FR3166002A1 - Cellule électrochimique en sachet - Google Patents

Cellule électrochimique en sachet

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Abstract

Cellule électrochimique comprenant :- une enveloppe comportant un premier et un deuxième logement formant un logement principal lorsque l’enveloppe extérieure est repliée autour d’un axe de pliage,le premier logement étant bordé transversalement par un premier bord et par un deuxième bord et parallèlement à l'axe de pliage par un troisième bord;le deuxième logement étant bordé transversalement par un quatrième bord et par un cinquième bord et parallèlement à l'axe de pliage par un sixième bord;- le premier bord et le quatrième bord étant solidaires selon une première jonction thermoscellée,- le deuxième bord et le cinquième bord étant solidaires selon une deuxième jonction thermoscellée,- le troisième bord et le sixième bord étant solidaires selon une troisième jonction thermoscellée;l’une au moins des jonctions comprenant une première portion d’une première épaisseur et une deuxième portion d’une deuxième épaisseur supérieure à la première épaisseur. Figure pour l’abrégé : Fig.2

Description

Cellule électrochimique en sachet
La présente invention concerne les cellules électrochimiques en sachet, dites aussi en poche, à enveloppe souple ou encore « Pouch cells » selon une terminologie anglo-saxonne.
De manière connue de l'état de la technique, une cellule électrochimique de type Pouch comporte une enveloppe extérieure ou poche contenant un empilement alterné d’électrodes négatives et d'électrodes positives séparées les unes des autres par un film séparateur poreux imbibé d'électrolyte.
L’enveloppe est, le plus souvent, formée par thermoscellage (aussi appelée thermocollage) des bords de deux films ou feuillards multicouches, chacun comportant une couche thermoplastique sur leurs faces intérieures, mises en regard. L'enveloppe est fermée de manière étanche en plaçant ses bords entre deux mors chauffants permettant de fondre les polymères de surface, scellant ainsi la cellule en sachet de sorte à ne laisser ressortir qu'une borne positive et une borne négative, reliées aux électrodes correspondantes.
Afin de réduire les bords à thermosceller et, par conséquent, améliorer l'étanchéité de l'enveloppe, il est également connu que l'enveloppe soit préformée sous la forme d'une double feuille intégrant deux logements (ou cavités) identiques de part et d'autre d'une ligne de pliage. Lorsqu'ils sont rabattus l'un sur l'autre, les deux logements forment ensemble une enveloppe destinée à recevoir l'empilement d'électrodes et de l’électrolyte.
Les cellules électrochimique en sachet ainsi obtenues sont juxtaposées les unes à côté des autres dans un module de batterie électrique.
Bien que ces cellules en sachet offrent des avantages en termes de flexibilité et de densité énergétique, leur sensibilité à une forte pression interne ou externe constitue un inconvénient majeur, nécessitant des précautions supplémentaires en matière de conception et d'assemblage pour contenir une éventuelle pression excessive à laquelle une cellule en sachet du module de batterie pourrait être soumise.
Une surpression peut, en effet, survenir en raison des gaz générés pendant les cycles de charge/décharge d'une cellule en sachet ou en raison d'une compression et/ou d'une déformation excessive ou inégale subie par celle-ci. Une surpression conduit le plus souvent à un emballement thermique compromettant l'intégrité structurelle de la cellule en sachet.
Ce phénomène d’emballement thermique provoque la rupture de l'enveloppe de la cellule en sachet et un échappement incontrôlé de gaz inflammables à haute température (typiquement, de plusieurs centaines de degrés Celsius). Des conséquences très graves (comme des fumées, des flammes, voire une explosion des cellules) peuvent donc en découler, notamment pour les pièces situées à proximité des cellules en sachet et/ou pour les passagers du véhicule à propulsion électrique.
A cet égard, des soutiens structurels supplémentaires tels que des cadres rigides ou des compartiments sont souvent prévus dans les modules de batterie. Néanmoins, ces mesures demeurent inefficaces tant que la conception actuelle des cellules en sachet ne permet pas une maîtrise des ruptures causées par un emballement thermique.
Un objet de la présente invention est de proposer des cellules en sachet permettant un meilleur contrôle de leur rupture, si elle intervienne.
Un autre objet de la présente invention est d'améliorer la sécurité d'un module de batterie électrique en cas d’emballement thermique.
