WO2023118077A1 - Faisceau électrochimique, élément de batterie et procédés de fabrication associés - Google Patents

Faisceau électrochimique, élément de batterie et procédés de fabrication associés Download PDF

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WO2023118077A1
WO2023118077A1 PCT/EP2022/086899 EP2022086899W WO2023118077A1 WO 2023118077 A1 WO2023118077 A1 WO 2023118077A1 EP 2022086899 W EP2022086899 W EP 2022086899W WO 2023118077 A1 WO2023118077 A1 WO 2023118077A1
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electrical connection
separation device
polarity
electrochemical bundle
upper edges
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Gérard Rigobert
Alexandre Narbonne
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Saft
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    • H01M50/54—Connection of several leads or tabs of plate-like electrode stacks, e.g. electrode pole straps or bridges

Definitions

  • TITLE Electrochemical harness, battery cell and associated manufacturing processes
  • the present invention relates, according to a first aspect, to an electrochemical bundle comprising a plurality of stacks stacked along a stacking direction, each stack comprising an electrode of first polarity, an electrode of second polarity, a first separator and a second separator, the electrode of second polarity being interposed between the first separator and the second separator, the second separator being interposed between the electrode of first polarity and the electrode of second polarity, the electrode of first polarity comprising a planar collector, a connection tab electric and a layer comprising an active material covering at least one face of the collector, the electrical connection tab being devoid of the layer comprising the active material, and protruding from an upper edge of the collector, the electrical connection tab s extending between the upper edge of the collector and an upper edge in a vertical direction substantially perpendicular to the stacking direction.
  • This invention is particularly applicable to electrochemical battery cells that use negative electrodes based on lithium titanium oxide (LTO) or titanium niobium oxide (TNO), graphite, silicon, lithium metal or an alloy, or any other active material which does not present a risk of depositing lithium and therefore of forming dendrites due to its high operating potential.
  • This invention is also applicable for electrochemical battery cells which use positive electrodes based on lithiated oxide of nickel, manganese and cobalt (NMC), a lithiated oxide of nickel, cobalt and aluminum (NCA), a lithiated iron phosphate (LFP) or a mixed lithium iron manganese phosphate (LMFP).
  • Figure 1 illustrates an example of a prior art battery cell 100 comprising such an electrochemical bundle 102.
  • the electrochemical bundle 102 is connected in its upper part to the terminals 104 of the prismatic element via a weld on metal connectors 106.
  • the cover which closes the battery cell is likely to exert a stress on the connection, and consequently, on the tabs 108 of the electrodes. As shown in Figure 1, they therefore fold towards the stack and generally adopt a curved configuration.
  • the tongues 108 of the positive electrodes which are not coated with the layer comprising the active material are arranged near the upper edges of the collectors of the negative electrodes.
  • the tabs 108 of the positive electrodes which are not coated with the layer comprising the active material are arranged near the upper edges of the collectors of the positive electrodes.
  • the separator placed between each pair of opposite positive and negative electrodes is interposed between each tongue of a positive electrode and the upper edge of the opposite negative electrode, and between each tongue of a negative electrode and the upper edge of the positive electrode.
  • the bending zone of the tabs occupies a large space in the upper part of the cup, limiting the dimensions of the electrodes inside the cup and consequently the capacity of the battery cell. .
  • An object of the invention is therefore to provide an electrochemical bundle for a battery element which is reliable during its use and which makes it possible to optimize the electrical capacity and the compactness of the battery element.
  • the subject of the invention is an electrochemical bundle, as defined above, in which the electrochemical bundle further comprises a first metal separation device interposed between each pair of adjacent electrical connection tabs in the direction of stacking , the first separation device being fixed to at least one of said electrical connection tabs, the first separation device extending, between each pair of adjacent electrical connection tabs, between a lower edge and an upper edge in the vertical direction, the upper edges of the first separation device substantially flush with the upper edges of the electrical connection tongues of the first polarity electrodes.
  • the upper edges of the electrical connection tabs and the upper edges of the first separation device define a surface suitable for soldering an electrical connector.
  • the first separation device makes it possible to densify and stiffen the upper part of the electrical connection tabs, facilitating the step of welding the electrical connector.
  • the electrochemical bundle may include one or more of the following characteristics, taken individually or in any technically possible combination:
  • the height of the electrical connection tab taken relative to the upper edge of the collector is less than 5 mm, preferably between 1 mm and 5 mm;
  • each pair of adjacent electrical connection tabs delimit between them a gap receiving the first separation device, the width of the first separation device between the adjacent electrical connection tabs, taken along the stacking direction, being at least equal to 60 % of gap width;
  • the lower edges of the first separation device are arranged apart, in the vertical direction, from the upper edges of the collectors of the first polarity electrodes of the plurality of stacks;
  • the first separation device is welded to the electrical connection tab by at least one weld
  • the weld is a laser weld or an ultrasonic weld
  • each electrical connection tab extends between a first side edge and a second side edge in a horizontal direction substantially perpendicular to the vertical direction and the stacking direction, the first separation device being a continuous metal strip successively surrounding the first side edge of an electrical connection tab and the second side edge of an adjacent electrical connection tab;
  • the first electrical connection device comprises a plurality of metal separation members, distinct from each other, interposed respectively between each pair of adjacent electrical connection tabs, each separation member extending between a lower edge and an upper edge according to direction vertical, the upper edges of the first separating device being formed by the upper edges of the various separating members.
