EP4070400A1 - Dispositif de deconnexion comprenant un element thermo-activable - Google Patents

Dispositif de deconnexion comprenant un element thermo-activable

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EP4070400A1
EP4070400A1 EP20812074.1A EP20812074A EP4070400A1 EP 4070400 A1 EP4070400 A1 EP 4070400A1 EP 20812074 A EP20812074 A EP 20812074A EP 4070400 A1 EP4070400 A1 EP 4070400A1
Authority
EP
European Patent Office
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electrochemical
elements
heat
battery according
activatable
Prior art date
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Pending
Application number
EP20812074.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Emmanuelle Garitte
Philippe Borel
Dinh An NGUYEN
Mélanie DENDARY
Laure Le Guenne
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SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Original Assignee
SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
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Filing date
Publication date
Application filed by SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA filed Critical SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
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    • H01M2200/00—Safety devices for primary or secondary batteries
    • H01M2200/10—Temperature sensitive devices
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the technical field of the present invention is that of disconnection devices intended to disconnect at least two electrochemical elements linked together.
  • An electrochemical element or electrochemical generator (these two terms being equivalent in the present description) is a device for producing electricity in which chemical energy is converted into electrical energy.
  • the chemical energy consists of electrochemically active compounds deposited on at least one face of electrodes placed in the electrochemical generator. Electrical energy is produced by electrochemical reactions during a discharge of the electrochemical generator.
  • the electrodes, arranged in a container, are electrically connected to current output terminals which provide electrical continuity between the electrodes and an electrical consumer with which the electrochemical generator is associated.
  • the positive and negative current output terminals can be fixed either on the walls of opposite faces of the container of the electrochemical generator, or on the wall of the same side of the container.
  • electrochemical generators can be connected together in series or in parallel depending on the nominal operating voltage of the electrical consumer and the quantity of energy that it is intended to supply to this consumer.
  • the electrochemical generators are then placed in a common box and the whole of the box and the plurality of electrochemical generators that it contains is generally designated by the term battery.
  • the positive and negative current output terminals are often fixed on the wall of the same face of the container, often on a cover intended to close the container of the battery. generator.
  • An anomaly in the operation of the battery can be caused by the malfunction of one of the electrochemical generators (short circuit, overload, etc.) or by an external disturbance (shock, rise in temperature, etc.) or even by a failure of the electronic system managing the state of charge or other parameters of the battery generators.
  • a lithium electrochemical generator when a lithium electrochemical generator is subjected to an overload, its temperature rises.
  • the increase in temperature causes an increase in the charging current which further promotes the increase in temperature.
  • the generator does not have a sufficient cooling system to evacuate the heat emitted, it finds itself in a situation of thermal runaway: the increase in temperature is supplied by the generator itself.
  • the uncontrolled increase in the temperature of the generator results in the generation of gas which can cause an increase in the internal pressure in the generator, which will open a safety system for evacuation of the gases.
  • the temperature of which can reach 650 ° C these gases come into contact with the other generators of the battery. There is then a risk that the thermal runaway phenomenon spreads to all the generators of the battery, which leads to the total destruction of the battery.
  • Document DE 10 2014 200 197 A1 describes an electrical disconnection device activated by an increase in pressure or temperature.
  • This device is a bimetallic strip whose deformation makes it possible to disconnect the electronic card associated with the element. However, this device is placed between the terminals of the same element. It is therefore an intra-element device and not an inter-element disconnection device.
  • the device described in this document is a disconnection device by rupture produced by current flow losses, but these losses systematically generate areas of current flow stress creating overheating for high currents or simply limiting their use. for very low power electrochemical generators.
  • Document FR 2962 261 from the applicant describes a battery of lithium electrochemical generators comprising a rigid flame-retardant foam with closed porosity made up of an electrically insulating material filling the space between the internal wall of the battery case and the free surface. of the side wall of the container of each electrochemical generator.
  • the insulating material is selected from the group comprising polyurethane, epoxy, polyethylene, melamine, polyester, formophenol, polystyrene, silicone or a mixture thereof.
  • this material does not make it possible to prevent the propagation of heat via the connectors connecting two electrochemical elements together.
  • the subject of the invention is a battery comprising:
  • each electrochemical element comprising a container, said container comprising:
  • thermo-activatable element capable of being deformed when its temperature reaches a threshold value, the thermo-activatable element being arranged so that, when its temperature reaches said threshold value, it disconnects by its deformation the connection part (c) from at least one electrochemical element (d) , said thermo-activatable element not participating in the conduction of electric current when said electrochemical elements are traversed by an electric current, said thermo-activatable element being placed in contact with the connection piece (c) and an output terminal current.
  • said disconnection device further comprises at least one retaining element (b), said retaining element being able to occupy a first position and a second position.
  • the holding element (b) occupies the first position, in which the connection piece (c) is held. in contact with said at least one electrochemical element (d) by the holding element (b).
  • the holding element (b) occupies the second position, in which the connection piece (c) n ' is not in contact with said at least one electrochemical element (d).
  • the deformation of the heat-activatable element (a) directly disconnects the connection part (c) from said at least one electrochemical element (d).
  • the heat-activatable element (a) is capable of deforming when its temperature reaches a threshold value greater than or equal to 80 ° C.
  • the heat-activatable element (a) is chosen from the group consisting of: a shape memory alloy, a bimetal, an intumescent material, a shape memory polymer and a heat sensitive material.
  • the retaining element (b) is a calibrated spring or a washer combined with a calibrated spring.
  • the disconnection device does not act by restricting the current flow section between the two electrochemical elements.
  • the material having a thermal conductivity less than or equal to 0.5 W / (m * K) is in the form of a sheath, of a block, of a foam, of a panel. or a paper.
