EP4699183A1

EP4699183A1 - Cellule en sachet de batterie électrique et procédé de fabrication correspondant

Info

Publication number: EP4699183A1
Application number: EP25721891.7A
Authority: EP
Inventors: Yunju BAE; Hyuk Shin
Original assignee: Verkor SA France
Current assignee: Verkor SA France
Priority date: 2024-04-26
Filing date: 2025-04-25
Publication date: 2026-02-25
Also published as: WO2025224353A1; FR3161806A1

Abstract

La présente divulgation concerne une cellule en sachet (100) pour un module de batterie électrique (1000), formée d'un sachet refermable (101) comprenant au moins une bande d'électrodes (150, 152, 154) dont les électrodes sont aptes, en fonctionnement, à faire réagir électro-chimiquement un électrolyte, la réaction électrochimique de l'électrolyte déclenchant la génération d'un gaz, le sachet refermable (101) comprenant une pluralité de logements (110, 120) alignés, chacun desdits logements (110, 120) étant formé dans une surface interne du sachet refermable (101) et étant apte à accueillir le gaz généré.

Description

Cellule en sachet de batterie électrique et procédé de fabrication correspondant.

Domaine technique de l’invention

La présente description se rapporte au domaine du stockage d’énergie. La présente invention concerne une cellule en sachet de batterie électrique, aussi connue en langue anglaise sous la dénomination « pouch cell », en particulier une cellule en sachet pour un module de batterie électrique. L’invention concerne aussi un procédé de fabrication d’une telle cellule en sachet.

Etat de la technique

Les cellules en sachet sont formées au moyen d’un empilement d’électrodes successives, séparées par un film isolant électrique poreux. L’empilement est placé dans un sachet en matière souple, puis un électrolyte est introduit dans ce sachet, lequel est scellé pour le rendre étanche et former une cellule. L’électrolyte réagit avec les matériaux actifs électrodes, produisant des gaz, lesquels doivent être évacués de manière contrôlée.

Afin d’évacuer les gaz, le sachet comporte au moins un réservoir destiné à emmagasiner lesdits gaz. Ces logements sont formés dans le sachet. Le sachet en matière souple comporte un premier logement dans lequel l’empilement est agencé, et, un deuxième logement destiné à envelopper l’empilement par pliage dudit sachet autour d’un axe de pliage. Le premier logement et le deuxième logement forment ensemble un logement principal de l’empilement. Le sachet en matière souple comporte une première cavité et une deuxième cavité, ces cavités étant distinctes du premier logement et du deuxième logement, lesquelles forment ensemble un réservoir lorsque le sachet est replié sur lui-même autour de l’axe de pliage. Le réservoir est en communication fluidique avec le logement principal pour permettre l’évacuation des gaz générés dans ledit logement principal vers le réservoir.

Bien que ces cellules donnent satisfaction à plusieurs égards, elles ne sont pas dénuées d’inconvénients et demeurent ainsi perfectibles.

Un inconvénient de ces cellules réside dans les réservoirs qui sont susceptibles de ne pas remplir leur fonction de manière optimale. Une fois le gaz piégé dans le réservoir, la cellule scellée est amenée dans une enceinte où l’atmosphère est contrôlée, typiquement où la pression environnante est inférieure à la pression du gaz piégé dans ledit réservoir. Le réservoir est alors percé et le gaz évacué vers l’enceinte. Il s’agit d’une aspiration du gaz lequel s’écoule en dehors du réservoir. Cette aspiration est susceptible de provoquer l’affaissement du réservoir et de ce fait une partie du gaz reste piégé dans le réservoir en partie périphérique notamment dans ses recoins, ce qui n’est pas souhaitable. En effet, les industriels veulent que l’intégralité du gaz soit extrait du réservoir tandis que la cellule demeure dans l’enceinte.

Par conséquent, il existe un besoin de développer des solutions permettant d’améliorer les cellules en sachet connues. En particulier, le réservoir de dégazage des cellules doit être amélioré.

Objet de l’invention

Afin de répondre à ce ou à ces inconvénients, il est proposé selon un premier objet des présentes, une cellule en sachet pour un module de batterie électrique, la cellule en sachet étant formée d’un sachet refermable apte à accueillir un électrolyte, le sachet refermable comprenant en outre au moins une bande d’électrodes alignée le long d’une premier axe, les électrodes étant aptes, en fonctionnement, à faire réagir électro-chimiquement l’électrolyte, la réaction électrochimique de l’électrolyte déclenchant la génération d’un gaz, le sachet refermable comprenant en outre une pluralité de logements alignés le long d’un deuxième axe sensiblement parallèle au premier axe, chacun desdits logements étant formé dans une surface interne du sachet refermable et étant apte à accueillir le gaz généré.

Dans les présentes, on définit que deux axes sont "sensiblement parallèles" lorsque ces deux axes sont parallèles à 5 degrés près.

Dans les présentes, l’électrolyte agit comme un milieu conducteur permettant le flux d'ions entre les électrodes pendant le cycle de charge et de décharge de la cellule.

Ceci permet de fournir une cellule en sachet dans lequel on réduit partiellement ou totalement le risque d’effondrement structurel du sachet refermable en créant des logements séparés, évitant ainsi le contact direct entre les parties du sachet lors de la fermeture. En empêchant le contact entre les parois du sachet, cette conception renforce sa structure, évitant ainsi son effondrement et préservant l'intégrité des logements destinés à contenir le gaz dégagé par la réaction électrochimique de l'électrolyte.

Selon un mode de réalisation, au moins l’un des logements présente une forme tridimensionnelle définie par une longueur « a », par une largeur « b » et par une hauteur « c », la hauteur « c » étant inférieure ou égale à l’épaisseur de l’au moins une bande d’électrodes.

Ceci permet de fournir une cellule en sachet dont les logements présentent une forme parallélépipédique, cette géométrie étant optimale pour extraire ces logements du sachet refermable lorsque ceux-ci contiennent le gaz dégagé par la réaction électrochimique de l'électrolyte.

