EP4078714A1 - Electrochemical cell with three-dimensional electrode structure - Google Patents

Electrochemical cell with three-dimensional electrode structure

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EP4078714A1
EP4078714A1 EP20824934.2A EP20824934A EP4078714A1 EP 4078714 A1 EP4078714 A1 EP 4078714A1 EP 20824934 A EP20824934 A EP 20824934A EP 4078714 A1 EP4078714 A1 EP 4078714A1
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EP
European Patent Office
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polarity
electrochemical cell
electrode
cell according
housing
Prior art date
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Pending
Application number
EP20824934.2A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Nicolas Besnard
Victor CHAUDOY
David Leray
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Ampere Sas
Original Assignee
Renault SAS
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Filing date
Publication date
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Abstract

The present invention relates to an electric electrochemical cell (10), characterized in that it comprises a casing (12) that comprises a vessel (14), the internal surface of which is at least partially covered by a layer (15) of copper so as to form a current collector for the negative electrode (60) and an upper cover (18), which houses a three-dimensional positive electrode (+) structure and which contains a solid electrolyte, and in that the three-dimensional positive electrode structure comprises a series of positive electrodes (50), each of which is a vertical bar (50).

Description

DESCRIPTION DESCRIPTION
TITRE : CELLULE ELECTROCHIMIQUE A STRUCTURE D’ELECTRODE TRIDIMENSIONNELLE TITLE: ELECTROCHEMICAL CELL WITH THREE-DIMENSIONAL ELECTRODE STRUCTURE
Domaine technique de l’invention Technical field of the invention
La présente invention concerne une cellule électrochimique à structure d’électrode tridimensionnelle. The present invention relates to an electrochemical cell having a three-dimensional electrode structure.
L’invention concerne notamment une cellule électrochimique à structure d’électrode tridimensionnelle et à électrolyte solide. The invention relates in particular to an electrochemical cell with a three-dimensional electrode structure and a solid electrolyte.
Arrière-plan technique Technical background
Les systèmes de batteries - aussi appelées batteries électriques et/ou accumulateurs - se décomposent en différents éléments ou sens-ensembles de différentes échelles tels que : matériaux ; électrodes ; cellules ; modules ; packs. Battery systems - also called electric batteries and / or accumulators - are broken down into different elements or sense-sets of different scales such as: materials; electrodes; cells; modules; packs.
Le passage d’une échelle à une autre entraîne des pertes de volume et de masse qui ont une conséquence directe sur la capacité massique de stockage d’énergie électrique d’un système - aussi appelée densité d’énergie du système - du fait de l’addition d’emballages, de composants de raccordement électrique, etc. The passage from one scale to another leads to losses of volume and mass which have a direct consequence on the mass capacity of storage of electrical energy of a system - also called energy density of the system - because of the '' addition of packaging, electrical connection components, etc.
La taille d’une cellule est limitée par son procédé d’assemblage, qui consiste en la superposition de couches d’électrodes et de séparateurs. Les électrodes sont fines et le nombre de couches reste limité car il est nécessaire de prendre notamment en compte et de résoudre les problèmes d’alignement. The size of a cell is limited by its assembly process, which consists of the superposition of layers of electrodes and separators. The electrodes are thin and the number of layers remains limited because it is necessary to take into account and solve the alignment problems in particular.
En effet, plus le nombre de couches augmente, plus les risques de perte d’alignement augmentent, ce qui limite les dimensions (épaisseur, longueur, largeur) des cellules. In fact, the more the number of layers increases, the more the risks of loss of alignment increase, which limits the dimensions (thickness, length, width) of the cells.
Le problème technique à résoudre est de pouvoir augmenter le volume des cellules, qui est tributaire des procédés de mise en forme et d’assemblage des cellules conventionnelles. L’augmentation du volume des cellules permet d’augmenter le taux de remplissage des packs, en supprimant une partie des matériaux non actifs et de réduire le nombre de cellules. The technical problem to be solved is to be able to increase the volume of the cells, which is dependent on the shaping and assembly processes. conventional cells. The increase in the volume of the cells makes it possible to increase the filling rate of the packs, by removing some of the non-active materials and reducing the number of cells.
Il a déjà été proposé dans le document EP-A1 -3.157.090 une cellule à structure tridimensionnelle d’électrodes imbriquées et intercalées. It has already been proposed in document EP-A1 -3.157.090 a cell with a three-dimensional structure of nested and intercalated electrodes.
Une telle conception permet d’imbriquer simultanément plusieurs électrodes négatives et positives en une seule étape. Cependant, les électrodes sont planes et sont obtenues par des techniques classiques d’enduction. L’échelle de taille d’électrodes reste faible, ce qui provoque des risques de défauts lors de l’alignement des électrodes. Such a design allows multiple negative and positive electrodes to be simultaneously nested in a single step. However, the electrodes are flat and are obtained by conventional coating techniques. The electrode size scale remains small, which causes the possibility of faults in the alignment of the electrodes.
De plus, le dimensionnement précis des électrodes est critique car, lors de l’insertion, les électrodes doivent combler précisément le vide disponible, au risque de provoquer des faux contacts. L’homogénéité en épaisseur des électrodes est critique et difficile à garantir. In addition, the precise sizing of the electrodes is critical because, during insertion, the electrodes must precisely fill the available vacuum, at the risk of causing false contacts. The thickness homogeneity of the electrodes is critical and difficult to guarantee.
L’invention vise à proposer une nouvelle conception d’une cellule électrochimique à structure tridimensionnelle d’électrode(s) qui remédie aux inconvénients mentionnés précédemment. The invention aims to provide a new design of an electrochemical cell with a three-dimensional structure of electrode (s) which overcomes the aforementioned drawbacks.
