FR3126814A1 - Pièce de connexion pour élément électrochimique de format prismatique - Google Patents

Pièce de connexion pour élément électrochimique de format prismatique Download PDF

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Abstract

Un élément électrochimique (15) comprenant :a) un conteneur (16) contenant un assemblage de format parallélépipèdique d’au moins une plaque positive et d’au moins une plaque négative séparées par un séparateur, ladite au moins une plaque positive/négative comportant une tête de plaque positive/négative (1, 2) constituée d’une portion d’un collecteur de courant non recouverte de matière active positive/négative ;b) un couvercle (6) obturant une ouverture du conteneur ;c) une pièce de connexion électrique positive/négative (7-1, 7-2) connectant ladite au moins une tête de plaque positive/négative à une borne positive/négative de sortie de courant de l’élément ; l’une au moins de la pièce de connexion électrique positive ou de la pièce de connexion électrique négative comportant un support (8) présentant une pluralité de moyens de connexion (11), chaque moyen de connexion connectant une tête de plaque de polarité donnée à la borne de sortie de courant de polarité correspondante. Figure d’abrégé : Figure 11

Description

Pièce de connexion pour élément électrochimique de format prismatique
Domaine technique de l’invention
Le domaine technique est celui des éléments électrochimiques de format prismatique et plus précisément celui des pièces de connexion utilisées pour connecter les électrodes d’un élément électrochimique (élément) de format prismatique aux bornes de sortie de courant de cet élément.
Contexte de l'invention
Des éléments électrochimiques de format parallélépipédique, encore appelé format prismatique, sont couramment fabriqués. Dans un tel format, les électrodes peuvent se présenter sous la forme de plaques planes. Un faisceau électrochimique, encore appelé bloc de plaques, est constitué par une alternance de plaques positives et de plaques négatives. Chaque plaque positive ou négative est constituée d’un feuillard métallique servant de collecteur de courant. Une couche d’une composition de matière active positive ou négative est déposée sur l’une ou les deux faces du feuillard métallique. Un séparateur est intercalé entre une plaque positive et une plaque négative. L’ensemble des plaques positives est relié électriquement à une borne positive de sortie de courant. De même, l’ensemble des plaques négatives est relié électriquement à une borne négative de sortie de courant. Les bornes positive et négative sont typiquement situées sur le couvercle de l’élément.
On désigne par tête de plaque la partie du feuillard métallique qui n’est pas recouverte d’une couche de composition de matière active. Cette partie nue, généralement de forme carrée ou rectangulaire, est située sur l’un des bords de la plaque. La montre schématiquement un faisceau électrochimique (F) de format parallélépipédique formé par l’assemblage d’une plaque rectangulaire positive (+), d’un séparateur (S) et d’une plaque rectangulaire négative (-). Une tête de plaque positive (1) et une tête de plaque négative (2) dépassent du bord supérieur du faisceau électrochimique. La tête de plaque positive (1) est caractérisée par une hauteur h1 et une largeur l1. La tête de plaque négative (2) est caractérisée par une hauteur h2 et une largeur l2. Les dimensions de la tête de plaque positive peuvent être identiques ou différentes de celles de la tête de plaque négative. Sur la ne sont représentés qu’une seule plaque positive, qu’un seul séparateur et qu’une seule plaque négative mais cette alternance peut être répétée pour obtenir un faisceau comprenant une pluralité de plaques positives et une pluralité de plaques négatives, chaque plaque positive étant séparée d’une plaque négative par un séparateur. La position de la tête de plaque sur une plaque positive est la même pour toutes les plaques positives du faisceau. De même, la position de la tête de plaque sur une plaque négative est la même pour toutes les plaques négatives du faisceau. Ainsi, après superposition des plaques pour former le faisceau électrochimique, les têtes de plaques d’une même polarité se superposent les unes sur les autres.
Sur la , les têtes de plaques positives et négatives sont situées sur un même bord du faisceau électrochimique. Cependant, elles peuvent aussi se situer sur deux bords différents.
La connexion électrique de l’ensemble des plaques positives (respectivement négatives) à la borne positive (respectivement négative) de sortie de courant est réalisée en employant une pièce de connexion qui se présente sous la forme d’une lamelle métallique. L’une des extrémités de cette lamelle est soudée à l’ensemble des têtes de plaques d’une polarité donnée tandis que l’extrémité opposée de la lamelle est soudée à une borne de sortie de courant. Autrement dit, une pièce de connexion positive connecte les têtes de plaques de toutes les plaques positives à la borne de sortie de courant positive. De même, une pièce de connexion négative connecte les têtes de plaques de toutes les plaques négatives à la borne de sortie de courant négative.
Pour préparer l’étape de soudure des têtes de plaques d’une polarité donnée à l’une des extrémités de la lamelle métallique, il est d’usage de recourber les têtes de plaques de manière à accoler la surface plane des têtes de plaques contre la surface de la lamelle métallique et ainsi obtenir deux surfaces planes l’une contre l’autre. Une telle disposition est représentée à la . Celle-ci montre une vue en coupe de deux faisceaux électrochimiques (F-1, F-2) disposés l’un contre l’autre. Les têtes de plaques d’une polarité donnée (1 ou 2) dépassent du bord supérieur des deux faisceaux électrochimiques. Leur extrémité est recourbée pour former un socle horizontal. Le socle horizontal est connecté par soudure à une pièce de connexion électrique commune (3) qui est une lamelle métallique en forme de « L ». La représente une vue en perspective de deux faisceaux électrochimiques disposés l’un contre l’autre. Les têtes de plaques des plaques positives (1) sont destinées à être connectées à une pièce de connexion électrique positive (3-1). Les têtes de plaques des plaques négatives (2) sont destinées à être connectées à une pièce de connexion électrique négative (3-2).