De plus, il a aussi été observé de manière surprenante que cette configuration permet une meilleure gestion de l'espace au sein du sachet, maximisant ainsi la densité de capture de gaz dégagé pour pouvoir ensuite extraire ce dernier. La performance des cellules est ainsi améliorée tout en assurant une efficacité accrue en matière de fabrication, grâce à la simplification et l’uniformisation des étapes de formation de cellules en sachet. Par ailleurs, cette structure réduit le risque d'effondrement de certaines parties du sachet après capture et stockage du gaz, offrant ainsi une plus grande stabilité structurelle de la cellule en sachet.

Selon un mode de réalisation, le rapport « a/b » de la longueur et de la largeur de l’au moins un logement est supérieur ou égal à 1 et inférieur ou égal à 6.

Dans ce mode de réalisation, si le sachet refermable présente une longueur « L », appelée « côté du sachet » et mesurable le long de la direction définie par le deuxième axe et si on définit par un nombre entier « N » la quantité de logements du sachet refermable qui sont alignés dans une même bande, c’est-à-dire le long du deuxième axe sensiblement parallèle au premier axe, par exemple 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10 logements alignés, on peut définir que le rapport « a/b » est compris dans l’intervalle [1 ; « L/N »]. Ainsi, le nombre « N » de logements dans une même bande peut être choisi en fonction de la longueur « L », et inversement.

Ceci permet d’adapter le rapport « a/b » pour définir une configuration donnée du sachet et des logements en fonction des dimensions souhaitées. La conception de la cellule permet ainsi de distribuer les contraintes uniformément le long de la direction du deuxième axe. La gestion de l'épaisseur des électrodes est liée aux caractéristiques du matériau du sachet.

Avantageusement, la partie du sachet où les électrodes sont insérées se conforme à la gamme de tension maximale admissible du matériau formant le sachet. Si cette épaisseur dépasse cette limite, le sachet risque d’être étiré davantage, augmentant le risque de déchirures ou de plis. Adapter le nombre et la disposition des logements le long de la direction du deuxième axe contribue également à réduire les coûts de fabrication des sachets comprenant l’au moins un logement. Le risque d'effondrement de certaines parties du sachet après la capture du gaz est aussi réduit, assurant une meilleure intégrité structurelle.

Selon un mode de réalisation possible, le rapport « a/b » de la longueur et de la largeur de l’au moins un logement est sensiblement égal à 4.

Dans les présentes, un rapport est défini comme étant sensiblement égal à une valeur numérique lorsque ce rapport est égal à cette valeur numérique avec une déviation maximale possible de 5%.

Ceci permet d'optimiser l'espace disponible dans le sachet refermable comprenant une pluralité de logements, indépendamment de leurs dimensions, et en maximisant l'efficacité de la capture du gaz généré par la réaction électrochimique de l'électrolyte. De manière surprenante, les tests ont montré que ce rapport spécifique de 4/1 favorise une extraction aisée des logements remplis de gaz, tout en minimisant le risque d'effondrement de parties du sachet, maximisant la stabilité structurelle du sachet.

Selon un mode de réalisation, au moins deux des logements consécutifs sont séparés entre eux par une partie de la surface interne du sachet refermable.

Ceci permet de favoriser une meilleure séparation des gaz dans chaque logement, en minimisant le risque de mélange et en facilitant l’évacuation séparée de chaque gaz.

Ceci permet aussi de renforcer la structure interne du sachet refermable, réduisant ainsi les risques de déformation ou de détérioration du sachet lors de la réaction électrochimique de l’électrolyte et du dégagement de gaz.

Selon un mode de réalisation, la pluralité de logements comprend au moins deux séries de plusieurs logements séparés deux à deux, chacune des deux séries de logements étant alignées le long du deuxième axe.

Outre une amélioration du phénomène de capture du gaz au cours de l'entraînement de la cellule de par la réaction de l'électrolyte dans le sachet, ceci permet de faciliter le procédé de fabrication et d'extraction des logements lorsque ceux-ci ont terminé d'accueillir le gaz.

Selon un mode de réalisation possible, les axes respectifs des séries de logement sont sensiblement parallèles l'un à l'autre et, optionnellement, sensiblement parallèles à l'alignement de la bande d’électrodes.

Selon un mode de réalisation, au moins deux logements alignés consécutivement de la pluralité de logements sont en outre séparés entre eux par au moins un élément de rigidification disposé dans la surface interne du sachet refermable.

Ceci permet de renforcer la structure interne du sachet refermable en ajoutant des éléments rigides entre les logements, offrant ainsi une plus grande résistance à la déformation. Avantageusement, les effets de gonflement du sachet lors de la réaction électrochimique de l'électrolyte et du dégagement de gaz sont ainsi partiellement ou totalement compensés. En outre, les logements sont isolés de sorte à réduire les interférences entre les gaz générés dans chaque logement et facilitant ainsi leur évacuation individuelle.

Selon un autre objet des présentes, il est aussi proposé un procédé de fabrication d’une cellule en sachet selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents, le procédé de fabrication comprenant les étapes de : a) fourniture du sachet refermable apte à accueillir l’électrolyte, le sachet refermable comprenant l’au moins une bande d’électrodes, b) formation, dans la surface interne du sachet refermable fourni, de la pluralité de logements de sorte que lesdits logements sont séparés deux à deux, c) fermeture du sachet refermable, mise en œuvre en repliant le sachet refermable sur lui-même de sorte à sceller chacun des logements séparés deux à deux avec un autre logement respectif parmi la pluralité de logements séparés deux à deux, d) insertion de l’électrolyte dans le sachet refermable fermé, e) mise en réaction électrochimique de l’électrolyte pour déclencher la génération du gaz, le gaz généré étant accueilli dans la pluralité de logements scellés, et f) extraction de chacun des logements ayant accueilli le gaz généré.

