CH718616A2 - Process for the production of a current collector for a thin battery. - Google Patents

Process for the production of a current collector for a thin battery. Download PDF

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CH718616A2
CH718616A2 CH00525/21A CH5252021A CH718616A2 CH 718616 A2 CH718616 A2 CH 718616A2 CH 00525/21 A CH00525/21 A CH 00525/21A CH 5252021 A CH5252021 A CH 5252021A CH 718616 A2 CH718616 A2 CH 718616A2
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El Baradai Oussama
Wang Xiaojun
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Renata Ag
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Abstract

Selon le procédé de l'invention, un collecteur de courant (5a, 5b) pour une batterie mince est produit par une technique d'impression ou de dépôt par pulvérisation sur un substrat formé d'un matériau de conditionnement de batterie. La couche obtenue par impression ou dépôt par pulvérisation comprend des particules d'un matériau électriquement conducteur. L'étape d'impression ou de pulvérisation est suivie par un durcissement à l'aide d'une source de lumière, pour ainsi obtenir le collecteur de courant. La couche imprimée ou pulvérisée est produite en ayant la forme requise du collecteur de courant, de sorte qu'aucune opération de poinçonnage ni d'autres opérations de mise en forme ne soient requises. Les collecteurs de courant d'une batterie selon l'invention possèdent des propriétés mécaniques et électriques comparables ou améliorées par rapport aux collecteurs de courant classiques à base de feuille ou de treillis.According to the method of the invention, a current collector (5a, 5b) for a thin battery is produced by a technique of printing or sputtering onto a substrate formed from a battery conditioning material. The layer obtained by printing or sputtering comprises particles of an electrically conductive material. The printing or spraying step is followed by curing using a light source, thereby obtaining the current collector. The printed or sputtered layer is produced having the required shape of the current collector, so that no punching or other shaping operations are required. The current collectors of a battery according to the invention have mechanical and electrical properties that are comparable or improved with respect to conventional current collectors based on sheet or mesh.

Description

Domaine de l'inventionField of the invention

[0001] La présente invention se rapporte à des batteries minces telles que celles utilisées dans les montres électroniques ou d'autres dispositifs portables. The present invention relates to thin batteries such as those used in electronic watches or other portable devices.

État de l'art.State of the art.

[0002] Les batteries minces pour le marché des dispositifs électroniques comportent au moins une paire de collecteurs de courant en contact physique respectivement avec la cathode et l'anode de la batterie. Les matériaux de cathode et d'anode sont basés sur une chimie donnée, comportant souvent du lithium pour l'anode et de l'oxyde de magnésium pour la cathode pour la fabrication de batteries à base de Li-ion. Les électrodes sont séparées par une feuille de séparateur qui contient un électrolyte liquide ou solide et cet assemblage de couches est conditionné dans un matériau de conditionnement approprié. [0002] Thin batteries for the electronic device market comprise at least one pair of current collectors in physical contact respectively with the cathode and the anode of the battery. Cathode and anode materials are based on a given chemistry, often featuring lithium for the anode and magnesium oxide for the cathode for making Li-ion based batteries. The electrodes are separated by a separator sheet which contains a liquid or solid electrolyte and this assembly of layers is packaged in a suitable packaging material.

[0003] La manière standard de produire de telles batteries comporte la fabrication d'une feuille ou d'un treillis de collecteur de courant, formé(e) d'un matériau électriquement conducteur, par exemple de cuivre ou d'aluminium, suivie par le revêtement de matériaux de cathode et d'anode sur le collecteur de courant et la soumission de la feuille ou du treillis de collecteur à une procédure de poinçonnage afin d'obtenir la taille et la géométrie requises des collecteurs, telles que déterminées par la géométrie et les dimensions du matériau de conditionnement de batterie. [0003] The standard way of producing such batteries involves fabricating a current collector sheet or mesh, formed from an electrically conductive material, e.g. copper or aluminum, followed by coating cathode and anode materials on the current collector and subjecting the collector foil or mesh to a punching procedure to achieve the required size and geometry of the collectors as determined by the geometry and the dimensions of the battery packaging material.

[0004] Cette procédure de poinçonnage est connue pour aboutir à des défauts tels qu'une fissuration du revêtement ou des défauts de bord dans la feuille ou le treillis de collecteur de courant, qui peuvent être potentiellement néfastes pour la performance de batterie. De surcroît, un quelconque changement dans le facteur de forme du collecteur de courant requiert le développement de nouveaux outils accroissant le coût et le temps de production. [0004] This punching procedure is known to result in defects such as coating cracking or edge defects in the current collector foil or mesh, which can be potentially detrimental to battery performance. Moreover, any change in the form factor of the current collector requires the development of new tools increasing the cost and the production time.

