EP4699184A1

EP4699184A1 - Cellule cylindrique de batterie électrique et couvercle hermétique correspondant

Info

Publication number: EP4699184A1
Application number: EP25721890.9A
Authority: EP
Inventors: Rafael ACOSTA LAISEQUILLA
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: FR3161807A1; WO2025224352A1

Abstract

La présente divulgation concerne un couvercle hermétique apte à sceller une cellule cylindrique d'un module de batterie électrique, ledit couvercle hermétique comprenant un premier sillon annulaire (1) et au moins un deuxième sillon annulaire (2), chacun des sillons annulaires étant formé dans une surface (14) du couvercle hermétique, le premier sillon annulaire (1) étant formé dans une première épaisseur de matière (x1) du couvercle hermétique (10) en-dessous du premier sillon annulaire (1) et au-dessus d'une base inférieure (15) du couvercle hermétique (10), au moins une deuxième épaisseur de matière (x2) de la surface du couvercle hermétique (10) étant située en-dessous de l'au moins deuxième sillon annulaire (2) et au-dessus de la base inférieure (15) du couvercle hermétique (10).

Description

Cellule cylindrique de batterie électrique et couvercle hermétique correspondant.

Domaine technique de l’invention

La présente description se rapporte au domaine du stockage d’énergie. La présente invention concerne une cellule cylindrique de batterie électrique, en particulier un couvercle hermétique adapté pour sceller une cellule cylindrique d’un module de batterie électrique.

Etat de la technique

Dans de nombreux secteurs industriels, par exemple dans le domaine des modules de batteries électriques, il est connu de concevoir des systèmes de stockage d'énergie pour alimenter diverses applications. Un obstacle rencontré par ces systèmes réside dans l’amélioration de la sécurité face aux risques associés de l’emploi de cellules cylindriques destinées à alimenter des véhicules électriques, notamment en ce qui concerne la gestion des contraintes à l’intérieur des cellules et des risques de dommages en cas de défaillances.

Les cellules cylindriques destinées à un module de batterie électrique sont formées de plusieurs éléments, dont des électrodes, typiquement une anode en aluminium revêtue de graphite et une cathode en cuivre revêtue d'un mélange de Nickel-Manganèse-Cobalt, appelé « NMC » dans les présentes. Entre ces électrodes se situe l'électrolyte, qui est généralement un liquide permettant le transport d’ions entre les électrodes pendant le processus de charge et de décharge.

Une cellule cylindrique comprend en outre, au niveau de sa base supérieure et/ou de sa base inférieure, un couvercle fermant celle-ci et en assurant la stabilité structurelle. Un couvercle inférieur est typiquement positionné du côté de l‘électrode en décharge, et est conçu pour maintenir l’étanchéité de la cellule, pour garantir la séparation hermétique avec l’électrolyte, et pour éviter les fuites tout en permettant le passage du courant électrique à travers de connecteurs métalliques.

A l’opposé du couvercle inférieur, un couvercle supérieur est situé du côté de l’autre électrode, avec une fonction similaire et permettant une connexion électrique avec une ou plusieurs autres cellules cylindriques du module de batterie électrique. Ce couvercle supérieur est également adaptable pour résister à des pressions internes élevées et pour assurer la sécurité en cas d'augmentation soudaine des contraintes à l'intérieur de la cellule.

Cependant, et malgré les systèmes de sécurité existants au sein de ces cellules cylindriques connues, un problème fréquemment rencontré est le risque de dommages pouvant survenir lorsque ces cellules sont surchargées et/ou soumises à des températures excessives, ce qui peut entraîner des réactions chimiques incontrôlées au sein de la batterie. De telles conditions conduisent potentiellement à une expansion des matériaux et/ou à une libération de gaz ou au sein de la cellule cylindrique, l’augmentation de la pression interne créant alors un risque de rupture de l’enceinte de la cellule ou de ses couvercles, voire d'une explosion généralisée.

L’existence d’un tel risque illustre clairement les limites des cellules cylindriques et des moyens de sécurité existants. En effet, la position où une rupture est susceptible de survenir est très difficilement prévisible à l’avance. Par conséquent, il existe un besoin de développer des solutions permettant de gérer de manière plus efficace et sécurisée les conditions d’occurrence de ces ruptures.

Objet de l’invention

Afin de répondre à ce ou à ces inconvénients, il est proposé selon un premier objet des présentes un couvercle hermétique apte à sceller une cellule cylindrique d’un module de batterie électrique, ledit couvercle hermétique comprenant un premier sillon annulaire et au moins un deuxième sillon annulaire, chacun desdits sillons annulaires étant formé dans une épaisseur totale de matière du couvercle hermétique, une première épaisseur de matière de la surface du couvercle hermétique étant située en-dessous du premier sillon annulaire et au-dessus d’une base inférieure du couvercle hermétique, au moins une deuxième épaisseur de matière de la surface du couvercle hermétique étant située en-dessous de l’au moins deuxième sillon annulaire et au-dessus de la base inférieure du couvercle hermétique.

Dans les présentes ou selon un mode de réalisation possible, la surface du couvercle hermétique est formée par une base supérieure, ladite base supérieure étant sensiblement parallèle à la base inférieure, l’épaisseur totale de matière du couvercle hermétique étant située entre la base inférieure du couvercle hermétique et ladite base supérieure.
Dans les présentes, on entend par « éléments sensiblement parallèles » deux éléments qui sont parallèles avec une variation positive ou négative possible d’un angle de 1° à 3°.