Ceci permet d'optimiser la conception de cellules en sachet en automatisant le scellement des logements, ce qui en augmente la fiabilité tout en réduisant la variabilité et les défaillances potentielles dues à des scellements imparfaits. De plus, ceci permet de significativement diminuer les rebuts et les coûts de fabrication grâce à un rendement amélioré, notamment lors de l’emploi de moules et de différents matériaux formant les couches de la cellule en sachet. Un scellement précis des logements réduit aussi le risque de gaspiller de l'électrolyte et de voir des fuites de gaz apparaître à l'intérieur de la cellule.

Selon un mode de réalisation possible, l’étape d) d’insertion de l’électrolyte est par exemple mise en œuvre au moyen d’une aiguille, de préférence adaptée pour ne pas perturber l'herméticité du sachet.

Selon un mode de réalisation possible, le repliement de l’étape c) de fermeture peut être suivi par un thermocollage, afin de faire fondre les bords ou certaines parties du plastique du sachet au cours, rendant l’ensemble hermétique.

Selon un mode de réalisation, l’étape b) de formation comprend une sous-étape de séparation b1) d’au moins deux logements de la pluralité de logements par une partie de la surface interne du sachet refermable et/ou une sous-étape b2) de rigidification d’au moins deux logements de la pluralité de logements par au moins un élément de rigidification dans la surface interne du sachet refermable.

Ceci permet de réaliser une structure de cellule en sachet avec une stabilité mécanique élevée. En particulier, la sous-étape b1) de séparation assure que chaque logement individuel est isolé des autres, réduisant les risques de mélange ou de diffusion des gaz entre les logements. Une gestion plus précise des gaz émis lors de la réaction électrochimique est également possible, tandis que la sous-étape b2) de rigidification par l'introduction d'éléments rigides renforce la structure interne du sachet lors de sa fabrication, empêchant l'effondrement ou la déformation des logements sous l'effet de contraintes internes.

Selon un mode de réalisation, l’étape b) de formation de la pluralité de logements comprend une modulation de chaque logement de sorte à ce que chaque logement présente une forme tridimensionnelle définie par une longueur « a », par une largeur « b » et par une hauteur « c », la hauteur « c » étant inférieure ou égale à l’épaisseur de l’au moins une bande d’électrodes, le rapport « a/b » de la longueur et de la largeur de l’au moins un logement étant supérieur ou égal à 1, ledit rapport « a/b » de la longueur et de la largeur étant inférieur ou égal à 6.

Selon un mode de réalisation possible, le rapport « a/b » de la longueur et de la largeur est sensiblement égal à 4.

Ceci fournit une flexibilité en matière de conception de chaque cellule en adaptant le rapport « a/b » en fonction de la performance souhaitée et des outils employés lors de la conception. Par exemple, un rapport « a/b » proche de 1 mène à des logements carrés tandis qu'un rapport proche de 6 mène à des logements allongés, ce qui peut améliorer l'évacuation des gaz et la répartition thermique au sein de la cellule en fonction des dimensions de celle-ci. Un rapport sensiblement égal à 4 a été observé comme le meilleur compromis entre efficacité de capture des gaz dans les logements tout en réduisant le risque d’effondrement de parties du sachet lors de la fabrication.

Selon un mode de réalisation, l’étape b) de formation de la pluralité de logements est mise en œuvre au moyen d’un moule et dans lequel l’étape f) d’extraction de chacun des logements est mise en œuvre au moyen d’un agent de démoulage.

Ceci permet de réduire le risque de dommages structurels à la cellule ou aux logements pendant l'extraction, compte tenu de la finesse des matériaux impliqués. L'utilisation d'un moule pour la formation des logements assure une précision dimensionnelle élevée tandis que l'application d'un agent de démoulage durant l'étape d'extraction minimise les contraintes physiques qui pourraient compromettre l'intégrité des logements.

Brève description des figures

D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :

La est une vue du dessus d’une cellule en sachet développée avec logements d’accueil de gaz selon un premier mode de réalisation de l’invention.

La est une vue en perspective d’une cellule en sachet avec logements d’accueil de gaz selon le premier mode de réalisation de l’invention.

La est une vue de côté d’une cellule en sachet avec logements d’accueil de gaz selon le premier mode de réalisation de l’invention.

La est une vue du dessus d’une cellule en sachet développée avec logements d’accueil de gaz selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.

La est une vue en perspective d’une cellule en sachet avec logements d’accueil de gaz selon le deuxième mode de réalisation de l’invention.

La est une vue du dessus d’une cellule en sachet développée avec logements d’accueil de gaz selon un troisième mode de réalisation de l’invention.

La est une vue en perspective d’une cellule en sachet avec logements d’accueil de gaz selon le troisième mode de réalisation de l’invention.

La est une représentation schématique d’un module de batterie électrique comprenant plusieurs cellules en sachet.

La est un organigramme d’étapes d’un procédé de fabrication selon les modes de réalisation de l’invention.

Sauf indications contraires, les éléments communs ou analogues à plusieurs figures portent les mêmes signes de référence et présentent des caractéristiques identiques ou analogues, de sorte que ces éléments communs ne sont généralement pas à nouveau décrits par souci de simplicité.

Les figures 1, 2 et 3 représentent, respectivement, une vue du dessus développée, une vue en perspective et une vue de côté d’une cellule en sachet avec des logements d’accueil de gaz selon un premier mode de réalisation de l’invention.

En particulier, est illustrée une cellule en sachet 100 pour un module de batterie électrique qui est formée d’un sachet refermable 101.

Selon différents modes de réalisation possibles, le film du sachet refermable 101 peut être composé de plusieurs couches de matériaux pour optimiser la durabilité et la sécurité de la cellule. Ces matériaux incluent souvent des combinaisons de polymères comme le polypropylène ou le polyéthylène et des couches métalliques ou d'aluminium pour assurer une barrière efficace contre l'humidité et l'oxygène, ce qui est crucial pour maintenir la stabilité chimique et électrique de la cellule.

Selon différents modes de réalisation possibles, les électrodes de la bande d’électrodes 150 peuvent être formées de matériaux tels que du lithium nickel manganèse cobalt et du graphite.