L’extrémité libre des pièces de connexion électrique positive et négative est ensuite connectée aux pieds (aux bases) des bornes de sortie de courant positive ou négative qui sont situées généralement sur la face du couvercle destinée à être orientée vers l’intérieur de l’élément, une fois celui-ci fermé. La représente une vue en perspective de la partie supérieure des deux faisceaux électrochimiques après soudure de l’extrémité libre des pièces de connexion électrique positive et négative (3-1, 3-2) aux pieds des bornes de sortie de courant positive et négative (4-1, 4-2) situées sous le couvercle (6) de l’élément (15). La représente une vue en coupe des deux faisceaux électrochimiques (F-1, F-2) après soudure de l’extrémité libre de l’une des deux pièces de connexion électrique sur le pied (4-1) de la borne de sortie de courant (5) de même polarité, située sous le couvercle (6) de l’élément (15).
Les faisceaux électrochimiques sont ensuite introduits dans un conteneur. Partant de la situation illustrée à la , la branche du « L » de la pièce de connexion (3-1) qui est soudée à la borne de sortie de courant est pliée d’un angle d’environ 90° pour amener les bords du couvercle au contact des bords du conteneur et fermer l’élément.
Dans le procédé de l’art antérieur qui vient d’être décrit, une portion significative du volume interne de l’élément est occupée par les têtes de plaques (1, 2) repliées sur elles-mêmes. Les figures 2 et 5 montrent que celles-ci prennent une forme de « V ». L’écartement entre les deux branches du « V » peut atteindre de 7 à 8 mm pour des têtes de plaques d’une hauteur h généralement allant de 15 à 25 mm avant pliage, ce qui correspond à un volume mort significatif, puisque les têtes de plaques ne génèrent pas de courant. Ce volume mort pénalise la capacité volumique de l’élément. On cherche donc à réduire le volume occupé par les têtes de plaques sous le couvercle de l’élément en réduisant leur hauteur.
On cherche également à réduire la hauteur des têtes de plaques dans le but d’une part de réduire la quantité de feuillard métallique nécessaire à la fabrication d’une plaque et d’autre part, de réduire la quantité de chutes de feuillards métalliques occasionnées par la découpe des têtes de plaques. En effet, le feuillard est découpé aux dimensions désirées en partant d’un long ruban de feuillard métallique. Les têtes de plaques sont obtenues par découpe des bords longitudinaux du ruban. Les portions du ruban situées de part et d’autre de la tête de plaque constituent des chutes de métal qu’il convient de minimiser. La montre schématiquement la largeur de ruban nécessaire à la fabrication de plaques pour une hauteur de tête de plaque conventionnelle. La montre schématiquement la largeur de ruban nécessaire à la fabrication de plaques pour une hauteur de tête de plaque réduite. La largeur des bandes métalliques situées sur les bords gauche et droit du ruban de la est inférieure à celle des bandes métalliques situées sur les bords gauche et droit du ruban de la .
Le document US 10,749,204 décrit un élément prismatique dans lequel une pièce de connexion électrique connecte les plaques d’une polarité à une borne de sortie de courant de polarité correspondante. La soudure entre la pièce de connexion électrique et les plaques est effectuée sur la tranche des plaques. Or, la surface de contact entre la pièce de connexion électrique et chaque plaque est réduite car la soudure est effectuée sur une faible distance qui correspond à l’épaisseur de la tranche des plaques. Ceci peut conduire à une fragilité de la connexion pour certaines plaques du faisceau électrochimique et à une résistance électrique globalement élevée. On recherche donc également une pièce de connexion qui permette d’obtenir une connexion solide et qui n’augmente pas la résistance électrique de l’élément.
Le document US 2013/0330631 décrit un élément électrochimique de format prismatique dans lequel les têtes de plaques sont d’abord toutes soudées les unes aux autres, puis l’une des têtes de plaques de taille supérieure aux autres têtes de plaques est connectée au couvercle de l’élément. Dans ce document, seule l’une des têtes de plaques est directement connectée au couvercle.
On recherche une pièce de connexion pour un élément électrochimique de format prismatique qui résolve les problèmes mentionnés ci-avant.
La présente invention propose un élément électrochimique comprenant :
a) un conteneur comportant un fond et contenant un assemblage de format parallélépipèdique d’au moins une plaque positive et d’au moins une plaque négative séparées par un séparateur, ladite au moins une plaque positive comportant une tête de plaque positive constituée d’une portion d’un premier collecteur de courant non recouverte de matière active positive, ladite au moins une plaque négative comportant une tête de plaque négative constituée d’une portion d’un second collecteur de courant non recouverte de matière active négative ;
b) au moins un couvercle obturant une ouverture du conteneur ;
c) une pièce de connexion électrique d’une polarité donnée connectant au moins une tête de plaque de même polarité à une borne de sortie de courant de l’élément de même polarité, fixée au couvercle ; une pièce de connexion électrique de polarité opposée connectant ladite au moins une tête de plaque de polarité opposée à une borne de sortie de courant de l’élément de polarité opposée, la borne de sortie de courant de polarité opposée étant soit fixée au couvercle et isolée électriquement de celui-ci, soit fixée sur le fond du conteneur, soit fixée à un second couvercle isolé électriquement du premier couvercle;
la pièce de connexion électrique de polarité donnée et la pièce de connexion électrique de polarité opposée comportant chacune un support présentant un ou plusieurs moyens de connexion, chaque moyen de connexion connectant une tête de plaque de polarité donnée à la borne de sortie de courant de polarité correspondante.
