WO2022090204A1 - Dispositif de sécurité adaptable sur une cellule électrochimique - Google Patents

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WO2022090204A1
WO2022090204A1 PCT/EP2021/079638 EP2021079638W WO2022090204A1 WO 2022090204 A1 WO2022090204 A1 WO 2022090204A1 EP 2021079638 W EP2021079638 W EP 2021079638W WO 2022090204 A1 WO2022090204 A1 WO 2022090204A1
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cell
container
plate
wall
support plate
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PCT/EP2021/079638
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Rémi VINCENT
Nicolas Ferrier
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Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives
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    • H01M50/342—Non-re-sealable arrangements
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a safety device adaptable to an electrochemical cell, for example a battery of cylindrical format.
  • These cells of the 18650, 21700 type or other cylindrical formats comprise a container, called a cup, of cylindrical shape, in which is placed a roller, also called a bobbin, bringing together the two electrodes. An electrolyte is then injected into said well.
  • the cup is closed at its lower end and open at its upper end, a cap being affixed to this upper end to close the container hermetically.
  • Such a lithium cell is waterproof and generally has protective devices on its cap to prevent it from exploding in cases of abusive use (in temperature or in charge).
  • protective devices include the following:
  • a current interrupt device (CiD - For "Current Interrupt Device") which interrupts the current in the event of overpressure in the bucket, without affecting this pressure;
  • An overpressure vent generally made in the form of a bursting disc which allows gases to be released, in order to prevent an explosion
  • the bucket itself can also be weakened in order to open in optimal conditions to prevent an excessively violent explosion
  • the overpressure vent is usually set to burst at 15 to 20 bar and is often located on the positive pole side of the cell.
  • type 21700 cells to improve safety, some manufacturers add an additional overpressure vent on the side opposite to that carrying the main vent, i.e. on the negative pole (publication: Darcy et al. - 2018 - "Design Guidelines for Safe High Performing Li-ion Batteries with 18650 cells").
  • the kinetics of the reactions may cause the explosion of the cell, despite the presence of an overpressure vent, tearing off the positive pole of the cell and possibly causing the expulsion bobbin out of the cell.
  • the expulsion can in particular take place after tearing off the container at the level of its mechanically most fragile wall.
  • the object of the invention is to propose a safety device adaptable to an electrochemical cell and making it possible to avoid the expulsion of the coil from the cell, in the event of thermal runaway, while making it possible to ensure the release of gases .
  • a safety device that can be fitted to an electrochemical cell, said cell comprising a container in which a coil is placed, said container comprising a first wall provided with at least one initiator of rupture, adapted to break in the event of defect to expel the gases, and a second wall preventing the bobbin from exiting from said container, said safety device comprising:
  • a holding device arranged to provide support against said second wall of the container to hold it in position in the event of thermal runaway and to retain the bobbin inside said container
  • a gas release device arranged to guarantee the expulsion of gases outside the cell, in the event of thermal runaway.
  • the holding device comprises a fixed frame with respect to the cell and support means fixed to said frame.
  • the gas release device comprises a plate, called the sealing plate pierced with a through hole
  • the holding device comprises a bearing stud housed in said hole of the sealing plate and configured to exert a bearing against said second wall of the container, a channel being provided between said stud and the internal wall of said hole to form a passage for gases,
  • the gas release device comprises sealing means arranged in said channel to seal said passage.
  • the closure means comprise a lip seal.
  • the holding device comprises several support studs formed on the same common support plate, fixed to said frame.
  • said support plate comprises at least one through opening.
  • the holding device comprises a support plate arranged to provide support against said second wall of the cell, and a compression plate fixed to the frame and arranged to compress said support plate, said support plate comprising a first through-hole and said compression plate comprising a second through-hole, the gas release device comprises a perforable film arranged between said support plate and said compression plate, forming means for closing off the passage created by the first through-hole and through the second through hole.
  • the support plate includes a housing for receiving a metal foil.
  • said support plate includes a receiving compartment for an electrochemical cell.
  • the frame comprises a casing intended to accommodate said electrochemical cell.
  • the invention also relates to a use of the safety device as defined above and intended to fit on an electrochemical cell of cylindrical format.
  • the electrochemical cell is in the 18650 or 21700 format.
  • the solution of the invention makes it possible to put the positive pole under stress/pressure, while allowing the gas to escape in the event of thermal runaway.
  • FIG. 1A represents, in sectional view and schematically, a lithium cell of the 18650 or 21700 type
  • FIG. 1B represents the cell of FIG. 1A, on which are transferred the main forces which are exerted on the walls of the container in the event of thermal runaway;
  • FIGS. 2A and 2B show respectively, seen in perspective, a current switch device and a vent, conventionally employed in a lithium battery as shown in FIG. 1;
  • FIG. 3 illustrates, in top view, the principle of producing a pack of several electrochemical cells, arranged in staggered rows;
  • FIGS. 4A and 4B show a first embodiment of the device of the invention, fitted to an electrochemical cell
  • FIGS. 5A and 5B show a second embodiment of the device of the invention, fitted to an electrochemical cell
  • FIG. 6 illustrates the adaptation of the first embodiment to a pack of several cells
  • FIG. 7 illustrates the adaptation of the second embodiment to a pack of several cells
  • FIG. 8 shows an alternative embodiment of the architecture of FIG. 7
  • FIG. 9 represents a third embodiment of the device of the invention.
  • FIG. 10 illustrates the adaptation of the third embodiment to a pack of several cells
  • the main object of the invention is to propose a solution to avoid the expulsion of the coil in the event of thermal runaway of the cell.