Résumé de l'inventionSummary of the invention

[0005] L'invention a pour but de fournir une solution aux problèmes décrits ci-dessus. Ce but est atteint par le procédé tel que divulgué dans les revendications annexées, et par une batterie apte à être obtenue par l'application dudit procédé. Selon le procédé de l'invention, un collecteur de courant pour une batterie mince est produit par la formation d'une couche de collecteur de courant sur un substrat formé d'un matériau de conditionnement de batterie, à l'aide d'une technique d'impression ou de dépôt par pulvérisation. La couche comprend des particules d'un matériau électriquement conducteur. L'étape d'impression ou de pulvérisation est suivie par un durcissement de la couche en utilisant une source de lumière, pour ainsi obtenir le collecteur de courant. Selon des modes de réalisation préférés, la technique de durcissement appliquée est un processus de frittage à basse température, tel qu'un frittage photonique ou un frittage laser. La couche imprimée ou pulvérisée est produite en ayant la forme requise du collecteur de courant, de sorte qu'aucune opération de poinçonnage ni d'autres opérations de mise en forme ne soient requises, ce qui résout les problèmes décrits ci-dessus se rapportant à de telles opérations. Les inventeurs ont établi que des collecteurs de courant produits par impression ou pulvérisation et durcissement conformément à l'invention possèdent des propriétés mécaniques et électriques comparables ou améliorées par rapport aux collecteurs de courant classiques à base de feuille ou de treillis. Une batterie selon l'invention est caractérisée en ce que la résistivité des collecteurs de courant de la batterie est supérieure à la résistivité volumique du matériau des collecteurs de courant. The invention aims to provide a solution to the problems described above. This object is achieved by the method as disclosed in the appended claims, and by a battery capable of being obtained by the application of said method. According to the method of the invention, a current collector for a thin battery is produced by forming a current collector layer on a substrate formed from a battery conditioning material, using a technique printing or spray deposition. The layer includes particles of an electrically conductive material. The printing or sputtering step is followed by curing the layer using a light source, thereby obtaining the current collector. According to preferred embodiments, the curing technique applied is a low temperature sintering process, such as photon sintering or laser sintering. The printed or sputtered layer is produced having the required shape of the current collector, so that no punching operation or other shaping operations are required, which solves the problems described above relating to such operations. The inventors have established that current collectors produced by printing or spraying and curing in accordance with the invention have mechanical and electrical properties comparable or improved compared to conventional current collectors based on sheet or mesh. A battery according to the invention is characterized in that the resistivity of the current collectors of the battery is greater than the volume resistivity of the material of the current collectors.

Brève description des FiguresBrief Description of Figures

[0006] La Figure 1 représente un substrat de conditionnement pour une batterie mince, découpé selon une géométrie qui est compatible avec le procédé de l'invention. La Figure 2 illustre la géométrie des collecteurs de courant obtenus par sérigraphie ou dépôt par pulvérisation et durcissement, sur le substrat de la Figure 1. La Figure 3 illustre la production des électrodes sur les collecteurs de courant. La Figure 4 représente la batterie mince assemblée obtenue par la réalisation d'étapes d'assemblage supplémentaires après les étapes illustrées sur les Figures 1 à 3. Les Figures 5 à 7 illustrent une alternative de substrats de conditionnement et l'application sur ceux-ci d'un procédé conformément à l'invention. La Figure 8 compare la performance électrique de trois batteries, en comparant la performance de batteries comprenant des collecteurs de courant obtenus par le procédé de l'invention avec une batterie comprenant des collecteurs de courant classiques.[0006] Figure 1 shows a packaging substrate for a thin battery, cut to a geometry that is compatible with the method of the invention. Figure 2 illustrates the geometry of the current collectors obtained by screen printing or spray deposition and curing, on the substrate of Figure 1. Figure 3 illustrates the production of the electrodes on the current collectors. Figure 4 shows the assembled thin battery obtained by carrying out additional assembly steps after the steps illustrated in Figures 1 to 3. Figures 5 to 7 illustrate alternative conditioning substrates and the application thereto of a method in accordance with the invention. Figure 8 compares the electrical performance of three batteries, by comparing the performance of batteries comprising current collectors obtained by the method of the invention with a battery comprising conventional current collectors.

Description détaillée des modes de réalisation de l'inventionDetailed Description of Embodiments of the Invention

[0007] En référence à la Figure 1, la première étape du procédé de l'invention est de fournir un substrat 1 sous la forme d'un matériau de conditionnement planaire pour une batterie mince. Dans le mode de réalisation représenté, le substrat 1 est une pièce prédécoupée du matériau de conditionnement, qui est pliable selon d'une ligne centrale 2. Dans la technologie des batteries en couches minces, ce type de substrat est également appelé une poche. Le matériau peut être un quelconque type de matériau de conditionnement de batterie connu, par exemple un matériau multicouche comprenant une couche métallique prise en sandwich entre des couches de matériau synthétique. Le substrat 1 est placé sur une surface planaire avec la couche qui est destinée à être en contact avec les collecteurs de courant de la batterie faisant face vers le haut. Cette couche faisant face vers le haut est formée d'un matériau thermoscellable, par exemple un matériau au polypropylène ou un matériau au polyéthylène. Dans le mode de réalisation représenté, le matériau de conditionnement est prédécoupé sous la forme d'un rectangle s'étendant sur les deux côtés de la ligne de pliage 2, ladite ligne de pliage divisant le substrat en une première et une seconde partie rectangulaire 3a et 3b. Une première et une seconde languette 4a et 4b s'étendent vers l'extérieur à partir du bord supérieur des parties rectangulaires respectives 3a et 3b, à des emplacements qui sont excentrés par rapport aux lignes centrales desdites parties rectangulaires 3a et 3b. Les positions excentrées des languettes 4a et 4b sont choisies de sorte que lorsque le substrat 1 est plié le long de la ligne de pliage 2, les languettes 4a et 4b ne se chevauchent pas (voir plus loin). Referring to Figure 1, the first step of the method of the invention is to provide a substrate 1 in the form of a planar packaging material for a thin battery. In the embodiment shown, the substrate 1 is a pre-cut piece of packaging material, which is bendable along a centerline 2. In thin-film battery technology, this type of substrate is also called a pocket. The material may be any type of known battery packaging material, for example a multi-layered material comprising a metal layer sandwiched between layers of synthetic material. The substrate 1 is placed on a planar surface with the layer which is intended to be in contact with the current collectors of the battery facing upwards. This upwardly facing layer is formed from a heat sealable material, for example a polypropylene material or a polyethylene material. In the embodiment shown, the packaging material is pre-cut in the form of a rectangle extending on both sides of the fold line 2, said fold line dividing the substrate into a first and a second rectangular part 3a and 3b. A first and a second tongue 4a and 4b extend outward from the upper edge of the respective rectangular parts 3a and 3b, at locations which are eccentric with respect to the center lines of said rectangular parts 3a and 3b. The off-center positions of tabs 4a and 4b are chosen so that when substrate 1 is folded along fold line 2, tabs 4a and 4b do not overlap (see below).