Dans les présentes, les grandeurs mesurables seront de préférences mentionnées entre guillemets, par exemple, une longueur « l », un angle « A » ou une épaisseur « x ».

Dans les présentes, la valeur de l’épaisseur totale de matière du couvercle hermétique est une longueur, cette longueur étant mesurable verticalement depuis la base supérieure du couvercle hermétique jusqu'à la base inférieure du couvercle hermétique. En outre, la valeur de la longueur verticale que définit la première épaisseur de matière de la surface du couvercle hermétique est mesurée verticalement entre la base du premier sillon annulaire et la base de l'au moins un deuxième sillon annulaire. De plus, la valeur de la longueur verticale que définit la deuxième épaisseur de matière de la surface du couvercle hermétique est mesurée verticalement entre la base de l’au moins un deuxième sillon annulaire et la base inférieure du couvercle hermétique. Lorsqu’un premier sillon annulaire et un deuxième annulaire sont formés dans le couvercle hermétique, l’au moins une deuxième épaisseur de matière de la surface du couvercle hermétique est nécessairement supérieure à zéro, la base ou le fond de l’au moins un deuxième sillon annulaire ne se confondant pas avec la base inférieure du couvercle hermétique.

Dans les présentes, une profondeur est aussi mesurable verticalement depuis le point le plus haut d’un sillon jusqu’au point le plus bas du même sillon, cette mesure étant aussi effectuée parallèlement à la direction verticale permettant de mesurer les épaisseurs de matière de la surface. La largeur d’un sillon, quant à elle, est mesurée ou mesurable la distance horizontale mesurée d'un bord interne du sillon à l'autre, perpendiculairement à la direction de mesure d’épaisseur de matière de la surface du couvercle hermétique ou de la profondeur précédemment mentionnée.

On vise ainsi à fournir un couvercle hermétique conçu pour diriger de manière contrôlée une éventuelle défaillance vers une zone spécifique du couvercle en cas d'augmentation brutale de la pression à l'intérieur d’une cellule cylindrique d’un module de batterie électrique.

Ceci permet aussi de canaliser l'éventuelle rupture de manière prévisible et localisée, sans nécessairement chercher à absorber ou diffuser la pression en cas d'explosion. Grâce à l'implémentation de sillons annulaires de profondeurs différentes sur la surface du couvercle, on crée des zones de faiblesse contrôlées qui favorisent une ouverture précise sous conditions extrêmes, permettant ainsi d'éviter une défaillance catastrophique tout en maintenant la sécurité globale du système, protégeant ainsi mieux les utilisateurs et les équipements environnants.

Selon un mode de réalisation, le rapport de la première épaisseur de matière sur la deuxième épaisseur de matière est supérieur ou égal à 1,5 et est en outre inférieur ou égal à 12.

Ceci permet de d'optimiser le couvercle hermétique de sorte à favoriser une rupture au niveau du premier et/ou du deuxième sillon annulaire. Il a été observé de manière surprenante que ces valeurs de rapport de la première épaisseur de matière sur la deuxième épaisseur de matière fournissent un couvercle hermétique avec une précision maximisée du contrôle de la position où une éventuelle défaillance peut survenir.

Selon un mode de réalisation, la première épaisseur est comprise entre 30% et 60% de l’épaisseur totale de matière du couvercle hermétique.

Ceci permet de s'assurer que la concentration de la force exercée par la pression interne est optimalement dirigée vers le premier sillon annulaire, en favorisant une déformation prévisible et contrôlée du couvercle en cas de défaillance, par exemple une surpression susceptible d’endommager la cellule cylindrique.

Selon un mode de réalisation, la deuxième épaisseur est comprise entre 5% et 20% de l’épaisseur totale de matière du couvercle hermétique.

Ceci permet de s'assurer que le point de rupture en cas de pression ou de force interne appliquée sur le couvercle est précisément localisé au niveau de l’au moins un deuxième sillon conçu à cet effet, en créant une zone de faiblesse intentionnelle qui favorise la rupture du couvercle au niveau de celui-ci et garantissant ainsi d’avantage une déformation prévisible et contrôlée du couvercle en cas de défaillance, par exemple une surpression susceptible d’endommager la cellule cylindrique.

Selon un mode de réalisation, chacun des sillons annulaires est formé par un dénivelé respectif et par une pente respective dudit sillon annulaire, chaque dénivelé respectif étant sensiblement parallèle à la base inférieure du couvercle hermétique et chaque pente respective formant un angle d’inclinaison respectif avec la base inférieure du couvercle hermétique.

Dans les présentes, et comme il sera détaillé par la suite, le premier sillon annulaire comprend, ou peut être défini au moyen de, une première pente dont le point le plus haut est situé au niveau de la base supérieure du couvercle hermétique et dont le point le plus bas est situé au niveau d’un premier dénivelé correspondant, ce premier dénivelé étant sensiblement parallèle à la base supérieure et/ou à la base inférieure du couvercle hermétique. Respectivement, l’au moins un deuxième sillon annulaire comprend, ou peut être défini au moyen de, une deuxième pente dont le point le plus haut est situé au niveau du premier dénivelé (ou du dénivelé d’un sillon annulaire précédent) et dont le point le plus bas est situé au niveau d’un deuxième dénivelé correspondant, ce deuxième dénivelé étant sensiblement parallèle à la base supérieure du couvercle hermétique, à la base inférieure du couvercle hermétique et/ou au premier dénivelé.