Selon un mode de réalisation, la pièce de connexion électrique positive et la pièce de connexion électrique négative sont fixées sur une face dudit au moins un couvercle orientée vers l’intérieur de l’élément, la pièce de connexion électrique négative étant isolée électriquement du couvercle.
Selon un mode de réalisation, un cordon de soudure relie une tête de plaque positive ou négative à un moyen de connexion de la pièce de connexion de polarité correspondante, le cordon de soudure s’étendant dans une direction parallèle au plan longitudinal de la plaque.
Selon un mode de réalisation, chaque moyen de connexion est un élément saillant formé sur une face du support orientée vers l’intérieur de l’élément.
Selon un mode de réalisation, l’élément saillant a la forme d’un prisme triangulaire, l’une des faces du prisme servant de surface de connexion pour connecter une ou plusieurs têtes de plaque à la pièce de connexion.
Selon un mode de réalisation, la pluralité des moyens de connexion forme une série de prismes triangulaires alignés parallèlement les uns aux autres.
Selon un mode de réalisation, l’angle du sommet du prisme opposé au côté du prisme en contact avec le support va de 10 à 45°, de préférence de 25 à 35°.
Selon un mode de réalisation, la hauteur de l’élément saillant va de 2 à 5 mm, de préférence de 3 à 4 mm.
Selon un mode de réalisation, la hauteur de la tête de plaque va de 3 à 10 mm, de préférence de 4 à 7 mm, de préférence encore de 5 à 6 mm.
Selon un mode de réalisation, l’élément est de type lithium-ion.
L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’un élément électrochimique comprenant les étapes de :
a) mise à disposition d’au moins un couvercle ;
b) fixation d’une première pièce de connexion électrique d’une polarité donnée sur une face dudit au moins un couvercle, laquelle face est destinée à être orientée vers l’intérieur de l’élément et fixation d’une seconde pièce de connexion électrique de polarité opposée soit sur la même face du couvercle, la seconde pièce de connexion étant isolée électriquement du couvercle, soit sur une face d’un second couvercle, laquelle face est destinée à être orientée vers l’intérieur de l’élément, les deux pièces de connexion électrique comportant chacune un support présentant un ou plusieurs moyen de connexion ;
c) mise à disposition d’une plaque de polarité donnée, ladite plaque comportant une tête de plaque constituée d’une portion d’un premier collecteur de courant non recouverte de matière active ;
d) soudure de la tête de plaque de l’étape c) à un moyen de connexion de la pièce de connexion de polarité correspondante ;
e) dépôt d’un séparateur sur la plaque obtenue à l’étape d) ;
f) mise à disposition d’une plaque de polarité opposée à celle de la plaque de l’étape c), ladite plaque comportant une tête de plaque constituée d’une portion d’un second collecteur de courant non recouverte de matière active ;
g) soudure de la tête de plaque de l’étape f) à un moyen de connexion de la pièce de connexion de polarité correspondante ;
h) répétition des étapes c) à g) pour obtenir un faisceau électrochimique.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre l’étape i) d’insertion du faisceau électrochimique connecté audit au moins un couvercle dans un conteneur de format parallélépipédique.
L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’un élément électrochimique comprenant les étapes de :
a) mise à disposition d’au moins un couvercle et d’un conteneur de format parallélépipèdique, l’une au moins des parois du conteneur étant constituée par l’encastrement dudit au moins un couvercle ;
b) fixation d’une première pièce de connexion électrique d’une polarité donnée sur une face d’un couvercle, ladite face étant destinée à être orientée vers l’intérieur de l’élément et fixation d’une seconde pièce de connexion électrique de polarité opposée soit sur la même face du couvercle, la seconde pièce de connexion électrique étant isolée électriquement du couvercle, soit sur une paroi du conteneur autre que le couvercle, soit sur une face d’un second couvercle, ladite face étant destinée à être orientée vers l’intérieur de l’élément ;
c) dépôt d’une plaque de polarité donnée contre l’une des deux parois de plus grande surface du conteneur, ladite plaque comportant une tête de plaque constituée d’une portion d’un premier collecteur de courant non recouverte de matière active ;
d) soudure de la tête de plaque de l’étape c) à un moyen de connexion de la pièce de connexion de polarité correspondante ;
e) dépôt d’un séparateur sur la plaque obtenue à l’étape d) ;
f) dépôt sur le séparateur d’une plaque de polarité opposée à celle de la plaque de l’étape c), ladite plaque comportant une tête de plaque constituée d’une portion d’un second collecteur de courant non recouverte de matière active,
g) soudure de la tête de plaque de l’étape f) à un moyen de connexion de la pièce de connexion de polarité correspondante ;
h) répétition des étapes c) à g) pour obtenir un faisceau électrochimique.
