FR3121553A1 - Fabrication d'anodes par lamination de motifs, anodes fabriquées ainsi, et dispositifs électrochimiques incorporant de telles anodes - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de formation d’anodes pour dispositifs électrochimiques par stratification d’une feuille métallique sur un collecteur de courant et création de morceaux de matériau actif d’anode, composés de la feuille métallique, qui sont espacés les uns des autres par des régions inter-morceaux, chaque région inter-morceaux fournissant un emplacement pour former une ou plusieurs languettes électriques des anodes finies. Le procédé peut comprendre en outre l’application de morceaux de revêtement conducteur sur le collecteur de courant avant de stratifier la feuille métallique sur le collecteur de courant, chaque morceau de revêtement conducteur correspondant à l’un des morceaux de matériau actif d’anode. Dans certains modes de réalisation, les morceaux de revêtement conducteur peuvent aider à former les morceaux de matériau actif d’anode et/ou peuvent améliorer les performances de cyclage d’un dispositif électrochimique fabriqué en utilisant les anodes fabriquées avec ceux-ci. L’invention concerne également des anodes contenant un matériau actif d’anode et des revêtements conducteurs appliqués sur des collecteurs de courant.

Description

Fabrication d'anodes par lamination de motifs, anodes fabriquées ainsi, et dispositifs électrochimiques incorporant de telles anodes
Données concernant les demandes connexes
La présente demande revendique le bénéfice de la priorité de la demande de brevet provisoire US n° de série 63/170 207, déposée le 2 avril 2021 et intitulée « Fabrication d’anodes par stratification de motifs, anodes ainsi fabriquées, et batteries secondaires incorporant de telles anodes ».
Domaine
La présente invention concerne, d’une manière générale, le domaine des dispositifs électrochimiques. En particulier, la présente invention concerne la fabrication d’anodes par stratification de motifs, des anodes ainsi fabriquées, et des dispositifs électrochimiques incorporant de telles anodes.
Contexte de l’invention
Les batteries au lithium métallique rechargeables ou secondaires offrent des densités d’énergie volumétriques et gravimétriques supérieures à celles des batteries au lithium-ion actuelles. Contrairement aux batteries au lithium-ion, qui contiennent des anodes (électrode négative) formées à partir d’un matériau intercalant, tel que le graphite, dans les batteries au lithium métallique secondaires typiques, une feuille de lithium (matériau actif d’anode) est stratifiée des deux côtés d’une feuille de cuivre (collecteur de courant) pour former la structure d’anode lithium-cuivre-lithium (Li/Cu/Li) conventionnelle. Cependant, le lithium est mou et collant, et il est difficile par des procédés de laminage conventionnels de produire des feuilles de lithium ultra-minces (< 50 um d’épaisseur) présentant une largeur supérieure à 120 mm. Cette contrainte de largeur limite par conséquent la taille de l’anode et des cellules qui peuvent être fabriquées grâce aux techniques de stratification.
Les figures 1A et 1B illustrent une approche conventionnelle pour produire des anodes Li/Cu/Li conventionnelles (représentées par des régions en pointillés 10) en utilisant un procédé rouleau à rouleau 12 impliquant la stratification continue de rubans de feuille de lithium ultra-minces 14A et 14B sur les deux côtés d’une bande de feuille de cuivre 16 pour former un précurseur d’anode en bande 18. La largeur, Ww, de la bande de feuille de cuivre 16 est habituellement supérieure à la largeur, Wf, de la feuille de lithium, et la structure stratifiée présente typiquement une région de cuivre nu 16A le long d’au moins un bord de la bande de feuille de cuivre. La région de cuivre nu 16A est prévue pour former des languettes électriques 10A afin de permettre un contact électrique avec les anodes Li/Cu/Li 10 qui sont découpées à l’emporte-pièce dans le précurseur d’anode en bande 18 lorsque les anodes Li/Cu/Li sont assemblées en « roulé » empilé d’une cellule électrochimique. Sans les languettes électriques 10A, il serait difficile de connecter plusieurs couches des anodes Li/Cu/Li 10 du roulé empilé à un conducteur électrique externe (non représenté) dans la cellule électrochimique finie. Comme mentionné ci-dessus, en raison des propriétés physiques du lithium, la largeur Wf de la bande de feuille de lithium 16 est limitée à environ 120 mm lors de l’utilisation de la feuille de lithium ultra-mince souhaitée, et cela limite la taille des anodes Li/Cu/Li, telles que les anodes Li/Cu/Li 10 des figures 1A et 1B, qui peuvent être fabriquées grâce à des techniques conventionnelles de stratification rouleau à rouleau, ce qui limite fortement la taille des cellules électrochimiques au lithium métallique (non représentées), par exemple des cellules de batteries secondaires au lithium métallique, qui peuvent être fabriquées avec des anodes ultrafines en lithium métallique. À son tour, cette limitation entrave le développement de cellules secondaires au lithium métallique pour des applications qui nécessitent des batteries de haute capacité pour un fonctionnement pratique, comme les véhicules électriques, entre autres.