Résumé de l’invention Summary of the invention
L’invention propose une cellule électrochimique, caractérisée en ce qu’elle comprend un boîtier qui : The invention provides an electrochemical cell, characterized in that it comprises a housing which:
- comporte un premier élément inférieur en forme de cuve dont la surface interne est recouverte au moins partiellement d’une couche de matériau conducteur pour constituer le collecteur de courant de la première électrode d'une première polarité ; - Has a first lower element in the form of a tank, the internal surface of which is at least partially covered with a layer of conductive material to constitute the current collector of the first electrode of a first polarity;
- comporte un deuxième élément supérieur en forme de couvercle de fermeture de la cuve ; - Has a second upper element in the form of a cover for closing the tank;
- loge une structure tridimensionnelle d’électrode d’une première polarité électrique ; - houses a three-dimensional electrode structure of a first electrical polarity;
- loge une structure tridimensionnelle d’électrode d’une seconde polarité électrique opposée à la première polarité électrique et imbriquée dans la structure tridimensionnelle d’électrode d’une première polarité ; - et contient un électrolyte en tant que milieu conducteur ionique, et en ce que la structure tridimensionnelle d’électrode de seconde polarité comporte une série d’électrodes de seconde polarité dont chacune est un corps allongé d’orientation verticale. - Houses a three-dimensional electrode structure of a second electrical polarity opposite to the first electrical polarity and nested in the three-dimensional electrode structure of a first polarity; - and contains an electrolyte as an ionic conductive medium, and in that the three-dimensional electrode structure of second polarity comprises a series of electrodes of second polarity each of which is an elongated body of vertical orientation.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention : According to other characteristics of the invention:
- les électrodes de seconde polarité sont réparties à l’intérieur du boîtier selon un motif régulier ; - the electrodes of the second polarity are distributed inside the housing in a regular pattern;
- la cuve loge une série d’éléments conducteurs de première polarité qui sont reliés électriquement à ladite couche de matériau conducteur et dont chacun est élément allongé d’orientation verticale ; - the vessel houses a series of conductive elements of first polarity which are electrically connected to said layer of conductive material and each of which is an elongate element of vertical orientation;
- les éléments conducteurs de première polarité sont répartis à l’intérieur du boîtier selon un motif régulier ; - The conductive elements of the first polarity are distributed inside the housing in a regular pattern;
- les éléments conducteurs de première polarité sont répartis de manière équidistante entre les électrodes de seconde polarité ; - The conductive elements of first polarity are distributed equidistantly between the electrodes of second polarity;
- chaque électrode de seconde polarité est un barreau vertical qui comporte un noyau central en matériau conducteur qui est recouvert d’une couche de matériau actif d’électrode de seconde polarité ; - each electrode of second polarity is a vertical bar which has a central core of conductive material which is covered with a layer of active material of electrode of second polarity;
- le tronçon d’extrémité supérieure de chaque noyau central en matériau conducteur s’étend verticalement à travers le couvercle de fermeture de la cuve, et tous les tronçons d’extrémité supérieure des noyaux centraux en matériau conducteur sont reliés électriquement entre eux par une plaque collectrice agencée au-dessus du couvercle ; - the upper end section of each central core made of conductive material extends vertically through the closing cover of the tank, and all the upper end sections of the central cores made of conductive material are electrically connected to each other by a plate collector arranged above the cover;
- l’électrode négative (électrode de première polarité) est coulée dans la cuve du boîtier ; - the negative electrode (electrode of first polarity) is cast in the tank of the housing;
- la couche de matériau actif de l’électrode de seconde polarité est recouverte d’une couche périphérique de l’électrolyte solide ; - the layer of active material of the electrode of the second polarity is covered with a peripheral layer of solid electrolyte;
- le tronçon d’extrémité inférieure de chaque électrode de seconde polarité est fixé dans un logement complémentaire isolé électriquement qui est formé dans la paroi inférieure de la cuve du boîtier ; - the lower end section of each electrode of second polarity is fixed in a complementary electrically insulated housing which is formed in the lower wall of the housing of the housing;
- la première polarité est négative et la seconde polarité est positive ; - the first polarity is negative and the second polarity is positive;
- la couche de matériau conducteur comme collecteur de courant de l’électrode de première polarité est une couche de cuivre ; - the layer of conductive material as the current collector of the electrode of the first polarity is a layer of copper;
- la couche de matériau conducteur pour constituer le collecteur de courant de l’électrode de seconde polarité est une couche d’aluminium ; - the layer of conductive material to constitute the current collector of the electrode of the second polarity is an aluminum layer;
- le matériau actif de chaque de seconde polarité est un matériau pouvant appartenir à la catégorie des NMC (LiNixMnyCoz02) ; - the active material of each of the second polarity is a material which can belong to the category of NMC (LiNixMnyCoz02);
- le matériau actif de chaque électrode de première polarité est un matériau pouvant appartenir à la catégorie des graphites ; the active material of each electrode of first polarity is a material which may belong to the category of graphites;
- l’électrolyte est un électrolyte polymère ou un électrolyte hybride/polymère céramique coulé ; - the electrolyte is a polymer electrolyte or a hybrid electrolyte / cast ceramic polymer;
- l’électrode positive contient un agent conducteur électronique pour assurer la percolation électronique. - the positive electrode contains an electronic conductor to ensure electronic percolation.
