FR3027456A3 - Electrode a deux leads et son procede de fabrication - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une électrode d'une cellule électrochimique de stockage d'énergie électrique, l'électrode comportant un collecteur de courant apte à être recouvert au moins partiellement d'un matériau actif. Le procédé inclut une étape de formation de deux leads sur ledit collecteur de courant Application : véhicules électriques ou hybrides

Description

Electrode à deux leads et son procédé de fabrication La présente invention concerne une électrode à deux leads et un procédé de fabrication d'une telle électrode. Elle s'applique notamment aux véhicules automobiles électriques ou hybrides.

Dans le contexte actuel de consensus autour du réchauffement climatique, la diminution des émissions de dioxyde de carbone (CO2) est un défi majeur auquel sont confrontés les constructeurs automobiles, les 10 normes étant toujours plus exigeantes en la matière. Outre l'amélioration constante des rendements des moteurs thermiques classiques, qui s'accompagne d'une baisse des émissions de CO2, les véhicules électriques et les véhicules hybrides thermique-électrique sont aujourd'hui considérés comme la solution la plus prometteuse pour 15 diminuer les émissions de CO2. Dans la suite de la présente demande, l'expression « véhicules électriques » désigne indifféremment les véhicules électriques et les véhicules hybrides thermique-électrique, y compris les véhicules hybrides rechargeables. Différentes technologies ont été envisagées pour concevoir des 20 batteries de traction pour véhicule électrique, chacune présentant des avantages et des inconvénients. La technologie lithium-ion (li-ion) présente notamment l'avantage d'un excellent compromis entre la densité d'énergie, favorable à l'autonomie, et la densité de puissance, favorable aux performances notamment l'accélération. Mais la mise en oeuvre de plusieurs 25 cellules de stockage d'énergie électrique de type li-ion dans une batterie de traction n'est pas sans poser de nombreuses difficultés. En effet, comme illustré par les figures la, lb et 1 c selon l'art antérieur, en fonction de la configuration structurelle des cellules actuelles, notamment en fonction de l'agencement de leurs « tabs » selon la 30 terminologie anglo-saxonne couramment admise faute de consensus autour d'une terminologie francophone, se posent des problèmes de connectique ou d'échauffement. La figure la illustre d'abord la structure interne d'une cellule prismatique plate 1 selon l'art antérieur. Une enveloppe souple 10, de type « pouch » selon la terminologie anglo-saxonne, renferme un empilement de couches formant à proprement parler le système électrochimique de stockage d'énergie électrique. Sept couches de référence commune 11 sont des couches de séparateur. Trois couches de référence commune 12 sont des couches constituant des électrodes négatives ou anodes. Chacune des trois anodes comprend en son sein un collecteur de courant 121. Les collecteurs 121 insérés dans les anodes 12 se prolongent dans une même direction hors de l'empilement. Les parties des collecteurs 121 qui dépassent de l'empilement d'électrodes et de séparateurs sont couramment désignées par le terme anglo-saxon de « leads », aucune terminologie francophone n'ayant fait consensus jusqu'à présent. Les leads sont donc aussi les parties des collecteurs 121 qui ne sont pas recouvertes de matériau actif, ceci s'expliquant notamment par le fait que les leads ont vocation à constituer des zones de soudure. En effet, les leads des collecteurs 121 se rejoignent à l'extérieur de l'empilement, où ils sont soudés à une même extrémité d'un tab 122. L'ensemble formé par le tab 122 soudé aux leads du collecteur 121 est couramment désigné par la terminologie anglo-saxonne « lead-tab ». Le tab 122 s'étend au travers de l'enveloppe pouch 10, à laquelle il est soudé, de sorte que son autre extrémité forme une borne négative disposée le long d'un bord de la cellule 1. De même, trois couches de référence commune 16 sont des couches constituant des électrodes positives ou cathodes. Chacune des trois cathodes comprend en son sein un collecteur de courant 161. Les collecteurs 161 insérés dans les cathodes 16 se prolongent dans une même direction opposée hors de l'empilement. Les leads des collecteurs 161 se rejoignent à l'extérieur de l'empilement, où ils sont soudés à une même extrémité d'un tab 162, formant ainsi un deuxième ensemble lead-tab. Le tab 162 s'étend au travers de l'enveloppe pouch 10, à laquelle il est soudé, de sorte que son autre extrémité forme une borne positive le long d'un bord de la cellule 1. A première vue, on pourrait penser que les tabs 122 et 162 doivent nécessairement être disposés le long de bords distincts voire opposés de la cellule 1, mais ce n'est pas forcément le cas comme l'illustre la figure lc. La figure lb illustre une première configuration externe possible pour la cellule 1 selon l'art antérieur, dans laquelle les tabs 122 et 162 sont 35 disposés le long de bords opposés de la cellule 1. Elle permet de bien répartir les échauffements de part et d'autre de la cellule 1. En effet, les collecteurs de courant 121 et 161 jouent le rôle de pont thermique et donc la chaleur dissipée par effet joule dans le système électrochimique vient se concentrer au niveau des tabs 122 et 162. En éloignant les tabs 122 et 162 vers deux bords opposés de part et d'autre de la cellule 1, cette configuration permet de disperser la chaleur. Cependant, une cellule présentant cette configuration n'est pas pratique à connecter et il faut notamment faire courir des fils de mesures vers les deux bords opposés de la cellule 1. Il s'agit là d'un inconvénient que la présente invention se propose de résoudre.

