WO2020136313A1 - Procédé de fabrication de batteries, et batterie obtenue par ce procédé - Google Patents

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WO2020136313A1
WO2020136313A1 PCT/FR2019/000220 FR2019000220W WO2020136313A1 WO 2020136313 A1 WO2020136313 A1 WO 2020136313A1 FR 2019000220 W FR2019000220 W FR 2019000220W WO 2020136313 A1 WO2020136313 A1 WO 2020136313A1
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electrolyte
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Fabien Gaben
Frédéric Cantin
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Definitions

  • the present invention relates to the manufacture of batteries. It can be applied in particular to lithium ion batteries.
  • the invention relates to a new method for manufacturing batteries, and in particular lithium ion batteries. It also relates to the batteries obtained by this process, which have a new architecture which gives them an improved lifespan.
  • WO 2016/001584 describes sheets comprising a conductive substrate successively covered with an electrode layer covered with an electrolyte layer; these sheets are cut, before or after deposition, according to patterns, in particular in the shape of a U. These sheets are stacked in an alternating manner so as to constitute a stack of several elementary cells.
  • the cutout patterns of the anodes and cathodes are placed in a "head to tail" configuration so that the stack of cathode and anode layers is offset laterally.
  • an encapsulation system in a thick layer of ten microns and conformai, typically a polymeric layer, on the stack and in the available cavities present within of stacking. This ensures on the one hand, the rigidity of the structure at the cutting planes and on the other hand, the protection of the battery cell from the atmosphere.
  • FIG. 12 illustrates a structure of a lithium ion battery described in WO 2016/001584.
  • the battery 200 comprises several anodes 230 and several cathodes 210, which are arranged one below the other alternately.
  • Each anode and each cathode comprises a layer of a respective active anode or cathode material, called anode layer, respectively cathode layer.
  • a layer of an electrolyte material is interposed between the anode and the cathode, so that this electrolyte material separates two active layers opposite.
  • the thickness of the various layers which constitute them normally does not exceed 10 ⁇ m, and is often between 1 ⁇ m and 4 ⁇ m.
  • the battery has, on a first lateral edge 201, anode connections 230 'located one below the other. Furthermore, on the opposite lateral edge 202, cathode connections 210 ′ are provided, located one below the other. The stack of anodes 230 and cathodes 210 is offset laterally. The cathode connections 210 'are located projecting from the free face 230 ”of the anode. Similarly, on the opposite edge 201, the free face 210 "of the cathode is set back with respect to the free face of the anode on which anode connections 230 'are subsequently deposited.
  • the present invention aims to remedy at least in part certain drawbacks of the prior art mentioned above.
  • It aims in particular to propose a process which reduces the risk of short circuit, and which makes it possible to manufacture a battery having a low self-discharge.
  • It aims in particular to propose a method which makes it possible to manufacture in a simple, reliable and rapid manner a battery having a very long lifespan.
  • the present invention provides as a first object a battery comprising at least one anode and at least one cathode, arranged one above the other in an alternating manner, said battery comprising lateral edges comprising an anodic connection zone and a zone cathodic connection, preferably laterally opposite the anodic connection zone, and longitudinal edges, in which the anode comprises
  • the cathode includes
  • a current collector substrate at least one cathode layer, and
  • each anode and each cathode comprises a respective main body, and a respective secondary body, said main bodies and secondary bodies being separated by a free space of any material of electrode, electrolyte and / or current collector substrate, said free space connecting the opposite longitudinal edges of the battery, ie said free space extending between the opposite longitudinal edges of the battery.
  • the present invention provides as a second object a battery comprising at least one anode and at least one cathode, arranged one above the other in an alternating manner, said battery comprising lateral edges comprising an anode connection zone and a zone cathodic connection, preferably laterally opposite the anodic connection zone, and longitudinal edges, in which the anode comprises a current collector substrate,
  • the cathode includes
  • each anode and each cathode comprises a respective main body, separated from a respective secondary body, by a free space of any electrode material , electrolyte and / or current collector substrate, said free space connecting the opposite longitudinal edges of the battery, ie said free space extending between the opposite longitudinal edges of the battery.
  • the battery comprises an encapsulation system completely covering four of the six faces of said battery, the two remaining faces comprising an anodic connection zone and a cathodic connection zone.
  • the encapsulation system includes:
  • At least one first covering layer preferably chosen from parylene, type F parylene, polyimide, epoxy resins, silicone, polyamide, sol-gel silica, organic silica and / or a mixture of these, deposited on the battery,
  • At least a second covering layer composed of an electrically insulating material, deposited by depositing atomic layers on said at least first covering layer, it being understood that this sequence of at least a first covering layer and at least one second covering layer can be repeated z times with z 3 1.
  • the anodic connection area and the cathodic connection area are covered by a termination system.
  • the termination system successively comprises: a first layer of a material loaded with graphite, preferably based on epoxy resin loaded with graphite,
  • the width of the free space is between 0.01 mm and 0.5 mm.
  • the width of the secondary bodies is between 0.05 mm and 2 mm.
  • the free spaces of the cathodes are superimposed.
  • the free spaces of the anodes are superimposed.
  • Another object of the invention is a method of manufacturing a battery, said battery comprising at least one anode and at least one cathode, arranged one above the other in an alternating manner, said battery comprising edges longitudinal and side edges, in which the anode comprises
  • the cathode includes
  • each anode comprising an anodic connection zone, situated in the vicinity of a first lateral edge of the battery, while each cathode comprises a cathodic connection zone, situated on a second lateral edge of the battery, opposite to said first edge
  • said manufacturing method comprising: a) supplying a stack of alternating sheets, this stack comprising first sheets or sheets of anode each of which is intended to form an anode layer of several batteries, as well as second sheets or cathode sheets, each of which is intended to form a cathode layer of several batteries, each anode sheet comprising at least s an anode slot and each cathode sheet comprising at least one cathode slot,
  • the cut-out stack is encapsulated, by depositing: at least one first covering layer, preferably chosen from parylene; type F parylene, polyimide, epoxy resins, silicone, polyamide, sol-gel silica, organic silica and / or a mixture thereof, on the battery, and then
  • At least one second covering layer composed of an electrically insulating material, deposited by depositing atomic layers on said at least first covering layer, it being understood that the sequence of at least one first covering layer and at least a second covering layer can be repeated z times with z> 1.
  • the impregnation of the cut and encapsulated stack is carried out with a phase carrying lithium ions such as liquid electrolytes or an ionic liquid containing lithium salts.
  • the ends of the battery are produced by successively depositing a first layer of a material loaded with graphite, preferably based on epoxy resin loaded with graphite,
  • the two cuts are made through at least a majority of the anodes and cathodes, in particular through all of the anodes and cathodes.
  • the distances between each cut and the opposite ends of the longitudinal parts are identical.
  • its distances are between 0.05 mm and 2 mm.
  • each slot has an overall shape of H, the longitudinal parts forming the main vertical recesses of the H, while the lateral part forms the channel of the H.
  • each lateral part of the slots delimits a free space of any electrode, electrolyte and / or current-collecting substrate material connecting or extending between the opposite longitudinal edges of the battery, said free space separating, for each anode and each cathode, a main body of a secondary body.
  • the width of the lateral part of the slots is between 0.05 mm and 2 mm.
  • each sheet belonging to said stack comprises several slit lines arranged one next to the other.
  • the two cuts are made through all of the slots of the same line.
  • each sheet comprises several rows of slots arranged one below the other.
  • the distance separating adjacent cutouts, formed in adjacent lines is between 0.05 mm and 5 mm.
  • the number of lines is between 10 and 500, while the number of rows is between 10 and 500.
  • each cutting is carried out by a sawing process, by a dicing process, by guillotine, or by laser.
  • FIG. 12 represents a battery according to the state of the art.
  • FIG. 1 is a perspective view of the anode and cathode sheets intended to form a stack according to the method of manufacturing batteries according to the invention.
  • FIG. 2 is a front view, illustrating one of the sheets of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a front view, on a larger scale, illustrating H-shaped slots formed in adjacent sheets.
  • FIG. 4 ⁇ is a perspective view, also on a large scale, illustrating these H-shaped slots made in adjacent sheets.
  • FIG. 5 is a top view, illustrating a cutting step carried out on different slots provided in the stack of the preceding figures.
  • FIG. 6 is a top view, illustrating on a larger scale the cutouts formed on an H-shaped slot.
  • FIG. 7 is a sectional view along the line VII-VII indicated in FIG. 6.
  • FIG. 8 is a sectional view along the line VIII-VIII indicated in FIG. 6.
  • FIG. 9 is a top view illustrating a battery according to the invention, which is capable of being obtained in particular according to the method of the preceding figures.
  • FIG. 10 is a front view illustrating a battery according to the invention, which is capable of being obtained in particular according to the method of the preceding figures.
  • FIG. 1 1 is a perspective view illustrating a battery according to the invention, which can be obtained in particular according to the method of the preceding figures.
  • FIG. 12 is a perspective view illustrating a battery according to the prior art.
  • FIG. 13 is a top view, illustrating a cutting step carried out on various H-shaped slots formed on an anode or cathode sheet according to a second variant of the invention.
  • FIG. 14 is a top view, illustrating on a larger scale the cutouts made on H-shaped slots according to the second variant of the invention.
  • FIG. 15 is a perspective view illustrating a battery according to the invention, which can be obtained in particular according to the second variant of the invention.
  • the method according to the invention firstly comprises a step in which a stack I of alternate sheets is produced, these sheets being called in the following, as the case may be, "anode sheets” and "Cathode sheets".
  • each anode sheet is intended to form the anode of several batteries
  • each cathode sheet is intended to form the cathode of several batteries.
  • this stack is formed by a higher number of sheets, typically between ten and one thousand.
  • all these sheets have perforations 2 at their four ends so that when these perforations 2 are superimposed, all the cathodes and all the anodes of these sheets are arranged specifically, as will be explained in addition great detail below (see Figures 1 and 2).
  • These perforations 2 at the four ends of the sheets can be produced by any suitable means, in particular on anode and cathode sheets after manufacture or on anode and / or cathode sheets coated with an electrolyte layer or coated a separator so that this electrolyte layer or this separator is interposed between two sheets of opposite polarity, ie between the anode sheet and the cathode sheet.
  • each anode or cathode sheet comprises an active anode layer, respectively an active cathode layer.
  • Each of these active layers can be solid, i.e. dense or porous in nature.
  • an electrolyte layer or a separator impregnated with a liquid electrolyte is placed on at least one of these two sheets, in contact with the facing sheet.
  • the electrolyte layer or the separator impregnated with a liquid electrolyte is interposed between two sheets of opposite polarity, i.e. between the anode sheet and the cathode sheet.
  • the cathode sheets 1 have an identical structure.
  • the anode sheets 3 have a structure very similar to that of the cathode sheets 1.
  • the cathode sheet 1 has a quadrilateral shape, substantially of the square type. It delimits a central zone 10 called perforated, in which are formed H-shaped slots which will be described below. With reference to the positioning of these H-shaped slots, a so-called vertical direction YY of the sheet is defined, which corresponds to the vertical direction of these H, as well as a so-called horizontal direction XX of the sheet, perpendicular to the direction YY. .
  • the central zone 10 is bordered by a peripheral frame 12 which is solid, that is to say devoid of slots. The function of this framework is in particular to ensure easy handling of each sheet.
  • the H-shaped slots are distributed along lines Li to L y , arranged one below the other, as well as in rows Ri to R x provided one next to the other.
  • the anode and cathode sheets used can be plates of 100 mm x 100 mm .
  • the number of lines of these sheets is between 10 and 500, while the number of rows is between 10 and 500.
  • its dimensions may vary and the number of lines and rows by anode and cathode sheets can be adapted accordingly.
  • the dimensions of the anode and cathode sheets used can be adjusted as required.
  • the slots 14 are through, that is to say that they open on the respectively upper and lower faces of the sheet.
  • the slots 14 can be produced in a manner known per se, directly on the substrate, before any deposition of anode or cathode materials by chemical etching, by electroforming, by laser cutting, by microperforation or by stamping.
  • These slots can also be produced on substrates coated with anode or cathode materials, on anode or cathode sheets coated with an electrolyte layer or a separator, in a manner known per se, for example by laser cutting, by femtosecond laser cutting, by microperforation or by stamping.
  • the slots 14, produced in all of the cathodes, are superimposed as shown in particular in FIG. 3.
  • the slot 14 is formed by two vertical and parallel main recesses 16, which are connected in their upper part by a horizontal channel 18, preferably perpendicular to the two vertical main recesses 16.
