FR3091036A1 - Procede de fabrication de batteries, et batterie obtenue par ce procede - Google Patents
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Abstract
Batterie comprenant au moins une anode et au moins une cathode, disposée l’une au-dessus de l’autre de manière alternée, ladite batterie comprenant des bords latéraux comprenant une zone de connexion anodique et une zone de connexion cathodique, de préférence latéralement opposée à la zone de connexion anodique, et des bords longitudinaux, dans laquelle l’anode comprend un substrat collecteur de courant, au moins une couche d’anode, et éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte, et la cathode comprend : un substrat collecteur de courant, au moins une couche de cathode, et éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte de sorte que la batterie comprenne successivement au moins une couche d’anode, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte et au moins une couche de cathode, caractérisée en ce que chaque anode et chaque cathode comprend un corps principal respectif, séparé d’un corps secondaire respectif par un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant reliant les bords latéraux opposés de la batterie.
Description
Description
Titre de l’invention : PROCEDE DE FABRICATION DE BATTERIES, ET BATTERIE OBTENUE PAR CE PROCEDE Domaine technique de l’invention
[0001] La présente invention se rapporte à la fabrication de batteries. Elle peut être appliquée notamment aux batteries à ions de lithium. L’invention concerne un nouveau procédé de fabrication de batteries, et notamment de batteries à ions de lithium. Elle concerne également les batteries obtenues par ce procédé, qui présentent une architecture nouvelle qui leur confère une durée de vie améliorée.
Etat de la technique
[0002] Afin d’accroître le rendement de production des batteries rechargeables à forte densité d’énergie et forte densité de puissance, telles que des batteries entièrement solides ou des batteries imprégnées d’un électrolyte liquide, la fabrication simultanée de plusieurs batteries peut être réalisée à partir d’une superposition de feuilles alternées d’anode et de cathode préalablement revêtues d’une couche d’électrolyte.
[0003] WO 2016/001584 (I-TEN) décrit des feuilles comprenant un substrat conducteur recouvert successivement d’une couche d’électrode recouverte d’une couche d’électrolyte ; ces feuilles sont découpées, avant ou après dépôt, selon des motifs, notamment en forme de U. Ces feuilles sont empilées de manière alternée afin de constituer un empilement de plusieurs cellules élémentaires. Les motifs de découpes des anodes et cathodes sont placés en configuration « tête bêche » de manière à ce que l’empilement des couches de cathode et d’anode soit décalé latéralement. Après l’étape d’empilement, il est connu de ce document de déposer un système d’encapsulation en couche épaisse d’une dizaine de microns et conformai, typiquement une couche polymérique, sur l’empilement et dans les cavités disponibles présentes au sein de l’empilement. Ceci permet d’assurer d’une part, la rigidité de la structure au niveau des plans de coupe et d’autre part, la protection de la cellule de la batterie vis-à-vis de l’atmosphère. Une fois l’empilement réalisé et encapsulé dans une structure rigide, on le découpe suivant des plans de coupe pour obtenir des batteries unitaires, avec la mise à nu sur chacun des plans de coupe des connexions cathodique et anodique des batteries. Il se trouve que lors de ces découpes, le système d’encapsulation peut être arraché, ce qui entraîne une discontinuité de l’étanchéité de la batterie. Il est aussi connu d’ajouter des terminaisons (i.e. des contacts électriques) au niveau où ces connexions cathodique et anodique sont apparentes.
[0004] Cet état de la technique est expliqué ici en plus grand détail en référence à la figure 12 qui illustre une structure de batterie à ions de lithium décrite dans WO
2016/001584. La batterie 200 comprend plusieurs anodes 230 et plusieurs cathodes 210, qui sont disposées les unes au-dessous des autres de façon alternée. Chaque anode et chaque cathode comprend une couche d’un matériau actif respectif d’anode ou de cathode, appelée couche d’anode, respectivement couche de cathode. Par ailleurs, une couche d’un matériau d’électrolyte, non représentée sur la figure 12, est intercalée entre l’anode et la cathode, de sorte que ce matériau d’électrolyte sépare deux couches actives en regard. L’épaisseur des différentes couches qui les constituent ne dépasse normalement pas les 10 pm, et est souvent comprise entre 1 pm et 4 pm. La batterie présente, sur un premier bord latéral 201, des connexions anodiques 230’ situées les unes au-dessous des autres. Par ailleurs, sur le bord longitudinal opposé 202, il est prévu des connexions cathodiques 210’ situées les unes au-dessous des autres. L’empilement des anodes 230 et des cathodes 210 est décalé latéralement. Les connexions cathodiques 210’ sont situées en saillie, par rapport à la face libre 230” de l’anode. De manière analogue, sur le bord opposé 202, la face libre 210” de la cathode est située en retrait par rapport à la face libre de l’anode sur laquelle sont déposées ultérieurement des connexions anodiques 230’.
[0005] Cette solution connue présente cependant certains inconvénients. En effet, en fonction du positionnement des électrodes, notamment de la proximité des bords des électrodes pour les batteries multicouches et de la propreté des découpes, un courant de fuite peut apparaître sur les extrémités, typiquement sous la forme d’un court-circuit rampant. Il diminue la performance de la batterie, et ce, malgré l’utilisation d’un système d’encapsulation autour de la batterie et aux abords des connexions cathodiques et anodiques. Par ailleurs, on constate parfois un dépôt insatisfaisant du système d’encapsulation sur la batterie, notamment sur les bords de la batterie au niveau des espaces créés par les décalages latéraux des électrodes sur les bords de batterie.
[0006] Par ailleurs, étant donné que les terminaisons, respectivement d’anode et de cathode, sont situées en retrait des couches adjacentes, respectivement de cathode et d’anode, il est nécessaire de pratiquer une découpe de larges dimensions. Une telle découpe doit alors être remplie au moyen d’un matériau isolant. Etant donné ses dimensions importantes, cette découpe conduit à une perte substantielle de matières utiles, pour la réalisation de la batterie proprement dite. Par ailleurs, elle impose de déposer de fortes épaisseurs d’isolant, dans les cavités disponibles présentes au sein de l’empilement. Un isolant épais risque de fragiliser l’ensemble du système d’encapsulation de la batterie, car lors de la découpe, le système d’encapsulation déposé en couche épaisse a tendance à se délaminer. L’architecture selon l’état de la technique présente donc à la fois des inconvénients techniques et économiques.
[0007] La présente invention vise à remédier au moins en partie à certains inconvénients de l’art antérieur évoqués ci-dessus.
[0008] Elle vise en particulier à accroître le rendement de production des batteries rechargeables à forte densité d’énergie et forte densité de puissance et à réaliser des encapsulations plus performantes à moindre coût.
[0009] Elle vise en particulier à proposer un procédé qui diminue le risque de court-circuit, et qui permet de fabriquer une batterie présentant une faible autodécharge.
[0010] Elle vise en particulier à proposer un procédé, qui permet de fabriquer de manière simple, fiable et rapide une batterie présentant une durée de vie très élevée.
[0011] Elle vise également à proposer un tel procédé, qui utilise une étape de découpe de meilleure qualité que dans l’art antérieur.
[0012] Elle vise également à proposer un tel procédé, qui permet d’améliorer les phases d’encapsulation et l’encapsulation elle-même, intervenant lors de la réalisation de la batterie finale.
[0013] Elle vise également à proposer un procédé de fabrication des batteries qui engendre moins de perte de matières.
Objets de l’invention
[0014] Au moins un des objectifs ci-dessus est atteint par l’intermédiaire d’au moins l’un des objets selon l’invention tel que présenté ci-après. La présente invention propose comme premier objet une batterie comprenant au moins une anode et au moins une cathode, disposée l’une au-dessus de l’autre de manière alternée, ladite batterie comprenant des bords latéraux comprenant une zone de connexion anodique et une zone de connexion cathodique, de préférence latéralement opposée à la zone de connexion anodique, et des bords longitudinaux, dans laquelle l’anode comprend
[0015] - un substrat collecteur de courant, - au moins une couche d’anode, et - éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte,
[0016] et la cathode comprend
[0017] - un substrat collecteur de courant, - au moins une couche de cathode, et - éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte,
[0018] de sorte que la batterie comprenne successivement au moins une couche d’anode, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte et au moins une couche de cathode,
[0019] caractérisée en ce que chaque anode et chaque cathode comprend un corps principal respectif, et un corps secondaire respectif, lesdits corps principaux et corps secondaires étant séparés par un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant reliant les bords latéraux opposés de la batterie.
