FR3146029A1 - MECHANICAL PRESSURE MAINTENANCE SYSTEM FOR HELICAL ELECTRODE - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne une batterie électrochimique (1) renfermant un boîtier (2) comportant au moins une cellule électrochimique (3), laquelle cellule électrochimique (3) comporte des électrodes (4), où ledit boîtier (2) comporte, en bout de ladite cellule électrochimique (3) ou/et autour de ladite cellule électrochimique (3), un moyen de précontrainte (5) au moins axial par rapport à un axe de cellule (D), et ledit moyen de précontrainte (5) forme un élément de pression entre lesdites électrodes (4) et la paroi interne dudit boîtier (2) afin de maintenir une pression constante entre lesdites électrodes (4). L’invention concerne encore un véhicule automobile (100) comportant une telle batterie (1). Figure 1The invention relates to an electrochemical battery (1) enclosing a housing (2) comprising at least one electrochemical cell (3), which electrochemical cell (3) comprises electrodes (4), wherein said housing (2) comprises, at the end of said electrochemical cell (3) and/or around said electrochemical cell (3), a prestressing means (5) at least axial relative to a cell axis (D), and said prestressing means (5) forms a pressure element between said electrodes (4) and the inner wall of said housing (2) in order to maintain a constant pressure between said electrodes (4). The invention also relates to a motor vehicle (100) comprising such a battery (1). Figure 1
Description
L’invention porte sur une batterie renfermant au moins un boîtier comportant lui-même au moins une cellule électrochimique, laquelle cellule électrochimique comporte au moins deux électrodes, l’une positive et l’autre négative.The invention relates to a battery containing at least one housing itself comprising at least one electrochemical cell, which electrochemical cell comprises at least two electrodes, one positive and the other negative.
L’invention concerne encore un véhicule automobile électrique ou hybride, comportant au moins une telle batterie.The invention also relates to an electric or hybrid motor vehicle, comprising at least one such battery.
L’invention concerne le domaine des batteries, en particulier mais non limitativement des batteries pour véhicules automobiles électriques ou hybrides. Par exemple pour tout autre usage dans un véhicule, camion, moto ou autre, ou pour un outil électroportatif, ou autre.The invention relates to the field of batteries, in particular but not limited to batteries for electric or hybrid motor vehicles. For example for any other use in a vehicle, truck, motorcycle or other, or for a portable power tool, or other.
L’invention concerne plus particulièrement le domaine de la structure interne des cellules électrochimiques de batteries.The invention relates more particularly to the field of the internal structure of electrochemical battery cells.
On connaît de l’art antérieur quatre topologies principales de conception des électrodes pour les batteries, chaque type étant associé à une forme de boîtier (« casing » en anglais) particulière : l’empilement simple (dit «stacked » en anglais), l’empilement en Z, l’enroulement spiralé cylindrique, l’enroulement prismatique.Four main topologies for designing electrodes for batteries are known from the prior art, each type being associated with a particular casing shape: simple stacking (known as "stacked" in English), Z stacking, cylindrical spiral winding, prismatic winding.
Ces quatre types d’enroulements et leurs variantes présentent toujours une inhomogénéité d’un point de vue mécanique. En effet, leur caractère empilé ou enroulé constitue une hiérarchie de couches successives ayant chacune des conditions mécaniques propre. Les enroulement ou couches proche du milieu ne connaissent pas une pression uniforme.These four types of windings and their variants always present an inhomogeneity from a mechanical point of view. Indeed, their stacked or wound character constitutes a hierarchy of successive layers each having its own mechanical conditions. The windings or layers close to the middle do not experience uniform pressure.
Il est admis par la littérature scientifique que les cellules électrochimiques (batteries) connaissent une expansion volumique lors de leur cyclage, du fait de leur imprégnation de lithium. Cette expansion peut aller jusqu’à tordre le boîtier, supprimant ainsi la pression que ce boîtier doit exercer sur les électrodes afin de les maintenir en contact lors d’une phase suivante de contraction.It is accepted by the scientific literature that electrochemical cells (batteries) undergo a volume expansion during their cycling, due to their lithium impregnation. This expansion can go as far as twisting the casing, thus removing the pressure that this casing must exert on the electrodes in order to keep them in contact during a subsequent contraction phase.