  • the terms "top”, “bottom”, “lower”, “upper”, “above”, “below” are to be understood with reference to the vertical axis (X) shown in Figure 1.
  • the safety device of the invention is in particular perfect for adapting to a lithium electrochemical secondary cell.
  • the security device of the invention is described mainly for a cell of cylindrical shape of revolution, for example of the 18650 or 21700 type, but it should be understood that it can be adapted to a cell having a different external shape, in particular of prismatic type, its principle being reproducible whatever the shape of the cell.
  • a conventional lithium secondary cell of the 18650 or 21700 type has a cylindrical shape with a circular base, developed around the axis (X).
  • X axis
  • such a lithium cell 1 mainly comprises a container comprising an upper head comprising an upper wall 100 carrying the positive pole, a lower head comprising a lower wall 101 carrying the negative pole and a side wall 102.
  • the container is generally composed of a bucket 10, of cylindrical shape, and a cap 15 fixed on the bucket and closing the latter on its upper part.
  • This cup 10 defines an internal volume 11 in which are placed the two electrodes 12 (represented by a single assembly in FIG. 1).
  • the two electrodes 12 are made on either side of a flexible insulating plate wound to form a cylindrical assembly which is housed in the cup 10 and forming a bobbin. An electrolyte is then injected into the internal volume 11 of the bucket.
  • a central insert 16 can be inserted axially into the cup 10.
  • the cell has two connection tabs 13, 14 each connected to a separate electrode.
  • the cup 10 is hermetically closed by a cap 15.
  • This cap 15 carries a stack located inside the cup 10 and formed of an overpressure vent 150, a current interrupter device 151 , optionally a PTC type thermistor 152 (with a positive temperature coefficient), and an external cover 153 forming a first electrical connection terminal of the cell.
  • the current switch device 151 is actuated by the vent 150 when the pressure of the gases present inside the bucket 10 becomes too high. In this situation of excessive pressure, the vent 150 deforms until it breaks the current interrupting device 151 located above, then causing the interruption of the current electric supplied. If the pressure of the gases present inside the bucket continues to increase, the vent 150 may deform until it ruptures, so as to allow the gases to be released to the outside.
  • the current interruption device 151 may be in the form of a ring 154 coaxial with the axis (X), comprising a bridge 155 diametral by which the current flows electric. This bridge 155 is likely to break when the pressure in the bucket exceeds a certain threshold, then interrupting the electric current in the cell.
  • the vent may be in the form of a disc 156 coaxial with the axis (X) and comprising a curved profile 157 forming a concavity towards the inside of the cell .
  • this domed profile is deformed to form a convex profile towards the outside, and when the pressure exceeds a certain threshold, the vent ruptures under the effect of the gas pressure.
  • the vent may include an annular groove 158 forming a rupture initiator.
  • the main overpressure vent is generally placed on the side of the positive pole of the cell, on its upper part.
  • it can be replaced or supplemented by a vent placed on the side of the negative pole.
  • the safety device of the invention can be made to fit on one or more electrochemical cells.
  • cells 1 can in fact be arranged vertically in a box 2, and connected to each other, in series/parallel by using metallic foils 3 making it possible to ensure the connections, the cells then forming a pack.
  • the cells 1 can for example be arranged in staggered rows. Compartments or compartments can be provided to hold the cells 1 in the casing 2, at their upper part and/or at their lower part (20, FIGS. 6 to 8).
  • a foil 3 is made in the form of a metal blade coming into contact with the positive pole of cell 1.
  • the shim 3 can be carried by an end piece 8 adapted to be positioned on the upper or lower head of the cell, respectively on the side of the positive pole or on the side of the negative pole of the cell.
  • these end pieces 8 can be combined in a single piece 502, forming said holding compartments for the cells in the casing and ensuring the role of spacer between the cells which are juxtaposed (FIG. 8).
  • the safety device of the invention is intended to be fixed permanently on the cell.
  • FIG. 1B shows the forces acting on the walls of the container of cell 1 in the event of thermal runaway.
  • the container has mechanical weaknesses, linked to the presence of the vent and then of the cover 153 forming the positive pole.
  • the latter may in particular have several radial openings 159 allowing the release of gases. However, these openings tend to weaken its structure and its mechanical strength.
  • the assembly of the cover 153 by crimping on the side wall 102 of the cell constitutes another zone of fragility and a deformation of the cover 153 is likely to cause tearing of this crimp. If the wall forming the positive pole breaks, the coil can then be expelled from the cell container.
  • the safety device comprises a holding device intended to be fixed on the container and arranged to ensure that the wall of the container is held in position, by which the bobbin would be most likely to be expelled in the event of thermal runaway. It may in particular be a wall having certain mechanical weaknesses.
  • the holding device is configured to provide mechanical support as close as possible to the axis (X) of revolution of the cell.
  • this wall comprises the cover 153 forming the positive pole of the cell 1.
  • this cover 153 is placed on the trajectory of the coil in the event of expulsion of the latter, and has certain mechanical weaknesses.
  • the safety device also comprises a gas release device arranged to guarantee the expulsion of the gases outside the cell, in the event of thermal runaway.
  • the safety device is adapted to be positioned on the upper head of the cell 1, carrying the positive pole.
  • the holding device comprises a frame 7 fixed with respect to the cell 1 and holding means fixed to said frame 7 and arranged to exert a bearing against the wall of the container intended to hold the bobbin in the cell. It should be noted that this wall is to be differentiated from that carrying the incipient fracture, the latter being of course configured to break in the event of thermal runaway to release the gases.
  • the gas release device comprises at least one channel arranged opposite the incipient fracture and means for closing this channel.
  • the closure means are configured to open, after rupture of the vent, under the pressure of the gases generated.