La figure 1c illustre une seconde configuration externe possible pour la cellule 1 selon l'art antérieur, dans laquelle des tabs 122' et 162', similaires structurellement aux tabs 122 et 162 qu'ils remplacent respectivement, sont disposés le long d'un même bord de la cellule 1. Il faut noter que, dans la configuration de la figure lb, les deux ensembles tab-lead- collecteur peuvent éventuellement présenter une géométrie symétrique comme celle illustrée à la figure 2b pour l'ensemble tab-lead-collecteur assemblant le collecteur 121 au tab 122. Alors que, dans la configuration de la figure 1c, les deux ensembles lead-tab doivent obligatoirement présenter une géométrie dissymétrique comme celle illustrée à la figure 2a pour un ensemble tab-lead-collecteur assemblant le tab 122' à un collecteur 121', qui est structurellement similaire au collecteur 121 qu'il remplace. Cette dissymétrie permet d'agencer le tab 122' et un tab 162', qui est structurellement similaire au tab 162 qu'il remplace, aux deux extrémités d'un même bord de la cellule 1 par simple retournement d'un des deux ensembles tab-lead-collecteur par rapport à l'autre. Avec les tabs 122' et 162' ainsi disposés à un même bord de la cellule 1, cette configuration permet de connecter facilement la cellule 1. On peut même imaginer une connexion directe sur une carte BMS esclave (Battery Management System selon la terminologie anglo-saxonne). Cependant, cette configuration favorise l'hétérogénéité thermique, la chaleur venant se concentrer à l'unique bord de la cellule 1 où sont disposés les tabs 122' et 162'. Il s'agit là encore d'un inconvénient que la présente invention se propose de résoudre. La figure 2 illustre la solution selon le brevet EP 2 500 972 A1, qui 35 propose une cellule 3 fabriquée par empilement de quatre électrodes 31, 32, 33 et 34 dans une enveloppe 30, en alternant bien-sûr entre anode et cathode, chaque électrode comportant un collecteur non représenté sur la figure 3 et chaque électrode comportant un tab 311 (positive), 321 (négative), 331 (positive) et 341 (négative) respectivement. Un inconvénient d'une cellule selon EP 2 500 972 Al est la complexité de son processus d'assemblage. En effet, d'un point de vue du processus de fabrication, il faut 4 sources d'électrodes distinctes pour les 4 types d'électrodes distinctes : deux types d'anode se distinguant par la position de leur tab et deux types de cathode se distinguant par la position de leur tab. Il faut donc 4 étapes de fourniture d'une électrode, se distinguant par des contrôles spécifiques pour chaque électrode insérée dans un empilement. De plus, il faut au minimum empiler les électrodes 4 par 4 pour fabriquer la cellule, de manière à ce qu'elle comporte bien 4 tab. En effet, la solution selon EP 2 500 972 Al correspond en fait à 2 cellules dans une même enveloppe 30:. Par conséquent, l'intensité du courant qui passe dans chaque tab est la même, et donc, à courant identique, l'échauffement au niveau de chaque tab est aussi le même . Il s'agit là encore d'un inconvénient que la présente invention se propose de résoudre.