L’invention cherche à éviter le décollement (délamination) des matières actives sur les collecteurs de courant, ou avec le séparateur, dans une cellule électrochimique, via l’application d’une pression homogène interne au boîtier.The invention seeks to avoid the detachment (delamination) of active materials on the current collectors, or with the separator, in an electrochemical cell, via the application of a homogeneous pressure internal to the housing.
En effet, si l’électrode se décolle même localement de son collecteur de courant ou du séparateur, cela peut causer des points d’inhomogénéité pouvant causer des gradients de concentration importants impliquant de la déposition de lithium métallique sur l’électrode négative, voire des formations dendritiques mettant en danger la sécurité des cellules.Indeed, if the electrode becomes detached even locally from its current collector or the separator, this can cause points of inhomogeneity which can cause significant concentration gradients involving the deposition of metallic lithium on the negative electrode, or even dendritic formations endangering the safety of the cells.
Ce risque de décollement est encore plus problématique pour la nouvelle technologie des batteries tout solide, la cellule électrochimique doit absolument être mise sous contrainte, ce qui cause de nombreux problème lorsqu’il advient de concevoir un pack batterie sans perte de densité volumique significative.This risk of detachment is even more problematic for the new technology of all-solid-state batteries, the electrochemical cell must absolutely be put under stress, which causes many problems when it comes to designing a battery pack without significant loss of volume density.
Parfois ce décollement est induit par la formation de gaz dans le boîtier, qui implique le même type de problématique.Sometimes this detachment is induced by the formation of gas in the casing, which involves the same type of problem.
L’objectif de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant l’insertion d’un élément de pression comme un ressort entre l’électrode spiralée et la paroi du boîtier afin de maintenir une pression constante et efficace entre les électrodes.The aim of the present invention is to overcome these drawbacks by proposing the insertion of a pressure element such as a spring between the spiral electrode and the wall of the housing in order to maintain a constant and effective pressure between the electrodes.
Pour atteindre cet objectif, l’invention propose une batterie renfermant au moins un boîtier comportant lui-même au moins une cellule électrochimique, laquelle cellule électrochimique comporte au moins deux électrodes, l’une positive et l’autre négative.To achieve this objective, the invention proposes a battery containing at least one housing itself comprising at least one electrochemical cell, which electrochemical cell comprises at least two electrodes, one positive and the other negative.
Selon l’invention, ledit boîtier comporte, en bout de ladite cellule électrochimique ou/et autour de ladite cellule électrochimique, un moyen de précontrainte au moins axial par rapport à un axe de cellule, et ledit moyen de précontrainte forme un élément de pression entre lesdites électrodes et la paroi interne dudit boîtier afin de maintenir une pression constante entre lesdites électrodes.According to the invention, said housing comprises, at the end of said electrochemical cell and/or around said electrochemical cell, a means of prestressing at least axially relative to a cell axis, and said prestressing means forms a pressure element between said electrodes and the internal wall of said housing in order to maintain a constant pressure between said electrodes.
Grâce à l’invention, les électrodes connaissent une pression uniforme, et les flux qui les traversent sont plus homogènes.Thanks to the invention, the electrodes experience uniform pressure, and the flows passing through them are more homogeneous.
Dans un mode de réalisation préféré, ledit moyen de précontrainte est un moyen de précontrainte axial selon la direction dudit axe de cellule.In a preferred embodiment, said prestressing means is an axial prestressing means along the direction of said cell axis.
Ainsi on assure à la fois la bonne répartition de pression dans les électrodes, et le bon maintien de la géométrie de la cellule électrochimique.This ensures both good pressure distribution in the electrodes and good maintenance of the geometry of the electrochemical cell.