  • the security device can incorporate said metal foil 3.
  • the security device can be produced according to several distinct embodiments.
  • the gas release device may comprise a plate 4, called sealing plate, fixed to the shim 3, transversely to the axis (X), for example by gluing or screwing, and having a through hole 40 forming a channel placed opposite the incipient rupture of the overpressure vent.
  • the holding means comprise a holding member fixed to said frame 7 and comprising for example a bearing block 5 which is housed in the through hole 40 of the sealing plate, a channel, for example an annular channel 50, being provided between said pad 5 and the internal wall of said through hole 40, this annular channel 50 forming a passage for the gases to be released in the event of thermal runaway.
  • the closure means comprise a lip seal 6 of annular shape arranged in said channel 50 to close said passage.
  • Said seal 6 is configured to form a non-return valve and only authorize the release of gases in one direction, from cell 1 to the outside, in the event of thermal runaway and prevent any return of gases from the outside. towards the cell and avoid spreading the thermal runaway reaction to neighboring cells.
  • Figure 4B shows the movement of gases G in the event of thermal runaway.
  • the stud 5 may include an annular groove 51 on its side wall, in which said gasket 6 is housed.
  • the support block 5 can consist of a plastic part or a screw whose body is housed and screwed into the hole 40 of the plate 4. It is necessary note that the sealing plate 4 is present to essentially serve as a clamping support for the stud 5 so that the latter bears against the wall of the bucket. The bearing pad 5 bears against the upper transverse wall of the cover 153 forming the positive pole of the cell 1.
  • the holding means can thus comprise a single support plate 52 supporting several studs 5 arranged in parallel, standing on one face of the plate 52, each stud 5 being dedicated to a separate cell, to provide support against the cover 153
  • the sealing plate 4 is provided with several through holes, in each of which is housed a stud 5 separate from the support plate 52, a separate lip seal 6 being positioned around each stud to ensure the gas control.
  • the support plate 52 can be fixed on the casing 2, by gluing or screwing, this assembly making it possible to ensure the holding function, the casing 2 carrying out the function of the frame 7.
  • the support plate is advantageously provided with several openings 53 to allow the gases to escape in the event of thermal runaway of one or more cells 1 placed in the casing 2. These holes are judiciously placed to communicate with the gas exhaust channels.
  • sealing plate 4 can be fixed, by gluing or screwing, to the shims 3.
  • a sealing device of the seal or gel type can be integrated between the sealing plate 4 and the internal wall of the box 2 to avoid any return of gas to the cells.
  • the holding means comprise a support plate 500 arranged transversely to the axis (X) and fixed to the shim 3 and a compression plate 400 fixed to the chassis 7 and arranged to come to compress said support plate 500.
  • the support plate 500 is configured to come to exert at least partial support against the cover 153 forming the positive pole of the cell, in order to be able to hold it in position in case of thermal runaway of cell 1 .
  • the gas release device comprises a first through hole 501, made through said support plate 500 and a second through hole 401 made through said compression plate 400 and facing said first hole 501 .
  • the two holes form a passage arranged opposite the incipient fracture.
  • the closure means comprise a perforable film 600, for example of plastic material, placed between the two plates and configured to close the passage formed by the two holes.
  • the film 600 is configured to perforate when gases are released, following the rupture of the rupture primer.
  • the through hole 501 has a diameter adjusted so that the bearing plate 500 is provided with a bearing surface of sufficient size against the cover 153, allowing the coil to be held in the event of thermal runaway, while guaranteeing a release gases.
  • the means can be pooled when several cells 1 are combined in a pack within the same box 2, the latter fulfilling the function of frame 7.
  • FIG. 7 illustrates this principle.
  • the support plate 500, the film 600 and the compression plate 400 are therefore joined together in the same assembly, the film 600 compressed between the support plate and the compression plate, guaranteeing sealing.
  • This set can be made by screwing the support plate onto the compression plate.
  • Compression plate 400 is attached to housing 2.
  • said support plate 500 may have compartments 502, plate 500 thus playing the role of holding the cells in the casing 2 and the role of the tip 8 supporting the shim 3.
  • FIG. 8 illustrates this alternative embodiment.
  • a third embodiment can be proposed to fit on the negative pole of cell 1 when the latter has an overpressure vent on the side of its negative pole.
  • This third embodiment is a variation of the second embodiment described above, applied to the negative pole of cell 1 .
  • the references used are thus repeated identically.
  • the support plate 500 comprises a through hole provided with an internal shoulder on which the lower head of the cell 1 rests, thus forming a holding compartment 502 of the cell on its lower part.
  • a shim 3 making it possible to ensure the electrical connection, is housed in said hole.
  • the compression plate 400 is fixed on the support plate 500, the perforable film 600 being compressed between said compression plate and said support plate.
  • the film 600 is configured to perforate when gases are released, following the rupture of the rupture primer of the vent.
  • this architecture can be duplicated for each cell 1 of a pack, the support plate 500, the perforable film 600 and the compression plate 400 being common for all the cells 1 housed in the casing 2.
  • the support plate 500 thus has several compartments 502 to each accommodate the lower head of a separate cell.
  • the compression plate 400 can be fixed to the casing 2.
  • a sealing device of the seal or gel type can be integrated between the support plate 500 and the internal wall of the casing to prevent any return of gas towards the cells 1 .