- l’électrode négative contient un agent conducteur électronique pour assurer la percolation électronique ; - the negative electrode contains an electronic conductor to ensure electronic percolation;
- la cellule électrochimique est caractérisée en que : - the electrochemical cell is characterized in that:
-- le mélange qui forme l’électrode de première polarité est un mélange à base de matériau actif, d’agent conducteur électrique et d’électrolyte solide sur les éléments conducteurs de première polarité recouverts d’un revêtement en cuivre ; - the mixture which forms the electrode of the first polarity is a mixture based on an active material, an electrically conductive agent and a solid electrolyte on the conductive elements of the first polarity covered with a copper coating;
-- un mélange qui forme l’électrode de seconde polarité est un mélange à base de matériau actif, d’agent conducteur électronique et d’électrolyte solide sur les noyaux centraux en matériau conducteur recouverts d’un revêtement en aluminium ; - a mixture which forms the electrode of the second polarity is a mixture of active material, electronic conductor and solid electrolyte on the central cores of conductive material covered with an aluminum coating;
-- un film isolant électrique entre les électrodes de première et de seconde polarité est de l’électrolyte solide ; - an electrically insulating film between the electrodes of the first and second polarity is solid electrolyte;
-- l’électrolyte solide est un électrolyte polymère ou un matériau hybride/polymère céramique - the solid electrolyte is a polymer electrolyte or a hybrid material / ceramic polymer
Brève description des figures Brief description of the figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : Other characteristics and advantages of the invention will become apparent on reading the detailed description which follows, for the understanding of which reference is made to the appended drawings in which:
[ F ig .1 ] — la figure 1 est une vue schématique en perspective d’un exemple de réalisation d’une cellule électrochimique selon l’invention ; [Fig.2] - la figure 2 est une vue partielle en perspective éclatée de certains des composants de la cellule électrochimique représentée à la figure 1 ; [F ig .1] - Figure 1 is a schematic perspective view of an exemplary embodiment of an electrochemical cell according to the invention; [Fig.2] - Figure 2 is a partial exploded perspective view of some of the components of the electrochemical cell shown in Figure 1;
[Fig.3] - la figure 3 est une vue partielle en perspective selon un plan de coupe horizontal de la cellule électrochimique représentée à la figure 1 ;[Fig.3] - Figure 3 is a partial perspective view along a horizontal sectional plane of the electrochemical cell shown in Figure 1;
[Fig.4] - la figure 4 est une vue partielle en coupe selon le plan de coupe vertical et longitudinal 4-4 de la figure 3 ; [Fig.4] - Figure 4 is a partial sectional view along the vertical and longitudinal section plane 4-4 of Figure 3;
[Fig.5] - la figure 5 est une est une vue partielle en coupe selon le plan de coupe vertical et longitudinal 5-5 de la figure 3 ; [Fig.5] - Figure 5 is a partial sectional view along the vertical and longitudinal sectional plane 5-5 of Figure 3;
[Fig.6] - la figure 6 est une vue partielle en coupe selon le plan de coupe vertical et longitudinal 6-6 de la figure 3 ; [Fig.6] - Figure 6 is a partial sectional view along the vertical and longitudinal sectional plane 6-6 of Figure 3;
[Fig.7] - la figure 7 est une vue en perspective qui représente une portion de la cuve du boîtier de la cellule électrochimique des figures 1 et 2 ; [Fig.7] - Figure 7 is a perspective view which shows a portion of the vessel of the housing of the electrochemical cell of Figures 1 and 2;
[Fig.8] - la figure 8 est une vue à plus grande échelle de la partie d’angle de la portion de la cuve représentée à la figure 7 ; [Fig.8] - Figure 8 is a view on a larger scale of the corner portion of the portion of the tank shown in Figure 7;
[Fig.9] - la figure 9 est une vue analogue à celle de la figure 8 qui représente une première étape de de fabrication en vue de la fixation dans le fond de la cuve de l’une des électrodes positives en forme de barreau ; [Fig.9] - Figure 9 is a view similar to that of Figure 8 which shows a first manufacturing step for the fixing in the bottom of the tank of one of the positive rod-shaped electrodes;
[Fig.10] - et la figure 10 est une vue analogue à celles des figures 8 et 9 qui représente l’électrode en position montée et fixée dans son logement formé dans le fond de la cuve. [Fig.10] - and Figure 10 is a view similar to those of Figures 8 and 9 which shows the electrode in the mounted position and fixed in its housing formed in the bottom of the tank.
Description détaillée de l'invention Detailed description of the invention
Pour la description de l'invention et la compréhension des revendications, on adoptera à titre non limitatif et sans référence limitative à la gravité terrestre les orientations verticale, longitudinale et transversale selon le repère V, L, T indiqué aux figures dont les axes longitudinal L et transversal T s’étendent dans un plan horizontal. For the description of the invention and the understanding of the claims, the vertical, longitudinal and transverse orientations will be adopted without limitation and without limiting reference to the earth's gravity according to the reference mark V, L, T indicated in the figures, the longitudinal axes of which L and transverse T extend in a horizontal plane.
Par convention, l’axe transversal est orienté de l’arrière vers l’avant et l’axe longitudinal est orienté de la gauche vers la droite. Dans la description qui va suivre, des éléments identiques, similaires ou analogues seront désignés par les mêmes chiffres de référence. By convention, the transverse axis is oriented from the rear to the front and the longitudinal axis is oriented from the left to the right. In the description which follows, identical, similar or analogous elements will be designated by the same reference numerals.
Sauf indication contraire, dans la description qui va suivre, les termes conducteur, conductrice, isolant, polarité, polarisé, etc. seront utilisés en référence aux lois de l’électricité. Unless otherwise indicated, in the description which follows, the terms conductor, conductor, insulator, polarity, polarized, etc. will be used with reference to the laws of electricity.
On a représenté aux figures 1 et 2 une cellule électrochim ique 10 qui, à titre non limitatif, est ici de forme générale parallélépipédique rectangle. There is shown in Figures 1 and 2 an electrochemical cell 10 which, without limitation, is here of generally rectangular parallelepiped shape.