[0008] Selon un mode de réalisation préféré, la surface faisant face vers le haut du substrat de conditionnement est prétraitée par un traitement d'activation de surface, tel qu'un traitement par plasma corona. L'activation de surface accroît l'énergie de surface et diminue le risque de défauts dans l'étape d'impression ultérieure ou l'étape de dépôt par pulvérisation ultérieure appliquée pour la production d'une couche de collecteur de courant. Le terme „couche de collecteur de courant“ est défini dans le présent contexte comme une couche apte à être obtenue comme le résultat direct d'une impression ou d'un dépôt par pulvérisation sur le substrat de conditionnement. La couche de collecteur de courant comprend des particules électriquement conductrices qui ne forment pas une feuille conductrice homogène. Lorsqu'une sérigraphie est utilisée, cette dernière étape est réalisée à l'aide d'une encre métallique telle qu'une encre à l'argent ou une encre au cuivre, ou d'une quelconque autre encre métallique apte à la sérigraphie d'un métal qui est approprié pour servir de collecteur de courant pour une batterie mince. L'étape de sérigraphie est réalisée dans des zones qui sont décalées par rapport aux limites des parties rectangulaires 3a et 3b et des languettes 4a et 4b, résultant en des couches minces de collecteur de courant 5a et 5b de l'encre métallique imprimée, dans des zones rectangulaires qui sont décalées par rapport aux limites des parties rectangulaires 3a et 3b. Les couches de collecteur de courant 5a et 5b comportent des zones de languette 6a et 6b décalées par rapport aux limites des languettes 4a et 4b. La distance de décalage est de préférence la même partout le long de la circonférence des zones imprimées, créant une marge 10 de largeur constante. [0008] According to a preferred embodiment, the upwardly facing surface of the conditioning substrate is pretreated with a surface activating treatment, such as a corona plasma treatment. Surface activation increases surface energy and decreases the risk of defects in the subsequent printing step or subsequent sputter deposition step applied to produce a current collector layer. The term "current collector layer" is defined in the present context as a layer capable of being obtained as the direct result of printing or sputtering onto the packaging substrate. The current collector layer includes electrically conductive particles that do not form a homogeneous conductive sheet. When screen printing is used, this last step is carried out using a metallic ink such as silver ink or copper ink, or any other metallic ink suitable for screen printing. a metal which is suitable to serve as a current collector for a thin battery. The screen printing step is performed in areas which are offset from the boundaries of the rectangular portions 3a and 3b and the tabs 4a and 4b, resulting in thin current collector layers 5a and 5b of the printed metallic ink, in rectangular zones which are offset with respect to the limits of the rectangular parts 3a and 3b. The current collector layers 5a and 5b include tongue zones 6a and 6b offset with respect to the limits of the tongues 4a and 4b. The offset distance is preferably the same everywhere along the circumference of the printed areas, creating a margin 10 of constant width.

[0009] La sérigraphie est connue en tant que telle et les détails de ce procédé ne nécessitent donc pas d'être décrits. Un outil de sérigraphie disponible dans le commerce peut être utilisé, par exemple auprès du fournisseur Aurel®. La sérigraphie des couches 5a et 5b (comportant les languettes 6a et 6b) est réalisée selon des conditions qui sont compatibles avec le matériau de conditionnement sur lequel les couches sont imprimées. Selon des modes de réalisation préférés, l'épaisseur des couches de collecteur de courant imprimées est entre 2 µm et 50 µm. Les encres utilisées dans le procédé de l'invention sont des encres comprenant des nanoparticules de matériau électriquement conducteur, de préférence de métal. Des encres à l'argent ou au cuivre de ce type sont connues et disponibles auprès de divers fournisseurs, tels que la société Dupont®. Screen printing is known as such and the details of this process therefore do not need to be described. A commercially available screen printing tool can be used, for example from the supplier Aurel®. The screen printing of the layers 5a and 5b (comprising the tabs 6a and 6b) is carried out under conditions which are compatible with the packaging material on which the layers are printed. According to preferred embodiments, the thickness of the printed current collector layers is between 2 μm and 50 μm. The inks used in the method of the invention are inks comprising nanoparticles of electrically conductive material, preferably metal. Silver or copper inks of this type are known and available from various suppliers, such as Dupont®.

[0010] D'autres procédés d'impression peuvent être utilisés pour obtenir des couches de collecteur de courant ayant des caractéristiques similaires aux couches obtenues par sérigraphie, tels que l'héliogravure flexographique et l'impression 3D. En alternative à une impression, les couches de collecteur de courant 5a et 5b ayant les caractéristiques décrites ci-dessus peuvent être obtenues par dépôt par pulvérisation. [0010] Other printing processes can be used to obtain current collector layers having characteristics similar to the layers obtained by screen printing, such as flexographic gravure and 3D printing. As an alternative to printing, the current collector layers 5a and 5b having the characteristics described above can be obtained by sputter deposition.

[0011] La couche obtenue par impression ou dépôt par pulvérisation est une couche comprenant des particules, de préférence des nanoparticules du matériau électriquement conducteur. Le fait qu'une telle couche à base de particules soit apte à être obtenue ou non par impression ou dépôt par pulvérisation dépend principalement du matériau utilisé. L'Ag et le Cu sont des principaux exemples de matériaux appropriés à ce sujet, mais l'invention ne s'y limite pas. Du Ni peut également être utilisé. L'acier inoxydable n'est cependant pas un matériau approprié à ce sujet. [0011] The layer obtained by printing or sputtering is a layer comprising particles, preferably nanoparticles, of the electrically conductive material. Whether or not such a particle-based layer is obtainable by printing or spray deposition depends primarily on the material used. Ag and Cu are prime examples of materials suitable for this purpose, but the invention is not limited thereto. Ni can also be used. Stainless steel, however, is not a suitable material for this.