  • the invention also relates to a battery element comprising:
  • At least one first electrical connector welded to the upper edges of the electrical connection tongues of the first polarity electrodes and to the upper edges of the first separation device.
  • the invention also relates to a method of manufacturing an electrochemical bundle as described above, the method comprising:
  • the method comprises the following characteristic: the fixing of the first separation device to the electrical connection tongue is carried out by welding.
  • the invention also relates to a method for manufacturing a battery element comprising the following steps:
  • Figure 1 is a perspective view of a prior art battery cell
  • Figure 2 is a perspective view of a battery cell according to a first embodiment of the invention
  • Figure 3 is a partial schematic views in perspective and in section of the negative electrodes of the electrochemical bundle of the battery element of Figure 2
  • Figure 5 is a partial schematic view of a method of manufacturing an electrochemical bundle of the battery element of Figure 2
  • Figure 6 is a perspective view of the negative electrodes of an electrochemical bundle according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 2 illustrates a battery cell 10 according to a first embodiment of the invention.
  • the battery is an electrochemical battery as usually used in railway vehicles or in aircraft. Other fields of battery application are possible, such as motor vehicles, energy storage systems or electric mobility.
  • the battery element 10 comprises a casing or cup (not shown) defining an interior volume and at least one electrochemical bundle 12 disposed in the interior volume of the cup.
  • the battery cell comprises a cover 14 closing the interior volume of the bucket, a first polarity terminal 16, here negative, a second polarity terminal 17, here positive, a first electrical connector 18 and a second electrical connector 19 electrically connecting the electrochemical bundle 12 respectively to the first polarity terminal 16 and to the second polarity terminal 17, both accessible on the cover 14.
  • the bucket has a bottom wall, and a side wall projecting from the bottom wall to delimit the interior volume.
  • the cup is preferably of parallelepiped shape, in particular rectangular parallelepiped.
  • the interior volume of the bucket opens through an access opening which opens upwards, when the bottom wall is placed on a horizontal collector.
  • orientations are defined with reference to the bucket placed on a horizontal surface, with its bottom wall in contact with the horizontal surface.
  • the terms “up”, “down”, “upper”, “lower”, “horizontal”, “vertical” extend relative to this orientation.
  • the lid 14 is intended to be fixed on the bucket to close the interior volume upwards.
  • Each electrochemical beam 12 is received in the interior volume.
  • the volume occupied by the electrochemical bundle(s) 12 is greater than 70% of the interior volume.
  • each electrochemical bundle 12 comprises a plurality of successive stacks 20 stacked in a stacking direction E, and at least one first metallic separation device 22.
  • Each stack 20 comprises a first polarity electrode 24, in particular a negative electrode, a second polarity electrode 26, in particular a positive electrode, a first separator 28 and a second separator 29.
  • the second polarity electrode 26 is interposed between the first separator 28 and the second separator 29.
  • the second separator 29 is interposed between the first polarity electrode 24 and the second polarity electrode 26.
  • Each electrochemical bundle 12 is also bathed in an electrolyte, present in the interior volume to impregnate the electrodes 24, 26, the first separator 28 and the second separator 29.
  • the first polarity electrode 24, here the negative electrode comprises a flat collector 30, a layer 32 comprising an active material covering the collector 30 and an electrical connection tab 34 projecting towards the top, in a vertical direction V substantially perpendicular to the stacking direction E, relative to the collector 30 to allow connection to the first electrical connector 18.
  • the second polarity electrode 26, here the positive electrode also comprises a flat collector 36, a layer 38 comprising an active material covering the collector 36 and an electrical connection tongue projecting upwards with respect to to the collector 36 to allow connection to the second electrical connector 19.
  • each electrode 24, 26 is preferably metallic, for example copper or aluminum depending on the polarity of the electrode 24, 26. It constitutes a current collector. It is for example formed of a strip, in particular of a thin strip having a thickness of less than 20 ⁇ m.
  • the collector 30 of each of the first polarity electrodes 24 has for example a substantially polygonal outline, in particular a rectangular outline. It extends in the vertical direction V, between a lower edge 42 and an upper edge 44, substantially perpendicular to the stacking direction E. It extends in a horizontal direction H, substantially perpendicular to the vertical direction V and to the stacking direction E, between a first side edge 46 and a second side edge (not represented). First side edge 46 is located closer to tab 34 than second side edge 48.
  • the upper edge 44 extends on either side of the tongue 34, which projects from the upper edge 44.
  • the height in the vertical direction V at which the upper edge 44 extends with respect to the lower edge 42 is preferably identical on either side of the tab 34.
  • the tongue 34 is preferably made in one piece with the manifold 30. The tongue 34 is thus obtained during the production of the manifold 30.
  • the tab 34 here has a polygonal contour, for example rectangle or square.
  • the tongue 34 extends in the horizontal direction H between a first lateral edge 50 connected to the upper edge 44 of the manifold 30, and a second lateral edge 52, also connected to the upper edge 44 of the manifold 30.
  • the tongue 34 extends also between the lower edge 42 of the manifold 30 and an upper edge 54 in the vertical direction V, connecting the first side edge 50 and the second side edge 52.
  • the upper edge 54 defines at least one substantially planar surface.
  • the height of the tab 34 taken relative to the upper edge 44 of the manifold 30 is preferably less than 3 mm, preferably between 1 mm and 5 mm.
  • the tongue 34 defines a first face 56 and a second face 58 substantially parallel to the first face 56.
  • the second face 58 is arranged opposite the first face 56.
  • the first face 56 and the second face 58 each extend in planes substantially perpendicular to the stacking direction E.