A cet effet, il est proposé, une cellule électrochimique en sachet comprenant :
- une enveloppe extérieure souple comportant un premier logement et un deuxième logement, le premier et le deuxième logement formant un logement principal lorsque l’enveloppe extérieure est repliée autour d’un axe de pliage,
- au moins une électrode négative et une électrode positive séparées par un séparateur isolant et un électrolyte agencés dans le logement principal;
cellule dans laquelle, le premier logement est bordé transversalement à l'axe de pliage, selon un axe transversal, par un premier bord et par un deuxième bord opposé au premier bord et parallèlement à l'axe de pliage par un troisième bord;
cellule dans laquelle, le deuxième logement est bordé transversalement à l'axe de pliage, selon l'axe transversal, par un quatrième bord et par un cinquième bord opposé au quatrième bord et parallèlement à l'axe de pliage par un sixième bord;
cellule dans laquelle :
- le premier bord et le quatrième bord sont solidaires selon une première jonction thermoscellée,
- le deuxième bord et le cinquième bord sont solidaires selon une deuxième jonction thermoscellée,
le troisième bord et le sixième bord sont solidaires selon une troisième jonction thermoscellée, la première, la deuxième et la troisième jonction thermoscellée étant destinées à isoler hermétiquement le logement principal;
cellule dans laquelle l’une au moins des première, deuxième et troisième jonctions thermoscellées comprend une première portion de jonction thermoscellée et une deuxième portion de jonction thermoscellée;
- la première portion étant d’une première épaisseur prédéterminée, la deuxième portion étant d’une deuxième épaisseur prédéterminée supérieure à la première épaisseur, la première et la deuxième épaisseur étant mesurées selon un axe d’empilage perpendiculaire à l’axe de pliage et à l’axe transversal; et/ou
- la première portion étant d'une première largeur prédéterminée, la deuxième portion étant d’une deuxième largeur prédéterminée inférieure à la première largeur, la première et la deuxième largeur étant mesurées selon un axe perpendiculaire à l'axe d'empilage et à ladite l'une au moins des jonctions; et/ou
- la première portion de jonction thermoscellée comprenant un nombre prédéfini de bulles d'air par unité de surface et la deuxième portion de jonction thermoscellée comprenant un deuxième nombre prédéfini de bulles d'air par unité de surface supérieur audit premier nombre.
Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison :
- la deuxième épaisseur est comprise entre 1,1 et 1,5 fois la première épaisseur ;
- la première largeur est comprise entre 1,1 et 1,5 fois la deuxième largeur ;
- la première portion de jonction thermoscellée comprend un premier nombre de lignes de scellage formant une bande de scellage multiligne, la deuxième portion de jonction thermoscellée comprenant un deuxième nombre de lignes de scellage inférieur audit premier nombre ;
- la première portion et la deuxième portion appartiennent à la troisième jonction thermoscellée ;
- la deuxième portion appartient à la première jonction thermoscellée et à la troisième jonction thermoscellée ;
- la deuxième portion a une deuxième longueur comprise entre 0,1 et 0,5 fois une première longueur de la première portion, la première et la deuxième longueur étant mesurées le long de ladite l'une au moins des jonctions.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement et de manière concrète à la lecture de la description ci-après de modes de réalisation, laquelle est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
la figureFIG. 1illustre schématiquement un film multicouche préformé sous la forme d’une enveloppe extérieure souple pour une cellule électrochimique ;
la figureFIG. 2illustre schématiquement l’enveloppe extérieure souple d’une cellule électrochimique, le médaillon de détail montre à échelle agrandie un bord thermoscellé de cette enveloppe selon divers modes de réalisation.
En se référant aux figures annexées, il est affiché une cellule10électrochimique en sachet comprenant une enveloppe20extérieure souple. Cette enveloppe20extérieure comporte un premier logement21(ou cavité) et un deuxième logement22formant ensemble un logement23principal lorsque l'enveloppe20extérieure est repliée (tel qu'il est indiqué par la flèche14) autour d'un axe7de pliage.
En effet, le premier logement21et le deuxième logement22ont un bord en commun intégrant l'axe7de pliage permettant un rabattement du premier logement21sur le deuxième logement22de sorte à former le logement23principal apte à recevoir un empilement d'électrodes et un électrolyte. Autrement dit, le premier logement21et le deuxième logement22sont contiguës le long d'un bord en commun, intégrant l'axe7de pliage permettant de rabattre les logements21,22l'un sur l'autre. Lorsqu'ils sont rabattus l'un sur l'autre suivant l'axe7de pliage, les deux logements21,22définissent ou forment ensemble le logement23principal pour loger un empilement d'électrodes et un électrolyte.