[0012] Après l'étape d'impression ou de dépôt par pulvérisation, les couches de collecteur de courant 5a et 5b (comportant les languettes 6a et 6b) sont soumises à un durcissement afin de produire les collecteurs de courant à proprement parler sous la forme d'une couche homogène électriquement conductrice. Un durcissement est effectué par l'éclairage des couches imprimées ou pulvérisées avec une source de lumière de sorte que la feuille homogène soit obtenue sans chauffage excessif du matériau de conditionnement. Selon des modes de réalisation préférés, des techniques de frittage à basse température sont utilisées à cette fin, telles qu'un frittage photonique ou un frittage laser. Le frittage à basse température est défini comme un frittage qui est applicable à température ambiante, plus particulièrement à une quelconque température entre 15 °C et 30 °C, ou entre 20 °C et 25 °C. [0012] After the step of printing or deposition by sputtering, the current collector layers 5a and 5b (comprising the tabs 6a and 6b) are subjected to hardening in order to produce the current collectors strictly speaking under the form of a homogeneous electrically conductive layer. Curing is effected by illuminating the printed or sprayed layers with a light source so that the homogeneous sheet is obtained without excessive heating of the packaging material. According to preferred embodiments, low temperature sintering techniques are used for this purpose, such as photonic sintering or laser sintering. Low temperature sintering is defined as sintering which is applicable at room temperature, more particularly at any temperature between 15°C and 30°C, or between 20°C and 25°C.

[0013] Le frittage photonique est un procédé connu en tant que tel, impliquant l'application de courtes impulsions de lumière à haute énergie sur une couche comprenant des nanoparticules afin de chauffer la couche et d'obtenir une couche homogène du matériau particulaire, en très peu de temps, et avec un impact thermique minimal sur le substrat sur lequel la couche a été déposée. Des outils connus pour l'application de ce processus peuvent être utilisés dans le procédé de l'invention, tels que ceux disponibles par exemple auprès du fournisseur Novacentrix®. Il a été découvert qu'un matériau typique de conditionnement de batterie mince est compatible avec un processus de frittage photonique appliqué à température ambiante. Selon des modes de réalisation préférés, les paramètres du processus de frittage photonique appliqué dans le procédé de l'invention se situent au sein des plages suivantes : Longueur des impulsions entre 1 et 20 ms Fréquence impulsionnelle (nombre d'impulsions par seconde) entre 200 et 800 Tension impulsionnelle de frittage : entre 1 kV et 4 kV Durée du processus de photo-frittage : entre 0,1 seconde et 5 secondesSelon des modes de réalisation préférés supplémentaires, l'apport d'énergie par le processus de frittage photonique dans les couches de collecteur de courant est entre 0,5 et 4 J/cm<2>. [0013] Photonic sintering is a process known as such, involving the application of short pulses of high energy light on a layer comprising nanoparticles in order to heat the layer and obtain a homogeneous layer of the particulate material, in very short time, and with minimal thermal impact on the substrate on which the layer was deposited. Tools known for the application of this process can be used in the method of the invention, such as those available for example from the supplier Novacentrix®. It has been found that a typical thin battery packaging material is compatible with a photonic sintering process applied at room temperature. According to preferred embodiments, the parameters of the photonic sintering process applied in the method of the invention lie within the following ranges: Pulse length between 1 and 20 ms Pulse frequency (number of pulses per second) between 200 and 800 Sintering impulse voltage: between 1 kV and 4 kV Duration of the photo-sintering process: between 0.1 seconds and 5 seconds According to additional preferred embodiments, the energy input by the photonic sintering process in the current collector layers is between 0.5 and 4 J /cm<2>.

[0014] Le processus de frittage résulte en les collecteurs de courant 5a et 5b en tant que tels, dans lesquels les nanoparticules des couches d'encre imprimées sont homogénéisées en couches uniformes. Le processus de frittage amplifie ainsi la conductivité électrique des collecteurs de courant 5a et 5b. Ceci achève les étapes de processus du procédé de l'invention pour la production des collecteurs de courant. L'invention se rapporte cependant tout autant à un procédé pour la production d'une batterie comprenant les collecteurs de courant ainsi produits. Les étapes de processus pour la production de la batterie en tant que telle sont décrites ci-après. The sintering process results in the current collectors 5a and 5b as such, in which the nanoparticles of the printed ink layers are homogenized into uniform layers. The sintering process thus amplifies the electrical conductivity of the current collectors 5a and 5b. This completes the process steps of the method of the invention for the production of the current collectors. The invention however relates just as much to a process for the production of a battery comprising the current collectors thus produced. The process steps for the production of the battery as such are described below.

[0015] À la suite du processus de durcissement, les électrodes 7a et 7b sont produites sur les collecteurs de courant 5a et 5b, comme illustré sur la Figure 3. Les électrodes sont constituées de couches comprenant des matériaux actifs compatibles avec une chimie de batterie particulière, par exemple de Li pour l'anode et de MgO2pour la cathode. Les couches peuvent comprendre lesdits matériaux actifs, mélangés avec un liant, par exemple un copolymère de fluorure de vinylidène (PVdF), un agent conférant une conductivité des électrons (par exemple du noir de carbone) et un solvant. Les couches d'électrode 7a et 7b peuvent être appliquées par un quelconque procédé connu dans l'état de l'art, dont la sérigraphie. Les couches d'électrodes 7a et 7b sont de préférence décalées par rapport aux limites de la partie rectangulaire principale des collecteurs de courant 5a et 5b, c'est-à-dire que les électrodes ne sont pas produites sur les languettes 6a et 6b desdits collecteurs de courant. [0015] As a result of the curing process, electrodes 7a and 7b are produced on current collectors 5a and 5b, as shown in Figure 3. particular, for example Li for the anode and MgO2 for the cathode. The layers can comprise said active materials, mixed with a binder, for example a copolymer of vinylidene fluoride (PVdF), an agent conferring electron conductivity (for example carbon black) and a solvent. The electrode layers 7a and 7b can be applied by any method known in the state of the art, including screen printing. The layers of electrodes 7a and 7b are preferably offset with respect to the limits of the main rectangular part of the current collectors 5a and 5b, that is to say that the electrodes are not produced on the tabs 6a and 6b of said current collectors.