  • said material having a thermal conductivity less than or equal to 0.5 W / (m * K) is in the form of a ceramic-based sheath in contact with part or all of the side wall of an electrochemical element.
  • said ceramic-based sheath is surrounded by a foam of a material chosen from an epoxy, a polyurethane, a polyolefin, polystyrene, a polyester, a silicone.
  • said ceramic-based sheath has a thickness ranging from 0.5 to 50 mm, preferably ranging from 0.5 to 2 mm.
  • said at least two electrochemical elements (d) are electrochemical elements chosen from the group consisting of: elements of lithium-ion type, elements of sodium-ion type and elements of lithium-sulfur type.
  • said at least two electrochemical elements (d) are of cylindrical, prismatic or pouch cell type.
  • the disconnection device makes it possible to disconnect at least two electrochemical elements connected to one another via a connection part in order to prevent the propagation of heat from a faulty electrochemical element towards the element or elements which are adjacent to it.
  • This disconnection is a thermal and / or electrical disconnection.
  • the disconnection device according to the invention also makes it possible to limit the time during which the element or elements adjacent to the faulty element are exposed to temperatures liable to damage said elements.
  • the disconnection device according to the invention allows better heat dissipation when one of the elements is in thermal runaway.
  • the heat emitted by the element in thermal runaway is propagated essentially via the connection pieces.
  • the device according to the invention also makes it possible in this case to effectively limit the propagation of thermal runaway.
  • FIG. 1 is a sectional view of a disconnection device according to the invention when said device is not activated.
  • FIG. 2 is a sectional view of a disconnection device according to the invention when said device is activated.
  • FIG. 3 is a schematic representation of a model showing the arrangement of the elements and the distance which separates them from the central element which is in this example in thermal runaway.
  • FIG. 4 is a schematic representation of a model showing the way in which the elements are connected to each other via connection pieces.
  • FIG. 5 is a diagram showing the time after which electrochemical elements 1 to 6 reach the temperature of 95 ° C in the following 3 models:
  • the electrochemical elements are covered with a ceramic-based sheath itself surrounded by an epoxy foam "sheath + foam";
  • a device according to the invention is used in the 2 nd model described above “sheath + foam + device”.
  • the device used in the invention makes it possible to disconnect at least two electrochemical elements interconnected by a connection part in order to prevent the propagation of heat via said connection part.
  • connection piece is understood to mean any connector piece making it possible to ensure the passage of current and connecting two electrochemical elements together.
  • This connection piece can in particular be in the form of a metal bar.
  • the disconnection device further comprises at least one retaining element, said retaining element being able to occupy a first position and a second position.
  • the holding element occupies the first position, in which the connection piece is kept in contact with said at least one electrochemical element by the holding element.
  • the holding element occupies the second position, in which the connection piece is not in contact with said at least one electrochemical element.
  • the deformation of the heat-activatable element directly disconnects the connection part from said at least one electrochemical element.
  • the thermo-activatable element interrupts by its deformation the connection between the electrochemical element and the connection part.
  • the heat-activatable element does not act on any intermediate part which in turn would interrupt the connection between the electrochemical element and the connection part.
  • the deformation of the heat-activatable element can be reversible or irreversible.
  • the heat-activatable element is capable of deforming when its temperature reaches a threshold value greater than or equal to 80 ° C, or greater than or equal to 150 ° C, or greater than or equal to 200 ° C, or greater than or equal to 300 ° C, or greater than or equal to 400 ° C.
  • the heat-activatable element is chosen from the group consisting of: a shape memory alloy, a bimetal, an intumescent material, a shape memory polymer and a heat sensitive material.
  • the deformation of the heat-activatable element is reversible
  • the latter is chosen from the group consisting of: a metal bimetal, an alloy, a reversible shape memory polymer.
  • the retaining element may be a calibrated spring or a washer combined with a calibrated spring.
  • the retaining element can be an electrical conductor.
  • the retaining element may be an electrical conductor which is not electrically insulated from the connection piece.
  • the disconnection device does not act by restricting the current flow section between the two electrochemical elements.
  • the device of the invention is suitable for passing a current greater than or equal to 2.7C; C being the nominal capacity of the battery generators.
  • the material disposed between said at least two electrochemical elements may have a thermal conductivity less than or equal to 0.25 W / (m * K), or less than or equal to 0.1 W / (m * K).
  • the thermal conductivity of this material is measured at an ambient temperature, namely between 20 and 30 ° C.
  • Material with thermal conductivity of 0.5 W / (m * K) or less may be in the form of a jacket, block, foam, panel or paper . It can occupy all of the free space between two adjacent electrochemical elements or all of the free space between an electrochemical element and a side wall of a box intended to house the battery elements.
  • Said material may be in the form of a sheath, the thickness of which may represent less than 5% or less than 1% of the diameter of the container of an electrochemical element of cylindrical format. It may be in the form of a sheath, the thickness of which may represent less than 5% or less than 1% of the width or of the thickness of the container of an electrochemical element of parallelepipedal (prismatic) format. It can be in the form of a ceramic block. It can be in the form of a ceramic-based sheath in contact with part or all of the side wall of an electrochemical element.
  • the ceramic-based sheath covers the free surface of the side wall of the container of each generator for a length representing at least 50% of the height of the container, more preferably at least 75% of the height of the container and particularly preferred the full height of the container.
  • the ceramic-based sheath may comprise a metal oxide selected from S1O2, Al2O3, ZrC> 2, MgO, CaO and a combination thereof.
  • the ceramic-based sheath may be surrounded by a foam of a material chosen from an epoxy, a polyurethane, a polyolefin, polystyrene, a polyester or a silicone.
  • the foam surrounding the ceramic-based sheath is an epoxy foam.
  • the foam may partially or totally surround the ceramic-based sheath.
