EP4413630A2 - Procédé de fonctionnement d'une batterie au lithium - Google Patents

Procédé de fonctionnement d'une batterie au lithium

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Publication number
EP4413630A2
EP4413630A2 EP22801726.5A EP22801726A EP4413630A2 EP 4413630 A2 EP4413630 A2 EP 4413630A2 EP 22801726 A EP22801726 A EP 22801726A EP 4413630 A2 EP4413630 A2 EP 4413630A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lithium
temperature
solid
charging
positive electrode
Prior art date
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Pending
Application number
EP22801726.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Marc Deschamps
Vincent BODENEZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Blue Solutions SA
Original Assignee
Blue Solutions SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Blue Solutions SA filed Critical Blue Solutions SA
Publication of EP4413630A2 publication Critical patent/EP4413630A2/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H01M10/443—Methods for charging or discharging in response to temperature
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M10/052—Li-accumulators
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    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
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    • H01M10/0565—Polymeric materials, e.g. gel-type or solid-type
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    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • 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 present invention relates to the field of lithium batteries, more specifically to the field of lithium batteries with solid or quasi-solid electrolyte and in particular to the field of Lithium-Metal-Polymer (LMP) batteries in particular used for the production of electric vehicles and /or the storage of intermittent solar and/or wind energy.
  • LMP Lithium-Metal-Polymer
  • the invention relates more specifically to a method of operating a lithium battery in which the charging and discharging temperatures are modulated so as to obtain a battery with improved performance in terms of cycling resistance.
  • the Lithium Metal Polymer batteries currently on the market are “all-solid” batteries generally in the form of a thin film wound several times or several stacked thin films. This rolled up or stacked thin film has a thickness of the order of a hundred micrometers. It generally comprises at least four functional films: a negative electrode (anode) ensuring the supply of lithium ions during the discharge; a positive electrode (cathode) acting as a receptacle where the lithium ions are inserted; a solid polymer electrolyte conducting lithium ions and located between the positive electrode and the negative electrode; and a current collector connected to the positive electrode to provide electrical connection.
  • a negative electrode anode
  • a positive electrode cathode acting as a receptacle where the lithium ions are inserted
  • a solid polymer electrolyte conducting lithium ions and located between the positive electrode and the negative electrode and a current collector connected to the positive electrode to provide electrical connection.
  • the negative electrode is generally made of a sheet of metallic lithium or a lithium alloy
  • the solid polymer electrolyte is generally composed of a polymer based on poly(ethylene oxide) (POE) and at least one lithium salt
  • the positive electrode comprises an electrode active material, usually based on metal oxide (such as for example V2O5, U 3O8, LiCoOz, LiNiO2, LiMn2 ⁇ 4 or LiNio.5Mno.5O2) or based on UMPO4 type phosphate where M represents a metal cation selected from the group Fe, Mn, Co, Ni and Ti, and one of their combinations, and optionally carbon
  • the current collector is generally made of a sheet of metal.
  • the solid polymer electrolyte brings a great advantage in terms of safety since it avoids the use of potentially dangerous solvents in case of overheating. Such batteries can thus work at high temperatures without risk of explosion.
  • generally used solid polymer electrolytes such as high molecular weight POE doped with lithium salt, have low ionic conductivity at room temperature, so their operating temperature must be kept relatively high (typically between 70 and 100°C) .
  • the POE becomes a viscous liquid and loses its dimensional stability.
  • the main lines of research therefore aim to modify the solid polymer electrolyte to obtain improved mechanical properties and ionic conductivities maintained at lower temperatures.
  • Porcarelli et al. (Electrochimica Acta, 2017, 241, 526-534) describes polymer electrolytes of the polyurethane type obtained according to a process of polycondensation in several stages from isophorone diisocyanate, polyethylene glycol, and an anionic diol functionalized with a function ester and an imide anion of sulfonyl(trifluoromethylsulfonyl).
  • the latter is then functionalized with a crosslinkable function of the methacrylate type and then crosslinked by UV irradiation to form a film which is then impregnated with propylene carbonate to form an electrolyte.
  • gelled polymer (quasi-solid electrolyte).
  • the resistance to cycling of the gelled polymer electrolyte obtained is not entirely satisfactory insofar as a drop in capacity is observed beyond 10 cycles.
  • the object of the present invention is to overcome the drawbacks of the aforementioned prior art and to provide a lithium battery, and in particular a Lithium-Metal-Polymer (LMP) battery having good cycling stability (ie capable of operate over a large number of cycles). Indeed, the growing development of electric vehicles requires the availability of increasingly efficient batteries, in terms of cyclability.
  • the object of the invention is achieved by the method of operating a lithium battery which will be described below.
  • the inventors of the present application have in fact discovered, surprisingly, that it is possible to differentiate the charging temperature and the discharging temperature during the operation of a lithium battery in order to improve its resistance to cycling (also referred to as ci -after cyclability), while guaranteeing the use of a solid or quasi-solid electrolyte with good ionic conduction and mechanical properties.
  • the present invention thus has as its first object a method of operating a lithium battery chosen from lithium batteries with solid or quasi-solid electrolyte, said lithium battery comprising at least one positive electrode, at least one solid or quasi-solid electrolyte , and at least one negative electrode, said method being characterized in that it comprises at least the following steps: i) a step of charging the lithium battery at a charging temperature Te (in °C), and ii) a step of discharging the lithium battery at a discharging temperature TD (in °C), characterized in that the charging temperature Te (in °C) is strictly greater than the discharging temperature TD (in °C).
  • the charging temperature Tc (respectively the discharging temperature TD) is measured with a thermocouple of an oven, in particular sold under the trade name UNE500 by the company MEMMERT.
  • the charging temperature Te (respectively the discharging temperature TD) represents the temperature applied during operation of the battery during charging (respectively during discharging).
  • the lithium removed from the negative electrode in Li + ionic form migrates through the solid or quasi-solid electrolyte (eg ion-conductive polymer) and is inserted into the active material of the positive electrode.
  • the passage of each Li + ion in the internal circuit of the battery is exactly compensated by the passage of an electron in the external circuit, thus generating an electric current.
  • Steps i) and ii) of the method of the invention represent a charge-discharge process, also called cycling of the lithium battery.
  • the difference between the charging temperature Te during step i) and the discharging temperature TD during step ii) is at least approximately 5°C , particularly preferably at least about 7°C, and more particularly preferably at least about 10°C. Below a difference of 5°C, the resistance to cycling is not sufficient.
  • the difference between the charging temperature Te during step i) and the discharging temperature TD during step ii) is at most 50 approximately °C, particularly preferably at most approximately 40°C, more particularly preferably at most approximately 30°C, and even more particularly preferably at most approximately 20°C. Above a difference of 50°C, the method becomes more difficult to implement (heating of the battery during charging and cooling during discharging).