Le premier logement21et le deuxième logement22sont sensiblement symétriques par rapport à l'axe7de pliage. Les bords des deux logements21,22s'alignent parfaitement lorsque ces deux logements21,22sont rabattues l'un sur l'autre. Ces bords se réfèrent aux limites extérieures des logements21,22ou à la zone périphérique immédiatement autour des deux logements21,22. Le profil sensiblement rectangulaire des logements21,22n'est qu'à titre illustratif et n'est aucunement limitatif.
Le premier logement21est bordé transversalement à l'axe7de pliage, selon l'axe8transversal, par un premier bord1et par un deuxième bord2opposé au premier bord1et parallèlement à l'axe7de pliage par un troisième bord3.
Le deuxième logement22est bordé transversalement à l'axe7de pliage, selon l'axe8transversal, par un quatrième bord4et par un cinquième bord5opposé au quatrième bord4et parallèlement à l'axe7de pliage par un sixième bord6.
Un empilement d'électrodes et un électrolyte (non représentés) sont agencés dans le logement23principal. Plus généralement, l'enveloppe20extérieure intègre au moins une électrode négative et une électrode positive séparées par un séparateur isolant et un électrolyte.
Dans un mode de réalisation, l'enveloppe20souple est formée d'un film multicouche comportant, de l'extérieur vers l'intérieur de cette enveloppe20souple, une couche externe protectrice électriquement isolante (par exemple, en matière plastique), une couche intermédiaire métallique (notamment, en aluminium ou dans un alliage à base d’aluminium) et une couche interne en matière thermoplastique (par exemple, en polypropylène).
La cellule10électrochimique en sachet est refermée par thermoscellage de sorte à ne laisser ressortir de l'enveloppe20souple que deux terminaisons électriques (non représentées) reliées aux électrodes de polarités opposées de l'empilement pour former les bornes de la cellule10électrochimique en sachet.
Le premier bord1et le quatrième bord4sont solidaires selon une première jonction11thermoscellée. Le deuxième bord2et le cinquième bord5sont solidaires selon une deuxième jonction12thermoscellée. Le troisième bord3et le sixième bord6sont solidaires selon une troisième jonction13thermoscellée. Ces jonctions11,12,13thermoscellées isolent hermétiquement le logement23principal.
L'une au moins des jonctions11,12,13thermoscellées comprend une première portion31de jonction thermoscellée présentant une première empreinte de scellage et une deuxième portion32de jonction thermoscellée présentant une deuxième empreinte de scellage différente de la première empreinte de scellage. Autrement dit, l'une au moins des jonctions11,12,13thermoscellées est non uniforme ou irrégulière.
Dans un mode de réalisation, la première portion31est d’une première épaisseur prédéterminée et la deuxième portion32est d’une deuxième épaisseur prédéterminée supérieure à la première épaisseur. La première et la deuxième épaisseur sont mesurées selon un axe9d’empilage perpendiculaire à l’axe7de pliage et à l’axe8transversal, comme l'illustre la cote33sur laFIG. 2.
Cette différence d'épaisseur se manifeste, notamment en termes de résistance à une force tendant à défaire la jonction11,12,13thermoscellée. En l'espèce, la deuxième portion32de jonction thermoscellée est moins résistante que la première portion31à une pression tendant à défaire cette jonction.
Avantageusement, cette différence d'épaisseur entre la première portion31et la deuxième portion32crée un point faible où la jonction11,12,13thermoscellée peut rompre en cas d’un emballement thermique de la cellule10électrochimique de sorte à pouvoir contrôler/orienter le dégagement des gaz et éviter les risques d’une rupture incontrôlée.
La deuxième épaisseur est, dans un mode de réalisation, comprise entre 1,1 et 1,5 fois la première épaisseur. Un tel rapport assure une isolation hermétique du logement23principal et garantit la rupture en premier de la deuxième portion32en cas d’un emballement thermique de la cellule10électrochimique.
Dans un autre mode de réalisation, la première portion31est d’une première largeur prédéterminée et la deuxième portion32est d’une deuxième largeur prédéterminée inférieure à la première largeur. La première et la deuxième largeur sont mesurées selon un axe perpendiculaire à l'axe9d'empilage et à la jonction11,12,13thermoscellée comprenant la première et la deuxième portion31,32, comme l'illustre la cote34sur laFIG. 2.