  • the foam surrounding said ceramic-based sheath can occupy the entire free space between two adjacent electrochemical elements themselves surrounded by said ceramic-based sheath, or all of the free space between an electrochemical element surrounded by said ceramic-based sheath and a wall of a box intended to house the battery elements.
  • the ceramic-based sheath may have a thickness ranging from 0.5 to 50 mm, preferably ranging from 0.5 to 10 mm.
  • the ceramic-based sheath when the ceramic-based sheath is surrounded by said foam, then the ceramic-based sheath has a thickness of between 0.5 and 2mm, and the foam has a thickness of between 1 and 10mm.
  • the ceramic-based sheath has a thickness ranging from 0.5 to 1.5 mm, preferably equal to approximately 1 mm; and the foam has a thickness ranging from 1 to 5mm, preferably ranging from 2 to 3mm.
  • the foam surrounding the ceramic sheath may comprise a flame retardant compound selected from the group consisting of trichloropropyl phosphate (TCPP), triethyl phosphate (TEP), diethyl ethyl phosphate (DEPP), a brominated polyether polyol, phthalic anhydride. brominated, ammonium polyphosphate, encapsulated red phosphorus, or a mixture thereof.
  • TCPP trichloropropyl phosphate
  • TEP triethyl phosphate
  • DEPP diethyl ethyl phosphate
  • a brominated polyether polyol phthalic anhydride. brominated, ammonium polyphosphate, encapsulated red phosphorus, or a mixture thereof.
  • the foam surrounding the ceramic sheath may comprise fillers selected from the group comprising aluminum trihydrate, calcium carbonate, barium sulfate, glass fibers, carbon fibers, melamine, carbon black, silicon oxide, or a mixture thereof.
  • the density of the foam can vary between 5 and 800 kg / m 3 .
  • the invention applies to all types of electrochemical generators but it applies more particularly to the electrochemical elements chosen. in the group consisting of: lithium-ion type elements, sodium-ion type elements and lithium-sulfur type elements.
  • Said at least two electrochemical elements can be of cylindrical, prismatic or “pouch cell” type.
  • One or two disconnecting device (s) can be used per connection piece.
  • connection piece Preferably, two disconnection devices are used per connection piece.
  • the disconnection device is placed in contact with the current output terminal having the highest thermal conductivity.
  • the disconnection device will be placed in contact with the copper terminal.
  • Figures 1 and 2 show a sectional view of a disconnection device according to the invention respectively when said device is inactivated ( Figure 1) or activated ( Figure 2).
  • the disconnection device according to FIG. 1 is intended to make it possible to disconnect at least two electrochemical elements (d) interconnected by a connection part (c).
  • the device of FIG. 1 comprises a thermo-activatable element (a) capable of being deformed when its temperature reaches a threshold value and an element of holding (b) making it possible to maintain the connection part (c) in contact with at least one of the two electrochemical elements (d) when the temperature does not reach the threshold value.
  • the threshold value is predetermined by a user. It can be 80 ° C, 150 ° C, 200 ° C, 300 ° C, 400 ° C or any other value.
  • thermo-activatable element (a) When the temperature of the thermo-activatable element (a) reaches the threshold value, it will deform so as to disconnect the connection part (c) from at least one of the two electrochemical elements (d). Under the action of heat, the thermo-activatable element (a) bends upwards and causes the lifting of the connection piece (c). This lifting disconnects the connection piece from at least one of the two electrochemical elements (d).
  • thermo-activatable element (a) returns to its initial position when its deformation is of the reversible type.
  • the connection between the two electrochemical elements (d) is reestablished by bringing the connection part (c) back into contact with at least one of the two electrochemical elements. (d).
  • figure 4 should be interpreted in the light of figure 3. Therefore, elements 3 and 4 are further from the central element than elements 1 and 2 or 5 and 6.
  • the negative copper terminal of the central element is connected to the positive terminal of the element 3 via a connecting piece, while the positive aluminum terminal of the central element is connected to the negative terminal of the element 4 via another connecting piece.
  • Two disconnection devices are placed in contact with each of these connection parts;
  • Negative copper terminals have higher thermal conductivity than positive aluminum terminals.
  • the battery according to the invention makes it possible to avoid the propagation of thermal runaway to the elements connected to a faulty element via parts of connection, but also to reduce the total number of thermal runaway elements.

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Abstract

La présente invention porte sur une batterie comprenant : -i) au moins deux éléments électrochimiques (d) connectés entre eux par une pièce de connexion (c), chaque élément électrochimique comprenant un conteneur, -ii) un matériau disposé entre lesdits au moins deux éléments électrochimiques, et -iii) au moins un dispositif de déconnexion, ledit dispositif comprenant : un élément thermo-activable (a)apte à se déformer lorsque sa température atteint une valeur seuil, l'élément thermo-activable étant disposé en sorte que, lorsque sa température atteint ladite valeur seuil, il déconnecte par sa déformation la pièce de connexion (c) d'au moins un élément électrochimique (d), ledit élément thermo-activable ne participant pas à la conduction du courant électrique lorsque lesdits éléments électrochimiques sont traversés par un courant électrique, ledit élément thermo-activable étant placé au contact de la pièce de connexion (c) et d'une borne de sortie de courant.

Description

DESCRIPTION
Titre de l'invention : DISPOSITIF DE DECONNEXION COMPRENANT UN ELEMENT THERMO-ACTIVABLE
DOMAINE TECHNIQUE
Le domaine technique de la présente invention est celui des dispositifs de déconnexion destinés à déconnecter au moins deux éléments électrochimiques reliés entre eux.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Un élément électrochimique ou générateur électrochimique (ces deux termes étant équivalents dans la présente description) est un dispositif de production d'électricité dans lequel de l'énergie chimique est convertie en énergie électrique. L'énergie chimique est constituée par des composés électrochimiquement actifs déposés sur au moins une face d'électrodes disposées dans le générateur électrochimique. L'énergie électrique est produite par des réactions électrochimiques au cours d'une décharge du générateur électrochimique. Les électrodes, disposées dans un conteneur, sont connectées électriquement à des bornes de sortie de courant qui assurent une continuité électrique entre les électrodes et un consommateur électrique auquel le générateur électrochimique est associé. Les bornes de sortie de courant positive et négative peuvent être fixées soit sur les parois de faces opposées du conteneur du générateur électrochimique, soit sur la paroi d'une même face du conteneur.