Avantageusement, ledit moyen de précontrainte forme un élément de pression entre lesdites électrodes et un séparateur interposé entre lesdites électrodes.Advantageously, said prestressing means forms a pressure element between said electrodes and a separator interposed between said electrodes.
Ainsi on évite tout décollement entre une électrode et son séparateur, et on s’affranchit des dégradations d’ordre mécanique liées à l’expansion des électrodes.This prevents any separation between an electrode and its separator, and avoids mechanical damage linked to the expansion of the electrodes.
Avantageusement, un élément diélectrique de compression est interposé entre ledit moyen de précontrainte et lesdites électrodes.Advantageously, a dielectric compression element is interposed between said prestressing means and said electrodes.
Ainsi on parfait l’isolation et la répartition de pression.This improves insulation and pressure distribution.
Avantageusement, ledit moyen de précontrainte comporte au moins un ressort.Advantageously, said prestressing means comprises at least one spring.
Cet agencement constitue une solution particulièrement économique et fiable. Un ressort adapté peut d’ailleurs permettre un rattrapage de géométrie ou de dimensions entre un boîtier et une cellule de forme non directement complémentaire.This arrangement is a particularly economical and reliable solution. A suitable spring can also allow for a correction of geometry or dimensions between a housing and a cell of a shape that is not directly complementary.
Dans un autre mode de réalisation, ledit moyen de précontrainte comporte au moins une mousse apte à une mise sous contrainte mécanique active ou passive.In another embodiment, said prestressing means comprises at least one foam capable of being subjected to active or passive mechanical stress.
Une mousse offrant des propriétés physiques similaires à celle d’un ressort, ou tout autre objet de mise sous contrainte mécanique active ou passive, permet de remplir la fonction mécanique de précontrainte, offrant un travail mécanique similaire.A foam offering physical properties similar to those of a spring, or any other object subjected to active or passive mechanical stress, can fulfill the mechanical function of prestressing, offering similar mechanical work.
Plus particulièrement, dans une première variante, ledit ressort est un ressort de compression cylindrique torique.More particularly, in a first variant, said spring is a toric cylindrical compression spring.
Cette solution convient bien à la plupart des cellules dont la projection selon un plan perpendiculaire à l’axe de cellule est sensiblement circulaire, ainsi qu’aux applications de maintien axial.This solution is well suited to most cells whose projection along a plane perpendicular to the cell axis is substantially circular, as well as to axial support applications.
Plus particulièrement, dans une deuxième variante, ledit ressort est un ressort de compression, dont la projection selon une direction de développement des spires qu’il comporte, est en forme de polygone.More particularly, in a second variant, said spring is a compression spring, the projection of which according to a direction of development of the turns which it comprises, is in the shape of a polygon.
Cette configuration permet de traiter les cas de formes spéciales de cellules, par exemple de forme extérieure de section sensiblement rectangulaire ou carrée, ou autre.This configuration makes it possible to handle cases of special cell shapes, for example with an external shape of substantially rectangular or square section, or other.
Le moyen de précontrainte, notamment un ressort, prend la forme suggérée par le boîtier ou casing (circulaire, polygone, notamment rectangle, carrée, triangulaire, hexagonal, octogonal, ou autre) à la fois selon sa section extérieure et sa section intérieure, vu que la cellule électrochimique est torique (évidée selon l’axe principal).The prestressing means, in particular a spring, takes the shape suggested by the casing (circular, polygon, in particular rectangle, square, triangular, hexagonal, octagonal, or other) both according to its external section and its internal section, given that the electrochemical cell is toric (hollowed out along the main axis).
Avantageusement, lesdites électrodes sont enroulées en double hélice en spirale à plat.Advantageously, said electrodes are wound in a double helix in a flat spiral.
Cette configuration permet une grande compacité de la cellule électrochimique, et surtout une grande homogénéité des flux au sein des électrodes, au niveau desquelles on maintient ainsi la pression de manière compacte et homogène.This configuration allows for great compactness of the electrochemical cell, and above all great homogeneity of the flows within the electrodes, at which the pressure is thus maintained in a compact and homogeneous manner.
