FR3141802A1 - Electrochemical accumulator whose separator impregnated with liquid electrolyte presents zones with differentiated thermal stability properties. - Google Patents

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Abstract

Accumulateur électrochimique dont le séparateur imprégné d’électrolyte liquide présente des zones à propriétés de stabilité thermique différenciées. L’invention concerne un accumulateur électrochimique (A) métal-ion comprenant au moins une cellule électrochimique constituée d’une cathode (2), d’une anode (3) et d’un séparateur (1) imprégné d’un électrolyte liquide agencé entre la cathode (2) et l’anode (3), la(les) cellule(s) définissant un faisceau électrochimique (F) de forme allongée selon un axe longitudinal (X), le séparateur présentant au moins une zone (12), agencée à au moins l’une des extrémités latérales extérieures du faisceau électrochimique (F), dont la température de fusion est inférieure au reste (12) du séparateur. Figure pour l’abrégé : Fig. 9Electrochemical accumulator whose separator impregnated with liquid electrolyte presents zones with differentiated thermal stability properties. The invention relates to a metal-ion electrochemical accumulator (A) comprising at least one electrochemical cell consisting of a cathode (2), an anode (3) and a separator (1) impregnated with a liquid electrolyte arranged between the cathode (2) and the anode (3), the cell(s) defining an electrochemical beam (F) of elongated shape along a longitudinal axis (X), the separator having at least one zone (12) , arranged at at least one of the outer lateral ends of the electrochemical beam (F), whose melting temperature is lower than the rest (12) of the separator. Figure for abstract: Fig. 9

Description

Accumulateur électrochimique dont le séparateur imprégné d’électrolyte liquide présente des zones à propriétés de stabilité thermique différenciées.Electrochemical accumulator whose separator impregnated with liquid electrolyte presents zones with differentiated thermal stability properties.

La présente invention concerne le domaine des accumulateurs électrochimiques, et plus particulièrement des accumulateurs métal-ion. The present invention relates to the field of electrochemical accumulators, and more particularly metal-ion accumulators.

Plus particulièrement, l’invention a trait à l’évaluation de la sécurité des batteries.More particularly, the invention relates to the evaluation of battery safety.

L’invention vise principalement à contraindre un accumulateur métal-ion à partir en emballement thermique afin d’étudier les dispositifs de sécurité ou bien les risques de propagation au sein d’un pack batterie.The invention mainly aims to force a metal-ion accumulator to go into thermal runaway in order to study the safety devices or the risks of propagation within a battery pack.

Bien que décrite en référence à un accumulateur Lithium-ion, l’invention s’applique à tout accumulateur électrochimique métal-ion, c’est-à-dire également Sodium-ion, Magnésium-ion, Aluminium-ion…ou de manière plus générale à tout accumulateur électrochimique. L’invention s’applique à toute chimie d’accumulateurs métal-ion, comme par exemple NMC/Graphite, NCA/Graphite, NMC/G-Si, LFP/ Graphite, Na-ion avec électrolyte liquide.Although described with reference to a Lithium-ion accumulator, the invention applies to any metal-ion electrochemical accumulator, that is to say also Sodium-ion, Magnesium-ion, Aluminum-ion...or more general to any electrochemical accumulator. The invention applies to any metal-ion battery chemistry, such as for example NMC/Graphite, NCA/Graphite, NMC/G-Si, LFP/Graphite, Na-ion with liquid electrolyte.

Un accumulateur selon l’invention peut être dans un module ou pack-batterie embarqué ou stationnaire. Par exemple, les domaines des transports électriques et hybrides et les systèmes de stockage connectés au réseau peuvent être envisagés dans le cadre de l’invention.An accumulator according to the invention can be in an on-board or stationary battery module or pack. For example, the fields of electric and hybrid transport and grid-connected storage systems can be considered within the scope of the invention.

Telle qu’illustrée schématiquement en figures 1 et 2, une batterie ou accumulateur lithium-ion comporte usuellement au moins une cellule électrochimique constituée d'un constituant d'électrolyte 1 entre une électrode positive ou cathode 2 et une électrode négative ou anode 3, un collecteur de courant 4 connecté à la cathode 2, un collecteur de courant 5 connecté à 1'anode 3 et enfin, un emballage 6 agencé pour contenir la cellule électrochimique avec étanchéité tout en étant traversé par une partie des collecteurs de courant 4, 5.As illustrated schematically in Figures 1 and 2, a lithium-ion battery or accumulator usually comprises at least one electrochemical cell consisting of an electrolyte constituent 1 between a positive electrode or cathode 2 and a negative electrode or anode 3, a current collector 4 connected to the cathode 2, a current collector 5 connected to the anode 3 and finally, a packaging 6 arranged to contain the electrochemical cell with sealing while being crossed by a part of the current collectors 4, 5.

L'architecture des batteries lithium-ion conventionnelles comporte une anode, une cathode et un électrolyte. Plusieurs types de géométrie d'architecture conventionnelle sont connus :The architecture of conventional lithium-ion batteries consists of an anode, a cathode and an electrolyte. Several types of conventional architectural geometry are known:

- une géométrie cylindrique telle que divulguée dans la demande de brevet
US 2006/0121348,- a cylindrical geometry as disclosed in the patent application
US 2006/0121348,

- une géométrie prismatique telle que divulguée dans les brevets US 7348098, US 7338733;- a prismatic geometry as disclosed in patents US 7348098, US 7338733;

- une géométrie en empilement telle que divulguée dans les demandes de brevet US 2008/060189, US 2008/0057392, et brevet US 7335448.- a stacking geometry as disclosed in patent applications US 2008/060189, US 2008/0057392, and patent US 7335448.

Le constituant d'électrolyte 1 peut être de forme solide, liquide ou gel. Sous forme gel ou liquide, le constituant peut comprendre un séparateur en polymère, en céramique ou en composite microporeux imbibé d'électrolyte (s) organique (s) ou de type liquide ionique qui permet le déplacement de l'ion Lithium de la cathode à l'anode pour une charge et inversement pour une décharge, ce qui génère le courant. L'électrolyte est en général un mélange de solvants organiques, par exemple des carbonates dans lesquels est ajouté un sel de lithium typiquement LiPF6.The electrolyte component 1 may be in solid, liquid or gel form. In gel or liquid form, the constituent may comprise a separator made of polymer, ceramic or microporous composite impregnated with organic electrolyte(s) or ionic liquid type which allows the movement of the Lithium ion from the cathode to the anode for a charge and vice versa for a discharge, which generates the current. The electrolyte is generally a mixture of organic solvents, for example carbonates to which a lithium salt typically LiPF6 is added.

L'électrode positive ou cathode est constituée de matériaux d'insertion du cation Lithium qui sont en général composite, comme le phosphate de fer lithié LiFePO4, l’oxyde de cobalt lithié LiCoO2, l’oxyde de manganèse lithié, éventuellement substitué, LiMn2O4ou d’oxyde de métaux de transition, comme les matériaux lamellaires par exemple, un matériau à base de LiNixMnyCozO2avec x+y+z = 1, tel que LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2, ou un matériau à base de type oxyde de nickel cobalt aluminium LiNixCoyAlzO2 avec x+y+z = 1, tel que LiNi0.8Co0.15Al0.05O2.The positive electrode or cathode is made up of lithium cation insertion materials which are generally composite, such as lithiated iron phosphate LiFePO 4 , lithiated cobalt oxide LiCoO 2 , lithiated manganese oxide, optionally substituted, LiMn 2 O 4 or transition metal oxide, such as lamellar materials for example, a material based on LiNixMnyCozO 2 with x+y+z = 1, such as LiNi 0.33 Mn 0.33 Co 0.33 O 2 , or a material based on nickel cobalt aluminum oxide type LiNixCoyAlzO2 with x+y+z = 1, such as LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 .