  • the difference between the charging temperature Te during step i) and the discharging temperature TD during step ii) (ie Te - TD) ranges from 20 to 35°, and more particularly preferably from 25 to 30°C approximately.
  • the charging temperature Te during step i) ranges from 0° C. to 100° C. approximately, preferably from 10° C. to 95° C. approximately, and in a particularly preferred manner from 20°C to 90°C approximately.
  • the discharge temperature TD during step ii) can range from -10° C. to 90° C. approximately, preferably from 0° C. to 85° C. approximately, and in a particularly preferred manner from 10° C. to 80° C. approximately.
  • the charging temperatures Te and discharging temperatures TD can be within ranges of equivalent values, with the condition that the charging temperature Te is strictly greater than the discharging temperature TD.
  • the method of operating a lithium battery in accordance with the invention can be applied to any type of lithium battery chosen from LMP batteries, and this regardless of the nature of the active material entering into the composition of the positive electrode. and/or whatever the nature of the solid or quasi-solid electrolyte.
  • the “solid or quasi-solid” electrolyte is in a solid form or in a gel form, at room temperature (i.e. 18-25° C.) and preferably in a solid form.
  • the reduction in the operating temperature of the battery between the charging step i) and the discharging step ii) has no influence on the charging potential Uc during the charging stage i) and the discharge potential UD during the discharging stage ii) (i.e. no variation in potential from Uc to UD linked to the variation in temperature from Te to TD is observed).
  • Step i) can be performed by heating the battery to the charging temperature Te and maintaining this temperature Te, preferably until a state of charge of approximately 95% is obtained.
  • the temperature Te is preferably constant during step i).
  • the heating of step i) can be carried out using at least one of the following heating means: use of hot forced air, use of a liquid heating circuit, or one or more plates heating, and preferably use of one or more heating plates.
  • Step ii) can be performed by cooling the battery to the discharge temperature TD.
  • the temperature TD is preferably variable during step ii). It can for example decrease from a temperature Tomax to a temperature Tomin, it being understood that the charging temperature Te (in °C) is strictly greater than T Dmax and T D min (in °C).
  • the cooling can be carried out by stopping the heating implemented at the end of step i) (i.e. after obtaining a state of charge of approximately 95%) or by forced cooling, and preferably by stopping the heating means implemented at the end of step i).
  • Cooling is generally done at low current (period commonly referred to as the "floating period").
  • the forced cooling can be carried out using at least one of the following cooling means: use of cold pulsed air, or use of a cooling liquid circuit.
  • the method may further comprise the repetition of steps i) and ii) (i.e. carrying out several charge-discharge cycles).
  • the method may further comprise before step i) a step io) of discharging the lithium battery at a discharge temperature TD (in °C), the charging temperature Te (in °C) of step i ) is strictly greater than the discharge temperature TD (in °C) of step io).
  • This embodiment is used when the battery is initially charged.
  • the charging temperatures Ten during the charging steps can be identical or different, and preferably identical.
  • the solid or quasi-solid electrolyte of the battery implemented in the method of the invention preferably comprises one or more polymer materials.
  • the polymer material (or the polymer materials when there are several of them) of the solid or quasi-solid electrolyte preferably represent(s) at least 30% by mass approximately, and in a particularly preferred manner at least 40% by mass approximately , relative to the total mass of the solid or quasi-solid electrolyte.
  • the solid or quasi-solid electrolyte can be a polymer electrolyte comprising:
  • the polymer material based on poly(ethylene oxide) (POE) can be chosen from a polystyrene-poly(ethylene oxide) (PS-b-POE) block copolymer, a polystyrene-poly(ethylene oxide) block copolymer ethylene)-polystyrene (PS-b-POE-b-PS), a poly(ethylene oxide-stat-propylene oxide) random copolymer (i.e. POE-stat-PPO), a poly(ethylene oxide-stat-PPO) random copolymer (i.e. POE-stat-PBO), a poly(ethylene oxide), and a mixture thereof.
  • PS-b-POE polystyrene-poly(ethylene oxide) block copolymer
  • PS-b-POE-b-PS poly(ethylene oxide-stat-propylene oxide) random copolymer
  • POE-stat-PPO poly(ethylene oxide-stat-PPO) random copolymer
  • the lithium salt used in association with the polymer material based on poly(ethylene oxide) can be chosen from lithium fluorate (LiFOs), lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI), lithium hexafluorophosphate (LiPFe), lithium fluoroborate (UBF4), lithium metaborate (UBO2), lithium perchlorate (UCIO4), lithium nitrate (UNO3), lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI), bis (pentafluoroethylsulfonyl) lithium imide (LiBETI), LiAsFe, UCF3SO3, LiSbFe, LiSbCle, LizTiCle, LizSeCle, U2B10CI10, U2B12CI12, lithium bis(oxalato)borate (LiBOB), and a mixture thereof.
  • LiFOs lithium fluorate
  • LiTFSI lithium bis(trifluo
  • the lithium salt preferably represents from 5 to 30% by weight, and even more preferably from 10 to 25% by weight, relative to the total weight of the polymer electrolyte.
  • Said polymeric material based on poly(ethylene oxide) (POE) can be combined with a reinforcing agent. This thus makes it possible to modulate the mechanical properties of the polymer material.
  • Said reinforcing agent is preferably chosen from cellulose nanofibrils, ceramic nanoparticles such as nanoparticles of titanium oxide, aluminum oxide or silicon oxide, and fluorinated polymers and copolymers such as polyfluoride vinylidene (PVdF) or vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-co-HFP).
  • PVdF polyfluoride vinylidene
  • PVdF-co-HFP vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer
  • the anionic polymer substituted by an anion of a lithium salt may be a block copolymer comprising at least a first block based on poly(ethylene oxide) and at least a second block based on an anionic polymer capable of be prepared from one or more monomers substituted with the anion of a lithium salt, such as sulfonyl (trifluoromethylsulfonyl) imide (TFSILi).
  • TFSILi sulfonyl (trifluoromethylsulfonyl) imide
  • the block copolymer comprising at least a first block based on poly(ethylene oxide) and at least a second block based on an anionic polymer capable of being prepared from one or more monomers substituted by the anion of a lithium salt already includes anionic functions (anion of a lithium salt directly grafted into the structure of the polymer material).
  • the polymer electrolyte then preferably does not comprise any additional lithium salt(s).
  • the monomer or monomers are preferably chosen from vinyl monomers and derivatives.
  • the polymer electrolyte may further comprise at least one non-aqueous plasticizer or solvent. This thus makes it possible to form a gelled polymer electrolyte.
  • the solvent or plasticizer can be chosen from linear and cyclic carbonates such as propylene carbonate, ethylene carbonate or dimethyl carbonate; fluorinated carbonates such as fluoroethylene carbonate; nitriles such as succinonitrile; lactones such as ⁇ -butyrolactone; liquid linear or cyclic polyethers; fluorinated polyethers; sulfur solvents such as sulfolane and dimethyl sulfoxide; and a mixture thereof.