  • the tabs 34 are arranged next to each other in the stacking direction E, the first face 56 of a tab 34 being arranged opposite the second face 58 of an adjacent tab 34 along the stacking direction E.
  • the tabs 34 are advantageously all identical to each other.
  • Each tongue 34 is spaced from an adjacent tongue 34, in the stacking direction E, by a gap 60.
  • the gap 60 is defined between the first face 56 of a tongue 34 and the second face 58 of the tongue 34 adjacent.
  • the width of the gap 60 taken along the stacking direction E is equal to the sum of the widths of the second polarity electrode 26, here positive, of the first separator 28, of the second separator 29, and of two layers 32 of material comprising the active material covering one face of each of the collectors 30 of two adjacent first polarity electrodes 24.
  • the layer 32 comprising the active material covers the whole of at least one face of the collector 30, vertically between the lower edge 42 and the upper edge 44, and horizontally between the first side edge 46 and the second side edge 48. It does not cover not the tongue 34 which remains bare.
  • the active material is for example a titanium oxide lithiated or capable of being lithiated (or “LTO”), or a titanium and niobium oxide (or “TNO”) or even a mixture of these two compounds (LTO/TNO ), graphite, silicon, lithium metal or an alloy.
  • LTO titanium oxide lithiated or capable of being lithiated
  • TNO titanium and niobium oxide
  • graphite silicon, lithium metal or an alloy.
  • the active material comprises one or more of the following compounds: lithiated oxide of nickel, manganese and cobalt (NMC) of formula Li(Ni x Mn y Co z )02, lithiated oxide of nickel, cobalt and aluminum (NCA) of formula Li(Ni x C0yAli. x .y)O2, lithiated iron phosphate (LFP) with the formula LiFePC , mixed lithiated phosphate of iron and manganese (LMFP) with the formula LiFe x Mni. x PO4 and/or a lithium manganese oxide (LNMO).
  • NMC lithiated oxide of nickel, manganese and cobalt
  • NCA lithiated oxide of nickel, cobalt and aluminum
  • NCA lithiated iron phosphate
  • LFP mixed lithiated phosphate of iron and manganese
  • LNMO lithium manganese oxide
  • the collector 36 of each of the second polarity electrodes 26 has for example a substantially polygonal outline, in particular a rectangular outline. It extends in the vertical direction V between a lower edge 62 and an upper edge 64. It extends in the horizontal direction H between a first side edge and a second side edge. The first side edge is located at a further distance from the tab than the second side edge.
  • the top edge extends to either side of the tongue, which protrudes from the top edge.
  • the height at which the upper edge extends relative to the lower edge is preferably identical on either side of the tab.
  • the tongue is preferably integral with the manifold 36.
  • the tongue is thus obtained during the production of the manifold 36.
  • the tab has a polygonal contour, for example rectangle or square.
  • the tongue extends horizontally between a first side edge connected to the upper edge 64 of the manifold 36, and a second side edge, also connected to the upper edge 64 of the manifold 36.
  • the tongue further defines an upper edge connecting the first side edge and the second side edge.
  • the top edge defines at least one substantially planar surface.
  • the height of the tongue taken relative to the upper edge of the manifold 36 is preferably less than 3 mm, preferably between 1 mm and 5 mm.
  • the height of the tongue of the second polarity electrodes 26 is preferably substantially identical to the height of the tongue 34 of the first polarity electrodes 24.
  • the tongue defines a first face and a second face substantially parallel to the first face disposed opposite the first face.
  • the tabs of the second polarity electrodes 26 are arranged next to each other in the stacking direction E, opposite one another. They are advantageously all identical to each other.
  • Each tab is spaced from an adjacent tab, in the stacking direction E, by a gap.
  • the gap is defined between the first side of a tongue and the second side of the adjacent tongue.
  • the width of the gap taken along the stacking direction E is equal to the sum of the widths of l first polarity electrode 24, here negative, of the first separator 28, of the second separator 29, and of two layers 32 of material comprising the active material covering each of the collectors 36 of two adjacent electrodes 26.
  • the layer 32 comprising the active material covers the whole of at least one face of the collector 36, vertically between the lower edge 62 and the upper edge 64, and horizontally between the first side edge and the second side edge. It does not cover the tongue which remains bare.
  • the tabs 34 of the electrodes 24 of the first polarity, here negative, are arranged away from the tabs of the electrodes of the second polarity 26, here positive, in the horizontal direction H
  • Each of the first and second separators 28, 29 is formed from one or more sheets, preferably from one or more electric insulating sheets.
  • Each sheet is for example formed from a sheet of polymeric material, in particular from a sheet of polyolefin which is preferably permeable to lithium ions.
  • the first separator 28 and the second separator 29 are preferably identical to each other.
  • each of the first and second separators 28, 29 is for example less than 25 ⁇ m.
  • the electrolyte is for example liquid. It is for example formed from an organic electrolyte containing lithium compounds such as LiPF 6 and solvents. As a variant, the electrolyte is in the form of a solid or a gel, for example based on polyvinylidene fluoride (PVDF) polymers or a copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene (PVDF-HFP) as well as solvents or salts.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PVDF-HFP hexafluoropropylene
  • the electrochemical bundle comprises a first metal separation device 22 attached to the tabs 34 of the first polarity electrodes 24 and a second metal separation device (not shown) attached to the tabs of the second polarity electrodes 26.
  • first metal separation device 22 attached to the tabs 34 of the first polarity electrodes 24
  • second metal separation device (not shown) attached to the tabs of the second polarity electrodes 26.