Ceci permet de modifier la structure du couvercle de sorte à diriger une rupture éventuelle vers des zones spécifiques, améliorant la prédictibilité des défauts et permettant une destruction contrôlée en cas d'augmentation de la pression interne. De plus, la présence d’au moins deux pentes et au moins deux dénivelés qui se suivent permet à cette configuration d’éviter une rupture généralisée de l'enceinte de la cellule ou de ses couvercles en concentrant la défaillance potentielle sur ces zones prédéterminées.

Selon un mode de réalisation, l’angle d’inclinaison de la pente respective de l’au moins un deuxième sillon annulaire, appelé deuxième angle, est plus grand que l’angle d’inclinaison de la pente respective du premier sillon annulaire, appelé premier angle.

Ceci fournit une pluralité de sillons annulaires avec un gradient de résistance structurale sur ou dans le couvercle hermétique, l'augmentation de l'angle d'inclinaison entre le premier et le deuxième sillon annulaire optimisant la répartition des contraintes en cas de montée de pression interne.

Ceci permet aussi d'optimiser la forme des sillons annulaires ainsi que l'épaisseur restante de la surface du couvercle hermétique de sorte que celle-ci ne soit pas trop grande, sans quoi la rupture pourrait ne pas survenir au niveau du premier et/ou de l’au moins un deuxième sillon annulaire, et que celle-ci ne soit pas trop petite, sans quoi le risque de voir la rupture y survenir serait augmenté en raison d'une présence moindre de matière du couvercle adapté pour former cette surface du couvercle hermétique.

Selon un mode de réalisation, le premier angle a une valeur sélectionnée dans l’intervalle [30°, 60°] et le deuxième angle a une autre valeur sélectionnée dans l’intervalle [30°, 60°], ladite autre valeur étant distincte de la valeur du premier angle.

Ceci permet de maîtriser avec précision la direction et le point de rupture éventuel dans le couvercle hermétique en cas de défaillance éventuelle, par exemple en cas surpression pouvant compromettre l’intégrité de la cellule, en choisissant des angles pour les sillons qui optimisent la résistance structurelle tout en évitant les dommages liés à l'outillage lors de leur formation. En définissant le premier angle et le deuxième angle dans l'intervalle [30°, 60°] avec des valeurs distinctes, on assure une longueur et une inclinaison optimales des sillons pour pouvoir prédire et contrôler l'emplacement de la défaillance. Cela évite les extrêmes problématiques, à savoir les angles trop aigus qui rendraient les sillons trop longs et aux propriétés mécaniques moins prévisible, et les angles trop obtus qui compliquent la fabrication avec un risque accru de dégâts lors de la fabrication, notamment avec un outil de poinçonnage.

Selon un mode de réalisation possible, en variante, le premier angle et le deuxième angle ont chacun une même valeur égale sélectionnée dans l’intervalle [30°, 60°].

Ceci permet d’obtenir les mêmes avantages que précédemment, mais avec une fabrication facilitée des sillons annulaires puisqu’un même outil de fabrication peut être employé pour former des sillons ayant un même angle et inclinaison désirée dans la matière.

Il est proposé, selon un autre objet des présentes, une cellule cylindrique formée d’une enceinte cylindrique et comprenant au moins une électrode adaptée pour être connectée à un élément électrique externe, l’enceinte cylindrique comprenant en outre un électrolyte liquide, la cellule cylindrique comprenant en outre un couvercle hermétique selon l’objet précédent et l’un quelconque des modes de réalisation précédents, le couvercle hermétique fermant hermétiquement l’enceinte cylindrique.

Ceci permet de préserver l'efficacité électrochimique et la sécurité de la cellule en assurant l'étanchéité contre tout risque de fuite d'électrolyte liquide. L'intégration d'un couvercle hermétique conforme aux spécifications de profondeur et d'angle des sillons annulaires précités, facilite le contrôle d’éventuelles décompressions et/ou de dégradation de la cellule.

Selon un mode de réalisation, la cellule cylindrique présente des dimensions choisies parmi : un diamètre d’environ 18 millimètres et une longueur d’environ 65 millimètres, un diamètre d’environ 21 millimètres et une longueur d’environ 70 millimètres, ou un diamètre compris entre 40 et 50 millimètres et une longueur inférieure à 125 millimètres.

Dans les présentes, une longueur d’environ un nombre donné de millimètres est une longueur à 1 ou 2 millimètres près de ce nombre donné.

Ceci permet de fournir une solution optimisée pour les applications nécessitant une densité énergétique élevée et une autonomie prolongée.

En particulier, la sélection spécifique, d’une part, de ces valeurs de diamètres et, d’autre part, de ces valeurs de longueurs permet d’optimiser les avantages procurés par le couvercle hermétique pour des cellules cylindriques destinées à des véhicules électriques. En choisissant des dimensions spécifiques pour la cellule cylindrique, comme un diamètre de 46 millimètres et une longueur de 99 millimètres, des cellules « 4680 » peuvent être utilisées de manière optimale avec le couvercle hermétique. Ces dimensions plus grandes par rapport aux cellules « 18650 » et « 21700 » offrent un volume et une surface plus importants pour le stockage d'énergie, ce qui se traduit par une capacité maximale significativement accrue. Par exemple, la capacité maximale des cellules « 21700 » peut atteindre 5600mAh, tandis que celle des cellules « 18650 » varie entre 2000mAh et 3500mAh. Les cellules « 4680 », avec leurs dimensions encore plus grandes, permettent une capacité et une densité énergétique nettement supérieures, favorisant ainsi des performances améliorées et une autonomie plus longue pour les véhicules électriques.