L'électrode négative ou anode est très souvent constituée de carbone, graphite ou de Li4TiO5O12(matériau titanate), éventuellement peut-être à base de silicium ou à base de lithium, ou à base d’étain et de leurs alliages ou de composite formé à base de silicium. Cette électrode négative tout comme l’électrode positive peut également contenir des additifs conducteurs électroniques ainsi que des additifs polymères qui lui confèrent des propriétés mécaniques et des performances électrochimiques appropriées à l'application batterie lithium-ion ou à son procédé de mise en œuvre.The negative electrode or anode is very often made of carbon, graphite or Li 4 TiO 5 O 12 (titanate material), possibly possibly based on silicon or based on lithium, or based on tin and their alloys or composite formed from silicon. This negative electrode, like the positive electrode, may also contain electronic conductive additives as well as polymer additives which give it mechanical properties and electrochemical performances appropriate to the lithium-ion battery application or its implementation process.

L’anode et la cathode en matériau d’insertion au Lithium peuvent être déposées en continu selon une technique usuelle sous la forme d’une couche active sur une feuille ou feuillard métallique constituant un collecteur de courant.The anode and the cathode made of Lithium insertion material can be deposited continuously using a usual technique in the form of an active layer on a metal sheet or strip constituting a current collector.

Le collecteur de courant 4 connecté à l'électrode positive est en général en aluminium.The current collector 4 connected to the positive electrode is generally made of aluminum.

Le collecteur de courant 5 connecté à l'électrode négative est en général en cuivre, en cuivre nickelé ou en aluminium.The current collector 5 connected to the negative electrode is generally made of copper, nickel-plated copper or aluminum.

Plus précisément, l’aluminium est utilisé pour les collecteurs de courant communs à des électrodes positive et négative de titanate Li4Ti5O12. Le cuivre est plutôt pour les électrodes négatives de graphite (Cgr), de silicium (Si) ou de composite silicium (Si-C).Specifically, aluminum is used for current collectors common to positive and negative Li4Ti5O12 titanate electrodes. Copper is more suitable for negative graphite (Cgr), silicon (Si) or silicon composite (Si-C) electrodes.

Traditionnellement, une batterie ou accumulateur Li-ion utilise un couple de matériaux à l’anode et à la cathode lui permettant de fonctionner à un niveau de tension, typiquement entre 1,5 et 4,2 Volt.Traditionally, a Li-ion battery or accumulator uses a pair of materials at the anode and cathode allowing it to operate at a voltage level, typically between 1.5 and 4.2 Volts.

Une batterie ou accumulateur lithium-ion peut comporter bien évidemment une pluralité de cellules électrochimiques.A lithium-ion battery or accumulator can obviously include a plurality of electrochemical cells.

Selon le type d’application visée, on cherche à réaliser soit un accumulateur lithium-ion fin et flexible soit un accumulateur rigide : l’emballage est alors soit souple soit rigide et constitue dans ce dernier cas en quelque sorte un boitier.Depending on the type of application targeted, we seek to produce either a thin and flexible lithium-ion accumulator or a rigid accumulator: the packaging is then either flexible or rigid and in the latter case constitutes a sort of box.

Les emballages souples sont usuellement fabriqués à partir d’un matériau composite multicouches, constitué d’un empilement de couches d’aluminium recouvertes par un ou plusieurs film(s) en polymère laminés par collage.Flexible packaging is usually made from a multi-layer composite material, consisting of a stack of aluminum layers covered by one or more polymer film(s) laminated by gluing.

Les emballages rigides sont quant à eux utilisés lorsque les applications visées sont contraignantes où l'on cherche une longue durée de vie, avec par exemple des pressions à supporter bien supérieures et un niveau d'étanchéité requis plus strict, typiquement inférieure à 10-8mbar.l/s, ou dans des milieux à fortes contraintes comme le domaine aéronautique ou spatial.Rigid packaging is used when the targeted applications are restrictive where a long lifespan is sought, with for example much higher pressures to withstand and a stricter required level of tightness, typically less than 10 -8 mbar.l/s, or in environments with high constraints such as aeronautics or space.

Les emballages rigides (boitiers) sont usuellement fabriqués à partir d’un matériau métallique, typiquement un alliage d’aluminium ou en acier inoxydable ou d’un polymère rigide comme l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS).Rigid packaging (enclosures) is usually made from a metallic material, typically an aluminum alloy or stainless steel or a rigid polymer such as acrylonitrile butadiene styrene (ABS).

La géométrie de la plupart des boitiers rigides d’emballages d’accumulateurs Li-ion est cylindrique, car la plupart des cellules électrochimiques des accumulateurs sont enroulées par bobinage selon une géométrie cylindrique autour d’un mandrin cylindrique. Des formes prismatiques de boitiers ont également déjà été réalisées par bobinage autour d’un mandrin prismatique.The geometry of most rigid Li-ion battery packaging cases is cylindrical, because most electrochemical battery cells are wound by winding in a cylindrical geometry around a cylindrical mandrel. Prismatic case shapes have also already been produced by winding around a prismatic mandrel.

Un des types de boitier rigide de forme cylindrique, usuellement fabriqué pour un accumulateur Li-ion de forte capacité, est illustré en .One of the types of rigid cylindrical case, usually manufactured for a high capacity Li-ion accumulator, is illustrated in .

On a représenté en une vue en coupe longitudinale d’un tel boitier 6 de géométrie axisymétrique autour de l’axe central 10 et logeant un faisceau électrochimique F de forme allongée et comportant une seule cellule électrochimique constituée d’une anode 3 et d’une cathode 4 de part et d’autre d’un séparateur 1 adapté pour être imprégné de l’électrolyte. La montre le faisceau F obtenu, usuellement par bobinage autour d’un axe d’enroulement central 10 à l’intérieur du boitier cylindrique 6.We represented in a longitudinal sectional view of such a housing 6 of axisymmetric geometry around the central axis 10 and housing an electrochemical beam F of elongated shape and comprising a single electrochemical cell consisting of an anode 3 and a cathode 4 on each side and the other of a separator 1 adapted to be impregnated with the electrolyte. There shows the beam F obtained, usually by winding around a central winding axis 10 inside the cylindrical housing 6.

Un boitier rigide de forme prismatique est également montré en .A prismatic-shaped rigid case is also shown in .

Le boitier 6 comporte une enveloppe latérale cylindrique 7, un fond 8 à une extrémité, un couvercle 9 à l’autre extrémité, le fond 8 et le couvercle 9 étant assemblés à l’enveloppe 7. Le couvercle 9 supporte les pôles ou bornes de sortie du courant 4, 5. Une des bornes de sortie (pôles), par exemple la borne négative 5 est soudée sur le couvercle 9 tandis que l’autre borne de sortie, par exemple la borne positive 4, passe à travers le couvercle 9 avec interposition d’un joint non représenté qui isole électriquement la borne positive 4 du couvercle.The housing 6 comprises a cylindrical side envelope 7, a bottom 8 at one end, a cover 9 at the other end, the bottom 8 and the cover 9 being assembled to the envelope 7. The cover 9 supports the poles or terminals of current output 4, 5. One of the output terminals (poles), for example the negative terminal 5, is soldered to the cover 9 while the other output terminal, for example the positive terminal 4, passes through the cover 9 with the interposition of a seal not shown which electrically isolates the positive terminal 4 of the cover.

Le type de boitier rigide largement fabriqué consiste également en un godet embouti et un couvercle, soudés entre eux sur leur périphérie. En revanche, les collecteurs de courant comprennent une traversée avec une partie faisant saillie sur le dessus du boitier et qui forme une borne aussi appelée pôle apparent de la batterie.The widely manufactured type of rigid housing also consists of a stamped cup and a cover, welded together at their periphery. On the other hand, current collectors include a bushing with a part protruding from the top of the case and which forms a terminal also called the visible pole of the battery.

La illustre en vue de coupe l’intérieur d’un accumulateur à boitier rigide 6 une fois finalisé, avec les différentes couches alternées d’anode 2, séparateur 1 imprégné d’électrolyte, cathode 3 constituant le faisceau électrochimique F depuis l’axe d’enroulement central 10 jusqu’à ses extrémités latérales extérieures délimités par le boitier 6.There illustrates in sectional view the interior of a rigid casing accumulator 6 once finalized, with the different alternating layers of anode 2, separator 1 impregnated with electrolyte, cathode 3 constituting the electrochemical beam F from the axis of central winding 10 to its outer lateral ends delimited by the housing 6.