Dans une mise en œuvre, la présente divulgation concerne un procédé de formation d’anodes pour un ou plusieurs dispositifs électrochimiques, dans lequel chacune des anodes présente une languette électrique. Le procédé comprend la fourniture d’une bande de collecteur de courant ; la stratification, sur un premier côté de la bande de collecteur de courant, d’une feuille métallique sur la bande de collecteur de courant sous la forme de multiples morceaux de matériau actif d’anode espacés les uns des autres de manière à fournir un précurseur d’anode en bande qui comprend les morceaux de matériau actif d’anode et des régions inter-morceaux ne contenant pas la feuille métallique ; et la formation des anodes à partir du précurseur d’anode en bande de sorte que chaque anode soit formée à partir d’un morceau de matériau actif d’anode correspondant et que la languette électrique correspondante soit formée à partir de l’une des régions inter-morceaux, dans lequel la formation des anodes comprend la séparation des anodes du précurseur d’anode en bande.
Dans une mise en œuvre, le procédé de formation d'anodes peut comprendre, avant de fixer la feuille métallique à la bande de collecteur de courant, l’application d’un revêtement électroconducteur à chaque emplacement où la feuille métallique sera fixée à la bande de collecteur de courant et la non-application du revêtement électroconducteur au niveau de chaque région inter-morceaux de manière à former un morceau de revêtement électroconducteur correspondant à l’un respectif des morceaux de matériau actif d’anode. Dans certains modes de réalisation, le revêtement électroconducteur comprend des particules électroconductrices et un liant.
Dans une mise en œuvre, le procédé de formation d'anodes comprend en outre la fixation, sur un second côté de la bande de collecteur de courant opposé au premier côté, de la feuille métallique à la bande de collecteur de courant sous forme de multiples morceaux de matériau actif d’anode au verso espacés les uns des autres et en alignement avec des morceaux respectifs correspondants des morceaux de matériau actif d’anode sur le premier côté de la bande de collecteur de courant.
Dans une mise en œuvre, chaque anode présente une zone active, et le procédé comprend en outre le dimensionnement de l’un correspondant des morceaux de matériau actif d’anode pour qu’il corresponde sensiblement à la zone active de l’anode.
Dans une mise en œuvre, les anodes sont formées à un rapport 1:1 par rapport aux morceaux de matériau actif d’anode.
Dans une mise en œuvre, les anodes sont formées à un rapport 2:1 par rapport aux morceaux de matériau actif d’anode.