La cellule électrochim ique 10 comporte ainsi un boîtier 12 parallélépipédique rectangle qui est essentiellement constitué d'une cuve inférieure 14 dont la face supérieure 16 est ouverte verticalement vers le haut, et d'un couvercle supérieur 18 de fermeture étanche de la cuve inférieure 14, ici avec interposition d'un joint annulaire d’étanchéité 20 de contour rectangulaire.The electrochemical cell 10 thus comprises a rectangular parallelepipedal housing 12 which essentially consists of a lower tank 14, the upper face 16 of which is open vertically upwards, and an upper cover 18 for sealing the lower tank 14, here with the interposition of an annular seal 20 of rectangular outline.
La cuve inférieure 14 comporte une paroi de fond horizontale 22, deux parois latérales verticales et transversales de gauche 24 et de droite 26, et deux parois latérales verticales et longitudinales avant 28 et arrière 30. The lower tank 14 has a horizontal bottom wall 22, two vertical and transverse side walls on the left 24 and on the right 26, and two vertical and longitudinal side walls, front 28 and rear 30.
Comme le couvercle supérieur 18, la cuve inférieure 14 est réalisée par en matériau synthétique isolant, notamment en matière plastique ou en matériau composite. Like the upper cover 18, the lower tank 14 is made of an insulating synthetic material, in particular of plastic or of a composite material.
A titre non limitatif, l'ensemble de la surface interne de la cuve inférieure 14, et notamment la face supérieure 23 de la paroi de fond 22, est recouverte d'une couche métallique conductrice 15, par exemple du cuivre, pour constituer le collecteur de courant de l'électrode négative de la cellule électrochim ique 10. Without limitation, the entire internal surface of the lower tank 14, and in particular the upper face 23 of the bottom wall 22, is covered with a conductive metal layer 15, for example copper, to constitute the collector. current of the negative electrode of the electrochem ical cell 10.
La couche de cuivre 15 est par exemple réalisée par dépôt en phase vapeur. The copper layer 15 is for example produced by vapor phase deposition.
Le couvercle supérieur 18 se présente sous la forme générale d'une plaque rectangulaire et sa face inférieure 17 n'est pas revêtue d'un matériau conducteur. Le couvercle supérieur 18 est ainsi un élément isolant. À titre complémentaire, la face inférieure 17 est revêtue d'une couche de matériau isolant électriquement. The upper cover 18 is in the general form of a rectangular plate and its lower face 17 is not coated with a conductive material. The upper cover 18 is thus an insulating element. In addition, the lower face 17 is coated with a layer of electrically insulating material.
Dans sa face supérieure 19, le couvercle supérieur 18 délimite un logement 32 de contour rectangulaire qui reçoit et loge une plaque ou feuille supérieure collectrice 34 de forme et d'épaisseur complémentaire qui est ici réalisée en aluminium. In its upper face 19, the upper cover 18 defines a housing 32 of rectangular outline which receives and houses an upper collecting plate or sheet 34 of complementary shape and thickness which is here made of aluminum.
Le couvercle supérieur 18 et le collecteur 34 sont percés d'une série de trous verticaux débouchant, 36 et 38 respectivement, qui sont répartis sur toute la surface horizontale disponible du collecteur 32 selon un motif régulier ici constitué par des alignements parallèles transversaux de lignes de trous alignés longitudinalement. The upper cover 18 and the manifold 34 are pierced with a series of vertical through holes, 36 and 38 respectively, which are distributed over the entire available horizontal surface of the manifold 32 in a regular pattern here formed by transverse parallel alignments of lines of holes aligned longitudinally.
Comme on peut le voir notamment à la figure 7, la paroi de fond horizontale 22 du boîtier inférieur 14 comporte une série de logements 40 qui s'étendent sur une profondeur réduite et dont chacun est délimité par une paroi latérale de forme globalement cylindrique 42 et par une paroi de fond plane horizontale 44. As can be seen in particular in Figure 7, the horizontal bottom wall 22 of the lower housing 14 comprises a series of housings 40 which extend over a reduced depth and each of which is delimited by a generally cylindrical side wall 42 and by a horizontal flat bottom wall 44.
Les parois 42, 44 de chaque logement 40 sont dépourvues de toute couche de revêtement de cuivre afin que chaque logement 40 soit un logement isolant. The walls 42, 44 of each housing 40 are devoid of any copper coating layer so that each housing 40 is an insulating housing.
Les logements 40 sont par exemple réalisés par moulage lors de la fabrication de la paroi de fond 22. Afin d'éviter qu'ils ne soient revêtus de cuivre lors du dépôt de la couche de cuivre sur le reste de la surface interne de la cuve inférieure 14, un masque de protection des logements 40 peut être utilisé lors de l'opération de dépôt de la couche de cuivre en phase vapeur. The housings 40 are for example made by molding during the manufacture of the bottom wall 22. In order to prevent them from being coated with copper during the deposition of the copper layer on the rest of the internal surface of the tank. lower 14, a housing protection mask 40 can be used during the operation of depositing the layer of copper in the vapor phase.
L'ensemble de la surface interne disponible de la paroi de fond 22 est munie d'une série de logements 40 qui sont agencés en quinconce selon un motif régulier sous forme d'alignements décalés longitudinaux et transversaux. The entire available internal surface of the bottom wall 22 is provided with a series of housings 40 which are staggered in a regular pattern in the form of offset longitudinal and transverse alignments.