La cellule en sachet 100, et en particulier le sachet refermable 101, est apte à accueillir un électrolyte dans le sachet refermable 101. Cet électrolyte comprend différents matériaux adaptés à l’usage de la cellule en sachet 100 pour un module de batterie électrique, par exemple des mélanges d'électrolytes liquides contenant des sels de lithium, des solvants organiques et divers additifs.

La cellule en sachet 100 comprend en outre une bande d’électrodes 150, ladite bande d’électrodes étant munie de préférence en ses extrémités d’une cathode 152 et d’une anode 154 (l’ordre pouvant être optionnellement inversé) et aptes, en fonctionnement, à faire réagir électro-chimiquement l’électrolyte. La bande d’électrodes 150 est alignée le long d’un premier axe OX1, de préférence aligné le long d’une même direction ou orientation qu’un ou plusieurs côté(s) du sachet refermable 101.

Optionnellement, la bande d’électrodes 150 ou ses électrodes 152 et 154 sont stratifiées de manière répétée avec une membrane de séparation (non représentée) interposée entre elles.

Après ou lors de l'injection de l'électrolyte dans le film de la cellule en sachet 101, une précharge est appliquée aux électrodes, par exemple pour entraîner électriquement la cellule en sachet 100. Après l’application de cette précharge, une réaction électrochimique de l’électrolyte s’ensuit, ce qui déclenche la génération d’un gaz, ce gaz pouvant faire gonfler la cellule en sachet. Il est donc avantageux d’évacuer ce gaz pour éviter de voir apparaître des problèmes de stabilité structurelle de la cellule.

Le sachet refermable 101 comprend en outre les deux logements 110 et 120, alignés le long d’un deuxième axe OX2 qui est sensiblement parallèle ou parallèle au premier axe OX1.

Chacun des logements 110 et 120 est formé dans une surface interne du sachet refermable 101 et a pour but de pouvoir accueillir le gaz généré par la réaction électrochimique de l’électrolyte.

Bien que d’autres formes soient possibles, par exemple des logements cylindriques, les logements 110 et 120 présentent chacun une forme tridimensionnelle définie par une longueur « a », représentée par 110a et 120a, ainsi qu’une largeur « b », représentée par 110b et 120b. Pour des logements identiques, les longueurs 110a et 120a sont identiques, et les largeurs 110b et 120b sont également identiques. Lorsqu’ils sont parallélépipédiques, chacun des logements peut aussi être défini par une hauteur « c », par exemple 110c et 120c (non visible). Par définition, les valeurs de « a », « b » et « c » sont telles que « a » est supérieur ou égal à « b » et « b » est supérieur ou égal à « c ».

Comme représenté, chacun des logements 110 et 120 de la cellule en sachet 100 ne comprennent généralement ni séparateurs ni d’éléments de rigidification, c’est-à-dire qu’ils sont chacun formés d’une seule entité, qui présente de préférence la forme d’une bande parallélépipédique sensiblement parallèle au premier axe définissant la direction principale de la bande d’électrodes 150.

De préférence, la hauteur « c » de chacun des logements est inférieure ou égale à l’épaisseur de l’au moins une bande d’électrodes 150.

Selon un mode de réalisation possible, le sachet refermable 101 de la cellule 100 présente une longueur qui est inférieure ou égale à 1000 millimètres, et de préférence inférieure à 600 millimètres. Dans les présentes, ladite longueur est mesurée le long de la direction définie par le premier axe OX1.

Les figures 4 et 5 représentent, respectivement, une vue du dessus développée et une vue en perspective d’une cellule en sachet avec des logements d’accueil de gaz selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.

En particulier, est illustrée une cellule en sachet 200 pour un module de batterie électrique qui, comme pour la cellule en sachet 100, est formée d’un sachet refermable 201 dont le film peut être similaire à celui du film 101.

Comme pour le mode de réalisation précédent, la cellule en sachet 200, et en particulier le sachet refermable 201, est apte à accueillir un électrolyte dans le sachet refermable 101et comprend en outre une bande d’électrodes 250 alignée le long d’un premier axe OX1, incluant par ailleurs une cathode 252 et une anode 254 (l’ordre pouvant être optionnellement inversé) destinées à mettre en œuvre la réaction électro-chimique de l’électrolyte. Le premier axe OX1 est de préférence aligné le long d’un côté du sachet refermable 101.

Le sachet refermable 201 comprend en outre deux séries de six logements, numérotés 210, 211, 212, 213, 214 et 215 pour la première série et numérotés 220, 221, 222, 223, 224 et 225 pour la deuxième série. Ces deux séries de logements sont alignées le long d’un deuxième axe OX2 qui est sensiblement parallèle ou parallèle au premier axe OX1. Chacun des logements est configuré de sorte à pouvoir accueillir le gaz généré par la réaction électrochimique de l’électrolyte.

Comme illustré, les logements de chacune des séries 210-215 et 220-225 sont séparés deux à deux tout en étant alignés le long du deuxième axe OX2. Les séparations entre les logements sont de préférence formées par le film lui-même du sachet refermable 201. En particulier, ces séparations peuvent être formées par une partie de la surface interne du sachet refermable 201 et/ou de sa surface externe. On notera que ce qui précède est possible pour l’ensemble des modes de réalisation décrits dans les présentes.

Comme représenté, de manière non limitative, chacun des logements présente une forme tridimensionnelle définie par une longueur « a », représentées par les longueurs 210a-215a et 220a-225a, une largeur « b », représentée par les largeurs 210a-215a et 220b-225b et une hauteur « c » propre (non représentée).

Selon un mode de réalisation possible, désignant par « L » la longueur du côté du sachet refermable 201 et par « N » le nombre de logements formés le long d’une même série, les contraintes suivantes découlent des géométries précédemment décrites. Premièrement, pour chaque logement, sa longueur « a » est supérieure à sa largeur « b ». Deuxièmement, et lorsque tous les logements sont définis par une longueur identique, le nombre « N » de logements dans une série est inférieur au rapport « L/a ». En combinant des contraintes, on obtient une relation permettant de sélectionner et d’optimiser le nombre de logements en fonction des dimensions de la cellule en sachet.

