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FR2550387A1 - Composite battery plates - Google Patents

Composite battery plates Download PDF

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FR2550387A1 FR8312763A FR8312763A FR2550387A1 FR 2550387 A1 FR2550387 A1 FR 2550387A1 FR 8312763 A FR8312763 A FR 8312763A FR 8312763 A FR8312763 A FR 8312763A FR 2550387 A1 FR2550387 A1 FR 2550387A1
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    • C23C14/562—Apparatus specially adapted for continuous coating; Arrangements for maintaining the vacuum, e.g. vacuum locks for coating elongated substrates
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Abstract

The invention describes a method for the manufacture of metallic matrix prepreg wires formed by the glass fibre covered with a metallic film. The manufacture of the plates therefore consists in first weaving and then hot-soldering under pressure the fabric of prepregs. This plate can then be covered with lead oxide and used in batteries.

Description

TITRE : PLAQUES DE BATTERIES COMPOSITES
DOMATNE DE LA TECHNIQUE : Transports - Industrie
EXEMPLE D'APPLICATION : Plaques de batteries pour la traction, le démar
rage.TITLE: COMPOSITE BATTERY PLATES
TECHNICAL DOMAIN: Transport - Industry
APPLICATION EXAMPLE: Battery plates for traction, starting
rage.

POSITION DU PROBLEME : Les plaques de batteries sont actuellement consti
tuées d'une trame de plomb semblable à une gaufrette sur laquelle on "tartine" de l'oxyde de plomb. Le rôle de la plaque est donc à la fois m6-
canique (tenue d'une géométrie) et électrique (conduction du courant).Or
le plomb ayant des propriétés mécaniques mediocres et une forte densitz
on aboutit à la définition d'une plaque relativement lourde afin d'obtenir
une raideur correcte.POSITION OF THE PROBLEM: The battery plates are currently constructed
killed with a frame of lead similar to a wafer on which one "spreads" lead oxide. The role of the plate is therefore both m6-
standard (geometry) and electrical (current conduction).
lead with poor mechanical properties and a high density
we end up defining a relatively heavy plate in order to obtain
correct stiffness.

par ailleurs, le plomb n'est pas "le conducteur idéal" et l'on est en droit
de se demander si électriquement il n'y aurait pas de meilleures solutions. moreover, lead is not "the ideal driver" and we are entitled
to wonder if electrically there would not be better solutions.

PRINCIPE DE L'INVNTION s La solution objet de l'invention, consiste à
tiliser une plaque composite constitués par des fibres de renforcements
tels fils de verre, de métaux (acier, cuivre, titane), de carbone, ou de
fibres organiques telles Kevlar rayonne etc...PRINCIPLE OF THE INVENTION The solution which is the subject of the invention consists in
using a composite plate made up of reinforcing fibers
such as glass, metal (steel, copper, titanium), carbon, or
organic fibers such as Kevlar, etc.

La conductivité électrique étant assurée par un dépôt métallique effectué
sos viole par projection ionique, condensation en phase vapeur, ou projrti. The electrical conductivity being ensured by a metallic deposit made
sos violates by ionic projection, vapor phase condensation, or projrti.

on par pistolet à plasma, le dépôt peut être mono ou mieux, multi couches.  one by plasma gun, the deposit can be mono or better, multi layers.