[0016] Ceci est suivi par l'application d'une feuille de séparateur (non représentée), comme il est bien connu dans l'état de l'art. La feuille de séparateur peut comprendre un électrolyte solide ou elle peut être alimentée avec un électrolyte liquide distribué sur la feuille de séparateur après le positionnement de la feuille. This is followed by the application of a separator sheet (not shown), as is well known in the art. The separator sheet can comprise a solid electrolyte or it can be supplied with a liquid electrolyte dispensed onto the separator sheet after the positioning of the sheet.

[0017] Ensuite, le substrat 1 est plié le long de la ligne de pliage 2 et scellé le long de la marge 10, comme illustré sur la Figure 4. Les languettes 4a et 4b ne se chevauchent pas, et les marges du matériau de conditionnement le long des bords des languettes ne sont pas scellées, laissant les languettes 6a et 6b des collecteurs de courant disponibles à titre de contacts externes pour la batterie. Ce type de processus de scellage est connu en tant que tel, et peut être effectué selon un quelconque procédé connu en utilisation de nos jours pour la production de batteries minces. [0017] Next, the substrate 1 is folded along the fold line 2 and sealed along the margin 10, as shown in Figure 4. The tabs 4a and 4b do not overlap, and the margins of the material of packaging along the edges of the tabs are not sealed, leaving the current collector tabs 6a and 6b available as external contacts for the battery. This type of sealing process is known as such, and can be carried out according to any known method in use today for the production of thin batteries.

[0018] Selon une alternative de mode de réalisation illustrée sur les Figures 5 à 7, deux substrats de conditionnement séparés 1a et 1b sont fournis, ayant la même géométrie que les parties 3a + 4a et 3b + 4b du substrat 1 du premier mode de réalisation. Sur ces substrats de conditionnement, les collecteurs de courant 5a et 5b sont obtenus par le procédé de l'invention, par exemple par sérigraphie et frittage photonique, et les électrodes 7a et 7b sont obtenues par un procédé connu. L'assemblage de ces substrats séparés 1a et 1b aboutit à une batterie scellée ayant la même apparence que la batterie représentée sur la Figure 4. According to an alternative embodiment illustrated in Figures 5 to 7, two separate conditioning substrates 1a and 1b are provided, having the same geometry as the parts 3a + 4a and 3b + 4b of the substrate 1 of the first mode of achievement. On these conditioning substrates, the current collectors 5a and 5b are obtained by the process of the invention, for example by screen printing and photonic sintering, and the electrodes 7a and 7b are obtained by a known process. Joining these separate substrates 1a and 1b results in a sealed battery having the same appearance as the battery shown in Figure 4.

[0019] Le procédé de l'invention est tout autant applicable à un substrat de conditionnement qui n'est pas muni de languettes 4a et 4b, mais dans lequel le matériau de conditionnement comprend une couche métallique prise en sandwich entre des couches synthétiques, chacune munie d'une ouverture qui expose la couche métallique prise en sandwich du conditionnement. Le collecteur de courant produit par le procédé de l'invention est alors en contact direct avec la couche métallique exposée du matériau de conditionnement. L'ouverture sur l'autre côté du conditionnement sert alors de languette de contact pour la batterie. Ce type de matériau de conditionnement est décrit par exemple dans le document de publication de brevet WO2020007584A1, inclus ici à titre de référence. The method of the invention is just as applicable to a conditioning substrate which is not provided with tabs 4a and 4b, but in which the conditioning material comprises a metal layer sandwiched between synthetic layers, each provided with an opening that exposes the sandwiched metal layer of the package. The current collector produced by the method of the invention is then in direct contact with the exposed metallic layer of the packaging material. The opening on the other side of the packaging then serves as a contact strip for the battery. This type of packaging material is described for example in the patent publication document WO2020007584A1, included here by way of reference.

[0020] Les collecteurs de courant obtenus selon l'invention présentent une résistivité qui s'inscrit dans la ligne de collecteurs de courant en acier inoxydable produits de manière classique, ou représente une amélioration par rapport à ceux-ci, et ils permettent la production de batteries ayant une excellente performance, tout en ne souffrant pas des principaux problèmes de l'état de l'art antérieur énoncés dans l'introduction. Les collecteurs de courant sont produits directement selon la géométrie correcte, de sorte que des procédures de poinçonnage des collecteurs de courant ne sont plus nécessaires, ce qui surmonte les problèmes se rapportant à de telles procédures. Par ailleurs, le développement et la production de différentes géométries et tailles de batteries requiert moins de temps et d'équipement, ce qui permet une réduction des coûts de production et de la complexité. The current collectors obtained according to the invention have a resistivity which falls within the line of stainless steel current collectors produced in a conventional manner, or represents an improvement with respect to these, and they allow the production batteries having excellent performance, while not suffering from the main problems of the state of the prior art set out in the introduction. The current collectors are produced directly in the correct geometry, so that procedures for punching the current collectors are no longer necessary, thereby overcoming the problems relating to such procedures. Additionally, developing and producing different battery geometries and sizes requires less time and equipment, reducing production costs and complexity.