Il est proposé, selon un autre objet des présentes, un module de batterie électrique comprenant au moins une cellule cylindrique selon le ou les objet(s) précédent(s) et l’un quelconque des modes de réalisation précédents.

Ceci permet de fournir un module de batterie électrique sécurisé et fiable, en intégrant une ou plusieurs cellules cylindriques équipées de couvercles hermétiques conçus selon les modes de réalisation précédents. L'assemblage de cette ou de ces cellules au sein d'un même module garantit une gestion optimale des risques de surpression et des températures extrêmes, grâce à la prévisibilité et à la contrôlabilité des points de défaillance.

Il est proposé, selon un autre objet des présentes, une batterie électrique destinée à être intégrée dans un véhicule automobile électrique, ladite batterie électrique comprenant un module de batterie électrique, ledit module de batterie électrique comprenant au moins une cellule cylindrique selon le ou les objet(s) précédent(s) et l’un quelconque des modes de réalisation précédents.

Ceci permet de maximiser la sécurité et l'efficacité énergétique des batteries électriques destinées aux véhicules électriques, puisque la fiabilité du système de batterie est augmenté grâce à une gestion optimisée des contraintes internes et des risques de rupture, tout en favorisant une intégration efficace dans les architectures variées des véhicules électriques. Cela conduit aussi à une amélioration significative de la performance globale des véhicules automobiles électriques, tant en termes d'autonomie que de durabilité.

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 illustre une vue en perspective d’un couvercle hermétique scellant une cellule cylindrique d’un module de batterie électrique selon un mode de réalisation de l’invention.

La illustre une première vue en coupe de sillons annulaires formés dans une surface du couvercle hermétique pour une cellule cylindrique d’un module de batterie électrique selon un mode de réalisation de l’invention.

La illustre une deuxième vue en coupe de sillons annulaires formés dans une surface du couvercle hermétique pour une cellule cylindrique d’un module de batterie électrique selon un mode 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.

La représente une vue en perspective d’un couvercle hermétique scellant une cellule cylindrique d’un module de batterie électrique selon un mode de réalisation de l’invention.

Comme illustré, une cellule cylindrique 100 est représentée, celle-ci étant prévue pour être intégrée à un module de batterie électrique. La cellule cylindrique 100 est fermée, et de préférence scellée, au niveau de sa base supérieure, par un couvercle hermétique 10 qui est de forme circulaire et correspondante à la forme de la base supérieure de la cellule cylindrique 100 afin de fermer celle-ci.

La cellule cylindrique 100 elle-même est formée d’une enceinte cylindrique 110. Cette enceinte cylindrique 110 comprend au moins une électrode (non visible(s) sur le dessin), et de préférence au moins deux électrodes dont une cathode et une anode, chacune de ces électrodes étant adaptée pour être connectée à un élément électrique externe. Non visible sur le dessin, la cellule cylindrique 100 comprend, enfermé à l’intérieur de l’enceinte cylindrique 110, un électrolyte liquide, le couvercle hermétique 10 assurant l’étanchéité et le caractère hermétique de la cellule cylindrique 100 et, en d’autres mots, empêchant toute fuite de l’électrolyte liquide hors de l’enceinte cylindrique 110.

Le couvercle hermétique 10 comprend, dans sa surface, une pluralité de sillons annulaires dont, présentement, un premier sillon annulaire 1 et un deuxième sillon annulaire 2.

De manière non limitative, et bien qu’une pluralité de deuxièmes sillons annulaires puisse être prévue, les modes de réalisation décrits par la suite se réfèrent au cas d’un premier sillon annulaire 1 et d’un unique deuxième sillon annulaire 2.

Le couvercle hermétique 10 présente une épaisseur prédéterminée et réalisée en une matière donnée, cette épaisseur prédéterminée étant située entre une base supérieure 14 du couvercle hermétique et une base inférieure du couvercle hermétique (non visible sur la ). Le couvercle hermétique 10 présente en outre un rayon « R10 » prédéterminé qui est mesurable le long de la surface de sa base supérieure et entre le centre de la base supérieure 14 de la cellule cylindrique 10 et son bord.

En variante de définir chaque sillon annulaire en fonction d’une distance définie depuis le bord extérieur de la cellule cylindrique et mesurée le long d’un rayon de la surface du couvercle hermétique 10, les dimensions du premier sillon annulaire 1 et du deuxième sillon annulaire 2 peuvent être définies comme suit. La largeur totale du premier sillon annulaire 1 dans la base supérieure 14 du couvercle 10 est défini par une première distance prédéterminée « D1 » qui sépare les deux bords de l’encoche ou de la rainure que forme le premier sillon annulaire 1. Le deuxième sillon annulaire 2 est ici formé dans la profondeur du premier sillon annulaire 1, et est défini par une deuxième distance prédéterminée « D2 » qui sépare les deux bords de l’encoche ou de la rainure que forme le deuxième sillon annulaire 2.

Selon un mode de réalisation possible, la deuxième distance prédéterminée « D2 » est inférieure ou égale à la une première distance prédéterminée « D1 ».

De manière non limitative, les dimensions de la cellule cylindrique 100, de l’enceinte cylindrique 110 et/ou du couvercle hermétique 10 sont diverses et variées. Un exemple de cellule cylindrique est de type « 1865 », le nombre « 18 » indiquant un diamètre de 18 millimètres et le nombre « 65 » indiquant une longueur de 65 millimètres. D’autres exemples de cellules cylindriques comprennent des cellules « 2170 » ou « 4680 », celles-ci étant de préférence utilisées au sein de batteries lithium pour les voitures électriques.