L’invention concerne encore un véhicule automobile électrique ou hybride, comportant au moins une telle batterie.The invention also relates to an electric or hybrid motor vehicle, comprising at least one such battery.
L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles :
Il est illustré schématiquement en
Selon l’invention, ce boîtier 2 comporte, en bout de la cellule électrochimique 3 ou/et autour de la cellule électrochimique 3, un moyen de précontrainte 5 au moins axial par rapport à un axe de cellule D. Cet axe de cellule D est formé par un axe d’enroulement quand les électrodes 4 sont enroulées ou formées en spirale cylindrique ou méplate.According to the invention, this housing 2 comprises, at the end of the electrochemical cell 3 and/or around the electrochemical cell 3, a prestressing means 5 at least axially relative to a cell axis D. This cell axis D is formed by a winding axis when the electrodes 4 are wound or formed into a cylindrical or flat spiral.
Et ce moyen de précontrainte 5 forme un élément de pression entre les électrodes 4 et la paroi interne du boîtier 2 afin de maintenir une pression constante entre les électrodes 4. En notamment entre l’électrode positive 41 et l’électrode négative 42, et en particulier au travers de films séparateurs 6.And this prestressing means 5 forms a pressure element between the electrodes 4 and the internal wall of the housing 2 in order to maintain a constant pressure between the electrodes 4. In particular between the positive electrode 41 and the negative electrode 42, and in particular through separator films 6.
Dans un premier mode de réalisation, ce moyen de précontrainte 5 est un moyen de précontrainte axial selon la direction de l’axe de cellule D, tel que visible en
Plus particulièrement, ce moyen de précontrainte 5 forme un élément de pression entre les électrodes 4 et un séparateur 6 interposé entre les électrodes 4 tel que visible en
Plus particulièrement, un élément diélectrique de compression 7 est interposé entre le moyen de précontrainte 5 et les électrodes 4 tel que visible en
Plus particulièrement, le moyen de précontrainte 5 comporte au moins un ressort 50, tel que visible en
Plus particulièrement, ce ressort 50 est un ressort de compression cylindrique torique, tel que visible en
Plus particulièrement, le ressort 50 est un ressort de compression, dont la projection selon une direction de développement des spires qu’il comporte, est en forme de polygone, notamment rectangle, ou autre, tel que visible en partie basse de la
Plus particulièrement, les électrodes 4 sont enroulées en double hélice en spirale à plat, tel que visible en
Un mode avantageux de réalisation de l’invention utilise le concept d’électrode en double hélice spirale, afin d’insérer à l‘intérieur du boîtier un élément de pression tel qu’un ressort afin de maintenir une pression constante sur les électrodes de manière compacte et homogène.An advantageous embodiment of the invention uses the concept of a double spiral helix electrode, in order to insert inside the housing a pressure element such as a spring in order to maintain a constant pressure on the electrodes in a compact and homogeneous manner.
Cette topologie d’électrode permet de réduire les inhomogénéités mécaniques, via l’application d’une pression homogène dans une géométrie orientée sur l’axe comprimé. Du fait de cette nouvelle géométrie les couches maintiennent un contact optimal les unes sur les autres, quel que soit leur niveau de lithiation et donc de dilatation volumique. Cette technologie permet d’amortir et de canaliser la pression normalement exercée par les électrodes sur les parois du boîtier vers un élément capable d’absorber cette expansion tout en maintenant leur contact.This electrode topology reduces mechanical inhomogeneities by applying a uniform pressure in a geometry oriented on the compressed axis. Due to this new geometry, the layers maintain optimal contact with each other, regardless of their level of lithiation and therefore volume expansion. This technology dampens and channels the pressure normally exerted by the electrodes on the walls of the housing towards an element capable of absorbing this expansion while maintaining their contact.
