FR2943853A1 - Electrochemical generator e.g. lithium-ion electrochemical generator, assembling method for battery, involves bracing maintaining element on side wall of cylindrical container of electrochemical generator - Google Patents
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Abstract
Description
GENERATEUR ELECTROCHIMIQUE ET PROCEDE D'ASSEMBLAGE EN BATTERIE ELECTROCHEMICAL GENERATOR AND BATTERY ASSEMBLY METHOD
La présente invention concerne le domaine des générateurs électrochimiques et 5 un procédé d'assemblage de générateurs électrochimiques en batterie. Un générateur ou accumulateur électrochimique (ces deux termes étant équivalents, on utilisera le terme de générateur dans la présente description) comprend de façon connue en soi un faisceau électrochimique comportant une alternance d'électrodes positives et négatives encadrant des séparateurs imprégnés 10 d'électrolyte. Chaque électrode est composée d'un collecteur de courant métallique supportant sur au moins une de ses faces la matière électrochimiquement active. L'électrode est connectée électriquement à une sortie de courant qui assure la continuité électrique entre l'électrode et l'application extérieure à laquelle le générateur est associé. Le faisceau d'électrodes est disposé dans un conteneur fermé 15 par un couvercle. Afin d'augmenter la puissance etlou l'énergie disponible à partir de générateurs électrochimiques, il est connu d'associer plusieurs générateurs en les reliant en série et/ou en parallèle. On désigne par batterie un tel assemblage de générateurs. Plusieurs moyens existent pour maintenir mécaniquement l'assemblage de 20 générateurs électrochimiques en batterie. Typiquement, une pluralité de générateurs peut être maintenue par un ou deux flasques assurant un maintien mécanique et les bornes des générateurs sont reliées électriquement selon le schéma souhaité (série et/ou parallèle) par des barrettes de connexion de puissance. Le maintien mécanique des générateurs dans des flasques ou autres supports 25 peut être assuré par exemple par collage, résinage ou soudure. Il est également connu du document US-A-2005/0196665 un procédé d'assemblage en batterie par utilisation d'anneaux de connexion. Mais ces techniques ne permettent pas un démontage facile des générateurs placés dans la batterie. Cela rend le remplacement d'un générateur de la batterie difficile, voire impossible. 30 Il existe des batteries dans lesquelles les générateurs sont insérés dans des structures alvéolées. Une étape de résinage permet le maintien mécanique de ces éléments dans la structure alvéolée. Une batterie de ce type est commercialisée par le demandeur sous la référence Batterie lithium 2 x 6 P W3A . Un tel procédé de résinage est long à mettre en oeuvre et rend difficile le démontage des générateurs. 35 Il existe donc un besoin pour un procédé d'assemblage des générateurs électrochimiques en batterie qui soit facile à mettre en oeuvre tout en permettant un démontage ou un remplacement facile des générateurs assemblés. The present invention relates to the field of electrochemical generators and a method of assembling battery electrochemical generators. An electrochemical generator or accumulator (these two terms being equivalent, the term "generator" will be used in the present description) comprises in known manner an electrochemical bundle comprising an alternation of positive and negative electrodes surrounding electrolyte impregnated separators. Each electrode is composed of a metal current collector supporting on at least one of its faces the electrochemically active material. The electrode is electrically connected to a current output which provides electrical continuity between the electrode and the external application to which the generator is associated. The electrode beam is disposed in a container closed by a lid. In order to increase the power and / or the energy available from electrochemical generators, it is known to associate several generators by connecting them in series and / or in parallel. Battery means such an assembly of generators. Several means exist to mechanically maintain the assembly of 20 battery electrochemical generators. Typically, a plurality of generators can be maintained by one or two flanges providing mechanical support and the terminals of the generators are electrically connected according to the desired scheme (series and / or parallel) by power connection strips. The mechanical maintenance of the generators in flanges or other supports 25 can be provided for example by gluing, resealing or welding. It is also known from US-A-2005/0196665 a method of battery assembly using connecting rings. But these techniques do not allow easy disassembly of the generators placed in the battery. This makes replacing a battery generator difficult or impossible. There are batteries in which the generators are inserted in honeycomb structures. A resin step allows the mechanical maintenance of these elements in the honeycomb structure. A battery of this type is marketed by the applicant under the reference Lithium battery 2 x 6 P W3A. Such a resins process is slow to implement and makes it difficult to dismantle the generators. There is therefore a need for a method of assembling electrochemical battery generators which is easy to implement while allowing easy disassembly or replacement of the assembled generators.