Selon un mode de réalisation possible, lorsque les logements présentent des longueurs, des largeurs et/ou des hauteurs identiques, leur longueur « a » est de préférence supérieure ou égale à 20 millimètres et de préférence inférieure ou égale à 200 millimètres. Ceci permet d’optimiser le fonctionnement et la fabrication de la cellule en sachet lorsque le sachet refermable présente une longueur « L » inférieure ou égale à 600 millimètres.

Ces avantages techniques n’empêchent pas d’obtenir des résultats similaires pour d’autres dimensions, puisqu’il est toujours possible de choisir le nombre de logements en fonction de valeurs prédéterminées de « L » et de « a ». Les largeurs « b » des logements peut aussi être adaptée de manière similaire afin de sélectionner le nombre de séries de logements dans le sachet refermable.

De manière non limitative, les dimensions précitées des logements sont aussi applicables aux autres modes de réalisation décrits dans les présentes.

Les dimensions des logements peuvent être prédéterminées pour la fabrication des cellules en sachet. En particulier, le rapport « a/b » de la longueur « a » et de la largeur « b » de chaque logement dans une même série, voire de tous les logements, est supérieur ou égal à 1 et inférieur ou égal à 6. Le rapport « a/b » de la longueur et de la largeur de l’au moins un logement est supérieur ou égal à 1 et inférieur ou égal à 6. Ceci permet de maximiser l'utilisation de l'espace disponible à l'intérieur du sachet tout en adaptant le rapport de la surface couverte par les logements et celle laissée libre par les séparations.

De manière non limitative, les valeurs précitées du rapport « a/b » sont aussi applicables aux autres modes de réalisation décrits dans les présentes.

Comme premier exemple, et afin d’illustrer différents choix de fabrication possible, il est possible de concevoir une cellule en sachet 200 dont le film 201 présente une longueur « L » égale à 500 millimètres. Dans ce cas, chacune des deux séries de logements peut comprendre quatre logements de longueur « a » égale à 100 millimètres et séparés entre-deux de 20 millimètres (ainsi que des bords du sachet avec une séparation de 20 millimètres) le long de la direction du premier axe OX1 et/ou du deuxième axe OX2. La largeur « b » des logements peut ici être choisie comme étant égale à 25 millimètres, définissant ainsi un rapport « a/b » égal à 4.

Bien que d’autres configurations soient possibles dans ce mode de réalisation, on peut prévoir, dans le film du sachet 201 de la cellule en sachet 200, plus que deux séries de logements d’un même côté de la bande d’électrodes 250. Par exemple trois, quatre ou cinq séries si les dimensions respectives des logements et de la cellule en sachet 200 le permettent. On peut aussi prévoir une seule série de logements.

Comme deuxième exemple, il est possible de concevoir une cellule en sachet 200 dont le film 201 présente une longueur « L » égale à 600 millimètres. Dans ce cas, on peut notamment former trois séries alignées de quatre logements chacune, chacun des logements ayant une longueur « a » égale à 50 millimètres et séparés entre-deux de 80 millimètres (ainsi que des bords du sachet avec une séparation de 80 millimètres). La largeur « b » des logements peut être choisie comme étant égale à 40 millimètres, définissant ainsi un rapport « a/b » égal à 2. En variante, la largeur « b » des logements peut être choisie comme étant égale à 80 millimètres, définissant alors un rapport « a/b » égal à 1, ou respectivement égal à 1.

Comme représenté, les logements 210 à 215 et 220 à 225 de la cellule en sachet 200 ne sont généralement pas séparés de manière rigide, par exemple au moyen d’éléments de rigidification. De préférence, la hauteur « c » de chacun des logements est aussi inférieure ou égale à l’épaisseur de l’au moins une bande d’électrodes 250.

Les figures 6 et 7 représentent, respectivement, une vue du dessus développée et une vue en perspective d’une cellule en sachet avec des logements d’accueil de gaz selon un troisième mode de réalisation de l’invention.

En particulier, est illustrée une cellule en sachet 300 pour un module de batterie électrique qui, comme pour les cellules en sachet 100 et 200, est formée d’un sachet refermable 301, et dont le film peut être de composition et de dimensions similaires à celui du film 101 et du film 201.

Comme pour les modes de réalisation précédents, la cellule en sachet 300, et en particulier le sachet refermable 301, est apte à accueillir un électrolyte dans le sachet refermable 301et comprend en outre une bande d’électrodes 350 alignée le long d’un premier axe OX1, incluant par ailleurs une cathode 352 et une anode 354 (l’ordre pouvant être optionnellement inversé) destinées à mettre en œuvre la réaction électro-chimique de l’électrolyte. Le premier axe OX1 est de préférence aligné avec la même direction qu’un côté du sachet refermable 301.

Le nombre de logements n’étant pas limitatif, on illustre ici un sachet refermable 301 comprenant deux séries de cinq logements, numérotés 310, 311, 312, 313 et 314 pour la première série et numérotés 320, 321, 322, 323 et 324 pour la deuxième série. Ces séries de logements sont alignées le long d’un deuxième axe OX2 qui est sensiblement parallèle ou parallèle au premier axe OX1. Comme pour les modes de réalisation précédents, chacun des logements est configuré de sorte à pouvoir accueillir le gaz généré par la réaction électrochimique de l’électrolyte.

Comme illustré, les logements de chacune des séries 310-315 et 320-325 sont reliés entre eux par des éléments de rigidification, pouvant être appelés « rigidificateurs », qui définissent en outre une distance de séparation entre chaque paire de logement, ces éléments de rigidification pouvant être alignés le long du deuxième axe OX2.

De préférence, la distance de séparation entre deux logements joints par un élément de rigidification donné, et donc la longueur correspondante dudit élément de rigidification, est supérieure ou égale à 1 millimètre et inférieure ou égale à 500 millimètres, par exemple 20 millimètres. De manière préférée, la longueur de chaque élément de rigidification est inférieure ou égale à 200 millimètres, et inférieure ou égale à la longueur de chaque logement.