Selon un mode de réalisation des deux procédés décrits ci-avant, la soudure de la tête de plaque des étapes d) et g) s’effectue dans une direction parallèle au plan longitudinal de la plaque.
Selon un mode de réalisation des deux procédés décrits ci-avant, la soudure des étapes d) et g) est effectuée à l’aide d’un laser dont le faisceau forme en angle de 10 à 45° par rapport au plan longitudinal du couvercle, de préférence allant de 25 à 35°.
Brève description des figures
Des modes de réalisation de l'invention sont décrits ci-dessous plus en détail avec référence aux figures jointes.
montre schématiquement un faisceau électrochimique de format parallélépipédique formé par l’assemblage d’une plaque rectangulaire positive, d’un séparateur et d’une plaque rectangulaire négative.
représente une vue en coupe de deux faisceaux électrochimiques disposés l’un contre l’autre. Les têtes de plaques d’une polarité donnée dépassent du bord supérieur des deux faisceaux électrochimiques et sont connectés à une pièce de connexion électrique commune en forme de « L ».
représente une vue en perspective de deux faisceaux électrochimiques disposés l’un contre l’autre. Les têtes de plaques positive et négative dépassent du bord supérieur des deux faisceaux électrochimiques et sont destinées à être connectées respectivement à une pièce de connexion électrique commune positive et à une pièce de connexion électrique commune négative.
représente une vue en perspective de la partie supérieure des deux faisceaux électrochimiques après soudure de l’extrémité libre des pièces de connexion électrique positive et négative aux pieds des bornes de sortie de courant positive et négative situées sous le couvercle de l’élément.
représente une vue en coupe des deux faisceaux électrochimiques après soudure de l’extrémité libre de l’une des deux pièces de connexion électrique positive ou négative au pied de la borne de sortie de courant de même polarité située sous le couvercle de l’élément.
représente schématiquement la largeur de ruban métallique nécessaire à la fabrication de plaques et les chutes de feuillard liées à la découpe des têtes de plaques pour une hauteur de tête de plaque conventionnelle.
représente schématiquement la largeur de ruban métallique nécessaire à la fabrication de plaques et les chutes de feuillard liées à la découpe des têtes de plaques pour une hauteur de tête de plaque réduite.
représente une vue en perspective de la pièce de connexion selon l’invention.
représente une vue en coupe longitudinale de la pièce de connexion selon l’invention.
représente une vue en perspective d’une première plaque positive et d’une première plaque négative connectées à leurs bornes de sortie de courant respectives au début de la mise en œuvre du premier mode de réalisation du procédé selon l’invention.
représente une vue en perspective des plaques positives et négatives connectées à leurs bornes de sortie de courant respectives pour un état plus avancé du raccordement que celui illustré .
représente une vue en perspective des plaques positives et négatives connectées à leurs bornes de sortie de courant respectives pour un faisceau électrochimique complet.
est une vue de détail de la zone de raccordement électrique entre une tête de plaque et un moyen de connexion.
représente une vue en perspective d’une première plaque positive et d’une première plaque négative connectées à leurs bornes de sortie de courant respectives au début de la mise en œuvre du second mode de réalisation du procédé selon l’invention.
représente une vue en perspective des plaques positives et négatives connectées à leurs bornes de sortie de courant respectives pour un faisceau électrochimique complet fabriqué selon le second mode de réalisation du procédé selon l’invention.
D escription des modes de réalisation de l'invention
La pièce de connexion électrique :
La pièce de connexion caractérise l’élément électrochimique selon l’invention. Elle comprend un support qui peut être une plaque. L’une des faces de cette plaque est fixée, par exemple par soudure, sur la face interne du couvercle. La face opposée de la plaque est orientée vers l’intérieur de l’élément et supporte ledit au moins un moyen de connexion.
La pièce de connexion peut ne comprendre qu’un seul moyen de connexion auquel cas une ou plusieurs têtes de plaques sont connectées à l’unique moyen de connexion. Ce mode de réalisation n’est néanmoins pas préféré car l’existence d’un seul moyen de connexion induit une restriction de passage du courant et une hausse de la résistance interne de l’élément, ce qui n’est pas souhaitable. De préférence donc, la pièce de connexion supporte une pluralité de moyens de connexion, chaque moyen de connexion étant connecté à une tête de plaque de polarité donnée. Ainsi chaque plaque est électriquement connectée à la borne de sortie de courant de polarité correspondante par l’intermédiaire d’un moyen de connexion. De préférence, il y a autant de moyens de connexion par support que de plaques d’une polarité donnée dans l’élément. On peut néanmoins prévoir de connecter plusieurs plaques de même polarité à un même moyen de connexion. La connexion peut se faire par soudage aux ultra-sons ou par soudage laser. La technique de soudage laser est préférée car elle est plus facile à mettre en œuvre que le procédé par ultra-sons, la direction du faisceau laser pouvant être aisément modifiée et précisément réglée.
Le moyen de connexion est un élément saillant qui dépasse du support. Cet élément saillant s’étend selon la direction de la largeur de la tête de plaque sur une longueur généralement au moins égale à la largeur de la tête de plaque. Le sommet de l’élément saillant peut se situer à une hauteur allant de 2 à 5 mm, de préférence de 3 à 4 mm par rapport à la base de l’élément saillant, c’est-à-dire par rapport à la surface du support. La distance entre deux éléments saillants correspond de préférence à l’espacement entre deux plaques de même polarité. Les différents éléments saillants sont alignés parallèlement les uns aux autres sur la surface du support.