La présente invention a pour but de résoudre les inconvénients précités, notamment de proposer une nouvelle configuration de cellule à double tab, qui permet de concilier homogénéité thermique et facilité de connexion. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une électrode d'une cellule électrochimique de stockage d'énergie électrique, l'électrode comportant un collecteur de courant apte à être recouvert au moins partiellement d'un matériau actif. Le procédé inclut une étape de formation de deux leads sur ledit collecteur de courant. Dans un mode de réalisation avantageux, le collecteur pouvant 30 avoir sensiblement une forme de plaque à quatre bords, l'étape de formation peut inclure de former les deux leads sur deux bords opposés du collecteur. Dans un mode de réalisation encore plus avantageux, l'étape de formation peut inclure de former les deux leads à proximité de deux coins opposés du collecteur.

Par exemple, l'étape de formation des deux leads peut inclure une sous-étape de formation d'une couche d'un matériau actif pouvant couvrir partiellement le collecteur, les deux bords pouvant ne pas être couverts, ainsi qu'une une sous-étape de découpe des deux bords du collecteur.

L'invention a également pour objet une électrode de cellule électrochimique de stockage d'énergie électrique comportant un collecteur de courant recouvert au moins partiellement d'un matériau actif, le collecteur de courant comporte deux leads.

Dans un mode de réalisation avantageux, le collecteur pouvant avoir sensiblement une forme de plaque à quatre bords, les deux leads peuvent être disposés sur deux bords opposés du collecteur. Dans un mode de réalisation encore plus avantageux, les deux leads peuvent être disposés à proximité de deux coins opposés du 15 collecteur. L'invention a également pour objet une cellule électrochimique prismatique de stockage d'énergie électrique comportant au moins une telle électrode positive à deux leads et au moins une telle électrode négative à 20 deux leads, disposées de sorte que la cellule comporte un tab à chacun de ses quatre coins, les quatre tabs formant sa borne positive et sa borne négative. L'invention a également pour objet une batterie de traction d'un 25 véhicule électrique ou hybride comportant au moins une telle cellule. L'invention a enfin pour objet un véhicule électrique ou hybride, comporte une telle batterie. 30 La présente invention a pour principal avantage d'autoriser des courants de forte puissance. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront 35 à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui illustrent : - les figures I a, lb et 1c, par des vues schématiques, des cellules selon l'art antérieur déjà explicité précédemment ; - les figures 2a et 2b, par des vues schématiques, des ensembles lead-tab selon l'art antérieur déjà explicité précédemment ; - la figure 3, par une vue schématique, un empilement d'électrodes selon l'art antérieur déjà explicité précédemment ; - les figures 4 et 5, par des vues schématiques, deux exemples d'empilement d'électrodes selon l'invention ; - la figure 6, par un diagramme de séquence, un exemple de procédé de fabrication d'une électrode selon l'invention. Comme illustré par les figures 4 et 5, l'invention propose d'utiliser des électrodes à double tab. Ceci permet d'homogénéiser la température de la cellule tout en facilitant la connexion des fils de mesure. Il est même possible de connecter les cellules directement sur une carte esclave d'un BMS. Ce type d'électrode permet aussi l'utilisation de courant très élevés, de l'ordre de 500 ampères contre 100 à 300 ampères pour une cellule conventionnelle de l'art antérieur comme la cellule 1 de la figure la.