Un pack batterie P est constitué d’un nombre variable d’accumulateurs pouvant atteindre plusieurs milliers qui sont reliés électriquement en série ou en parallèle entre eux et généralement par des barres de connexion, appelées usuellement busbars.A battery pack P is made up of a variable number of accumulators which can reach several thousand which are electrically connected in series or in parallel with each other and generally by connection bars, usually called busbars.

Un exemple de pack-batterie P est montré en . Ce pack est constitué de deux modules M1, M2 d’accumulateurs Li-ion A identiques et reliés entre eux en série, chaque module M1, M2 étant constitué de quatre rangées d’accumulateurs reliés en parallèle, chaque rangée étant constituée d’un nombre égal à six d’accumulateurs Li-ion en série.An example of a P battery pack is shown in . This pack consists of two modules M1, M2 of identical Li-ion A accumulators connected together in series, each module M1, M2 consisting of four rows of accumulators connected in parallel, each row consisting of a number equal to six Li-ion accumulators in series.

Comme représenté, la connexion mécanique et électrique entre deux accumulateurs Li-ion d’une même rangée est réalisée par vissage de busbars B1, avantageusement en cuivre, reliant chacune une borne positive 4 à une borne négative 5. La connexion entre deux rangées d’accumulateurs en parallèle au sein d’un même module M1 ou M2 est assurée par un busbar B2, également avantageusement en cuivre. La connexion entre les deux modules M1, M2 est assurée par un busbar B3, également avantageusement en cuivre.As shown, the mechanical and electrical connection between two Li-ion accumulators of the same row is made by screwing busbars B1, advantageously made of copper, each connecting a positive terminal 4 to a negative terminal 5. The connection between two rows of accumulators in parallel within the same module M1 or M2 is ensured by a busbar B2, also advantageously made of copper. The connection between the two modules M1, M2 is ensured by a busbar B3, also advantageously made of copper.

Dans le développement et la fabrication des batteries lithium-ion, pour chaque profil/nouvelle demande, quel que soit les acteurs du marché, cela nécessite des dimensionnements précis (architectures électriques série/parallèle, mécaniques, thermiques…) pour concevoir de manière optimale un pack batterie performant et sûr.In the development and manufacturing of lithium-ion batteries, for each profile/new demand, regardless of the market players, this requires precise sizing (series/parallel electrical architectures, mechanical, thermal, etc.) to optimally design a efficient and safe battery pack.

En particulier, la sécurité des accumulateurs lithium-ion doit être prise en considération à la fois à l’échelle d’un accumulateur seul, d’un module et d’un pack-batterie.In particular, the safety of lithium-ion accumulators must be taken into consideration at the level of a single accumulator, a module and a battery pack.

Différents dispositifs passifs ou actifs ayant une fonction de sécurité peuvent également être intégrés au niveau d’une cellule (accumulateur), et/ou d’un module et/ou du pack-batterie pour prévenir les problèmes, lorsque la batterie se retrouve dans des conditions dites de fonctionnement abusif ou en cas de défaut au niveau d’une cellule.Different passive or active devices having a safety function can also be integrated at the level of a cell (accumulator), and/or a module and/or the battery pack to prevent problems, when the battery is found in so-called abusive operating conditions or in the event of a fault in a cell.

Un système électrochimique lithium, que ce soit à l’échelle de la cellule (accumulateur), du module ou du pack, produit des réactions exothermiques quel que soit le profil de cyclage donné. Ainsi, à l’échelle d’un accumulateur unitaire, en fonction des chimies considérées, le fonctionnement optimal des accumulateurs lithium ion est limité dans une certaine gamme de température.A lithium electrochemical system, whether at the cell (accumulator), module or pack scale, produces exothermic reactions regardless of the given cycling profile. Thus, on the scale of a unit accumulator, depending on the chemistries considered, the optimal operation of lithium ion accumulators is limited within a certain temperature range.

Un accumulateur électrochimique doit fonctionner dans une plage de température définie, typiquement généralement inférieure à 70°C à sa surface extérieure de boitier, sous peine de dégrader ses performances, voire même de le dégrader physiquement jusqu’à destruction.An electrochemical accumulator must operate within a defined temperature range, typically generally below 70°C on its exterior surface of the casing, otherwise it will degrade its performance, or even physically degrade it to the point of destruction.

On peut citer pour exemple les accumulateurs lithium de chimie fer-phosphate qui ont une plage de fonctionnement comprise généralement entre -20 °C et +60 °C. Au-delà de 60 °C, les matériaux et l’électrolyte peuvent subir des dégradations importantes réduisant les performances de la cellule. Au-delà d’une température dite d’emballement thermique pouvant être comprise entre 70°C et 110°C, il y a amorçage de réactions chimiques internes exothermiques. Lorsque l’accumulateur n’est plus capable d’évacuer suffisamment de chaleur, la température de la cellule augmente jusqu’à destruction, ce phénomène étant désigné usuellement sous l’appellation d’emballement thermique (en anglais «Thermal Runaway»).For example, we can cite lithium iron-phosphate chemistry accumulators which have an operating range generally between -20°C and +60°C. Above 60°C, the materials and the electrolyte can undergo significant degradation reducing the performance of the cell. Beyond a so-called thermal runaway temperature which can be between 70°C and 110°C, exothermic internal chemical reactions begin. When the accumulator is no longer capable of dissipating sufficient heat, the temperature of the cell increases until it is destroyed, this phenomenon usually being referred to as thermal runaway .

Autrement dit, un emballement thermique se produit dans une cellule (accumulateur), lorsque l’énergie dégagée par les réactions exothermiques qui surviennent à l’intérieur de celle-ci, excède la capacité à la dissiper à l’extérieur. Cet emballement peut être suivi d’une génération de gaz et d’explosion et/ou feu. Pour ce phénomène d’emballement thermique, on se reportera à la publication [1] et au protocole décrit dans cette publication. Les températures dites « d’auto-échauffement » et « d’emballement thermique » sont respectivement notées T1 et T2 dans cette publication.In other words, a thermal runaway occurs in a cell (accumulator), when the energy released by the exothermic reactions occurring inside it exceeds the capacity to dissipate it outside. This runaway can be followed by the generation of gas and an explosion and/or fire. For this thermal runaway phenomenon, we refer to publication [1] and the protocol described in this publication. The so-called “self-heating” and “thermal runaway” temperatures are respectively denoted T1 and T2 in this publication.

La température T1, typiquement 70°C, dans la de la publication, est la température à partir de laquelle l’accumulateur s’échauffe sans source externe à une vitesse typique de 0,02 °C/min en conditions adiabatiques.The temperature T1, typically 70°C, in the of the publication, is the temperature from which the accumulator heats up without an external source at a typical rate of 0.02 °C/min in adiabatic conditions.

La température T2, typiquement 150°C, dans la de la publication, est la température à partir de laquelle l’accumulateur s’échauffe à une vitesse d’échauffement typique de 10°C/min en conditions adiabatiques, ce qui conduit à la fusion du séparateur dans le faisceau électrochimique de l’accumulateur, à un court-circuit et donc à l’effondrement de la tension.The temperature T2, typically 150°C, in the of the publication, is the temperature from which the accumulator heats up at a typical heating rate of 10°C/min in adiabatic conditions, which leads to the fusion of the separator in the electrochemical beam of the accumulator , to a short circuit and therefore to the collapse of the voltage.

Par « emballement thermique », on peut ainsi comprendre ici et dans le cadre de l’invention, un rapport entre la valeur de la dérivée de la température d’échauffement et celle du temps au moins égal à 0,02°C par min.By “thermal runaway”, we can thus understand here and in the context of the invention, a ratio between the value of the derivative of the heating temperature and that of the time at least equal to 0.02°C per min.

Également, le maintien d’une température inférieure à 70°C permet d’augmenter la durée de vie d’un accumulateur, car plus la température de fonctionnement d’un accumulateur est élevée, plus sa durée de vie sera diminuée.Also, maintaining a temperature below 70°C increases the lifespan of an accumulator, because the higher the operating temperature of an accumulator, the more its lifespan will be reduced.

En outre, certaines chimies d’accumulateurs requièrent une température de fonctionnement bien au-delà de la température ambiante et par conséquent, il s’avère nécessaire de réguler leur niveau de température par un préchauffage initial des accumulateurs, voire par un maintien en température permanent des accumulateurs.In addition, certain battery chemistries require an operating temperature well above ambient temperature and therefore, it is necessary to regulate their temperature level by initial preheating of the accumulators, or even by permanent temperature maintenance. accumulators.