La section transversale de l’élément saillant peut être rectangulaire, trapézoïdale, triangulaire ou semi-circulaire. De préférence, la section transversale est triangulaire. L’élément saillant s’étend selon la direction de la largeur de la tête de plaque et forme donc un prisme triangulaire, l’une des faces du prisme servant de surface de connexion pour connecter une tête de plaque à la pièce de connexion. L’angle du sommet du prisme opposé au côté du prisme en contact avec le support va généralement de 10 à 45°, de préférence de 25 à 35°.
Comme le cordon de soudure connectant la tête de plaque à l’élément saillant s’étend dans une direction parallèle au plan longitudinal de la tête de plaque, on peut obtenir une soudure offrant une bonne résistance mécanique, contrairement à la connexion décrite dans le document US 10,749,204 dans laquelle la soudure s’effectue sur la tranche des têtes de plaques.
La montre une vue en perspective d’un exemple d’une pièce de connexion (7) selon l’invention, dans laquelle l’élément saillant est un prisme triangulaire. La montre une vue en coupe de cette même pièce de connexion. La pièce de connexion comprend un support (8) présentant la forme d’une plaque rectangulaire. Une première face (9) du support est destinée à être connectée, par exemple par soudure, à la face interne du couvercle de l’élément, non représenté. La face opposée (10) du support comporte cinq moyens de connexion sous la forme de prismes triangulaires (11). Ces prismes s’étendent dans la direction de la largeur du support. Ils sont répartis à intervalles réguliers sur la longueur du support. La section des parties saillantes est de forme triangulaire. Un premier côté C1 du triangle est perpendiculaire au support. Un second côté C2 forme un angle allant de 10 à 45° par rapport au premier côté C1. C’est sur le côté C2 que s’effectue la connexion de la tête de plaque. Une flèche matérialise la direction du faisceau laser pendant l’étape de soudage de la tête de plaque. L’angle du faisceau laser peut aller de 10 à 45° par rapport à la direction verticale, de préférence de 25 à 35°.
Le métal de la pièce de connexion électrique peut être choisi parmi le cuivre ou les alliages de cuivre, l'aluminium ou les alliages d'aluminium, le nickel ou les alliages de nickel, l'acier et l'inox. Dans le cas d’un élément électrochimique de type lithium-ion, la pièce de connexion positive reliant ladite au moins une plaque positive à la borne positive de sortie de courant est de préférence en aluminium ou en alliage à base d’aluminium. La pièce de connexion négative reliant ladite au moins une plaque négative à la borne négative de sortie de courant est de préférence en cuivre ou en alliage à base de cuivre.
L’invention permet de réduire la hauteur des têtes de plaques. Alors que jusqu’à présent, les têtes de plaques présentaient généralement une hauteur allant de 15 à 25 mm, l’invention permet de réduire cette hauteur à une valeur allant de 3 à 10 mm, de préférence de 4 à 7 mm, de préférence encore de 5 à 6 mm. Sur ces 5 à 6 mm, environ 3 mm sont utilisés pour les besoins de la soudure sur le moyen de connexion. Environ 2 mm sont laissés libres conférant ainsi une certaine flexibilité de la plaque par rapport à son point de connexion sur la pièce de connexion.
L’invention permet de réduire la distance entre un bord du faisceau électrochimique et le couvercle de l’élément, donc d’augmenter l’énergie volumique de l’élément. Elle permet également de réduire la quantité de chutes de cuivre et d’aluminium qui se produisent inévitablement lors de l’opération de découpe des têtes de plaques, comme mis en évidence par comparaison de la avec la .
P rocédé de raccordement électrique des plaques positives et négatives au x bornes de sortie de courant de l’élément :
Le procédé de raccordement électrique des plaques positives et négatives aux bornes de sortie de courant de l’élément va maintenant être décrit selon unpremiermode de réalisation.
Dans une première étape a), on met à disposition au moins un couvercle rectangulaire. Ce couvercle présente une première surface destinée à être orientée vers l’extérieur de l’élément. Cette première surface supporte une ou deux bornes de sortie de courant de l’élément. Le couvercle présente une deuxième surface destinée à être orientée vers l’intérieur de l’élément. Cette deuxième surface donne accès au pied de la borne de sortie de courant ou aux pieds des deux bornes de sortie de courant. Dans le cas de deux bornes de sortie de courant situées sur le même couvercle, celles-ci traversent la paroi du couvercle, l’une d’entre elles est isolée électriquement du couvercle par l’emploi d’un joint polymérique autour de cette borne.
Dans une seconde étape b), on fixe, par exemple par soudure, une première pièce de connexion électrique d’une polarité donnée, telle que décrite ci-avant, sur la face du couvercle destinée à être orientée vers l’intérieur de l’élément. Une seconde pièce de connexion électrique de polarité opposée est fixée soit sur la même face du couvercle, cette seconde pièce de connexion étant isolée électriquement du couvercle, soit fixée sur une face d’un second couvercle, cette face étant aussi destinée à être orientée vers l’intérieur de l’élément. Dans le premier cas, le couvercle supporte les deux bornes de sortie de courant. Dans le cas d’un élément électrochimique lithium-ion, la première pièce de connexion électrique est la pièce de connexion électrique positive, généralement en aluminium. Elle est soudée au couvercle qui est aussi généralement en aluminium. La seconde pièce de connexion électrique est la pièce de connexion électrique négative isolée électriquement du premier couvercle par un joint en matière plastique. Dans le second cas, les bornes de sortie de courant se situent sur deux parois différentes de l’élément, par exemple des parois opposées. Ce second couvercle obture une seconde ouverture du conteneur. Ce second cas nécessite d’utiliser des couvercles de tailles différentes pour permettre l’introduction du faisceau dans le conteneur.