Selon un mode de réalisation possible, les séparations entre les logements peuvent à la fois être formées par des éléments de rigidification et par le film lui-même du sachet refermable 301, comme c’était le cas pour la cellule en sachet décrite dans le deuxième mode de réalisation. Par exemple, ces séparations peuvent être formées par une partie de la surface du sachet refermable 301, et comprendre en outre un élément en plastique renforcé, une barrette thermosoudable ou une bande adhésive faisant office d’élément de rigidification entre deux logements donnés.

Comme représenté, et de manière non limitative, chacun des logements présente une forme tridimensionnelle définie par une longueur « a », représentées par les longueurs 310a-314a et 320a-324a.

En outre, le logement 310 est séparé du logement 311 de la même série alignée par le logement 330, ce dernier présentant une longueur propre 330a qui définit la distance de séparation entre 310 et 311. Le logement 311 est séparé du logement 312 par l’élément de rigidification 331 de longueur 331a, le logement 312 est séparé du logement 313 par l’élément de rigidification 332 de longueur 332a et le logement 313 est séparé du logement 314 par l’élément de rigidification 333 de longueur 333a. De même, le logement 321 est séparé du logement 322 par l’élément de rigidification 341 de longueur 341a, le logement 322 est séparé du logement 323 par l’élément de rigidification 342 de longueur 342a et le logement 323 est séparé du logement 324 par l’élément de rigidification 343 de longueur 343a.

Selon un mode de réalisation possible, la largeur respective de chaque élément de rigidification, par exemple la largeur 330b (non représentée, tout comme les largeurs 331b-314b et les largeurs 340b-341b) du séparateur 330 est égale, inférieure ou supérieure à la largeur d’au moins un des deux logements que cet élément de rigidification sépare. De préférence, la largeur de chaque élément de rigidification est inférieure ou égale à la largeur du moins large des deux logements, pour des raisons d’économie et de place.

Selon des exemples possibles, on peut utiliser comme éléments de rigidification différents types de bandes adhésives, celles-ci étant adaptées pour adhérer au film du sachet refermable 301. Ces bandes servent alors de joint de connexion entre les deux logements séparés par l’élément de rigidification, et fournissent une rigidité supplémentaire au point de jonction. Le choix de ces éléments de rigidification ou de ces bandes adhésives peut se faire selon leur résistance à l’humidité, leur durabilité et leur capacité à maintenir une liaison forte même sous contrainte.

Comme décrit précédemment, désignant par « L » la longueur du côté du sachet refermable 301 et par « N » le nombre de logements formés le long d’une même série, la longueur « a » de chaque logement est, optionnellement, supérieure à sa largeur « b ». Si tous les logements sont définis par une longueur identique, le nombre « N » de logements dans une série est inférieur au rapport « L/a ».

A titre d’exemple, et afin d’illustrer différents choix de fabrication possible, il est possible de concevoir une cellule en sachet 300 dont le film 301 présente une longueur « L » égale à 460 millimètres, et comprenant deux séries de logement d'un côté de la bande d'électrodes 350. Dans ce cas, chacune des deux séries de logements peut comprendre cinq logements de longueur « a » égale à 60 millimètres et séparés entre-eux deux-à-deux par un élément de rigidification de longueur égale à 10 millimètres (ainsi que des bords du sachet avec une séparation de 10 millimètres) le long de la direction du premier axe OX1 et/ou du deuxième axe OX2. La largeur « b » des logements peut ici être choisie comme étant égale à 30 millimètres ou à 15 millimètres, définissant ainsi un rapport « a/b » égal à 2 ou à 4.

La représente schématiquement la formation d’un module de batterie électrique avec plusieurs cellules en sachet.

En particulier, est illustré un module de batterie électrique 1000 comprenant un repli, en forme de « Z », de deux ou de plusieurs cellules en sachet 101a, 101b et 101c, pouvant également être une ou plusieurs cellules en sachet selon le premier mode de réalisation, le deuxième mode de réalisation ou le troisième mode de réalisation.

Comme décrit, une cellule en sachet comprend différentes couches de matériaux polymères avec des propriétés spécifiques définissant sa résistance mécanique, sa barrière à l'humidité et à l'oxygène, ainsi que l'isolation électrique. Une couche extérieure composant cette cellule en sachet peut être un polymère haute résistance tel que du nylon, robuste et capable de résister à des contraintes mécaniques importantes.

Les couches intermédiaires d’une telle cellule en sachet incluent généralement différents films de laminage et de couches barrières en aluminium ou en matériaux similaires, qui offrent une protection contre les éléments extérieurs et contribuent à la forme et à la rigidité globale de la cellule et de ses composants

Comme représenté, les au moins deux cellules en sachet 101a, 101b, 101c, … sont superposées et repliées successivement l’une sur l’autre de manière à former une structure en forme de « Z ». Cette structure est obtenue en disposant les électrodes et des séparateurs en accordéon pour former un empilement d'électrodes de la cellule en sachet.

Afin de fabriquer des batteries relativement légères dans diverses formes nécessaires aux utilisations des présentes, et contrairement aux méthodes de bobinage utilisées pour les modules et les batteries prismatiques ou cylindriques, les composants internes des modules et des batteries en sachet sont empilés de manière dense en plusieurs couches, ce qui améliore aussi l'efficacité de l'espace et augmente la capacité énergétique. De plus, l'extérieur des batteries de type sachet n'est pas rigide, permettant ainsi leur conception dans plusieurs tailles et formes. Elles sont pliables et flexibles, ce qui les rend très fonctionnelles.

Par exemple, la superposition est mise en œuvre de sorte que les bandes d’électrodes respectives des cellules en sachet repliées, et donc la succession de cathodes et d’anodes 154a-152a de la cellule en sachet 101a, la succession 154b-152b de la cellule en sachet 101b et la succession 154c-152c de la cellule en sachet 101c, soient alignées pour être disposées l’une à côté de l’autre.