  • linear and cyclic carbonates such as propylene carbonate, ethylene carbonate or dimethyl carbonate
  • fluorinated carbonates such as fluoroethylene carbonate
  • nitriles such as succinonitrile
  • lactones such as ⁇ -butyrolactone
  • liquid linear or cyclic polyethers fluorinated polyethers
  • sulfur solvents such as sulfolane and dimethyl sulfoxide
  • dimethyl ether polyethylene glycol dimethyl ether (or PEGDME) such as tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), dioxolane, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC ), dimethylcarbonate (DMC), diethylcarbonate (DEC), methyl-isopropyl carbonate (MiPC), ethyl acetate, ethyl butyrate (EB), or a mixture thereof.
  • PEGDME polyethylene glycol dimethyl ether
  • TEGDME tetraethylene glycol dimethyl ether
  • EC ethylene carbonate
  • PC propylene carbonate
  • DMC dimethylcarbonate
  • DEC diethylcarbonate
  • MiPC methyl-isopropyl carbonate
  • EB ethyl butyrate
  • the solvent or plasticizer represents from 10% to 70% by mass approximately, even more preferably from 20% to 60% by mass approximately, relative to the total mass of the polymer electrolyte.
  • the solid or quasi-solid electrolyte, the positive electrode, and the negative electrode are preferably in the form of films.
  • the thickness of the films which constitute the various elements of the battery is generally of the order of 1 to a hundred micrometers.
  • the solid or quasi-solid electrolyte film has a thickness of 1 to 50 ⁇ m, and preferably 2 to 20 ⁇ m.
  • the solid or quasi-solid electrolyte can be prepared by any technique known to those skilled in the art such as for example by coating, by extrusion or by pressing (cold or hot).
  • the positive electrode may include a positive electrode active material, optionally an electronic conductivity generating agent, and optionally a polymeric material.
  • the active material of the positive electrode is a reversible active material of lithium ions. In other words, it can reversibly insert or de-insert lithium ions.
  • a metal oxide such as for example a vanadium oxide Ox (2
  • the process of the invention is particularly suitable for LMP batteries, very particularly for LMP batteries in which the active material of the positive electrode is chosen from iron phosphate and its derivatives, in particular LiFePO4.
  • the agent generating electronic conductivity can be chosen from carbon blacks, carbon SP, acetylene blacks, fibers and nanofibers of carbon, carbon nanotubes, graphene, graphite, metallic particles and fibers of at least one conductive metal such as aluminium, platinum, iron, cobalt and nickel, and one of their mixtures .
  • the active material of the positive electrode can represent from 60 to 95% by mass approximately, and preferably from 70 to 90% by mass approximately, relative to the total mass of the positive electrode.
  • the agent generating an electronic conductivity can represent from 0.1 to 10% by mass approximately, and preferably from 0.3 to 5% by mass approximately, relative to the total mass of the positive electrode.
  • the polymer material may be a material chosen from ethylene homopolymers and copolymers; propylene homopolymers and copolymers; homopolymers and copolymers of ethylene oxide (e.g. POE, POE copolymer), of methylene oxide, of propylene oxide, of epichlorohydrin, of allylglycidyl ether, and mixtures thereof; halogenated polymers such as homopolymers and copolymers of vinyl chloride, vinylidene fluoride (PVdF), vinylidene chloride, ethylene tetrafluoride, or chlorotrifluoroethylene, copolymers of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene (PVdF- co-HFP) or mixtures thereof; electronic non-conductive polymers of anionic type such as poly(styrene sulfonate), poly(acrylic acid), poly(glutamate), alginate, pectin, gelatin or mixtures thereof
  • anionic polymers substituted by an anion of a lithium salt are as defined in the invention.
  • the polymer material may in particular be a polymer material based on poly(ethylene oxide) (POE) or an anionic polymer substituted by an anion of a lithium salt.
  • the polymer material may represent from 1 to 20% by mass approximately, and preferably from 5 to 15% by mass approximately, relative to the total mass of the positive electrode.
  • the active material of the positive electrode is coated with a layer of carbon.
  • the presence of the carbon layer makes it possible to improve the interface: active material-polymer material.
  • the carbon coating the active material preferably represents from 0.1 to 5% by mass approximately, relative to the mass of active material.
  • the carbon layer is preferably in the form of a layer with a thickness varying from approximately 1 to 4 nm.
  • the positive electrode may further comprise a lithium salt.
  • the lithium salt can be as defined in the invention.
  • the lithium battery may further comprise a current collector connected to the positive electrode.
  • the current collector is generally made of a sheet of metal.
  • the current collector is preferably a stainless steel or aluminum current collector, optionally covered with a carbon-based layer (anti-corrosion layer).
  • the negative electrode is preferably made of metallic lithium, or of one of its alloys such as a lithium alloy with silicon, tin, aluminum or even germanium.
  • the battery is then preferably an LMP battery.
  • a second object of the invention is the use of a lithium battery chosen from lithium batteries with solid or quasi-solid electrolyte operating with a charging temperature Te and a discharging temperature TD so that the charging temperature Te is strictly higher than the discharging temperature TD, to improve its resistance to cycling.
  • the lithium battery, the charging temperature Te, and the discharging temperature TD are as defined in the first object of the invention.
  • the lithium battery as defined in the first object of the invention is characterized in that it has a charging temperature Te and a discharging temperature TD and in that the charging temperature Te is strictly higher than the temperature of discharge TD, the charging temperature Te and the discharging temperature TD being as defined in the first object of the invention.
  • the present invention is illustrated by the following exemplary embodiments, to which it is however not limited.
  • FIG. 1 represents the faradic efficiency (in percentage) as a function of the number of cycles (in number) when the battery operates according to a method in accordance with the invention and according to a method of the prior art.
  • Example 1 preparation of an LMP battery and operation of such an LMP battery
  • a positive electrode in the form of a film was prepared as follows: a mixture of 46 g of LiFePC, 1.2 g of carbon black, 17.5 g of homo-POE polymer material, 6.5 g of deionized water were introduced into a mixer sold under the trade name Plastograph® by the company Brabender®. The mixing was carried out at 60° C. at 80 revolutions per minute.
  • the paste thus obtained was then rolled at 60° C. on a carbon-coated aluminum current collector.
  • the film obtained was dried for 10 minutes at 100° C. before being used.
  • the positive electrode obtained comprises 71% by mass of LFP active material, 27% by mass of homo-POE polymer material and 1.9% by mass of carbon black. It has a thickness of approximately 45 ⁇ m.