[0021] Tandis que la résistivité des collecteurs de courant obtenus par le procédé de l'invention est comparable ou inférieure à celle des collecteurs de courant classiques en acier inoxydable, une caractéristique des collecteurs de courant (et par conséquent des batteries) produits par le procédé de l'invention réside dans le fait que la résistivité des collecteurs de courant est supérieure à la résistivité volumique du matériau électriquement conducteur dont les collecteurs sont formés. Cela signifie que la résistivité d'un collecteur de courant dans une batterie selon l'invention est supérieure à la résistivité d'un collecteur de courant à base de feuille ou de treillis formé du même matériau. Dans le même temps, l'épaisseur des collecteurs de courant dans une batterie selon l'invention est comparable à l'épaisseur de collecteurs de courant classiques à base de feuille ou de treillis. Selon des modes de réalisation préférés, l'épaisseur des collecteurs de courant dans une batterie selon l'invention est entre 2 µm et 50 µm. Selon des modes de réalisation préférés, la résistivité d'un collecteur de courant d'une batterie selon l'invention est entre 2 et 100 fois la résistivité volumique du matériau électriquement conducteur appliqué dans les collecteurs de courant, l'épaisseur des collecteurs de courant étant entre 2 µm et 50 µm. Pour l'Ag et le Cu, cela signifie que la résistivité du collecteur de courant d'une batterie produite selon le procédé de l'invention se situe respectivement au sein des plages suivantes : Pour l'Ag : entre 3,18E-08 Ωm et 1,59E-06 Ωm Pour le Cu : entre 3,36E-08 Ωm et 1,68E-06 Ωm[0021] While the resistivity of the current collectors obtained by the method of the invention is comparable to or lower than that of conventional stainless steel current collectors, a characteristic of the current collectors (and consequently of the batteries) produced by the method of the invention resides in the fact that the resistivity of the current collectors is greater than the volume resistivity of the electrically conductive material of which the collectors are formed. This means that the resistivity of a current collector in a battery according to the invention is greater than the resistivity of a current collector based on a sheet or a mesh formed from the same material. At the same time, the thickness of the current collectors in a battery according to the invention is comparable to the thickness of conventional current collectors based on sheet or mesh. According to preferred embodiments, the thickness of the current collectors in a battery according to the invention is between 2 μm and 50 μm. According to preferred embodiments, the resistivity of a current collector of a battery according to the invention is between 2 and 100 times the volume resistivity of the electrically conductive material applied in the current collectors, the thickness of the current collectors being between 2 µm and 50 µm. For Ag and Cu, this means that the resistivity of the current collector of a battery produced according to the method of the invention is respectively within the following ranges: For Ag: between 3.18E-08 Ωm and 1.59E-06 Ωm For Cu: between 3.36E-08 Ωm and 1.68E-06 Ωm

[0022] Un certain nombre de tests ont été réalisés par les inventeurs, qui sont la preuve de l'excellente performance des collecteurs de courant obtenus par le procédé de l'invention. Les tests et les résultats sont décrits ci-après. A certain number of tests have been carried out by the inventors, which are proof of the excellent performance of the current collectors obtained by the method of the invention. The tests and results are described below.

Préparation de collecteur de courant à base d'argentPreparation of silver-based current collector

[0023] Une encre à l'argent pour des applications de sérigraphie a été achetée auprès de Dupont®. L'encre a été sérigraphiée au moyen d'une machine de processus de sérigraphie achetée auprès de la société Aurel®. Avant l'impression, la poche a été prétraitée par un traitement corona à 200 W. Le pochoir utilisé dans cet exemple était du type pochoir en acier 325-326 permettant une épaisseur imprimée variant entre 10 et 20 µm. Après l'impression, un processus de frittage a été appliqué à l'aide d'une machine de frittage photonique provenant de la société Novacentrix®. Une enveloppe impulsionnelle de 2 ms de longueur et de 2 kV a été utilisée pour fournir une énergie totale de 2 J/cm<2>. Enfin, la conductivité électrique et l'épaisseur ont été mesurées et comparées avec une feuille de collecteur de courant de référence produite par la technique de production classique. [0023] A silver ink for screen printing applications was purchased from Dupont®. The ink was screen printed using a screen printing process machine purchased from Aurel®. Before printing, the pocket was pretreated with a corona treatment at 200 W. The stencil used in this example was of the 325-326 steel stencil type allowing a printed thickness varying between 10 and 20 μm. After printing, a sintering process was applied using a photonic sintering machine from the company Novacentrix®. A 2 ms long, 2 kV pulse envelope was used to deliver a total energy of 2 J/cm<2>. Finally, the electrical conductivity and thickness were measured and compared with a reference current collector sheet produced by the conventional production technique.

[0024] Le Tableau 1 reprend les résultats. Référence 25 ± 1 4,4E-02 ± 1,7E-03 62 ± 2 Collecteur de courant imprimé en Ag 13 ± 1 3,6E-02 ± 5,0E-03 28 ± 9[0024] Table 1 shows the results. Reference 25 ± 1 4.4E-02 ± 1.7E-03 62 ± 2 Current collector printed in Ag 13 ± 1 3.6E-02 ± 5.0E-03 28 ± 9

Tableau 1Table 1

[0025] *exprimé comme le nombre de fois que la résistivité de l'Ag volumique doit être multipliée pour arriver à la résistivité de l'échantillon *expressed as the number of times the bulk Ag resistivity must be multiplied to arrive at the sample resistivity

[0026] Comme représenté dans le Tableau 1, le collecteur de courant imprimé/fritté présente une épaisseur acceptable, une résistance de feuille comparable et une résistivité améliorée comparativement à une feuille de collecteur de courant classique en acier inoxydable utilisée dans cet exemple à titre de référence. Dans des batteries de test produites sur la base de ces collecteurs de courant (voir plus loin), il a été observé que la résistivité supérieure de la feuille de collecteur de courant en acier inoxydable mesurée dans le Tableau 1 aboutit à une capacité inférieure comparativement à des collecteurs de courant imprimés/frittés. As shown in Table 1, the printed/sintered current collector has acceptable thickness, comparable sheet resistance, and improved resistivity compared to a conventional stainless steel current collector sheet used in this example as a reference. In test batteries produced based on these current collectors (see later), it has been observed that the higher resistivity of the stainless steel current collector sheet measured in Table 1 results in a lower capacity compared to printed/sintered current collectors.