Plusieurs générateurs électrochimiques peuvent être connectés ensemble en série ou en parallèle en fonction de la tension nominale de fonctionnement du consommateur électrique et de la quantité d'énergie qu'il est prévu de fournir à ce consommateur. Les générateurs électrochimiques sont alors placés dans un boîtier commun et l'on désigne généralement l'ensemble du boîtier et de la pluralité de générateurs électrochimiques qu'il renferme par le terme de batterie. Dans un souci de commodité de branchement électrique entre des générateurs électrochimiques placés dans une batterie, les bornes de sortie de courant positive et négative sont souvent fixées sur la paroi d'une même face du conteneur, souvent sur un couvercle destiné à fermer le conteneur du générateur.
Une anomalie dans le fonctionnement de la batterie peut être causée par le dysfonctionnement de l'un des générateurs électrochimiques (court-circuit, surcharge,...) ou par une perturbation extérieure (choc, élévation de la température, etc.) ou encore par une défaillance du système électronique gérant l'état de charge ou d'autres paramètres des générateurs de la batterie.
Par exemple, lorsqu'un générateur électrochimique au lithium est soumis à une surcharge, sa température augmente. L'augmentation de température entraîne une augmentation du courant de charge qui favorise encore l'augmentation de température. Si le générateur ne dispose pas d'un système de refroidissement suffisant pour évacuer la chaleur émise, celui-ci se retrouve en situation d'emballement thermique : l'augmentation de température est alimentée par le générateur lui-même. L'augmentation incontrôlée de la température du générateur entraîne la génération de gaz qui peut entraîner une augmentation de la pression interne dans le générateur, qui va ouvrir un système de sécurité d'évacuation des gaz. En cas de libération de gaz chauds, dont la température peut atteindre 650°C, ces gaz viennent au contact des autres générateurs de la batterie. Il existe alors un risque que le phénomène d'emballement thermique se propage à l'ensemble des générateurs de la batterie, ce qui conduit à la destruction totale de la batterie.
Le document DE 10 2014 200 197 Al, décrit un dispositif de déconnexion électrique activé par une augmentation de la pression ou de la température. Ce dispositif est un bilame dont la déformation permet de déconnecter la carte électronique associée à l'élément. Cependant, ce dispositif est placé entre les bornes d'un même élément. Il s'agit donc d'un dispositif intra élément et non d'un dispositif de déconnexion inter éléments.
De plus, le dispositif décrit dans ce document est un dispositif de déconnexion par rupture réalisée par des affaiblissements de passage de courant, or ces affaiblissements engendrent systématiquement des zones de contrainte de passage de courant créant des échauffements pour de forts courants ou limitant simplement leur utilisation pour des générateurs électrochimiques de très faible puissance.
Les documents DE 10 2013 203 190 Al et US 2012/0293016 Al décrivent des dispositifs de type fusible qui ne permettent pas une conduction électrique optimale à fort courant.
Le document FR 2962 261 issu de la demanderesse, décrit une batterie de générateurs électrochimiques au lithium comprenant une mousse ignifugée rigide à porosité fermée constituée d'un matériau isolant électrique remplissant l'espace entre la paroi interne du coffre de la batterie et la surface libre de la paroi latérale du conteneur de chaque générateur électrochimique. Dans ce document le matériau isolant est choisi dans le groupe comprenant le polyuréthane, l'époxy, le polyéthylène, la mélamine, le polyester, le formophénol, le polystyrène, la silicone ou d'un mélange de ceux-ci.
Toutefois la demanderesse a constaté que malgré la présence de ce matériau, un phénomène de propagation de chaleur était observé entre les éléments électrochimiques directement connectés par des barrettes métalliques à l'élément en emballement thermique.
Ainsi, ce matériau ne permet pas d'empêcher la propagation de la chaleur via les connectiques reliant deux éléments électrochimiques entre eux.
Il existe donc un besoin de fournir un dispositif permettant de lutter contre la propagation de la chaleur via une pièce de connexion reliant au moins deux éléments électrochimiques entre eux, suite à un phénomène d'emballement thermique survenu dans au moins un de ces deux éléments.
RESUME DE L'INVENTION
L'invention a pour objet une batterie comprenant :
-i) au moins deux éléments électrochimiques (d) connectés entre eux par une pièce de connexion (c), chaque élément électrochimique comprenant un conteneur, ledit conteneur comportant :
-a) une ouverture pour l'introduction d'un faisceau électrochimique,
-b) un fond,
-y) une paroi latérale,
-d) au moins deux bornes de sortie de courant ;
-ii) un matériau ayant une conductivité thermique inférieure ou égale à 0,5 W/(m*K) disposé entre lesdits au moins deux éléments électrochimiques, et -iii) au moins un dispositif de déconnexion destiné à déconnecter lesdits au moins deux éléments électrochimiques connectés entre eux par la pièce de connexion, ledit dispositif comprenant : un élément thermo-activable (a)apte à se déformer lorsque sa température atteint une valeur seuil, l'élément thermo-activable étant disposé en sorte que, lorsque sa température atteint ladite valeur seuil, il déconnecte par sa déformation la pièce de connexion (c) d'au moins un élément électrochimique (d), ledit élément thermo- activable ne participant pas à la conduction du courant électrique lorsque lesdits éléments électrochimiques sont traversés par un courant électrique, ledit élément thermo-activable étant placé au contact de la pièce de connexion (c) et d'une borne de sortie de courant.