  • each anode is also provided with different lines and rows of slots 34, provided in the same number as the slots 14.
  • the structure of each slot 34 is substantially similar to that of each slot 14, namely that this slot 34 comprises two vertical main recesses 36, connected by a channel 38.
  • the dimensions of the vertical main recesses 36 are identical to those vertical main recesses 16 and, similarly, the dimensions of the channels 38 are similar to those of the channels 18.
  • the main vertical recesses 36 are superimposed with those 16.
  • the channels 18 and 38 are mutually symmetrical in top view, with respect to the median axis of the H, which is denoted XH.
  • each cut is made between a respective channel and the opposite end of H. It is assumed that we neglect the thickness of said cut. Under these conditions, with reference to this FIG. 6, by way of nonlimiting examples, we note:
  • the distance D20 between the cut D n and the opposite face of the horizontal channel 18 is between 0.05 mm and 2 mm, it being understood that this distance D20 is less than or equal to Die;
  • each final battery is delimited, at the top and at the bottom, by the two cutouts and, to the right and to the left, by the interior faces of the main vertical recesses of the H.
  • we have hatched the batteries 100 once cut by the cutting lines D n and D ' n the areas have been illustrated with dots 40 of the sheets of the stack, which do not form the batteries, while the volume of the slots is left blank.
  • Figures 7 and 8 are sectional views, taken along parallel section lines. Section VII-VII extends through the main vertical recesses of the H, while section VIII-VIII crosses the material.
  • the areas 40 also illustrated in FIG. 5, have been referenced, which correspond to falls of material, in particular falls of anode materials 43 and cathode materials 41.
  • FIG. 7 the areas 40, also illustrated in FIG. 5, have been referenced, which correspond to falls of material, in particular falls of anode materials 43 and cathode materials 41.
  • the cuts are made both through anodes and cathodes, namely at a distance D 2 o from the channels of the H-shaped slots so as to have for each cathode 1, respectively each anode 3 of the battery 100 a main body 111, respectively 131, separated from a secondary body 112, respectively 132, by a free space of any electrode material, electrolyte and / or current-collecting substrate 113, respectively 133.
  • Application WO 2016/001584 describes stacks of several elementary cells, consisting of anode sheets and of cathode stacked alternately and offset laterally (cf. FIG. 12), encapsulated in an encapsulation system to ensure protection of the battery cell vis-à-vis the atmosphere.
  • the cutting of these encapsulated stacks making it possible to obtain unitary batteries, with anodic and cathodic connections exposed, is carried out according to a cutting plane crossing an alternating succession of electrode and encapsulation system. Due to the difference in density existing between the electrode and the battery encapsulation system of the prior art, the cutting carried out according to this cutting plane induces a risk of tearing of the encapsulation system around the plane of cut, and thus the creation of short circuits.
  • the encapsulation layer fills the interstices of the stack of sheets carrying U-shaped cutouts.
  • This encapsulation layer introduced at these interstices is thick and does not ' does not adhere very well to the stack, inducing this risk of tearing off the encapsulation system during subsequent cutting.
  • this risk is eliminated with the use of sheets carrying H-shaped cutouts, because the heat-pressed H-shaped mechanical structure is extremely rigid around the cutout, due to the alternating superposition of sheets of cathode and anode.
  • the use of such a rigid structure, with the use of sheets carrying H-shaped cutouts, makes it possible to reduce the number of defects during cuts, increase the cutting speed and thus improve battery production efficiency.
  • the cuts D ′ n and D n are made through anodes and cathodes of comparable density inducing a clean cut of better quality.
  • the presence of a free space of any electrode material, electrolyte and / or current-collecting substrate prevents any risk of short circuit.
  • X100 and Y100 denote the median axes respectively longitudinal and lateral of this battery. There are 101 and 102 the side edges, 103 and 104 the longitudinal edges of this battery. We also note 110 each cathode, and 130 each anode. The number of these cathodes, which is identical to the number of these anodes, corresponds to the number of cathode sheets and anode sheets of the above stack.
  • the free space (1 13) connects the opposite longitudinal edges of the battery which are shown as upper and lower in FIG. 9. This free space extends between the opposite longitudinal edges of the separating battery, for each anode and each cathode , a main body of a secondary body.
  • Each cathode 110 comprises a main body 111, a secondary body 112 situated on a first lateral edge 101, as well as a space free of any electrode material, electrolyte and / or current-collecting substrate 113.
  • the latter whose width corresponds to that of the channel 18 of the slot 14 described above, extends between the longitudinal edges 103 and 104.
  • each anode 130 comprises a main body 131, as well as a secondary body 132 located on the lateral edge 102, opposite that 101.
  • the main body 131 and the secondary body 132 are separated by a free space 133 of any material of electrode, electrolyte and / or current-collecting substrate, connecting the edges 103 and 104, ie extending between the longitudinal edges 103 and 104.
  • the 2 free spaces 113 and 133 are mutually symmetrical, with respect to the median axis Y100.
  • each free space 113 corresponds to the width of the channel 18, belonging to the slot described in the previous figures.
  • the width L112 of each body secondary 112 corresponds to the distance D20, as described with reference to FIG. 6 or to FIG. 8.
  • FIG. 13 illustrates an additional variant of the invention.
  • the mechanical elements similar to those of FIGS. 1 to 1 1 illustrating the first embodiment are assigned thereto the same reference numbers increased by the number 1000.
  • This second embodiment differs from the first variant essentially in that the H-shaped slots 1014 are distributed along lines L1 to L y , arranged one below the other, as well as in rows Ri to R x provided one next to the other. In this way at least one of the main vertical recesses 1016 of the slot positioned in row R n is merged with at least one of the main vertical recesses 1016 of the adjacent slot positioned in row R n -i and / or R n + i . In this case, the two adjacent rows are not separated by strips of material. As shown in FIG. 13, two adjacent lines are separated by bridges of material 1020, the height of which H1020 is noted, which is between 0.05 mm and 5 mm. These material bridges give the anode and cathode sheets sufficient mechanical rigidity so that they can be easily handled.
  • the H-shaped slots 1014 can preferably be the same as in the first variant.
  • the slot 1014 is preferably formed by two main vertical and parallel recesses 1016, which are connected in their upper part by a horizontal channel 1018, preferably perpendicular to the two main vertical recesses 1016.
  • Each cathode is provided with different lines and rows of slots 1014.
  • Each anode is also provided with different lines and rows of slots 1034, provided in the same number as the slots 1014.
  • each slot 1034 is substantially similar to that of each slot 1014, namely that this slot 1034 comprises two vertical main recesses 1036, connected by a channel 1038.
  • the dimensions of the vertical main recesses 1036 are identical to those of the main vertical recesses 1016 and, similarly, the dimensions of the channels 1038 are similar to those of the channels 1018.
  • the vertical main recesses 1036 are superimposed with the vertical main recesses 1016.
  • the channels 1018 and 1038 are mutually symmetrical when viewed from above, with respect to the median axis of the H, which is denoted XH '.
  • Each cut is made between a respective channel and the end opposite the H. It is assumed that the thickness of said cut is neglected.
  • the cuts are made both through the anodes and the cathodes, namely at a distance D1020 from the channels of the H-shaped slots so as to have for each cathode 1110, respectively each anode 1130 of the battery 1100, a main body. 1111, respectively 1131, separated from a secondary body 1112, respectively 1132, by a free space of any electrode material, electrolyte and / or current-collecting substrate 1113, respectively 1133, as illustrated in FIG. 15
  • This is a particularly advantageous characteristic of the invention, since it makes it possible to improve the quality of the cut with regard to the prior art and to avoid the presence of short circuit at the side edges.
  • Each final battery 1100 is delimited, at the top and bottom, by the two cutouts and, on the right and left, by the interior faces of the main vertical recesses of the H.
  • the 1100 batteries were hatched once cut by the cutting lines D n and D ' n , areas 1040 of the sheets of the stack, which do not form the batteries, have been illustrated with points, while the volume of the slots is left in white.
  • each cathode 1110 comprises a main body 1111, a secondary body 1112 situated on a first lateral edge 1101, as well as a space 1113 free of any material of electrode, electrolyte and / or collector substrate current.
  • the latter whose width corresponds to that of the channel 1018 of the slot 1014 described above, extends between the longitudinal edges.
  • each anode 1130 comprises a main body 1131, as well as a secondary body 1132 situated on the lateral edge 1102, opposite to that 1101.
  • the main body 1131 and the secondary body 1132 are separated by a free space 1133 from any material of electrode, electrolyte and / or current collector substrate, connecting the longitudinal edges, ie extending between the longitudinal edges 1103 and 1104.
  • the 2 free spaces 1113 and 1133 are mutually symmetrical, with respect to the median axis Y100.
  • each free space 1113 corresponds to the width of the channel 1018, belonging to the slot described in the preceding figures. Furthermore, the width L1112 of each secondary body 1112 corresponds to the distance D1020, as described above.
  • the battery 1100 obtained according to the second variant of the invention is in all respects identical to that obtained according to the first variant of the invention even though the arrangement of the slots 1014 is different.
  • the H-shaped slots 14/1014 can be distributed along lines L1 to L y , arranged one below the other, as well as according to rows Ri to R provided next to each other.
  • the H-shaped slots 14/1014 are arranged according to the first and second variant of the invention, on the anode sheets and / or cathode, so as to maintain sufficient mechanical rigidity so that these sheets can be handled easily and so that the stack can advantageously define a maximum of unitary batteries.
  • the battery 1100 obtained according to the third variant of the invention is identical in all respects to that obtained according to the first and / or second variants according to the invention even though the arrangement of the slots 14/1014 on the anode sheets and / or cathode is different.
  • the “free face of the secondary body” corresponds to the face belonging to the secondary body which is opposite to the main body.
  • the “free face of the main body” corresponds to the face belonging to the main body which is opposite to the secondary body.
  • the use of a rigid structure according to the invention makes it possible to facilitate encapsulation and to reduce the thicknesses of encapsulation with regard to the prior art.
  • Encapsulation systems of the multilayer type with thinner and more rigid layers than those of the prior art can be envisaged.
  • the heat treatment of the latter allowing the battery to be assembled is carried out at a temperature between 50 ° C and 500 ° C, preferably at a temperature below 350 ° C, and / or mechanical compression of the stack of anode and cathode sheets to be assembled is carried out at a pressure between 10 and 100 MPa, preferably between 20 and 50 MPa.
  • the stack of anode sheets and sheets of cathode according to the invention can be covered with a sequence, preferably with z sequences, of an encapsulation system comprising:
  • a first covering layer preferably chosen from parylene, type F parylene, polyimide, epoxy resins, silicone, polyamide and / or a mixture thereof, deposited on the stack of sheets 'anode and cathode,
  • a second covering layer composed of an electrically insulating material, deposited by depositing atomic layers on said first covering layer.
  • This sequence can be repeated z times with z> 1.
  • This multilayer sequence has a barrier effect. The more the sequence of the encapsulation system is repeated, the greater this barrier effect. It will be all the more important as the number of thin layers deposited will be important.
  • the first covering layer is made of polymer, for example silicone (deposited for example by impregnation or by chemical vapor deposition assisted by plasma from hexamethyldisiloxane (HMDSO)), or epoxy resin, or polyimide, polyamide, or poly-para-xylylene (better known by the term parylene).
  • This first covering layer protects the sensitive elements of the battery from its environment.
  • the thickness of said first covering layer is preferably between 0.5 pm and 3 pm.
  • the first covering layer can be made of type C parylene, type D parylene, type N parylene (CAS 1633-22-3), type F parylene or a mixture of type C, D parylene , N and / or F.
  • Parylene also called polyparaxylylene or poly (p-xylylene)
  • Parylene is a dielectric, transparent, semi-crystalline material which has high thermodynamic stability, excellent resistance to solvents and very low permeability. Parylene also has barrier properties that protect the battery from its external environment. Battery protection is increased when this first covering layer is made from type F parylene.
  • This first covering layer is advantageously obtained from the condensation of gaseous monomers deposited by chemical vapor deposition (CVD) on the surfaces, which allows a conformai, thin and uniform covering of all the accessible surfaces of the stack.
  • This first covering layer is advantageously rigid; it cannot be considered a flexible surface.
  • the second covering layer is composed of an electrically insulating material, preferably inorganic.
  • This second covering layer advantageously has a very low WVTR coefficient, preferably less than 10 -5 g / m 2 .d. It is preferably deposited by depositing atomic layers (ALD), so as to obtain a conformal covering of all the accessible surfaces of the stack previously covered with the first covering layer.
  • the layers deposited by ALD are very fragile mechanically and require a rigid support surface to ensure their protective role.