La figure 4 illustre schématiquement une première cellule prismatique 41 selon l'invention comportant une électrode 411 selon l'invention, par exemple une cathode, et d'une électrode 412 selon l'invention, par exemple une anode. La cathode 411 comporte deux leads 4111 et 4112 disposés non seulement sur des bords opposés d'un premier collecteur de courant 4113, non visible sur la figure 4 car disposé au sein de l'électrode 411 (il est illustré à la figure 6), mais également disposés à proximité de coins opposés de ce collecteur 4113. L'anode 412 comporte également deux leads 4121 et 4122 disposés non seulement sur des bords opposés d'un deuxième collecteur de courant, non visible car disposé au sein de l'électrode 412, mais également à proximité de coins opposés de ce collecteur. La cathode 411 et l'anode 412 sont empilées l'une sur l'autre dans une enveloppe souple pouch 413, parmi d'autres électrodes. Dans l'exemple de réalisation de cette figure, les leads d'une même électrode se retrouvent non seulement le long de bords opposés de la cellule 41, mais également à proximité de coins opposés de la cellule 41. C'est le mode de réalisation préférentiel de la présente invention, car il maximise la distance entre les deux tabs et donc la dispersion de la chaleur.

La figure 5 illustre une autre cellule prismatique 51 selon l'invention comportant une électrode 511 selon l'invention, par exemple une cathode, et une électrode 512 selon l'invention, par exemple une anode. La cathode 511 comporte deux leads 5111 et 5112 disposés sur des bords opposés d'un premier collecteur de courant, non visible car disposé au sein de l'électrode 511, à proximité de coins consécutifs de ce collecteur. L'anode 512 comporte deux leads 5121 et 5122 disposés sur des bords opposés d'un deuxième collecteur de courant, non visible car disposé au sein de l'électrode 512, à proximité de coins consécutifs de ce collecteur. La cathode 511 et l'anode 512 sont empilées l'une sur l'autre dans une enveloppe souple pouch 513, parmi d'autres électrodes. Dans l'exemple de réalisation de cette figure, les leads d'une même électrode sont bien disposés le long de bords opposés de la cellule 51, mais pas à proximité de coins opposés de la cellule 51. La figure 6 illustre différentes étapes possibles pour fabriquer la cathode 411 selon l'invention.

Durant une première étape El, de la matière active, par exemple un mélange de polyfluorure de vinylidène (PVDF), de carbone conducteur et de Nickel-Manganèse-Cobalt (NMC), est déposé sur le collecteur de courant 4113, qui est de préférence en aluminium pour l'électrode 411 car c'est une cathode. La matière active est déposée des deux côtés du collecteur de courant 4113, de manière à former une couche 4114 qui exclut deux bords opposés du collecteur 4113, à l'aide d'une encre composée d'un matériau actif de type NMC, de polymères de type PVDF, d'un matériau conducteur de type carbone conducteur et d'un solvant de type N-Méthy1-2-Pyrrolidone (NMP). Cette encre est ensuite séchée.

Après séchage de l'encre, les bords opposés du collecteur 4113 non couverts par la couche 4114 de matériau actif sont découpés lors d'une étape E2 afin de former les leads 4111 et 4112 à proximité de deux coins opposés du collecteur 4113.