  • An LMP battery was prepared by assembly under a controlled atmosphere (dew point -50°C):
  • a film of solid polymer electrolyte 50 ⁇ m thick comprising 80 g of polymer material (homo-POE and PVDF-co-HFP mixture) and 20 g of LiTFSI,
  • the lithium sheet and the film of solid polymer electrolyte are laminated at 70°C and at 5 bars to ensure good Li/electrolyte contacts, then finally the positive electrode is laminated at 70°C and at 5 bars on the Li/electrolyte assembly to form the battery.
  • the electrolyte film is disposed between the lithium metal film and the positive electrode film.
  • One lead wire is connected to the lithium and another lead wire is connected to the positive electrode current collector.
  • the lithium battery obtained has a structure of the sandwich type and it is confined under vacuum in a pouch (well known according to the Anglicism “coffee bag”) which corresponds to a heat-sealable waterproof packaging to protect it from humidity.
  • a lithium battery under a pressure of 1 bar is obtained.
  • the battery obtained in point 1.2 was tested in an uncontrolled atmosphere.
  • the lithium battery is then subjected to several charge-discharge processes (i.e. several repeated steps i) and ii), the charging step i) being carried out at a charging temperature Te of 90° C. and the step ii ) discharging being carried out at a discharging temperature TD of 50° C. (process according to the invention).
  • charge-discharge processes i.e. several repeated steps i) and ii
  • the charging step i) being carried out at a charging temperature Te of 90° C.
  • the step ii ) discharging being carried out at a discharging temperature TD of 50° C.
  • Step i) is carried out using a Memmert UNE500 oven.
  • Figure 1 shows the faradic efficiency (in percentage) as a function of the number of cycles (in number) for the lithium battery operating according to a method of the invention (curve with the solid circles), and by comparison for the lithium battery not operating according to a method of the invention (curve with solid squares).
  • the first cycle is carried out at C/10 (charge in 10 hours) and D/(10) (discharge in 10 hours) and the following cycles at C/4 (charge in 4 hours) and D/20 (discharge in 20 hours ).

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fonctionnement d'une batterie au lithium choisie parmi les batteries au lithium à électrolyte solide ou quasi solide, ladite batterie au lithium comportant au moins une électrode positive, au moins un électrolyte solide ou quasi solide, et au moins une électrode négative, ledit procédé étant caractérisé en ce que les températures de charge et de décharge sont modulées de façon à obtenir une batterie aux performances améliorées en termes de tenue au cyclage.

Description

Procédé de fonctionnement d'une batterie au lithium
La présente invention est relative au domaine des batteries au lithium, plus spécifiquement au domaine des batteries au lithium à électrolyte solide ou quasi solide et en particulier au domaine des batteries Lithium-Métal-Polymère (LMP) notamment utilisées pour la production de véhicules électriques et/ou le stockage des énergies intermittentes de type solaire et/ou éolien.
L'invention concerne plus spécifiquement un procédé de fonctionnement d'une batterie au lithium au sein duquel les températures de charge et de décharge sont modulées de façon à obtenir une batterie aux performances améliorées en termes de tenue au cyclage.
Les batteries Lithium Métal Polymère actuellement sur le marché (ou LMP) sont des batteries « tout solide » se présentant généralement sous la forme d'un film mince enroulé plusieurs fois ou de plusieurs films minces empilés. Ce film mince enroulé ou empilé a une épaisseur de l'ordre d'une centaine de micromètres. Il comprend généralement au moins quatre films fonctionnels : une électrode négative (anode) assurant la fourniture des ions lithiums lors de la décharge ; une électrode positive (cathode) agissant comme un réceptacle où les ions lithiums viennent s'intercaler ; un électrolyte polymère solide conducteur des ions lithium et situé entre l'électrode positive et l'électrode négative ; et un collecteur de courant relié à l'électrode positive pour assurer la connexion électrique. L'électrode négative est généralement constituée d'une feuille de lithium métallique ou d'un alliage de lithium ; l'électrolyte polymère solide est généralement composé d'un polymère à base de poly(oxyde d'éthylène) (POE) et d'au moins un sel de lithium ; l'électrode positive comprend une matière active d'électrode, habituellement à base d'oxyde de métal (comme par exemple V2O5, U 3O8, LiCoOz, LiNiO2, LiMn2Û4 ou LiNio.5Mno.5O2) ou à base de phosphate de type UMPO4 où M représente un cation métallique sélectionné parmi le groupe Fe, Mn, Co, Ni et Ti, et une de leurs combinaisons, et éventuellement de carbone ; et le collecteur de courant est généralement constitué d'une feuille de métal. L'électrolyte polymère solide apporte un grand avantage en termes de sécurité puisqu'il évite l'utilisation de solvants potentiellement dangereux en cas de surchauffe. De telles batteries peuvent ainsi travailler à de hautes températures sans risques d'explosion. Toutefois, les électrolytes polymères solides généralement utilisés tels que le POE de haute masse moléculaire dopé au sel de lithium, ont une faible conductivité ionique à température ambiante, leur température de fonctionnement doit donc être maintenue relativement élevée (typiquement entre 70 et 100°C). Or, à ces températures, le POE devient un liquide visqueux et perd sa stabilité dimensionnelle.
Les axes de recherche principaux visent par conséquent à modifier l'électrolyte polymère solide pour obtenir des tenues mécaniques améliorées et des conductivités ioniques maintenues à plus basses températures.
En particulier, Porcarelli ét al. (Electrochimica Acta, 2017, 241, 526-534) décrit des électrolytes polymères de type polyuréthanes obtenus selon un procédé de polycondensation en plusieurs étapes à partir du diisocyanate d'isophorone, de polyéthylène glycol, et d'un diol anionique fonctionnalisé avec une fonction ester et un anion imidure de sulfonyl(trifluorométhylsulfonyl). Afin d'améliorer les propriétés mécaniques et de conduction ionique du matériau polymère obtenu, celui-ci est ensuite fonctionnalisé avec une fonction réticulable de type méthacrylate puis réticulé par irradiation UV pour former un film qui est ensuite imprégné de carbonate de propylène pour former un électrolyte polymère gélifié (électrolyte quasi-solide). Toutefois, la résistance au cyclage de l'électrolyte polymère gélifié obtenu ne donne pas entière satisfaction dans la mesure où une baisse de la capacité est observée au-delà de 10 cycles.
Ainsi, le but de la présente invention est de pallier les inconvénients de l'art antérieur précité et de fournir une batterie au lithium, et en particulier une batterie Lithium-Métal-Polymère (LMP) présentant une bonne stabilité au cyclage (i.e. capable de fonctionner sur un grand nombre de cycles). En effet, le développement grandissant des véhicules électriques nécessite de pouvoir disposer de batteries de plus en plus performantes, en termes de cyclabilité. Le but de l'invention est atteint par le procédé de fonctionnement d'une batterie au lithium qui va être décrit ci-après.