Dans un autre mode de réalisation, la première portion31de jonction thermoscellée comprend un premier nombre de lignes de scellage (par exemple, deux ou trois lignes) formant une bande de scellage multiligne, alors que la deuxième portion32de jonction thermoscellée comprenant un deuxième nombre de lignes de scellage inférieur au premier nombre (respectivement, une ou deux lignes).
Etant moins large que la première portion31, la deuxième portion32présente une résistance mécanique inférieure, ce qui la rend plus susceptible de se défaire avant la première portion31en cas d'un emballement thermique de la cellule10électrochimique. La première largeur est, dans un mode de réalisation, comprise entre 1,1 et 1,5 fois la deuxième largeur. Un tel rapport assure une isolation hermétique du logement23principal et garantit la rupture en premier de la deuxième portion32en cas d’un emballement thermique de la cellule10électrochimique.
Dans un autre mode de réalisation, la première portion31de la jonction thermoscellée comprend un nombre prédéfini de bulles d'air par unité de surface. En revanche, la deuxième portion32de la jonction thermoscellée comprend une concentration plus élevée, avec un nombre prédéfini de bulles d'air par unité de surface supérieur à celui de la première portion31.
Cette différence de concentration des bulles d'air confère à la deuxième portion32une résistance moindre face à une pression intérieure ou extérieure exercée sur la cellule10électrochimique en sachet.
Plus généralement, la deuxième portion32est une section spécifique du bord de l'enveloppe20extérieure où la jonction thermoscellée est délibérément conçue pour être moins résistante que sur le reste du bord. Cette section cible permet de contrôler la défaillance en cas de pression excessive subie par l’enveloppe20extérieure souple, garantissant que la rupture se produise à un endroit prédéterminé. Il en résulte une rupture contrôlée de l'enveloppe20extérieure, évitant des dommages imprévus plus critiques.
Une jonction11,12,13thermoscellée non-uniforme (ou présentant une irrégularité) au niveau de la deuxième portion32(par exemple, ayant une épaisseur plus importante, une largeur moindre, ou intégrant des bulles d'air) peut être obtenue à l'aide d'un outil de scellage doté d'un mors chauffant profilé, permettant d'appliquer une pression différente sur la première portion31et la deuxième portion32.
Dans un mode de réalisation, la première portion31et la deuxième portion32appartiennent à la troisième jonction13thermoscellée. Une telle disposition de la deuxième portion32permet, en cas d’un emballement thermique de la cellule10électrochimique, d'orienter le dégagement des gaz dans une direction prédéfinie opposée à l’axe7de pliage.
Dans un autre mode de réalisation, la deuxième portion32appartient à la première jonction11thermoscellée et à la troisième jonction13thermoscellée. Autrement dit, la deuxième portion32est au moins partiellement comprise dans un angle de l'enveloppe20extérieure souple. En effet, lorsqu'une pression, notamment interne, est appliquée sur la cellule10électrochimique, les forces résultantes ne se répartissent pas uniformément et sont souvent plus importantes au niveau des angles. La présence au moins partielle de la deuxième portion32dans un angle favorise sa rupture en premier en cas d'emballement thermique de la cellule10électrochimique.
De manière plus générale, la deuxième portion32présente une forme concave orientée vers l'intérieur de l'enveloppe20extérieure. Cette configuration est particulièrement avantageuse, car elle agit comme un point de convergence ou un guide pour une pression interne à l'enveloppe20extérieure. En concentrant les forces à cette deuxième portion32, sa forme concave facilite la rupture de la jonction thermoscellée à cet endroit spécifique, offrant ainsi un mécanisme de rupture contrôlée en cas d'un emballement thermique de la cellule10électrochimique.