Par exemple on peut avantageusement envisager sur un fil de verre une
sous couche de cuivre et une couche de surface de plomb. Le plomb protège
ainsi la sous couche contre l'attaque de l'acide, et favorise l'adhérenec
de l'oxyde de plomb que l'on rapporte sur la plaque, les dépôts étant ty
piquement de l'ordre de 0,5 à 3Y uniformément répartit autour des fibres
exemple : diamètre d'une fibre de verre 20 > ' ). La couche ainsi déposée
sur chaque fil correspond à la matrice du matériau composite (fibre matri-
ce) que l'on cherche à confectionner.On a donc réalisé un préimprégoé
thermoplastique à matrice métallique Les fibres sont disposées en fils
préférentiellement non tordus et sont tissés pour constituer une trame
analogue à un tissu ou à un tamis.(Une autre méthode consiste à les dépo
ser en nappes de fils parallèles puis à superposer les nappes les unes
au de3,us des autres).For example, it is advantageously possible to envisage on a glass wire a
under layer of copper and a surface layer of lead. Lead protects
thus the under layer against the attack of the acid, and favors the adhesion
lead oxide which is reported on the plate, the deposits being ty
pique of the order of 0.5 to 3Y evenly distributed around the fibers
example: diameter of a glass fiber 20>'). The layer thus deposited
on each wire corresponds to the matrix of the composite material (matrix fiber
that) that we are trying to make. We therefore made a prepreg
metal matrix thermoplastic The fibers are arranged in threads
preferably not twisted and are woven to form a weft
similar to a cloth or sieve. (Another method is to deposit them
lay in layers of parallel threads then overlap the layers
at de3, us of the others).

A ce stade il est alors possible de "réticuler" et structurer la future
plaque en la pressant à chaud ou simplement en la chauffant0 En effet on
obtient alors la fusion de la matrice enveloppe des fils et la réalisation
de soudures entre les fibres parallèles ou orthogonales qui se touchent. At this stage it is then possible to "crosslink" and structure the future
plate by pressing it hot or simply by heating it.
then obtains the fusion of the envelope matrix of the wires and the realization
welds between the parallel or orthogonal fibers which touch each other.

On obtient donc par ce procédé un compooite plus ou moins lagunaire (suivant la pression exercée dunAant la cuisson).A more or less lagoon composition is thus obtained by this process (depending on the pressure exerted before cooking).

. Ce composite peut être très solide, comportant une grande quantité de liaisons. Il peut de plus présenter des propriétés de conductive cette ment supérieures à une plaque classique pouvant utiliser au moins parti ellRment des métaux nettement plus conducteurs que le plomb. . This composite can be very solid, comprising a large amount of bonds. In addition, it can have conductive properties which are superior to a conventional plate which can at least partially use metals which are clearly more conductive than lead.

. Remarque : d'autres applications de ce preimprégné à matrice métallique peuvent Qtre envisagées. . Note: other applications of this metallic matrix prepreg can be considered.

Description de la méthode d'imprégnation des fils : valable indifféremment pour projection ionique, condensation en phase vapeur, vaperisation sous vide, etc...Description of the method of impregnating the wires: valid equally for ionic projection, condensation in the vapor phase, vacuum vaperization, etc.

A - Ythode discontinue
Dans des cloches à vides équipées de tourne-broche à broche planetaire la broche tourne autour de la source tout en tournant sur elle-meme. A - Discontinuous method
In empty bells fitted with a planetary spindle spindle, the spindle rotates around the source while turning on itself.

La broche peut être constituée d'une barre centrale portant au voisinage de chacune de ses extrémités un disque constitué de rayons radiaux. Le fil à métalliser est disposé parallèlement A la barre allant du rayon d'un disque à celui homologue du disque opposé, effectuant un demi-tour autour du rayon et retournant vers le rayon opposé. Chaque demi-tour au niveau du rayon se fait en décalant radialement le fil d'une distance radiale au moins égale à la largeur du fil étalé contre le rayon. Ainsi il n'y a pas de recouvrement entre deux enroulements successifs.The spindle can consist of a central bar carrying in the vicinity of each of its ends a disk made up of radial spokes. The wire to be metallized is placed parallel to the bar going from the radius of a disc to that homologous to the opposite disc, making a half-turn around the ray and returning to the opposite ray. Each half-turn at the radius is done by radially shifting the wire by a radial distance at least equal to the width of the wire spread against the radius. Thus there is no overlap between two successive windings.

Lorsque un couple de rayons est saturé, on passe au voisin en ayant un fil qui passe du sommet du rayon n d'une extrmité à la base du rayon n+1 de l'autre extrêmité.When a pair of rays is saturated, we pass to the neighbor by having a wire which passes from the top of the radius n of one end to the base of the radius n + 1 of the other end.

il est ai :i possible de traiter environ un millier de mètres de fil par opération.it is ai: i possible to process about a thousand meters of wire per operation.