Abstract

L'invention concerne un dispositif de sécurité adaptable sur une cellule électrochimique (1), ladite cellule comportant un conteneur (10) dans lequel est placé un bobinot, ledit conteneur comprenant au moins une première paroi dotée d'au moins une amorce de rupture, adaptée pour se rompre en cas de défaut pour expulser les gaz, et une deuxième paroi agencée pour assurer le maintien du bobinot dans ledit conteneur, caractérisé en ce que le dispositif de sécurité comporte : - Un dispositif de maintien agencé pour assurer un appui contre ladite deuxième paroi de la cellule pour la maintenir en position en cas d'emballement thermique et retenir le bobinot à l'intérieur dudit conteneur, - Un dispositif de libération des gaz, agencé pour garantir l'expulsion des gaz en dehors de la cellule, en cas d'emballement thermique.

Description

Dispositif de sécurité adaptable sur une cellule électrochimique
Domaine technique de l'invention
La présente invention se rapporte à un dispositif de sécurité adaptable sur une cellule électrochimique, par exemple une batterie de format cylindrique.
Etat de la technique
Actuellement, la cellule électrochimique au lithium la plus couramment utilisée est mieux connue sous la référence 18650. Une telle cellule est par exemple décrite dans le brevet US8323825B2. Récemment, des cellules à la norme 21700 ont également été proposées.
Ces cellules de type 18650, 21700 ou autres formats cylindriques comportent un conteneur, appelé godet, de forme cylindrique, dans lequel est placé un rouleau, également appelé bobinot, rassemblant les deux électrodes. Un électrolyte est ensuite injecté dans ledit godet. Le godet est fermé à son extrémité inférieure et ouvert à son extrémité supérieure, un capuchon étant apposé à cette extrémité supérieure pour fermer le conteneur de manière hermétique.
Une telle cellule au lithium est étanche et dispose généralement de dispositifs de protection portés par son capuchon afin d’empêcher son explosion dans des cas d’utilisations abusives (en température ou en charge). Ces dispositifs de protection sont notamment les suivants :
Un dispositif d'interruption de courant (CiD - Pour "Current Interrupt Device”) qui interrompt le courant en cas de surpression dans le godet, sans effet sur cette pression ;
Un évent de surpression réalisé généralement sous la forme d’un disque de rupture qui permet de relâcher les gaz, afin d’empêcher une explosion ;
Enfin le godet lui-même peut aussi être fragilisé afin de s’ouvrir dans des conditions optimales pour prévenir une explosion trop violente ;
L'évent de surpression est généralement réglé pour rompre à une valeur de 15 à 20 bars et est souvent situé du côté du pôle positif de la cellule. Sur les cellules de type 21700, pour améliorer la sécurité, certains fabricants ajoutent un évent de surpression supplémentaire du côté opposé à celui portant l’évent principal, c'est-à-dire sur le pôle négatif (publication : Darcy et al. - 2018 - "Design Guidelines for Safe High Performing Li-ion Batteries with 18650 cells"). Certaines architectures de cellules cylindriques, qui ne disposent pas d’évent sur le pôle positif, disposent cependant d’un évent sur le pôle négatif.
En cas de fort emballement thermique dans un système, il peut arriver que la cinétique des réactions provoque l’explosion de la cellule, malgré la présence d'un évent de surpression, venant arracher le pôle positif de la cellule et pouvant entraîner l'expulsion du bobinot hors de la cellule. L'expulsion peut notamment avoir lieu après arrachage du conteneur au niveau de sa paroi la plus fragile mécaniquement.
En outre, même si le bobinot peut n'être expulsée qu’à moitié et/ou projetée sur les cellules voisines, des risques sécurité peuvent donc apparaitre. Le contact direct de l’électrolyte/bobinot sur les cellules voisines provoque un réchauffement de ces dernières. L’expulsion du bobinot peut alors engendrer un emballement des cellules voisines.
Le but de l'invention est de proposer un dispositif de sécurité adaptable sur une cellule électrochimique et permettant d'éviter l'expulsion du bobinot hors de la cellule, en cas d'emballement thermique, tout en permettant d'assurer une libération des gaz.
Exposé de l'invention
Ce but est atteint par un dispositif de sécurité adaptable sur une cellule électrochimique, ladite cellule comportant un conteneur dans lequel est placé un bobinot, ledit conteneur comprenant une première paroi dotée d'au moins une amorce de rupture, adaptée pour se rompre en cas de défaut pour expulser les gaz, et une deuxième paroi empêchant une sortie du bobinot en dehors dudit conteneur, ledit dispositif de sécurité comportant :
Un dispositif de maintien agencé pour assurer un appui contre ladite deuxième paroi du conteneur pour la maintenir en position en cas d'emballement thermique et retenir le bobinot à l'intérieur dudit conteneur,
Un dispositif de libération des gaz, agencé pour garantir l'expulsion des gaz en dehors de la cellule, en cas d'emballement thermique.
Selon une particularité, le dispositif de maintien comporte un châssis fixe par rapport à la cellule et des moyens d'appui fixés audit châssis.
Selon une première réalisation particulière :
Le dispositif de libération des gaz comporte une plaque, dite plaque d'étanchéité percée d'un trou traversant, Le dispositif de maintien comporte un plot d'appui logé dans ledit trou de la plaque d'étanchéité et configuré pour exercer un appui contre ladite deuxième paroi du conteneur, un canal étant ménagé entre ledit plot et la paroi interne dudit trou pour former un passage pour les gaz,
Le dispositif de libération des gaz comporte des moyens d'obturation agencés dans ledit canal pour obturer ledit passage.
Selon une particularité, les moyens d'obturation comportent un joint à lèvre.
Selon une autre particularité, le dispositif de maintien comporte plusieurs plots d'appui formés sur une même plaque d'appui commune, fixée audit châssis.
Selon une autre particularité, ladite plaque d'appui comporte au moins une ouverture traversante.