L’invention consiste en l’insertion d’un élément de pression comme un ressort par-dessus un anneau diélectrique de compression entre l’électrode spirale et l’extrémité du boîtier, avant le remplissage d’électrolyte et le scellage de la cellule.The invention consists of inserting a pressure element such as a spring over a dielectric compression ring between the spiral electrode and the end of the casing, before filling with electrolyte and sealing the cell.
Une première variante concerne des cellules de forme torique-cylindrique, pour lesquelles un ressort cylindrique torique est approprié.A first variant concerns toric-cylindrical shaped cells, for which a toric cylindrical spring is suitable.
Une deuxième variante concerne des cellules de forme torique-cubique ou à face plate, pour lesquelles un ressort s’inscrivant dans un prisme de section rectangulaire, notamment carrée, est approprié, ou encore selon toute autre forme interne et externe indépendamment (triangle, hexagonale, octogonale, ou autre).A second variant concerns cells of toric-cubic or flat-faced shape, for which a spring fitting into a prism of rectangular, in particular square, section is appropriate, or even according to any other internal and external shape independently (triangle, hexagonal, octagonal, or other).
L’invention apporte de nombreux avantages : l’homogénéité de la pression appliquée sur les électrodes de la cellule électrochimique, la capacité d’absorber les extensions cycliques et de vieillissement des cellules sans contraintes externes au boîtier, et donc facilitation d’assemblage, et un maintien efficace du contact entre électrodes et séparateur.The invention provides numerous advantages: the homogeneity of the pressure applied to the electrodes of the electrochemical cell, the capacity to absorb cyclic extensions and aging of the cells without external constraints to the housing, and therefore ease of assembly, and effective maintenance of contact between electrodes and separator.
Cette topologie permet de canaliser les pressions mécaniques liées à l’expansion des cellules, à la fois à l’échelle d’un cycle, comme à celle du vieillissement, dans une unique direction selon laquelle cette expansion peut être absorbée par un ressort.This topology makes it possible to channel the mechanical pressures linked to the expansion of cells, both on the scale of a cycle and that of aging, in a single direction in which this expansion can be absorbed by a spring.
Par conséquent cela induit une diminution des contraintes inhomogène menant à des problèmes de sécurité (formation dendritique, entre autre) ou à une perte accélérée de capacité (vieillissement).Consequently this induces a reduction in inhomogeneous constraints leading to safety problems (dendritic formation, among others) or to an accelerated loss of capacity (aging).
Par ailleurs les chimies de batteries s’orientent vers des technologies à forte expansion (silicium), la forme de spirale (ressort) offre une nouvelle souplesse aux électrodes, qui ont jusqu’aujourd’hui tendance à se dégrader avec leur expansion sur-contrainte.Furthermore, battery chemistries are moving towards high expansion technologies (silicon), the spiral shape (spring) offers new flexibility to the electrodes, which until now have tended to degrade with their over-stressed expansion.
En somme, la question de l’optimisation des batteries est au cœur des préoccupations des constructeurs et équipementiers automobiles. L’une des difficultés propres aux cellules électrochimiques est leur inhomogénéité géométrique causant des gradients de comportement thermique, électrochimique, et mécanique, pouvant mener à la destruction de la cellule électrochimique par emballement thermique ou court-circuit dendritique.In short, the issue of battery optimization is at the heart of the concerns of automobile manufacturers and equipment manufacturers. One of the difficulties specific to electrochemical cells is their geometric inhomogeneity causing gradients in thermal, electrochemical, and mechanical behavior, which can lead to the destruction of the electrochemical cell by thermal runaway or dendritic short circuit.
Cette nouvelle forme d’électrode offre l’avantage d’une distribution homogène des électrodes selon toutes ces dynamiques physiques. Permettant ainsi d’aller au-delà des performances actuelles, notamment en puissance de charge rapide, tout en maintenant voire améliorant légèrement la densité d’énergie massique et volumique du pack batterie.This new electrode shape offers the advantage of a homogeneous distribution of the electrodes according to all these physical dynamics. Thus making it possible to go beyond current performances, particularly in fast charging power, while maintaining or even slightly improving the mass and volume energy density of the battery pack.
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