Préparation de collecteur de courant à base de cuivrePreparation of copper-based current collector

[0027] Les étapes de processus décrites dans le paragraphe précédent ont également été réalisées pour produire des collecteurs de courant imprimés à base de cuivre. L'encre à base de cuivre a été achetée auprès de la société Novacentrix®. L'encre a été imprimée au moyen d'une machine de sérigraphie déjà détaillée dans l'exemple du collecteur de courant en argent. Le pochoir utilisé dans cet exemple était un PET 140-34 permettant une épaisseur imprimée variant entre 10 et 20 µm. Après l'impression, un processus de frittage photonique a été appliqué. Une enveloppe impulsionnelle de 2 ms de longueur et de 1 kV a été utilisée pour fournir une énergie totale de 1 J/cm2. Le Tableau 2 compare les résultats du collecteur de courant en cuivre sérigraphié avec le collecteur de courant à base de feuille utilisé à titre de référence. Référence 25 ± 1 4.4E-02 ± 1 ,7E-03 66 ± 2 Collecteur de courant imprimé en Cu 17 ± 2 4,6E-02 ± 7.5E-03 50 ± 2[0027] The process steps described in the previous paragraph have also been carried out to produce copper-based printed current collectors. Copper-based ink was purchased from Novacentrix®. The ink was printed using a screen printing machine already detailed in the example of the silver current collector. The stencil used in this example was a PET 140-34 allowing a printed thickness varying between 10 and 20 µm. After printing, a photonic sintering process was applied. A pulse envelope of 2 ms in length and 1 kV was used to provide a total energy of 1 J/cm2. Table 2 compares the results of the screen-printed copper current collector with the foil-based current collector used for reference. Reference 25 ± 1 4.4E-02 ± 1.7E-03 66 ± 2 Current collector printed in Cu 17 ± 2 4.6E-02 ± 7.5E-03 50 ± 2

Tableau 2Table 2

[0028] Dans ce cas, la valeur de résistivité du collecteur de courant en cuivre imprimé/fritté est également légèrement améliorée comparativement à la feuille de collecteur de courant classique en acier inoxydable. [0028] In this case, the resistivity value of the printed/sintered copper current collector is also slightly improved compared to the conventional stainless steel current collector sheet.

[0029] Après la caractérisation de collecteur de courant, des batteries primaires basées sur le système chimique Li/MnO2ont été assemblées et testées de manière électrochimique. Afin d'identifier les performances de chaque collecteur de courant imprimé, l'une des feuilles de collecteur de courant classiques a été remplacée par une feuille imprimée/frittée. Cette approche permet la caractérisation individuelle de chaque collecteur de courant imprimé. Afin de comparer les résultats, des batteries de référence basées sur des feuilles de collecteur de courant classiques ont également été assemblées et testées. Les batteries ont été déchargées à un débit de courant constant de C/10 correspondant à 10 heures pour décharger les éléments jusqu'à 2 V. Trois types de batteries ont été assemblées et testées : a. La référence nommée CP042350 (les deux collecteurs de courant sont des collecteurs à feuille, utilisant des feuilles d'acier inoxydable ayant une épaisseur de 25 µm) b. Un collecteur de courant en cuivre imprimé nommé CP042350GS (un collecteur à feuille et un collecteur en Cu imprimé) c. Un collecteur de courant en argent imprimé nommé CP042350GS+ (un collecteur à feuille et un collecteur en Ag imprimé) d. Les résultats sur la Figure 8 représentent la manière dont le collecteur de courant imprimé/fritté peut être une alternative valide à une feuille classique sans impacter les performances de décharge.[0029] After characterizing the current collector, primary batteries based on the Li/MnO2 chemical system were assembled and tested electrochemically. In order to identify the performance of each printed current collector, one of the conventional current collector foils was replaced with a printed/sintered foil. This approach allows the individual characterization of each printed current collector. In order to compare the results, reference batteries based on conventional current collector foils were also assembled and tested. The batteries were discharged at a constant current rate of C/10 corresponding to 10 hours to discharge the cells down to 2 V. Three types of batteries were assembled and tested: a. The reference named CP042350 (the two current collectors are sheet collectors, using stainless steel sheets having a thickness of 25 µm) b. A printed copper current collector named CP042350GS (a foil collector and a printed Cu collector) c. A printed silver current collector named CP042350GS+ (one foil collector and one printed Ag collector) d. The results in Figure 8 represent how the printed/sintered current collector can be a valid alternative to conventional foil without impacting discharge performance.

[0030] Tandis que l'invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la description qui précède, cette illustration et cette description doivent être considérées comme illustratives ou à titre d'exemple et non restrictives. D'autres variations apportées aux modes de réalisation divulgués peuvent être comprises et mises en oeuvre par les hommes du métier dans la pratique de l'invention revendiquée, à partir d'une étude des dessins, de la divulgation et des revendications annexés. Dans les revendications, le mot „comprenant“ n'exclut pas d'autres éléments ou étapes, et l'article indéfini „un“ ou „une“ n'exclut pas une pluralité. Le simple fait que certaines mesures soient citées dans des revendications dépendantes mutuellement différentes n'indique pas qu'une combinaison de ces mesures ne peut pas être utilisée de façon avantageuse. Aucun signe de référence dans les revendications ne doit être interprété comme limitant la portée. While the invention has been illustrated and described in detail in the foregoing drawings and description, such illustration and description should be considered illustrative or exemplary and not restrictive. Other variations to the disclosed embodiments may be understood and implemented by those skilled in the art in practicing the claimed invention from a study of the accompanying drawings, disclosure and claims. In the claims, the word "comprising" does not exclude other elements or steps, and the indefinite article "a" or "a" does not exclude a plurality. The mere fact that certain measures are cited in mutually different dependent claims does not indicate that a combination of these measures cannot be used to advantage. No reference sign in the claims should be construed as limiting the scope.