La cuve inférieure 14 qui constitue l'électrode négative de la cellule électrochim ique 10 comporte une série d'éléments conducteurs 46 dont chacun est constitué ici d'une tige verticale qui s'étend depuis la paroi de fond 22 à laquelle elle est fixée. Comme on peut le voir à la figure 4, chaque tige 46 servant de collecteur de courant de l’électrode négative ne s'étend pas jusqu'à hauteur du couvercle supérieur 18 et il existe un jeu vertical entre l'extrém ité supérieure de chaque tige 46 servant de collecteur de courant de l’électrode négative et la portion en vis- à-vis de la face inférieure 17 du couvercle supérieur 18 Chaque tige 46 servant de collecteur de courant de l’électrode négative peut être réalisée en matériau isolant et être elle peut aussi revêtue d'une couche de cuivre qui peut être réalisée par dépôt en même temps que la couche de cuivre qui revêt la surface interne de la cuve inférieure 14. The lower tank 14 which constitutes the negative electrode of the electrochemical cell 10 comprises a series of elements conductors 46 each of which here consists of a vertical rod which extends from the bottom wall 22 to which it is fixed. As can be seen in Figure 4, each rod 46 serving as a current collector of the negative electrode does not extend to the height of the top cover 18 and there is a vertical clearance between the upper end of each rod 46 serving as a current collector of the negative electrode and the portion facing the underside 17 of the upper cover 18 Each rod 46 serving as a current collector of the negative electrode can be made of an insulating material and it can also be coated with a layer of copper which can be produced by deposition at the same time as the layer of copper which coats the internal surface of the lower tank 14.
Les tiges 46 servant de collecteur de courant de l’électrode négative en matériau conducteur ou revêtues d'un matériau conducteur tel que la couche de cuivre sont reliées électriquement au revêtement conducteur, ici en cuivre, de la surface interne de la cuve inférieure 14 pour constituer « des extensions » de l'électrode négative qui est à l'intérieur de la cuve inférieure 14. The rods 46 serving as a current collector of the negative electrode made of conductive material or coated with a conductive material such as the copper layer are electrically connected to the conductive coating, here copper, of the internal surface of the lower tank 14 for constitute "extensions" of the negative electrode which is inside the lower tank 14.
Les tiges 46 servant de collecteur de courant de l’électrode négative sont agencées sur toute la surface disponible de la face interne de la paroi de fond 22 et elles sont réparties selon un motif régulier, ici chacune entre trois logements 40 adjacents en triangle. The rods 46 serving as a current collector of the negative electrode are arranged over the entire available surface area of the internal face of the bottom wall 22 and they are distributed in a regular pattern, each here between three adjacent housings 40 in a triangle.
Comme on peut le voir notamment à la figure 7, chaque logement 40 est entouré directement par quatre tiges 46 agencées en carré ou bien, en fonction de la ligne longitudinale à laquelle appartient le logement 40, il est entouré de deux tiges 46 alignées transversalement, et ceci de manière équidistante par rapport aux logements 40. As can be seen in particular in FIG. 7, each housing 40 is surrounded directly by four rods 46 arranged in a square or else, depending on the longitudinal line to which the housing 40 belongs, it is surrounded by two rods 46 aligned transversely, and this equidistant from the housings 40.
D'autres motifs et agencements géométriques des logements 40, des tiges 46 servant de collecteur de courant de l’électrode négative et des trous verticaux 36 et 38 sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. Other geometric patterns and arrangements of the housings 40, of the rods 46 serving as the current collector of the electrode negative and vertical holes 36 and 38 are possible without departing from the scope of the invention.
Conformément aux enseignements de l'invention, la structure d'électrode positive est une structure tridimensionnelle qui est constituée d'une série d'électrodes dont chacune se présente sous la forme d'un barreau 50 d'orientation verticale. In accordance with the teachings of the invention, the positive electrode structure is a three-dimensional structure which consists of a series of electrodes each of which is in the form of a bar 50 of vertical orientation.
À titre non limitatif, chaque barreau 50 est ici un barreau cylindrique à section circulaire. In a non-limiting way, each bar 50 is here a cylindrical bar with a circular section.
Chaque barreau d'électrode positive 50 comporte un noyau ou cœur central 52 qui est ici une tige centrale verticale en aluminium dont le tronçon supérieur 54 s'étend verticalement au- delà de la face supérieure horizontale 49 du barreau cylindrique pour être reçu verticalement à travers les trous alignés 36 et 38 du couvercle supérieur 18 et de la plaque en aluminium 34 formant un collecteur pour l'ensemble des électrodes positives 50 de la structure tridimensionnelle d'électrode positive de la cellule électrochimique 10. Each positive electrode bar 50 comprises a central core or heart 52 which is here a vertical central aluminum rod whose upper section 54 extends vertically beyond the horizontal upper face 49 of the cylindrical bar to be received vertically through the aligned holes 36 and 38 of the top cover 18 and the aluminum plate 34 forming a collector for all of the positive electrodes 50 of the three-dimensional positive electrode structure of the electrochemical cell 10.
À titre de variante, chaque noyau central 52 peut être réalisé en matériau isolant revêtu extérieurement d'une couche d'aluminium. Chaque noyau central 52 relié à la plaque 34 faisant fonction de collecteur de courant. As a variant, each central core 52 can be made of an insulating material coated on the outside with a layer of aluminum. Each central core 52 connected to the plate 34 acting as a current collector.
Le diamètre de chaque noyau central 52 est par exemple égal à environ deux millimètres et il est revêtu extérieurement d'une couche 56 qui est un mélange de matériau d'électrode positive et d’électrolyte solide et qui est réalisée par trempage. The diameter of each central core 52 is for example equal to about two millimeters and it is coated on the outside with a layer 56 which is a mixture of positive electrode material and solid electrolyte and which is produced by dipping.
Le matériau d'électrode positive et par exemple un matériau appartenant à la catégorie dite des «NMC » dont la définition générale de la composition est (LiNixMnyCoz02), dans laquelle x, y et z correspondent aux proportions stœchiométriques des différents composants. The positive electrode material and for example a material belonging to the so-called “NMC” category of which the general definition of the composition is (LiNixMnyCoz02), in which x, y and z correspond to the stoichiometric proportions of the various components.