Ce pliage en "Z" fournit ainsi un empilement successif des cellules en sachet et un empilement de séparateurs de manière uniforme et en zigzag, ce qui minimise les contraintes appliquées aux cellules 101a, 101b, 101c et suivantes, ce qui prévient les contacts entre les anodes et les cathodes.

La couche interne du film de la cellule en sachet joue aussi un rôle important dans le confinement chimique et l'isolation de la batterie. Cette couche assure que le sachet peut contenir en toute sécurité les composants électrochimiques actifs de la batterie, tels que l'électrolyte et les électrodes, et contribue notamment à la dissipation de la chaleur générée pendant le fonctionnement de la batterie.

La est un organigramme qui précise les différentes étapes d’un procédé de fabrication d’une cellule en sachet selon un ou plusieurs modes de réalisation de l’invention.

Comme illustré, le procédé de fabrication débute par une première étape a) dénotée E10, correspondant à l’acronyme « FRN », qui prévoit de fournir un sachet refermable tel que celui des cellules en sachet 100, 200 et 300 discuté dans les modes de réalisation précédents. En particulier, ce sachet refermable, 101, 201 ou 301, comprend un film adapté pour recevoir l'électrolyte ainsi que la bande d'électrodes intégrée.

A la première étape a) dénotée E10 succède une deuxième étape b) dénotée E20, correspondant à l’acronyme « FORM », qui comprend la formation d’une pluralité de logements séparés dans le sachet refermable précédemment fourni.

De manière non limitative, la formation de logements peut être mise en œuvre sur la base du pliage en « Z » décrit précédemment. Il est par exemple possible d’utiliser un moule pour façonner la cellule en sachet selon les spécifications requises, telles que les dimensions, le rapport « a/b » ou encore la présence de moyens ou d’éléments de rigidification.

Au cours de cette deuxième étape b) dénotée E20, une ou deux sous-étapes supplémentaires, b1) dénotée E22 et/ou b2), dénotée E24, peuvent être mises en œuvre.

En particulier, l’étape b) dénotée E20 de formation des logements comprend une sous-étape b1) dénotée E22, correspondant à l’acronyme « SEP », et prévoyant de séparer les logements de la cellule en sachet pour que chacun d'eux soit isolé.

Pour cette fabrication de logements séparés, dans un exemple, une force descendante est appliquée par un moule sur l’empilement de couches de matériaux de la cellule en sachet. Cette force est, de préférence, appliquée de manière uniforme pour éviter les déformations et assurer la précision du formage.

Aux fins de former des logements de dimensions précises, il est préférable d’utiliser un moule qui n’est pas chauffé. Si une température est appliquée au moule, celui-ci peut subir d’éventuelles déformations qui auront un impact sur la forme des logements. Il est donc avantageux d’utiliser un moule qui n’est pas préchauffé et, par la suite, d’un agent de démoulage.

Au cours de cette deuxième étape b) dénotée E20, une inversion du mouvement du moule peut être mise en œuvre pour façonner la partie inférieure du sachet formé par la cellule, garantissant ainsi une symétrie entre les deux moitiés de la cellule sachet, avant de libérer celle-ci sans endommager sa structure ni ses couches.

En option, et de manière complémentaire à la sous-étape b1) de séparation, suite ou pendant celle-ci, l’étape b) dénotée E20 peut comprendre en outre une sous-étape b2) dénotée E24, correspondant à l’acronyme « RIG », et prévoyant de placer un ou plusieurs éléments de rigidification entre au moins deux logements formés afin de les séparer et de les isoler. Des exemples possibles d’éléments de rigidification ont été décrits ci-dessus dans le cadre du troisième mode de réalisation, destinés à être placés entre différents logements, et ce afin de renforcer la structure globale de la cellule en sachet en vue d’extraire les logements contenant du gaz formé par la suite.

Ensuite, au cours d’une troisième étape c) dénotée E30 et correspondant à l’acronyme « FERM », une fermeture du film de la cellule en sachet est mise en œuvre en scellant ce dernier sur lui-même, cloisonnant ainsi les logements. Cette étape assure l'étanchéité de la cellule en sachet, prévenant les fuites d'électrolyte. Cette fermeture peut petre réalisée par différentes techniques, par exemple par thermocollage.

A la troisième étape c), dénotée E30, succède une quatrième étape d) dénotée E40, et correspondant à l’acronyme « ELY ». La quatrième étape d) comprend l’introduction de l’électrolyte dans la cellule en sachet, par exemple dans les logements ou à l’intérieur du film scellé de la cellule en sachet, menant ensuite à l'activation des réactions électrochimiques lorsqu’une charge électrique est appliquée aux électrodes de la cellule en sachet.

En particulier, l’application d’une charge électrique aux électrodes de la cellule en sachet déclenche une cinquième étape e), dénotée E50, succédant à la quatrième étape d) et correspondant à l’acronyme « GAS ». C’est au cours de cette cinquième étape e) que la génération de gaz se produit dans la cellule en sachet, en raison des réactions électrochimiques se produisant entre l'électrolyte et les électrodes. Ces gaz sont alors accueillis et retenus à l'intérieur des logements formés.

En fin de processus, une sixième étape f), dénotée E60, et correspondant à l’acronyme « EXT », suit la cinquième étape e) et comprend l’extraction (E60) des logements ayant accueilli le gaz généré. On obtient une cellule en sachet apte à être utilisée au sein d’un module de batterie électrique correspondant.