L'inconvénient de ce procédé est d'impliquer une manipulation importante des fils ; une mauvaise imprégnation à chaque point où le fil effectue son demi-tour autour des rayons.The disadvantage of this process is that it involves significant manipulation of the wires; poor impregnation at each point where the wire makes its U-turn around the spokes.

B - Méthode continue "interne" il existe deux variantes à cette méthode qui à nos yeux est la plus ifr. B - Continuous "internal" method there are two variants to this method which in our eyes is the most ifr.

téressante et fournit les fils de meilleure qualité, Le fil est stocké en une bobine HXlt de plussiez milliers de mètres dans l'enceinte à vide, il est progressivement déroulé et suit une trajectoire qui le conduit de poulies en poulies à parcourir des génératrices ou des périmètres de la cloche à vide; entre une trajectoire allée et une trajectoire retour selon par exemple une génératrice , il est possible de retourner le fil par rapport à la source centrale et donc de le métalliser sur deux faces opposées, si le plan de la poulie de renvoi est placé coplanaire à un plan radial depuis la source.interesting and provides the best quality wires, The wire is stored in a HXlt coil of more than thousands of meters in the vacuum enclosure, it is gradually unwound and follows a trajectory which leads it from pulleys to pulleys to run through generators or perimeters of the vacuum bell; between an aisle path and a return path according to, for example, a generator, it is possible to turn the wire relative to the central source and therefore to metallize it on two opposite faces, if the plane of the return pulley is placed coplanar with a radial plane from the source.

Après avoir cheminé le long de la cloche, le fil ainsi métallisé est emmagasiné sur le tambour d'une bobine réceptrice "B" qui étant motorisée à la manière d'un treuil anime le déplacement et donc le traitement en continu du fil.After having traveled along the bell, the metallized wire is stored on the drum of a take-up reel "B" which, being motorized like a winch, drives the movement and therefore the continuous processing of the wire.

Remarque : 1/ La bobine émettrice étant susceptible de polluer le vide par de l'air adsorbé dans son volume et piégé par le fil, il est possible de la placer dans une "antichambre" de la cloche branchée en direct sur la pompe à vide et communicant avec la cloche principale à travers un passage étroit. Note: 1 / The emitting coil being liable to pollute the vacuum with air adsorbed in its volume and trapped by the wire, it is possible to place it in an "anteroom" of the bell connected directly to the vacuum pump and communicating with the main bell through a narrow passage.

2/ Dans le cadre d'un traitement bimétallique ou polymétallique il est possible de procéder de deux manières - La première technique consiste à procéder à deux traitements séparés dans le temps mais effectués dans la mEme cloche. C'est-à-dire que llon métallise le fil d'une bobine à l'autre. Arrivé à la fin du déroulement du fil on change de métal par exemple en chauffant un autre creuset et l'on inverse le sens de défilement du fil en ramenant le fil vers la bs- bine origine "A". Ce procédé permet de limiter le volume du montage.De plus dans le cas d'un traitement mono métal il permet d'utiliser une a morce qui reste à poste fixe sur la bobine "B" ce qui évite toute mani pulation lors du changement de bobine type "A".2 / Within the framework of a bimetallic or polymetallic treatment it is possible to proceed in two ways - The first technique consists in carrying out two treatments separated in time but carried out in the same bell. That is, it metallizes the wire from one reel to another. At the end of the unwinding of the wire, the metal is changed, for example by heating another crucible and the direction of travel of the wire is reversed by bringing the wire back to the original spool "A". This process makes it possible to limit the volume of the assembly. In addition in the case of a mono metal treatment it allows the use of a piece which remains at a fixed position on the coil "B" which avoids any manipulation when changing the "A" type coil.