  • the deposition of a fragile layer on a flexible surface would lead to the formation of cracks, causing a loss of integrity of this protective layer.
  • the growth of the layer deposited by ALD is influenced by the nature of the substrate.
  • a layer deposited by ALD on a substrate having zones of different chemical natures will have an inhomogeneous growth, which can cause a loss of integrity of this protective layer.
  • the ALD deposition techniques are particularly well suited for covering surfaces with high roughness in a completely waterproof and conforming manner. They make it possible to produce conformal layers, free from defects, such as holes (so-called “pinhole free” layers, i.e. free from holes) and represent very good barriers. Their WVTR coefficient is extremely low. The WVTR (water vapor transmission rate) coefficient is used to assess the water vapor permeance of the encapsulation system. The lower the WVTR coefficient, the more waterproof the encapsulation system.
  • the second covering layer can advantageously be deposited by chemical vapor deposition assisted by plasma (or PECVD, for Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) or by chemical vapor deposition of HDPCVD type (High Density Plasma Chemical Vapor Deposition in English) or ICP CVD (Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor in English) type.
  • PECVD Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition
  • HDPCVD type High Density Plasma Chemical Vapor Deposition in English
  • ICP CVD Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor in English
  • This second covering layer preferably has a thickness between 10 nm and 10 ⁇ m, preferably a thickness between 10 nm and 50 nm.
  • the thickness of this second layer is advantageously chosen as a function of the desired level of gas tightness, i.e. of the desired WVTR coefficient and depends on the deposition technique used, in particular among ALD, PECVD, HDPCVD and ICPCVD.
  • the second covering layer may be made of ceramic material, glassy material or glass-ceramic material, for example in the form of oxide, of Al 2 0 3 type , of Ta2C> 5, silica, nitride, especially silicon nitride, phosphates, oxynitride, or siloxane.
  • This second covering layer deposited by ALD, PECVD, HDPCVD or ICP CVD on the first covering layer makes it possible, on the one hand, to ensure the tightness of the structure, ie to prevent the migration of water to the inside the object and on the other hand to protect the first covering layer, preferably of type F parylene, from the atmosphere, in particular from air and humidity, from thermal exposures in order to avoid its degradation.
  • This second covering layer improves the life of the encapsulated battery.
  • the encapsulation system making it possible to ensure the protection of the battery cell, or of the stack of anode sheets and cathode sheets according to the invention, with respect to the the atmosphere may consist of a sequence, preferably of z 'sequences, comprising a first alternative covering layer having a very low WVTR coefficient, preferably less than 10 5 g / m 2 .d.
  • This sequence can be repeated z 'times with z> 1. It has a barrier effect, which is all the more important the higher the value of z'.
  • the encapsulation of the stack of anode and cathode sheets in this sequence of the encapsulation system makes it possible to reduce the WVTR coefficient of the encapsulation as much as possible, ie to increase the tightness of stacking.
  • the thickness of said first alternative covering layer is preferably between 0.5 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • This alternative covering layer can be composed of a ceramic material and / or a glass with a low melting point, preferably a glass with a melting point of less than 600 ° C., deposited on the outer periphery of stacking of anodic and cathodic sheets.
  • the ceramic and / or glass material used in this layer is advantageously chosen from:
  • a glass with a low melting point typically ⁇ 600 ° C
  • a low melting point typically ⁇ 600 ° C
  • S1O 2 -B 2 O 3 B1 2 O3- B 2 O 3 , Z h O-B ⁇ 2 q 3 -B 2 q 3 , Te0 2 -V 2 0s, PbO-Si0 2 ,
  • These glasses can be deposited by molding or by dip-coating.
  • the ceramic materials are advantageously deposited by PECVD or preferably by HDPCVD or by ICP CVD at low temperature; these methods make it possible to deposit a layer having good sealing properties.
  • the alternative encapsulation system can comprise z ’alternative covering layers of different nature in order to reduce the WVTR coefficient of the encapsulation, i.e. to increase the tightness of the stack.
  • the encapsulation system can comprise a first layer composed of a ceramic material, a second layer composed of a glass with low melting point disposed on the first layer, and vice versa.
  • the encapsulation in a glass film can be obtained by depositing an ink comprising oxides, phosphates, borates and or precursors of a glass with a low melting point, followed by sintering.
  • This provides a rigid and sealed encapsulation, which in particular prevents the passage of water vapor at the interface between the encapsulation system and the terminations.
  • the measurement of the water vapor permeance can be done using a method which is the subject of US 7,624,621 and which is also described in the publication "Structural properties of ultraviolet cured polysilazane gas barrier layers on polymer substrates ”by A. Mortier et al., published in the journal Thin Solid Films 6 + 550 (2014) 85-89.
  • the stack of anode and cathode sheets thus encapsulated in this sequence of the encapsulation system can then be coated with a last covering layer so to mechanically protect the stack thus encapsulated and possibly give it an aesthetic appearance.
  • This last covering layer protects and improves the life of the battery.
  • this last covering layer is also chosen to withstand a high temperature, and has sufficient mechanical strength to protect the battery during its subsequent use.
  • the thickness of this last covering layer is between 1 ⁇ m and 50 ⁇ m. Ideally, the thickness of this last covering layer is approximately 10-15 ⁇ m, such a range of thickness makes it possible to protect the battery against mechanical damage.
  • This last covering layer is preferably based on epoxy resin, polyethylene naphthalate (PEN), polyimide, polyamide, polyurethane, silicone, sol-gel silica or organic silica.
  • this last covering layer is deposited by dipping.
  • the stack of anode and cathode sheets thus coated is then cut by any appropriate means along the cut lines D ′ n and D n so as to expose the anode and cathode connections and to obtain unitary batteries.
  • the impregnation of the battery with a liquid electrolyte is advantageously carried out, after obtaining the unit batteries whose anodic and cathodic connections are bare, by a phase carrying lithium ions such as liquid electrolytes or an ionic liquid containing lithium salts; this phase carrying lithium ions enters the battery by capillary action.
  • Terminations are added at the level where the cathode, respectively anode, connections are apparent (not coated with insulating electrolyte). These contact areas are preferably arranged on opposite sides of the battery stack to collect current (lateral current collectors) or on adjacent sides.
  • the connections are metallized using techniques known to those skilled in the art, preferably by immersion in a conductive epoxy resin and / or a bath of molten tin.
  • the terminations consist, near the cathode and anode connections, of a first stack of layers successively comprising a first layer of a material loaded with graphite, preferably of epoxy resin loaded with graphite, and a second layer comprising metallic copper obtained from an ink loaded with copper nanoparticles deposited on the first layer.
  • This first stack of terminations is then sintered by an infrared flash lamp so as to obtain a covering of the cathodic and anodic connections by a layer of metallic copper.
  • the terminations may additionally comprise a second stack of layers disposed on the first stack of terminations successively comprising a first layer of a deposited tin-zinc alloy, preferably by dipping in a molten tin-zinc bath, in order to ensure leaktightness of the battery at a lower cost and a second layer based on pure tin deposited by electrodeposition or a second layer comprising a silver-based alloy, of palladium and copper deposited on this first layer of the second stack.
  • the terminations allow the alternating positive and negative electrical connections to be taken up on each of the ends. These endings allow to realize electrical connections in parallel between the different battery cells. For this, only the cathode connections exit on one end, and the anode connections are available on another end.
  • the battery according to the invention can be a lithium ion microbattery, a lithium ion minibattery, or even a high power lithium ion battery.
  • it can be designed and dimensioned so as to have a capacity less than or equal to approximately 1 mA h (commonly called “microbattery”), so as to have a power greater than approximately 1 mA h up to approximately 1 A h ( commonly called “mini-battery”), or so as to have a capacity greater than about 1 A h
  • microbatteries are designed to be compatible with microelectronics manufacturing processes.
  • the batteries of each of these three power ranges can be produced: - either with “all solid” type layers, ie devoid of impregnated liquid or pasty phases (said liquid or pasty phases possibly being a conductor of lithium ions , capable of acting as an electrolyte), either with mesoporous “all solid” type layers, impregnated with a liquid or pasty phase, typically a medium conducting lithium ions, which spontaneously enters the layer and which no longer comes out of this layer, so that this layer can be considered as quasi-solid,
  • impregnated porous layers i.e. layers having a network of open pores which can be impregnated with a liquid or pasty phase, and which gives these layers wet properties.

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Abstract

Batterie comprenant au moins une anode et au moins une cathode, disposée l'une au-dessus de l'autre de manière alternée, ladite batterie comprenant des bords latéraux comprenant une zone de connexion anodique et une zone de connexion cathodique, de préférence latéralement opposée à la zone de connexion anodique, et des bords longitudinaux, dans laquelle l'anode comprend un substrat collecteur de courant, - au moins une couche d'anode, et - éventuellement une couche d'un matériau d'électrolyte, et la cathode comprend : - un substrat collecteur de courant, au moins une couche de cathode, et - éventuellement une couche d'un matériau d'électrolyte de sorte que la batterie comprenne successivement au moins une couche d'anode, au moins une couche d'un matériau d'électrolyte et au moins une couche de cathode, caractérisée en ce que chaque anode et chaque cathode comprend un corps principal respectif, séparé d'un corps secondaire respectif, par un espace libre de tout matériau d'électrode, d'électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant, ledit espace libre reliant ou s'étendant entre les bords longitudinaux opposés de la batterie.

Description

PROCEDE DE FABRICATION DE BATTERIES, ET BATTERIE OBTENUE PAR CE
PROCEDE
Domaine technique de l’invention
La présente invention se rapporte à la fabrication de batteries. Elle peut être appliquée notamment aux batteries à ions de lithium. L’invention concerne un nouveau procédé de fabrication de batteries, et notamment de batteries à ions de lithium. Elle concerne également les batteries obtenues par ce procédé, qui présentent une architecture nouvelle qui leur confère une durée de vie améliorée.
Etat de la technique Afin d'accroitre le rendement de production des batteries rechargeables à forte densité d’énergie et forte densité de puissance, telles que des batteries entièrement solides ou des batteries imprégnées d’un électrolyte liquide, la fabrication simultanée de plusieurs batteries peut être réalisée à partir d’une superposition de feuilles alternées d’anode et de cathode préalablement revêtues d’une couche d’électrolyte. WO 2016/001584 (l-TEN) décrit des feuilles comprenant un substrat conducteur recouvert successivement d’une couche d’électrode recouverte d’une couche d’électrolyte ; ces feuilles sont découpées, avant ou après dépôt, selon des motifs, notamment en forme de U. Ces feuilles sont empilées de manière alternée afin de constituer un empilement de plusieurs cellules élémentaires. Les motifs de découpes des anodes et cathodes sont placés en configuration « tête bêche » de manière à ce que l’empilement des couches de cathode et d’anode soit décalé latéralement. Après l’étape d’empilement, il est connu de ce document de déposer un système d’encapsulation en couche épaisse d’une dizaine de microns et conformai, typiquement une couche polymérique, sur l’empilement et dans les cavités disponibles présentes au sein de l’empilement. Ceci permet d’assurer d’une part, la rigidité de la structure au niveau des plans de coupe et d’autre part, la protection de la cellule de la batterie vis-à-vis de l’atmosphère. Une fois l’empilement réalisé et encapsulé dans une structure rigide, on le découpe suivant des plans de coupe pour obtenir des batteries unitaires, avec la mise à nu sur chacun des plans de coupe des connexions cathodique et anodique des batteries. Il se trouve que lors de ces découpes, le système d’encapsulation peut être arraché, ce qui entraîne une discontinuité de l’étanchéité de la batterie. Il est aussi connu d’ajouter des terminaisons (i.e. des contacts électriques) au niveau où ces connexions cathodique et anodique sont apparentes. Cet état de la technique est expliqué ici en plus grand détail en référence à la figure 12 qui illustre une structure de batterie à ions de lithium décrite dans WO 2016/001584. La batterie 200 comprend plusieurs anodes 230 et plusieurs cathodes 210, qui sont disposées les unes au-dessous des autres de façon alternée. Chaque anode et chaque cathode comprend une couche d’un matériau actif respectif d’anode ou de cathode, appelée couche d’anode, respectivement couche de cathode. Par ailleurs, une couche d’un matériau d’électrolyte, non représentée sur la figure 12, est intercalée entre l’anode et la cathode, de sorte que ce matériau d’électrolyte sépare deux couches actives en regard. L’épaisseur des différentes couches qui les constituent ne dépasse normalement pas les 10 pm, et est souvent comprise entre 1 pm et 4 pm. La batterie présente, sur un premier bord latéral 201 , des connexions anodiques 230’ situées les unes au-dessous des autres. Par ailleurs, sur le bord latéral opposé 202, il est prévu des connexions cathodiques 210’ situées les unes au- dessous des autres. L’empilement des anodes 230 et des cathodes 210 est décalé latéralement. Les connexions cathodiques 210’ sont situées en saillie, par rapport à la face libre 230” de l’anode. De manière analogue, sur le bord opposé 201, la face libre 210” de la cathode est située en retrait par rapport à la face libre de l’anode sur laquelle sont déposées ultérieurement des connexions anodiques 230’.
