FR2997234A1 - Cellule electrochimique de stockage d'electricite. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une cellule électrochimique de stockage d'électricité (1) comprenant une enveloppe (3) dans lequel sont placées : - au moins une électrode positive (21) reliée à une borne positive (5), - au moins une électrode négative (22) reliée à une borne négative (6), les électrodes positive (21) et négative (22) étant empilées de manière alternée dans l'enveloppe (3), au moins un séparateur (23) étant placé entre chacune des électrodes positive (21) et négative (22). Selon l'invention, la cellule électrochimique (1) comprend en outre au moins un élément de contact (4a, 4b) disposé au contact des électrodes positive (21) et négative (22), et de l'enveloppe (3).

Description

CELLULE ELECTROCHIMIQUE DE STOCKAGE D'ELECTRICITE 1. Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des 5 cellules électrochimiques de stockage d'électricité, notamment pour batterie de véhicules automobiles, bien que l'invention ne soit pas limitée à ce domaine d'application. 2. Solutions de l'art antérieur De manière classique, une cellule électrochimique de 10 stockage d'électricité est constituée d'une ou plusieurs électrodes positives empilées de manière alternée avec une ou plusieurs électrodes négatives, ainsi qu'un ou plusieurs séparateurs de manière à séparer les électrodes positives et négatives, et d'une enveloppe étanche qui peut être 15 souple, si l'on est dans le cas de « pouch cell », ou rigide pour une cellule dite « hard casing ». On présente, en relation avec la figure 1, une cellule électrochimique 100 comprenant une enveloppe 101 dans laquelle sont disposées plusieurs électrodes positives 20 102, reliées à une borne positive 105, de manière alternée avec des électrodes négatives 103 reliées à une borne négative 106. Des séparateurs 104 imbibés d'électrolyte sont ménagés entre chaque électrode positive et négative. Ces séparateurs ainsi que les électrodes positives et 25 négatives présentent un profil sensiblement rectangulaire et sont placés dans un plan parralèle au plan (x,y) qui correspond au plan longitudinal de la cellule. Pour refroidir une telle cellule électrochimique, il est courant d'utiliser des couvercles ou des entretoises en 30 aluminium en les mettant en contact avec la surface de la cellule afin de conduire la chaleur vers l'extérieur de la cellule. Cette technique est par exemple illustrée par le document US2012/0009455 qui décrit un module de batterie mettant en oeuvre une pluralité de cellules séparées par des entretoises possédant un profil en « L ». L'échange de chaleur se fait donc sur la surface de la cellule, au contact de l'entretoise, c'est-à-dire la direction du plus long côté de l'entretoise. Un inconvénient de cette technique est que l'utilisation d'entretoises entre chacune des cellules augmente de manière importante le volume et la masse de la batterie du véhicule. Par ailleurs, cela engendre également un coût de mise en oeuvre relativement élevé ce qui n'est pas satisfaisant. Un autre inconvénient de cette technique est que le passage de la chaleur de chacune des cellules vers l'entretoise avoisinante va être conditionné par le contact entre l'enveloppe rigide et la cellule ce qui n'est pas optimal du fait que la qualité de ce contact est difficilement maîtrisable (dépendant des conditions de fabrication, de manipulation, ...). De ce fait, un contact imparfait et donc une surface de contact limitée réduit de manière relativement importante l'échange de chaleur, et donc le refroidissement de la cellule ce qui n'est pas satisfaisant. Encore un autre inconvénient de cette technique est que le refroidissement n'est pas optimal. En effet, la structure interne de la cellule consiste en un empilement d'électrodes négatives et d'électrodes positives séparées par des séparateurs imbibés d'électrolyte. Ainsi, la conductivité thermique vers la surface de la cellule va être limitée par la conductivité thermique des différents matériaux, par exemple des séparateurs en polyoléfine (polyéthylène, polypropylène) de conductivité thermique inférieure à 1 Watt par mètre par Kelvin, des électrodes en aluminium ou en cuivre de conductivité supérieure à 100 Watts par mètre par Kelvin, et par les résistances thermiques aux interfaces entre les différentes électrodes et/ou séparateurs. On connait également des techniques de refroidissement mettant en oeuvre des moyens de circulation de l'air à la surface de la cellule. Cependant, un inconvénient d'une telle technique de refroidissement est qu'elle met en oeuvre des moyens qui présentent un emcombrement important ainsi qu'un coût relativement élevé ce qui n'est pas non plus satisfaisant. Par ailleurs, le coût de maintenance d'une telle technique s'avère également relativement élevé. 3. Objectifs de l'invention L'invention a notamment pour objectifs de pallier au moins certains des inconvénients de l'art antérieur. Plus précisément, un objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir une cellule électrochimique pour laquelle la surface de contact entre les bords des électrodes et l'enveloppe est améliorée afin d'optimiser le refroidissement de la cellule électrochimique en évacuant la chaleur sur toute la zone de contact entre l'enveloppe et les électrodes. Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation est de réduire l'encombrement de telles cellules électrochimiques afin de faciliter la mise en oeuvre sur tous les types de véhicules possibles, ou qui soit utilisable dans la plupart des cas de figure. Encore au moins un autre objectif d'un mode de réalisation de l'invention est de founir une solution qui soit simple à mettre en oeuvre et peu coûteuse. 4. Résumé de l'invention Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints à l'aide d'une cellule électrochimique de stockage d'électricité comprenant une enveloppe dans laquelle sont placées : - au moins une électrode positive reliée à une borne positive, - au moins une électrode négative reliée à une borne négative, lesdites au moins une électrode positive et au moins une électrode négative étant empilées de manière alternée dans l'enveloppe, et au moins un séparateur étant placé entre chacune desdites au moins une électrode positive et négative.