  • the first metallic separation device 22 is interposed between each pair of adjacent tongues 34 of the electrodes of first polarity 24, here negative. More particularly, the first separation device 22 is placed in each gap 60 delimited between two adjacent tabs 34 .
  • the first separation device 22 is attached to at least one of the tabs 34 of the electrodes 24 of each of the pairs of adjacent electrodes 24.
  • the first separation device 22 is attached to each of the tabs 34 of the electrodes 24 of each of the pairs of adjacent electrodes 24.
  • the first separation device 22 is welded to the tab or tabs of each pair of adjacent electrodes 24, by at least one weld 66 ( Figure 4).
  • the weld 66 is for example a laser weld or an ultrasonic weld.
  • the first separation device 22 then electrically connects together the plurality of electrical connection tabs 34 of the first polarity electrodes 24.
  • the separation device 22 is glued to the tongue or tongues of each pair of adjacent electrodes 24 by means of an adhesive.
  • the adhesive is for example polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • the first separation device 22 extends, between the tabs 34 of each pair of adjacent electrodes 24, between a lower edge 68 and an upper edge 70 in the vertical direction V.
  • Each upper edge 70 of the first separation device 22 extends between the upper edges 54 of two adjacent tabs 34 in the stacking direction E.
  • the first separation device 22 is arranged away from the collectors 30, 36 of the first polarity electrodes 24 and of the second polarity electrodes 26, above the collectors 30, 36, in the vertical direction, to avoid any contact with the layers 32 comprising the active material and the second polarity electrodes 26.
  • the upper edges 70 of the first separation device 22 are substantially flush with the upper edges 54 of the electrical connection tabs 34 of the plurality of electrodes of first polarity 24.
  • substantially is meant that the difference in height between the upper edges 54 of the electrical connection tabs 34 and the upper edges 70 of the first separation device 22, taken in the vertical direction, is between 0 mm and 0.5 mm.
  • the upper edges 70 of the first separation device 22 and the upper edges 54 of the tabs 34 extend substantially in the same plane P, substantially parallel to the stacking direction E.
  • the width of the first separation device 22 taken along the stacking direction E between two adjacent electrical connection tabs 34 is for example between 60% and 90% of the width of the gap 60.
  • the first separation device 22 is in contact with the tongue 34 adjacent to the tongue 34 on which the first separation device 22 is fixed. adjacent and of the weld or welds 66 is substantially equal to the width of the gap 60. In other words, the first separation device 22 is fixed on the first face 56 of a tab 34 and is in contact with the second face 58 of the tongue 34 adjacent.
  • the first separation device 22 is formed by a continuous metal strip 72 successively surrounding, in the vertical direction, the first lateral edge 50 of an electrical connection tongue 34 and the second lateral edge 52 of a tab 34 of adjacent electrical connection.
  • the first electrical connector 18 comprises at least one substantially planar lower face welded to the upper edges 70 of the first separation device 22 and to the upper edges 54 of the tabs 34 for electrical connection of the first polarity electrodes 24.
  • collectors 30, 36 are made by unrolling a strip of metal strip.
  • the strip of metal foil is previously coated with an ink comprising in particular the active material to form each electrode.
  • the contour of each of the collectors 30, 36 is obtained by stamping.
  • the ink also contains a binder and an electronic compound.
  • the deposit forms the layer 32 comprising the active material.
  • the tabs 34 are not coated with ink comprising the active material.
  • Each stack 20 is made by arranging an electrode of first polarity 24, here negative, opposite an electrode of second polarity 26, here positive, with the interposition of the first separator 28 and the second separator 29. The stacks 20 are then themselves stacked successively one after the other in the stacking direction E.
  • the first separation device 22 here the metal strip 72, is interposed between each pair of adjacent electrical connection tabs 34.
  • the first separation device 22 is then fixed on at least one of the tabs 34 of two adjacent electrodes 24 so that the upper edge 70 of the first fixing device 22 is substantially flush with the upper edges 54 of the electrical connection tabs 34 adjacent.
  • the fixing is advantageously carried out by ultrasonic welding using a sonotrode 74.
  • the cross section of the head of the sonotrode 74 is between 2 mm and 4 mm.
  • one or more substantially spot welds are made between the first separation device 22 and the tongue 34.
  • a weld line is made between the first separation device 22 and the tongue 34.
  • the section welded to each tab 34 is for example between 1 mm 2 and 10 mm 2 , preferably at least equal to 2 mm 2 .
  • the welded section is chosen so as to ensure good mechanical strength between the components.
  • the electrical connection tabs 34 are surrounded with the continuous metal strip 72 by successively surrounding in the vertical direction V the first lateral edge 50 of a tab 34 and the second lateral edge 52 of the adjacent tab 34.
  • the electrochemical bundle 12 manufactured as above is inserted into the interior volume of the bucket.
  • the first electrical connector 18 is then soldered to the upper edges 54 of the electrical connection tabs 34 of the first polarity electrodes 24 and to the upper edges 70 of the first separation device 22.
  • the second electrical connector 19 is soldering it to the upper edges of the electrical connection tongues of the second polarity electrodes 26 and to the upper edges of the second separation device.
  • Cover 14 provided with terminals 16, 17 is placed above the cup so that terminals 16, 17 are in electrical contact with first electrical connector 18 and second electrical connector 19 respectively.
  • the upper edges 54 of the tabs 34 and the upper edges 70 of the first separation device 22 arranged substantially in the same plane facilitate the welding of the first electrical connector 18.