[0020] La présente invention propose comme second objet une batterie comprenant au moins une anode et au moins une cathode, disposée l’une au-dessus de l’autre de manière alternée, ladite batterie comprenant des bords latéraux comprenant une zone de connexion anodique et une zone de connexion cathodique, de préférence latéralement opposée à la zone de connexion anodique, et des bords longitudinaux, dans laquelle l’anode comprend
[0021] - un substrat collecteur de courant, - au moins une couche d’anode, et - éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte,
[0022] et la cathode comprend
[0023] - un substrat collecteur de courant,
- au moins une couche de cathode, et
- éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte,
[0024] de sorte que la batterie comprenne successivement au moins une couche d’anode, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte, et au moins une couche de cathode,
[0025] caractérisée en ce que chaque anode et chaque cathode comprend un corps principal respectif, séparé d’un corps secondaire respectif par un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant reliant les bords latéraux opposés de la batterie.
[0026] Avantageusement, la batterie comprend un système d’encapsulation revêtant totalement quatre des six faces de ladite batterie, les deux faces restantes comprenant une zone de connexion anodique et une zone de connexion cathodique.
[0027] Avantageusement, le système d’encapsulation comprend :
[0028] - au moins une première couche de recouvrement, de préférence choisie parmi le parylène, le parylène de type L, le polyimide, les résines epoxy, le silicone, le polyamide, la silice sol-gel, la silice organique et/ou un mélange de ceux-ci, déposée sur la batterie,
- au moins une deuxième couche de recouvrement composée d’une matière électriquement isolante, déposée par dépôt de couches atomiques sur ladite au moins première couche de recouvrement,
[0029] étant entendu que cette séquence d’au moins une première couche de recouvrement et d’au moins une deuxième couche de recouvrement peut être répétée z fois avec z > 1.
[0030] Avantageusement, la zone de connexion anodique et la zone de connexion ca5 thodique sont recouvertes par un système de terminaison.
[0031] Avantageusement, le système de terminaison comprend successivement :
[0032] - une première couche d’un matériau chargé en graphite, de préférence à base de résine époxy chargée en graphite,
- une seconde couche dense de cuivre métallique disposée sur la première couche du système de terminaison, et
- optionnellement, une troisième couche à base d’un alliage étain-zinc d’étain, disposée sur la deuxième couche,
- optionnellement, une quatrième couche à base d’étain ou à base d’un alliage d’argent, de palladium et de cuivre, disposée sur la troisième couche du système de terminaison.
[0033] Avantageusement, la largeur de l’espace libre est comprise entre 0,01 mm et 0,5 mm.
[0034] Avantageusement, la largeur des corps secondaires est comprise entre 0,05 mm et 2 mm.
[0035] Un autre objet de l’invention est un procédé de fabrication d’une batterie, ladite batterie comprenant au moins une anode et au moins une cathode, disposée l’une audessus de l’autre de manière alternée, ladite batterie comprenant des bords longitudinaux et des bords latéraux,
[0036] dans lequel l’anode comprend
[0037] - un substrat collecteur de courant,
- au moins une couche d’anode, et
- éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte,
[0038] et la cathode comprend
[0039] - un substrat collecteur de courant, - au moins une couche de cathode, et - éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte
[0040] de sorte que la batterie comprenne successivement au moins une couche d’anode, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte, et au moins une couche de cathode,
[0041] chaque anode comprenant une zone de connexion anodique, située au voisinage d’un premier bord latéral de la batterie, alors que chaque cathode comprend une zone de connexion cathodique, située sur un second bord latéral de la batterie, opposé audit premier bord,
[0042] ledit procédé de fabrication comprenant :
[0043] a) l’approvisionnement d’un empilement de feuilles alternées, cet empilement comprenant des premières feuilles ou feuilles d’anode dont chacune est destinée à former une couche d’anode de plusieurs batteries, ainsi que des deuxièmes feuilles ou feuilles de cathode dont chacune est destinée à former une couche de cathode de plusieurs batteries,
[0044] chaque feuille d’anode comprenant au moins une fente d’anode et chaque feuille de cathode comprenant au moins une fente de cathode, ladite fente respectivement d’anode et de cathode comprenant deux parties longitudinales au moins en partie superposées, destinées à délimiter les bords latéraux de la batterie, ainsi qu’une partie latérale reliant lesdites deux parties longitudinales, la partie latérale de la fente d’anode et la partie latérale de la fente de cathode étend mutuellement décalée,
[0045] b) la réalisation d’un traitement thermique et/ou d’une compression mécanique de l’empilement de feuilles alternées précédemment approvisionné,
[0046] c) la réalisation de deux découpes s’étendant au moins partiellement à l’intérieur desdites fentes, la première découpe s’étendant entre la partie latérale de la fente d’anode et l’extrémité en regard des parties longitudinales, alors que la seconde découpe s’étend entre la partie latérale de la fente de cathode et l’extrémité en regard des parties longitudinales.
[0047] Avantageusement, on réalise, après l’étape c), l’encapsulation de l’empilement découpé, en déposant :
[0048] - au moins une première couche de recouvrement, de préférence choisie parmi le parylène, le parylène de type F, le polyimide, les résines epoxy, le silicone, le polyamide, la silice sol-gel, la silice organique et/ou un mélange de ceux-ci, sur la batterie, et puis au moins une deuxième couche de recouvrement composée d’une matière électriquement isolante, déposée par dépôt de couches atomiques sur ladite au moins première couche de recouvrement,
[0049] étant entendu que la séquence d’au moins une première couche de recouvrement et d’au moins une deuxième couche de recouvrement peut être répétée z fois avec z > 1.
[0050] Avantageusement, on réalise, après l’étape d) d’encapsulation de l’empilement découpé, l’imprégnation de l’empilement découpé et encapsulé, par une phase porteuse d’ions de lithium telle que des électrolytes liquides ou un liquide ionique contenant des sels de lithium.
[0051]
[0052]
Avantageusement, on réalise, les terminaisons de la batterie en déposant successivement :
une première couche d’un matériau chargé en graphite, de préférence à base de résine époxy chargée en graphite, une seconde couche dense de cuivre métallique disposée sur la première couche du système de terminaison, et optionnellement, une troisième couche à base d’un alliage étain-zinc d’étain, disposée sur la deuxième couche du système de terminaison, - optionnellement, une quatrième couche à base d’étain ou à base d’un alliage d’argent, de palladium et de cuivre, disposée sur la troisième couche du système de terminaison.
[0053] Avantageusement, on réalise les deux découpes au travers d’au moins une majorité des anodes et des cathodes, en particulier au travers de l’ensemble des anodes et des cathodes.
[0054] Avantageusement, les distances entre chaque découpe et les extrémités en regard des parties longitudinales sont identiques. Avantageusement, ses distances sont comprises entre 0,05 mm et 2 mm.
[0055] Avantageusement, chaque fente présente une forme globale de H, les parties longitudinales formant les évidements principaux verticaux du H, alors que la partie latérale forme le canal du H.
[0056] Avantageusement, chaque partie latérale des fentes délimite un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant reliant les bords latéraux opposés de la batterie, ledit espace libre séparant, pour chaque anode et chaque cathode, un corps principal d’un corps secondaire.
[0057] Avantageusement, la largeur de la partie latérale est comprise entre 0,05 mm et 2 mm.
[0058] Avantageusement, chaque feuille appartenant audit empilement comprend plusieurs lignes de fente disposées les unes à côté des autres, et en ce qu’on réalise les deux découpes à travers l’ensemble des fentes d’une même ligne.
[0059] Avantageusement, chaque feuille comprend plusieurs rangées de fentes disposées les unes au-dessous des autres.