Selon l'invention, la cellule électrochimique comprend en outre au moins un élément de contact disposé au contact des électrodes positives et négatives, et de l'enveloppe. Cet élément de contact permet d'optimiser le contact entre l'enveloppe et les électrodes positives et négatives, et ainsi d'augmenter l'échange de chaleur entre les bords de chacune des électrodes et du séparateur avec l'enveloppe. Par conséquent, l'échange de chaleur est favorisé avec l'extérieur de la cellule ce qui améliore le refroidissement par rapport aux techniques de l'art antérieur. Ainsi, l'invention propose une approche nouvelle et inventive permettant d'optimiser la surface de contact entre les électrodes et l'enveloppe et ainsi d'améliorer le refroidissement de la cellule électrochimique en évacuant la chaleur sur toute la zone de contact entre l'enveloppe et les électrodes et plus particulièrement au niveau des bords. En effet, l'échange de la chaleur est facilité lorsqu'il se fait par les bords de la cellule plutôt qu'à la surface, lorsque les électrodes sont empilées. Quand il se fait à la surface de la cellule, l'échange thermique est limité par la conductivité thermique des électrodes et des séparateurs. L'invention permet de s'affranchir de ces contraintes en permettant un échange thermique optimal par les bords des électrodes et des spérateurs. Dans un mode de réalisation particulier, l'élément de contact comprend au moins un caloduc dont une première extrémité est reliée à l'élément de contact et une deuxième extrémité est ménagée à l'extérieur de la cellule électrochimique. Le fait de placer un tel élément permet ainsi d'augmenter la rapidité du refroidissement de la cellule en limitant le nombre de barrières physiques. Selon différents modes de réalisation de l'invention, l'enveloppe de la cellule est réalisée soit dans un matériau souple, soit dans un matériau rigide. Ainsi, cela permet d'adapter la cellule électrochimique pour la plupart des utilisations courantes de telles cellules. En effet, un matériau souple permettra une certaine souplesse de la cellule électrochimique et permettra également à l'enveloppe d'adopter sensiblement la forme des électrodes. De son côté, un matériau rigide 25 pourra former un boîtier de protection pour les cellules. Par ailleurs, selon les modes de réalisation, l'élément de contact peut être réalisé en polymère ou en élastomère. Dans un mode de réalisation de l'invention, les 30 électrodes positives et les électrodes négatives sont de forme sensiblement rectangulaire.

Dans ce cas, l'élément de contact peut être ménagé soit sur la largeur, soit sur la longueur des électrodes positives et négatives, entre le bord de ces électrodes et l'enveloppe.