Cette solution connue présente cependant certains inconvénients. En effet, en fonction du positionnement des électrodes, notamment de la proximité des bords des électrodes pour les batteries multicouches et de la propreté des découpes, un courant de fuite peut apparaître sur les extrémités, typiquement sous la forme d’un court-circuit rampant. Il diminue la performance de la batterie, et ce, malgré l’utilisation d’un système d’encapsulation autour de la batterie et aux abords des connexions cathodiques et anodiques. Par ailleurs, on constate parfois un dépôt insatisfaisant du système d’encapsulation sur la batterie, notamment sur les bords de la batterie au niveau des espaces créés par les décalages latéraux des électrodes sur les bords de batterie.
Par ailleurs, étant donné que les terminaisons, respectivement d’anode et de cathode, sont situées en retrait des couches adjacentes, respectivement de cathode et d’anode, il est nécessaire de pratiquer une découpe de larges dimensions. Une telle découpe doit alors être remplie au moyen d’un matériau isolant. Etant donné ses dimensions importantes, cette découpe conduit à une perte substantielle de matières utiles, pour la réalisation de la batterie proprement dite. Par ailleurs, elle impose de déposer de fortes épaisseurs d’isolant, dans les cavités disponibles présentes au sein de l’empilement. Un isolant épais risque de fragiliser l’ensemble du système d’encapsulation de la batterie, car lors de la découpe, le système d’encapsulation déposé en couche épaisse a tendance à se délaminer. L’architecture selon l’état de la technique présente donc à la fois des inconvénients techniques et économiques.
La présente invention vise à remédier au moins en partie à certains inconvénients de l’art antérieur évoqués ci-dessus.
Elle vise en particulier à accroître le rendement de production des batteries rechargeables à forte densité d’énergie et forte densité de puissance et à réaliser des encapsulations plus performantes à moindre coût.
Elle vise en particulier à proposer un procédé qui diminue le risque de court-circuit, et qui permet de fabriquer une batterie présentant une faible autodécharge.
Elle vise en particulier à proposer un procédé, qui permet de fabriquer de manière simple, fiable et rapide une batterie présentant une durée de vie très élevée.
Elle vise également à proposer un tel procédé, qui utilise une étape de découpe de meilleure qualité que dans l’art antérieur.
Elle vise également à proposer un tel procédé, qui permet d’améliorer les phases d’encapsulation et l’encapsulation elle-même, intervenant lors de la réalisation de la batterie finale.
Elle vise également à proposer un procédé de fabrication des batteries qui engendre moins de perte de matières.
Objets de l’invention
Au moins un des objectifs ci-dessus est atteint par l’intermédiaire d’au moins l’un des objets selon l’invention tel que présenté ci-après. La présente invention propose comme premier objet une batterie comprenant au moins une anode et au moins une cathode, disposée l’une au-dessus de l’autre de manière alternée, ladite batterie comprenant des bords latéraux comprenant une zone de connexion anodique et une zone de connexion cathodique, de préférence latéralement opposée à la zone de connexion anodique, et des bords longitudinaux, dans laquelle l’anode comprend
- un substrat collecteur de courant,
- au moins une couche d’anode, et
- éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte,
et la cathode comprend
un substrat collecteur de courant, au moins une couche de cathode, et
- éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte, de sorte que la batterie comprend successivement au moins une couche d’anode, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte et au moins une couche de cathode, caractérisée en ce que chaque anode et chaque cathode comprend un corps principal respectif, et un corps secondaire respectif, lesdits corps principaux et corps secondaires étant séparés par un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant, ledit espace libre reliant les bords longitudinaux opposés de la batterie, i.e. ledit espace libre s’étendant entre les bords longitudinaux opposés de la batterie.
La présente invention propose comme second objet une batterie comprenant au moins une anode et au moins une cathode, disposée l’une au-dessus de l’autre de manière alternée, ladite batterie comprenant des bords latéraux comprenant une zone de connexion anodique et une zone de connexion cathodique, de préférence latéralement opposée à la zone de connexion anodique, et des bords longitudinaux, dans laquelle l’anode comprend un substrat collecteur de courant,
au moins une couche d’anode, et
- éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte,
et la cathode comprend
un substrat collecteur de courant,
- au moins une couche de cathode, et
- éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte, de sorte que la batterie comprend successivement au moins une couche d’anode, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte, et au moins une couche de cathode, caractérisée en ce que chaque anode et chaque cathode comprend un corps principal respectif, séparé d’un corps secondaire respectif, par un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant, ledit espace libre reliant les bords longitudinaux opposés de la batterie, i.e. ledit espace libre s’étendant entre les bords longitudinaux opposés de la batterie.
Avantageusement, la batterie comprend un système d’encapsulation revêtant totalement quatre des six faces de ladite batterie, les deux faces restantes comprenant une zone de connexion anodique et une zone de connexion cathodique.
Avantageusement, le système d’encapsulation comprend :
- au moins une première couche de recouvrement, de préférence choisie parmi le parylène, le parylène de type F, le polyimide, les résines epoxy, le silicone, le polyamide, la silice sol-gel, la silice organique et/ou un mélange de ceux-ci, déposée sur la batterie,
au moins une deuxième couche de recouvrement composée d’une matière électriquement isolante, déposée par dépôt de couches atomiques sur ladite au moins première couche de recouvrement, étant entendu que cette séquence d’au moins une première couche de recouvrement et d’au moins une deuxième couche de recouvrement peut être répétée z fois avec z ³ 1.
Avantageusement, la zone de connexion anodique et la zone de connexion cathodique sont recouvertes par un système de terminaison.
Avantageusement, le système de terminaison comprend successivement : une première couche d’un matériau chargé en graphite, de préférence à base de résine époxy chargée en graphite,
une seconde couche dense de cuivre métallique disposée sur la première couche du système de terminaison, et
- optionnellement, une troisième couche à base d’un alliage étain-zinc d’étain, disposée sur la deuxième couche,
- optionnellement, une quatrième couche à base d’étain ou à base d’un alliage d’argent, de palladium et de cuivre, disposée sur la troisième couche du système de terminaison.
Avantageusement, la largeur de l’espace libre est comprise entre 0,01 mm et 0,5 mm. Avantageusement, la largeur des corps secondaires est comprise entre 0,05 mm et 2 mm.
Avantageusement, en vue de dessus, les espaces libres des cathodes sont superposés. Avantageusement, en vue de dessus, les espaces libres des anodes sont superposés.
Avantageusement, en vue de dessus, les espaces libres des cathodes et des anodes ne sont pas confondus.
Un autre objet de l’invention est un procédé de fabrication d’une batterie, ladite batterie comprenant au moins une anode et au moins une cathode, disposée l’une au-dessus de l’autre de manière alternée, ladite batterie comprenant des bords longitudinaux et des bords latéraux, dans lequel l’anode comprend
un substrat collecteur de courant,
au moins une couche d’anode, et
- éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte,
et la cathode comprend
- un substrat collecteur de courant,
au moins une couche de cathode, et
- éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte de sorte que la batterie comprend successivement au moins une couche d’anode, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte, et au moins une couche de cathode, chaque anode comprenant une zone de connexion anodique, située au voisinage d’un premier bord latéral de la batterie, alors que chaque cathode comprend une zone de connexion cathodique, située sur un second bord latéral de la batterie, opposé audit premier bord, ledit procédé de fabrication comprenant : a) l’approvisionnement d’un empilement de feuilles alternées, cet empilement comprenant des premières feuilles ou feuilles d’anode dont chacune est destinée à former une couche d’anode de plusieurs batteries, ainsi que des deuxièmes feuilles ou feuilles de cathode dont chacune est destinée à former une couche de cathode de plusieurs batteries, chaque feuille d’anode comprenant au moins une fente d’anode et chaque feuille de cathode comprenant au moins une fente de cathode, ladite fente respectivement d’anode et de cathode comprenant deux parties longitudinales au moins en partie superposées, destinées à délimiter les bords longitudinaux de la batterie, ainsi qu’une partie latérale reliant lesdites deux parties longitudinales, i.e. partie latérale s’étendant entre les deux parties longitudinales de ladite fente, la partie latérale de la fente d’anode et la partie latérale de la fente de cathode étant mutuellement décalée, étant entendu que chaque partie latérale des fentes délimite un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et de substrat collecteur de courant, ledit espace libre séparant, pour chaque anode et chaque cathode, un corps principal d’un corps secondaire, i.e. un corps principal par rapport à un corps secondaire, b) la réalisation d’un traitement thermique et/ou d’une compression mécanique de l’empilement de feuilles alternées précédemment approvisionné, c) la réalisation de deux découpes s’étendant au moins partiellement à l’intérieur desdites fentes, la première découpe s’étendant entre la partie latérale de la fente d’anode et l’extrémité en regard des parties longitudinales, alors que la seconde découpe s’étend entre la partie latérale de la fente de cathode et l’extrémité en regard des parties longitudinales.
Avantageusement, on réalise, après l’étape c), l’encapsulation de l’empilement découpé, en déposant : au moins une première couche de recouvrement, de préférence choisie parmi le parylène; le parylène de type F, le polyimide, les résines epoxy, le silicone, le polyamide, la silice sol-gel, la silice organique et/ou un mélange de ceux-ci, sur la batterie, et puis
- au moins une deuxième couche de recouvrement composée d’une matière électriquement isolante, déposée par dépôt de couches atomiques sur ladite au moins première couche de recouvrement, étant entendu que la séquence d’au moins une première couche de recouvrement et d’au moins une deuxième couche de recouvrement peut être répétée z fois avec z > 1.
Avantageusement, on réalise, après l’étape d) d’encapsulation de l’empilement découpé, l’imprégnation de l’empilement découpé et encapsulé, par une phase porteuse d’ions de lithium telle que des électrolytes liquides ou un liquide ionique contenant des sels de lithium. Avantageusement, on réalise, les terminaisons de la batterie en déposant successivement une première couche d’un matériau chargé en graphite, de préférence à base de résine époxy chargée en graphite,
- une seconde couche dense de cuivre métallique disposée sur la première couche du système de terminaison, et
- optionnellement, une troisième couche à base d’un alliage étain-zinc d’étain, disposée sur la deuxième couche du système de terminaison,
- optionnellement, une quatrième couche à base d’étain ou à base d’un alliage d’argent, de palladium et de cuivre, disposée sur la troisième couche du système de terminaison.
Avantageusement, on réalise les deux découpes au travers d’au moins une majorité des anodes et des cathodes, en particulier au travers de l’ensemble des anodes et des cathodes. Avantageusement, les distances entre chaque découpe et les extrémités en regard des parties longitudinales sont identiques. Avantageusement, ses distances sont comprises entre 0,05 mm et 2 mm.
Avantageusement, chaque fente présente une forme globale de H, les parties longitudinales formant les évidements principaux verticaux du H, alors que la partie latérale forme le canal du H.
Avantageusement, chaque partie latérale des fentes délimite un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant reliant ou s’étendant entre les bords longitudinaux opposés de la batterie, ledit espace libre séparant, pour chaque anode et chaque cathode, un corps principal d’un corps secondaire. Avantageusement, la largeur de la partie latérale des fentes est comprise entre 0,05 mm et 2 mm.
Avantageusement, chaque feuille appartenant audit empilement comprend plusieurs lignes de fente disposées les unes à côté des autres. Avantageusement, on réalise les deux découpes à travers l’ensemble des fentes d’une même ligne. Avantageusement, chaque feuille comprend plusieurs rangées de fentes disposées les unes au-dessous des autres. Avantageusement, la distance séparant des découpes adjacentes, ménagées dans des lignes voisines, est comprise entre 0,05 mm et 5 mm.
Avantageusement, le nombre de lignes est compris entre 10 et 500, alors que le nombre de rangées est compris entre 10 et 500. Avantageusement, on réalise chaque découpe par un procédé de sciage, par un procédé de découpe en dés, par guillotine, ou par laser.
Figures
Les figures annexées, données à titre d’exemples non limitatifs, représentent différents aspects et modes de réalisation de l’invention. [Fig. 12] représente une batterie selon l’état de la technique.