L'épaisseur radiale de la couche tubulaire de matériau d'électrode positive 56 et par exemple égale à quatre millimètres. À titre d'exemple, la hauteur de chaque barreau 50 d'électrode positive, qui est délim itée par ses faces horizontales opposées supérieure 49 et inférieure 51 , et par exemple égal à deux cents millimètres. The radial thickness of the tubular layer of positive electrode material 56 is for example equal to four millimeters. By way of example, the height of each positive electrode bar 50, which is delimited by its upper 49 and lower 51 opposite horizontal faces, and for example equal to two hundred millimeters.
A titre non limitatif, la couche de matériau d'électrode positive 56 est revêtue extérieurement d'une couche complémentaire mince de revêtement d’électrolyte solide qui est de préférence le même que l'électrolyte solide de la cellule électrochimique 10 dont la composition et la réalisation seront décrites par la suite. Without limitation, the layer of positive electrode material 56 is coated on the outside with a thin complementary layer of solid electrolyte coating which is preferably the same as the solid electrolyte of the electrochemical cell 10, the composition and size of which. implementation will be described below.
La couche périphérique de revêtement électrolyte solide qui est formée sur chaque barreau 50 d'électrode positive est par exemple réalisée par trempage du barreau constitué de son noyau central 52 et de sa couche de matériau d'électrode positive 56, constitué du matériau actif et de l’électrolyte qui a préalablement été chauffé et fondu pour être ensuite trempé dans l'électrolyte, lui aussi préalablement chauffé et fondu. The peripheral layer of solid electrolyte coating which is formed on each positive electrode bar 50 is for example produced by dipping the bar consisting of its central core 52 and of its layer of positive electrode material 56, consisting of the active material and of the electrolyte which has previously been heated and melted and then soaked in the electrolyte, also previously heated and melted.
Une fois refroidi, le film de revêtement électrolyte solide est formé sur toute la surface périphérique externe du barreau 50 d'électrode positive. Ce film joue le rôle de séparateur, en isolant électriquement les électrodes positives et négatives. Son épaisseur est variable en fonction de la viscosité du mélange choisi contenant l'électrolyte sous forme polymère. Once cooled, the solid electrolyte coating film is formed over the entire outer peripheral surface of the positive electrode bar 50. This film acts as a separator, electrically insulating the positive and negative electrodes. Its thickness is variable depending on the viscosity of the chosen mixture containing the electrolyte in polymer form.
L'épaisseur est par exemple de l'ordre de vingt microns pour assurer une bonne tenue mécanique ainsi qu'une isolation électrique suffisante entre les électrodes positives 50 et négatives 60. The thickness is for example of the order of twenty microns to ensure good mechanical strength as well as sufficient electrical insulation between the positive 50 and negative 60 electrodes.
Pour le montage et la fixation de chaque barreau d'électrode positive 50, le tronçon d'extrémité inférieure libre 58 de chaque barreau d’électrode positive 50 est reçu et est fixé dans un logement associé 40 de la paroi de fond 22 de la cuve inférieure 14. For mounting and fixing each positive electrode bar 50, the free lower end section 58 of each positive electrode bar 50 is received and is fixed in an associated housing 40 of the bottom wall 22 of the tank. lower 14.
La fixation est par exemple assurée par une opération de collage au moyen d'une goutte de colle isolante ou au moyen d'une goutte d'électrolyte polymère fondu 59 déposée dans le fond 44 du logement associé 40. Fixing is for example ensured by a gluing operation by means of a drop of insulating adhesive or by means of a drop molten polymer electrolyte 59 deposited in the bottom 44 of the associated housing 40.
Comme on peut le voir notamment à la figure 6, chaque barreau 50 d'électrode positive s'étend sensiblement sur toute la hauteur interne du boîtier 12 et sa face d'extrém ité supérieure 49 est adjacente à la face interne 17 du couvercle supérieur 18. As can be seen in particular in FIG. 6, each positive electrode bar 50 extends substantially over the entire internal height of the housing 12 and its upper end face 49 is adjacent to the internal face 17 of the upper cover 18. .
La cellule électrochim ique 10 comporte enfin un mélange d’électrode négative 60, comportant un électrolyte qui est ici un électrolyte solide et le matériau actif, par exemple du graphite. Le mélange 60 est coulé dans la cuve inférieure 14, notamment autour des barreaux 50 d'électrode positive et des tiges 46 servant de collecteur de courant de l'électrode négative. The electrochemical cell 10 finally comprises a mixture of negative electrode 60, comprising an electrolyte which is here a solid electrolyte and the active material, for example graphite. The mixture 60 is poured into the lower tank 14, in particular around the bars 50 of the positive electrode and the rods 46 serving as a current collector for the negative electrode.
Après avoir été coulé et refroidi, le mélange 60 est figé. Le mélange remplit entièrement l'espace disponible à l'intérieur de la cuve inférieure 14. After being poured and cooled, the mixture 60 is set. The mixture completely fills the space available inside the lower tank 14.
La cuve inférieure 14 est ensuite fermée de manière étanche par le couvercle supérieur 18 avec les tronçons supérieurs d'extrémité libre 54 des noyaux 52 des barreaux 50 d'électrode positive qui traversent le couvercle supérieur 18 et la plaque externe d'alum inium 34. The lower vessel 14 is then sealed by the upper cover 18 with the upper free end sections 54 of the cores 52 of the positive electrode bars 50 which pass through the upper cover 18 and the external aluminum plate 34.
L'ensemble de la plaque externe d'alum inium 34 et des tronçons supérieurs d'extrém ité libre 54 de raccordement des barreaux 50 d'électrode positive peuvent ensuite être protégés hermétiquement de l'environnement extérieur. The whole of the aluminum outer plate 34 and the upper free end sections 54 for connecting the positive electrode bars 50 can then be hermetically protected from the external environment.