Selon un mode de réalisation, ledit dispositif de déconnexion comprend en outre au moins un élément de maintien (b), ledit élément de maintien pouvant occuper une première position et une seconde position.
Selon un mode de réalisation, lorsque la température de l'élément thermo-activable (a) est inférieure à la valeur seuil, l'élément de maintien (b) occupe la première position, dans laquelle la pièce de connexion (c) est maintenue en contact dudit au moins un élément électrochimique (d)par l'élément de maintien (b).
Selon un mode de réalisation, lorsque la température de l'élément thermo-activable (a)est supérieure à la valeur seuil, l'élément de maintien (b) occupe la seconde position, dans laquelle la pièce de connexion (c) n'est pas en contact dudit au moins un élément électrochimique (d).
Selon un mode de réalisation, la déformation de l'élément thermo-activable (a) déconnecte directement la pièce de connexion (c) dudit au moins un élément électrochimique (d).
Selon un mode de réalisation, l'élément thermo-activable (a) est apte à se déformer lorsque sa température atteint une valeur seuil supérieure ou égale à 80°C.
Selon un mode de réalisation, l'élément thermo-activable (a) est choisi dans le groupe consistant en : un alliage à mémoire de forme, un bilame, un matériau intumescent, un polymère à mémoire de forme et un matériau thermosensible.
Selon un mode de réalisation, l'élément de maintien (b) est un ressort taré ou une rondelle combinée à un ressort taré.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de déconnexion n'agit pas par restriction de la section de passage du courant entre les deux éléments électrochimiques.
Selon un mode de réalisation, le matériau ayant une conductivité thermique inférieure ou égale à 0,5 W/(m*K) se présente sous la forme d'une gaine, d'un bloc, d'une mousse, d'un panneau ou d'un papier.
Selon un mode de réalisation, ledit matériau ayant une conductivité thermique inférieure ou égale à 0,5 W/(m*K) se présente sous la forme d'une gaine à base de céramique au contact d'une partie ou de la totalité de la paroi latérale d'un élément électrochimique. Selon un mode de réalisation, ladite gaine à base de céramique est entourée d'une mousse d'un matériau choisi parmi un époxy, un polyuréthane, une polyoléfine, du polystyrène, un polyester, une silicone.
Selon un mode de réalisation, ladite gaine à base de céramique a une épaisseur allant de 0,5 à 50 mm, de préférence allant de 0,5 à 2mm.
Selon un mode de réalisation, lesdits au moins deux éléments électrochimiques (d) sont des éléments électrochimiques choisis dans le groupe consistant en : des éléments de type lithium-ion, des éléments de type sodium-ion et des éléments de type lithium-soufre.
Selon un mode de réalisation, lesdits aux moins deux éléments électrochimiques (d) sont de format cylindrique, prismatique ou de type pochette (pouch cell).
Le dispositif de déconnexion selon l'invention permet de déconnecter au moins deux éléments électrochimiques reliés entre eux via une pièce de connexion afin d'empêcher une propagation de chaleur d'un élément électrochimique défaillant vers le ou les éléments qui lui sont adjacents. Cette déconnexion est une déconnexion thermique et/ou électrique.
Le dispositif de déconnexion selon l'invention permet également de limiter le temps durant lequel le ou les éléments adjacents à l'élément défaillant sont exposés à des températures susceptibles d'endommager lesdits éléments. Le dispositif de déconnexion selon l'invention permet une meilleure dissipation de la chaleur lorsqu'un des éléments est en emballement thermique.
Dans le cas où les éléments électrochimiques sont entourés d'une gaine présentant une capacité d'isolation thermique élevée, la chaleur émise par l'élément en emballement thermique se propage essentiellement via les pièces de connexion. Le dispositif selon l'invention permet également dans ce cas, de limiter efficacement la propagation de l'emballement thermique.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[Fig. 1] est une vue en coupe d'un dispositif de déconnexion selon l'invention lorsque ledit dispositif n'est pas activé.
[Fig. 2] est une vue en coupe d'un dispositif de déconnexion selon l'invention lorsque ledit dispositif est activé. [Fig. 3] est une représentation schématique d'une modélisation montrant la disposition des éléments et la distance qui les sépare de l'élément central qui est dans cet exemple en emballement thermique.
[Fig. 4] est une représentation schématique d'une modélisation montrant la façon dont les éléments sont reliés entre eux via des pièces de connexion.
[Fig. 5] est un diagramme montrant le temps au bout duquel les éléments électrochimiques 1 à 6 atteignent la température de 95°C dans les 3 modèles suivants :
1er modèle : les éléments électrochimiques sont tous recouverts uniquement d'une mousse de type époxy « mousse» ;
- 2ème modèle : les éléments électrochimiques sont recouverts d'une gaine à base de céramique elle-même entourée d'une mousse époxy « gaine + mousse » ;
- 3ème modèle : un dispositif selon l'invention est utilisé dans le 2ème modèle décrit ci-dessus « gaine + mousse +dispositif ».
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Le dispositif utilisé dans l'invention permet de déconnecter au moins deux éléments électrochimiques reliés entre eux par une pièce de connexion afin d'empêcher une propagation de chaleur via ladite pièce de connexion.