[Fig. 1] est une vue en perspective des feuilles d’anode et de cathode destinées à former un empilement selon le procédé de fabrication de batteries conforme à l’invention.
[Fig. 2] est une vue de face, illustrant l’une des feuilles de la figure 1.
[Fig. 3] est une vue de face, à plus grande échelle, illustrant des fentes en forme de H ménagées dans des feuilles adjacentes.
[Fig. 4]· est une vue en perspective, également à grande échelle, illustrant ces fentes en forme de H ménagées dans des feuilles adjacentes.
[Fig. 5] est une vue de dessus, illustrant une étape de découpe réalisée sur différentes fentes ménagées dans l’empilement des figures précédentes. [Fig. 6] est une vue de dessus, illustrant à plus grande échelle les découpes ménagées sur une fente en forme de H.
[Fig. 7] est une vue en coupe, selon la ligne VII-VII indiquée sur la figure 6.
[Fig. 8] est une vue en coupe, selon la ligne VIII-VIII indiquée sur la figure 6.
[Fig. 9] est une vue de dessus illustrant une batterie conforme à l’invention, qui est susceptible d’être obtenue notamment selon le procédé des figures précédentes.
[Fig. 10] est une vue de face illustrant une batterie conforme à l’invention, qui est susceptible d’être obtenue notamment selon le procédé des figures précédentes.
[Fig. 1 1] est une vue en perspective, illustrant une batterie conforme à l’invention, qui est susceptible d’être obtenue notamment selon le procédé des figures précédentes. [Fig. 12] est une vue en perspective illustrant une batterie selon l’art antérieur.
[Fig. 13] est vue de dessus, illustrant une étape de découpe réalisée sur différentes fentes en forme de H ménagées sur une feuille d’anode ou de cathode selon une deuxième variante de l’invention. [Fig. 14] est une vue de dessus, illustrant à plus grande échelle les découpes ménagées sur des fentes en forme de H selon la deuxième variante de l’invention.
[Fig. 15] est une vue en perspective, illustrant une batterie conforme à l’invention, qui est susceptible d’être obtenu notamment selon la deuxième variante de l’invention.
Les repères suivants sont utilisés sur ces figures et dans la description qui suit : [Table 1] : repères utilisés dans la présente demande
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Description de l’invention Le procédé conforme à l’invention comprend tout d’abord une étape dans laquelle on réalise un empilement I de feuilles alternées, ces feuilles étant dénommées dans ce qui suit, selon le cas, « feuilles d’anode » et « feuilles de cathode ». Comme on le verra plus en détail, chaque feuille d’anode est destinée à former l'anode de plusieurs batteries, et chaque feuille de cathode est destinée à former la cathode de plusieurs batteries. Dans l’exemple illustré sur la figure 1. on a représenté cinq feuilles de cathode 1 , ainsi que cinq feuilles d’anode 3. En pratique, cet empilement est formé par un nombre plus élevé de feuilles, typiquement compris entre dix et mille. Dans un mode de réalisation avantageux, toutes ces feuilles présentent des perforations 2 à leurs quatre extrémités de manière à ce que lorsque ces perforations 2 sont superposées, toutes les cathodes et toutes les anodes de ces feuilles sont agencées spécifiquement, comme ceci sera expliqué en plus grand détail ci-après (cf. figures 1 et 2). Ces perforations 2 aux quatre extrémités des feuilles peuvent être réalisées par tout moyen approprié, notamment sur des feuilles d’anode et de cathode après fabrication ou sur des feuilles d’anode et/ou de cathode revêtues d’une couche d’électrolyte ou revêtues d’un séparateur de manière à ce que cette couche d’électrolyte ou ce séparateur soit intercalé(e) entre deux feuilles de polarité opposée, i.e. entre la feuille d’anode et la feuille de cathode.
La structure physico-chimique de chaque feuille d’anode ou de cathode, qui peut être de type connue, ne fait pas partie de l’invention et ne sera décrite que de manière succincte. Chaque feuille d’anode, respectivement de cathode, comprend une couche active d’anode, respectivement une couche active de cathode. Chacune de ces couches actives peut être solide, i.e. de nature dense ou poreuse. Par ailleurs, afin d’éviter tout contact électrique entre deux feuilles adjacentes, une couche d’électrolyte ou un séparateur imprégné d’un électrolyte liquide est disposé sur au moins l’une de ces deux feuilles, au contact de la feuille en regard. La couche d’électrolyte ou le séparateur imprégné d’un électrolyte liquide, non représenté sur les figures décrivant la présente invention, est intercalé entre deux feuilles de polarité opposée, i.e. entre la feuille d’anode et la feuille de cathode.
On va maintenant décrire la structure mécanique de l’une des feuilles de cathode 1 , étant entendu que les autres feuilles de cathode présentent une structure identique. Par ailleurs, comme on le verra dans ce qui suit, les feuilles d'anode 3 possèdent une structure très voisine de celle des feuilles de cathode 1.
Comme cela est visible sur la figure 2. la feuille de cathode 1 présente une forme de quadrilatère, sensiblement de type carré. Elle délimite une zone centrale 10 dite perforée, dans laquelle sont ménagées des fentes en forme de H qui vont être décrites ci-après. En référence au positionnement de ces fentes en forme de H, on définit une direction dite verticale YY de la feuille, qui correspond à la direction verticale de ces H, ainsi qu’une direction dite horizontale XX de la feuille, perpendiculaire à la direction YY. La zone centrale 10 est bordée par un cadre périphérique 12 qui est plein, à savoir dépourvu de fentes. La fonction de ce cadre est notamment d’assurer une manipulation aisée de chaque feuille.
Les fentes en forme de H sont réparties selon des lignes Li à Ly, disposées les unes au- dessous des autres, ainsi que selon des rangées Ri à Rx prévues les unes à côté des autres. A titre d’exemples non limitatifs, dans le cadre de la fabrication de micro-batteries de type composant montable en surface (ci-après CMS), les feuilles d’anode et de cathode employées peuvent être des plaques de 100 mm x 100 mm. De manière typique, le nombre de lignes de ces feuilles est compris entre 10 et 500, alors que le nombre de rangées est compris entre 10 et 500. En fonction de la capacité souhaitée de la batterie, ses dimensions peuvent varier et le nombre de ligne et de rangées par feuilles d’anode et de cathode peut être adapté en conséquence. Les dimensions des feuilles d’anode et de cathode employées peuvent être modulées en fonction des besoins. Comme montré en figure 2, deux lignes adjacentes sont séparées par des ponts de matière 20, dont on note H20 la hauteur, laquelle est comprise entre 0,05 mm et 5 mm. Deux rangées adjacentes sont séparées par des bandes de matières, dont on note L22 la largeur, laquelle est comprise entre 0,05 mm et 5 mm. Ces ponts et bandes de matières des feuilles d’anode et de cathode leur confèrent une rigidité mécanique suffisante pour qu’elles puissent être manipulées aisément.
Les fentes 14 sont traversantes, à savoir qu’elles débouchent sur les faces respectivement supérieures et inférieures de la feuille. Les fentes 14 peuvent être réalisées de manière connue en soi, directement sur le substrat, avant tout dépôt de matériaux d’anode ou de cathode par gravure chimique, par électroformage, par découpe laser, par microperforation ou par étampage. Ces fentes peuvent aussi être réalisées sur des substrats revêtus de matériaux d’anode ou de cathode, sur des feuilles d’anode ou de cathode revêtues d’une couche d’électrolyte ou d’un séparateur, de manière connue en soi, par exemple par découpe laser, par découpe laser femtoseconde, par microperforation ou par étampage. Les fentes 14, réalisées dans l’ensemble des cathodes, sont superposées comme le montre notamment la figure 3.
On va maintenant décrire l’une des fentes 14 en forme de H, étant entendu que l’ensemble des découpes de la feuille de cathode est identique. La fente 14 est formée par deux évidements principaux verticaux et parallèles 16, lesquels sont reliés dans leur partie supérieure par un canal horizontal 18, de préférence perpendiculaire aux deux évidements principaux verticaux 16. On note :
• H14 la hauteur de l’ensemble de la fente, qui est typiquement comprise entre 0,25 mm et
1 0 mm ;
• L sa largeur, qui est typiquement comprise entre 0,25 mm et 10 mm ;
• L16 la largeur de chaque évidement principal, qui est typiquement comprise entre 0,02 mm et 5 mm ;
• H18 la hauteur de chaque canal, qui est typiquement comprise entre 0,01 mm et 0,5 mm ;
• Dis la différence de hauteurs entre le sommet des évidements principaux et le sommet du canal, qui est typiquement comprise entre 0,05 mm et 2 mm.
Chaque anode est également pourvue de différentes lignes et rangées de fentes 34, prévues en même nombre que les fentes 14. Comme le montre notamment la figure 4, la structure de chaque fente 34 est sensiblement analogue à celle de chaque fente 14, à savoir que cette fente 34 comprend deux évidements principaux verticaux 36, reliés par un canal 38. Les dimensions des évidements principaux verticaux 36 sont identiques à celles des évidements principaux verticaux 16 et, de manière analogue, les dimensions des canaux 38 sont analogues à celles des canaux 18.
En vue de dessus, les évidements principaux verticaux 36 sont superposés avec ceux 16. La seule différence, entre les fentes 14 et 34, réside dans le fait que les canaux 38 sont prévus en partie inférieure. Comme le montre notamment la figure 3, les canaux 18 et 38 sont mutuellement symétriques en vue de dessus, par rapport à l’axe médian des H, lequel est noté XH.
On suppose que l’empilement, décrit ci-dessus, est soumis à des étapes visant à assurer sa stabilité mécanique globale. Ces étapes, de type connu en soi, incluent notamment le thermopressage des différentes couches. Comme on va le voir ci-dessous, cet empilement permet la formation de batteries individuelles, dont le nombre est égal au produit entre le nombre de lignes Y et le nombre de rangées X.
À cet effet, en référence à la figure 5. on a illustré trois lignes Ln-i à Ln+i, ainsi que trois rangées Rn.i à Rn+i. Conformément à l’invention, on réalise deux découpes Dn et D’n par ligne de fentes. Chaque découpe, qui s’effectue de manière traversante, à savoir qu’elle s’étend sur l’ensemble de la hauteur de l’empilement, est réalisée de manière connue en soi. À titre d’exemples non limitatifs, on citera la découpe par sciage, notamment la découpe en dés, la découpe par guillotine ou encore la découpe par laser.
Comme le montre notamment la figure 6, qui est une vue à plus grande échelle de l’une des fentes de la figure 5, chaque découpe est réalisée entre un canal respectif et l’extrémité en regard du H. On suppose qu’on néglige l’épaisseur de ladite découpe. Dans ces conditions, en référence à cette figure 6, à titre d’exemples non limitatifs, on note :
• la distance D20 entre la découpe Dn et la face en regard du canal horizontal 18 est comprise entre 0,05 mm et 2 mm, étant entendu que cette distance D20 est inférieure ou égale à Die ;
• la distance D40 entre la découpe D’n et la face en regard du canal horizontal 38, comprise entre 0,05 mm et 2 mm, étant entendu que cette distance D40 est inférieure ou égale à D38·
En référence à nouveau à la figure 5, chaque batterie finale est délimitée, en haut et en bas, par les deux découpes et, à droite et à gauche, par les faces intérieures des évidements principaux verticaux du H. Sur cette figure 5 on a hachuré les batteries 100 une fois découpées par les lignes de découpe Dn et D’n, on a illustré avec des points les zones 40 des feuilles de l’empilement, qui ne forment pas les batteries, alors que le volume des fentes est laissé en blanc.
Les figures 7 et 8 sont des vues en coupe, prises selon des lignes de coupe parallèle. La coupe VII-VII s’étend à travers les évidements principaux verticaux du H, alors que la coupe VIII-VIII traverse la matière. Sur la figure 7, on a référencé les zones 40, illustrées également en figure 5, lesquelles correspondent à des chutes de matière, notamment des chutes de matériaux d’anodes 43 et de matériaux de cathodes 41. Sur la figure 8 on note que les découpes sont réalisées à la fois au travers des anodes et des cathodes, à savoir à une distance D2o des canaux des fentes en forme de H de manière à avoir pour chaque cathode 1 , respectivement chaque anode 3 de la batterie 100 un corps principal 111 , respectivement 131, séparé d’un corps secondaire 112, respectivement 132, par un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant 113, respectivement 133. Il s’agit là d’une caractéristique particulièrement avantageuse de l’invention, puisque cela permet d’améliorer la qualité de la découpe au regard de l’art antérieur et d’éviter la présence de court-circuit au niveau des bords latéraux de la batterie.