  • the height of the tabs 34 of the bundle 12 according to the invention is relatively shorter than the tabs of the state of the art.
  • the relative gain in capacity between a battery cell 100 of the state of the art and a battery cell 12 according to the invention is between 5% and 8%.
  • the first separation device 22 and the second separation device are each formed by a plurality of separation members 76 distinct from each other.
  • Each separation member 76 of the first separation device 22 is interposed between each pair of adjacent connecting tabs 34.
  • the separating members 76 are preferably all identical to each other.
  • Each separating member 76 extends vertically between a lower edge 78 and an upper edge 80. It extends horizontally between a first side edge 82 and a second side edge 84. The first side edge 82 and the second side edge 84 connect the upper edge 80 and the lower edge 78.
  • each separating member 76 taken along the horizontal direction H between the first side edge 82 and the second side edge 84 is between 50% and 100% of the length of the tongues 34 taken along this same direction.
  • each separating member 76 is substantially equal to the length of each of the tabs 34.
  • the methods for manufacturing the electrochemical bundle 12 and the associated battery element 10 are identical to the methods described above.
  • the bucket is replaced by a flexible pouch containing the electrochemical bundle(s) described above.
  • the separation device 22 in particular the metal strip 72 is advantageously formed of solid metal, that is to say devoid of macroscopic porosity (for example of pore size greater than 50 ⁇ m).
  • the separation device 22 is for example made of copper, stainless steel, nickel or aluminum, depending on the polarity of the electrode.
  • the separation device 22 has a thickness advantageously ranging from 10 ⁇ m to 100 ⁇ m.

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Abstract

L'invention concerne un faisceau électrochimique (12) comprenant une pluralité d'empilements (20) comportant chacun une électrode de première polarité (24), une électrode de deuxième polarité (26), un premier séparateur (28) et un deuxième séparateur (29). Chaque électrode de première polarité (24) comprend une languette de connexion électrique (34). Le faisceau électrochimique (12) comprend un premier dispositif de séparation (22) métallique interposé entre chaque paire de languettes de connexion électrique (34) adjacentes. Le premier dispositif de séparation (22) est fixé à au moins une desdites languettes de connexion électrique (34). Le premier dispositif de séparation (22) s'étend, entre chaque paire de languettes de connexion électrique (34) adjacentes, entre un bord inférieur (68) et un bord supérieur (70). Les bord supérieurs (70) du premier dispositif de séparation (22) affleurent sensiblement au niveau des bords supérieurs (54) des languettes de connexion électrique (34).

Description

TITRE : Faisceau électrochimique, élément de batterie et procédés de fabrication associés
La présente invention concerne selon un premier aspect un faisceau électrochimique comprenant une pluralité d’empilements empilés selon une direction d’empilement, chaque empilement comportant une électrode de première polarité, une électrode de deuxième polarité, un premier séparateur et un deuxième séparateur, l’électrode de deuxième polarité étant interposée entre le premier séparateur et le deuxième séparateur, le deuxième séparateur étant interposé entre l’électrode de première polarité et l’électrode de deuxième polarité, l’électrode de première polarité comprenant un collecteur plan, une languette de connexion électrique et une couche comportant une matière active recouvrant au moins une face du collecteur, la languette de connexion électrique étant dépourvue de la couche comportant la matière active, et faisant saillie à partir d’un bord supérieur du collecteur, la languette de connexion électrique s’étendant entre le bord supérieur du collecteur et un bord supérieur selon une direction verticale sensiblement perpendiculaire à la direction d’empilement.
Cette invention est particulièrement applicable pour les éléments de batterie électrochimiques qui utilisent des électrodes négatives à base d’oxyde de titane lithié (LTO) ou d’oxyde de titane et de niobium (TNO), du graphite, du silicium, le lithium métal ou un alliage, ou tout autre matériau actif qui ne présente pas de risque de dépôt de lithium et donc de formation de dendrites du fait de son haut potentiel de fonctionnement. Cette invention est également applicable pour les éléments de batterie électrochimique qui utilisent des électrodes positives à base d’oxyde lithié de nickel, manganèse et cobalt (NMC), un oxyde lithié de nickel, cobalt et aluminium (NCA), un phosphate de fer lithié (LFP) ou un phosphate lithié mixte de fer et de manganèse (LMFP).
La figure 1 illustre un exemple d’élément de batterie 100 de l’état de la technique comprenant un tel faisceau électrochimique 102.
Pour récupérer la tension et le courant, le faisceau électrochimique 102 est connecté dans sa partie haute aux bornes 104 de l’élément prismatique via une soudure sur des connecteurs métalliques 106.
A cet effet, lors de la fermeture du godet de l’élément de batterie 100, afin de maximiser l’espace occupé par de la matière active dans l’élément, et, la capacité électrique de l’élément 100, le couvercle qui ferme l’élément de batterie est susceptible d’exercer une contrainte sur la connexion, et par suite, sur les languettes 108 des électrodes. Comme représenté sur la figure 1 , celles-ci se replient donc vers l’empilement et adoptent généralement une configuration courbée. Dans cette configuration, les languettes 108 des électrodes positives qui ne sont pas enduites de la couche comportant la matière active se disposent au voisinage des bords supérieurs des collecteurs des électrodes négatives. De la même manière, les languettes 108 des électrodes positives qui ne sont pas enduites de la couche comportant la matière active se disposent au voisinage des bords supérieurs des collecteurs des électrodes positives.