[0060] Avantageusement, la distance séparant des découpes adjacentes, ménagées dans des lignes voisines, est comprise entre 0,05 mm et 5 mm.
[0061] Avantageusement, le nombre de lignes est compris entre 10 et 500, alors que le nombre de rangées est compris entre 10 et 500.
[0062] Avantageusement, on réalise chaque découpe par un procédé de sciage, par un procédé de découpe en dés, par guillotine, ou par laser.
Figures
[0063] Les figures annexées, données à titre d’exemples non limitatifs, représentent différents aspects et modes de réalisation de l’invention, [fig. 12] représente une batterie selon l’état de la technique.
[0064] [fig.l] est une vue en perspective des feuilles d’anode et de cathode destinées à former un empilement selon le procédé de fabrication de batteries conforme à l’invention.
[0065] [fig-2] est une vue de face, illustrant l’une des feuilles de la figure 1.
[0066] [fig.3] est une vue de face, à plus grande échelle, illustrant des fentes en forme de H ménagées dans des feuilles adjacentes.
[0067] [fig.4] est une vue en perspective, également à grande échelle, illustrant ces fentes en forme de H ménagées dans des feuilles adjacentes.
[0068] [fig.5] est une vue de dessus, illustrant une étape de découpe réalisée sur différentes fentes ménagées dans l’empilement des figures précédentes.
[0069] [fig.6] est une vue de dessus, illustrant à plus grande échelle les découpes ménagées sur une fente en forme de H.
[0070] [fig.7] est une vue en coupe, selon la ligne VII-VII indiquée sur la figure 6.
[0071] [fig.8] est une vue en coupe, selon la ligne VIII-VIII indiquée sur la figure 6.
[0072] [fig.9] est une vue de dessus illustrant une batterie conforme à l’invention, qui est susceptible d’être obtenue notamment selon le procédé des figures précédentes.
[0073] [fig. 10] est une vue de face illustrant une batterie conforme à l’invention, qui est susceptible d’être obtenue notamment selon le procédé des figures précédentes.
[0074] [fig.l 1] est une vue en perspective, illustrant une batterie conforme à l’invention, qui est susceptible d’être obtenue notamment selon le procédé des figures précédentes.
[0075] [fig.12] est une vue en perspective illustrant une batterie selon l’art antérieur.
[0076] [fig. 13] est vue de dessus, illustrant une étape de découpe réalisée sur différentes fentes en forme de H ménagées sur une feuille d’anode ou de cathode selon une deuxième variante de l’invention.
[0077] [fig. 14] est une vue de dessus, illustrant à plus grande échelle les découpes ménagées sur des fentes en forme de H selon la deuxième variante de l’invention.
[0078] [fig. 15] est une vue en perspective, illustrant une batterie conforme à l’invention, qui est susceptible d’être obtenu notamment selon la deuxième variante de l’invention.
[0079] Les repères suivants sont utilisés sur ces figures et dans la description qui suit :
[0080] [Table 1] : repères utilisés dans la présente demande
[0081]
| 1 | empilement de feuilles d'anode et de catn o ce | ||
| 1 | feuille de cathode | XH/XH’ | axe médian horizontaides fentes 14 et 34, respecHvernertdesfentes 1014 et 1034 |
| 3 | feuille d'anode | D D : CU D\. D^\ D'-. | Découpe |
| 10 | zon e centra! e pert o rêe de la feuille de cathode | 100/ 1100 | Batterie selon {'Invention |
| 12 | cadre périprie ri que de la feuille de cathode | 40/1040 | chutes de mati ère |
| XX | direction longitudinale ou horizontale de l'empilement | 41 | chutes de matériaux de cath odes |
| YY | direction verticale ou transversale de l’empilement | 43 | chutes de matériaux d'anodes |
| L | ligne de fentes | X 100 Y 100 | axes médians icn^tudnaux et transversauxde 1Ô0 |
| R | rangée de fentes | 101/102 | bords latéraux de 100 |
| 203 1L'3O | ponts de matière entre deuxlignes | 103/104 | bords longitudinaux. de 10© |
| H.7 H | hauteurs des ponts | 110/ 11 10 | couch es de cathode- |
| 22 | bandes de matières entre deux rangées | 130/ 1130 | couches d'anode |
| largeur des bandes | 111 1.31/1111. 1131 | corps principal de 110 iespeet: vement de 130/ coips principal de 1110, respectivement de 1130 | |
| 14 /' 1014 | fentes en forme de H dans les feuilles de cathode | 112.1327 1112, 1132 | corps secondaire de 110. i e s ce et· v e me nt de 13 0 / ce : ps secondaire de 1110. respe rivement de 1130 |
| 16/ 1016 | évidements principaux verticaux de 14 | 113/ 1113 | espace libre entre 111 et 112. respectivement entre 1111 et 1112. de tout matériau d'éiectmde. d'électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant |
| 18/ 1018 | canai h orizontal de 14 | 13.3/ 1133 | espace libre entre 131 et. 132; respectivement entre 1131 et 1132 de tout matériau d’electrode d'électrolyte et/cu de substrat collecteur de courant |
| hauteur totale de la fente | 13 / Gu® | largeur de l’espace libre entre 111 et 112, respectivement entre 1111 et 1112 | |
| U. | largeur tots le de latente | L:·:}.·* L- | largeur du corps secondaire 112, respectivement·! 112 |
| U® | largeur de chaque évidement principal 16 | 11-Γ 112\. '131'. 132' | faces libres respectivement de 111, 112,131,132 |
[0082]
| ha uteur de Ch ague ca n al 13 | 206 | batteries de F art antérteur voir figure 12 | |
| distance entre ie-sômmâ' de 16 et de 18 | 21G/23G | cathode/ anode | |
| 34/ 1034 | tentes en forme de H dans es teuntei d anode analogues auxfentes /1014 | 201/202 | bords latéraux |
| 36/' 1336 | évidements pnndpaux verticaux de 34 | -J { 230' | faces libres delà cathode/de l’anode |
| 1101 1102 | dotes latér aux de 1106 | 710' < 230 | f a ce s i i b r es d e i a catho de 3 de 1 ' anode situées en retrait |
| 33/ 1Q38 | canal horizontettfe 34 | distance entre la découpe Qjj etla face en regard du canal 18 | |
| perforations présentes aux quatre extrémités des feuilles d'anode eide cathode | distance entre la découpe D'n et la face en regard du canal 38 | ||
| D-ssss· | distance entre la découpe ijn et ia face en regard du canal 1018 | dis tance entre te sommet de 36 et de 38 |
Description de l’invention
[0083] Le procédé conforme à l’invention comprend tout d’abord une étape dans laquelle on réalise un empilement I de feuilles alternées, ces feuilles étant dénommées dans ce qui suit, selon le cas, « feuilles d’anode » et « feuilles de cathode ». Comme on le verra plus en détail, chaque feuille d’anode est destinée à former l’anode de plusieurs batteries, et chaque feuille de cathode est destinée à former la cathode de plusieurs batteries. Dans l’exemple illustré sur la figure 1, on a représenté cinq feuilles de cathode 1, ainsi que cinq feuilles d’anode 3. En pratique, cet empilement est formé par un nombre plus élevé de feuilles, typiquement compris entre dix et mille. Dans un mode de réalisation avantageux, toutes ces feuilles présentent des perforations 2 à leurs quatre extrémités de manière à ce que lorsque ces perforations 2 sont superposées, toutes les cathodes et toutes les anodes de ces feuilles sont agencées spécifiquement, comme ceci sera expliqué en plus grand détail ci-après (cf. figures 1 et 2). Ces perforations 2 aux quatre extrémités des feuilles peuvent être réalisées par tout moyen approprié, notamment sur des feuilles d’anode et de cathode après fabrication ou sur des feuilles d’anode et/ou de cathode revêtues d’une couche d’électrolyte ou revêtues d’un séparateur de manière à ce que cette couche d’électrolyte ou ce séparateur soit intercalé(e) entre deux feuilles de polarité opposée, i.e. entre la feuille d’anode et la feuille de cathode.