Claims

Cellule en sachet (100 ; 200 ; 300) pour un module de batterie électrique (1000), la cellule en sachet (100 ; 200 ; 300) étant formée d’un sachet refermable (101 ; 201 ; 301) apte à accueillir un électrolyte, le sachet refermable (101 ; 201 ; 301) comprenant en outre au moins une bande d’électrodes (150, 152, 154 ; 250, 252, 254 ; 350, 352, 354) alignée le long d’un premier axe (OX1), les électrodes étant aptes, en fonctionnement, à faire réagir électro-chimiquement l’électrolyte, la réaction électrochimique de l’électrolyte déclenchant la génération d’un gaz, le sachet refermable (101 ; 201 ; 301) comprenant en outre une pluralité de logements (110, 120 ; 210, 211, 212, 213, 214, 215, 221, 222, 223, 224, 225 ; 310, 320) alignés le long d’un deuxième axe (OX2) sensiblement parallèle au premier axe (OX1), chacun desdits logements (110, 120 ; 210, 211, 212, 213, 214, 215, 221, 222, 223, 224, 225 ; 310, 320) étant formé dans une surface interne du sachet refermable (101 ; 201 ; 301) et étant apte à accueillir le gaz généré.
Cellule en sachet (100 ; 200 ; 300) selon la revendication 1, dans laquelle au moins l’un des logements (110, 120 ; 210, 211, 212, 213, 214, 215, 221, 222, 223, 224, 225 ; 310, 320) présente une forme tridimensionnelle définie par une longueur « a » (110a, 120a ; 210a, 211a, 212a, 213a, 214a, 220a, 221a, 222a, 223a, 224a ; 310a, 311a, 312a, 313a, 314a, 320a, 321a, 322a, 323a, 324a), par une largeur « b » et par une hauteur « c », la hauteur « c » étant inférieure ou égale à l’épaisseur de l’au moins une bande d’électrodes (150, 152, 154 ; 250, 252, 254 ; 350, 352, 354).
Cellule en sachet (100 ; 200 ; 300) selon la revendication 2, dans laquelle le rapport « a/b » de la longueur et de la largeur de l’au moins un logement est supérieur ou égal à 1 et inférieur ou égal à 6.
Cellule en sachet (200 ; 300) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle au moins deux des logements (210, 211, 212, 213, 214, 215, 221, 222, 223, 224, 225) consécutifs sont séparés entre eux par une partie de la surface interne du sachet refermable (201).
Cellule en sachet (200 ; 300) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la pluralité de logements (210, 211, 212, 213, 214, 215, 221, 222, 223, 224, 225) comprend au moins deux séries de plusieurs logements séparés deux à deux, chacune des deux séries de logements étant alignées le long du deuxième axe (OX2).
Cellule en sachet (300) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle au moins deux logements alignés consécutivement de la pluralité de logements (310, 311, 312, 313, 314, 320, 321, 322, 323, 324) sont en outre séparés entre eux par au moins un élément de rigidification (330, 331, 332, 333, 340, 341, 342, 343) disposé dans la surface interne du sachet refermable (301).
Procédé de fabrication d’une cellule en sachet (100 ; 200 ; 300) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, le procédé de fabrication comprenant les étapes de :
a) fourniture (E10) du sachet refermable (101 ; 201 ; 301) apte à accueillir l’électrolyte, le sachet refermable (101 ; 201 ; 301) comprenant l’au moins une bande d’électrodes (150, 152, 154 ; 250, 252, 254 ; 350, 352, 354),
b) formation (E20), dans la surface interne du sachet refermable (101 ; 201 ; 301) fourni, de la pluralité de logements (110, 120 ; 210, 211, 212, 213, 214, 215, 221, 222, 223, 224, 225 ; 310, 320) de sorte que lesdits logements sont séparés deux à deux,
c) fermeture (E30) du sachet refermable (101 ; 201 ; 301), mise en œuvre en repliant le sachet refermable (101 ; 201 ; 301) sur lui-même de sorte à sceller chacun des logements séparés deux à deux avec un autre logement respectif parmi la pluralité de logements séparés deux à deux,
d) insertion (E40) de l’électrolyte dans le sachet refermable (101 ; 201 ; 301) fermé,
e) mise en réaction électrochimique (E50) de l’électrolyte pour déclencher la génération du gaz, le gaz généré étant accueilli dans la pluralité de logements scellés, et
f) extraction (E60) de chacun des logements ayant accueilli le gaz généré.
Procédé de fabrication selon la revendication 7, dans lequel l’étape b) de formation (E20) comprend une sous-étape b1) de séparation (E22) d’au moins deux logements de la pluralité de logements (210, 211, 212, 213, 214, 215, 221, 222, 223, 224, 225) par une partie de la surface interne du sachet refermable (201) et/ou une sous-étape b2) de rigidification d’au moins deux logements de la pluralité de logements (310, 311, 312, 313, 314, 320, 321, 322, 323, 324) par au moins un élément de rigidification (330, 331, 332, 333, 340, 341, 342, 343) dans la surface interne du sachet refermable (301).
Procédé de fabrication selon la revendication 7 ou 8, dans lequel l’étape b) de formation (E20) de la pluralité de logements (110, 120 ; 210, 211, 212, 213, 214, 215, 221, 222, 223, 224, 225 ; 310, 320) comprend une modulation de chaque logement de sorte à ce que chaque logement présente une forme tridimensionnelle définie par une longueur « a » (110a, 120a ; 210a, 211a, 212a, 213a, 214a, 220a, 221a, 222a, 223a, 224a ; 310a, 311a, 312a, 313a, 314a, 320a, 321a, 322a, 323a, 324a), par une largeur « b » et par une hauteur « c », la hauteur « c » étant inférieure ou égale à l’épaisseur de l’au moins une bande d’électrodes (150, 152, 154 ; 250, 252, 254 ; 350, 352, 354), le rapport « a/b » de la longueur et de la largeur de l’au moins un logement étant supérieur ou égal à 1, ledit rapport « a/b » de la longueur et de la largeur étant inférieur ou égal à 6.
Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 7 à 10, dans lequel l’étape b) de formation (E20) de la pluralité de logements (110, 120 ; 210, 211, 212, 213, 214, 215, 221, 222, 223, 224, 225 ; 310, 320) est mise en œuvre au moyen d’un moule et dans lequel l’étape f) d’extraction (360) de chacun des logements est mise en œuvre au moyen d’un agent de démoulage.