Au niveau d’une cellule (accumulateur), les différents dispositifs internes de protection connus sont:At the level of a cell (accumulator), the different known internal protection devices are:

- un dispositif à coefficient de température positif (PTC acronyme anglo-saxon pour «Polymeric positive Temperature Coefficient») : actuellement, un grand nombre d’accumulateurs cylindriques déjà commercialisés en sont munis. Un tel dispositif se présente sous la forme d’un anneau en polymère (polyéthylène) laminé avec un métal. En cas de surcharge, ce polymère chauffe, change de phase, devient plus résistif et limite ainsi le passage du courant ;- a positive temperature coefficient device (PTC, Anglo-Saxon acronym for “ Polymeric Positive Temperature Coefficient ”): currently, a large number of cylindrical accumulators already on the market are equipped with it. Such a device is in the form of a ring made of polymer (polyethylene) laminated with a metal. In the event of overload, this polymer heats up, changes phase, becomes more resistive and thus limits the flow of current;

- un dispositif d’interruption du courant (CID pour « current interruption device »): il interrompt le courant si la pression du gaz dans la cellule dépasse les limites spécifiées;- a current interruption device (CID): it interrupts the current if the gas pressure in the cell exceeds the specified limits;

- un dispositif coupe circuit (en anglais « shutdown ») qui empêche la génération de courants élevés ;- a circuit breaker device (in English “shutdown”) which prevents the generation of high currents;

- un évent constitué d’une soupape ou d’un disque de rupture, qui s’ouvre lorsque la pression interne augmente brutalement, et dépasse une pression critique déterminée, afin d’éviter l’explosion de la cellule ;- a vent consisting of a valve or a rupture disk, which opens when the internal pressure increases suddenly, and exceeds a determined critical pressure, in order to prevent the cell from exploding;

- un fusible thermique, actuellement mis en œuvre dans les accumulateurs de grande capacité, qui coupe le courant dès lors que la température dans l’accumulateur est trop élevée.- a thermal fuse, currently used in large capacity accumulators, which cuts the current when the temperature in the accumulator is too high.

Ces dispositifs de protection désignés aussi par organes de sécurité des cellules (accumulateurs) jouent un rôle primordial dans la mitigation des effets lies à leur emballement thermique.These protection devices, also referred to as cell safety organs (accumulators), play a vital role in mitigating the effects linked to their thermal runaway.

Par ailleurs, les fabricants de batterie ont pour objectif d’augmenter constamment l’énergie de leurs batteries afin d’en améliorer les performances. Ainsi, l’utilisation de matériaux à haute capacité énergétique mais avec un comportement fortement exothermique en cas d’emballement thermique d’un accumulateur est de plus en plus courante : [2].Furthermore, battery manufacturers aim to constantly increase the energy of their batteries in order to improve their performance. Thus, the use of materials with high energy capacity but with highly exothermic behavior in the event of thermal runaway of an accumulator is increasingly common: [2].

Dans ce contexte, il existe un besoin pour améliorer encore les solutions de sécurité d’accumulateurs électrochimiques, notamment d’accumulateurs métal-ion et plus particulièrement ceux à comportement fortement exothermique en cas d’emballement thermique.In this context, there is a need to further improve the safety solutions for electrochemical accumulators, in particular metal-ion accumulators and more particularly those with highly exothermic behavior in the event of thermal runaway.

Le but de l’invention est de répondre au moins en partie à ce besoin.The aim of the invention is to respond at least in part to this need.

Pour ce faire, l’invention concerne, sous l’un de ses aspects, un accumulateur électrochimique métal-ion comprenant au moins une cellule électrochimique constituée d’une cathode, d’une anode et d’un séparateur imprégné d’un électrolyte liquide agencé entre la cathode et l’anode, la(les) cellule(s) définissant un faisceau électrochimique de forme allongée selon un axe longitudinal, le séparateur présentant au moins une zone, agencée à au moins l’une des extrémités latérales extérieures du faisceau électrochimique, dont la température de fusion est inférieure au reste du séparateur.To do this, the invention relates, in one of its aspects, to a metal-ion electrochemical accumulator comprising at least one electrochemical cell consisting of a cathode, an anode and a separator impregnated with a liquid electrolyte arranged between the cathode and the anode, the cell(s) defining an electrochemical beam of elongated shape along a longitudinal axis, the separator having at least one zone, arranged at at least one of the exterior lateral ends of the beam electrochemical, whose melting temperature is lower than the rest of the separator.

Selon un premier mode de réalisation, la zone du séparateur à température de fusion inférieure au reste du séparateur s’étend sur au moins une partie de la hauteur du faisceau électrochimique entre la portion de cathode(s) et la portion d’anode(s) délimitant l’extrémité latérale extérieure du faisceau électrochimique.According to a first embodiment, the zone of the separator with a melting temperature lower than the rest of the separator extends over at least part of the height of the electrochemical beam between the cathode portion(s) and the anode portion(s). ) delimiting the outer lateral end of the electrochemical beam.

Selon un deuxième mode de réalisation, la zone du séparateur à température de fusion inférieure au reste du séparateur s’étend sur au moins une partie de la hauteur du faisceau électrochimique entre la portion de cathode(s) ou d’anode(s) et une électrode supplémentaire délimitant l’extrémité latérale extérieure du faisceau électrochimique, l’électrode supplémentaire présentant une résistance électrique supérieure à la résistance interne initiale du faisceau électrochimique.According to a second embodiment, the zone of the separator with a melting temperature lower than the rest of the separator extends over at least part of the height of the electrochemical beam between the portion of cathode(s) or anode(s) and an additional electrode delimiting the outer lateral end of the electrochemical beam, the additional electrode having an electrical resistance greater than the initial internal resistance of the electrochemical beam.

Par « résistance interne initiale » on entend ici et dans le cadre de l’invention, la somme de la résistance électrique des matières solides (électrodes, connexions) et de la résistance de l’électrolyte liquide une fois l’accumulateur finalisé et avant son premier fonctionnement.By “initial internal resistance” is meant here and in the context of the invention, the sum of the electrical resistance of the solid materials (electrodes, connections) and the resistance of the liquid electrolyte once the accumulator is finalized and before its first operation.

De préférence la résistance électrique de l’électrode supplémentaire étant supérieure d’au moins 0,5Ω à la résistance interne initiale du faisceau électrochimique.Preferably the electrical resistance of the additional electrode being greater by at least 0.5Ω than the initial internal resistance of the electrochemical beam.

De préférence encore, l’électrode supplémentaire présentant une résistance thermique au moins égale à 30W/mK. . More preferably, the additional electrode having a thermal resistance at least equal to 30W/mK. .

Selon une variante de réalisation avantageuse, l’électrode supplémentaire comprend un mélange de charges électriques et d’un liant et/ou un film métallique ayant subi de préférence un traitement de surface. En tant que charges, on peut envisager des particules ou fibres de carbone, ou des fibres de carbone broyées, ou des fibres métalliques. En tant que liant, on peut envisager du fluorure de polyvinylidène (PVDF). On peut envisager une charge de poudre de cuivre par exemple dans du polyéthylène ou une feuille de cuivre ayant une couche de passivation comme de l’oxyde de chrome.According to an advantageous embodiment, the additional electrode comprises a mixture of electrical charges and a binder and/or a metal film having preferably undergone a surface treatment. As fillers, carbon particles or fibers, or crushed carbon fibers, or metal fibers can be considered. As a binder, polyvinylidene fluoride (PVDF) can be considered. We can consider a charge of copper powder for example in polyethylene or copper foil having a passivation layer such as chromium oxide.

Avantageusement, la température de fusion de la zone est inférieure d’au moins 20% à celle du reste du séparateur.Advantageously, the melting temperature of the zone is at least 20% lower than that of the rest of the separator.

Selon une première constitution avantageuse, la zone du séparateur est en polypropylène tandis que le reste du séparateur est en polypropylène revêtu d’un revêtement à température de fusion supérieure à celle du polypropylène.According to a first advantageous constitution, the zone of the separator is made of polypropylene while the rest of the separator is made of polypropylene coated with a coating with a melting temperature higher than that of polypropylene.