La demande WO 2016/001584 décrit des empilements de plusieurs cellules élémentaires, constituées de feuilles d’anode et de cathode empilées de manière alternée et décalée latéralement (cf. figure 12), encapsulés dans un système d’encapsulation pour assurer la protection de la cellule de la batterie vis-à-vis de l’atmosphère. La découpe de ces empilements encapsulés permettant d’obtenir des batteries unitaires, avec des connexions anodique et cathodique à nu, est réalisée selon un plan de coupe traversant une succession alternée d’électrode et de système d’encapsulation. De par la différence de densité existant entre l’électrode et le système d’encapsulation de la batterie de l’art antérieur, la découpe réalisée selon ce plan de coupe induit un risque d’arrachement du système d’encapsulation aux abords du plan de coupe, et ainsi la création de court-circuits. Dans l’art antérieur, lors de l’encapsulation, la couche d’encapsulation remplit les interstices de l’empilement des feuilles portant des découpes en forme de U. Cette couche d’encapsulation introduite au niveau de ces interstices est épaisse et n’adhère pas très bien à l’empilement induisant ce risque d’arrachement du système d’encapsulation lors de la découpe ultérieure.
Selon la présente invention, ce risque est supprimé avec l’emploi de feuilles portant des découpes en forme de H, car la structure mécanique thermopressée en forme de H est extrêmement rigide aux abords de la découpe, du fait de la superposition alternée de feuilles de cathode et d’anode. L’utilisation d’une telle structure rigide, avec l’emploi de feuilles portant des découpes en forme de H, permet de réduire le nombre de défauts lors des découpes, d’accroitre la vitesse de découpe et ainsi d’améliorer le rendement de production des batteries.
Selon l’invention, les découpes D’n et Dn sont effectuées au travers des anodes et des cathodes de densité comparable induisant une découpe propre de meilleure qualité. De plus la présence d’un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant empêche tout risque de court-circuit.
En référence désormais aux figures 9 à 11 , on a illustré l’une 100 des batteries conformes à l’invention. On note X100 et Y100 les axes médians respectivement longitudinal et latéral de cette batterie. On note 101 et 102 les bords latéraux, 103 et 104 les bords longitudinaux de cette batterie. On note par ailleurs 110 chaque cathode, et 130 chaque anode. Le nombre de ces cathodes, qui est identique au nombre de ces anodes, correspond au nombre de feuilles de cathode et de feuilles d’anode de l’empilement ci-dessus.
Comme le montre la figure 9, à savoir en vue de dessus, les espaces libres des cathodes sont superposés. De plus, selon cette même vue de dessus, les espaces libres des anodes sont superposés. Enfin, selon cette même vue de dessus, les espaces libres des cathodes et des anodes ne sont pas confondus. Cela est notamment représenté, à titre d’exemple, en figure 1 0.
L’espace libre (1 13) relie les bords longitudinaux opposés de la batterie qui sont représentés comme supérieur et inférieur sur la figure 9. Cet espace libre s’étend entre les bords longitudinaux opposés de la batterie séparant, pour chaque anode et chaque cathode, un corps principal d’un corps secondaire.
Chaque cathode 110 comprend un corps principal 111 , un corps secondaire 112 situé sur un premier bord latéral 101 , ainsi qu’un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant 113. Ce dernier, dont la largeur correspond à celle du canal 18 de la fente 14 décrite ci-dessus, s’étend entre les bords longitudinaux 103 et 104. De manière analogue, chaque anode 130 comprend un corps principal 131 , ainsi qu’un corps secondaire 132 situé sur le bord latéral 102, opposé à celui 101. Le corps principal 131 et le corps secondaire 132 sont séparés par un espace libre 133 de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant, reliant les bords 103 et 104, i.e. s’étendant entre les bords longitudinaux 103 et 104. Les 2 espaces libres 113 et 133 sont mutuellement symétriques, par rapport é l’axe médian Y100.
La largeur L113 de chaque espace libre 113 correspond à la largeur du canal 18, appartenant à la fente décrite dans les figures précédentes. Par ailleurs, la largeur L112 de chaque corps secondaire 112 correspond à la distance D20, telles que décrites en référence à la figure 6 ou à la figure 8.
La figure 13 illustre une variante supplémentaire de l’invention. Sur cette figure 13 les éléments mécaniques analogues à ceux des figures 1 à 1 1 illustrant le premier mode de réalisation, y sont affectés des mêmes numéros de référence augmentée du nombre 1000.
Cette seconde variante de réalisation diffère de la première variante essentiellement en ce que les fentes 1014 en forme de H sont réparties selon des lignes L1 à Ly, disposées les unes au-dessous des autres, ainsi que selon des rangées Ri à Rx prévues les unes à côté des autres. De la sorte au moins un des évidements principaux verticaux 1016 de la fente positionnée en rangée Rn est confondu avec au moins l’un des évidements principaux verticaux 1016 de la fente adjacente positionnée en rangée Rn-i et/ou Rn+i. Dans ce cas, les deux rangées adjacentes ne sont pas séparées par des bandes de matières. Comme montré en figure 13, deux lignes adjacentes sont séparées par des ponts de matière 1020, dont on note H1020 la hauteur, laquelle est comprise entre 0,05 mm et 5 mm. Ces ponts de matière confèrent aux feuilles d’anode et de cathode une rigidité mécanique suffisante pour qu’elles puissent être manipulées aisément.
Dans cette seconde variante de l’invention, les fentes 1014 en forme de H peuvent être, de préférence, les mêmes que dans la première variante. La fente 1014 est, de préférence, formée par deux évidements principaux verticaux et parallèles 1016, lesquels sont reliés dans leur partie supérieure par un canal horizontal 1018, de préférence perpendiculaire aux deux évidements principaux verticaux 1016.
Chaque cathode est pourvue de différentes lignes et rangées de fentes 1014. Chaque anode est également pourvue de différentes lignes et rangées de fentes 1034, prévues en même nombre que les fentes 1014.
La structure de chaque fente 1034 est sensiblement analogue à celle de chaque fente 1014, à savoir que cette fente 1034 comprend deux évidements principaux verticaux 1036, reliés par un canal 1038. Les dimensions des évidements principaux verticaux 1036 sont identiques à celles des évidements principaux verticaux 1016 et, de manière analogue, les dimensions des canaux 1038 sont analogues à celles des canaux 1018.
En vue de dessus, les évidements principaux verticaux 1036 sont superposés avec les évidements principaux verticaux 1016. La seule différence, entre les fentes 1014 et 1034, réside dans le fait que les canaux 1038 sont prévus en partie inférieure. Comme le montre notamment la figure 14, les canaux 1018 et 1038 sont mutuellement symétriques en vue de dessus, par rapport à l’axe médian des H, lequel est noté XH’.
On suppose que l’empilement des feuilles d’anode et de cathode, décrit ci-dessus, est soumis à des étapes visant à assurer sa stabilité mécanique globale. Ces étapes, de type connu en soi, incluent notamment le thermopressage des différentes couches. Comme on va le voir ci-dessous, cet empilement permet la formation de batteries individuelles, dont le nombre est égal au produit entre le nombre de lignes Y et le nombre de rangées X.
À cet effet, en référence à la figure 14. on a illustré trois lignes Ln-i à Ln+i, ainsi que trois rangées Rn-i à Rn+i. Conformément à l’invention, on réalise deux découpes Dn et D’n par ligne de fentes. Chaque découpe, qui s’effectue de manière traversante, à savoir qu’elle s’étend sur l’ensemble de la hauteur de l’empilement, est réalisée de manière connue en soi. À titre d’exemples non limitatifs, on citera la découpe par sciage, notamment la découpe en dés, la découpe par guillotine ou encore la découpe par laser.
Chaque découpe est réalisée entre un canal respectif et l’extrémité en regard du H. On suppose qu’on néglige l’épaisseur de ladite découpe. Les découpes sont réalisées à la fois au travers des anodes et des cathodes, à savoir à une distance D1020 des canaux des fentes en forme de H de manière à avoir pour chaque cathode 1110, respectivement chaque anode 1130 de la batterie 1100, un corps principal 1111 , respectivement 1131 , séparé d’un corps secondaire 1112, respectivement 1132, par un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant 1113, respectivement 1133, comme cela est illustré en figure 15. Il s’agit là d’une caractéristique particulièrement avantageuse de l’invention, puisque cela permet d’améliorer la qualité de la découpe au regard de l’art antérieur et d’éviter la présence de court-circuit au niveau des bords latéraux de la batterie. Chaque batterie finale 1100 est délimitée, en haut et en bas, par les deux découpes et, à droite et à gauche, par les faces intérieures des évidements principaux verticaux du H. Sur la figure 13 on a hachuré les batteries 1100 une fois découpées par les lignes de découpe Dn et D’n, on a illustré avec des points les zones 1040 des feuilles de l’empilement, qui ne forment pas les batteries, alors que le volume des fentes est laissé en blanc.
Selon l’invention, les découpes D’n et Dn sont effectuées au travers des anodes et des cathodes de densité comparable induisant une découpe propre de grande qualité. De plus la présence d’un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant empêche tout risque de court-circuit. Comme représenté en figure 15, chaque cathode 1110 comprend un corps principal 1111 , un corps secondaire 1112 situé sur un premier bord latéral 1101 , ainsi qu’un espace 1113 libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant. Ce dernier, dont la largeur correspond à celle du canal 1018 de la fente 1014 décrite ci-dessus, s’étend entre les bords longitudinaux. De manière analogue, chaque anode 1130 comprend un corps principal 1131 , ainsi qu’un corps secondaire 1132 situé sur le bord latéral 1102, opposé à celui 1101. Le corps principal 1131 et le corps secondaire 1132 sont séparés par un espace libre 1133 de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant, reliant les bords longitudinaux, i.e. s’étendant entre les bords longitudinaux 1103 et 1104. Les 2 espaces libres 1113 et 1133 sont mutuellement symétriques, par rapport à l’axe médian Y100.
La largeur Lm3 de chaque espace libre 1113 correspond à la largeur du canal 1018, appartenant à la fente décrite dans les figures précédentes. Par ailleurs, la largeur L1112 de chaque corps secondaire 1112 correspond à la distance D1020, telles que décrites précédemment.
La batterie 1100 obtenue selon la deuxième variante de l’invention est en tout point identique à celle obtenue selon la première variante de l’invention quand bien même l’agencement des fentes 1014 est différent.
Dans une troisième variante de l’invention qui n’est pas représentée sur les figures, les fentes 14 / 1014 en forme de H peuvent être réparties selon des lignes L1 à Ly, disposées les unes au-dessous des autres, ainsi que selon des rangées Ri à R prévues les unes à côté des autres. De la sorte, sur une même feuille d’anode et/ou de cathode, les fentes 14 / 1014 en forme de H sont disposées selon la première et la seconde variante de l’invention, sur les feuilles d’anode et/ou de cathode, de manière à conserver une rigidité mécanique suffisante pour que ces feuilles puissent être manipulées aisément et à ce que l’empilement puisse définir avantageusement un maximum de batteries unitaires.
La batterie 1100 obtenue selon la troisième variante de l’invention est en tout point identique à celle obtenue selon les première et/ou deuxième variantes selon l’invention quand bien même l’agencement des fentes 14 / 1014 sur les feuilles d’anode et/ou de cathode est différent.
La comparaison entre les figures 1 1 et 12 permet de mettre en exergue des avantages de l’invention. En effet, sensiblement tout le volume global de la batterie est occupé par de la matière utile, i.e. qui contribue au fonctionnement électrochimique de la batterie 100. En effet, seuls les deux espaces libres 133 / 1133, de très faible dimension, ne peuvent être considérés comme de la matière utile. À cet égard, en référence à la figure 10, on note que les faces libres 112’ des corps secondaires de cathode affleurent les faces libres 131’ du corps principal des anodes, alors que les faces libres 132’ des corps secondaires d’anode affleurent les faces libres 111’ du corps principal des cathodes. En d’autres termes, les bords latéraux opposés de la batterie conforme à l’invention, comprenant des matériaux d’électrode, sont sensiblement continus, par comparaison avec ceux de l’art antérieur illustré en figure 12, lesquelles sont discontinus du fait de la présence des retraits.
La « face libre du corps secondaire » correspond à la face appartenant au corps secondaire qui est opposée au corps principal.
La « face libre du corps principal » correspond à la face appartenant au corps principal qui est opposée au corps secondaire.