Les inventeurs de la présente demande ont en effet découvert de façon surprenante qu'il était possible de différencier la température de charge et la température de décharge pendant le fonctionnement d'une batterie au lithium afin d'améliorer sa résistance au cyclage (également dénommée ci-après cyclabilité), tout en garantissant l'utilisation d'un électrolyte solide ou quasi- solide présentant de bonnes propriétés de conduction ionique et mécaniques.
La présente invention a ainsi pour premier objet un procédé de fonctionnement d'une batterie au lithium choisie parmi les batteries au lithium à électrolyte solide ou quasi solide, ladite batterie au lithium comportant au moins une électrode positive, au moins un électrolyte solide ou quasi solide, et au moins une électrode négative, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes : i) une étape de charge de la batterie au lithium à une température de charge Te (en °C), et ii) une étape de décharge de la batterie au lithium à une température de décharge TD (en °C), caractérisé en ce que la température de charge Te (en °C) est strictement supérieure à la température de décharge TD (en °C).
Grâce à la mise en œuvre d'une température de charge Te supérieure à la température de décharge TD (TC > TD) (cf. étapes i) et ii) du procédé conforme à l'invention), il est observé une amélioration de la cyclabilité dans les batteries au lithium à électrolyte solide ou quasi solide. Cette solution est facile à mettre en œuvre contrairement aux solutions de l'art antérieur qui visent à élaborer de nouvelles matières actives d'électrode positive et/ou de nouveaux matériaux d'électrolyte polymère.
Etapes i) et ii)
Dans la présente invention, la température de charge Tc (respectivement la température de décharge TD) est mesurée avec un thermocouple d'une étuve, en particulier vendue sous la dénomination commerciale UNE500 par la société MEMMERT.
La température de charge Te (respectivement la température de décharge TD) représente la température appliquée pendant le fonctionnement de la batterie pendant la charge (respectivement pendant la décharge).
Lors de la décharge de la batterie, le lithium désinséré de l'électrode négative sous forme ionique Li+ migre à travers l'électrolyte solide ou quasi-solide (e.g. polymère conducteur ionique) et vient s'intercaler dans le matériau actif de l'électrode positive. Le passage de chaque ion Li+ dans le circuit interne de la batterie est exactement compensé par le passage d'un électron dans le circuit externe, générant ainsi un courant électrique.
Lors de la charge de la batterie, l'électrode négative va insérer du lithium dans le matériau la constituant, et l'électrode positive va libérer du lithium. Grâce au procédé de l'invention, le dépôt de lithium au niveau de l'électrode négative est favorisé au cours de la charge. Les étapes i) et ii) du procédé de l'invention représentent un processus de charge-décharge, également appelé cyclage de la batterie au lithium.
Dans un mode de réalisation préféré, la différence entre la température de charge Te lors de l'étape i) et la température de décharge TD lors de l'étape ii) (i.e. Te - TD) est d'au moins 5°C environ, de façon particulièrement préférée d'au moins 7°C environ, et de façon plus particulièrement préférée d'au moins 10°C environ. En dessous d'un écart de 5°C, la résistance au cyclage n'est pas suffisante.
Selon une forme de réalisation de l'invention, la différence entre la température de charge Te lors de l'étape i) et la température de décharge TD lors de l'étape ii) (i.e. Te - TD) est d'au plus 50°C environ, de façon particulièrement préférée d'au plus 40°C environ, de façon plus particulièrement préférée d'au plus 30°C environ, et de façon encore plus particulièrement préférée d'au plus 20°C environ. En dessus d'un écart de 50°C, le procédé devient plus difficile à mettre en œuvre (chauffage de la batterie au cours de la charge et refroidissement au cours de la décharge). Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, la différence entre la température de charge Te lors de l'étape i) et la température de décharge TD lors de l'étape ii) (i.e. Te - TD) va de 20 à 35°, et de façon plus particulièrement préférée de 25 à 30°C environ.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la température de charge Te lors de l'étape i) va de 0°C à 100°C environ, de préférence de 10°C à 95°C environ, et de façon particulièrement préférée de 20°C à 90°C environ.
La température de décharge TD lors de l'étape ii) peut aller de -10°C à 90°C environ, de préférence de 0°C à 85°C environ, et de façon particulièrement préférée de 10°C à 80°C environ.
Il va de soi que les températures de charge Te et de décharge TD peuvent être dans des gammes de valeurs équivalentes, avec la condition selon laquelle la température de charge Te est strictement supérieure à la température de décharge TD.
Le procédé de fonctionnement d'une batterie au lithium conforme à l'invention peut être appliqué à tout type de batterie au lithium choisie parmi les batteries LMP, et ce quelle que soit la nature du matériau actif entrant dans la composition de l'électrode positive et/ou quelle que soit la nature de l'électrolyte solide ou quasi solide.
Dans la présente invention, l'électrolyte « solide ou quasi-solide » est sous une forme solide ou sous une forme de gel, à température ambiante (i.e. 18-25°C) et préférentiellement sous une forme solide.
Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, la diminution de température de fonctionnement de la batterie entre l'étape de charge i) et l'étape de décharge ii) n'a pas d'influence sur le potentiel de charge Uc pendant l'étape de charge i) et le potentiel de décharge UD pendant l'étape de décharge ii) (i.e. on n'observe pas de variation de potentiel de Uc à UD liée à la variation de la température de Te à TD) .
L'étape i) peut être effectuée en chauffant la batterie à la température de charge Te et en maintenant cette température Te, de préférence jusqu'à l'obtention d'un état de charge de 95% environ. La température Te est de préférence constante pendant l'étape i).
Le chauffage de l'étape i) peut être réalisé à l'aide d'au moins l'un des moyens de chauffage suivants : utilisation d'air pulsé chaud, utilisation d'un circuit liquide chauffant, ou d'une ou plusieurs plaques de chauffe, et de préférence utilisation d'une ou plusieurs plaques de chauffe.
L'étape ii) peut être effectuée en refroidissant la batterie à la température de décharge TD.
La température TD est de préférence variable au cours de l'étape ii). Elle peut par exemple diminuer d'une température Tomax à une température Tomin, étant entendu que la température de charge Te (en °C) est strictement supérieure à T Dmax et T D min (en °C).
Le refroidissement peut être réalisé par un arrêt de la chauffe mise en œuvre à la fin de l'étape i) (i.e. après l'obtention d'un état de charge de 95% environ) ou par un refroidissement forcé, et de préférence par un arrêt des moyens de chauffe mis en œuvre à la fin de l'étape i).
Le refroidissement se fait généralement à courant faible (période communément dénommée selon l'anglicisme « floating period »).
Le refroidissement forcé peut être réalisé à l'aide d'au moins l'un des moyens de refroidissement suivants : utilisation d'air pulsé froid, ou utilisation d'un circuit liquide de refroidissement.
Autres étapes
Le procédé peut comprendre en outre la répétition des étapes i) et ii) (i.e. réalisation de plusieurs cycles de charge-décharge).