On entend par pièce de connexion, toute pièce de connectique permettant d'assurer le passage du courant et reliant deux éléments électrochimiques entre eux. Cette pièce de connexion peut notamment se présenter sous la forme d'une barrette métallique.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de déconnexion comprend en outre au moins un élément de maintien, ledit élément de maintien pouvant occuper une première position et une seconde position. Lorsque la température de l'élément thermo-activable est inférieure à la valeur seuil, l'élément de maintien occupe la première position, dans laquelle la pièce de connexion est maintenue en contact dudit au moins un élément électrochimique par l'élément de maintien. Lorsque la température de l'élément thermo-activable est supérieure à la valeur seuil, l'élément de maintien occupe la seconde position, dans laquelle la pièce de connexion n'est pas en contact dudit au moins un élément électrochimique.
Selon un mode de réalisation, la déformation de l'élément thermo-activable déconnecte directement la pièce de connexion dudit au moins un élément électrochimique. L'élément thermo-activable interrompt par sa déformation la connexion entre l'élément électrochimique et la pièce de connexion. L'élément thermo-activable n'agit pas sur une pièce intermédiaire quelconque qui à son tour interromprait la connexion entre l'élément électrochimique et la pièce de connexion.
La déformation de l'élément thermo-activable peut être réversible ou irréversible.
Selon un mode de réalisation, l'élément thermo- activable est apte à se déformer lorsque sa température atteint une valeur seuil supérieure ou égale à 80°C, ou supérieure ou égale à 150 °C, ou supérieure ou égale à 200°C, ou supérieure ou égale à 300°C, ou supérieure ou égale à 400°C.
Selon un mode de réalisation, l'élément thermo- activable est choisi dans le groupe consistant en : un alliage à mémoire de forme, un bilame, un matériau intumescent, un polymère à mémoire de forme et un matériau thermosensible.
De préférence, lorsque la déformation de l'élément thermo-activable est réversible, celui-ci est choisi dans le groupe consistant en : un bilame métallique, un alliage, un polymère à mémoire forme réversible. L'élément de maintien peut être un ressort taré ou une rondelle combinée à un ressort taré.
L'élément de maintien peut être un conducteur électrique .
L'élément de maintien peut être un conducteur électrique non isolé électriquement de la pièce de connexion.
Le dispositif de déconnexion n'agit pas par restriction de la section de passage du courant entre les deux éléments électrochimiques.
Le dispositif de l'invention est adapté au passage d'un courant supérieur ou égal à 2,7C ; C étant la capacité nominale des générateurs de la batterie.
Le matériau disposé entre lesdits au moins deux éléments électrochimiques peut avoir une conductivité thermique inférieure ou égale à 0,25 W/(m*K), ou inférieure ou égale à 0,1 W/(m*K). La conductivité thermique de ce matériau est mesurée à une température ambiante, à savoir entre 20 et 30°C.
Le matériau ayant une conductivité thermique inférieure ou égale à 0,5 W/(m*K) peut se présenter sous la forme d'une gaine, d'un bloc, d'une mousse, d'un panneau ou d'un papier. Il peut occuper la totalité de l'espace libre entre deux éléments électrochimiques adjacents ou la totalité de l'espace libre entre un élément électrochimique et une paroi latérale d'un coffre destiné à loger les éléments de la batterie. Ledit matériau peut se présenter sous la forme d'une gaine dont l'épaisseur peut représenter moins de 5% ou moins de 1% du diamètre du conteneur d'un élément électrochimique de format cylindrique. Il peut se présenter sous la forme d'une gaine dont l'épaisseur peut représenter moins de 5% ou moins de 1% de la largeur ou de l'épaisseur du conteneur d'un élément électrochimique de format parallélépipédique (prismatique). Il peut se présenter sous la forme d'un bloc céramique. Il peut se présenter sous la forme d'une gaine à base de céramique au contact d'une partie ou de la totalité de la paroi latérale d'un élément électrochimique .
La gaine à base de céramique recouvre la surface libre de la paroi latérale du conteneur de chaque générateur sur une longueur représentant au moins 50% de la hauteur du conteneur, de préférence encore, au moins 75% de la hauteur du conteneur et de manière particulièrement préférée toute la hauteur du conteneur.
La gaine à base de céramique peut comprendre un oxyde métallique choisi parmi S1O2, AI2O3, ZrC>2, MgO, CaO et une combinaison de ceux-ci.
La gaine à base de céramique peut être entourée d'une mousse d'un matériau choisi parmi un époxy, un polyuréthane, une polyoléfine, du polystyrène, un polyester, une silicone.
De préférence, la mousse entourant la gaine à base de céramique est une mousse époxy. La mousse peut entourer partiellement ou totalement la gaine à base de céramique.
La mousse entourant ladite gaine à base de céramique, peut occuper la totalité de l'espace libre entre deux éléments électrochimiques adjacents eux-mêmes entourés par ladite gaine à base de céramique, ou la totalité de l'espace libre entre un élément électrochimique entouré de ladite gaine à base de céramique et une paroi d'un coffre destiné à loger les éléments de la batterie.
La gaine à base de céramique peut avoir une épaisseur allant de 0,5 à 50 mm, de préférence allant de 0,5 à 10mm.
Selon un mode de réalisation, lorsque la gaine à base de céramique est entourée par ladite mousse, alors la gaine à base de céramique a une épaisseur comprise entre 0,5 et 2mm, et la mousse a une épaisseur comprise entre 1 et 10mm.
De préférence, la gaine à base de céramique a une épaisseur allant de 0,5 à 1,5 mm, de préférence égale à environ 1mm ; et la mousse a une épaisseur allant de 1 à 5 mm, de préférence allant de 2 à 3mm.
La mousse entourant la gaine céramique peut comprendre un composé ignifugeant choisi dans le groupe comprenant le phosphate de trichloropropyle (TCPP), le phosphate de triéthyle (TEP), le phosphate de diéthyle éthyle (DEPP), un polyether polyol bromé, l'anhydride phtallique bromé, le polyphosphate d'ammonium, le phosphore rouge encapsulé, ou un mélange de ceux-ci.