Dans une troisième étape c), on met à disposition une plaque de polarité donnée, ladite plaque comportant une tête de plaque constituée d’une portion d’un premier collecteur de courant non recouverte de matière active.
Dans une quatrième étape d), on soude la tête de plaque de l’étape c) à un moyen de connexion de la pièce de connexion de polarité correspondante.
Dans une cinquième étape e), on dépose un séparateur sur la plaque obtenue à l’étape d).
Dans une sixième étape f), on met à disposition une plaque de polarité opposée à celle de la plaque de l’étape c), ladite plaque comportant une tête de plaque constituée d’une portion d’un second collecteur de courant non recouverte de matière active.
Dans une septième étape g), on soude la tête de plaque de l’étape f) à un moyen de connexion de la pièce de connexion de polarité correspondante.
On répète les étapes c) à g) pour obtenir un faisceau électrochimique connecté à au moins un couvercle.
Le procédé selon l’invention se caractérise par une connexion pas-à-pas des têtes de plaques à la pièce de connexion électrique, c’est-à-dire une plaque après l’autre, contrairement aux procédés de l’art antérieur dans lesquels toutes les têtes de plaques sont soudées en une seule fois à la pièce de connexion électrique. Selon l’invention, la connexion d’une tête de plaque à un moyen de connexion n’est effectuée que si la connexion de la tête de plaque sous-jacente a été précédemment effectuée. L’équipement dédié à l’empilement des plaques peut être associé à un équipement dédié à la réalisation des soudures des têtes de plaques.
Les figures 10 à 12 sont une vue en perspective des plaques positive et négative à différents instants de la fabrication du faisceau électrochimique dans le cas particulier d’un emplacement des deux bornes de sortie de courant sur un même couvercle, étant entendu que l’invention englobe également le cas de deux bornes de sortie de courant situées sur deux couvercles disposés sur deux faces opposées de l’élément. Sur la , on distingue une première plaque positive présentant une tête de plaque positive (1) raccordée à un élément saillant (11) de section triangulaire d’une pièce de connexion électrique positive (7-1) et une première plaque négative présentant une tête de plaque négative (2) raccordée à un élément saillant de section triangulaire d’une pièce de connexion électrique négative (7-2). Les pièces de connexion électrique positive et négative sont fixées sur la surface interne du couvercle (6). La montre le faisceau électrochimique à un état plus avancé du raccordement des plaques au couvercle. Trois plaques positives et trois plaques négatives ont été raccordées au couvercle. La montre le faisceau électrochimique après avoir raccordé tous les moyens de connexion de la pièce de connexion électrique positive à une plaque positive et tous les moyens de connexion de la pièce de connexion électrique négative à une plaque négative.
La est une vue de détail de la zone de raccordement électrique entre une tête de plaque et un moyen de connexion. Elle montre qu’une première partie p1 de la tête de plaque est soudée sur l’une des surfaces du moyen de connexion. Cette première partie peut être aussi courte que 3 mm. Une seconde partie p2 de la tête de plaque est « libre », c’est-à-dire non soudée au moyen de connexion. Elle peut mesurer environ 2 mm.
La fabrication de l’élément électrochimique peut se poursuivre par les étapes suivantes : On introduit le faisceau électrochimique muni de son ou de ses couvercles dans un conteneur de format parallélépipédique. On remplit le conteneur de l’élément par un électrolyte. Puis, on ferme hermétiquement le ou les couvercle(s) sur le conteneur pour obtenir l’élément (15). Le conteneur est rigide (non déformable à la main) et est généralement constitué de métal, tel que l’aluminium. Il peut aussi être constitué d’une matière plastique rigide. Avant d’introduire le faisceau électrochimique dans le conteneur, on peut entourer les faces latérales du faisceau électrochimique d’un film polymérique isolant électrique de manière à l’isoler électriquement du conteneur.
Le procédé de raccordement électrique des plaques positives et négatives aux bornes de sortie de courant de l’élément va maintenant être décrit dans unsecondmode de réalisation. Ce second mode de réalisation diffère du premier en ce que la mise en place des plaques positive et négative s’effectue directement dans le conteneur de l’élément. L’étape d’introduction du faisceau électrochimique dans le conteneur de l’élément, une fois la fabrication du faisceau terminée, qui est décrite dans le premier mode de réalisation n’a plus lieu. Dans ce second mode de réalisation, trois sous-modes de réalisation sont envisageables.
Dans un premier sous-mode de réalisation, un couvercle constitue l’une des parois du conteneur. Il est encastré dans les extrémités de deux parois du conteneur se faisant face. L’élément fabriqué ne comprend alors qu’un seul couvercle supportant les deux bornes de sortie de courant. Dans ce cas, l’unique couvercle est muni des deux pièces de connexion électrique positive et négative.