Les deux étapes illustrées par la figure 6 sont répétées N fois afin de former N cathodes. Puis, N+1 étapes similaires sont répétées pour fabriquer N+1 10 anodes comme l'anode 412, mais cette fois les collecteurs de courant sont choisis en cuivre. Une fois que les N électrodes négatives et les N électrode positives sont prêtes, on passe à une étape d'empilement : il suffit d'empiler les électrodes en alternant les anodes et les cathodes et en les séparant 15 avec un séparateur, par exemple une couche de polyéthylène poreux. Dans une configuration préférentielle, on empile N électrodes négatives et N électrodes positives, puis on complète par une électrode négative afin d'avoir un empilement comportant une électrode négative à sa base et une électrode négative à son sommet. 20 Une fois la phase d'empilement terminée, tous les leads des électrodes positives se retrouvent côte à côte à proximité d'un coin de l'empilement, de sorte qu'ils peuvent facilement être soudés tous ensemble. De même, tous les leads des électrodes négatives se retrouvent côte à côte à proximité du coin opposé de l'empilement, de sorte qu'ils peuvent 25 facilement être soudés tous ensemble. Une fois les leads soudés, deux tabs y sont soudés et un matériau polymère est étalé à la surface des tabs. L'empilement est enfin placé dans l'enveloppe 413 souple de type pouch, qui est ensuite scellée thermiquement. Le polymère à la surface des tabs permet d'assurer la continuité électrique de l'intérieur de la cellule 41 30 vers l'extérieur. Au final, la cellule 41 comporte quatre tabs, dont les tabs 4111 et 4112 qui forment sa borne positive ainsi que les tabs 4121 et 4122 qui forment sa borne négative. Grâce à ses bornes à deux tabs chacune, la cellule 41 peut délivrer des courants bien plus élevés que les cellules conventionnelles dont les bornes ont chacune un seul tab, de l'ordre du double à quantité identique de matière active.

Outre d'autoriser une connectique facile et d'assurer une bonne dispersion de la chaleur, la capacité à délivrer des courant très élevés est un des principaux avantages de l'invention. Mais on peut aussi citer la simplicité de son procédé d'assemblage en cellule, avec seulement deux étapes de fourniture d'une électrode.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une électrode (411) d'une cellule électrochimique (41) de stockage d'énergie électrique, ladite électrode comportant un collecteur de courant (4113) apte à être recouvert au moins partiellement d'un matériau actif (4114), le procédé étant caractérisé en ce qu'il inclut une étape de formation de deux leads (4111, 4112) sur ledit collecteur de courant.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le collecteur (4113) ayant sensiblement une forme de plaque à quatre bords, 10 l'étape de formation inclut de former les deux leads (4111, 4112) sur deux bords opposés du collecteur.
3. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de formation inclut de former les deux leads (4111, 4112) à proximité de deux 15 coins opposés du collecteur (4113).
4. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'étape de formation des deux leads (4111, 4112) inclut : une sous-étape (El) ) de formation d'une couche (4114) d'un 20 matériau actif couvrant partiellement le collecteur (4113), les deux bords n'étant pas couverts ; une sous-étape (E2) de découpe des deux bords du collecteur.
5. 5. Electrode (411) de cellule électrochimique (41) de stockage 25 d'énergie électrique, ladite électrode comportant un collecteur de courant (4113) recouvert au moins partiellement d'un matériau actif, l'électrode étant caractérisée en ce que le collecteur de courant comporte deux leads (4111, 4112). 30
6. 6. Electrode (411) selon la revendication 5, caractérisée en ce que, le collecteur (4113) ayant sensiblement une forme de plaque à quatre bords, les deux leads (4111, 4112) sont disposés sur deux bords opposés du collecteur.
7. 7. Electrode (411) selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que les deux leads (4111, 4112) sont disposés à proximité de deux coins opposés du collecteur (4113).
8. 8. Cellule électrochimique prismatique (41) de stockage d'énergie électrique, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une électrode positive (411) à deux leads (4111, 4112) et au moins une électrode négative (412) à deux leads (4121, 4122) selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, disposées de sorte que ladite cellule comporte un tab à chacun de ses quatre coins, les quatre tabs formant sa borne positive et sa borne négative.
9. 9. Batterie de traction d'un véhicule électrique ou hybride, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une cellule (41) selon la revendication 8.
10. 10. Véhicule électrique ou hybride, caractérisé en ce qu'il comporte une batterie selon la revendication 9.