- La seconde technique consiste à avoir deux cloches (ou deux zones di- tinctes d'une même cloche) reliées par un tube, la bobine "A" se trouvant dans la 1ère cloche, la bobine "B" dans la 2ème cloche, chaque cloche étant spécialisée pour le dépôt d'un métal. Ainsi la cloche contenant la bobine "A" dépose par exemple du cuivre puis la cloche suivante dépose du plomb puis le fil s'enroule sur la bobine "B", Le passage entre les deux cloches peut, entre autre. être un tube en U remplit de meroure.- The second technique consists in having two bells (or two distinct zones of the same bell) connected by a tube, the coil "A" being in the 1st bell, the coil "B" in the 2nd bell, each bell being specialized for the deposit of a metal. Thus the bell containing the coil "A" deposits for example copper then the next bell deposits lead then the wire is wound on the coil "B", The passage between the two bells can, among others. be a U-shaped tube filled with meroure.

Remarque : le deuxième dépôt pourrait être obtenu de façon différée par exemple par électrolyse.Note: the second deposit could be obtained in a delayed manner, for example by electrolysis.

C - Méthode continue "externe"
Cette méthode est voisine de la précédente au détail près que la (ou les) bobine(s) est (sont) à l'extérieur de la cloche à vide.C - "External" continuous method
This method is close to the previous one except that the coil (s) is (are) outside the vacuum bell.

Le fil pénétrant dans la cloche à travers un "sas" constitué par exemple par un tube en U remplit de mercure et éventuellement soumis à des ultra Sons. The wire entering the bell through an "airlock" constituted for example by a U-shaped tube filled with mercury and possibly subjected to ultra Sounds.

Un autre type de sas peut être constitué par des tubes en U contenant des huiles ferrofluides controlées par un champ magnétique
Un a:re type de sas peut être constitué par un tube à silicone dont les deux extrêmités sont terminées par des joints ou des rouleaux essoreurs
Une autre intéressante méthode à "postériori", permettant d'obtenir des plaques conductrices, consiste à préparer une plaque offrant une géomètrie telle qu'on la souhaite dès la métallisation
Cette plaque peut être un tissu de fibres (vers, kevlar,etc) , un non tisse ou mieux un matériau alvéolaire , une mousse pouvant avoir un fort pourcentage de cellules ouvertes (exemple mouse dure de polyurétane rigide).Another type of airlock can consist of U-shaped tubes containing ferrofluid oils controlled by a magnetic field
An a: re type of airlock can consist of a silicone tube, the two ends of which are terminated by seals or squeezing rollers
Another interesting "posteriori" method, making it possible to obtain conductive plates, consists in preparing a plate offering a geometry as desired from metallization.
This plate can be a fabric of fibers (worms, kevlar, etc.), a nonwoven or better, a cellular material, a foam that can have a high percentage of open cells (hard mouse of rigid polyurethane for example).

Ce peut être également une plaque de plastique fortement indentée (exem- ple plaque de stratifié; fibre, résine organique, ou SMC,DMC ou non telle du PVC moulé en gaufrette dans un moule à la surface tourmantée).It can also be a highly indented plastic plate (example laminate plate; fiber, organic resin, or SMC, DMC or not such as PVC molded in a wafer in a mold with a swirling surface).

La plaque ainsi préparée est alors mise dans la cloche à vide où elle subit une métallisation mono ou multimétallique (par condensation? par sputering ou par projection d'un pistolet à plasma).The plate thus prepared is then put in the vacuum bell where it undergoes a mono or multimetallic metallization (by condensation? By sputering or by projection of a plasma gun).

Alternativement une métallisation par voie chimique en phase liquide est possible à ce stade du concept. Une métallisation au pistolet à gaz ou à plasma est également envisageable (sous pression normale).Alternatively, metallization by chemical means in the liquid phase is possible at this stage of the concept. Metallization with a gas or plasma gun is also possible (under normal pressure).

Remarque : cette technologie peut être appliquée à d'autre type de batteries que la batterie de plomb. Elle devrait alors permettre d'économiser les métaux qui dans bien des cas sont précieux, exemple batterie zinc/ argent.  Note: this technology can be applied to other types of batteries than the lead battery. It should then save metals which in many cases are precious, for example zinc / silver battery.