R .\Brevets\_9'1 '2963'_--090334-tcxte Jép,31 Jor'4.113/09 14!13- 1/8 A cet effet, l'invention propose un procédé d'assemblage de générateurs électrochimiques en batterie, chaque générateur électrochimique comportant un conteneur avec une paroi latérale, un fond et un couvercle, le procédé comprenant une étape de frettage d'un élément de maintien sur la paroi latérale du conteneur. For this purpose, the invention provides a method for assembling battery electrochemical generators. , each electrochemical generator having a container with a side wall, a bottom and a lid, the method comprising a step of shrinking a holding member on the side wall of the container.
Selon un mode de réalisation, l'étape de frettage comprend les étapes de chauffage de l'élément de maintien, le conteneur étant maintenu à température ambiante, et d'introduction de l'élément de maintien sur le conteneur. Selon un mode de réalisation, avant l'étape d'introduction et à température ambiante, l'élément de maintien a un périmètre intérieur qui est inférieur au périmètre extérieur du conteneur. Selon un mode de réalisation, l'élément de maintien et le conteneur sont réalisés dans un même matériau ; par exemple en aluminium. L'invention concerne aussi un générateur électrochimique comprenant un conteneur avec une paroi latérale, un fond et un couvercle, un élément de maintien 15 étant fretté sur la paroi latérale du conteneur. Selon un mode de réalisation, l'élément maintien est une bague et le conteneur est cylindrique. Selon un mode de réalisation, le fond du conteneur est adapté à se déchirer sous l'effet d'une surpression dans le conteneur. 20 L'invention concerne en outre une batterie de générateurs électrochimiques comprenant : - au moins un flasque comprenant une pluralité d'alvéoles, - une pluralité de générateurs électrochimiques selon l'invention. chaque générateur étant positionné dans une alvéole avec son élément de 25 maintien en butée sur un élément de retenue agencé dans l'alvéole. Selon un mode de réalisation, le détachement du fond de chaque conteneur n'est pas gêné par l'élément de retenue du générateur dans l'alvéole. Selon un mode de réalisation, l'élément de retenue est une bague logée dans une ouverture de l'alvéole ou clipsée sur une ouverture de l'alvéole. 30 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en références aux dessins qui montrent : - figure 1, un schéma d'un générateur électrochimique selon l'invention; 35 - figure 2, un schéma d'une pluralité de générateurs électrochimiques assemblés en batterie selon l'invention. R ABr,v,tsV29600V296322--090324-texte dépit do, -'_J/b3J19 - 1-0 n3- 2/8 L'invention se rapporte à un générateur électrochimique et plus spécifiquement à un procédé d'assemblage de générateurs électrochimiques en batterie. La figure I illustre un générateur selon l'invention. Le générateur 10 comprend un conteneur 12. Le conteneur 12 comporte une paroi latérale 14, un fond 18 et un couvercle 16. Le générateur comprend aussi un élément de maintien 20 fretté sur la paroi latérale 14 du conteneur 12. L'élément de maintien 20 peut être une bague si le conteneur 12 est cylindrique, mais d'autres formes peuvent être envisagées comme un anneau rectangulaire si le conteneur est prismatique. La figure 1 montre une bague de maintien 20 circulaire. According to one embodiment, the shrinking step comprises the steps of heating the holding member, the container being maintained at ambient temperature, and introducing the holding member onto the container. According to one embodiment, before the introduction step and at room temperature, the holding member has an inner perimeter which is smaller than the outer perimeter of the container. According to one embodiment, the holding element and the container are made of the same material; for example aluminum. The invention also relates to an electrochemical generator comprising a container with a side wall, a bottom and a lid, a holding member 15 being hooped to the side wall of the container. According to one embodiment, the holding element is a ring and the container is cylindrical. According to one embodiment, the bottom of the container is adapted to tear under the effect of an overpressure in the container. The invention further relates to a battery of electrochemical generators comprising: - at least one flange comprising a plurality