Selon une deuxième constitution avantageuse, la zone du séparateur est en polyéthylène tandis que le reste du séparateur est en polypropylène.According to a second advantageous constitution, the zone of the separator is made of polyethylene while the rest of the separator is made of polypropylene.

De manière plus générale, on peut modifier les propriétés intrinsèques du séparateur, généralement sous forme d’un polymère et/ou créer un défaut localisé dans le séparateur sur l’une/et/ou l’autre extrémité latérale du faisceau électrochimique pour réaliser la(les) zone(s) à température de fusion moindre.More generally, it is possible to modify the intrinsic properties of the separator, generally in the form of a polymer and/or create a localized defect in the separator on one/and/or the other lateral end of the electrochemical beam to achieve the (the) zone(s) with lower melting temperature.

En ce qui concerne les modifications des propriétés intrinsèques, on peut envisager l’une ou l’autre des caractéristiques suivantes le cas échéant cumulées :With regard to modifications of intrinsic properties, we can consider one or other of the following characteristics, if applicable, combined:

- présence ou non d’un film céramique appliqué sur l’une ou les deux faces d’un film polymère de base, à l’exception de son(ses) extrémités ;- presence or absence of a ceramic film applied to one or both sides of a base polymer film, with the exception of its ends;

- adaptation des épaisseurs du film céramique appliqué de chaque côté du film polymère de base ;- adaptation of the thicknesses of the ceramic film applied to each side of the base polymer film;

- modification locale de la composition des différents constituants du séparateur, à savoir les types de polymère, le liant utilisé pour l’application d’une céramique et la céramique en elle-même;- local modification of the composition of the different constituents of the separator, namely the types of polymer, the binder used for the application of a ceramic and the ceramic itself;

- adaptation du ratio entre la céramique et le liant en fonction de la position finale envisagée dans le faisceau électrochimique.- adaptation of the ratio between the ceramic and the binder depending on the final position envisaged in the electrochemical beam.

En ce qui concerne l’ajout d’un défaut local dans le séparateur, on peut envisager d’enlever localement le film céramique à l’extrémité latérale extérieure du séparateur. Cet enlèvement peut comprendre un grattage local du film céramique et/ou un traitement chimique local et/ou un traitement thermique local.Regarding the addition of a local defect in the separator, we can consider locally removing the ceramic film at the outer side end of the separator. This removal may include local scraping of the ceramic film and/or local chemical treatment and/or local heat treatment.

Selon une première configuration avantageuse, le faisceau électrochimique est constitué d’une seule cellule électrochimique, obtenu par enroulement, la zone du séparateur à température de fusion inférieure au reste du séparateur étant celle située à l’extrémité extérieure de l’enroulement.According to a first advantageous configuration, the electrochemical bundle consists of a single electrochemical cell, obtained by winding, the zone of the separator with a melting temperature lower than the rest of the separator being that located at the outer end of the winding.

Selon une deuxième configuration avantageuse, le faisceau électrochimique comprend un empilement de cellules électrochimiques élémentaires comprenant chacune une cathode, une anode, et un séparateur imprégné d’électrolyte intercalé entre l’anode et la cathode, la zone de séparateur à température de fusion inférieure au reste des séparateurs étant constituée par au moins un des deux séparateurs à l’extrémité extérieure de l’empilement.According to a second advantageous configuration, the electrochemical beam comprises a stack of elementary electrochemical cells each comprising a cathode, an anode, and a separator impregnated with electrolyte interposed between the anode and the cathode, the separator zone having a melting temperature lower than remainder of the separators being constituted by at least one of the two separators at the outer end of the stack.

Le faisceau électrochimique selon l’invention peut être réalisé selon une technique de pliage dite en Z (« Z-fold »). Dans un tel process, l’ajout de la zone de séparateur à température de fusion moindre nécessite de stopper le pliage en lui-même avant la dernière couche d’électrode afin d’ajouter ladite zone fusible à moindre température aux extrémités latérales de l’empilement de cellules électrochimiques.The electrochemical beam according to the invention can be produced using a so-called Z-folding technique (“Z-fold”). In such a process, the addition of the separator zone at a lower melting temperature requires stopping the folding itself before the last electrode layer in order to add said fuse zone at a lower temperature to the lateral ends of the stack of electrochemical cells.

Selon un mode de réalisation d’accumulateur privilégié, l’accumulateur comprend :According to a preferred embodiment of the accumulator, the accumulator comprises:

- un boîtier agencé pour contenir de manière étanche le faisceau électrochimique,- a housing arranged to contain the electrochemical beam in a sealed manner,

- deux bornes de sortie courant reliées chacune à l’une ou l’autre de l’(des) anode(s) et de la (des) cathode(s), une des bornes dite première borne traversant une paroi du boîtier et étant isolée électriquement de celui-ci,- two current output terminals each connected to one or the other of the anode(s) and the cathode(s), one of the terminals called the first terminal passing through a wall of the housing and being electrically isolated from it,

L’accumulateur selon l’invention peut être de forme générale cylindrique ou prismatique.The accumulator according to the invention can be of generally cylindrical or prismatic shape.

Chaque accumulateur peut être un accumulateur Li-ion dans lequel :Each accumulator can be a Li-ion accumulator in which:

- le matériau d’électrode(s) négative(s) est choisi dans le groupe comportant le graphite, le lithium, l’oxyde de titanate Li4TiO5O12 ;
-le matériau d’électrode(s) positive(s) est choisi dans le groupe des composés d’intercalation/insertion de type LiMO2avec M représentant Co, Ni ou Mn ; LiM’2O4avec M’ représentant Ni ou Mn ; LiM’’PO4avec M’’ représentant Fe, Co, Mn ou Ni.- the negative electrode(s) material is chosen from the group comprising graphite, lithium, titanate oxide Li 4 TiO 5 O 12;
- the positive electrode(s) material is chosen from the group of LiMO 2 type intercalation/insertion compounds with M representing Co, Ni or Mn; LiM' 2 O 4 with M' representing Ni or Mn; LiM''PO 4 with M'' representing Fe, Co, Mn or Ni.

Ainsi, l’invention consiste essentiellement à intégrer au niveau d’au moins une des extrémités latérales d’un accumulateur une ou plusieurs zones de séparateur à la température de fusion plus faible que le reste du séparateur, c’est-à-dire une ou plusieurs zones qui vont être moins stables thermiquement.Thus, the invention essentially consists of integrating at least one of the lateral ends of an accumulator one or more separator zones with a lower melting temperature than the rest of the separator, that is to say a or several zones which will be less thermally stable.

Les inventeurs ont identifié que le point critique d’un accumulateur lors d’un emballement thermique est la température de déstabilisation de la cathode, typiquement comprise entre 170 et 230°C en fonction des chimies de matériau(x) d’insertion.The inventors have identified that the critical point of an accumulator during a thermal runaway is the destabilization temperature of the cathode, typically between 170 and 230°C depending on the chemistries of the insertion material(s).

Ainsi, ils ont envisagé une ou des zones de séparateur aux extrémités du faisceau électrochimique avec la température de fusion inférieure à celle de la température de déstabilisation de la cathode tandis que celle du reste du séparateur est proche de la température de déstabilisation de la cathode.Thus, they envisaged one or more separator zones at the ends of the electrochemical beam with the melting temperature lower than that of the destabilization temperature of the cathode while that of the rest of the separator is close to the destabilization temperature of the cathode.

Cette ou ces zones moins stables thermiquement vont favoriser la création de courts-circuits suite à un emballement thermique d’un accumulateur adjacent au sein d’un module ou pack-batterie.This or these less thermally stable zones will favor the creation of short circuits following a thermal runaway of an adjacent accumulator within a module or battery pack.

Du fait de sa(leur) localisation à l’une et/ou l’autre des extrémités latérales de l’accumulateur, elles sont proches des systèmes de refroidissement usuels, notamment des plaques de refroidissement, des accumulateurs et/ou d’un module de batterie ou d’un pack-batterie à plusieurs accumulateurs, ce qui permet ainsi d’avoir une forte dissipation de la chaleur à ces endroits.Due to their location at one or the other of the lateral ends of the accumulator, they are close to the usual cooling systems, in particular cooling plates, accumulators and/or a module. battery or a battery pack with several accumulators, which thus allows for strong heat dissipation in these locations.