La mousse entourant la gaine céramique peut comprendre des charges choisies dans le groupe comprenant l'aluminium trihydraté, le carbonate de calcium, le sulfate de baryum, les fibres de verre, les fibres de carbone, la mélamine, le noir de carbone, l'oxyde de silicium, ou un mélange de ceux-ci.
La densité de la mousse peut varier entre 5 et 800 kg/m3.
L'invention s'applique à tous types de générateurs électrochimiques mais elle s'applique plus particulièrement aux éléments électrochimiques choisis dans le groupe consistant en : des éléments de type lithium-ion, des éléments de type sodium-ion et des éléments de type lithium-soufre.
Lesdits aux moins deux éléments électrochimiques peuvent être de format cylindrique, prismatique ou de type pochette « pouch cell ».
Un ou deux dispositif(s) de déconnexion peuvent être utilisés par pièce de connexion.
De préférence, deux dispositifs de déconnexion sont utilisés par pièce de connexion.
Dans le cas où un seul dispositif de déconnexion est utilisé par pièce de connexion, le dispositif de déconnexion est placé au contact de la borne de sortie de courant présentant la plus forte conductivité thermique. Par exemple, dans le cas d'un élément lithium-ion qui présente généralement une borne négative en cuivre et une borne positive en aluminium, le dispositif de déconnexion sera placé au contact de la borne en cuivre.
L'invention sera mieux comprise en faisant référence aux figures 1 et 2 qui montrent une vue en coupe d'un dispositif de déconnexion selon l'invention respectivement lorsque ledit dispositif est inactivé (figure 1) ou activé (figure 2).
Le dispositif de déconnexion selon la figure 1 est destiné à permettre de déconnecter au moins deux éléments électrochimiques (d) reliés entre eux par une pièce de connexion (c). Le dispositif de la figure 1 comprend un élément thermo-activable (a) apte à se déformer lorsque sa température atteint une valeur seuil et un élément de maintien (b) permettant de maintenir en contact la pièce de connexion (c) avec au moins un des deux éléments électrochimiques (d) lorsque la température n'atteint pas la valeur seuil. La valeur seuil est prédéterminée par un utilisateur. Elle peut être de 80°C, de 150°C, de 200°C, de 300°C, de 400°C ou de tout autre valeur.
Lorsque la température de l'élément thermo-activable (a) atteint la valeur seuil, celui-ci va se déformer de sorte à déconnecter la pièce de connexion (c) d'au moins un des deux éléments électrochimiques (d). Sous l'action de la chaleur, l'élément thermo-activable (a) se courbe vers le haut et entraîne le soulèvement de la pièce de connexion (c). Ce soulèvement déconnecte la pièce de connexion d'au moins un des deux éléments électrochimiques (d).
Une fois que la température diminue et atteint une valeur inférieure à la valeur seuil, l'éléments thermo-activable (a) retrouve sa position initiale lorsque sa déformation est de type réversible. Lorsque l'élément thermo-activable (a) retourne à sa position initiale, la connexion entre les deux éléments électrochimiques (d) est rétablie grâce à la remise en contact de la pièce de connexion (c) avec au moins un des deux éléments électrochimiques (d).
EXEMPLES
Des simulations ont été réalisées afin de montrer l'effet du dispositif de l'invention sur la propagation de la chaleur. Dans les exemples ci-dessous la disposition des éléments électrochimiques est telle que représentée à la figure 4. Dans cette figure on considère que l'élément central est en emballement thermique et on suit l'évolution de la température des éléments 1 à 6 qui l'entourent. Toutefois, pour une bonne interprétation des résultats ci- dessous il est important de prendre également en compte la figure 3 qui montre que les éléments qui sont disposés horizontalement côte à côte sont plus éloignés les uns des autres par rapport aux éléments disposés en diagonale (voir figure 3 où a=6mm et b=2mm). Ceci s'explique par une épaisseur différente de la mousse qui entoure les éléments.
Ainsi, la figure 4 doit s'interpréter à la lumière de la figure 3. Par conséquent, les éléments 3 et 4 sont plus éloignés de l'élément central que les éléments 1 et 2 ou 5 et 6.
Il est également important de noter que les simulations ci-dessous ont été réalisées dans les conditions suivantes : - Les éléments 5 et 6 sont disposés à proximité d'un système de refroidissement ;
La borne négative en cuivre de l'élément central est reliée à la borne positive de l'élément 3 via une pièce de connexion, tandis que la borne positive en aluminium de l'élément central est reliée à la borne négative de l'élément 4 via une autre pièce de connexion. Deux dispositifs de déconnexion sont placés au contact de chacune de ces pièces de connexion ;
Les bornes négatives en cuivre ont une conductivité thermique supérieure à celle des bornes positives en aluminium.
Différents modèles ont été testés :
1er modèle : les éléments électrochimiques sont tous recouverts uniquement d'une mousse standard de type époxy « mousse » ; - 2ème modèle : les éléments électrochimiques sont recouverts d'une gaine à base de céramique elle- même entourée d'une mousse époxy « gaine + mousse » ;
- 3ème modèle : deux dispositifs selon l'invention sont placés comme mentionné ci-dessus, dans le 2ème modèle ; « gaine + mousse + dispositif ».
Les résultats de simulation sont présentés à la figure 5. Il est important de noter que lorsqu'il n'y a pas de barre d'histogramme pour un élément donné dans un modèle donné, cela signifie que dans ce modèle, l'élément en question n'a pas atteint la température de 95°C.
- Dans le cas du 1er modèle (mousse standard), on observe que les éléments 1,2, 5 et 6 atteignent la température de 95 °C et sont donc en emballement thermique. Seuls les éléments 3 et 4 n'atteignent pas la température de 95°C bien que connectés directement à l'élément central, ceci est dû au fait que les éléments 3 et 4 sont plus éloignés de celui-ci que les éléments 1, 2, 5 et 6(cf. figure
3).