Selon différents modes de réalisation, les épaisseurs de matière définissant le couvercle hermétique 10 sont donc adaptées pour que ledit couvercle hermétique 10 permette de fermer et/ou sceller adéquatement au moins une base de telles cellules cylindriques, par exemple la base supérieure 14.

Dans le couvercle hermétique 10, chacun des sillons annulaires 1 et 2 est défini comme formant une encoche, ou une rainure, qui est circulaire et continue. Chacun des sillons annulaires comprend une profondeur prédéterminée qui suit la courbure de la surface dans laquelle elle est formée. Formé dans la surface du couvercle hermétique 10, chaque sillon annulaire présente une forme concave incluant un dénivelé respectif et s'inscrivant en parallèle avec le contour circulaire du couvercle hermétique 10, mais à une distance définie du bord extérieur, créant ainsi un cercle intérieur distinct.

La représente une vue en coupe de sillons annulaires formés dans une surface du couvercle hermétique pour une cellule cylindrique d’un module de batterie électrique selon un mode de réalisation de l’invention.

De manière non limitative, est illustré le cas où le couvercle hermétique 10 comprend deux sillons annulaires 1 et 2. Cette figure illustre aussi des fractions possibles d’épaisseurs de matière réalisées dans le couvercle hermétique pour former les deux sillons annulaires, ainsi que leurs angles d’inclinaison respectifs.

Selon différents modes de réalisation, d’autres géométries sont possibles avec différentes fractions, angles et volumes de matière considérés.

Le premier sillon annulaire 1 et le deuxième sillon annulaire 2 présentent chacun une forme sensiblement symétrique et circulaire, et dont les dimensions sont, de préférence, différentes. Chacun des sillons est formé dans la surface 14 du couvercle hermétique, le deuxième sillon annulaire 2 étant formé dans la base du premier sillon annulaire 1.

Selon le mode de réalisation tel qu’illustré, le premier sillon annulaire 1 est formé par un premier dénivelé respectif 12 et par une première pente respective 11, tandis que le deuxième sillon annulaire 2 est formé par un deuxième dénivelé respectif 22 et par une deuxième pente respective 21. Dans ce cas, un premier angle d’inclinaison respectif « A1 » est défini comme formant l’angle entre la première pente respective 11 et la base supérieure 14 (ou la base inférieure 15) du couvercle hermétique 10, tandis qu’un deuxième angle d’inclinaison respectif « A2 » est défini comme formant l’angle entre la deuxième pente respective 21 et la base supérieure 14 (ou la base inférieure 15) du couvercle hermétique 10.

La première pente 11 que présente le premier sillon annulaire 1 a un sommet qui coïncide avec la base supérieure du couvercle hermétique 10, tandis que son point le plus bas est au niveau du premier dénivelé 12. Ce premier dénivelé 12 est sensiblement parallèle à la base inférieure 15.

Les dénivelés 12 et 22, avec leurs pentes respectives 11 et 21, ont pour rôle combiné de mieux déterminer le comportement du couvercle en cas de stress interne dans la cellule, celui-ci étant susceptible de mener à une défaillance. Il est important de positionner stratégiquement ces dénivelés pour optimiser la distribution de la pression, par exemple en cas d’expansion de gaz à l’intérieur de la cellule, et ainsi permettre de diriger tout risque de rupture vers des zones prédéterminées où peuvent survenir les dommages potentiels en cas de défaillance ou d’explosion.

Selon un mode de réalisation, le couvercle hermétique 10 est composé d'un matériau adapté à fermer et/ou sceller de manière sécurisée la cellule cylindrique, en particulier au niveau d’au moins une ouverture circulaire d’une telle cellule cylindrique.

Comme illustré, le couvercle hermétique 10 présente une épaisseur totale de matière « x » qui en forme la structure principale, cette matière étant de préférence formée au moins du matériau mentionné précédemment, bien que d’autres composants et/ou matériaux peuvent être incorporés.

Selon un mode de réalisation, au moins un des sillons annulaires 1 ou 2 est formé par usinage d’un volume de matière destiné à former un couvercle de cellule cylindrique. Cet usinage peut être réalisé au moyen de tout outil adapté, par exemple au moyen d’une poinçon, d’une poinçonneuse ou d’un outil perforant, pour extraire de la matière hors d’un volume plein, afin de former un couvercle hermétique 10 qui comprend l’au moins un des sillons sous la forme d’un creux ou d’une rainure.

Le premier sillon annulaire 1 et le deuxième sillon annulaire 2 sont chacun formés dans une épaisseur totale de matière « x » du couvercle hermétique « 10 ». L’épaisseur totale de matière « x » est mesurable le long d’une direction verticale, cette direction verticale étant perpendiculaire à la surface de la base inférieure 15 et/ou de la base supérieure 14 du couvercle hermétique 10. Comme illustré, l’épaisseur totale de matière « x » égale la somme de trois épaisseurs partielles de matière « x3 », « x1 » et « x2 ».

Selon un mode de réalisation, et au regard de ces trois épaisseurs partielles de matière « x3 », « x1 » et « x2 », le matériau de la première épaisseur de matière « x1 » est situé en-dessous du premier sillon annulaire 1 et au-dessus de la base inférieure 15, ce qui confère au couvercle hermétique 10 une résistance structurale significative en-dessous du premier sillon annulaire 1, sauf au niveau du deuxième sillon annulaire 2 où moins de matière est présente.