Normalement, le séparateur disposé entre chaque paire d’électrodes positives et négatives en regard s’interpose entre chaque languette d’une électrode positive et le bord supérieur de l’électrode négative en regard, et entre chaque languette d’une électrode négative et le bord supérieur de l’électrode positive.
Cependant, compte tenu de la compression au sein de l’élément et de la présence de couche comportant la matière active jusqu’au bord supérieur de chaque électrode négative, il subsiste un risque substantiel de court-circuit en cas de mauvaise isolation, notamment si le séparateur ne forme pas écran, ou si les connexions électriques sont très tassées. Ceci réduit la fiabilité de l’élément de batterie.
Pour pallier ce problème, il est connu d’enduire la base des languettes des électrodes positives avec un revêtement isolant de protection tel qu’un revêtement plastique ou céramique. Cette solution complique cependant le procédé de fabrication et augmente le coût.
Par ailleurs, dans ce type d’élément de batterie, la zone de pliage des languettes occupe un espace important dans la partie supérieure du godet limitant les dimensions des électrodes à l’intérieur du godet et par conséquent la capacité de l’élément de batterie.
Un but de l’invention est donc de fournir, un faisceau électrochimique pour un élément de batterie qui soit fiable lors de son utilisation et qui permette d’optimiser la capacité électrique et la compacité de l’élément de batterie.
A cet effet, l’invention a pour objet un faisceau électrochimique, tel que défini plus haut, dans lequel le faisceau électrochimique comprend en outre un premier dispositif de séparation métallique interposé entre chaque paire de languettes de connexion électrique adjacentes selon la direction d’empilement, le premier dispositif de séparation étant fixé à au moins une desdites languettes de connexion électrique, le premier dispositif de séparation s’étendant, entre chaque paire de languettes de connexion électrique adjacentes, entre un bord inférieur et un bord supérieur selon la direction verticale, les bord supérieurs du premier dispositif de séparation affleurant sensiblement au niveau des bords supérieurs des languettes de connexion électrique des électrodes de première polarité.
Ainsi, les bords supérieurs des languettes de connexion électrique et les bords supérieurs du premier dispositif de séparation définissent une surface adaptée au soudage d’un connecteur électrique. Le premier dispositif de séparation permet de densifier et rigidifier la partie supérieure des languettes de connexion électrique facilitant l’étape de soudage du connecteur électrique.
Il n’est donc plus nécessaire d’effectuer un pliage des languettes de connexion électrique dans la partie supérieure du godet. La hauteur des languettes est donc réduite, ce qui permet d’augmenter les dimensions des électrodes et ainsi d’augmenter la capacité de l’élément de batterie pour une même dimension de godet.
Le faisceau électrochimique peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la hauteur de la languette de connexion électrique prise par rapport au bord supérieur du collecteur est inférieure à 5 mm, de préférence comprise entre 1 mm et 5 mm ;
- chaque paire de languettes de connexion électrique adjacentes délimitent entre elles un interstice recevant le premier dispositif de séparation, la largeur du premier dispositif de séparation entre les languettes de connexion électrique adjacentes, prise selon la direction d’empilement, étant au moins égale à 60 % de la largeur de l’interstice ;
- les bords inférieurs du premier dispositif de séparation sont disposés à l’écart, selon la direction verticale, des bord supérieurs des collecteurs des électrodes de première polarité de la pluralité d’empilements ;
- le premier dispositif de séparation est soudé à la languette de connexion électrique par au moins une soudure ;
- la soudure est une soudure laser ou une soudure ultrason ;
- chaque languette de connexion électrique s’étend entre un premier bord latéral et un deuxième bord latéral selon une direction horizontale sensiblement perpendiculaire à la direction verticale et la direction d’empilement, le premier dispositif de séparation étant un ruban métallique continu entourant successivement le premier bord latéral d’une languette de connexion électrique et le deuxième bord latéral d’une languette de connexion électrique adjacente ; et
- le premier dispositif de connexion électrique comprend une pluralité d’organes de séparation métalliques, distincts les uns des autres, interposés respectivement entre chaque paire de languettes de connexion électrique adjacentes, chaque organe de séparation s’étendant entre un bord inférieur et un bord supérieur selon la direction verticale, les bords supérieurs du premier dispositif de séparation étant formés par les bords supérieurs des différents organes de séparation.
L’invention a également pour objet un élément de batterie comprenant :
- un godet ou une poche délimitant un volume intérieur,
- au moins un faisceau électrochimique, tel que décrit ci-dessus, disposé dans le volume intérieur,
- au moins un premier connecteur électrique soudé sur les bords supérieurs des languettes de connexion électrique des électrodes de première polarité et sur les bords supérieurs du premier dispositif de séparation.
L’invention porte également sur un procédé de fabrication d’un faisceau électrochimique tel que décrit ci-dessus, le procédé comprenant :
- déposer successivement les empilements selon la direction d’empilement,
- interposer le premier dispositif de séparation entre chaque paire de languettes de connexion électrique adjacentes,
- fixer le premier dispositif de séparation à au moins une desdites languettes de connexion électrique, la pluralité de bord supérieurs du premier dispositif de séparation affleurant sensiblement au niveau des bords supérieurs des languettes de connexion électrique des électrodes de première polarité.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé comprend la caractéristique suivante : la fixation du premier dispositif de séparation à la languette de connexion électrique est effectuée par soudage.