of cells, - a plurality of electrochemical generators according to the invention. each generator being positioned in a cell with its holding member in abutment on a retaining element arranged in the cell. According to one embodiment, the detachment of the bottom of each container is not impeded by the retaining element of the generator in the cell. According to one embodiment, the retaining element is a ring housed in an opening of the cell or clipped on an opening of the cell. Other features and advantages of the invention will appear on reading the following detailed description of the embodiments of the invention, given by way of example only and with reference to the drawings which show: FIG. diagram of an electrochemical generator according to the invention; FIG. 2 is a diagram of a plurality of electrochemical generators assembled in a battery according to the invention. The invention relates to an electrochemical generator and more specifically to a method for assembling electrochemical generators in the form of electrochemical generators. drums. Figure I illustrates a generator according to the invention. The generator 10 comprises a container 12. The container 12 comprises a side wall 14, a bottom 18 and a lid 16. The generator also comprises a holding element 20 hooped on the side wall 14 of the container 12. The holding element 20 may be a ring if the container 12 is cylindrical, but other shapes may be considered as a rectangular ring if the container is prismatic. Figure 1 shows a circular retaining ring.
Le périmètre intérieur de l'élément de maintien 20 peut être inférieur au périmètre extérieur du conteneur 12. Cela peut être réalisé aisément au moment de l'usinage de l'élément 20 de maintien et du conteneur 12. Cela permet d'obtenir un meilleur serrage de l'élément 20 de maintien sur la paroi 14 latérale du conteneur 12. Le procédé d'assemblage selon l'invention comprend une étape de frettage d'un élément 20 de maintien sur la paroi latérale 14 du conteneur 12. L'élément de maintien 20 permettra la tenue mécanique des générateurs IO lors de l'assemblage en batterie. La mise en oeuvre d'un tel procédé comportant une étape de frettage est plus simple qu'un collage de la bague ou qu'un résinage des générateurs électrochimiques en batterie. Notamment, le temps de cycle pour assembler des générateurs en batterie selon le procédé de l'invention est réduit à quelques minutes alors que le résinage implique des temps de cycle plus longs de l'ordre de 24 à 72 heures à cause du temps de polymérisation des résines employées. Les outillages de maintien en position assemblage peuvent également être supprimés du fait de la réduction du temps de cycle. En outre, les contraintes liées à l'emploi de résines ou de colles sont évitées. Ainsi, le personnel n'est plus exposé aux vapeurs nocives liées au travail des résines ou des colles. En particulier, il devient possible de s'abstenir de l'emploi de moyens d'aspiration tels que des hottes aspirantes et de la protection individuelle de chaque membre du personnel via un masque pour cette opération d'assemblage des générateurs en batterie. L'absence de colle ou de résine permet aussi de limiter les déchets non recyclables lors du démontage de la batterie en fin de vie. Selon un mode de réalisation, pour réaliser le frettage de l'élément de maintien 20 sur le conteneur 12 du générateur 10, l'élément de maintien 20 est chauffé, ce qui provoque une dilatation thermique permettant de le positionner sur le conteneur 12 qui a été maintenu à température ambiante. L'élément de maintien 20 se refroidit au contact du conteneur et par convection à l'air et se contracte pour serrer le conteneur 12 du générateur 10. Contrairement à ce qui était pensé jusqu'à présent, l'application d'un élément à température élevée, par exemple aux alentours de 300°C. sur le R 13re,rI,2960N1C963'--1191)3]4-trxte dép,",i d,, '4 3:1 3n, conteneur 12 n'endommage pas le générateur 10 électrochimique et en particulier le faisceau électrochimique, car la température de peau du conteneur 12 ne dépasse pas 80°C sur un temps très court. L'élément 20 de maintien et le conteneur 12 peuvent être réalisés dans un même matériau. Cela permet de contrôler plus facilement le procédé parce que les coefficients de dilatation thermique sont les mêmes pour l'élément 20 de maintien et le conteneur 