Le procédé peut comprendre en outre avant l'étape i) une étape io) de décharge de la batterie au lithium à une température de décharge TD (en °C), la température de charge Te (en °C) de l'étape i) est strictement supérieure à la température de décharge TD (en °C) de l'étape io). Ce mode de réalisation est utilisé lorsque la batterie est initialement chargée.
Lorsque le procédé de l'invention comprend n étapes de charge et m étapes de décharge, n et m étant des nombres entiers strictement supérieurs à 1, les températures de charge Ten au cours des étapes de charge (respectivement les températures de décharge Tüm au cours des étapes de décharge) peuvent être identiques ou différentes, et de préférence identiques.
L'électrolyte solide ou quasi solide
L'électrolyte solide ou quasi solide de la batterie mise en œuvre dans le procédé de l'invention comprend de préférence un ou plusieurs matériaux polymères.
Le matériau polymère (ou les matériaux polymères lorsqu'il y en a plusieurs) de l'électrolyte solide ou quasi solide représente(nt) de préférence au moins 30% en masse environ, et de façon particulièrement préférée au moins 40% en masse environ, par rapport à la masse totale de l'électrolyte solide ou quasi solide.
L'électrolyte solide ou quasi solide peut être un électrolyte polymère comprenant :
- au moins un sel de lithium et au moins un matériau polymère à base de poly(oxyde d'éthylène) (POE), ou
- au moins un polymère anionique substitué par un anion d'un sel de lithium.
Le matériau polymère à base de poly(oxyde d'éthylène) (POE) peut être choisi parmi un copolymère à blocs polystyrène-poly(oxyde d'éthylène) (PS-b-POE), un copolymère à blocs polystyrène-poly(oxyde d'éthylène)-polystyrène (PS-b- POE-b-PS), un copolymère statistique poly(oxyde d'éthylène-stat-oxyde de propylène) (i.e. POE-stat-PPO), un copolymère statistique poly(oxyde d'éthylène-stat-oxyde de butylène) (i.e. POE-stat-PBO), un poly(oxyde d'éthylène), et un de leurs mélanges.
Le sel de lithium utilisé en association avec le matériau polymère à base de poly(oxyde d'éthylène) peut être choisi parmi le fluorate de lithium (LiFOs), le bis(trifluorométhanesulfonyl) imidure de lithium (LiTFSI), l'hexafluorophosphate de lithium (LiPFe), le fluoroborate de lithium (UBF4), le métaborate de lithium (UBO2), le perchlorate de lithium (UCIO4), le nitrate de lithium (UNO3), le bis(fluorosulfonyl) imidure de lithium (LiFSI), le bis(pentafluoroéthylsulfonyl) imidure de lithium (LiBETI), LiAsFe, UCF3SO3, LiSbFe, LiSbCle, LizTiCle, LizSeCle, U2B10CI10, U2B12CI12, le bis(oxalato)borate de lithium (LiBOB), et un de leurs mélanges.
Le sel de lithium représente de préférence de 5 à 30 % en masse, et encore plus préférentiellement de 10 à 25 % en masse, par rapport à la masse totale de l'électrolyte polymère.
Ledit matériau polymère à base de poly(oxyde d'éthylène) (POE) peut être associé à un agent de renfort. Cela permet ainsi de moduler les propriétés mécaniques du matériau polymère.
Ledit agent de renfort est de préférence choisi parmi les nanofibrilles de cellulose, les nanoparticules céramiques telles que les nanoparticules d'oxyde de titane, d'oxyde d'aluminium ou d'oxyde de silicium, et les polymères et copolymères fluorés tel que le polyfluorure de vinylidène (PVdF) ou le copolymère de fluorure de vinylidène-hexafluoropropylène (PVdF-co-HFP).
Le polymère anionique substitué par un anion d'un sel de lithium peut être un copolymère bloc comprenant au moins un premier bloc à base de poly(oxyde d'éthylène) et au moins un deuxième bloc à base d'un polymère anionique susceptible d'être préparé à partir d'un ou plusieurs monomères substitués par l'anion d'un sel de lithium, tel que l'imidure de sulfonyl(trifluorométhylsulfonyl) (TFSILi).
Le copolymère bloc comprenant au moins un premier bloc à base de poly(oxyde d'éthylène) et au moins un deuxième bloc à base d'un polymère anionique susceptible d'être préparé à partir d'un ou plusieurs monomères substitués par l'anion d'un sel de lithium comprend d'ores et déjà des fonctions anioniques (anion d'un sel de lithium directement greffé dans la structure du matériau polymère). Selon ce mode de réalisation, l'électrolyte polymère ne comprend alors pas, de préférence, de sel(s) de lithium supplémentaire(s).
Le ou les monomères sont de préférence choisis parmi les monomères vinyliques et dérivés.
À titre d'exemple de monomères vinyliques, on peut citer le styrène de sulfonyl(trifluorométhylsulfonyl)imidure de lithium et ses dérivés, notamment les dérivés dans lesquels le groupement phényle du styrène est substitué par un ou plusieurs groupes choisis parmi les groupes méthyle, éthyle, tert-butyle, un atome de brome et un atome de chlore, l'acrylate de sulfonyl(trifluorométhylsulfonyl)imidure de lithium, le méthacrylate de sulfonyl(trifluorométhylsulfonyl)imidure de lithium, l'acrylamide de sulfonyl(trifluorométhylsulfonyl)imidure de lithium, le méthacrylamide de sulfonyl(trifluorométhylsulfonyl)imidure de lithium, l'éthylène- sulfonyl(trifluorométhylsulfonyl)imidure de lithium, le propylène-sulfonyl(trifluorométhylsulfonyl)imidure de lithium, les diènes-sulfonyl(trifluorométhylsulfonyl)imidure de lithium ou la maléimide- sulfonyl(trifluorométhylsulfonyl)imidure de lithium.
L'électrolyte polymère peut comprendre en outre au moins un plastifiant ou un solvant non aqueux. Cela permet ainsi de former un électrolyte polymère gélifié.
Le solvant ou plastifiant peut être choisi parmi les carbonates linéaires et cycliques tels que le carbonate de propylène, le carbonate d'éthylène ou le diméthylcarbonate ; les carbonates fluorés tels que le fluoroéthylène carbonate ; les nitriles tels que le succinonitrile ; les lactones telles que la y- butyrolactone ; les polyéthers linéaires ou cycliques liquides ; les polyéthers fluorés ; les solvants soufrés tels que la sulfolane et le diméthylsulfoxyde ; et un de leurs mélanges.