[0084] La structure physico-chimique de chaque feuille d’anode ou de cathode, qui peut être de type connue, ne fait pas partie de l’invention et ne sera décrite que de manière succincte. Chaque feuille d’anode, respectivement de cathode, comprend une couche active d’anode, respectivement une couche active de cathode. Chacune de ces couches actives peut être solide, i.e. de nature dense ou poreuse. Par ailleurs, afin d’éviter tout contact électrique entre deux feuilles adjacentes, une couche d’électrolyte ou un séparateur imprégné d’un électrolyte liquide est disposé sur au moins l’une de ces deux feuilles, au contact de la feuille en regard. La couche d’électrolyte ou le séparateur imprégné d’un électrolyte liquide, non représenté sur les figures décrivant la présente invention, est intercalé entre deux feuilles de polarité opposée, i.e. entre la feuille d’anode et la feuille de cathode.
[0085] On va maintenant décrire la structure mécanique de l’une des feuilles de cathode 1, étant entendu que les autres feuilles de cathode présentent une structure identique. Par ailleurs, comme on le verra dans ce qui suit, les feuilles d’anode 3 possèdent une structure très voisine de celle des feuilles de cathode 1.
[0086] Comme cela est visible sur la figure 2, la feuille de cathode 1 présente une forme de quadrilatère, sensiblement de type carré. Elle délimite une zone centrale 10 dite perforée, dans laquelle sont ménagées des fentes en forme de H qui vont être décrites ci-après. En référence au positionnement de ces fentes en forme de H, on définit une direction dite verticale YY de la feuille, qui correspond à la direction verticale de ces H, ainsi qu’une direction dite horizontale XX de la feuille, perpendiculaire à la direction YY. La zone centrale 10 est bordée par un cadre périphérique 12 qui est plein, à savoir dépourvu de fentes. La fonction de ce cadre est notamment d’assurer une manipulation aisée de chaque feuille.
[0087] Les fentes en forme de H sont réparties selon des lignes L i à L y, disposées les unes au-dessous des autres, ainsi que selon des rangées R i à R x prévues les unes à côté des autres. A titre d’exemples non limitatifs, dans le cadre de la fabrication de microbatteries de type composant montable en surface (ci-après CMS), les feuilles d’anode et de cathode employées peuvent être des plaques de 100 mm x 100 mm. De manière typique, le nombre de lignes de ces feuilles est compris entre 10 et 500, alors que le nombre de rangées est compris entre 10 et 500. En fonction de la capacité souhaitée de la batterie, ses dimensions peuvent varier et le nombre de ligne et de rangées par feuilles d’anode et de cathode peut être adapté en conséquence. Les dimensions des feuilles d’anode et de cathode employées peuvent être modulées en fonction des besoins. Comme montré en figure 2, deux lignes adjacentes sont séparées par des ponts de matière 20, dont on note H 2o la hauteur, laquelle est comprise entre 0,05 mm et 5 mm. Deux rangées adjacentes sont séparées par des bandes de matières, dont on note L 22 la largeur, laquelle est comprise entre 0,05 mm et 5 mm. Ces ponts et bandes de matières des feuilles d’anode et de cathode leur confèrent une rigidité mécanique suffisante pour qu’elles puissent être manipulées aisément.
[0088] Les fentes 14 sont traversantes, à savoir qu’elles débouchent sur les faces respec tivement supérieures et inférieures de la feuille. Les fentes 14 peuvent être réalisées de manière connue en soi, directement sur le substrat, avant tout dépôt de matériaux d’anode ou de cathode par gravure chimique, par électroformage, par découpe laser, par microperforation ou par étampage. Ces fentes peuvent aussi être réalisées sur des substrats revêtus de matériaux d’anode ou de cathode, sur des feuilles d’anode ou de cathode revêtues d’une couche d’électrolyte ou d’un séparateur, de manière connue en soi, par exemple par découpe laser, par découpe laser femtoseconde, par microperforation ou par étampage. Les fentes 14, réalisées dans l’ensemble des anodes, sont superposées comme le montre notamment la figure 3.
[0089] On va maintenant décrire l’une des fentes 14 en forme de H, étant entendu que l’ensemble des découpes de la feuille d’anode est identique. La fente 14 est formée par deux évidements principaux verticaux et parallèles 16, lesquels sont reliés dans leur partie supérieure par un canal horizontal 18, de préférence perpendiculaire aux deux évidements principaux verticaux 16. On note :
[0090] · H 14 la hauteur de l’ensemble de la fente, qui est typiquement comprise entre 0,25 mm et 10 mm ;
• L 14 sa largeur, qui est typiquement comprise entre 0,25 mm et 10 mm ;
• L 16 la largeur de chaque évidement principal, qui est typiquement comprise entre 0,02 mm et 5 mm ;
• H 18 la hauteur de chaque canal, qui est typiquement comprise entre 0,01 mm et 0,5 mm ;
• D 18 la différence de hauteurs entre le sommet des évidements principaux et le sommet du canal, qui est typiquement comprise entre 0,05 mm et 2 mm.
[0091] Chaque cathode est également pourvue de différentes lignes et rangées de fentes 34, prévues en même nombre que les fentes 14. Comme le montre notamment la figure 4, la structure de chaque fente 34 est sensiblement analogue à celle de chaque fente 14, à savoir que cette fente 34 comprend deux évidements principaux verticaux 36, reliés par un canal 38. Les dimensions des évidements principaux verticaux 36 sont identiques à celles des évidements principaux verticaux 16 et, de manière analogue, les dimensions des canaux 38 sont analogues à celles des canaux 18.
[0092] En vue de dessus, les évidements principaux verticaux 36 sont superposés avec ceux 16. La seule différence, entre les fentes 14 et 34, réside dans le fait que les canaux 38 sont prévus en partie inférieure. Comme le montre notamment la figure 3, les canaux 18 et 38 sont mutuellement symétriques en vue de dessus, par rapport à l’axe médian des H, lequel est noté XH.
[0093] On suppose que l’empilement, décrit ci-dessus, est soumis à des étapes visant à assurer sa stabilité mécanique globale. Ces étapes, de type connu en soi, incluent notamment le thermopressage des différentes couches. Comme on va le voir ci dessous, cet empilement permet la formation de batteries individuelles, dont le nombre est égal au produit entre le nombre de lignes Y et le nombre de rangées X.
[0094] A cet effet, en référence à la figure 5. on a illustré trois lignes L n.i à L n+i, ainsi que trois rangées R n.i à R n+i. Conformément à l’invention, on réalise deux découpes D n et D’ n par ligne de fentes. Chaque découpe, qui s’effectue de manière traversante, à savoir qu’elle s’étend sur l’ensemble de la hauteur de l’empilement, est réalisée de manière connue en soi. A titre d’exemples non limitatifs, on citera la découpe par sciage, notamment la découpe en dés, la découpe par guillotine ou encore la découpe par laser.
[0095] Comme le montre notamment la figure 6. qui est une vue à plus grande échelle de l’une des fentes de la figure 5, chaque découpe est réalisée entre un canal respectif et l’extrémité en regard du H. On suppose qu’on néglige l’épaisseur de ladite découpe. Dans ces conditions, en référence à cette figure 6, à titre d’exemples non limitatifs, on note :
[0096] · la distance D 2o entre la découpe Dn et la face en regard du canal horizontal 18 est comprise entre 0,05 mm et 2 mm, étant entendu que cette distance D 2o est inférieure ou égale à D[8 ;
• la distance D 40 entre la découpe D’n et la face en regard du canal horizontal 38, comprise entre 0,05 mm et 2 mm, étant entendu que cette distance D 40 est inférieure ou égale à D38.
[0097] En référence à nouveau à la figure 5, chaque batterie finale est délimitée, en haut et en bas, par les deux découpes et, à droite et à gauche, par les faces intérieures des évidements principaux verticaux du H. Sur cette figure 5 on a hachuré les batteries 100 une fois découpées par les lignes de découpe D n et D’ n , on a illustré avec des points les zones 40 des feuilles de l’empilement, qui ne forment pas les batteries, alors que le volume des fentes est laissé en blanc.