Le raccordement électrique des électrodes positives avec un circuit électrique extérieur est réalisé au moyen d’un embout conducteur 70 de raccordement en aluminium qui est relié à la plaque 34 et qui est agencé en partie supérieure de la paroi latérale de droite 26. The electrical connection of the positive electrodes with an external electrical circuit is made by means of a conductive aluminum connection end piece 70 which is connected to the plate 34 and which is arranged in the upper part of the right side wall 26.
Le raccordement électrique de l’électrode négative avec un circuit électrique extérieur est réalisé au moyen d’un embout conducteur 72 de raccordement en cuivre qui est relié à la couche 15 de cuivre et qui est agencé en partie inférieure de la paroi latérale de droite 26. The electrical connection of the negative electrode with an external electrical circuit is made by means of a conductive end piece 72 of copper connection which is connected to the layer 15 of copper and which is arranged in the lower part of the right side wall 26.
Avantageusement, la conception selon l'invention permet de réaliser une cellule électrochim ique 10 « solide » qui est réalisée et mise en œuvre sans aucun solvant, ce qui a pour avantage d'éviter la formation de porosités. Advantageously, the design according to the invention makes it possible to produce a “solid” electrochemical cell 10 which is produced and used without any solvent, which has the advantage of avoiding the formation of porosities.
Les dimensions des électrodes positives 50 et du boîtier 12 d'électrode négative peuvent varier dans des plages importantes. En fonction de l'application et par exemple pour maxim iser la capacité d'énergie stockée par exemple en application à une batterie d’alimentation d'un véhicule automobile à moteur électrique de traction, on peut choisir un boîtier de plusieurs dizaines de centimètres de longueur avec des électrodes très épaisses de quelques m illimètres. The dimensions of the positive electrodes 50 and of the negative electrode housing 12 can vary within wide ranges. Depending on the application and for example to maximize the energy capacity stored, for example in application to a supply battery of a motor vehicle with an electric traction motor, it is possible to choose a box of several tens of centimeters of length with very thick electrodes of a few meters unlimited.
Pour un système de plus faible capacité et moins volum ineux, on peut réduire la taille du boîtier tout en conservant des électrodes de mêmes dimensions. For a system of smaller capacity and less bulk, the size of the housing can be reduced while maintaining electrodes of the same dimensions.
Si l'on souhaite disposer d'une grande puissance disponible, on peut réduire les épaisseurs des électrodes afin de réduire les temps de diffusion ionique dans l’électrolyte. If you want to have a lot of available power, you can reduce the thicknesses of the electrodes in order to reduce the ion diffusion times in the electrolyte.
Grâce à l'invention, tous les sous-ensembles d'électrodes négatives et positives sont montés en parallèle ce qui permet d'augmenter la densité énergétique du système de batterie. Thanks to the invention, all the negative and positive electrode subsets are connected in parallel, which makes it possible to increase the energy density of the battery system.
Les techniques proposées pour la réalisation de l'électrode tridimensionnelle négative constituée par la cuve inférieure 14 qui peut être réalisée par moulage, et de l'électrode positive tridimensionnelle permet de réaliser des épaisseurs d'électrode beaucoup plus importantes que celles obtenues selon les techniques actuelles classique par enduction en voie liquide qui sont au maximum d'une centaine de microns. The techniques proposed for the production of the negative three-dimensional electrode constituted by the lower tank 14 which can be produced by molding, and of the three-dimensional positive electrode makes it possible to produce electrode thicknesses much greater than those obtained according to current techniques. conventional by coating in liquid process which are at most a hundred microns.
Le fait de pouvoir compartimenter les électrodes sous la forme d’une cuve rigide contenant un électrolyte solide permet de réduire les risques de court-circuitss par rapport aux conceptions classiques faisant appel à un empilage d'électrodes plates. Being able to compartmentalize the electrodes in the form of a rigid tank containing a solid electrolyte makes it possible to reduce the risk of short circuits compared to conventional designs using a stack of flat electrodes.
De plus encore, la configuration électrique du système de cellule électrochimique selon l'invention est modulable dans le sens où il est possible de choisir la valeur de la tension. Furthermore, the electrical configuration of the electrochemical cell system according to the invention can be modulated in the sense that it is possible to choose the value of the voltage.

Claims

REVENDICATIONS
1. Cellule électrochimique (10), caractérisée en ce qu’elle comprend un boîtier (12) qui : 1. Electrochemical cell (10), characterized in that it comprises a housing (12) which:
- comporte un premier élément inférieur en forme de cuve (14) dont la surface interne est recouverte au moins partiellement d’une couche (15) de matériau conducteur pour constituer le collecteur de courant de la première électrode d'une première polarité (-) ; - comprises a first lower element in the form of a tank (14), the internal surface of which is at least partially covered with a layer (15) of conductive material to constitute the current collector of the first electrode of a first polarity (-) ;
- comporte un deuxième élément supérieur en forme de couvercle (18) de fermeture de la cuve (14) ; - Has a second upper element in the form of a cover (18) for closing the tank (14);
- loge une structure tridimensionnelle d’électrode d’une première polarité électrique ; - houses a three-dimensional electrode structure of a first electrical polarity;
- loge une structure tridimensionnelle d’électrode d’une seconde polarité électrique (+) opposée à la première polarité ; - houses a three-dimensional electrode structure with a second electrical polarity (+) opposite to the first polarity;
- et contient un électrolyte en tant que milieu conducteur ionique, et caractérisée en ce que la structure tridimensionnelle d’électrode de seconde polarité (+) comporte une série d’électrodes (50) de seconde polarité dont chacune est un corps allongé d’orientation verticale. - and contains an electrolyte as an ionic conductive medium, and characterized in that the three-dimensional electrode structure of second polarity (+) comprises a series of electrodes (50) of second polarity each of which is an elongated body of orientation vertical.