Ainsi, grâce à l’invention, le cœur du faisceau électrochimique d’un accumulateur est préservé et donc les effets d’un emballement thermique provenant d’un accumulateur adjacent sont mitigés.Thus, thanks to the invention, the core of the electrochemical beam of an accumulator is preserved and therefore the effects of a thermal runaway coming from an adjacent accumulator are mitigated.

En effet, au sein d’un module-batterie ou d’un pack-batterie à plusieurs accumulateurs, lors de l’emballement thermique d’un accumulateur, les flammes et la chaleur dégagées par ce dernier qui est donc défectueux, contribuent à l’augmentation de la température des accumulateurs adjacents, ce qui amène un risque d’emballement thermique à leur tour d’au moins un de ces accumulateurs adjacents.Indeed, within a battery module or a battery pack with several accumulators, during the thermal runaway of an accumulator, the flames and the heat released by the latter which is therefore defective, contribute to the increase in the temperature of adjacent accumulators, which in turn brings a risk of thermal runaway of at least one of these adjacent accumulators.

Pour ces accumulateurs adjacents. la température commence à croitre sur les couches extérieures avant de diffuser vers le cœur du faisceau électrochimique.For these adjacent accumulators. the temperature begins to increase on the outer layers before diffusing towards the core of the electrochemical beam.

Un module de batterie ou un pack-batterie avec plusieurs accumulateurs conformes à l’invention peut résister aux flammes pendant plusieurs dizaines de secondes, ce qui laisse le temps aux systèmes de refroidissement, notamment à des plaques de refroidissement, aux plaques de refroidissement de reprendre leur rôle de dissipateur de chaleur.A battery module or a battery pack with several accumulators in accordance with the invention can resist flames for several tens of seconds, which gives time for the cooling systems, in particular cooling plates, for the cooling plates to resume. their role as a heat sink.

Dans le cas d’un accumulateur lithium-ion, un autre avantage lié à la mise en court-circuit sur l’une et/ou l’autre des extrémités latérales du faisceau électrochimique, induite par la(les) zone(s) de séparateur fusible(s) à moindre température par rapport au reste du séparateur, est de permettre de relithier au moins en partie l’électrode positive et donc à la stabiliser thermiquement. Plus généralement dans le cas d’un accumulateur métal-ion, la mise en court-circuit permet la réinsertion en ions métallique dans une électrode du faisceau électrochimique.In the case of a lithium-ion accumulator, another advantage linked to the short-circuiting on one and/or the other of the lateral ends of the electrochemical beam, induced by the zone(s) of separator fuse(s) at a lower temperature compared to the rest of the separator, is to allow the positive electrode to be re-lithiumized at least in part and therefore to stabilize it thermally. More generally in the case of a metal-ion accumulator, short-circuiting allows the reinsertion of metal ions into an electrode of the electrochemical beam.

Les inventeurs ont été à l’encontre des solutions existantes de conception des accumulateurs métal-ion qui ont toujours considérer qu’une fusion du séparateur marque un point de non-retour, car le court-circuit engendré rend l’accumulateur inutilisable et provoque une élévation de température brutale qui déclenchera les réactions en chaine de l’emballement thermique.The inventors have gone against existing solutions for designing metal-ion accumulators which have always considered that a melting of the separator marks a point of no return, because the short circuit generated makes the accumulator unusable and causes a sudden rise in temperature which will trigger the chain reactions of thermal runaway.

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d’exemples de mise en œuvre de l’invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes.Other advantages and characteristics of the invention will become clearer on reading the detailed description of examples of implementation of the invention given for illustrative and non-limiting purposes with reference to the following figures.

la est une vue schématique en perspective éclatée montrant les différents éléments d’un accumulateur lithium-ion. there is a schematic exploded perspective view showing the different elements of a lithium-ion battery.

la est une vue de face montrant un accumulateur lithium-ion avec son emballage souple selon l’état de l’art. there is a front view showing a lithium-ion accumulator with its flexible packaging according to the state of the art.

la est une vue en perspective d’un accumulateur lithium-ion selon l’état de l’art avec son emballage rigide constitué d’un boitier de forme cylindrique. there is a perspective view of a lithium-ion accumulator according to the state of the art with its rigid packaging consisting of a cylindrical-shaped case.

la est une vue en coupe longitudinale et déroulée partielle d’un accumulateur lithium-ion selon l’état de l’art, montrant le faisceau électrochimique constitué d’une seule cellule électrochimique enroulée sur elle-même par bobinage selon une géométrie cylindrique à l’intérieur du boitier. there is a partial unfolded longitudinal sectional view of a lithium-ion accumulator according to the state of the art, showing the electrochemical beam consisting of a single electrochemical cell wound on itself by winding according to a cylindrical geometry at the interior of the case.

la est une vue en perspective d’un accumulateur lithium-ion selon l’état de l’art avec son emballage rigide constitué d’un boitier de forme prismatique. there is a perspective view of a lithium-ion accumulator according to the state of the art with its rigid packaging consisting of a prismatic-shaped case.

la est une vue schématique en coupe longitudinale partielle d’un accumulateur lithium-ion selon la ou 5. there is a schematic view in partial longitudinal section of a lithium-ion accumulator according to the or 5.

la est une vue en perspective d’un assemblage au moyen de busbars d’accumulateurs lithium-ion selon l’état de l’art, formant un pack-batterie est une reproduction photographique d’un dispositif de déclenchement d’emballement thermique d’un accumulateur Li-ion de format standard 18650, selon l’invention. there is a perspective view of an assembly by means of busbars of lithium-ion accumulators according to the state of the art, forming a battery pack is a photographic reproduction of a device for triggering thermal runaway of a Li-ion accumulator of standard format 18650, according to the invention.

la illustre sous forme de courbes la décroissance de la tension d’un accumulateur avec un séparateur A et avec un séparateur B de composition et réalisation différentes. there illustrates in the form of curves the decrease in the voltage of an accumulator with a separator A and with a separator B of different composition and construction.

la est une vue en coupe longitudinale et déroulée partielle d’un accumulateur lithium-ion selon l’invention, montrant le faisceau électrochimique constitué d’une seule cellule électrochimique enroulée sur elle-même par bobinage selon une géométrie cylindrique à l’intérieur du boitier. there is a partial unfolded longitudinal sectional view of a lithium-ion accumulator according to the invention, showing the electrochemical beam consisting of a single electrochemical cell wound on itself by winding according to a cylindrical geometry inside the housing.

la est une vue schématique en coupe longitudinale partielle d’un accumulateur lithium-ion selon un premier mode de l’invention. there is a schematic view in partial longitudinal section of a lithium-ion accumulator according to a first mode of the invention.

la est une vue schématique en coupe longitudinale partielle d’un accumulateur lithium-ion selon un deuxième mode de l’invention. there is a schematic view in partial longitudinal section of a lithium-ion accumulator according to a second mode of the invention.

Description détailléedetailed description

Les figures 1 à 7 sont relatives à des exemples différents d’accumulateur Li-ion, d’emballage souple et boitier d’accumulateurs ainsi qu’un pack-batterie selon l’état de l’art. Ces figures 1 à 7 ont déjà été commentées en préambule et ne le sont donc pas plus ci-après.Figures 1 to 7 relate to different examples of Li-ion accumulators, flexible packaging and battery boxes as well as a battery pack according to the state of the art. These figures 1 to 7 have already been commented on in the preamble and are therefore not discussed further below.

Par souci de clarté, les mêmes références désignant les mêmes éléments selon l’état de l’art et selon l’invention sont utilisées pour toutes les figures 1 à 11.For the sake of clarity, the same references designating the same elements according to the state of the art and according to the invention are used for all Figures 1 to 11.