Selon une deuxième réalisation particulière :
Le dispositif de maintien comporte une plaque d'appui agencée pour assurer un appui contre ladite deuxième paroi de la cellule, et une plaque de compression fixée au châssis et agencée pour venir comprimer ladite plaque d'appui, ladite plaque d'appui comprenant un premier trou traversant et ladite plaque de compression comprenant un deuxième trou traversant, Le dispositif de libération des gaz comporte un film perforable agencé entre ladite plaque d'appui et ladite plaque de compression, formant des moyens d'obturation du passage créé par le premier trou traversant et par le deuxième trou traversant.
Selon une particularité, la plaque d'appui comporte un logement pour recevoir un clinquant métallique.
Selon une autre particularité, ladite plaque d'appui comporte un compartiment de réception pour une cellule électrochimique.
Selon un aspect particulier de l'invention, le châssis comporte un boîtier destiné à accueillir ladite cellule électrochimique.
L'invention concerne également une utilisation du dispositif de sécurité tel que défini ci-dessus et destiné à s'adapter sur une cellule électrochimique de format cylindrique.
Selon une particularité, la cellule électrochimique est au format 18650 ou 21700. La solution de l'invention permet de mettre le pôle positif sous contrainte/pression, tout en permettant au gaz de s’échapper en cas d'emballement thermique.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels :
La figure 1A représente, vue en coupe et de manière schématique, une cellule au lithium de type 18650 ou 21700 ;
La figure 1 B représente la cellule de la figure 1 A, sur laquelle sont reportées les forces principales qui viennent s'exercer sur les parois du conteneur en cas d'emballement thermique ;
Les figures 2A et 2B représentent respectivement, vus en perspective, un dispositif interrupteur de courant et un évent, classiquement employés dans une batterie au lithium telle que représentée sur la figure 1 ;
La figure 3 illustre, en vue de dessus, le principe de réalisation d'un pack de plusieurs cellules électrochimiques, rangées en quinconce ;
Les figures 4A et 4B montrent un premier mode de réalisation du dispositif de l'invention, adapté sur une cellule électrochimique ;
Les figures 5A et 5B montrent un deuxième mode de réalisation du dispositif de l'invention, adapté sur une cellule électrochimique ;
La figure 6 illustre l'adaptation du premier mode de réalisation sur un pack de plusieurs cellules ;
La figure 7 illustre l'adaptation du deuxième mode de réalisation sur un pack de plusieurs cellules ;
La figure 8 montre une variante de réalisation de l'architecture de la figure 7 ;
La figure 9 représente un troisième mode de réalisation du dispositif de l'invention ;
La figure 10 illustre l'adaptation du troisième mode de réalisation sur un pack de plusieurs cellules ;
Description détaillée d'au moins un mode de réalisation
L'invention vise principalement à proposer une solution pour éviter l'expulsion du bobinot en cas d'emballement thermique de la cellule. Dans la suite de la description, les termes "haut", "bas", "inférieur", "supérieur", "au-dessus", "au-dessous" sont à comprendre en se référant à l'axe (X) vertical représenté sur la figure 1 .
Le dispositif de sécurité de l'invention est notamment parfait pour s'adapter sur une cellule secondaire électrochimique au lithium.
Le dispositif de sécurité de l'invention est décrit principalement pour une cellule de forme cylindrique de révolution, par exemple de type 18650 ou 21700, mais il faut comprendre qu'il peut s'adapter sur une cellule présentant une forme externe différente, notamment de type prismatique, son principe étant reproductible quelle que soit la forme de la cellule.
En référence à la figure 1 A, une cellule secondaire au lithium classique de type 18650 ou 21700 présente une forme cylindrique à base circulaire, développée autour de l'axe (X). Une telle cellule est par exemple décrite dans le brevet US8323825B2.
De manière non limitative, une telle cellule 1 au lithium comporte principalement un conteneur comportant une tête supérieure comprenant une paroi supérieure 100 portant le pôle positif, une tête inférieure comprenant une paroi inférieure 101 portant le pôle négatif et une paroi latérale 102. Le conteneur est composé généralement d'un godet 10, de forme cylindrique, et d'un capuchon 15 fixé sur le godet et venant refermer celui-ci sur sa partie supérieure. Ce godet 10 définit un volume interne 1 1 dans lequel sont placées les deux électrodes 12 (représentées par un unique ensemble sur la figure 1 ). Les deux électrodes 12 sont réalisées de part et d'autre d'une plaque isolante souple enroulée pour former un ensemble cylindrique venant se loger dans le godet 10 et formant un bobinot. Un électrolyte est ensuite injecté dans le volume interne 1 1 du godet. Un insert central 16 peut être inséré axialement dans le godet 10. La cellule comporte deux pattes de connexion 13, 14 reliées chacune à une électrode distincte. Sur sa partie supérieure, le godet 10 est refermé de manière hermétique par un capuchon 15. Ce capuchon 15 porte un empilement situé à l'intérieur du godet 10 et formé d'un évent de surpression 150, d'un dispositif interrupteur de courant 151 , éventuellement d'une thermistance 152 de type CTP (à coefficient de température positif), et d'un capot 153 externe formant une première borne électrique de connexion de la cellule.
Le dispositif interrupteur de courant 151 est actionné par l'évent 150 lorsque la pression des gaz présents à l'intérieur du godet 10 devient trop importante. Dans cette situation de pression excessive, l'évent 150 se déforme jusqu'à venir rompre le dispositif interrupteur de courant 151 situé au-dessus, entraînant alors l'interruption du courant électrique fourni. Si la pression des gaz présents à l'intérieur du godet continue d'augmenter, l'évent 150 peut se déformer jusqu'à sa rupture, de manière à permettre une libération des gaz vers l'extérieur.