Dans un second sous-mode de réalisation, l’élément fabriqué comprend deux couvercles, chaque couvercle supportant une borne de sortie de courant. Dans ce cas, chaque couvercle est muni d’une seule pièce de connexion électrique, positive ou négative. Les deux couvercles peuvent être disposés sur deux parois opposées de l’élément. Ils sont encastrés dans les extrémités de deux parois se faisant généralement face.
Dans un troisième sous-mode de réalisation, l’élément fabriqué comprend un seul couvercle supportant une première borne de sortie de courant. Le couvercle est encastré dans les extrémités de deux parois du conteneur se faisant face. Une paroi du conteneur, généralement celle opposée au couvercle, supporte une seconde borne de sortie de courant. Une pièce de connexion électrique est directement soudée sur cette paroi du conteneur.
Les parois du conteneur et la paroi formée par le couvercle (ou les parois formées par les deux couvercles) délimitent un volume dans lequel l’empilement et le raccordement des plaques positives et négative est effectué. L’assemblage des plaques se fait par introduction des plaques dans ce volume et soudage des plaques, une par une, aux pièces de connexion électrique. La paroi du conteneur présentant la plus grande surface sert de surface d’appui pour l’empilement des plaques. Comme dans le premier mode de réalisation, le raccordement des têtes de plaques positive et négative s’effectue progressivement, c’est-à-dire une plaque après l’autre. L’obturation de l’élément s’effectue non pas par fermeture du ou des couvercles, qui est ou sont déjà fixé(s) au conteneur, mais par soudure d’une paroi du conteneur de l’élément, généralement la paroi opposée à celle servant de surface d’appui pour l’empilement des plaques.
Les figures 14 et 15 montrent un élément électrochimique à différents instants de sa fabrication selon ce deuxième mode de réalisation, dans le cas particulier d’un emplacement des deux bornes de sortie de courant sur un même couvercle, c’est-à-dire le premier sous-mode de réalisation. Sur la , on distingue un conteneur (16) présentant trois parois latérales et une quatrième paroi latérale formée par un couvercle (6). Le couvercle est encastré entre les extrémités de deux parois du conteneur se faisant face. Une première plaque positive présentant une tête de plaque positive (1) est raccordée à un élément saillant de section triangulaire d’une pièce de connexion électrique positive (7-1) et une première plaque négative présentant une tête de plaque négative (2) est raccordée à un élément saillant de section triangulaire d’une pièce de connexion électrique négative (7-2). La première plaque positive et la première plaque négative prennent appui sur l’une des deux parois de plus grande surface du conteneur. La superposition d’une plaque positive, d’un séparateur et d’une plaque positive se poursuit jusqu’à ce que l’empilement obtenu atteigne quasiment le bord supérieur des parois latérales du conteneur. Une telle situation est représentée sur la . Finalement, une paroi est disposée au contact des bords supérieurs des parois latérales du conteneur et du bord du couvercle. Elle ferme hermétiquement l’élément électrochimique.
Dans la mise en œuvre du procédé selon l’invention, que ce soit dans le premier ou le second mode de réalisation, la soudure de la tête de plaque des étapes d) et g) s’effectue dans une direction parallèle au plan longitudinal de la tête de plaque (ou de la plaque), donc dans la direction de la largeur de la tête de plaque. La soudure des étapes d) et g) est de préférence effectuée à l’aide d’un laser dont le faisceau forme en angle de 10 à 45° par rapport au plan longitudinal du couvercle, de préférence allant de 25 à 35°.

Claims (15)

  1. Elément électrochimique (15) comprenant :
    a) un conteneur (16) comportant un fond et contenant un assemblage de format parallélépipèdique d’au moins une plaque positive et d’au moins une plaque négative séparées par un séparateur (S), ladite au moins une plaque positive comportant une tête de plaque positive (1) constituée d’une portion d’un premier collecteur de courant non recouverte de matière active positive, ladite au moins une plaque négative comportant une tête de plaque négative (2) constituée d’une portion d’un second collecteur de courant non recouverte de matière active négative ;
    b) au moins un couvercle (6) obturant une ouverture du conteneur ;
    c) une pièce de connexion électrique d’une polarité donnée (7-1) connectant au moins une tête de plaque de même polarité (1) à une borne de sortie de courant (5) de l’élément de même polarité, fixée au couvercle ; une pièce de connexion électrique de polarité opposée (7-2) connectant au moins une tête de plaque de polarité (2) opposée à une borne de sortie de courant de l’élément de polarité opposée, la borne de sortie de courant de polarité opposée étant fixée soit au couvercle et isolée électriquement de celui-ci, soit sur le fond du conteneur, soit à un second couvercle isolé électriquement du premier couvercle ;
    la pièce de connexion électrique de polarité donnée et la pièce de connexion électrique de polarité opposée comportant chacune un support (8) présentant un ou plusieurs moyens de connexion (11), chaque moyen de connexion connectant une tête de plaque de polarité donnée à la borne de sortie de courant de polarité correspondante.
  2. Elément électrochimique selon la revendication 1, dans lequel la pièce de connexion électrique positive (7-1) et la pièce de connexion électrique négative (7-2) sont fixées sur une face dudit au moins un couvercle orientée vers l’intérieur de l’élément, la pièce de connexion électrique négative étant isolée électriquement du couvercle.