L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’un élément de batterie comprenant les étapes suivantes :
- fabriquer un faisceau électrochimique selon le procédé décrit ci-dessus,
- insérer le faisceau électrochimique à l’intérieur d’un volume intérieur d’un godet ou d’une poche,
- souder au moins un premier connecteur électrique sur les bords supérieurs des languettes de connexion électrique des électrodes de première polarité et sur les bords supérieurs du premier dispositif de séparation.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
- [Fig 1] la figure 1 est une vue en perspective d’un élément de batterie de l’état de la technique,
- [Fig 2] la figure 2 est une vue en perspective d’un élément de batterie selon un premier mode de réalisation de l’invention, - [Fig 3] [Fig 4] les figures 3 et 4 sont des vues schématiques partielles en perspective et en section des électrodes négatives du faisceau électrochimique de l’élément de batterie de la figure 2,
- [Fig 5] la figure 5 est une vue schématique partielle d’un procédé de fabrication d’un faisceau électrochimique de l’élément de batterie de la figure 2, et
- [Fig 6] la figure 6 est une vue en perspective des électrodes négatives d’un faisceau électrochimique selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
La figure 2 illustre un élément de batterie 10 selon un premier mode de réalisation de l’invention.
La batterie est une batterie électrochimique telle qu’utilisée habituellement dans les véhicules ferroviaires ou dans les aéronefs. D’autres domaines d’application de la batterie sont envisageables, tels que les véhicules automobiles, les systèmes de stockage de l’énergie ou la mobilité électrique.
L’élément de batterie 10 selon l’invention comporte un carter ou godet (non représenté) définissant un volume intérieur et au moins un faisceau électrochimique 12 disposé dans le volume intérieur du godet.
L’élément de batterie comporte un couvercle 14 fermant le volume intérieur du godet, une borne de première polarité 16, ici négative, une borne de deuxième polarité 17, ici positive, un premier connecteur électrique 18 et un deuxième connecteur électrique 19 raccordant électriquement le faisceau électrochimique 12 respectivement à la borne de première polarité 16 et à la borne de deuxième polarité 17, toutes deux accessibles sur le couvercle 14.
Le godet comporte une paroi de fond, et une paroi latérale faisant saillie de la paroi de fond pour délimiter le volume intérieur.
Le godet est de préférence de forme parallélépipédique, en particulier parallélépipédique rectangle. Le volume intérieur du godet s’ouvre à travers une ouverture d’accès qui débouche vers le haut, lorsque la paroi de fond est posée sur un collecteur horizontal.
Dans tout ce qui suit, les orientations sont définies en référence au godet posé sur une surface horizontale, avec sa paroi de fond en contact avec la surface horizontale. Les termes « haut », « bas », « supérieur », « inférieur », « horizontal », « vertical » s’étendent par rapport à cette orientation.
Le couvercle 14 est destiné à se fixer sur le godet pour fermer le volume intérieur vers le haut. Chaque faisceau électrochimique 12 est reçu dans le volume intérieur. De préférence, le volume occupé par le ou les faisceaux électrochimiques 12 est supérieur à 70% du volume intérieur.
En référence aux figures 3 et 4, chaque faisceau électrochimique 12 comprend une pluralité d’empilements 20 successifs empilés selon une direction d’empilement E, et au moins un premier dispositif de séparation métallique 22.
Chaque empilement 20 comprend une électrode de première polarité 24, en particulier une électrode négative, une électrode de deuxième polarité 26, en particulier une électrode positive, un premier séparateur 28 et un deuxième séparateur 29. L’électrode de deuxième polarité 26 est interposée entre le premier séparateur 28 et le deuxième séparateur 29. Le deuxième séparateur 29 est interposé entre l’électrode de première polarité 24 et l’électrode de deuxième polarité 26.
Chaque faisceau électrochimique 12 est en outre baigné dans un électrolyte, présent dans le volume intérieur pour imprégner les électrodes 24, 26, le premier séparateur 28 et le deuxième séparateur 29.
En référence plus particulièrement à la figure 4, l’électrode de première polarité 24, ici l’électrode négative, comporte un collecteur plan 30, une couche 32 comportant une matière active couvrant le collecteur 30 et une languette de connexion électrique 34 faisant saillie vers le haut, selon une direction verticale V sensiblement perpendiculaire à la direction d’empilement E, par rapport au collecteur 30 pour permettre la connexion au premier connecteur électrique 18.
De la même manière, l’électrode de deuxième polarité 26, ici l’électrode positive, comporte également un collecteur plan 36, une couche 38 comportant une matière active couvrant le collecteur 36 et une languette de connexion électrique faisant saillie vers le haut par rapport au collecteur 36 pour permettre la connexion au deuxième connecteur électrique 19.
Le collecteur de chaque électrode 24, 26 est de préférence métallique, par exemple en cuivre ou en aluminium selon la polarité de l’électrode 24, 26. Il constitue un collecteur de courant. Il est par exemple formé d’un feuillard, notamment d’un feuillard mince présentant une épaisseur inférieure à 20 pm.
Le collecteur 30 de chacune des électrodes de première polarité 24 présente par exemple un contour sensiblement polygonal, notamment un contour rectangle. Il s’étend selon la direction verticale V, entre un bord inférieur 42 et un bord supérieur 44, sensiblement perpendiculaire à la direction d’empilement E. Il s’étend selon une direction horizontale H, sensiblement perpendiculaire à la direction verticale V et à la direction d’empilement E, entre un premier bord latéral 46 et un deuxième bord latéral (non représenté). Le premier bord latéral 46 est situé à une distance plus proche de la languette 34 que le deuxième bord latéral 48.