En référence à la figure 2A, de manière non limitative, le dispositif d'interruption de courant 151 peut se présenter sous la forme d'un anneau 154 coaxial avec l'axe (X), comprenant un pont 155 diamétral par lequel circule le courant électrique. Ce pont 155 est susceptible de rompre lorsque la pression dans le godet dépasse un certain seuil, interrompant alors le courant électrique dans la cellule.
Comme représenté sur la figure 2B, de manière non limitative, l'évent peut se présenter sous la forme d'un disque 156 coaxial avec l'axe (X) et comportant un profil bombé 157 formant une concavité vers l'intérieur de la cellule. Sous l'effet de la pression, ce profil bombé se déforme pour former un profil convexe vers l'extérieur, et lorsque la pression dépasse un certain seuil, l'évent se rompt sous l'effet de la pression des gaz. L'évent peut comporter une saignée 158 annulaire formant une amorce de rupture.
L'évent de surpression principal est généralement placé du côté du pôle positif de la cellule, sur sa partie supérieure. De manière optionnelle, il peut être remplacé ou complété par un évent placé du côté du pôle négatif.
Le dispositif de sécurité de l'invention peut être réalisé pour venir s'adapter sur une ou plusieurs cellules électrochimiques.
Comme représenté sur la figure 3, plusieurs cellules 1 peuvent en effet être rangées à la verticale dans un boîtier 2, et connectées entre elles, en série/parallèle en employant des clinquants 3 métalliques permettant d'assurer les connexions, les cellules formant alors un pack. Les cellules 1 peuvent par exemple être rangées en quinconce. Des compartiments ou casiers peuvent être prévus pour tenir les cellules 1 dans le boîtier 2, au niveau de leur partie supérieure et/ou de leur partie inférieure (20, figures 6 à 8).
Sur chaque cellule 1 , comme représenté sur la figure 1 , un clinquant 3 est réalisé sous la forme d'une lame métallique venant au contact du pôle positif de la cellule 1.
De manière non limitative, le clinquant 3 peut être porté par un embout 8 adapté pour se positionner sur la tête supérieure ou inférieure de la cellule, respectivement du côté du pôle positif ou du côté du pôle négatif de la cellule. Lorsque plusieurs cellules sont juxtaposées, ces embouts 8 peuvent être réunis en une seule pièce 502, formant lesdits casiers de maintien pour les cellules dans le boîtier et assurant le rôle d'entretoise entre les cellules qui sont juxtaposées (figure 8). Selon un aspect particulier de l'invention, il faut noter que le dispositif de sécurité de l'invention est destiné à être fixé en permanence sur la cellule.
La figure 1 B montre les forces venant s'exercer sur les parois du conteneur de la cellule 1 en cas d'emballement thermique. Il s'avère que, dans sa partie supérieure, le conteneur présente des faiblesses mécaniques, liées à la présence de l'évent puis du capot 153 formant le pôle positif. Ce dernier peut notamment présenter plusieurs ouvertures radiales 159 permettant la libération des gaz. Ces ouvertures ont cependant tendance à fragiliser sa structure et sa tenue mécanique. L’assemblage du capot 153 par sertissage sur la paroi latérale 102 de la cellule constitue une autre zone de fragilité et une déformation du capot 153 est susceptible entraîner un arrachement de ce sertissage. En cas de rupture de la paroi formant le pôle positif, on peut alors assister à l'expulsion du bobinot en dehors du conteneur de la cellule.
De manière générale, le dispositif de sécurité comporte un dispositif de maintien destiné à se fixer sur le conteneur et agencé pour assurer un maintien en position de la paroi du conteneur, par laquelle le bobinot serait le plus susceptible d'être expulsé en cas d'emballement thermique. Il peut notamment s'agir d'une paroi disposant de certaines fragilités mécaniques.
Le dispositif de maintien est configuré pour assurer un appui mécanique au plus près de l'axe (X) de révolution de la cellule.
Classiquement et de manière non limitative, cette paroi comporte le capot 153 formant le pôle positif de la cellule 1. Comme indiqué ci-dessus, ce capot 153 est placé sur la trajectoire du bobinot en cas d'expulsion de ce dernier, et présente certaines fragilités mécaniques.
Le dispositif de sécurité comporte également un dispositif de libération des gaz agencé pour garantir l'expulsion des gaz en dehors de la cellule, en cas d'emballement thermique.
De manière avantageuse, le dispositif de sécurité est adapté pour se positionner sur la tête supérieure de la cellule 1 , portant le pôle positif.
Mais dans une variante de réalisation, on verra qu'il est possible de le positionner sur la tête inférieure de la cellule 1 , si celle-ci dispose d'un évent de surpression du côté de son pôle négatif. Le dispositif de l'invention sera notamment utile sur le pôle négatif en cas de faiblesse mécanique du conteneur du côté du pôle négatif, cette faiblesse mécanique pouvant entraîner sa rupture et l'expulsion du bobinot en cas d'emballement thermique de la cellule 1 . Le dispositif de maintien comporte un châssis 7 fixe par rapport à la cellule 1 et des moyens de maintien fixés sur ledit châssis 7 et arrangés pour venir exercer un appui contre la paroi du conteneur destinée à maintenir le bobinot dans la cellule. Il est à noter que cette paroi est à différencier de celle portant l'amorce de rupture, cette dernière étant bien entendu configurée pour se rompre en cas d'emballement thermique pour libérer les gaz.
Le dispositif de libération des gaz comporte au moins un canal agencé en vis- à-vis de l'amorce de rupture et des moyens d'obturation de ce canal. Les moyens d'obturation sont configurés pour s'ouvrir, après rupture de l'évent, sous la pression des gaz générés.