12. Par exemple, le matériau choisi pour l'élément 20 de maintien et le conteneur 12 peut être de l'aluminium. Cela est particulièrement avantageux parce que le coefficient de dilatation thermique de l'aluminium est important ce qui limite le chauffage à appliquer sur l'élément 20 de maintien et augmente le jeu de montage dont dispose l'opérateur mettant en oeuvre le procédé d'assemblage. En outre, l'aluminium présente l'avantage de bien dissiper la chaleur ce qui permet de réaliser le procédé plus rapidement. D'autres matériaux peuvent cependant être utilisés, comme du cuivre ou de l'acier. The inner perimeter of the holding member 20 may be smaller than the outer perimeter of the container 12. This can easily be achieved at the time of machining the holding member and the container 12. This provides a better fit. clamping the holding member 20 on the side wall 14 of the container 12. The assembly method according to the invention comprises a step of shrinking a holding member 20 on the side wall 14 of the container 12. The element holding 20 will allow the mechanical strength of IO generators during battery assembly. The implementation of such a method comprising a shrinking step is simpler than a bonding of the ring or a resin electrochemical battery battery. In particular, the cycle time for assembling battery generators according to the process of the invention is reduced to a few minutes whereas resinsation involves longer cycle times of the order of 24 to 72 hours because of the polymerization time. resins used. The holding tools in the assembly position can also be eliminated due to the reduction of the cycle time. In addition, the constraints related to the use of resins or glues are avoided. Thus, the staff is no longer exposed to harmful vapors related to the work of resins or glues. In particular, it becomes possible to refrain from the use of suction means such as extractor hoods and the individual protection of each staff member via a mask for this assembly operation battery generators. The absence of glue or resin also limits non-recyclable waste during dismantling of the battery at the end of its life. According to one embodiment, in order to carry out the shrinking of the holding element 20 on the container 12 of the generator 10, the holding element 20 is heated, which causes thermal expansion to position it on the container 12 which has kept at room temperature. The holding element 20 cools in contact with the container and convection air and contracts to tighten the container 12 of the generator 10. Contrary to what was thought so far, the application of an element to high temperature, for example around 300 ° C. on the R 13re, rI, 2960N1C963 '- 1191) 3] 4-trxte dep ", id ,,' 3: 1 3n, container 12 does not damage the electrochemical generator 10 and in particular the electrochemical beam, because the skin temperature of the container 12 does not exceed 80 ° C. for a very short time, the holding element and the container 12 can be made of the same material, which makes it easier to control the process because the For example, the material chosen for the holding member and the container 12 may be aluminum, which is particularly advantageous because the coefficient of elasticity is the same for the holding member and the container 12. Thermal expansion of the aluminum is important which limits the heating to be applied to the holding element and increases the mounting clearance available to the operator implementing the assembly process. advantage of well dissipated heat, which allows the process to be carried out more quickly. Other materials may however be used, such as copper or steel.
Un tel procédé permet d'obtenir un générateur électrochimique 10 tel qu'illustré sur la figure 1. L'élément 20 de maintien est fretté sur la paroi 14 latérale du conteneur 12. Une fois fixé par frettage, l'élément 20 de maintien résiste à la traction. Ainsi, l'élément 20 permettra le maintien du générateur électrochimique entre deux flasques de batterie. Such a method makes it possible to obtain an electrochemical generator 10 as illustrated in FIG. 1. The holding element 20 is hooped on the lateral wall of the container 12. Once secured by hooping, the holding element 20 resists to traction. Thus, the element 20 will maintain the electrochemical generator between two battery flanges.