- Dans le cas du 2ème modèle (gaine + mousse), on observe que les éléments 1,3 et 4 atteignent la température de 95 °C et sont donc en emballement thermique.
La forte isolation thermique induite par la gaine à base de céramique a pour conséquence que la chaleur va se propager préférentiellement par les pièces de connexion ce qui explique que les éléments 3 et 4 qui sont directement reliés à l'élément central par des pièces de connexion, atteignent cette température. L'élément 1 quant à lui, est en emballement thermique en raison de sa proximité avec la borne négative en cuivre de l'élément central qui présente une conductivité thermique supérieure à celle d'une borne en aluminium, c'est pourquoi on n'observe pas le même échauffement pour l'élément 2 qui est à proximité de la borne positive de l'élément central.
Dans le cas du 3ème modèle (gaine + mousse + dispositif), seuls les éléments 1 et 3 atteignent la température de 95 °C et sont donc en emballement thermique. Les éléments 2, 4, 5 et 6 n'atteignent pas la température de 95°C. Ainsi, le dispositif combiné à la gaine a permis d'éviter la propagation de l'emballement thermique à l'élément 4 qui est directement relié à l'élément central en emballement thermique.
Le tableau ci-dessous résume le nombre d'éléments en emballement thermique pour chacun des modèles présentés ci-dessus.
[Table 1]
Par conséquent, la batterie selon l'invention permet d'éviter la propagation de l'emballement thermique aux éléments reliés à un élément défaillant via des pièces de connexion, mais également de réduire le nombre total d'éléments en emballement thermique.
5
#

Claims

REVENDICATIONS
1.Batterie comprenant :
-i) au moins deux éléments électrochimiques (d) connectés entre eux par une pièce de connexion (c), chaque élément électrochimique comprenant un conteneur, ledit conteneur comportant :
-a) une ouverture pour l'introduction d'un faisceau électrochimique, -b) un fond,
-Y ) une paroi latérale,
-d) au moins deux bornes de sortie de courant ;
-ii) un matériau ayant une conductivité thermique inférieure ou égale à 0,5 W/(m*K) disposé entre lesdits au moins deux éléments électrochimiques, et
-iii) au moins un dispositif de déconnexion destiné à déconnecter lesdits au moins deux éléments électrochimiques connectés entre eux par la pièce de connexion, ledit dispositif comprenant : un élément thermo-activable (a)apte à se déformer lorsque sa température atteint une valeur seuil, l'élément thermo-activable étant disposé en sorte que, lorsque sa température atteint ladite valeur seuil, il déconnecte par sa déformation la pièce de connexion (c) d'au moins un élément électrochimique
(d), ledit élément thermo-activable ne participant pas à la conduction du courant électrique lorsque lesdits éléments électrochimiques sont traversés par un courant électrique, ledit élément thermo- activable étant placé au contact de la pièce de connexion (c) et d'une borne de sortie de courant.
2.Batterie selon la revendication 1, dans laquelle ledit dispositif de déconnexion comprend en outre au moins un élément de maintien (b), ledit élément de maintien pouvant occuper une première position et une seconde position.
3.Batterie selon la revendication 2, dans laquelle lorsque la température de l'élément thermo-activable (a) est inférieure à la valeur seuil, l'élément de maintien (b) occupe la première position, dans laquelle la pièce de connexion (c) est maintenue en contact dudit au moins un élément électrochimique (d)par l'élément de maintien (b).
4.Batterie selon la revendication 2, dans laquelle lorsque la température de l'élément thermo-activable (a)est supérieure à la valeur seuil, l'élément de maintien (b) occupe la seconde position, dans laquelle la pièce de connexion (c) n'est pas en contact dudit au moins un élément électrochimique (d).
5.Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la déformation de l'élément thermo-activable (a) déconnecte directement la pièce de connexion (c) dudit au moins un élément électrochimique (d).
6.Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'élément thermo- activable (a)est apte à se déformer lorsque sa température atteint une valeur seuil supérieure ou égale à 80°C.
7.Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'élément thermo- activable (a)est choisi dans le groupe consistant en : un alliage à mémoire de forme, un bilame, un matériau intumescent, un polymère à mémoire de forme et un matériau thermosensible.
8.Batterie selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans laquelle l'élément de maintien (b) est un ressort taré ou une rondelle combinée à un ressort taré.
9.Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif de déconnexion n'agit pas par restriction de la section de passage du courant entre les deux éléments électrochimiques.
10. Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le matériau ayant une conductivité thermique inférieure ou égale à 0,5 W/(m*K) se présente sous la forme d'une gaine, d'un bloc, d'une mousse, d'un panneau ou d'un papier .
11. Batterie selon la revendication 10, dans laquelle ledit matériau ayant une conductivité thermique inférieure ou égale à 0,5 W/(m*K) se présente sous la forme d'une gaine à base de céramique au contact d'une partie ou de la totalité de la paroi latérale d'un élément électrochimique.
12. Batterie selon la revendication 11, dans laquelle ladite gaine à base de céramique est entourée d'une mousse d'un matériau choisi parmi un époxy, un polyuréthane, une polyoléfine, du polystyrène, un polyester, une silicone.
13. Batterie selon la revendication 10 ou 11, dans laquelle ladite gaine à base de céramique a une épaisseur allant de 0,5 à 50 mm, de préférence allant de 0,5 à 2mm.
14. Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle lesdits au moins deux éléments électrochimiques (d) sont des éléments électrochimiques choisis dans le groupe consistant en : des éléments de type lithium-ion, des éléments de type sodium-ion et des éléments de type lithium-soufre.
15. Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle lesdits aux moins deux éléments électrochimiques (d) sont de format cylindrique, prismatique ou de type pochette (pouch cell).
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