Le dispositif de sécurité peut intégrer ledit clinquant métallique 3.
Le dispositif de sécurité peut être réalisé selon plusieurs modes de réalisation distincts.
Dans un premier mode de réalisation représenté sur la figure 4A et figure 4B, le dispositif de libération des gaz peut comporter une plaque 4, dite plaque d'étanchéité, fixée sur le clinquant 3, transversalement à l'axe (X), par exemple par collage ou vissage, et présentant un trou 40 traversant formant un canal placé en vis-à-vis de l'amorce de rupture de l'évent de surpression.
Les moyens de maintien comportent un organe de maintien fixé audit châssis 7 et comportant par exemple un plot d'appui 5 venant se loger dans le trou 40 traversant de la plaque d'étanchéité, un canal, par exemple un canal annulaire 50, étant ménagé entre ledit plot 5 et la paroi interne dudit trou 40 traversant, ce canal annulaire 50 formant un passage pour les gaz à libérer en cas d'emballement thermique.
Les moyens d'obturation comportent un joint à lèvre 6 de forme annulaire agencé dans ledit canal 50 pour obturer ledit passage. Ledit joint 6 est configuré pour former une valve anti-retour et n'autoriser la libération des gaz que dans un sens, de la cellule 1 vers l'extérieur, en cas d'emballement thermique et empêcher tout retour des gaz de l'extérieur vers la cellule et éviter de propager la réaction d'emballement thermique aux cellules voisines. La figure 4B montre le mouvement des gaz G en cas d'emballement thermique.
Le plot 5 peut comporter une gorge annulaire 51 sur sa paroi latérale, dans lequel est logé ledit joint 6.
A titre d'exemple, le plot d'appui 5 peut être constitué d'une pièce plastique ou d'une vis dont le corps vient se loger et se visser dans le trou 40 de la plaque 4. Il faut noter que la plaque d'étanchéité 4 est présente pour servir essentiellement de support de serrage au plot 5 pour que celui-ci vienne en appui contre la paroi du godet. Le plot d'appui 5 vient en appui contre la paroi transversale supérieure du capot 153 formant le pôle positif de la cellule 1 .
Lorsque plusieurs cellules 1 sont juxtaposées à la verticale dans un même boîtier 2, les dispositifs de maintien et de libération des gaz peuvent être mutualisés. La figure 6 illustre ce principe. Les moyens de maintien peuvent ainsi comporter une unique plaque d'appui 52 supportant plusieurs plots 5 arrangés en parallèle, se dressant sur une face de la plaque 52, chaque plot 5 étant dédié à une cellule distincte, pour assurer un appui contre le capot 153. De même, la plaque d'étanchéité 4 est munie de plusieurs trous traversants, dans chacun desquels vient se loger un plot 5 distinct de la plaque d'appui 52, un joint à lèvre 6 distinct étant positionné autour de chaque plot pour assurer le contrôle des gaz.
De manière non limitative, la plaque d'appui 52 peut être fixée sur le boîtier 2, par collage ou vissage, cet assemblage permettant d'assurer la fonction de maintien, le boîtier 2 réalisant la fonction de châssis 7. La plaque d'appui est avantageusement munie de plusieurs ouvertures 53 pour permettre aux gaz de s'échapper en cas d'emballement thermique d'une ou plusieurs cellules 1 placées dans le boîtier 2. Ces trous sont judicieusement placés pour communiquer avec les canaux d'échappement des gaz.
De même la plaque d'étanchéité 4 peut être fixée, par collage ou vissage, aux clinquants 3. Un dispositif d'étanchéité de type joint ou gel peut être intégré entre la plaque d'étanchéité 4 et la paroi interne du boîtier 2 pour éviter tout retour de gaz vers les cellules.
Dans un deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 5A et figure 5B, les moyens de maintien comportent une plaque d'appui 500 agencée transversalement à l'axe (X) et fixée sur le clinquant 3 et une plaque de compression 400 fixée au châssis 7 et agencée pour venir comprimer ladite plaque d'appui 500. La plaque d'appui 500 est configurée pour venir exercer un appui au moins partiel contre le capot 153 formant le pôle positif de la cellule, en vue de pouvoir le maintenir en position en cas d'emballement thermique de la cellule 1 .
Le dispositif de libération des gaz comporte un premier trou 501 traversant, réalisé à travers ladite plaque d'appui 500 et un deuxième trou 401 traversant réalisé à travers ladite plaque de compression 400 et en vis-à-vis dudit premier trou 501 . Les deux trous forment un passage agencé en vis-à-vis de l'amorce de rupture. Les moyens d'obturation comportent un film 600 perforable, par exemple en matériau plastique, placé entre les deux plaques et configuré pour obturer le passage formé par les deux trous. Le film 600 est configuré pour se perforer lorsque des gaz sont libérés, suite à la rupture de l'amorce de rupture. Le trou traversant 501 présente un diamètre réglé pour que la plaque d'appui 500 soit dotée d'une surface d'appui de taille suffisante contre le capot 153, permettant un maintien du bobinot en cas d'emballement thermique, tout en garantissant une libération des gaz.
Comme dans le premier mode de réalisation, les moyens peuvent être mutualisés lorsque plusieurs cellules 1 sont réunies dans un pack au sein d'un même boîtier 2, ce dernier remplissant la fonction de châssis 7. La figure 7 illustre ce principe. La plaque d'appui 500, le film 600 et la plaque de compression 400 sont donc réunis en un même ensemble, le film 600 comprimé entre la plaque d'appui et la plaque de compression, garantissant l'étanchéité. Cet ensemble peut être réalisé en vissant la plaque d'appui sur la plaque de compression. La plaque de compression 400 est fixée sur le boîtier 2.