Un tel générateur peut faire partie d'une batterie 22 de générateurs 10 électrochimiques telle qu'illustrée sur la figure 2. Selon le mode de réalisation illustré, la batterie 22 comprend deux flasques 24 comprenant une pluralité d'alvéoles 26, les deux flasques 24 étant reliés par une couronne 30 de maintien. Les flasques 24 peuvent par exemple être réalisés en aluminium parce que l'aluminium est un matériau léger et aisément usinable. Les flasques 24 peuvent cependant être composés d'un autre matériau, tel que du plastique par exemple. La batterie 22 comporte en outre une pluralité de générateurs 10 électrochimiques tels que décrit en référence à la figure 1. Chaque générateur 10 est positionné dans une alvéole 26 avec son élément 20 de maintien en butée sur un élément 28 de retenue agencé dans l'alvéole 26. L'élément 28 de retenue vient ainsi en appui sur l'élément 20 de maintien du générateur pour empêcher que le générateur 10 puisse glisser dans l'alvéole 26. Les générateurs 10 sont ainsi bien maintenus dans leur alvéole 26 respective et donc dans la batterie 22. En outre, il est aisé de pouvoir remplacer un générateur de la batterie 22 lorsque le générateur est endommagé ou est victime d'un dysfonctionnement indépendamment des autres générateurs 10 de la batterie 22 et sans avoir à démonter la batterie 22 en entier, les générateurs 10 étant accessibles depuis l'extérieur, après démontage des flasques. Such a generator may be part of a battery 22 of electrochemical generators 10 as illustrated in FIG. 2. According to the illustrated embodiment, the battery 22 comprises two flanges 24 comprising a plurality of cells 26, the two flanges 24. being connected by a retaining ring 30. The flanges 24 may for example be made of aluminum because aluminum is a lightweight and easily machinable material. The flanges 24 may, however, be composed of another material, such as plastic for example. The battery 22 further comprises a plurality of electrochemical generators 10 as described with reference to FIG. 1. Each generator 10 is positioned in a cell 26 with its element 20 holding in abutment on a retaining element 28 arranged in the cell 26. The retaining element 28 thus bears on the holding element 20 of the generator to prevent the generator 10 can slide in the cell 26. The generators 10 are thus well maintained in their respective cell 26 and therefore in In addition, it is easy to replace a battery generator 22 when the generator is damaged or malfunctions independently of the other generators 10 of the battery 22 and without having to disassemble the battery 22 in its entirety. , the generators 10 being accessible from the outside, after disassembling the flanges.
R1Bresctst296(1 V?963: -( Hl, . 4-texic de{ra Jo. '4; 3 I4 3 - 4/8 L'élément 28 de retenue peut être une bague en plastique logée dans une ouverture de l'alvéole 26 ou clipsée sur une ouverture de l'alvéole 26 ou sur un retour de la paroi des alvéoles vers l'intérieur. Selon un mode de réalisation, l'élément de maintien 20 du générateur 10 est suffisamment éloigné du fond 18 du conteneur 12 pour garantir que le fond 18 n'est pas entravé par l'élément 28 de retenue du générateur 10 dans l'alvéole 26. Il est ainsi possible que le fond 18 puisse se déchirer sans endommager le flasque 24 en cas de surpression dans le générateur 10. Un générateur 10 est généralement conçu pour fonctionner dans des conditions dites nominales, c'est-à-dire dans des gammes de température, courant et tension données. L'utilisation du générateur 10 hors des conditions nominales, comme par exemple une surcharge accidentelle, un court-circuit, une température supérieure à la température maximale de fonctionnement, etc., pose un problème de sécurité. En effet, de telles situations entraînent un échauffement de l'électrolyte et la formation de vapeurs d'électrolyte. L'accumulation de ces vapeurs dans le conteneur 12 entraîne une augmentation de la pression interne du générateur 10, qui peut conduire à un éclatement violent du conteneur 12 et à la projection de composés chimiques nocifs et corrosifs pour l'environnement et les personnes situées à proximité. Pour pallier à ce problème, le fond 18 du conteneur 12 peut être adapté à se déchirer