Parmi de tels solvants ou plastifiants, on peut en particulier mentionner le diméthyléther, les diméthyléther de polyéthylène glycols (ou PEGDME) tels que le diméthyléther de tetraéthylèneglycol (TEGDME), le dioxolane, l'éthylènecarbonate (EC), le carbonate de propylène (PC), le diméthylcarbonate (DMC), le diéthylcarbonate (DEC), le méthyl-isopropyl carbonate (MiPC), l'acétate d'éthyle, l'éthyl butyrate (EB), ou un de leurs mélanges.
De préférence, le solvant ou plastifiant représente de 10% à 70% en masse environ, en encore plus préférentiellement de 20% à 60% en masse environ, par rapport à la masse totale de l'électrolyte polymère.
L'électrolyte solide ou quasi solide, l'électrode positive, et l'électrode négative sont de préférence sous la forme de films. Dans les batteries au lithium fonctionnant selon le procédé de l'invention, l'épaisseur des films qui constituent les différents éléments de la batterie est en général de l'ordre de 1 à une centaine de micromètres.
De préférence, le film d'électrolyte solide ou quasi solide a une épaisseur de 1 à 50 pm, et de préférence de 2 à 20 pm.
L'électrolyte solide ou quasi solide peut être préparé par toute technique connue de l'homme du métier telle que par exemple par enduction, par extrusion ou par pressage (à froid ou à chaud).
L'électrode positive
L'électrode positive peut comprendre un matériau actif d'électrode positive, éventuellement un agent générant une conductivité électronique, et éventuellement un matériau polymère.
Le matériau actif de l'électrode positive est une matière active réversible des ions lithium. En d'autres termes, il peut insérer ou désinsérer de manière réversible des ions lithium.
Le matériau actif d'électrode positive peut être : un oxyde de métal comme par exemple un oxyde de vanadium Ox (2 < x < 2,5), LiVsOs, LiyNii-xCoxOz (0 < x < 1 ; 0 < y < 1), un spinelle de manganèse LiyMni-xMxO2 (M = Cr, Al, V, Ni, 0 < x <0,5 ; 0 < y < 2), V2O5, UCOO2, LiNiOz, LiMn2O4 et LiNio.5Mno.5O2, ou un phosphosilicate ou phosphate de métal, par exemple UMPO4, où M représente un cation métallique sélectionné parmi le groupe Fe, Mn, Co, Ni et Ti, ou une de leurs combinaisons, comme par exemple LiFePO4, ou un sulfate de métal, par exemple le sulfate de fer Fe2(SO4)3.
Le procédé de l'invention est particulièrement adapté aux batteries LMP, tout particulièrement aux batteries LMP dans lesquelles le matériau actif de l'électrode positive est choisie parmi le phosphate de fer et ses dérivés, en particulier LiFePO4.
L'agent générant une conductivité électronique peut être choisi parmi les noirs de carbone, le carbone SP, les noirs d'acétylène, les fibres et nanofibres de carbone, les nanotubes de carbone, le graphène, le graphite, les particules et fibres métalliques d'au moins un métal conducteur tel que l'aluminium, le platine, le fer, le cobalt et le nickel, et l'un de leurs mélanges.
Le matériau actif de l'électrode positive peut représenter de 60 à 95% en masse environ, et de préférence de 70 à 90% en masse environ, par rapport à la masse totale de l'électrode positive.
L'agent générant une conductivité électronique peut représenter de 0,1 à 10% en masse environ, et de préférence de 0,3 à 5% en masse environ, par rapport à la masse totale de l'électrode positive.
Le matériau polymère peut être un matériau choisi parmi les homopolymères et copolymères d'éthylène ; les homopolymères et copolymères de propylène ; les homopolymères et les copolymères d'oxyde d'éthylène (e.g. POE, copolymère du POE), d'oxyde de méthylène, d'oxyde de propylène, d'épichlorhydrine, d'allylglycidyléther, et leurs mélanges ; les polymères halogénés tels que les homopolymères et les copolymères de chlorure de vinyle, de fluorure de vinylidène (PVdF), de chlorure de vinylidène, de tétrafluorure d'éthylène, ou de chlorotrifluoroéthylène, les copolymères de fluorure de vinylidène et de hexafluoropropylène (PVdF-co-HFP) ou leurs mélanges ; les polymères non conducteurs électroniques de type anionique tels que le poly(styrène sulfonate), le poly(acide acrylique), le poly(glutamate), l'alginate, la pectine, la gélatine ou leurs mélanges ; les polymères de type cationique tels que le polyéthylèneimine (PEI), la polyaniline sous forme de sel éméraldine (ES), le poly(N-vinylimidazole quaternisé), le poly(acrylamide-co-chlorure de diallyldiméthyl ammonium) (AMAC) ou leurs mélanges ; les polyacrylates ; les polymères anioniques substitués par un anion d'un sel de lithium ; et un de leurs mélanges.
Les polymères anioniques substitués par un anion d'un sel de lithium sont tels que définis dans l'invention.
Le matériau polymère peut en particulier être un matériau polymère à base de poly(oxyde d'éthylène) (POE) ou un polymère anionique substitué par un anion d'un sel de lithium. Le matériau polymère peut représenter de 1 à 20% en masse environ, et de préférence de 5 à 15% en masse environ, par rapport à la masse totale de l'électrode positive.
Selon une forme de réalisation particulièrement préférée de l'invention, le matériau actif de l'électrode positive est revêtu d'une couche de carbone. La présence de la couche de carbone permet d'améliorer l'interface : matériau actif -matériau polymère.
Le carbone revêtant le matériau actif représente de préférence de 0,1 à 5% en masse environ, par rapport à la masse de matériau actif.
La couche de carbone est de préférence sous la forme d'une couche d'épaisseur variant de 1 à 4 nm environ.
L'électrode positive peut comprendre en outre un sel de lithium.
Le sel de lithium peut être tel que défini dans l'invention.
Le collecteur de courant
La batterie au lithium peut comprendre en outre un collecteur de courant relié à l'électrode positive.
Le collecteur de courant est généralement constitué d'une feuille de métal.
Le collecteur de courant est de préférence un collecteur de courant en inox ou en aluminium, éventuellement recouvert d'une couche à base de carbone (couche anticorrosion).
L'électrode négative
L'électrode négative est de préférence constituée par du lithium métallique, ou par l'un de ses alliages tels qu'un alliage de lithium avec du silicium, de l'étain, de l'aluminium ou encore du germanium.
La batterie est alors de préférence une batterie LMP.
L'invention a pour deuxième objet l'utilisation d'une batterie au lithium choisie parmi les batteries au lithium à électrolyte solide ou quasi solide fonctionnant avec une température de charge Te et une température de décharge TD de sorte que la température de charge Te est strictement supérieure à la température de décharge TD, pour améliorer sa résistance au cyclage.
La batterie au lithium, la température de charge Te, et la température de décharge TD sont tels que définis dans le premier objet de l'invention.