Claims (13)

1. Procédé pour la production d'un collecteur de courant (5a, 5b) pour une batterie, le procédé comprenant les étapes de : fourniture d'un substrat (1) formé d'un matériau de conditionnement de batterie planaire, – production, sur une zone prédéfinie du substrat, d'une couche de collecteur de courant par une technique d'impression ou de dépôt par pulvérisation, la couche de collecteur de courant comprenant des particules d'un matériau électriquement conducteur, – durcissement de la couche de collecteur de courant par l'éclairage de la couche avec une source de lumière, ce qui permet d'obtenir le collecteur de courant (5a, 5b).1. Method for the production of a current collector (5a, 5b) for a battery, the method comprising the steps of: providing a substrate (1) formed from a planar battery conditioning material, – production, on a predefined area of the substrate, of a current collector layer by a technique of printing or sputtering, the current collector layer comprising particles of an electrically conductive material, – hardening of the current collector layer by illuminating the layer with a light source, which makes it possible to obtain the current collector (5a, 5b). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la couche de collecteur de courant est produite par une technique d'impression choisie parmi le groupe constitué de la sérigraphie, de l'héliogravure flexographique et de l'impression 3D.2. The method of claim 1, wherein the current collector layer is produced by a printing technique selected from the group consisting of screen printing, flexographic gravure and 3D printing. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'étape de durcissement est réalisée par frittage à basse température.3. Method according to claim 1 or 2, in which the step of hardening is carried out by sintering at low temperature. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'étape de durcissement est réalisée par frittage photonique ou frittage laser.4. Method according to claim 3, in which the hardening step is carried out by photonic sintering or laser sintering. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'étape de durcissement est réalisée par un processus de frittage photonique par impulsions, en appliquant les paramètres suivants : – Longueur des impulsions entre 1 et 20 ms – Fréquence impulsionnelle (nombre d'impulsions par seconde) entre 200 et 800 – Tension impulsionnelle de frittage : entre 1 kV et 4 kV – Durée du processus de photo-frittage: entre 0,1 seconde et 5 secondes.5. Method according to claim 4, in which the curing step is carried out by a pulse photonic sintering process, by applying the following parameters: – Pulse length between 1 and 20 ms – Pulse frequency (number of pulses per second) between 200 and 800 – Impulse sintering voltage: between 1 kV and 4 kV – Duration of the photo-sintering process: between 0.1 seconds and 5 seconds. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l'apport énergétique appliqué au cours de l'étape de frittage photonique est entre 0,5 J/cm2 et 4 J/cm2.6. Process according to claim 5, in which the energy input applied during the photonic sintering step is between 0.5 J/cm2 and 4 J/cm2. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre l'étape de prétraitement du substrat (1) par un traitement d'activation de surface.7. Method according to any one of the preceding claims, further comprising the step of pretreating the substrate (1) by a surface activation treatment. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de durcissement est réalisée à température ambiante.8. A method according to any preceding claim, wherein the curing step is carried out at room temperature. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche de collecteur de courant obtenue par impression ou dépôt par pulvérisation possède une épaisseur entre 10 µm et 20 µm.9. Method according to any one of the preceding claims, in which the current collector layer obtained by printing or sputtering has a thickness between 10 µm and 20 µm. 10. Procédé pour la production d'une batterie, comprenant les étapes de la production d'un premier et d'un second collecteur de courant (5a, 5b) par l'application d'un procédé l'une quelconque des revendications précédentes, suivi par les étapes de : – production d'une première électrode (6a) sur le premier collecteur de courant (5a), – production d'une seconde électrode (6b) sur le second collecteur de courant (5b), – production d'un matériau de séparateur comprenant un électrolyte sur la première et/ou la seconde électrode, – assemblage des première et seconde électrodes et des collecteurs de courant et le scellage des matériaux de conditionnement utilisés dans la production des collecteurs de courant, pour ainsi obtenir la batterie.10. A method for producing a battery, comprising the steps of producing a first and a second current collector (5a, 5b) by applying a method according to any preceding claim, followed by the steps of: – production of a first electrode (6a) on the first current collector (5a), – production of a second electrode (6b) on the second current collector (5b), – production of a separator material comprising an electrolyte on the first and/or the second electrode, – assembly of the first and second electrodes and the current collectors and the sealing of the packaging materials used in the production of the current collectors, thus obtaining the battery. 11. Batterie comprenant un substrat de conditionnement planaire comprenant un premier et un second collecteur de courant (5a, 5b), dans laquelle les collecteurs de courant sont aptes à être obtenus par une impression ou un dépôt par pulvérisation de couches de collecteur de courant sur le substrat, et par un durcissement des couches de collecteur de courant.11. Battery comprising a planar conditioning substrate comprising a first and a second current collector (5a, 5b), in which the current collectors are adapted to be obtained by printing or sputter deposition of current collector layers on the substrate, and by curing the current collector layers. 12. Batterie comprenant un substrat de conditionnement planaire comprenant un premier et un second collecteur de courant (5a, 5b), caractérisée en ce que les collecteurs de courant sont formés d'un matériau électriquement conducteur et dans laquelle la résistivité des collecteurs de courant est supérieure à la résistivité volumique dudit matériau.12. Battery comprising a planar conditioning substrate comprising a first and a second current collector (5a, 5b), characterized in that the current collectors are formed of an electrically conductive material and in which the resistivity of the current collectors is greater than the volume resistivity of said material. 13. Batterie selon la revendication 12, dans laquelle la résistivité des collecteurs de courant (5a, 5b) est entre 2 et 100 fois ladite résistivité volumique et dans laquelle l'épaisseur des collecteurs de courant est entre 2 µm et 50 µm.13. Battery according to claim 12, in which the resistivity of the current collectors (5a, 5b) is between 2 and 100 times said bulk resistivity and in which the thickness of the current collectors is between 2 μm and 50 μm.
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