Pour garantir un échappement rapide des gaz de la cellule10électrochimique en cas d'emballement thermique, tout en minimisant les risques pour les éléments environnants à proximité de cette cellule10électrochimique, il est préférable que la longueur de la deuxième portion32soit comprise entre 0,1 et 0,5 fois la longueur de la première portion31. Cette proportion permet de diriger efficacement les gaz vers la zone de rupture prévue, assurant ainsi une dépressurisation contrôlée et sécurisée. Les longueurs de la première et de la deuxième portion31,32sont mesurées le long de la jonction11,12,13thermoscellée intégrant ces deux portions31,32, comme l'illustre la cote35sur laFIG. 2

Claims (7)

  1. Cellule (10) électrochimique en sachet comprenant :
    - une enveloppe (20) extérieure souple comportant un premier logement (21) et un deuxième logement (22), le premier et le deuxième logement (21,22) formant un logement (23) principal lorsque l’enveloppe (20) extérieure est repliée autour d’un axe (7) de pliage,
    - au moins une électrode négative et une électrode positive séparées par un séparateur isolant et un électrolyte agencés dans le logement (23) principal;
    cellule (10) dans laquelle, le premier logement (21) est bordé transversalement à l'axe (7) de pliage, selon un axe (8) transversal, par un premier bord (1) et par un deuxième bord (2) opposé au premier bord (1) et parallèlement à l'axe (7) de pliage par un troisième bord (3);
    cellule (10) dans laquelle, le deuxième logement (22) est bordé transversalement à l'axe (7) de pliage, selon l'axe (8) transversal, par un quatrième bord (4) et par un cinquième bord (5) opposé au quatrième bord (4) et parallèlement à l'axe (7) de pliage par un sixième bord (6);
    cellule (10) dans laquelle :
    - le premier bord (1) et le quatrième bord (4) sont solidaires selon une première jonction (11) thermoscellée,
    - le deuxième bord (2) et le cinquième bord (5) sont solidaires selon une deuxième jonction (12) thermoscellée,
    - le troisième bord (3) et le sixième bord (6) sont solidaires selon une troisième jonction (13) thermoscellée, la première, la deuxième et la troisième jonction (11,12,13) thermoscellée étant destinées à isoler hermétiquement le logement (23) principal;
    cellule (10) dans laquelle l’une au moins des première, deuxième et troisième jonctions (11,12,13) thermoscellées comprend une première portion (31) de jonction thermoscellée et une deuxième portion (32) de jonction thermoscellée;
    la première portion (31) étant d’une première épaisseur prédéterminée, la deuxième portion (32) étant d’une deuxième épaisseur prédéterminée supérieure à la première épaisseur, la première et la deuxième épaisseur étant mesurées selon un axe (9) d’empilage perpendiculaire à l’axe (7) de pliage et à l’axe (8) transversal; et/ou
    la première portion (31) étant d'une première largeur prédéterminée, la deuxième portion (32) étant d’une deuxième largeur prédéterminée inférieure à la première largeur, la première et la deuxième largeur étant mesurées selon un axe perpendiculaire à l'axe (9) d'empilage et à ladite l'une au moins des jonctions (11,12,13) thermoscellées; et/ou
    la première portion (31) de jonction thermoscellée comprenant un nombre prédéfini de bulles d'air par unité de surface et la deuxième portion (32) de jonction thermoscellée comprenant un deuxième nombre prédéfini de bulles d'air par unité de surface supérieur audit premier nombre.
  2. Cellule (10) électrochimique en sachet selon la revendication précédente,caractérisé e en ce que la deuxième épaisseur est comprise entre 1,1 et 1,5 fois la première épaisseur.
  3. Cellule (10) électrochimique en sachet selon la revendication 1 ou 2,caractérisé e en ce quela première largeur est comprise entre 1,1 et 1,5 fois la deuxième largeur.
  4. Cellule (10) électrochimique en sachet selon l'une quelconque des revendications précédentes,caractérisé e en ce quela première portion (31) de jonction thermoscellée comprend un premier nombre de lignes de scellage formant une bande de scellage multiligne, la deuxième portion (32) de jonction thermoscellée comprenant un deuxième nombre de lignes de scellage inférieur audit premier nombre.
  5. Cellule (10) électrochimique en sachet selon l'une quelconque des revendications précédentes,caractérisé e en ce quela première portion (31) et la deuxième portion (32) appartiennent à la troisième jonction (13) thermoscellée.
  6. Cellule (10) électrochimique en sachet selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé e en ce quela deuxième portion (32) appartient à la première jonction (11) thermoscellée et à la troisième jonction (13) thermoscellée.
  7. Cellule (10) électrochimique en sachet selon l'une quelconque des revendications précédentes,caractérisé e en ce quela deuxième portion (32) a une deuxième longueur comprise entre 0,1 et 0,5 fois une première longueur de la première portion (31), la première et la deuxième longueur étant mesurées le long de ladite l'une au moins des jonctions (11,12,13).
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KR20140055641A (ko) * 2012-11-01 2014-05-09 현대모비스 주식회사 2차 전지
US20220029231A1 (en) * 2020-07-22 2022-01-27 Sk Innovation Co., Ltd. Secondary battery pouch
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EP4415135A1 (fr) * 2021-10-06 2024-08-14 Dai Nippon Printing Co., Ltd. Film adhésif, procédé de fabrication de film adhésif, dispositif de stockage d'énergie, et procédé de fabrication de dispositif de stockage d'énergie

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