En particulier, selon un mode de réalisation, du matériau d’une deuxième épaisseur « x2 » de la surface du couvercle hermétique 10 est située en-dessous du deuxième sillon annulaire 2 et au-dessus de la base inférieure 15. De préférence, le volume de matière correspondant à la première épaisseur de matière « x1 » forme les bords latéraux du deuxième sillon annulaire 2.

Selon un mode de réalisation, le volume de matière correspondant à la troisième épaisseur de matière « x3 » forme les bords latéraux du premier sillon annulaire 1.

De préférence, le volume de matière correspondant à la troisième épaisseur de matière « x3 » est plus petit que le volume de matière correspondant à la première épaisseur de matière « x1 » et/ou au volume de matière correspondant à la deuxième épaisseur de matière « x2 ». Cependant, la troisième épaisseur de matière « x3 » elle-même est associée à une longueur mesurable verticalement qui est, de préférence, plus grande que chacune des longueurs mesurables verticalement qui correspondent à la première épaisseur de matière « x1 » et à la deuxième épaisseur de matière « x2 ».

Selon un mode de réalisation, le rapport de la première épaisseur de matière « x1 » sur la deuxième épaisseur de matière « x2 », c’est-à-dire la valeur de « x1/x2 », est compris(e) dans l’intervalle [1,5 ; 12].

Par exemple, il est observé lors de la conception des sillons annulaires et de la réalisation de ces différentes épaisseurs relatives de matière que si la première épaisseur de matière « x1 » était égale à 1,3 fois ou à 0.9 fois la deuxième épaisseur de matière « x2 » , il en résultait soit que la répartition de pression vers le premier sillon annulaire était insuffisante pour garantir une rupture contrôlée à proximité de celui-ci, soit que la concentration de force excessive sur la deuxième épaisseur rendait l’intégrité du couvercle trop faible à certains endroits, , à des endroits qui ne sont pas souhaités être des points de rupture contrôlée, augmentant ainsi le risque de défaillance imprévisible.

Selon un mode de réalisation, le rapport de la première épaisseur de matière « x1 » sur l’épaisseur totale de matière « x » du couvercle hermétique 10, c’est-à-dire la valeur de « x1/x », est compris(e) dans l’intervalle [0,3 ; 0,6]. En d’autres termes, la première épaisseur « x1 » est comprise entre 30% et 60% de l’épaisseur totale de matière « x » du couvercle hermétique 10.

Par exemple, il est observé qu’après fabrication de sillons annulaires respectant différentes valeurs d’épaisseurs relatives de matière que si la première épaisseur « x1 » ne vaut que 10% ou 25% de l’épaisseur totale de matière « x », alors la répartition de la force est observée comme ne dirigeant pas la pression suffisamment vers le premier sillon annulaire. Dans un tel cas, la précision de la localisation du ou des point(s) de rupture se voit réduite, ce qui risque d’entraîner une déformation imprévisible du couvercle en cas de défaillance éventuelle. A contrario, il est observé par exemple que si la première épaisseur « x1 » vaut 70% de l’épaisseur totale « x », alors le couvercle risque de devenir trop rigide dans la zone de la première épaisseur, limitant sa capacité à déformer de manière prévisible en cas de surpression, et donc pouvant empêcher la rupture au niveau du sillon annulaire prévu, qui risque dans ce cas de survenir en d'autres parties de la cellule cylindrique. L’intervalle compris entre 30% et 60% fournit donc un compromis optimal pour la valeur de « x1/x ».

Selon un mode de réalisation, le rapport de la première épaisseur de matière « x1 » sur l’épaisseur totale de matière « x » du couvercle hermétique 10, c’est-à-dire la valeur de « x2/x », est compris(e) dans l’intervalle [0,05 ; 0,2]. En d’autres termes, la deuxième épaisseur « x2 » est comprise entre 5% et 20% de l’épaisseur totale de matière « x » du couvercle hermétique 10.

Par exemple, il est observé qu’après conception de sillons annulaires et de la réalisation de différentes épaisseurs relatives de matière que si la deuxième épaisseur « x2 » ne vaut que 1% ou 2% de l’épaisseur totale de matière « x », alors le couvercle hermétique 10 pourrait présenter une rigidité ou une dureté excessive comparativement à des zones qui seraient plus avantageusement prévues pour être des points de faiblesse, ce qui pourrait résulter en une défaillance du couvercle dans une ou plusieurs zones non désirées. A contrario, il est observé par exemple que si la deuxième épaisseur « x2 » vaut 30% ou 40% de l’épaisseur totale de matière « x », alors cette configuration pourrait non seulement empêcher une rupture prévisible au niveau du deuxième sillon mais aussi influencer négativement la fonctionnalité du premier sillon. Une deuxième épaisseur « x2 » risque donc de diriger de manière inappropriée les forces en jeu lors d'une surpression, dirigeant potentiellement l'énergie de manière imprévue et compromettant la séquence souhaitée de défaillance. L’intervalle compris entre 5% et 20% fournit donc un compromis optimal pour la valeur de « x2/x ».

La représente une vue en coupe d’un couvercle hermétique muni de sillons annulaires et similaire à ceux de la figure précédente, ledit couvercle hermétique étant adapté pour fermer ou sceller une cellule cylindrique d’un module de batterie électrique selon un mode de réalisation de l’invention.