En outre, la présence d’espaces libres sur chaque couche d’anode, respectivement de cathode de la batterie permet de s’affranchir de l’utilisation de tout système d’encapsulation, i.e. de tout matériau isolant, tel que du parylène au sein de la batterie, ces espaces libres jouant le rôle d’isolant électrique. Les étapes finales de fabrication de batteries, telles que l’encapsulation, en sont facilitées. Il n’est plus nécessaire, comme dans l’art antérieur et illustré en figure 12, d’isoler les régions en retrait 210”, 230” au sein de la batterie, i.e. de remplir les interstices de la structure de l’art antérieur avec un système d’encapsulation, de remplir l’espace présent dans les découpes en forme de U positionnées façon tête bêche et décalés par un système d’encapsulation pour éviter tout court-circuit. L’utilisation d’une structure rigide selon l’invention, avec l’emploi de feuilles portant des découpes en forme de H, permet de faciliter l’encapsulation et de réduire les épaisseurs d’encapsulation au regard de l’art antérieur. Des systèmes d’encapsulation de type multicouche avec des couches plus fines et plus rigides que celles de l’art antérieur peuvent être envisagés. Avantageusement, après l’étape d’empilement des feuilles d’anode et de cathode, le traitement thermique de ce dernier permettant l’assemblage de la batterie est réalisé à une température comprise entre 50°C et 500°C, de préférence à une température inférieure à 350 °C, et/ou la compression mécanique de l’empilement des feuilles d’anode et de cathode à assembler est réalisée à une pression comprise entre 10 et 100 MPa, de préférence entre 20 et 50 MPa. Dans un mode de réalisation particulier, il est avantageux, après l’étape d’empilement et de traitement thermique de ce dernier, d’encapsuler l’empilement en déposant un système d’encapsulation pour assurer la protection de la cellule de la batterie vis-à-vis de l’atmosphère. Le système d’encapsulation doit être stable chimiquement, résister à une température élevée et être imperméable à l'atmosphère pour jouer sa fonction de couche barrière. Avantageusement, l'empilement de feuilles d’anode et de feuilles de cathode selon l’invention, peut être recouvert d’une séquence, de préférence de z séquences, d’un système d’encapsulation comprenant :
- une première couche de recouvrement, de préférence choisi parmi le parylène, le parylène de type F, le polyimide, les résines epoxy, le silicone, le polyamide et/ou un mélange de ceux-ci, déposée sur l’empilement de feuilles d’anode et de cathode,
- une deuxième couche de recouvrement composée d’une matière électriquement isolante, déposée par dépôt de couches atomiques sur ladite première couche de recouvrement.
Cette séquence peut être répétée z fois avec z > 1. Cette séquence multicouche a un effet barrière. Plus la séquence du système d’encapsulation sera répétée, plus cet effet barrière sera important. Il sera d’autant plus important que le nombre de couches minces déposées sera important.
Typiquement, la première couche de recouvrement est en polymère, par exemple en silicone (déposé par exemple par imprégnation ou par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à partir d’hexaméthyldisiloxane (HMDSO)), ou en résine epoxy, ou en polyimide, en polyamide, ou en poly-para-xylylène (plus connu sous le terme parylène). Cette première couche de recouvrement permet de protéger les éléments sensibles de la batterie de son environnement. L’épaisseur de ladite première couche de recouvrement est, de préférence, comprise entre 0.5 pm et 3 pm.
Avantageusement, la première couche de recouvrement peut être en parylène de type C, en parylène de type D, en parylène de type N (CAS 1633-22-3), en parylène de type F ou un mélange de parylène de type C, D, N et/ou F. Le parylène (appelé aussi polyparaxylylène ou poly(p-xylylène)) est un matériau diélectrique, transparent, semi cristallin qui présente une grande stabilité thermodynamique, une excellente résistance aux solvants ainsi qu’une très faible perméabilité. Le parylène a également des propriétés barrières permettant de protéger la batterie de son environnement externe. La protection de la batterie est accrue lorsque cette première couche de recouvrement est réalisée à partir de parylène de type F. Cette première couche de recouvrement est avantageusement obtenue à partir de la condensation de monomères gazeux déposés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur les surfaces, ce qui permet d’avoir un recouvrement conformai, mince et uniforme de l’ensemble des surfaces accessibles de l’empilement. Cette première couche de recouvrement est avantageusement rigide ; elle ne peut pas être considérée comme une surface souple. La deuxième couche de recouvrement est composée d’une matière électriquement isolante, de préférence inorganique. Cette deuxième couche de recouvrement présene, avantageusement un très faible coefficient WVTR, de préférence inférieur à 10-5 g/m2.d. Elle est, de préférence, déposée par dépôt de couches atomiques (ALD), de manière à obtenir un recouvrement conformai de l’ensemble des surfaces accessibles de l’empilement préalablement recouvert de la première couche de recouvrement. Les couches déposées par ALD sont très fragiles mécaniquement et nécessitent une surface d’appui rigide pour assurer leur rôle protecteur. Le dépôt d’une couche fragile sur une surface souple conduirait à la formation de fissures, engendrant une perte d’intégrité de cette couche de protection. Par ailleurs, la croissance de la couche déposée par ALD est influencée par la nature du substrat. Une couche déposée par ALD sur un substrat présentant des zones de natures chimiques différentes aura une croissance inhomogène, pouvant engendrer une perte d’intégrité de cette couche de protection.
Les techniques de dépôt par ALD sont particulièrement bien adaptées pour recouvrir des surfaces présentant une forte rugosité de manière totalement étanche et conforme. Elles permettent de réaliser des couches conformales, exemptes de défauts, tels que des trous (couches dits « pinhole free », i.e. exempts de trous) et représentent de très bonnes barrières. Leur coefficient WVTR est extrêmement faible. Le coefficient WVTR (water vapor transmission rate) permet d’évaluer la perméance à la vapeur d'eau du système d’encapsulation. Plus le coefficient WVTR est faible plus le système d’encapsulation est étanche.
La deuxième couche de recouvrement peut avantageusement être déposée par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (ou PECVD, pour Plasma-Enhanced Chemical Vapor Déposition en anglais) ou par dépôt chimique en phase vapeur de type HDPCVD (High Density Plasma Chemical Vapor Déposition en anglais) ou de type ICP CVD (Inductively Coupled Plasma Chemical Vapour Déposition en anglais).
Cette deuxième couche de recouvrement présente, de préférence, une épaisseur comprise entre 10 nm et 10 pm, préférentiellement, une épaisseur comprise entre 10 nm et 50 nm. L’épaisseur de cette deuxième couche est avantageusement choisie en fonction du niveau d’étanchéité aux gaz souhaité, i.e du coefficient WVTR souhaité et dépend de la technique de dépôt utilisée, notamment parmi l’ALD, le PECVD, HDPCVD et le ICPCVD.
La deuxième couche de recouvrement peut être en matériau céramique, en matériau vitreux ou en matériau vitrocéramique, par exemple sous forme d'oxyde, de type Al203, de Ta2C>5, de silice, de nitrure, notamment de nitrure de silicium, de phosphates, d’oxynitrure, ou de siloxane.
Cette deuxième couche de recouvrement déposée par ALD, PECVD, HDPCVD ou ICP CVD sur la première couche de recouvrement permet d’une part, d’assurer l’étanchéité de la structure, i.e. d’empêcher la migration de l’eau à l’intérieur de l’objet et d’autre part de protéger la première couche de recouvrement, de préférence de parylène de type F, de l’atmosphère, notamment de l’air et de l’humidité, des expositions thermiques afin d’éviter sa dégradation. Cette deuxième couche de recouvrement améliore la durée de vie de la batterie encapsulée.
De manière alternative, le système d’encapsulation, permettant d’assurer la protection de la cellule de la batterie, ou de l’empilement de feuilles d’anode et de feuilles de cathode selon l’invention, vis-à-vis de l’atmosphère peut être constitué d’une séquence, de préférence de z’ séquences, comprenant une première couche de recouvrement alternative présentant un très faible coefficient WVTR, de préférence inférieur à 10 5 g/m2.d. Cette séquence peut être répétée z’ fois avec z > 1. Elle présente un effet barrière, qui est d’autant plus important que la valeur de z’ est élevée. L’encapsulation de l’empilement de feuilles d’anode et de cathode dans cette séquence du système d’encapsulation, de préférence dans z’ séquences permet de réduire au maximum le coefficient WVTR de l'encapsulation, i.e. d’accroitre l’étanchéité de l’empilement.
L’épaisseur de ladite première couche de recouvrement alternative est, de préférence, comprise entre 0.5 pm et 50 pm.
Cette couche de recouvrement alternative peut être composée d’un matériau céramique et/ou d’un verre à bas point de fusion, de préférence d’un verre dont le point de fusion est inférieur à 600°C, déposée à la périphérie externe de l’empilement de feuilles anodique et cathodique. Le matériau céramique et/ou verre employé dans cette couche est, avantageusement choisi parmi :
- un verre à bas point de fusion (typiquement < 600°C), de préférence S1O2-B2O3 ; B12O3- B2O3, ZhO-Bΐ2q3-B2q3, Te02-V20s, PbO-Si02,
- des oxydes, des nitrures, des oxynitrures, du SixNy, Si02, SiON du Silicium amorphe ou du SiC.
Ces verres peuvent être déposés par moulage ou par dip-coating. Les matériaux céramiques sont avantageusement déposés par PECVD ou préférentiellement par HDPCVD ou par ICP CVD à basse température ; ces procédés permettent de déposer une couche ayant de bonnes propriétés d’étanchéité.
Avantageusement, le système d’encapsulation alternatif peut comprendre z’ couches de recouvrement alternatif de nature différente afin de réduire le coefficient WVTR de l’encapsulation, i.e. d’accroître l’étanchéité de l’empilement. A titre d’exemple, le système d’encapsulation peut comprendre une première couche composée d’un matériau céramique, une deuxième couche composée d’un verre à bas point de fusion disposée sur la première couche, et inversement.
L’encapsulation dans un film de verre peut être obtenu par dépôt d’une encre comprenant des oxydes, des phosphates, des borates et ou des précurseurs d’un verre à bas point de fusion, suivi d’un frittage.
On obtient ainsi une encapsulation rigide et étanche, qui empêche notamment le passage de la vapeur d’eau au niveau de l’interface entre le système d’encapsulation et les terminaisons.
La mesure de la perméance à la vapeur d’eau peut se faire à l’aide d’une méthode qui fait l’objet du US 7,624,621 et qui est également décrite dans la publication « Structural properties of ultraviolet cured polysilazane gas barrier layers on polymer substrates » par A. Mortier et al., parue dans la revue Thin Solid Films 6+550 (2014) 85-89.
L’empilement de feuilles d’anode et de cathode ainsi encapsulé dans cette séquence du système d’encapsulation, de préférence dans z séquences, ou dans le système d’encapsulation alternatif, peut ensuite être revêtu d’une dernière couche de recouvrement de manière à protéger mécaniquement l’empilement ainsi encapsulé et éventuellement lui conférer un aspect esthétique. Cette dernière couche de recouvrement protège et améliore la durée de vie de la batterie. Avantageusement cette dernière couche de recouvrement est également choisie pour résister à une température élevée, et présente une résistance mécanique suffisante pour protéger la batterie lors de son utilisation ultérieure. Avantageusement, l’épaisseur de cette dernière couche de recouvrement est comprise entre 1 pm et 50 pm. Idéalement, l’épaisseur de cette dernière couche de recouvrement est d’environ 10-15 pm, une telle gamme d’épaisseur permet de protéger la batterie contre l’endommagement mécanique.
Cette dernière couche de recouvrement est de préférence à base de résine époxy, de polyéthylène naphtalate (PEN), de polyimide, de polyamide, de polyuréthane, de silicone, de silice sol-gel ou de silice organique. Avantageusement, cette dernière couche de recouvrement est déposée par trempage.
L’empilement de feuilles d’anode et de cathode ainsi enrobée est ensuite découpée par tout moyen approprié selon les lignes de coupes D’n et Dn de manière à mettre à nu les connexions anodiques et cathodiques et à obtenir des batteries unitaires.
Dans le cas des batteries imprégnées par un électrolyte liquide, l’imprégnation de la batterie par un électrolyte liquide est avantageusement réalisée, après obtention des batteries unitaires dont les connexions anodique et cathodique sont à nu, par une phase porteuse d’ions de lithium telle que des électrolytes liquides ou un liquide ionique contenant des sels de lithium ; cette phase porteuse d’ions de lithium pénètre dans la batterie par capillarité.