[0098] Les figures 7 et 8 sont des vues en coupe, prises selon des lignes de coupe parallèle. La coupe VII-VII s’ étend à travers les évidements principaux verticaux du H, alors que la coupe VIII-VIII traverse la matière. Sur la figure 7, on a référencé les zones 40, illustrées également en figure 5, lesquelles correspondent à des chutes de matière, notamment des chutes de matériaux d’anodes 43 et de matériaux de cathodes 41. Sur la figure 8 on note que les découpes sont réalisées à la fois au travers des anodes et des cathodes, à savoir à une distance D 2o des canaux des fentes en forme de H de manière à avoir pour chaque cathode 1, respectivement chaque anode 3 de la batterie 100 un corps principal 111, respectivement 131, séparé d’un corps secondaire 112, respectivement 132, par un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant 113, respectivement 133. Il s’agit là d’une caractéristique particulièrement avantageuse de l’invention, puisque cela permet d’améliorer la qualité de la découpe au regard de l’art antérieur et d’éviter la présence de court-circuit au niveau des bords latéraux de la batterie.
[0099] La demande WO 2016/001584 décrit des empilements de plusieurs cellules élémentaires, constituées de feuilles d’anode et de cathode empilées de manière alternée et décalée latéralement (cf. figure 12), encapsulés dans un système d’encapsulation pour assurer la protection de la cellule de la batterie vis-à-vis de l’atmosphère. La découpe de ces empilements encapsulés permettant d’obtenir des batteries unitaires, avec des connexions anodique et cathodique à nu, est réalisée selon un plan de coupe traversant une succession alternée d’électrode et de système d’encapsulation. De par la différence de densité existant entre l’électrode et le système d’encapsulation de la batterie de l’art antérieur, la découpe réalisée selon ce plan de coupe induit un risque d’arrachement du système d’encapsulation aux abords du plan de coupe, et ainsi la création de court-circuits. Dans l’art antérieur, lors de l’encapsulation, la couche d’encapsulation remplit les interstices de l’empilement des feuilles portant des découpes en forme de U. Cette couche d’encapsulation introduite au niveau de ces interstices est épaisse et n’adhère pas très bien à l’empilement induisant ce risque d’arrachement du système d’encapsulation lors de la découpe ultérieure.
[0100] Selon la présente invention, ce risque est supprimé avec l’emploi de feuilles portant des découpes en forme de H, car la structure mécanique thermopressée en forme de H est extrêmement rigide aux abords de la découpe, du fait de la superposition alternée de feuilles de cathode et d’anode. L’utilisation d’une telle structure rigide, avec l’emploi de feuilles portant des découpes en forme de H, permet de réduire le nombre de défauts lors des découpes, d’accroître la vitesse de découpe et ainsi d’améliorer le rendement de production des batteries.
[0101] Selon l’invention, les découpes D’ n et D n sont effectuées au travers des anodes et des cathodes de densité comparable induisant une découpe propre de meilleure qualité. De plus la présence d’un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant empêche tout risque de court-circuit.
[0102] En référence désormais aux figures 9 à 11, on a illustré l’une 100 des batteries conformes à l’invention. On note X100 et Y100 les axes médians respectivement longitudinaux et transversaux de cette batterie. On note 101 et 102 les bords latéraux, 103 et 104 les bords longitudinaux de cette batterie. On note par ailleurs 110 chaque cathode, et 130 chaque anode. Le nombre de ces cathodes, qui est identique au nombre de ces anodes, correspond au nombre de feuilles de cathode et de feuilles d’anode de l’empilement ci-dessus.
[0103] Chaque cathode 110 comprend un corps principal 111, un corps secondaire 112 situé sur un premier bord latéral 101, ainsi qu’un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant 113. Ce dernier, dont la largeur correspond à celle du canal 18 de la fente 14 décrite ci-dessus, s’étend entre les bords longitudinaux 103 et 104. De manière analogue, chaque anode 130 comprend un corps principal 131, ainsi qu’un corps secondaire 132 situé sur le bord latéral 102, opposé à celui 101. Le corps principal 131 et le corps secondaire 132 sont séparés par un espace libre 133 de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant, reliant les bords 103 et 104. Les 2 espaces libres 113 et 133 sont mutuellement symétriques, par rapport à l’axe médian Y100.
[0104] La largeur L n3 de chaque espace libre 113 correspond à la largeur du canal 18, appartenant à la fente décrite dans les figures précédentes. Par ailleurs, la largeur L 112 de chaque corps secondaire 112 correspond à la distance D20, telles que décrites en référence à la figure 6 ou à la figure 8.
[0105] La figure 13 illustre une variante supplémentaire de l’invention. Sur cette figure 13 les éléments mécaniques analogues à ceux des figures 1 à 11 illustrant le premier mode de réalisation, y sont affectés des mêmes numéros de référence augmentée du nombre 1000.
[0106] Cette seconde variante de réalisation diffère de la première variante essentiellement en ce que les fentes 1014 en forme de H sont réparties selon des lignes L i à L y, disposées les unes au-dessous des autres, ainsi que selon des rangées R i à R x prévues les unes à côté des autres. De la sorte au moins un des évidements principaux verticaux 1016 de la fente positionnée en rangée Rn est confondu avec au moins l’un des évidements principaux verticaux 1016 de la fente adjacente positionnée en rangée R„ । et/ou Rn+i. Dans ce cas, les deux rangées adjacentes ne sont pas séparées par des bandes de matières. Comme montré en figure 13, deux lignes adjacentes sont séparées par des ponts de matière 1020, dont on note H iO2o la hauteur, laquelle est comprise entre 0,05 mm et 5 mm. Ces ponts de matière confèrent aux feuilles d’anode et de cathode une rigidité mécanique suffisante pour qu’elles puissent être manipulées aisément.
[0107] Dans cette seconde variante de l’invention, les fentes 1014 en forme de H peuvent être, de préférence, les mêmes que dans la première variante. La fente 1014 est, de préférence, formée par deux évidements principaux verticaux et parallèles 1016, lesquels sont reliés dans leur partie supérieure par un canal horizontal 1018, de préférence perpendiculaire aux deux évidements principaux verticaux 1016.
[0108] Chaque cathode est pourvue de différentes lignes et rangées de fentes 1014. Chaque anode est également pourvue de différentes lignes et rangées de fentes 1034, prévues en même nombre que les fentes 1014.
[0109] La structure de chaque fente 1034 est sensiblement analogue à celle de chaque fente 1014, à savoir que cette fente 1034 comprend deux évidements principaux verticaux 1036, reliés par un canal 1038. Les dimensions des évidements principaux verticaux
1036 sont identiques à celles des évidements principaux verticaux 1016 et, de manière analogue, les dimensions des canaux 1038 sont analogues à celles des canaux 1018.
[0110] En vue de dessus, les évidements principaux verticaux 1036 sont superposés avec les évidements principaux verticaux 1016. La seule différence, entre les fentes 1014 et 1034, réside dans le fait que les canaux 1038 sont prévus en partie inférieure. Comme le montre notamment la figure 14, les canaux 1018 et 1038 sont mutuellement symétriques en vue de dessus, par rapport à l’axe médian des H, lequel est noté XH’.
[0111] On suppose que l’empilement des feuilles d’anode et de cathode, décrit ci-dessus, est soumis à des étapes visant à assurer sa stabilité mécanique globale. Ces étapes, de type connu en soi, incluent notamment le thermopressage des différentes couches. Comme on va le voir ci-dessous, cet empilement permet la formation de batteries individuelles, dont le nombre est égal au produit entre le nombre de lignes Y et le nombre de rangées X.
[0112] A cet effet, en référence à la figure 14, on a illustré trois lignes L n.i à L n+i, ainsi que trois rangées R n.i à R n+i. Conformément à l’invention, on réalise deux découpes D n et D’ n par ligne de fentes. Chaque découpe, qui s’effectue de manière traversante, à savoir qu’elle s’étend sur l’ensemble de la hauteur de l’empilement, est réalisée de manière connue en soi. A titre d’exemples non limitatifs, on citera la découpe par sciage, notamment la découpe en dés, la découpe par guillotine ou encore la découpe par laser.