  3. Elément électrochimique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel un cordon de soudure relie une tête de plaque positive (1) ou négative (2) à un moyen de connexion de la pièce de connexion de polarité correspondante (7-1, 7-2), le cordon de soudure s’étendant dans une direction parallèle au plan longitudinal de la plaque.
  4. Elément électrochimique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chaque moyen de connexion est un élément saillant (11) formé sur une face du support orientée vers l’intérieur de l’élément.
  5. Elément électrochimique selon la revendication 4, dans lequel l’élément saillant (11) a la forme d’un prisme triangulaire, l’une des faces (C2) du prisme servant de surface de connexion pour connecter une ou plusieurs têtes de plaque (1, 2) à la pièce de connexion.
  6. Elément selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la pluralité des moyens de connexion forme une série de prismes triangulaires alignés parallèlement les uns aux autres.
  7. Elément selon l’une des revendications 5 à 6, dans lequel l’angle du sommet du prisme opposé au côté du prisme en contact avec le support va de 10 à 45°, de préférence de 25 à 35°.
  8. Elément électrochimique selon l’une des revendications 4 à 7, dans lequel la hauteur de l’élément saillant va de 2 à 5 mm, de préférence de 3 à 4 mm.
  9. Elément électrochimique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la hauteur de la tête de plaque va de 3 à 10 mm, de préférence de 4 à 7 mm, de préférence encore de 5 à 6 mm.
  10. Elémént électrochimique selon l’une des revendications précédentes, de type lithium-ion.
  11. Procédé de fabrication d’un élément électrochimique (15) comprenant les étapes de :
    a) mise à disposition d’au moins un couvercle (6) ;
    b) fixation d’une première pièce de connexion électrique (7-1) d’une polarité donnée sur une face dudit au moins un couvercle, laquelle face est destinée à être orientée vers l’intérieur de l’élément et fixation d’une seconde pièce de connexion électrique de polarité opposée (7-2) soit sur la même face du couvercle, la seconde pièce de connexion étant isolée électriquement du couvercle, soit sur une face d’un second couvercle, laquelle face est destinée à être orientée vers l’intérieur de l’élément, les deux pièces de connexion électrique comportant chacune un support (8) présentant un ou plusieurs moyen de connexion (11) ;
    c) mise à disposition d’une plaque de polarité donnée, ladite plaque comportant une tête de plaque (1) constituée d’une portion d’un premier collecteur de courant non recouverte de matière active ;
    d) soudure de la tête de plaque de l’étape c) à un moyen de connexion de la pièce de connexion de polarité (7-1) correspondante ;
    e) dépôt d’un séparateur (S) sur la plaque obtenue à l’étape d) ;
    f) mise à disposition d’une plaque de polarité opposée à celle de la plaque de l’étape c), ladite plaque comportant une tête de plaque (2) constituée d’une portion d’un second collecteur de courant non recouverte de matière active ;
    g) soudure de la tête de plaque de l’étape f) à un moyen de connexion de la pièce de connexion de polarité correspondante (7-2) ;
    h) répétition des étapes c) à g) pour obtenir un faisceau électrochimique.
  12. Procédé selon la revendication 11, comprenant en outre l’étape i) d’insertion du faisceau électrochimique connecté audit au moins un couvercle dans un conteneur (16) de format parallélépipédique.
  13. Procédé de fabrication d’un élément électrochimique (15) comprenant les étapes de :
    a) mise à disposition d’au moins un couvercle (6) et d’un conteneur de format parallélépipèdique (16), l’une au moins des parois du conteneur étant constituée par l’encastrement dudit au moins un couvercle ;
    b) fixation d’une première pièce de connexion électrique (7-1) d’une polarité donnée sur une face d’un couvercle, ladite face étant destinée à être orientée vers l’intérieur de l’élément et fixation d’une seconde pièce de connexion électrique (7-2) de polarité opposée soit sur la même face du couvercle, la seconde pièce de connexion électrique étant isolée électriquement du couvercle, soit sur une paroi du conteneur autre que le couvercle, soit sur une face d’un second couvercle, ladite face étant destinée à être orientée vers l’intérieur de l’élément ;
    c) dépôt d’une plaque de polarité donnée contre l’une des deux parois de plus grande surface du conteneur, ladite plaque comportant une tête de plaque (1) constituée d’une portion d’un premier collecteur de courant non recouverte de matière active ;
    d) soudure de la tête de plaque de l’étape c) à un moyen de connexion de la pièce de connexion de polarité correspondante ;
    e) dépôt d’un séparateur (S) sur la plaque obtenue à l’étape d) ;
    f) dépôt sur le séparateur d’une plaque de polarité opposée à celle de la plaque de l’étape c), ladite plaque comportant une tête de plaque (2) constituée d’une portion d’un second collecteur de courant non recouverte de matière active,
    g) soudure de la tête de plaque de l’étape f) à un moyen de connexion de la pièce de connexion de polarité correspondante ;
    h) répétition des étapes c) à g) pour obtenir un faisceau électrochimique.
  14. Procédé selon l’une des revendications 11 à 13, dans lequel la soudure de la tête de plaque des étapes d) et g) s’effectue dans une direction parallèle au plan longitudinal de la plaque.
  15. Procédé selon l’une des revendications 11 à 13, dans lequel la soudure des étapes d) et g) est effectuée à l’aide d’un laser dont le faisceau forme en angle de 10 à 45° par rapport au plan longitudinal du couvercle, de préférence allant de 25 à 35°.
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