En particulier, sont illustrées différentes longueurs correspondantes aux sillons annulaires formés dans le couvercle hermétique, notamment les longueurs des projections horizontales des pentes respectives de ces sillons annulaires et les dénivelés respectifs de ces pentes respectives.

Dans les présentes, la projection horizontale d’une pente respective d’un sillon annulaire est définie comme étant une distance horizontale, plus précisément la distance entre le point le plus haut et le point le plus bas de cette pente respective lorsque ladite distance est mesurée le long d’un plan horizontal, ledit plan horizontal étant défini comme un plan parallèle à la base supérieure du couvercle hermétique de la cellule cylindrique.

Sur la base des grandeurs mesurables indiquées sur les précédentes figures, la première distance prédéterminée « D1 », la deuxième distance prédéterminée « D2 », les angles d’inclinaison respectifs et les dénivelés respectifs sont reliés entre eux par plusieurs relations mathématiques.

Comme illustré, la distance « R11 » définit la projection horizontale de la pente respective 11 du premier sillon annulaire 1. La distance « R12 », qui est mesurable horizontalement sans réaliser de projection horizontale, définit la longueur du dénivelé respectif 12 du premier sillon annulaire 1. La distance « R21 » définit la projection horizontale de la pente respective 21 du deuxième sillon annulaire 2. La distance « R22 », qui est mesurable horizontalement sans réaliser de projection horizontale, définit la longueur du dénivelé respectif 22 du deuxième sillon annulaire 2.

Des définitions précédentes, il découle que la deuxième distance prédéterminée, « D2 », est égale à la somme des distances « R21 » et « R22 ». De plus, la somme des distances « R11 », « R12 », « R21 » et « R22 » est égale à la première distance prédéterminée « D1 ».

Des définitions précédentes, il découle aussi que la tangente du deuxième angle d’inclinaison respectif, « A2 », c’est-à-dire la tangente de l’angle que forme la pente respective 21 du deuxième sillon annulaire 2 avec la base inférieure 15 du couvercle hermétique 10, est égale au rapport de la première épaisseur de matière « x1 » sur la distance « R21 ».

De même, il découle des définitions précédentes que la tangente du premier angle d’inclinaison respectif, « A1 », que forme la pente respective 11 du premier sillon annulaire 1 avec la base supérieure 14 du couvercle hermétique 10, est égale au rapport de la troisième épaisseur de matière « x3 » sur la distance « R11 ».

Selon un mode de réalisation, un premier sillon annulaire 1 et au moins un deuxième sillon annulaire 2 sont formables par usinage dans un volume d’épaisseur totale de matière « x » d’un couvercle de cylindre hermétique 10 sur la base d’une sélection prédéterminée de valeurs pour une pluralité de grandeurs telles que précédemment décrites.

Par exemple, il est possible de configurer une poinçonneuse pour former le premier sillon annulaire 1 et au moins un deuxième sillon annulaire 2 à partir d’une sélection de valeurs pour les angles « A1 » et « A2 », ainsi que pour les distances « R21 » et « R11 ». De manière générale, on peut aussi configurer une poinçonneuse pour former le premier sillon annulaire 1 et au moins un deuxième sillon annulaire 2 à partir d’une sélection de valeurs données pour les angles « A1 » et « A2 », pour un choix d’épaisseurs de matière parmi « x », « x1 », « x2 » et/ou « x3 » et/ou pour des valeurs souhaitées des distances « R11 » ou « R22 », etc.

Selon un mode de réalisation, à la fois le premier angle « A1 » correspondant à l’inclinaison de la pente respective du premier sillon annulaire 1 et le deuxième angle « A2 » correspondant à l’inclinaison de la pente respective du deuxième sillon annulaire 2 sont chacun supérieurs ou égaux à 30° et inférieur ou égaux à 60°. Dans ce cas, de préférence, la valeur du premier angle « A1 » est distincte de la valeur du deuxième angle « A2 ».

Par exemple, choisir le premier angle « A1 » à 30 degrés et le deuxième angle « A2 » à 45 degrés permet de créer une pluralité de sillons annulaires avec un gradient de résistance structurale différent sur le couvercle hermétique. Augmenter l'angle d'inclinaison entre le premier et le deuxième sillon annulaire aide également à améliorer la répartition des contraintes en cas de montée de pression interne dans la cellule cylindrique. Avec un premier angle de 30 degrés, la pente initiale est plus douce, ce qui fait que la force exercée par la pression interne se répartit sur une zone plus large pour une même élévation, offrant une résistance initiale moins forte. Quant au deuxième angle de 45 degrés, il crée un gradient de résistance accru, ce qui augmente l'efficacité pour cibler la localisation d'une rupture contrôlée au niveau du deuxième sillon, concentrant la pression sur une zone plus restreinte pour la même élévation. Ainsi, un premier angle de 30 degrés facilite une transition progressive de la pression vers les zones de moindre résistance, tandis que le deuxième angle de 45 degrés encourage une rupture contrôlée et ciblée au niveau du deuxième sillon.

A titre d’exemple, il est observé qu’après fabrication de sillons annulaires respectant différentes valeurs d’angles « A1 » et « A2 », une valeur du premier angle « A1 » égale à 25° fournit l’effet indésirable de générer des sillons trop longs et fins, augmentant ainsi le risque de rupture non contrôlée sous des charges moins élevées et compliquant la prédictibilité des propriétés mécaniques.