[0113] Chaque découpe est réalisée entre un canal respectif et l’extrémité en regard du H. On suppose qu’on néglige l’épaisseur de ladite découpe. Les découpes sont réalisées à la fois au travers des anodes et des cathodes, à savoir à une distance D iO2o des canaux des fentes en forme de H de manière à avoir pour chaque cathode 1110, respectivement chaque anode 1130 de la batterie 1100, un corps principal 1111, respectivement 1131, séparé d’un corps secondaire 1112, respectivement 1132, par un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant 1113, respectivement 1133, comme cela est illustré en figure 15. Il s’agit là d’une caractéristique particulièrement avantageuse de l’invention, puisque cela permet d’améliorer la qualité de la découpe au regard de l’art antérieur et d’éviter la présence de court-circuit au niveau des bords latéraux de la batterie. Chaque batterie finale 1100 est délimitée, en haut et en bas, par les deux découpes et, à droite et à gauche, par les faces intérieures des évidements principaux verticaux du H. Sur la figure 13 on a hachuré les batteries 1100 une fois découpées par les lignes de découpe D n et D’ n , on a illustré avec des points les zones 1040 des feuilles de l’empilement, qui ne forment pas les batteries, alors que le volume des fentes est laissé en blanc.
[0114] Selon l’invention, les découpes D’ n et D n sont effectuées au travers des anodes et des cathodes de densité comparable induisant une découpe propre de grande qualité.
De plus la présence d’un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant empêche tout risque de court-circuit.
[0115] Comme représenté en figure 15, chaque cathode 1110 comprend un corps principal 1111, un corps secondaire 1112 situé sur un premier bord latéral 1101, ainsi qu’un espace 1113 libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant. Ce dernier, dont la largeur correspond à celle du canal 1018 de la fente 1014 décrite ci-dessus, s’étend entre les bords longitudinaux. De manière analogue, chaque anode 1130 comprend un corps principal 1131, ainsi qu’un corps secondaire 1132 situé sur le bord latéral 1102, opposé à celui 1101. Le corps principal 1131 et le corps secondaire 1132 sont séparés par un espace libre 1133 de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant, reliant les bords longitudinaux. Les 2 espaces libres 1113 et 1133 sont mutuellement symétriques, par rapport à l’axe médian Y100.
[0116] La largeur L m3 de chaque espace libre 1113 correspond à la largeur du canal 1018, appartenant à la fente décrite dans les figures précédentes. Par ailleurs, la largeur L m2 de chaque corps secondaire 1112 correspond à la distance D 1020, telles que décrites précédemment.
[0117] La batterie 1100 obtenue selon la deuxième variante de l’invention est en tout point identique à celle obtenue selon la première variante de l’invention quand bien même l’agencement des fentes 1014 est différent.
[0118] Dans une troisième variante de l’invention qui n’est pas représentée sur les figures, les fentes 14 / 1014 en forme de H peuvent être réparties selon des lignes L 1 à L y, disposées les unes au-dessous des autres, ainsi que selon des rangées R 1 à R x prévues les unes à côté des autres. De la sorte, sur une même feuille d’anode et/ou de cathode, les fentes 14 / 1014 en forme de H sont disposées selon la première et la seconde variante de l’invention, sur les feuilles d’anode et/ou de cathode, de manière à conserver une rigidité mécanique suffisante pour que ces feuilles puissent être manipulées aisément et à ce que l’empilement puisse définir avantageusement un maximum de batteries unitaires.
[0119] La batterie 1100 obtenue selon la troisième variante de l’invention est en tout point identique à celle obtenue selon les première et/ou deuxième variantes selon l’invention quand bien même l’agencement des fentes 14 / 1014 sur les feuilles d’anode et/ou de cathode est différent.
[0120] La comparaison entre les figures 11 et 12 permet de mettre en exergue des avantages de l’invention. En effet, sensiblement tout le volume global de la batterie est occupé par de la matière utile, i.e. qui contribue au fonctionnement électrochimique de la batterie 100. En effet, seuls les deux espaces libres 133 / 1133, de très faible dimension, ne peuvent être considérés comme de la matière utile. A cet égard, en référence à la figure 10, on note que les faces libres 112’ des corps secondaires de cathode affleurent les faces libres 131’ du corps principal des anodes, alors que les faces libres 132’ des corps secondaires d’anode affleurent les faces libres 111’ du corps principal des cathodes. En d’autres termes, les bords latéraux opposés de la batterie conforme à l’invention, comprenant des matériaux d’électrode, sont sensiblement continus, par comparaison avec ceux de l’art antérieur illustré en figure 12, lesquelles sont discontinus du fait de la présence des retraits.
[0121] En outre, la présence d’espaces libres sur chaque couche d’anode, respectivement de cathode de la batterie permet de s’affranchir de l’utilisation de tout système d’encapsulation, i.e. de tout matériau isolant, tel que du parylène au sein de la batterie, ces espaces libres jouant le rôle d’isolant électrique. Les étapes finales de fabrication de batteries, telles que l’encapsulation, en sont facilitées. Il n’est plus nécessaire, comme dans l’art antérieur et illustré en figure 12, d’isoler les régions en retrait 210”, 230” au sein de la batterie, i.e. de remplir les interstices de la structure de l’art antérieur avec un système d’encapsulation, de remplir l’espace présent dans les découpes en forme de U positionnées façon tête bêche et décalés par un système d’encapsulation pour éviter tout court-circuit. L’utilisation d’une structure rigide selon l’invention, avec l’emploi de feuilles portant des découpes en forme de H, permet de faciliter l’encapsulation et de réduire les épaisseurs d’encapsulation au regard de l’art antérieur. Des systèmes d’encapsulation de type multicouche avec des couches plus fines et plus rigides que celles de l’art antérieur peuvent être envisagés.
[0122] Avantageusement, après l’étape d’empilement des feuilles d’anode et de cathode, le traitement thermique de ce dernier permettant l’assemblage de la batterie est réalisé à une température comprise entre 50°C et 500°C, de préférence à une température inférieure à 350 °C, et/ou la compression mécanique de l’empilement des feuilles d’anode et de cathode à assembler est réalisée à une pression comprise entre 10 et 100 MPa, de préférence entre 20 et 50 MPa. Dans un mode de réalisation particulier, il est avantageux, après l’étape d’empilement et de traitement thermique de ce dernier, d’encapsuler l’empilement en déposant un système d’encapsulation pour assurer la protection de la cellule de la batterie vis-à-vis de l’atmosphère. Le système d’encapsulation doit être stable chimiquement, résister à une température élevée et être imperméable à l'atmosphère pour jouer sa fonction de couche barrière. Avantageusement, l‘empilement de feuilles d’anode et de feuilles de cathode selon l’invention, peut être recouvert d’une séquence, de préférence de z séquences, d’un système d’encapsulation comprenant :
[0123] - une première couche de recouvrement, de préférence choisi parmi le parylène, le parylène de type E, le polyimide, les résines epoxy, le silicone, le polyamide et/ou un mélange de ceux-ci, déposée sur l’empilement de feuilles d’anode et de cathode,
- une deuxième couche de recouvrement composée d’une matière électriquement isolante, déposée par dépôt de couches atomiques sur ladite première couche de recouvrement.
[0124] Cette séquence peut être répétée z fois avec z > 1. Cette séquence multicouche a un effet barrière. Plus la séquence du système d’encapsulation sera répétée, plus cet effet barrière sera important. Il sera d’autant plus important que le nombre de couches minces déposées sera important.
[0125] Typiquement, la première couche de recouvrement est en polymère, par exemple en silicone (déposé par exemple par imprégnation ou par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à partir d’hexaméthyldisiloxane (HMDSO)), ou en résine epoxy, ou en polyimide, en polyamide, ou en poly-para-xylylène (plus connu sous le terme parylène). Cette première couche de recouvrement permet de protéger les éléments sensibles de la batterie de son environnement. L’épaisseur de ladite première couche de recouvrement est, de préférence, comprise entre 0.5 pm et 3 pm.