Dans le but d’illustrer des aspects de la divulgation, les dessins illustrent des éléments et/ou des caractéristiques d’un ou de plusieurs modes de réalisation de la divulgation. Il faut cependant comprendre que la présente divulgation ne se limite pas aux agencements et aux instruments précis représentés sur les dessins, sur lesquels :
est une vue en plan d’une partie d’un précurseur d’anode en bande conventionnel dans un procédé de stratification rouleau à rouleau conventionnel, illustrant des anodes Li/Cu/Li avant que les anodes Li/Cu/Li ne soient découpées à l’emporte-pièce dans le précurseur d’anode en bande ;
est une vue en coupe transversale exagérée agrandie du précurseur d’anode Li/Cu/Li en bande conventionnel le long de la ligne 1B-1B de la avant que les anodes ne soient découpées à l’emporte-pièce dans le précurseur d’anode en bande ;
est un organigramme illustrant un exemple de procédé de stratification pour la formation d’anode de la présente divulgation ;
est une vue en plan partielle d’un exemple de précurseur d’anode en bande et d’un exemple d’anode retirée de celui-ci qui peut être fabriquée en utilisant le procédé de la , le précurseur d’anode en bande étant représenté à différentes étapes de traitement, à partir de l’application d’un morceau de revêtement conducteur facultatif, jusqu’à la stratification d’un morceau de matériau actif d’anode, jusqu’au retrait de l’anode à partir du précurseur d’anode en bande ;
est une vue en coupe transversale exagérée agrandie de l’exemple d’anode de la le long de la ligne 3B-3B de la ;
est une vue schématique de haut niveau d’un exemple de procédé de stratification rouleau à rouleau mettant en œuvre l’exemple de procédé de stratification pour la formation d’anode de la ;
, la , la , la et la sont des vues en plan de parties de différents précurseurs d’anode en bande illustrant des exemples d’agencements alternatifs de régions d’anode et de morceaux de matériau actif d’anode (et de morceaux de revêtement conducteur, le cas échéant) sur les précurseurs d’anode en bande ;
est un graphique de la capacité de décharge par rapport à la durée de vie en cyclage comparant les performances de la durée de vie en cyclage des exemples d’anodes Li/Cu/Li fabriquées avec et sans couche de revêtement conducteur de la présente divulgation ; et
est une vue en coupe transversale de haut niveau d’une cellule électrochimique fabriquée en utilisant une pluralité d’anodes fabriquées conformément à la présente divulgation.

Claims (30)

  1. Procédé de formation d’anodes pour un ou plusieurs dispositifs électrochimiques, dans lequel chacune des anodes présente une languette électrique, le procédé comprenant :
    la fourniture d’une bande de collecteur de courant ;
    la stratification, sur un premier côté de la bande de collecteur de courant, d’une feuille métallique sur la bande de collecteur de courant sous la forme de multiples morceaux de matériau actif d’anode espacés les uns des autres de manière à fournir un précurseur d’anode en bande qui comprend les morceaux de matériau actif d’anode et des régions inter-morceaux ne contenant pas la feuille métallique ; et
    la formation des anodes à partir du précurseur d’anode en bande de sorte que chaque anode soit formée à partir d’un morceau de matériau actif d’anode correspondant et que la languette électrique correspondante soit formée à partir de l’une des régions inter-morceaux, dans lequel la formation des anodes comprend la séparation des anodes du précurseur d’anode en bande.
  2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre, avant de fixer la feuille métallique à la bande de collecteur de courant, l’application d’un revêtement électroconducteur à chaque emplacement où la feuille métallique sera fixée à la bande de collecteur de courant et la non-application du revêtement électroconducteur au niveau de chaque région inter-morceaux de manière à former un morceau de revêtement électroconducteur correspondant à l’un respectif des morceaux de matériau actif d’anode.
  3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le revêtement électroconducteur comprend des particules électroconductrices et un liant.
  4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les particules électroconductrices comprennent des particules de carbone électroconducteur.
  5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le liant est sélectionné dans le groupe consistant en un polyfluorure de vinylidène, un polyfluorure de vinylidène - hexafluoropropylène, une carboxyméthylcellulose, un caoutchouc styrène-butadiène, et n’importe quel mélange de ceux-ci.
  6. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le revêtement électroconducteur consiste essentiellement en un liant et des particules de carbone conducteur en une quantité d’environ 70 % en poids à environ 90 % en poids du revêtement électroconducteur.
  7. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l’application du revêtement électroconducteur comprend l’application du revêtement électroconducteur de manière à avoir une épaisseur durcie d’environ 0,1 µm à environ 5 µm.
  8. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l’application du revêtement électroconducteur comprend l’application du revêtement électroconducteur de manière à avoir une épaisseur durcie d’environ 0,5 µm à environ 2 µm.