Cela permet d'adapter l'encombrement de telles cellules électrochimiques suivant l'utilisation. L'invention concerne également une batterie comportant au moins une cellule électrochimique ainsi qu'un véhicule correspondant. 5. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe selon le plan (x,z) d'une cellule électrochimique de l'art antérieur; - la figure 2 est une vue en coupe selon le plan (x,z) d'une cellule électrochimique selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue en coupe selon le plan (x,z) d'une cellule électrochimique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 4 est une vue en coupe selon le plan (x,z) d'une batterie de véhicule automobile mettant en oeuvre plusieurs cellules électrochimiques selon le deuxième mode de réalisation, et - la figure 5 est un graphique présentant l'évolution de la température en fonction du temps pour une cellule de l'art antérieur et pour une cellule selon l'invention. 6. Description détaillée Dans la suite de la description, on définit l'axe x comme étant la direction longitudinale d'une cellule selon l'invention. Les axes y et z, orthogonaux à l'axe x, définissent respectivement la largeur et l'épaisseur de la cellule. Par ailleurs, le plan (x,y) correspond au plan des électrodes tandis que le plan (x,z) correspond à un plan transversal, orthogonal au plan (x,y) On présente maintenant, en relation avec la figure 2, un premier mode de réalisation de l'invention. Comme illustré sur cette figure 2, la cellule électrochimique comprend une enveloppe 3 qui est, dans cet exemple, une enveloppe souple en polymère. Dans cette enveloppe 3 sont disposées plusieurs électrodes positives 21 en alternance avec des électrodes négatives 22. Entre chacune des électrodes positives et négative est inséré un séparateur 23 imbibé, de manière connue, d'un électrolyte permettant ainsi de conduire le courant électrique entre les électrodes positives 21 et négatives 22.

L'ensemble 2 formé par les électrodes positives, les électrodes négatives, et les séparateurs présente un profil sensiblement rectangulaire et est ménagé sur un plan sensiblement horizontal, parallèle au plan (x,y). La cellule électrochimique 1, comprend également des éléments de contact 4a, 4b disposés aux extrémités des électrodes positives et négatives selon la direction x, c'est-à-dire sur la largeur des électrodes, entre l'ensemble 2 et l'enveloppe 3. Ces élements de contacts, qui sont, dans cet exemple, sous forme de mousse en polymère tel que du Polytéréphtalate d'éthylène (PET), permettent d'optimiser le contact entre les électrodes et l'enveloppe et ainsi d'augmenter la conductivité thermique à l'interface. Ainsi, toute la chaleur, ou à tout le moins une grande partie, va être dissipée aux extrémités du plan (x,y) ce qui correspond aux bords des électrodes. Dans un autre mode de réalisation, on peut imaginer 5 des éléments de contacts qui sont collés à l'emballage afin de diminuer le risque de détachement de ces éléments au cours de la vie de la cellule. On peut également imaginer un mode de réalisation dans lequel les éléments de contact sont prémoulés dans l'enveloppe afin d'améliorer le contact 10 avec chacune des électrodes. On peut également prévoir d'autres modes de réalisation dans lesquels les éléments de contact sont en élastomère, ou dans un autre polymère tel que du Polypropylène (PP) ou du Polyéthylène (PE). On peut également imaginer, dans des variantes de 15 l'invention, des éléments de contacts mis en oeuvre aux extrémités des électrodes négatives et positives, mais dans la direction y, c'est-à-dire sur la longueur des électrodes. On peut en outre imaginer un mode de réalisation dans 20 lequel un seul élément de contact est employé, à une des extrémités des électrodes par exemple, suivant la direction x ou y. Par ailleurs, on pourrait prévoir un mode de réalisation dans lequel la cellule ne comporte qu'une 25 électrode positive et une électrode négative, séparées par un séparateur. On peut également prévoir des modes de réalisation dans lesquels l'enveloppe est rigide et fabriquée dans d'autres matériaux comme du métal. On peut aussi imaginer 30 un mode de réalisation dans lequel les électrodes et les séparateurs ne sont pas plans mais cylindriques circulaires, et arrangés de manière concentrique. Dans le mode de réalisation dans lequel les électrodes et les séparateurs seraient circulaires cylindriques concentriques, on peut imaginer que les éléments de contact soient placés aux extrémités des électrodes selon la direction x, correspondant à la direction longitudinale de la cellule, entre les électrodes et l'enveloppe. On peut également imaginer un mode de réalisation dans lequel un seul élément de contact est employé, à une des extrémités des électrodes, suivant la direction x. On présente maintenant, en relation avec la figure 3, une vue en coupe d'une cellule électrochimique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.

Dans ce mode de réalisation, la cellule électrochimique 1 comprend en outre un caloduc 7 dont une première extrémité 71 est reliée à l'élément de contact 4a et une deuxième extrémité 72 est ménagée à l'extérieur de la cellule électrochimique 1. Le fait d'implanter ce caloduc 7 à l'intérieur de la cellule permet de limiter le nombre de barrières physiques en créant un « pont » entre l'intérieur de la cellule et l'extérieur. Cela favorise ainsi la dynamique de la dissipation thermique à l'intérieur de la cellule.

On présente maintenant, en relation avec la figure 4, une vue en coupe selon un plan (x,z) d'une batterie de véhicule automobile, c'est-à-dire une coupe transversale, mettant en oeuvre plusieurs cellules électrochimiques 1 selon l'invention, comportant chacune un caloduc.