[0126] Avantageusement, la première couche de recouvrement peut être en parylène de type C, en parylène de type D, en parylène de type N (CAS 1633-22-3), en parylène de type L ou un mélange de parylène de type C, D, N et/ou L. Le parylène (appelé aussi polyparaxylylène ou poly(p-xylylène)) est un matériau diélectrique, transparent, semi cristallin qui présente une grande stabilité thermodynamique, une excellente résistance aux solvants ainsi qu’une très faible perméabilité. Le parylène a également des propriétés barrières permettant de protéger la batterie de son environnement externe. La protection de la batterie est accrue lorsque cette première couche de recouvrement est réalisée à partir de parylène de type L. Cette première couche de recouvrement est avantageusement obtenue à partir de la condensation de monomères gazeux déposés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur les surfaces, ce qui permet d’avoir un recouvrement conformai, mince et uniforme de l’ensemble des surfaces accessibles de l’empilement. Cette première couche de recouvrement est avantageusement rigide ; elle ne peut pas être considérée comme une surface souple.
[0127] La deuxième couche de recouvrement est composée d’une matière électriquement isolante, de préférence inorganique. Elle est déposée par dépôt de couches atomiques (ALD), de manière à obtenir un recouvrement conformai de l’ensemble des surfaces accessibles de l’empilement préalablement recouvert de la première couche de recouvrement. Les couches déposées par ALD sont très fragiles mécaniquement et nécessitent une surface d’appui rigide pour assurer leur rôle protecteur. Le dépôt d’une couche fragile sur une surface souple conduirait à la formation de fissures, engendrant une perte d’intégrité de cette couche de protection. Par ailleurs, la croissance de la couche déposée par ALD est influencée par la nature du substrat. Une couche déposée par ALD sur un substrat présentant des zones de natures chimiques différentes aura une croissance inhomogène, pouvant engendrer une perte d’intégrité de cette couche de protection.
[0128] Les techniques de dépôt par ALD sont particulièrement bien adaptées pour recouvrir des surfaces présentant une forte rugosité de manière totalement étanche et conforme. Elles permettent de réaliser des couches conformales, exemptes de défauts, tels que des trous (couches dits « pinhole free », i.e. exempts de trous) et représentent de très bonnes barrières. Leur coefficient WVTR est extrêmement faible. Le coefficient WVTR (water vapor transmission rate) permet d’évaluer la perméance à la vapeur d'eau du système d’encapsulation. Plus le coefficient WVTR est faible plus le système d’encapsulation est étanche.
[0129] La deuxième couche de recouvrement peut être en matériau céramique, en matériau vitreux ou en matériau vitrocéramique, par exemple sous forme d'oxyde, de type A12O3 , de nitrure, de phosphates, d’oxynitrure, ou de siloxane. Cette deuxième couche de recouvrement présente, de préférence, une épaisseur comprise entre 10 nm et 50 nm.
[0130] Cette deuxième couche de recouvrement déposée par ALD sur la première couche de recouvrement permet d’une part, d’assurer l’étanchéité de la structure, i.e. d’empêcher la migration de l’eau à l’intérieur de l’objet et d’autre part de protéger la première couche de recouvrement, de préférence de parylène de type E, de l’atmosphère, notamment de l’air et de l’humidité, des expositions thermiques afin d’éviter sa dégradation. Cette deuxième couche de recouvrement améliore la durée de vie de la batterie encapsulée.
[0131] L’empilement de feuilles d’anode et de cathode ainsi encapsulé dans cette séquence du système d’encapsulation, de préférence dans z séquences, peut ensuite être revêtu d’une dernière couche de recouvrement de manière à protéger mécaniquement l’empilement ainsi encapsulé et éventuellement lui conférer un aspect esthétique. Cette dernière couche de recouvrement protège et améliore la durée de vie de la batterie. Avantageusement cette dernière couche de recouvrement est également choisie pour résister à une température élevée, et présente une résistance mécanique suffisante pour protéger la batterie lors de son utilisation ultérieure. Avantageusement, l’épaisseur de cette dernière couche de recouvrement est comprise entre 1 pm et 50 pm. Idéalement, l’épaisseur de cette dernière couche de recouvrement est d’environ 10-15 pm, une telle gamme d’épaisseur permet de protéger la batterie contre l’endommagement mécanique.
[0132] Cette dernière couche de recouvrement est de préférence à base de résine époxy, de polyéthylène naphtalate (PEN), de polyimide, de polyamide, de polyuréthane, de silicone, de silice sol-gel ou de silice organique. Avantageusement, cette dernière couche de recouvrement est déposée par trempage.
[0133] L’empilement de feuilles d’anode et de cathode ainsi enrobée est ensuite découpée par tout moyen approprié selon les lignes de coupes D’ n et D n de manière à mettre à nu les connexions anodiques et cathodiques et à obtenir des batteries unitaires.
[0134] Dans le cas des batteries imprégnées par un électrolyte liquide, l’imprégnation de la batterie par un électrolyte liquide est avantageusement réalisée, après obtention des batteries unitaires dont les connexions anodique et cathodique sont à nu, par une phase porteuse d’ions de lithium telle que des électrolytes liquides ou un liquide ionique contenant des sels de lithium ; cette phase porteuse d’ions de lithium pénètre dans la batterie par capillarité.
[0135] Des terminaisons (contacts électriques) sont ajoutées au niveau où les connexions cathodiques, respectivement anodiques sont apparentes (non revêtues d’électrolyte isolant). Ces zones de contact sont, de préférence, disposées sur des côtés opposés de l’empilement de la batterie pour collecter le courant (collecteurs de courant latéraux) ou sur des côtés adjacents. Les connexions sont métallisées à l’aide de techniques connues de l’homme du métier, de préférence par immersion dans une résine époxy conductrice et / ou un bain d'étain en fusion. De préférence, les terminaisons sont constituées, aux abords des connexions cathodique et anodique, d’un premier empilement de couches comprenant successivement une première couche d’un matériau chargé en graphite, de préférence en résine époxy chargée de graphite, et une deuxième couche comprenant du cuivre métallique obtenue à partir d’une encre chargée en nanoparticules de cuivre déposée sur la première couche. Ce premier empilement des terminaisons est ensuite fritté par lampe flash infra-rouge de manière à obtenir un recouvrement des connexions cathodique et anodique par une couche de cuivre métallique.
[0136] En fonction de l’utilisation finale de la batterie, les terminaisons peuvent comprendre, de manière additionnelle, un deuxième empilement de couches disposé sur le premier empilement des terminaisons comprenant successivement une première couche d’un alliage étain-zinc déposé, de préférence par trempage dans un bain d’étain-zinc en fusion, afin d’assurer l’étanchéité de la batterie à moindre coût et une deuxième couche à base d’étain pur déposée par électrodéposition ou une deuxième couche comprenant un alliage à base d’argent, de palladium et de cuivre déposée sur cette première couche du deuxième empilement.
[0137] Les terminaisons permettent de reprendre les connexions électriques alternativement positives et négatives sur chacune des extrémités. Ces terminaisons permettent de réaliser les connexions électriques en parallèle entre les différents éléments de batterie. Pour cela, seules les connexions cathodiques sortent sur une extrémité, et les connexions anodiques sont disponibles sur une autre extrémité.