  9. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l’application du revêtement électroconducteur comprend l’application du revêtement électroconducteur de manière à avoir une épaisseur durcie d’environ 1 µm.
  10. Procédé selon la revendication 2, comprenant en outre l’utilisation des morceaux de revêtement conducteur pour aligner des feuilles de la feuille métallique avec les morceaux de revêtement conducteur avant conjointement avec la fixation de la feuille métallique à la bande de collecteur de courant.
  11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel l’utilisation des morceaux de revêtement conducteur pour aligner les feuilles de la feuille de métal alcalin avec les morceaux de revêtement conducteur comprend l’utilisation d’un détecteur optique pour détecter un bord de chacun des morceaux de revêtement conducteur.
  12. Procédé selon la revendication 2, dans lequel chaque morceau de revêtement conducteur présente une taille et une forme et le morceau de matériau actif d’anode correspondant est en alignement avec celui-ci et présente une taille et une forme sensiblement identiques à la taille et à la forme du morceau de revêtement conducteur.
  13. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la bande de collecteur de courant présente une largeur et une longueur, et les morceaux de matériau actif d’anode sont espacés les uns des autres le long de la longueur de la bande de collecteur de courant avec les régions inter-morceaux situées entre eux.
  14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel chacun des morceaux de matériau actif d’anode présente une largeur dans la même direction que la largeur de la bande de collecteur de courant, et la largeur de chacun des morceaux de matériau actif d’anode représente au moins environ 95 % de la largeur de la bande de collecteur de courant.
  15. Procédé selon la revendication 1, dans lequel chaque languette électrique présente une longueur de languette, et le procédé comprenant en outre l’espacement des morceaux de matériau actif d’anode les uns des autres d’une distance minimale supérieure ou égale à la longueur de la languette.
  16. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le procédé est effectué dans un procédé rouleau à rouleau et la bande de collecteur de courant est fournie dans un ruban continu.
  17. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre la fixation, sur un second côté de la bande de collecteur de courant opposé au premier côté, de la feuille métallique à la bande de collecteur de courant sous forme de multiples morceaux de matériau actif d’anode au verso espacés les uns des autres et en alignement avec des morceaux respectifs correspondants des morceaux de matériau actif d’anode sur le premier côté de la bande de collecteur de courant.
  18. Procédé selon la revendication 1, dans lequel chaque anode présente une zone active, et le procédé comprenant en outre le dimensionnement de l’un correspondant des morceaux de matériau actif d’anode pour qu’il corresponde sensiblement à la zone active de l’anode.
  19. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les anodes sont formées à un rapport 1:1 par rapport aux morceaux de matériau actif d’anode.
  20. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les anodes sont formées à un rapport 2:1 par rapport aux morceaux de matériau actif d’anode.
  21. Procédé selon la revendication 1, dans lequel chaque région inter-morceaux est utilisée pour former une seule languette électrique de l’une correspondante des anodes.
  22. Procédé selon la revendication 1, dans lequel chaque région inter-morceaux est utilisée pour former deux languettes électriques correspondant, respectivement, à celles des morceaux de matériau actif d’anode définissant cette région inter-morceaux.
  23. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la feuille métallique comprend du lithium, et certaines des anodes présentent chacune une largeur d’au moins 20 mm et une longueur d’au moins 120 mm.
  24. Procédé selon la revendication 23, dans lequel la bande de collecteur de courant comprend du cuivre.
  25. Procédé selon la revendication 23, dans lequel la feuille métallique comprend du lithium, et certaines des anodes présentent chacune une largeur d’au moins 50 mm et une longueur d’au moins 150 mm.
  26. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la bande de collecteur de courant comprend une feuille métallique pleine.
  27. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la bande de collecteur de courant comprend une feuille métallique perforée.
  28. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la bande de collecteur de courant comprend une maille métallique.
  29. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la bande de collecteur de courant présente une épaisseur dans une plage d’environ 4 µm à environ 10 µm.
  30. Procédé selon la revendication 29, dans lequel chaque morceau de matériau actif d’anode présente une épaisseur dans une plage d’environ 15 µm à environ 25 µm.
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