Des terminaisons (contacts électriques) sont ajoutées au niveau où les connexions cathodiques, respectivement anodiques sont apparentes (non revêtues d’électrolyte isolant). Ces zones de contact sont, de préférence, disposées sur des côtés opposés de l’empilement de la batterie pour collecter le courant (collecteurs de courant latéraux) ou sur des côtés adjacents. Les connexions sont métallisées à l’aide de techniques connues de l’homme du métier, de préférence par immersion dans une résine époxy conductrice et / ou un bain d'étain en fusion. De préférence, les terminaisons sont constituées, aux abords des connexions cathodique et anodique, d’un premier empilement de couches comprenant successivement une première couche d’un matériau chargé en graphite, de préférence en résine époxy chargée de graphite, et une deuxième couche comprenant du cuivre métallique obtenue à partir d’une encre chargée en nanoparticules de cuivre déposée sur la première couche. Ce premier empilement des terminaisons est ensuite fritté par lampe flash infra-rouge de manière à obtenir un recouvrement des connexions cathodique et anodique par une couche de cuivre métallique. En fonction de l’utilisation finale de la batterie, les terminaisons peuvent comprendre, de manière additionnelle, un deuxième empilement de couches disposé sur le premier empilement des terminaisons comprenant successivement une première couche d’un alliage étain-zinc déposé, de préférence par trempage dans un bain d’étain-zinc en fusion, afin d’assurer l’étanchéité de la batterie à moindre coût et une deuxième couche à base d’étain pur déposée par électrodéposition ou une deuxième couche comprenant un alliage à base d’argent, de palladium et de cuivre déposée sur cette première couche du deuxième empilement.
Les terminaisons permettent de reprendre les connexions électriques alternativement positives et négatives sur chacune des extrémités. Ces terminaisons permettent de réaliser les connexions électriques en parallèle entre les différents éléments de batterie. Pour cela, seules les connexions cathodiques sortent sur une extrémité, et les connexions anodiques sont disponibles sur une autre extrémité.
La batterie selon l’invention peut être une microbatterie aux ions de lithium, une minibatterie aux ions de lithium, ou encore une batterie à ions de lithium de forte puissance. En particulier, elle peut conçue et dimensionnée de manière à avoir une capacité inférieure ou égale à environ 1 mA h (appelée couramment « microbatterie »), de manière à avoir une puissance supérieure à environ 1 mA h jusqu’à environ 1 A h (appelée couramment « minibatterie »), ou encore de manière à avoir une capacité supérieure à environ 1 A h
(appelée couramment « batterie de puissance »). De manière typique, les microbatteries sont conçues de manière à être compatibles avec les procédés de fabrication de la microélectronique.
Les batteries de chacune de ces trois gammes de puissance peuvent être réalisées : - soit avec des couches de type « tout solide », i.e. dépourvues de phases liquides ou pâteuses imprégnées (lesdites phases liquides ou pâteuses pouvant être un milieu conducteur d’ions de lithium, capable d’agir comme électrolyte), soit avec des couches de type « tout solide » mésoporeuses, imprégnées par une phase liquide ou pâteuse, typiquement un milieu conducteur d’ions de lithium, qui entre spontanément à l’intérieur de la couche et qui ne ressort plus de cette couche, de sorte que cette couche puisse être considérée comme quasi-solide,
soit avec des couches poreuses imprégnées (i.e. couches présentant un réseau de pores ouverts qui peuvent être imprégnés avec une phase liquide ou pâteuse, et qui confère à ces couches des propriétés humides).

Claims

REVENDICATIONS
1. Batterie (100) comprenant au moins une anode (3) et au moins une cathode (1 ), disposée l’une au-dessus de l’autre de manière alternée, ladite batterie (100) comprenant des bords latéraux (101 , 102) comprenant une zone de connexion anodique et une zone de connexion cathodique, latéralement opposée à la zone de connexion anodique, et des bords longitudinaux (103, 104), dans laquelle l’anode (3) comprend :
un substrat collecteur de courant,
- au moins une couche d’anode, et
- éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte,
et la cathode (1) comprend :
- un substrat collecteur de courant,
au moins une couche de cathode, et
- éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte,
de sorte que la batterie comprend successivement au moins une couche d’anode, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte, et au moins une couche de cathode, caractérisée en ce que chaque anode et chaque cathode comprend un corps principal (1 1 1 , 131) respectif, séparé d’un corps secondaire (112, 132) respectif, par un espace libre (1 13, 133) de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et de substrat collecteur de courant, ledit espace libre reliant les bords longitudinaux (103, 104) opposés de la batterie.
2. Batterie selon la revendication précédente, caractérisée en ce que, en vue de dessus, les espaces libres des cathodes sont superposés.
3. Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que, en vue de dessus, les espaces libres des anodes sont superposés.
4. Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que, en vue de dessus, les espaces libres des cathodes et des anodes ne sont pas confondus.
5. Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que des faces libres des corps secondaires respectivement des cathodes (1 12’) et des anodes (132’), qui sont opposées à l’espace libre, affleurent des faces libres du corps principal respectivement des anodes (131’) et des cathodes (1 1 1’).
6. Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend un système d’encapsulation revêtant totalement quatre des six faces de ladite batterie, les deux faces restantes comprenant une zone de connexion anodique et une zone de connexion cathodique.
7. Batterie selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le système d’encapsulation comprend :
- au moins une première couche de recouvrement, de préférence choisie parmi le parylène, le parylène de type F, le polyimide, les résines epoxy, le silicone, le polyamide, la silice sol-gel, la silice organique et/ou un mélange de ceux-ci, déposée sur la batterie,
- au moins une deuxième couche de recouvrement composée d’une matière électriquement isolante, déposée par dépôt de couches atomiques sur ladite au moins première couche de recouvrement,
étant entendu que cette séquence d’au moins une première couche de recouvrement et d’au moins une deuxième couche de recouvrement peut être répétée z fois avec z ³ 1.
8. Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la zone de connexion anodique et la zone de connexion cathodique sont recouvertes par un système de terminaison.
9. Batterie selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le système de terminaison comprend successivement :
une première couche d’un matériau chargé en graphite, de préférence à base de résine époxy chargée en graphite,
une seconde couche dense de cuivre métallique disposée sur la première couche du système de terminaison, et
- optionnellement, une troisième couche à base d’un alliage étain-zinc d’étain, disposée sur la deuxième couche,
- optionnellement, une quatrième couche à base d’étain ou à base d’un alliage d’argent, de palladium et de cuivre, disposée sur la troisième couche du système de terminaison.
10. Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la largeur de l’espace libre (L ) est comprise entre 0,01 mm et 0,5 mm.
1 1. Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la largeur des corps secondaires (L112) est comprise entre 0,05 mm et 2 mm.
12. Procédé de fabrication d’une batterie, ladite batterie comprenant au moins une anode (3) et au moins une cathode (1 ), disposée l’une au-dessus de l’autre de manière alternée, ladite batterie (100) comprenant des bords longitudinaux (103,104) et des bords latéraux (101 , 102),
dans lequel l’anode (3) comprend :
un substrat collecteur de courant,
- au moins une couche d’anode, et
- éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte,
et la cathode (1) comprend :
- un substrat collecteur de courant,
- au moins une couche de cathode, et
- éventuellement une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte
de sorte que la batterie comprenne successivement au moins une couche d’anode, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte, et au moins une couche de cathode,
chaque anode (3) comprenant une zone de connexion anodique, située au voisinage d’un premier bord latéral de la batterie, alors que chaque cathode (1) comprend une zone de connexion cathodique, située sur un second bord latéral de la batterie, opposé audit premier bord,
ledit procédé de fabrication comprenant :
a) l’approvisionnement d’un empilement (I) de feuilles alternées, cet empilement comprenant des premières feuilles ou feuilles d’anode dont chacune est destinée à former une couche d’anode de plusieurs batteries, ainsi que des deuxièmes feuilles ou feuilles de cathode dont chacune est destinée à former une couche de cathode de plusieurs batteries, chaque feuille d’anode comprenant au moins une fente (34) d’anode et chaque feuille de cathode comprenant au moins une fente (14) de cathode, ladite fente respectivement d’anode et de cathode comprenant deux parties longitudinales (16, 36) au moins en partie superposées, destinées à délimiter les bords longitudinaux (103, 104) de la batterie, ainsi qu’une partie latérale (18, 38) reliant lesdites deux parties longitudinales, la partie latérale de la fente d’anode (38) et la partie latérale de la fente de cathode (18) étant mutuellement décalée, étant entendu que chaque partie latérale des fentes délimite un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et de substrat collecteur de courant, ledit espace libre séparant, pour chaque anode et chaque cathode, un corps principal d’un corps secondaire, b) la réalisation d’un traitement thermique et/ou d’une compression mécanique de l’empilement de feuilles alternées précédemment approvisionné, c) la réalisation de deux découpes (Dn, D’n) s’étendant au moins partiellement à l’intérieur desdites fentes, la première découpe s’étendant entre la partie latérale de la fente d’anode et l’extrémité en regard des parties longitudinales, alors que la seconde découpe s’étend entre la partie latérale de la fente de cathode et l’extrémité en regard des parties longitudinales.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu’on réalise, après l’étape c), l’encapsulation de l’empilement découpé, en déposant :
- au moins une première couche de recouvrement, de préférence choisie parmi le parylène, le parylène de type F, le polyimide, les résines epoxy, le silicone, le polyamide, la silice sol-gel, la silice organique et/ou un mélange de ceux-ci, sur la batterie, et puis
- au moins une deuxième couche de recouvrement composée d’une matière électriquement isolante, déposée par dépôt de couches atomiques sur ladite au moins première couche de recouvrement,
étant entendu que la séquence d’au moins une première couche de recouvrement et d’au moins une deuxième couche de recouvrement peut être répétée z fois avec z > 1.
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu’on réalise, après l’étape d) d’encapsulation de l’empilement découpé, l’imprégnation de l’empilement découpé et encapsulé, par une phase porteuse d’ions de lithium telle que des électrolytes liquides ou un liquide ionique contenant des sels de lithium.
15. Procédé selon la revendication 13 ou la revendication 14, caractérisé en ce qu’on réalise les terminaisons de la batterie en déposant successivement :
une première couche d’un matériau chargé en graphite, de préférence à base de résine époxy chargée en graphite,
une seconde couche dense de cuivre métallique disposée sur la première couche du système de terminaison, et
- optionnellement, une troisième couche à base d’un alliage étain-zinc d’étain, disposée sur la deuxième couche du système de terminaison,
- optionnellement, une quatrième couche à base d’étain ou à base d’un alliage d’argent, de palladium et de cuivre, disposée sur la troisième couche du système de terminaison.
16. Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce qu’on réalise les deux découpes (Dn, D’n) au travers d’au moins une majorité des anodes et des cathodes, en particulier au travers de l’ensemble des anodes et des cathodes.
17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que les distances entre chaque découpe et les extrémités en regard des parties longitudinales sont identiques.
18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que ses distances sont comprises entre 0,05 mm et 2 mm.
19. Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 18, caractérisé en ce que chaque fente présente une forme globale de H, les parties longitudinales formant les évidements principaux verticaux du H, alors que la partie latérale forme le canal du H.
20. Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 19, caractérisé en ce que chaque partie latérale des fentes délimite un espace libre de tout matériau d’électrode, d’électrolyte et/ou de substrat collecteur de courant reliant les bords longitudinaux opposés de la batterie, ledit espace libre séparant, pour chaque anode et chaque cathode, un corps principal d’un corps secondaire.
21. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que la largeur de la partie latérale est comprise entre 0,05 mm et 2 mm.
22. Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 21 , caractérisé en ce que chaque feuille appartenant audit empilement comprend plusieurs lignes de fente disposées les unes à côté des autres, et en ce qu’on réalise les deux découpes à travers l’ensemble des fentes d’une même ligne.
23. Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 22, caractérisé en ce que chaque feuille comprend plusieurs rangées de fentes disposées les unes au- dessous des autres.
24. Procédé selon la revendication 23, caractérisé en ce que la distance séparant des découpes adjacentes, ménagées dans des lignes voisines, est comprise entre 0,05 mm et 5 mm.
25. Procédé selon l’une des revendications 23 ou 24, caractérisé en ce que le nombre de lignes est compris entre 10 et 500, alors que le nombre de rangées est compris entre 10 et 500.
26. Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 25, caractérisé en ce qu’on réalise chaque découpe par un procédé de sciage, par un procédé de découpe en dés, par guillotine, ou par laser.
PCT/FR2019/000220 2018-12-24 2019-12-24 Procédé de fabrication de batteries, et batterie obtenue par ce procédé WO2020136313A1 (fr)

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