A contrario, une valeur de 80° pour l’angle « A1 » mène quant à elle à une complication de la fabrication, avec un risque accru de dommages à l'outil de poinçonnage en raison du caractère obtus de l'angle, rendant les sillons plus courts mais nécessitant une force de poinçonnage plus importante et augmentant le risque d'endommagement du matériau.

Par essais successifs, il a ainsi été déduit, de manière surprenante, que l’intervalle [30°, 60°] définit le meilleur compromis, non seulement pour le premier angle « A1 » mais aussi pour le deuxième angle « A2 », entre la facilité de fabrication et la résistance structurelle, permettant la formation de sillons annulaires avec des propriétés mécaniques prévisibles et une localisation contrôlée de la rupture en cas de défaillance.

De préférence, la profondeur totale de l’au moins un deuxième sillon annulaire est plus grande que la profondeur totale du premier sillon annulaire. Le ou les deuxième(s) sillons annulaires sont formés successivement dans la direction de la profondeur du couvercle hermétique puisque, si une pluralité de deuxièmes sillons annulaires est présente, ceux-ci sont formés plus profondément dans le couvercle hermétique.

Enfin, le couvercle hermétique 10 tel que décrit en rapport avec les précédents modes de réalisation est utilisable en combinaison avec la cellule cylindrique 100 précédemment détaillée, ladite cellule cylindrique 100 étant munie d’une enceinte cylindrique 110 et d’électrodes, le tout pouvant être intégré dans un module de batterie électrique (non représenté), lui-même intégrable à une batterie électrique (non représenté). Cette conception assure non seulement que la batterie répond aux exigences énergétiques élevées des véhicules électriques, mais aussi qu'elle apporte une sécurité et une fiabilité accrues grâce à l'intégration de stratégies de rupture contrôlée, ce qui la rend particulièrement avantageuse pour les véhicules automobiles électriques et toute autre application exigeant un haut niveau de fiabilité et de sécurité.

Claims

Couvercle hermétique (10) apte à sceller une cellule cylindrique (100) d’un module de batterie électrique, ledit couvercle hermétique (10) comprenant un premier sillon annulaire (1) et au moins un deuxième sillon annulaire (2), chacun desdits sillons annulaires (1, 2) étant formé dans une épaisseur totale de matière (x) du couvercle hermétique (10), une première épaisseur de matière (x1) de la surface (14) du couvercle hermétique (10) étant située en-dessous du premier sillon annulaire (1) et au-dessus d’une base inférieure (15) du couvercle hermétique (10), au moins une deuxième épaisseur de matière (x2) de la surface du couvercle hermétique (10) étant située en-dessous de l’au moins deuxième sillon annulaire (2) et au-dessus de la base inférieure (15) du couvercle hermétique (10).
Couvercle hermétique (10) selon la revendication 1, dans lequel le rapport de la première épaisseur de matière (x1) sur la deuxième épaisseur de matière (x2) est supérieur ou égal à 1,5 et est en outre inférieur ou égal à 12.
Couvercle hermétique (10) selon la revendication 2, dans lequel la première épaisseur (x1) est comprise entre 30% et 60% de l’épaisseur totale de matière (x) du couvercle hermétique (10).
Couvercle hermétique (10) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel la deuxième épaisseur (x2) est comprise entre 5% et 20% de l’épaisseur totale de matière (x) du couvercle hermétique (10).
Couvercle hermétique (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chacun des sillons annulaires (1, 2) est formé par un dénivelé respectif (12, 22) et par une pente respective (11, 21) dudit sillon annulaire, chaque dénivelé respectif (12, 22) étant sensiblement parallèle à la base inférieure (15) du couvercle hermétique (10) et chaque pente respective (11,21) formant un angle d’inclinaison respectif (A1, A2) avec la base inférieure (15) du couvercle hermétique (10).
Couvercle hermétique (10) selon la revendication 5, dans lequel l’angle d’inclinaison (A2) de la pente respective (22) de l’au moins un deuxième sillon annulaire (2), appelé deuxième angle (A2), est plus grand que l’angle d’inclinaison (A1) de la pente respective (12) du premier sillon annulaire (1), appelé premier angle (A1).
Couvercle hermétique (10) selon la revendication 5 ou 6, dans lequel le premier angle (A1) a une valeur sélectionnée dans l’intervalle [30°, 60°] et dans lequel le deuxième angle (A2) a une autre valeur sélectionnée dans l’intervalle [30°, 60°], ladite autre valeur étant distincte de la valeur du premier angle.
Cellule cylindrique (100) formée d’une enceinte cylindrique (110) et comprenant au moins une électrode adaptée pour être connectée à un élément électrique externe, l’enceinte cylindrique (110) comprenant en outre un électrolyte liquide, la cellule cylindrique (100) comprenant en outre un couvercle hermétique (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le couvercle hermétique (10) fermant hermétiquement l’enceinte cylindrique (110).
Cellule cylindrique (100) selon la revendication 8, présentant des dimensions choisies parmi :
- un diamètre d’environ 18 millimètres et une longueur d’environ 65 millimètres,
- un diamètre d’environ 21 millimètres et une longueur d’environ 70 millimètres, ou
- un diamètre compris entre 40 et 50 millimètres et une longueur inférieure à 125 millimètres.
Batterie électrique destinée à être intégrée dans un véhicule automobile électrique, ladite batterie électrique comprenant un module de batterie électrique, ledit module de batterie électrique comprenant au moins une cellule cylindrique (100) selon l’une quelconque des revendications 8 à 9.