Comme illustré sur cette figure 4, la batterie A comporte trois cellules électrochimiques la, lb, lc mises en oeuvre selon le deuxième mode de réalisation présenté précédemment. Ces trois cellules électrochimiques sont superposées suivant la direction z, correspondant à la direction perpendiculaire au plan des électrodes qui sont, dans cet exemple, rectangulaires. Elles sont placées dans un logement 30 formant le boîtier de la batterie A, ce boîtier comprenant en outre une borne positive 50 et une borne négative 60. Dans d'autres variantes, on peut bien sûr imaginer des batteries comportant une ou plusieurs cellules adoptant des configurations différentes. On peut par exemple imaginer une batterie comportant plusieurs rangées de cellules superposées selon l'axe y. On peut également prévoir des modes de réalisation dans lesquels les cellules sont par exemple mises bout à bout selon l'axe x, qui correspond à l'axe longitudinal des cellules. On peut aussi prévoir des modes de réalisation dans lesquels certaines des cellules sont munies de caloducs tandis que d'autres non. On présente maintenant, en relation avec la figure 5, un graphique présentant l'évolution de la température interne (axe des ordonnées) en fonction du temps (axe des abscisses) pour une cellule de l'art antérieur et pour une cellule selon l'invention. Ce graphique G comporte une courbe J présentant l'évolution de la température interne d'une cellule de l'art antérieur en fonction du temps de fonctionnement. On remarque dans cet exemple que la courbe J croît rapidement durant la première heure puis croît de manière plus lente durant les trente minutes suivantes pour atteindre un maximum de 40 degrés. Durant le reste du temps de fonctionnement de cette batterie, la température oscille entre 38,5 degrés et 40 degrés Celsius.

Une deuxième courbe I du graphique G présente l'évolution de la température interne d'une cellule électrochimique selon l'invention en fonction du temps de fonctionnement. Contrairement à la courbe J, la courbe I croît lentement durant les 45 premières minutes puis se stabilise à une valeur maximale de 36 degrés. Pendant la suite du fonctionnement de la cellule, la température interne va osciller entre 34,5 et 36 degrés Celsius. On constate donc une différence de température d'environ 4 degrés Celsius entre une cellule de l'art antérieur et une cellule selon l'invention qui, de par les moyens de refroidissement mis en oeuvre, présente donc une température interne relativement plus faible. Bien évidemment, ces valeurs et ordres de grandeur ne sont que des exemples développés ici à titre de simples exemples illustratifs des gains au niveau du refroidissement d'une cellule électrochimique selon l'invention.

Claims (4)

1. REVENDICATIONS1. Cellule électrochimique de stockage d'électricité (1) comprenant une enveloppe (3) dans laquelle sont disposés : - au moins une électrode positive (21) reliée à une borne positive (5), - au moins une électrode négative (22) reliée à une borne négative (6), lesdites au moins une électrode positive (21) et une électrode négative (22) étant empilées de manière alternée dans ladite enveloppe (3), au moins un séparateur (23) étant placé entre chacune desdites électrodes positive (21) et négative (22), caractérisée en ce que ladite cellule électrochimique (1) comprend en outre au moins un élément de contact (4a, 4b) disposé au contact desdites électrodes positive (21) et négative (22), et de ladite enveloppe (3).
2. 2. Cellule électrochimique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit élément de contact (4a, 4b) comprend en outre au moins un caloduc (7) dont une première extrémité (71) est reliée audit élément de contact (4a, 4b) et une deuxième extrémité (72) est ménagée à l'extérieur de ladite cellule électrochimique.
3. 3. Cellule électrochimique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que ladite enveloppe (3) est réalisée dans un matériau souple.
4. 4. Cellule électrochimique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que ladite enveloppe (3) est réalisé dans un matériau rigide. . Cellule électrochimique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit élément de contact (4a, 4b) est réalisé en polymère. 6. Cellule électrochimique selon la revendication 1, 5 caractérisée en ce que ledit élément de contact (4a, 4b) est réalisé en élastomère. 7. Cellule électrochimique selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites électrodes positives (21) et lesdites électrodes négatives (22) sont de forme sensiblement rectangulaire. 8. Cellule électrochimique selon la revendication précédente, caractérisée en ce que ledit élément de contact (4a, 4b) est ménagé sur la longueur desdites électrodes positives (21) et négatives (22). 9. Batterie de véhicule automobile caractérisé en ce qu'elle comprend au moins une cellule électrochimique de stockage d'électricité selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend au moins une batterie selon la revendication 9.