieure 4. Ces deux couronnes 3 et 4 sont concentriques et solidaires du fond 5 du godet 2. La couronne extérieure 3 forme la paroi latérale du godet 2. Elle est pleine et permet d'isoler le dispositif de protection du milieu extérieur.
La couronne intérieure 4 incomplète permet de maintenir la bille 1 centrée dans le godet 2. Le fond 5 du godet 2 comporte en son centre une zone 6, noircie sur la figure 1a, conducteur électrique et résistant au milieu corrosif ou pollué, en contact avec une première extrémité de la bille 1.
Le godet 2 est disposé en coupure sur le circuit de charge/décharge interne de la pile non représenté. La liaison mécanique et électrique entre le godet 2 et le circuit de charge/décharge étant assurée d'une part à une première extrémité par la zone conductrice 6 du fond 5 du godet 2 et d'autre part par la deuxième extrémité de la bille 1.
La couronne intérieure 4 incomplète permet également l'écoulement de l'alliage en fusion et une répartition de celui-ci dans un espace 7 formé entre la couronne extérieure 3 et la couronne intérieure 4. Cet espace 7 est déterminé pour former un volume déterminé destiné à contenir l'alliage après fusion et permettant de rompre la liaison électrique assurée par la bille 1 dans son état solide, et ce quelle que soit la position du dispositif dans l'espace.
La nature de l'alliage et son point de fusion sont déterminés en tenant compte de la conductivité du matériau de façon à minimiser la puissance dissipée, et de la conductivité thermique.
La figure 2 illustre une vue en coupe d'une pile du type R20 par exemple, dont seuls les principaux éléments sont repérés, comportant un dispositif de protection thermique 1 , 2 selon l'invention.
La pile comporte un réservoir 8 étanche et résistant au milieu corrosif et pollué, de forme cylindrique. Le réservoir 8 contient un bloc d'électrodes 9 plongées dans un électrolyte 10. Une première extrémité de la pile correspondant au fond du réservoir 8 est couplée à une borne négative 11 Une deuxième extrémité est fermée par un dispositif de fermeture étanche 12 comportant entre autres une soupape de sécurité 13 permettant l'échappement du gaz en cas de surpression interne L'extrémité extérieure du dispositif de fermeture 12 constitue la borne positive 14 de la pile La borne positive 14 est couplée en interne à une tige 15, conducteur électrique, séparée en deux parties par le dispositif de protection 1 , 2 selon l'invention La première partie 15-| est couplée par une première extrémité à la borne positive 14 et elle est maintenue par une deuxième extrémité par une plaque d'isolation 16 fermant également de façon étanche la partie ouverte du godet 2 du dispositif selon l'invention Cette deuxième extrémité est en contact avec une première extrémité de la bille 1 La deuxième partie 152 de la tige 15 est couplée par une première extrémité à la zone conductrice 6 du fond 5 du godet 2 et par une deuxième extrémité au bloc d'électrodes 9 par l'intermédiaire d'un fil conducteur 16 L'anode est en lithium, la cathode est par exemple en chlorure de thionyle et l'électrolyte est par exemple une solution de perchlorate de lithium dans du dioxalane
La présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation détaillé dans la description La forme du godet 2 devra permettre l'écoulement de l'alliage lors de la fusion de telle façon qu'il y ait dans tous les cas ouverture du circuit de charge/décharge interne de la pile
D'autre part, la zone conductrice 6 du fond 5 du godet 2 peut être directement reliée au bloc d'électrodes 9 par le fil conducteur 16

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif interne de protection thermique de sources d'énergie, notamment de sources d'énergie au lithium, en milieu corrosif ou pollué, caractérisé en ce qu'il comporte un godet (2) en matériau isolant, étanche et résistant au milieu extérieur corrosif ou pollué, disposé en coupure sur le circuit de charge/décharge interne de la source d'énergie, et renfermant un élément fusible (1 ) dont le point de fusion, inférieur à celui du godet (2), est déterminé pour être inférieur à une température maximale déterminée atteinte à l'intérieur de la source d'énergie au lithium, la liaison mécanique et électrique de l'élément fusible (1 ) étant assurée durant son état solide à une première extrémité, par une zone conductrice (6) du godet (2), résistante au milieu corrosif et pollué et de point de fusion supérieur à l'élément fusible (1 ), et à une deuxième extrémité par l'élément fusible (1 ) lui-même, cette liaison étant rompue quand l'élément fusible (1 ) a atteint l'état liquide.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le godet (2) de forme cylindrique comporte une couronne extérieure (3) et une couronne intérieure (4) concentriques solidaires du fond (5) du godet (2), la couronne extérieure (3) formant la paroi latérale du godet (2) étant pleine et permettant d'isoler le dispositif du milieu externe et la couronne intérieure (4) incomplète comportant un diamètre interne déterminé pour maintenir une bille (1 ) ayant un point de fusion déterminé, centré dans le godet (2), le fond (5) du godet (2) comportant une zone (6), conducteur électrique et résistant au milieu corrosif et pollué, en contact avec la première extrémité de la bille (1 ), un espace (7) formé entre les deux couronnes (3 et 4) étant déterminé pour contenir l'alliage constituant la bille (1 ) après fusion de celle-ci.
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'alliage constituant la bille (1 ) comporte 32% de plomb, 1 5,5% d'étain et 52,5% de bismuth pour obtenir un point de fusion compris entre 80° et 1 10° environ.
4. Source d'énergie au lithium caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.
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