sous l'effet d'une surpression dans le conteneur 12. Cela est rendu possible, pour le générateur 10 de la figure 1, par le fait que le maintien est réalisé par l'élément 20 disposé sur la paroi 14 latérale ce qui n'entrave pas le déchirement du fond 18 lorsque le respect des conditions de sécurité pour le générateur 10 l'impose. Un exemple de mise en oeuvre peut être un amincissement 32 prévu sur la paroi latérale 14 tel qu'illustré sur la figure 1. L'amincissement 32 est placé près du fond 18 du conteneur 12. L'amincissement 32 est adapté à être déchiré par une surpression à l'intérieur du conteneur 12. L'élément 20 est disposé sur la paroi latérale 14 suffisamment éloigné de l'amincissement 32 pour ne pas entraver le déchirement de l'amincissement 32 puis le détachement du fond 18 du conteneur 12. R1Bresctst296 (1 V? 963: - (H1, .4-texic de {ra Jo .. 4; 3 I4 3 - 4/8 The retaining element 28 can be a plastic ring housed in an opening of the cell 26 or clipped on an opening of the cell 26 or on a return of the wall of the cells inwards According to one embodiment, the holding element 20 of the generator 10 is sufficiently far from the bottom 18 of the container 12 to guarantee that the bottom 18 is not impeded by the retaining element 28 of the generator 10 in the cell 26. It is thus possible that the bottom 18 can tear without damaging the flange 24 in case of overpressure in the generator 10 A generator 10 is generally designed to operate under so-called nominal conditions, i.e. within given temperature, current and voltage ranges.Use of the generator 10 out of nominal conditions, such as accidental overload , a short circuit, a temperature above the t maximum operating temperature, etc., poses a safety problem. Indeed, such situations lead to a heating of the electrolyte and the formation of electrolyte vapors. The accumulation of these vapors in the container 12 causes an increase in the internal pressure of the generator 10, which can lead to a violent bursting of the container 12 and the projection of harmful chemical compounds and corrosive to the environment and people located in proximity. To alleviate this problem, the bottom 18 of the container 12 can be adapted to tear under the effect of an overpressure in the container 12. This is made possible, for the generator 10 of FIG. 1, by the fact that the maintenance is performed by the element 20 disposed on the side wall 14 which does not hinder the tearing of the bottom 18 when compliance with the safety conditions for the generator 10 requires. An example of implementation may be a thinning 32 provided on the side wall 14 as shown in Figure 1. The thinning 32 is placed near the bottom 18 of the container 12. The thinning 32 is adapted to be torn by an overpressure inside the container 12. The element 20 is disposed on the side wall 14 sufficiently far from the thinning 32 so as not to hinder the tearing of the thinning 32 and then the detachment of the bottom 18 of the container 12.
Le procédé selon l'invention permet un assemblage rapide et facile de générateurs en batterie. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits à titre d'exemple. Notamment, le procédé peut concerner tout type de générateur électrochimique et notamment nickel-cadmium, nickel-métal hydrure et lithium-ion. De tels générateurs 10 peuvent être de format cylindrique ou de format rectangulaire (connu également sous le terme de prismatique). Le choix des matériaux dépend des applications envisagées. R V3rcvcnC96181C9632ù i^9U324-icxtc dEpirt doc - 24413/119 - 14 03 - 58 The method according to the invention allows quick and easy assembly of battery generators. The present invention is not limited to the embodiments previously described by way of example. In particular, the process may concern any type of electrochemical generator and in particular nickel-cadmium, nickel-metal hydride and lithium-ion. Such generators 10 may be of cylindrical or rectangular format (also known as prismatic). The choice of materials depends on the intended applications. R V3rcvcnC96181C9632u i ^ 9U324-icxtc dEpirt doc - 24413/119 - 14 03 - 58
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2009
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