2. Cellule électrochimique selon la revendication 1 , caractérisée en ce que les électrodes (50) de seconde polarité sont réparties à l’intérieur du boîtier (12) selon un motif régulier. 2. An electrochemical cell according to claim 1, characterized in that the electrodes (50) of second polarity are distributed inside the housing (12) in a regular pattern.
3. Cellule électrochimique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la cuve (14) loge une série d’éléments conducteurs (46) de première polarité (-) qui sont reliés électriquement à ladite couche (15) de matériau conducteur et dont chacun est un élément de forme allongée d’orientation verticale. 3. Electrochemical cell according to any one of the preceding claims, characterized in that the tank (14) houses a series of conductive elements (46) of first polarity (-) which are electrically connected to said layer (15) of material. conductor and each of which is an elongated element of vertical orientation.
4. Cellule électrochimique selon la revendication 3, caractérisée en ce que les éléments conducteurs (46) de première polarité sont répartis à l’intérieur du boîtier (12) selon un motif régulier. 4. An electrochemical cell according to claim 3, characterized in that the conductive elements (46) of first polarity are distributed inside the housing (12) in a regular pattern.
5. Cellule électrochimique selon la revendication 3 prise en combinaison avec la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments conducteurs (46) de première polarité (-) sont répartis de manière équidistante entre les électrodes (50) de seconde polarité (+). 5. An electrochemical cell according to claim 3 taken in combination with claim 2, characterized in that the conductive elements (46) of first polarity (-) are distributed equidistantly between the electrodes (50) of second polarity (+).
6. Cellule électrochimique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque électrode (50) de seconde polarité est un barreau vertical qui comporte un noyau central (52) en matériau conducteur qui est recouvert d’une couche (56) d’électrolyte et de matériau actif d’électrode de seconde polarité. 6. Electrochemical cell according to any one of the preceding claims, characterized in that each electrode (50) of second polarity is a vertical bar which comprises a central core (52) of conductive material which is covered with a layer (56). electrolyte and electrode active material of second polarity.
7. Cellule électrochimique selon la revendication 6, caractérisée en ce que le tronçon d’extrémité supérieure de chaque noyau central (52,7. An electrochemical cell according to claim 6, characterized in that the upper end section of each central core (52,
54) en matériau conducteur s’étend verticalement à travers le couvercle (18) de fermeture de la cuve (14), et en ce que tous les tronçons d’extrémité supérieure (54) des noyaux centraux (52) en matériau conducteur sont reliés électriquement entre eux par une plaque collectrice (34) agencée au-dessus du couvercle (18). 54) of conductive material extends vertically through the cover (18) for closing the vessel (14), and in that all the upper end sections (54) of the central cores (52) of conductive material are connected electrically between them by a collector plate (34) arranged above the cover (18).
8. Cellule électrochimique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’un mélange servant à former l’électrode de première polarité (60) est un mélange à base d’électrolyte solide coulé dans la cuve (14) du boîtier (12). 8. Electrochemical cell according to any one of the preceding claims, characterized in that a mixture serving to form the electrode of first polarity (60) is a mixture based on solid electrolyte poured into the tank (14) of the housing. (12).
9. Cellule électrochimique selon la revendication 8 prise en combinaison avec la revendication 6, caractérisée en ce que la couche (56) de matériau actif de l’électrode (50) de seconde polarité est recouverte d’une couche périphérique dudit électrolyte solide. 9. An electrochemical cell according to claim 8 taken in combination with claim 6, characterized in that the layer (56) of active material of the electrode (50) of the second polarity is covered with a peripheral layer of said solid electrolyte.
10. Cellule électrochimique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en que le tronçon d’extrémité inférieure (58) de chaque électrode (50) de seconde polarité est fixé dans un logement complémentaire (40) isolé électriquement qui est formé dans la paroi inférieure de la cuve (14) du boîtier (12). 10. An electrochemical cell according to any one of the preceding claims, characterized in that the lower end section (58) of each electrode (50) of second polarity is fixed in a complementary electrically insulated housing (40) which is formed in the lower wall of the tank (14) of the housing (12).
11. Cellule électrochimique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en que la première polarité est négative et la seconde polarité est positive. 11. An electrochemical cell according to any one of the preceding claims, characterized in that the first polarity is negative and the second polarity is positive.
12. Cellule électrochimique selon la revendication 11 en combinaison avec les revendications 6 et 8, caractérisée en que : 12. An electrochemical cell according to claim 11 in combination with claims 6 and 8, characterized in that:
- le mélange (60) qui forme l’électrode de première polarité est un mélange à base de matériau actif, d’agent conducteur électrique et d’électrolyte solide sur les éléments conducteurs (46) de première polarité recouverts d’un revêtement en cuivre (15) ; - the mixture (60) which forms the electrode of first polarity is a mixture based on active material, electrically conductive agent and solid electrolyte on the conductive elements (46) of first polarity covered with a copper coating (15);
- un mélange (56) qui forme l’électrode de seconde polarité (50) est un mélange à base de matériau actif, d’agent conducteur électronique et d’électrolyte solide sur les noyaux centraux (52) en matériau conducteur recouverts d’un revêtement en aluminium ; - a mixture (56) which forms the electrode of second polarity (50) is a mixture based on active material, electronic conductive agent and solid electrolyte on the central cores (52) of conductive material covered with a aluminum coating;
- un film isolant électrique entre les électrodes de première et de seconde polarité est de l’électrolyte solide - an electrically insulating film between the first and second polarity electrodes is solid electrolyte
- l’électrolyte solide est un électrolyte polymère ou un matériau hybride/polymère céramique. - the solid electrolyte is a polymer electrolyte or a hybrid material / ceramic polymer.
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