La illustre la différence de stabilité thermique entre deux séparateurs, à savoir séparateur A et séparateur B, de composition et de méthode d’application différentes. Ainsi, il ressort de cette que la tension d’accumulateur chute drastiquement pour le séparateur B dès lors qu’il atteint une température de l’ordre de 140°C tandis que pour le séparateur A la chute se produit plutôt à une température supérieure à 170°C.There illustrates the difference in thermal stability between two separators, namely separator A and separator B, of different composition and application method. Thus, it emerges from this that the accumulator voltage drops drastically for separator B as soon as it reaches a temperature of around 140°C while for separator A the drop occurs rather at a temperature above 170°C.

Après avoir identifié que le point critique d’un accumulateur Li-ion lors d’un emballement thermique est la température de déstabilisation de la cathode, typiquement comprise entre 170 et 230°C en fonction des chimies de matériau(x) d’insertion, les inventeurs ont pensé à mettre à profit la variabilité de la stabilité thermique entre deux séparateurs différents pour améliorer la sécurité d’accumulateurs au sein d’un module de batterie ou pack-batterie lors de la surchauffe d’au moins l’un d’entre eux.Having identified that the critical point of a Li-ion accumulator during thermal runaway is the destabilization temperature of the cathode, typically between 170 and 230°C depending on the chemistries of the insertion material(s), the inventors thought of taking advantage of the variability in thermal stability between two different separators to improve the safety of accumulators within a battery module or battery pack during the overheating of at least one of them. between them.

On a représenté en , un exemple d’accumulateur Li-ion A, selon l’invention. Dans cet exemple illustré, l’accumulateur A est à boitier de format cylindrique, typiquement de format 18650.We represented in , an example of a Li-ion A accumulator, according to the invention. In this illustrated example, the accumulator A has a cylindrical format case, typically 18650 format.

Le séparateur 1 du faisceau électrochimique F obtenu par enroulement comprend deux portions 11, 12 distinctes dans leur composition chimique mais qui sont toutes deux imprégnées d’un même électrolyte liquide.The separator 1 of the electrochemical beam F obtained by winding comprises two portions 11, 12 distinct in their chemical composition but which are both impregnated with the same liquid electrolyte.

La portion de séparateur 11, qui une fois le faisceau électrochimique formé est agencée au cœur du ce dernier, est constituée par un matériau dont la température de fusion est proche de la température de déstabilisation thermique de la cathode 3, par exemple de l’ordre de 200°C.The separator portion 11, which once the electrochemical beam has been formed is arranged at the heart of the latter, is constituted by a material whose melting temperature is close to the thermal destabilization temperature of the cathode 3, for example of the order of 200°C.

La portion de séparateur 12, qui une fois le faisceau électrochimique est agencée à son extrémité latérale, c’est-à-dire entre la couche de cathode 3 et la couche d’anode 2 les plus éloignées de l’axe d’enroulement central 10, est constituée par un matériau dont la température de fusion est inférieure, de préférence d’au moins 20°C à celle de la portion 11.The separator portion 12, which once the electrochemical beam is arranged at its lateral end, that is to say between the cathode layer 3 and the anode layer 2 furthest from the central winding axis 10, is made up of a material whose melting temperature is lower, preferably at least 20°C, than that of portion 11.

Par exemple, le matériau de séparateur de la portion intérieure 11 est en polypropylène revêtu d’un revêtement céramique à température de fusion supérieure à celle du polypropylène et la portion extérieure 12 est uniquement en polypropylène.For example, the separator material of the interior portion 11 is made of polypropylene coated with a ceramic coating with a melting temperature higher than that of polypropylene and the exterior portion 12 is only made of polypropylene.

La illustre en vue de coupe longitudinale d’un faisceau électrochimique F selon l’invention avec les différentes couches d’électrodes 2, 3 agencées de part et d’autre, au cœur du faisceau d’une portion de séparateur 11 en un matériau fusible à une température proche de la température de déstabilisation thermique de cathode 3 et à chaque extrémité latérale du faisceau, d’une portion de séparateur 12 en un matériau fusible à une température moindre, de préférence au moins inférieure d’au moins 20°C à celle de la portion 11.There illustrates in longitudinal section view of an electrochemical beam F according to the invention with the different layers of electrodes 2, 3 arranged on either side, at the heart of the beam of a separator portion 11 made of a fusible material a temperature close to the thermal destabilization temperature of cathode 3 and at each lateral end of the beam, a portion of separator 12 made of a fusible material at a lower temperature, preferably at least lower by at least 20°C than that of portion 11.

La montre un autre mode de réalisation selon lequel la portion 12 du séparateur à température de fusion inférieure à la portion 12 du séparateur 1 est intercalée entre la portion de cathode(s) extérieure 3 et une électrode supplémentaire 100 qui délimite l’extrémité latérale extérieure du faisceau électrochimique F.There shows another embodiment according to which the portion 12 of the separator at a melting temperature lower than the portion 12 of the separator 1 is interposed between the exterior cathode portion(s) 3 and an additional electrode 100 which delimits the exterior lateral end of the electrochemical beam F.

Cette électrode supplémentaire 100 présente une résistance électrique supérieure à la résistance interne initiale du faisceau électrochimique.This additional electrode 100 has an electrical resistance greater than the initial internal resistance of the electrochemical beam.

Ainsi, cette électrode supplémentaire 100 permet d’augmenter fortement la résistance interne de l’accumulateur une fois que la portion de séparateur 12 a fondu. On peut réaliser cette électrode supplémentaire 100 à résistance électrique selon une même technique que les anodes 2 et cathodes 3 du faisceau électrochimique F, notamment par application, par exemple par enduction sur un feuillard métallique ayant le cas échéant subi un traitement thermique.Thus, this additional electrode 100 makes it possible to greatly increase the internal resistance of the accumulator once the separator portion 12 has melted. This additional electrical resistance electrode 100 can be produced using the same technique as the anodes 2 and cathodes 3 of the electrochemical beam F, in particular by application, for example by coating on a metal strip having, where appropriate, undergone a heat treatment.

L’augmentation de la résistance électrique induite par cette électrode supplémentaire 100 permet de diminuer la résistance de court-circuit et donc de limiter la puissance thermique émise qui serait due à des courts-circuits causés par une augmentation de la température.The increase in the electrical resistance induced by this additional electrode 100 makes it possible to reduce the short-circuit resistance and therefore to limit the thermal power emitted which would be due to short circuits caused by an increase in temperature.

Cette électrode supplémentaire 100 peut être constituée par un mélange de charges électriquement conductrices comme des particules de carbone ou fibres de carbone, ou fibres de carbone broyées, ou fibres métalliques et d’un liant tel que du PVDF.This additional electrode 100 may consist of a mixture of electrically conductive fillers such as carbon particles or carbon fibers, or crushed carbon fibers, or metal fibers and a binder such as PVDF.

Dans ce mode à électrode supplémentaire 100, on veille à adapter sa résistance électrique à la puissance de refroidissement du module de batterie ou pack-batterie dans lequel un accumulateur selon l’invention est implanté.In this mode with additional electrode 100, care is taken to adapt its electrical resistance to the cooling power of the battery module or battery pack in which an accumulator according to the invention is installed.

En effet, la puissance de court-circuit Pcc à dissiper par une plaque de refroidissement d’un accumulateur peut s’exprimer par l’équation 1 :Indeed, the short-circuit power Pcc to be dissipated by a cooling plate of an accumulator can be expressed by equation 1:

[Equation 1] : = ( + [Equation 1]: = ( +

dans laquellein which

Rintdésigne la résistance interne du faisceau électrochimique F,R int designates the internal resistance of the electrochemical beam F,

Rccdésigne la résistance de l’électrode supplémentaire résistive 100,R cc designates the resistance of the additional resistive electrode 100,

Iccdésigne la valeur du courant de court-circuit,I cc designates the value of the short-circuit current,

U la tension du faisceau électrochimique pendant le court-circuit.U the voltage of the electrochemical beam during the short circuit.

Il va de soi que quel que soit l’agencement de la zone de séparateur à température de fusion moindre, on veille à connecter électriquement soit la couche d’électrode extérieure du faisceau électrochimique soit l’électrode supplémentaire à résistance électrique accrue avec le reste des électrodes du faisceau.It goes without saying that whatever the arrangement of the separator zone with lower melting temperature, care is taken to electrically connect either the outer electrode layer of the electrochemical bundle or the additional electrode with increased electrical resistance with the rest of the beam electrodes.