Claims (1)
-
Revendications [Revendication 1] Batterie (100) comprenant au moins une anode (3) et au moins une cathode (1), disposée l’une au-dessus de l’autre de manière alternée, ladite batterie (100) comprenant des bords latéraux (101, 102) comprenant une zone de connexion anodique et une zone de connexion cathodique, de préférence latéralement opposée à la zone de connexion anodique, et des bords longitudinaux (103, 104), dans laquelle l’anode (3) comprend : - un substrat collecteur de courant, - au moins une couche d’anode, et - éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte, et la cathode (1) comprend : - un substrat collecteur de courant, - au moins une couche de cathode, et - éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte, de sorte que la batterie comprenne successivement au moins une couche d’anode, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte, et au moins une couche de cathode, caractérisée en ce que chaque anode et chaque cathode comprend un corps principal (111, 131) respectif, séparé d’un corps secondaire (112, 132) respectif par un espace libre (113, 133) de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant reliant les bords latéraux (101, 102) opposés de la batterie. [Revendication 2] Batterie selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les faces libres des corps secondaires respectivement des cathodes (112’) et des anodes (132’), qui sont opposées à l’espace libre, affleurent les faces libres du corps principal respectivement des anodes (13Γ) et des cathodes (11Γ). [Revendication 3] Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend un système d’encapsulation revêtant totalement quatre des six faces de ladite batterie, les deux faces restantes comprenant une zone de connexion anodique et une zone de connexion cathodique. [Revendication 4] Batterie selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le système d’encapsulation comprend : - au moins une première couche de recouvrement, de préférence choisie parmi le parylène, le parylène de type F, le polyimide, les résines epoxy, le silicone, le polyamide, la silice sol-gel, la silice organique et/ou un mélange de ceux-ci, déposée sur la batterie, - au moins une deuxième couche de recouvrement composée d’une matière électriquement isolante, déposée par dépôt de couches atomiques sur ladite au moins première couche de recouvrement, étant entendu que cette séquence d’au moins une première couche de recouvrement et d’au moins une deuxième couche de recouvrement peut être répétée z fois avec z > 1. [Revendication 5] Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la zone de connexion anodique et la zone de connexion cathodique sont recouvertes par un système de terminaison. [Revendication 6] Batterie selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le système de terminaison comprend successivement : - une première couche d’un matériau chargé en graphite, de préférence à base de résine époxy chargée en graphite, - une seconde couche dense de cuivre métallique disposée sur la première couche du système de terminaison, et - optionnellement, une troisième couche à base d’un alliage étain-zinc d’étain, disposée sur la deuxième couche, - optionnellement, une quatrième couche à base d’étain ou à base d’un alliage d’argent, de palladium et de cuivre, disposée sur la troisième couche du système de terminaison. [Revendication 7] Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la largeur de l’espace libre (Ln3) est comprise entre 0,01 mm et 0,5 mm. [Revendication 8] Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la largeur des corps secondaires (Ln2) est comprise [Revendication 9] entre 0,05 mm et 2 mm.Procédé de fabrication d’une batterie, ladite batterie comprenant au moins une anode (3) et au moins une cathode (1), disposée l’une audessus de l’autre de manière alternée, ladite batterie (100) comprenant des bords longitudinaux (103,104) et des bords latéraux (101,102), dans lequel l’anode (3) comprend :- un substrat collecteur de courant,- au moins une couche d’anode, et- éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte, et la cathode (1) comprend :- un substrat collecteur de courant, - au moins une couche de cathode, et - éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte de sorte que la batterie comprenne successivement au moins une couche d’anode, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte, et au moins une couche de cathode, chaque anode (3) comprenant une zone de connexion anodique, située au voisinage d’un premier bord latéral de la batterie, alors que chaque cathode (1) comprend une zone de connexion cathodique, située sur un second bord latéral de la batterie, opposé audit premier bord, ledit procédé de fabrication comprenant :a) l’approvisionnement d’un empilement (I) de feuilles alternées, cet empilement comprenant des premières feuilles ou feuilles d’anode dont chacune est destinée à former une couche d’anode de plusieurs batteries, ainsi que des deuxièmes feuilles ou feuilles de cathode dont chacune est destinée à former une couche de cathode de plusieurs batteries, chaque feuille d’anode comprenant au moins une fente (34) d’anode et chaque feuille de cathode comprenant au moins une fente (14) de cathode, ladite fente respectivement d’anode et de cathode comprenant deux parties longitudinales (16, 36) au moins en partie superposées, destinées à délimiter les bords latéraux de la batterie, ainsi qu’une partie latérale (18, 38) reliant lesdites deux parties longitudinales, la partie latérale de la fente d’anode (38) et la partie latérale de la fente de cathode (18) étend mutuellement décalée,b) la réalisation d’un traitement thermique et/ou d’une compression mécanique de l’empilement de feuilles alternées précédemment approvisionné,c) la réalisation de deux découpes (Dn, D’n) s’étendant au moins partiellement à l’intérieur desdites fentes, la première découpe s’étendant entre la partie latérale de la fente d’anode et l’extrémité en regard des parties longitudinales, alors que la seconde découpe s’étend entre la partie latérale de la fente de cathode et l’extrémité en regard des parties longitudinales.[Revendication 10] Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’on réalise, après l’étape c), l’encapsulation de l’empilement découpé, en déposant :- au moins une première couche de recouvrement, de préférence choisie parmi le parylène, le parylène de type F, le polyimide, les résines epoxy, le silicone, le polyamide, la silice sol-gel, la silice organique et/ou un mélange de ceux-ci, sur la batterie, et puis- au moins une deuxième couche de recouvrement composée d’une matière électriquement isolante, déposée par dépôt de couches atomiques sur ladite au moins première couche de recouvrement, étant entendu que la séquence d’au moins une première couche de recouvrement et d’au moins une deuxième couche de recouvrement peut être répétée z fois avec z > 1.[Revendication 11] Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu’on réalise, après l’étape d) d’encapsulation de l’empilement découpé, l’imprégnation de l’empilement découpé et encapsulé, par une phase porteuse d’ions de lithium telle que des électrolytes liquides ou un liquide ionique contenant des sels de lithium.[Revendication 12] Procédé selon la revendication 10 ou la revendication 11, caractérisé en ce qu’on réalise les terminaisons de la batterie en déposant successivement :une première couche d’un matériau chargé en graphite, de préférence à base de résine époxy chargée en graphite, une seconde couche dense de cuivre métallique disposée sur lapremière couche du système de terminaison, et - optionnellement, une troisième couche à base d’un alliage étain-zinc d’étain, disposée sur la deuxième couche du système de terminaison, - optionnellement, une quatrième couche à base d’étain ou à base d’un alliage d’argent, de palladium et de cuivre, disposée sur la troisième couche du système de terminaison. [Revendication 13] Procédé selon l’une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce qu’on réalise les deux découpes (Dn, D’n) au travers d’au moins une majorité des anodes et des cathodes, en particulier au travers de l’ensemble des anodes et des cathodes. [Revendication 14] Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que les distances entre chaque découpe et les extrémités en regard des parties longitudinales sont identiques. [Revendication 15] Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que ses distances sont comprises entre 0,05 mm et 2 mm. [Revendication 16] Procédé selon l’une quelconque des revendications 9 à 15, caractérisé en ce que chaque fente présente une forme globale de H, les parties longitudinales formant les évidements principaux verticaux du H, alors que la partie latérale forme le canal du H. [Revendication 17] Procédé selon l’une quelconque des revendications 9 à 16, caractérisé en ce que chaque partie latérale des fentes délimite un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant reliant les bords latéraux opposés de la batterie, ledit espace libre séparant, pour chaque anode et chaque cathode, un corps principal d’un corps secondaire. [Revendication 18] Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que la largeur de la partie latérale est comprise entre 0,05 mm et 2 mm. [Revendication 19] Procédé selon l’une quelconque des revendications 9 à 18, caractérisé en ce que chaque feuille appartenant audit empilement comprend plusieurs lignes de fente disposées les unes à côté des autres, et en ce qu’on réalise les deux découpes à travers l’ensemble des fentes d’une même ligne. [Revendication 20] Procédé selon l’une quelconque des revendications 9 à 19, caractérisé en ce que chaque feuille comprend plusieurs rangées de fentes disposées les unes au-dessous des autres. [Revendication 21] [Revendication 22] [Revendication 23]Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que la distance séparant des découpes adjacentes, ménagées dans des lignes voisines, est comprise entre 0,05 mm et 5 mm.Procédé selon l’une des revendications 20 ou 21, caractérisé en ce que le nombre de lignes est compris entre 10 et 500, alors que le nombre de rangées est compris entre 10 et 500.Procédé selon l’une quelconque des revendications 9 à 22, caractérisé en ce qu’on réalise chaque découpe par un procédé de sciage, par un procédé de découpe en dés, par guillotine, ou par laser.
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