Selon une variante de réalisation, ladite plaque d'appui 500 peut présenter des compartiments 502, la plaque 500 jouant ainsi un rôle de maintien des cellules dans le boîtier 2 et le rôle de l'embout 8 de support du clinquant 3. La figure 8 illustre cette variante de réalisation.
Un troisième mode de réalisation peut être proposé pour s'adapter sur le pôle négatif de la cellule 1 lorsque celle-ci dispose d'un évent de surpression du côté de son pôle négatif. Ce troisième mode de réalisation est une déclinaison du deuxième mode de réalisation décrit ci-dessus, appliqué au pôle négatif de la cellule 1 . Les références employées sont ainsi reprises à l'identique.
Dans ce troisième mode de réalisation illustré par la figure 9 et figure 10, la plaque d'appui 500 comporte un trou traversant muni d'un épaulement interne sur lequel repose la tête inférieure de la cellule 1 , formant ainsi un compartiment de maintien 502 de la cellule sur sa partie inférieure. Un clinquant 3, permettant d'assurer la connexion électrique, vient se loger dans ledit trou. La plaque de compression 400 est fixée sur la plaque d'appui 500, le film perforable 600 étant comprimé entre ladite plaque de compression et ladite plaque d'appui. Le film 600 est configuré pour se perforer lorsque des gaz sont libérés, suite à la rupture de l'amorce de rupture de l'évent. Comme illustré par la figure 10, cette architecture peut être dupliquée pour chaque cellule 1 d'un pack, la plaque d'appui 500, le film perforable 600 et la plaque de compression 400 étant communs pour l'ensemble des cellules 1 logés dans le boîtier 2. La plaque d'appui 500 présente ainsi plusieurs compartiments 502 pour accueillir chacun la tête inférieure d'une cellule distincte. La plaque de compression 400 peut être fixée au boîtier 2. Un dispositif d'étanchéité de type joint ou gel peut être intégré entre la plaque d'appui 500 et la paroi interne du boîtier pour éviter tout retour de gaz vers les cellules 1 .
On comprend de ce qui précède que la solution de l'invention présente de nombreux avantages, parmi lesquels : - Elle permet d'assurer le maintien du bobinot dans la cellule, en cas d'emballement thermique, tout en conservant une solution de libération des gaz issus de la réaction ;
Elle présente une architecture simple ;
Elle peut être facilement adaptée sur des cellules existantes, à l'unité ou organisées en pack dans un même boîtier ;

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de sécurité adaptable sur une cellule électrochimique (1 ), ladite cellule comportant un conteneur (10) dans lequel est placé un bobinot, ledit conteneur (10) comprenant au moins une première paroi dotée d'au moins une amorce de rupture, adaptée pour se rompre en cas de défaut pour expulser les gaz, et une deuxième paroi empêchant une sortie du bobinot en dehors dudit conteneur caractérisé en ce que le dispositif de sécurité comporte :
Un dispositif de maintien agencé pour assurer un appui contre ladite deuxième paroi du conteneur pour la maintenir en position en cas d'emballement thermique et retenir le bobinot à l'intérieur dudit conteneur, Un dispositif de libération des gaz, agencé pour garantir l'expulsion des gaz en dehors de la cellule, en cas d'emballement thermique.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le dispositif de maintien comporte un châssis (7) fixe par rapport à la cellule et des moyens d'appui fixés audit châssis.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que :
Le dispositif de libération des gaz comporte une plaque, dite plaque d'étanchéité (4) percée d'un trou traversant (40),
Le dispositif de maintien comporte un plot d'appui (5) logé dans ledit trou (40) de la plaque d'étanchéité et configuré pour exercer un appui contre ladite deuxième paroi du conteneur, un canal (50) étant ménagé entre ledit plot et la paroi interne dudit trou pour former un passage pour les gaz,
Le dispositif de libération des gaz comporte des moyens d'obturation agencés dans ledit canal (50) pour obturer ledit passage.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'obturation comportent un joint à lèvre (6).
5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le dispositif de maintien comporte plusieurs plots d'appui formés sur une même plaque d'appui (52) commune, fixée audit châssis (7).
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite plaque d'appui (52) comporte au moins une ouverture (53) traversante.
7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que : Le dispositif de maintien comporte une plaque d'appui (500) agencée pour assurer un appui contre ladite deuxième paroi du conteneur, et une plaque de compression (400) fixée au châssis (7) et agencée pour venir comprimer ladite plaque d'appui (500), ladite plaque d'appui (500) comprenant un premier trou traversant (501 ) et ladite plaque de compression comprenant un deuxième trou traversant (401 ),
Le dispositif de libération des gaz comporte un film perforable agencé entre ladite plaque d'appui et ladite plaque de compression, formant des moyens d'obturation du passage créé par le premier trou traversant et par le deuxième trou traversant.
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la plaque d'appui comporte un logement pour recevoir un clinquant métallique.
9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que ladite plaque d'appui (500) comporte un compartiment (502) de réception pour une cellule électrochimique (1 ).
10. Dispositif selon l'une des revendication 2 à 9, caractérisé en ce que le châssis (7) comporte un boîtier destiné à accueillir ladite cellule électrochimique (1 ).
1 1. Utilisation du dispositif de sécurité tel que défini dans l'une des revendications 1 à 10, pour s'adapter sur une cellule électrochimique (1 ) de format cylindrique.
12. Utilisation selon la revendication 11 , caractérisé en ce que la cellule électrochimique est au format 18650 ou 21700.
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