Claims (5)

RiV:TDICkICfTS 16 Technique discontinue de métallisation de fibres sous vide valable indifféremment pour procédés de projection ionique (dit sputtering), pulvérisation cathodique, condensation en phase vapeur, vaporisation sous vide, projection sous plasma etc, caractérisée par le fait que les fibres sont tendues entre les rayons de satellites qui orbitent préférentiellement en tournant sur eux mêne dans la cloche.RiV: TDICkICfTS 16 Discontinuous technique of metallization of fibers under vacuum valid equally for ionic projection processes (called sputtering), sputtering, condensation in vapor phase, vaporization under vacuum, projection under plasma etc, characterized by the fact that the fibers are stretched between the rays of satellites which orbit preferentially while turning on them mixes in the bell. 20 Technique continue de métallisation de fibres sous vide selon la revendication 10 caractérisée par le fait que les fibres défilent en continu dans la cloche à vide en décrivant une trajectoire qui passe par des poulies ou passe fils.20 continuous technique of metallization of fibers under vacuum according to claim 10 characterized in that the fibers pass continuously through the vacuum chamber by describing a path which passes through pulleys or son passes. 30 Plaques de batterie- en matériaux composites selon les revendications 10 et 20 assurant les fonctions de résistance mécanique, de conduction électrique et de support des oxydes métalliques nécessaires au stockage de l'énergie électrique, caractérisces par le fait que la plaque est une feuille de composite métallisée.30 Battery plates- made of composite materials according to claims 10 and 20 ensuring the functions of mechanical resistance, electrical conduction and support of the metal oxides necessary for the storage of electrical energy, characterized in that the plate is a sheet of metallized composite. 40 Plaque selon la reirendicstion 30 caractérisée par le fait que la plaque est une feuille de matière organique (alvéolaire ou non) thermoplastique ou thermodurcissable, chargée ou non de fibres de renforcement et métallisée en surface.40 Plate according to reirendicstion 30 characterized in that the plate is a sheet of organic material (cellular or not) thermoplastic or thermosetting, loaded or not with reinforcing fibers and metallized on the surface. 50 Plaque selon la revendication 30 caractérisée par le fait que la plaque est une feuille de non tissé métallisée en surface.50 Plate according to claim 30 characterized in that the plate is a sheet of nonwoven metallized on the surface. 60 Plaque selon la revendication 3 caractérisée par le fait que la plaque est une feuille de tissu ayant été métallisée après le tissage.60 Plate according to claim 3 characterized in that the plate is a sheet of fabric having been metallized after weaving. 74 Plaque selon les revendications 1 à-3 caractérisée par le fait que la plaque est une feuille de tissu ayant été métallisée avant le tissage et ayant été éventuellement chauffée (sous pression ou non) après tissage. 74 Plate according to claims 1 to-3 characterized in that the plate is a sheet of fabric having been metallized before weaving and having been optionally heated (under pressure or not) after weaving. 80 Plaque selon les revendications 1 et 7 caractérisée par le fait que la métallisation s'effectue sous vide par condensation de métal vaporisé, ou par projection ionique, ou par pistolet à plasma, ou par pulvérisation cathodique. i 90 Plaque selon les revendications 30 à 70 caractérisée par le fait que la métallisation s'effectue par voie chimique en phase liquide ou par projection au pistolet à plasma ou au pistolet à flamme à une pression voisine de la pression atmosphèrique,ou en phase gazeuse (exemple lits fluidisés métalliques)0  80 Plate according to claims 1 and 7 characterized in that the metallization is carried out under vacuum by condensation of vaporized metal, or by ion spraying, or by plasma gun, or by sputtering. i 90 Plate according to claims 30 to 70 characterized in that the metallization is carried out chemically in the liquid phase or by spraying with a plasma gun or a flame gun at a pressure close to atmospheric pressure, or in the gas phase (example metallic fluidized beds) 0
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