La batterie au lithium telle que définie dans le premier objet de l'invention est caractérisée en ce qu'elle a une température de charge Te et une température de décharge TD et en ce que la température de charge Te est strictement supérieure à la température de décharge TD, la température de charge Te et la température de décharge TD étant telles que définies dans le premier objet de l'invention.
La présente invention est illustrée par les exemples de réalisation suivants, auxquels elle n'est cependant pas limitée.
Brève description des dessins
Le dessin annexé illustre l'invention :
La figure 1 représente le rendement faradique (en pourcentage) en fonction du nombre de cycles (en nombre) lorsque la batterie fonctionne selon un procédé conforme à l'invention et selon un procédé de l'art antérieur.
Exemple
Les matières premières utilisées dans les exemples sont listées ci-après :
- noir de carbone Ketjenblack EC600JD, AkzoNobel,
- LiFePC , Pulead,
- PVDF-co-HFP, Solvay,
- homo-POE, Sumitomo Seika,
- LiTFSI, Solvay,
- collecteur de courant en aluminium recouvert d'une couche de carbone, Armor,
- feuille de lithium métal, Blue Solutions.
Sauf indications contraires, tous les matériaux ont été utilisés tels que reçus des fabricants. Exemple 1 : préparation d'une batterie LMP et fonctionnement d'une telle batterie LMP
1.1 Préparation d'une électrode positive
Une électrode positive sous la forme d'un film a été préparée de la façon suivante : un mélange de 46 g de LiFePC , 1,2 g de noir de carbone, 17,5 g de matériau polymère homo-POE, 6,5 g d'eau déionisée ont été introduits dans un mélangeur vendu sous la dénomination commerciale Plastograph® par la société Brabender®. Le mélange a été effectué à 60°C à 80 tours par minutes.
La pâte ainsi obtenue a été ensuite laminée à 60°C sur un collecteur de courant en aluminium revêtu de carbone. Le film obtenu a été séché 10 minutes à 100°C avant d'être utilisé.
L'électrode positive obtenue comprend 71% en masse de matériau actif LFP, 27% en masse de matériau polymère homo-POE et 1,9% en masse de noir de carbone. Elle présente une épaisseur de 45 pm environ.
1.2 Préparation d'une batterie LMP
Une batterie LMP a été préparée par assemblage sous atmosphère contrôlée (point de rosée -50°C) :
- d'un film d'électrolyte polymère solide d'épaisseur 50 pm, comprenant 80 g de matériau polymère (mélange homo-POE et PVDF-co-HFP) et 20 g de LiTFSI,
- d'une feuille de lithium métal d'épaisseur 50 pm environ, et
- d'une électrode positive telle que préparée précédemment au point 1.1.
Pour ce faire, la feuille de lithium et le film d'électrolyte polymère solide sont laminés à 70°C et à 5 bars pour assurer de bons contacts Li/électrolyte, puis enfin l'électrode positive est laminée à 70°C et à 5 bars sur l'ensemble Li/électrolyte pour former la batterie. Le film d'électrolyte est disposé entre le film métallique en lithium et le film d'électrode positive. Un fil conducteur est connecté au lithium et un autre fil conducteur est connecté au collecteur de courant de l'électrode positive. La batterie au lithium obtenue a une structure de type sandwich et elle est confinée sous vide dans une pochette (bien connue selon l'anglicisme « coffee bag ») qui correspond à un emballage étanche thermoscellable pour la protéger de l'humidité.
Une batterie au lithium sous une pression de 1 bar est obtenue.
1.3 Mise en fonctionnement de la batterie LMP
La batterie obtenue au point 1.2 a été testée sous atmosphère non contrôlée.
La batterie au lithium est alors soumise à plusieurs processus de charge- décharge (i.e. plusieurs étapes i) et ii) répétées), l'étape de charge i) étant effectuée à une température de charge Te de 90°C et l'étape ii) de décharge étant effectuée à une température de décharge TD de 50°C (procédé conforme à l'invention).
L'étape i) est effectuée à l'aide d'une étuve Memmert UNE500.
À titre comparatif, une batterie au lithium identique en termes de structure à celle telle que préparée au point 1.2 ci-dessus a été soumise à plusieurs processus de charge-décharge, les étapes de charge et de décharge étant effectuées à une température identique de 80°C (procédé non conforme à l'invention).
La figure 1 montre le rendement faradique (en pourcentage) en fonction du nombre de cycles (en nombre) pour la batterie au lithium fonctionnant selon un procédé de l'invention (courbe avec les ronds pleins), et par comparaison pour la batterie au lithium ne fonctionnant pas selon un procédé de l'invention (courbe avec les carrés pleins).
Le premier cycle est effectué à C/10 (charge en 10 heures) et D/(10) (décharge en 10 heures) et les cycles suivants à C/4 (charge en 4 heures) et D/20 (décharge en 20 heures).
Une très bonne tenue en cyclage sur plus de 20 cycles associée à un rendement faradique de 95% sont obtenus pour la batterie fonctionnant selon un procédé de l'invention.

Claims

Revendications
1. Procédé de fonctionnement d'une batterie au lithium choisie parmi les batteries au lithium à électrolyte solide ou quasi solide, ladite batterie au lithium comportant au moins une électrode positive, au moins un électrolyte solide ou quasi solide, et au moins une électrode négative, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes : i) une étape de charge de la batterie au lithium à une température de charge Te, et ii) une étape de décharge de la batterie au lithium à une température de décharge TD, caractérisé en ce que la température de charge Te est strictement supérieure à la température de décharge TD.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la différence entre la température de charge Te lors de l'étape i) et la température de décharge TD lors de l'étape ii) est d'au moins 5°C.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la différence entre la température de charge Te lors de l'étape i) et la température de décharge TD lors de l'étape ii) est d'au plus 50°C.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de charge Te lors de l'étape i) va de 0°C à 100°C.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de décharge TD lors de l'étape ii) va de - 10°C à 90°C.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la répétition des étapes i) et ii).
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'électrolyte solide ou quasi solide est un électrolyte polymère comprenant : - au moins un sel de lithium et au moins un matériau polymère à base de poly(oxyde d'éthylène) (POE), ou
- au moins un polymère anionique substitué par un anion d'un sel de lithium.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'électrode positive comprend un matériau actif d'électrode positive, éventuellement un agent générant une conductivité électronique, et éventuellement un matériau polymère.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'électrode négative est constituée par du lithium métallique, ou par l'un de ses alliages.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la batterie comprend en outre un collecteur de courant relié à l'électrode positive.
11. Utilisation d'une batterie au lithium choisie parmi les batteries au lithium à électrolyte solide ou quasi solide , ladite batterie au lithium comportant au moins une électrode positive, au moins un électrolyte solide ou quasi solide, et au moins une électrode négative, ladite batterie au lithium fonctionnant avec une température de charge Te et une température de décharge TD de sorte que la température de charge Te est strictement supérieure à la température de décharge TD, pour améliorer sa résistance au cyclage.
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