L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits ; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.The invention is not limited to the examples which have just been described; In particular, it is possible to combine characteristics of the illustrated examples within non-illustrated variants.

D’autres variantes et améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l’invention.Other variants and improvements can be considered without departing from the scope of the invention.

Si dans les exemples illustrés, l’électrode du faisceau électrochimique est positive (cathode), l’invention s’applique également avec une électrode négative (anode).If in the examples illustrated, the electrode of the electrochemical beam is positive (cathode), the invention also applies with a negative electrode (anode).

Bien que les exemples illustrés se rapportent à des accumulateurs à boitier, l’invention s’applique à des accumulateurs à emballage souple.Although the examples illustrated relate to cased accumulators, the invention applies to flexible packaging accumulators.

Liste des références citées :List of cited references:

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Claims (14)

Accumulateur électrochimique (A) métal-ion comprenant au moins une cellule électrochimique constituée d’une cathode (2), d’une anode (3) et d’un séparateur (1) imprégné d’un électrolyte liquide agencé entre la cathode (2) et l’anode (3), la(les) cellule(s) définissant un faisceau électrochimique (F) de forme allongée selon un axe longitudinal (X), le séparateur présentant au moins une zone (12), agencée à au moins l’une des extrémités latérales extérieures du faisceau électrochimique (F), dont la température de fusion est inférieure au reste (12) du séparateur.Metal-ion electrochemical accumulator (A) comprising at least one electrochemical cell consisting of a cathode (2), an anode (3) and a separator (1) impregnated with a liquid electrolyte arranged between the cathode (2 ) and the anode (3), the cell(s) defining an electrochemical beam (F) of elongated shape along a longitudinal axis (X), the separator having at least one zone (12), arranged at at least one of the outer lateral ends of the electrochemical beam (F), whose melting temperature is lower than the rest (12) of the separator. Accumulateur selon la revendication 1, la zone (12) du séparateur à température de fusion inférieure au reste (12) du séparateur s’étendant sur au moins une partie de la hauteur du faisceau électrochimique entre la portion de cathode(s) et la portion d’anode(s) délimitant l’extrémité latérale extérieure du faisceau électrochimique.Accumulator according to claim 1, the zone (12) of the separator at a melting temperature lower than the rest (12) of the separator extending over at least part of the height of the electrochemical beam between the cathode portion(s) and the portion anode(s) delimiting the outer lateral end of the electrochemical beam. Accumulateur selon la revendication 1, la zone (12) du séparateur à température de fusion inférieure au reste (12) du séparateur s’étendant sur au moins une partie de la hauteur du faisceau électrochimique entre la portion de cathode(s) ou d’anode(s) et une électrode supplémentaire délimitant l’extrémité latérale extérieure du faisceau électrochimique, l’électrode supplémentaire présentant une résistance électrique supérieure à la résistance interne initiale du faisceau électrochimique. Accumulator according to claim 1, the zone (12) of the separator at a melting temperature lower than the rest (12) of the separator extending over at least part of the height of the electrochemical beam between the portion of cathode(s) or anode(s) and an additional electrode delimiting the outer lateral end of the electrochemical beam, the additional electrode having an electrical resistance greater than the initial internal resistance of the electrochemical beam. Accumulateur selon la revendication 3, la résistance électrique de l’électrode supplémentaire étant supérieure d’au moins 0,5 Ω à la résistance interne initiale du faisceau électrochimique.Accumulator according to claim 3, the electrical resistance of the additional electrode being greater by at least 0.5 Ω than the initial internal resistance of the electrochemical beam. Accumulateur selon la revendication 3 ou 4, l’électrode supplémentaire présentant une résistance thermique au moins égale à 30W/mK.Accumulator according to claim 3 or 4, the additional electrode having a thermal resistance at least equal to 30W/mK. Accumulateur selon l’une des revendications 3 à 5, l’électrode supplémentaire comprenant un mélange de charges électriques et d’un liant et/ou un film métallique ayant subi de préférence un traitement de surface.Accumulator according to one of claims 3 to 5, the additional electrode comprising a mixture of electrical charges and a binder and/or a metal film having preferably undergone a surface treatment. Accumulateur selon l’une des revendications précédentes, la température de fusion de la zone étant inférieure d’au moins 20% à celle du reste du séparateur.Accumulator according to one of the preceding claims, the melting temperature of the zone being at least 20% lower than that of the rest of the separator. Accumulateur selon l’une des revendications précédentes, la zone du séparateur étant en polypropylène tandis que le reste du séparateur est en polypropylène revêtu d’un revêtement à température de fusion supérieure à celle du polypropylène.Accumulator according to one of the preceding claims, the zone of the separator being made of polypropylene while the rest of the separator is made of polypropylene coated with a coating with a melting temperature higher than that of polypropylene. Accumulateur selon l’une des revendications 1 à 7, la zone du séparateur étant en polyéthylène tandis que le reste du séparateur est en polypropylène.Accumulator according to one of claims 1 to 7, the area of the separator being made of polyethylene while the rest of the separator is made of polypropylene. Accumulateur selon l’une des revendications précédentes, le faisceau électrochimique (5) étant constitué d’une seule cellule électrochimique, obtenu par enroulement, la zone du séparateur à température de fusion inférieure au reste du séparateur étant celle située à l’extrémité extérieure de l’enroulement.Accumulator according to one of the preceding claims, the electrochemical bundle (5) being made up of a single electrochemical cell, obtained by winding, the zone of the separator with a melting temperature lower than the rest of the separator being that located at the outer end of the winding. Accumulateur selon l’une des revendications 1 à 9, le faisceau électrochimique comprenant un empilement de cellules électrochimiques élémentaires comprenant chacune une cathode (2), une anode (3), et un séparateur (1) imprégné d’électrolyte intercalé entre l’anode et la cathode, la zone de séparateur à température de fusion inférieure au reste des séparateurs étant constituée par au moins un des deux séparateurs à l’extrémité extérieure de l’empilement.Accumulator according to one of claims 1 to 9, the electrochemical beam comprising a stack of elementary electrochemical cells each comprising a cathode (2), an anode (3), and a separator (1) impregnated with electrolyte interposed between the anode and the cathode, the separator zone with a melting temperature lower than the rest of the separators being constituted by at least one of the two separators at the outer end of the stack. Accumulateur selon l’une des revendications précédentes, comprenant :
  • un boîtier (6) agencé pour contenir de manière étanche le faisceau électrochimique,
  • deux bornes (4, 5) de sortie courant reliées chacune à l’une ou l’autre de l’(des) anode(s) et de la (des) cathode(s), une des bornes dite première borne (2) traversant une paroi du boîtier (6) et étant isolée électriquement de celui-ci,
Accumulator according to one of the preceding claims, comprising:
  • a housing (6) arranged to contain the electrochemical beam in a sealed manner,
  • two current output terminals (4, 5) each connected to one or the other of the anode(s) and the cathode(s), one of the terminals called the first terminal (2) passing through a wall of the housing (6) and being electrically isolated from it,
Accumulateur selon l’une des revendications précédentes, l’accumulateur étant de forme générale cylindrique ou prismatique.Accumulator according to one of the preceding claims, the accumulator being of generally cylindrical or prismatic shape. Accumulateur selon l’une des revendications précédentes, constituant un accumulateur Li-ion dans lequel :
- le matériau d’anode(s) est choisi dans le groupe comportant le graphite, le lithium, l’oxyde de titanate Li4TiO5O12 ;
-le matériau de cathode(s) est choisi dans le groupe des composés d’intercalation/insertion de type LiMO2avec M représentant Co, Ni ou Mn ; LiM’2O4avec M’ représentant Ni ou Mn ; LiM’’PO4avec M’’ représentant Fe, Co, Mn ou Ni.Accumulator according to one of the preceding claims, constituting a Li-ion accumulator in which:
- the anode material(s) is chosen from the group comprising graphite, lithium, titanate oxide Li 4 TiO 5 O 12;
- the cathode material(s) is chosen from the group of LiMO 2 type intercalation/insertion compounds with M representing Co, Ni or Mn; LiM' 2 O 4 with M' representing Ni or Mn; LiM''PO 4 with M'' representing Fe, Co, Mn or Ni.
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