Le bord supérieur 44 s’étend de part et d’autre de la languette 34, qui fait saillie à partir du bord supérieur 44. La hauteur selon la direction verticale V à laquelle s’étend le bord supérieur 44 par rapport au bord inférieur 42 est de préférence identique de part et d’autre de la languette 34.
La languette 34 est de préférence venue de matière avec le collecteur 30. La languette 34 est ainsi obtenue lors de la réalisation du collecteur 30.
La languette 34 présente ici un contour polygonal, par exemple rectangle ou carré. La languette 34 s’étend selon la direction horizontale H entre un premier bord latéral 50 relié au bord supérieur 44 du collecteur 30, et un deuxième bord latéral 52, également relié au bord supérieur 44 du collecteur 30. La languette 34 s’étend en outre entre le bord inférieur 42 du collecteur 30 et un bord supérieur 54 selon la direction verticale V, reliant le premier bord latéral 50 et le deuxième bord latéral 52. Le bord supérieur 54 définit au moins une surface sensiblement plane.
La hauteur de la languette 34 prise par rapport au bord supérieur 44 du collecteur 30 est de préférence inférieure à 3 mm, de préférence comprise entre 1 mm et 5 mm.
La languette 34 définit une première face 56 et une deuxième face 58 sensiblement parallèle à la première face 56. La deuxième face 58 est disposée à l’opposé de la première face 56. La première face 56 et la deuxième face 58 s’étendent chacune dans des plans sensiblement perpendiculaires à la direction d’empilement E.
Comme visible sur la figure 3, les languettes 34 sont disposées les unes à côté des autres selon la direction d’empilement E, la première face 56 d’une languette 34 étant disposée en regard de la deuxième face 58 d’une languette 34 adjacente selon la direction d’empilement E. Les languettes 34 sont avantageusement toutes identiques entre elles.
Chaque languette 34 est espacée d’une languette 34 adjacente, selon la direction d’empilement E, par un interstice 60. L’interstice 60 est défini entre la première face 56 d’une languette 34 et la deuxième face 58 de la languette 34 adjacente.
Dans l’exemple illustré, la largeur de l’interstice 60 prise selon la direction d’empilement E, c’est-à-dire la distance entre la première face 56 d’une languette 34 et la deuxième face 58 de la languette 34 adjacente, est égale à la somme des largeurs de l’électrode de deuxième polarité 26, ici positive, du premier séparateur 28, du deuxième séparateur 29, et de deux couches 32 de matière comportant la matière active recouvrant une face de chacun des collecteurs 30 de deux électrodes de première polarité 24 adjacentes. La couche 32 comportant la matière active couvre la totalité d’au moins une face du collecteur 30, verticalement entre le bord inférieur 42 et le bord supérieur 44, et horizontalement entre le premier bord latéral 46 et le deuxième bord latéral 48. Elle ne couvre pas la languette 34 qui reste dénudée.
La matière active est par exemple un oxyde de titane lithié ou capable d’être lithié (ou « LTO » ), ou un oxyde de titane et de niobium (ou « TNO ») ou encore un mélange de ces deux composés (LTO/TNO), du graphite, du silicium, le lithium métal ou un alliage.
En variante, la matière active comprend un ou plusieurs des composés suivants : oxyde lithié de nickel, manganèse et cobalt (NMC) de formule Li(NixMnyCoz)02, oxyde lithié de nickel, cobalt et aluminium (NCA) de formule Li(NixC0yAli.x.y)O2, phosphate de fer lithié (LFP) de formule LiFePC , phosphate lithié mixte de fer et de manganèse (LMFP) de formule LiFexMni.xPO4 et/ou un oxyde lithié de nickel et de manganèse (LNMO).
Le collecteur 36 de chacune des électrodes de deuxième polarité 26 présente par exemple un contour sensiblement polygonal, notamment un contour rectangle. Il s’étend selon la direction verticale V entre un bord inférieur 62 et un bord supérieur 64. Il s’étend selon la direction horizontale H entre un premier bord latéral et un deuxième bord latéral. Le premier bord latéral est situé à une distance plus éloignée de la languette que le deuxième bord latéral.
Le bord supérieur s’étend de part et d’autre de la languette, qui fait saillie à partir du bord supérieur. La hauteur à laquelle s’étend le bord supérieur par rapport au bord inférieur est de préférence identique de part et d’autre de la languette.
La languette est de préférence venue de matière avec le collecteur 36. La languette est ainsi obtenue lors de la réalisation du collecteur 36.
La languette présente un contour polygonal, par exemple rectangle ou carré. La languette s’étend horizontalement entre un premier bord latéral relié au bord supérieur 64 du collecteur 36, et un deuxième bord latéral, également relié au bord supérieur 64 du collecteur 36. La languette définit en outre un bord supérieur reliant le premier bord latéral et le deuxième bord latéral. Le bord supérieur définit au moins une surface sensiblement plane.
La hauteur de la languette prise par rapport au bord supérieur du collecteur 36 est de préférence inférieure à 3 mm, de préférence comprise entre 1 mm et 5 mm.
La hauteur de la languette des électrodes de deuxième polarité 26 est de préférence sensiblement identique à la hauteur de la languette 34 des électrodes de première polarité 24.
La languette définit une première face et une deuxième face sensiblement parallèle à la première face disposée à l’opposé de la première face. De manière similaire aux languettes 34 des électrodes de première polarité 24, les languettes des électrodes de deuxième polarité 26 sont disposées les unes à côté des autres selon la direction d’empilement E, en regard l’une de l’autre. Elles sont avantageusement toutes identiques entre elles.
Chaque languette est espacée d’une languette adjacente, selon la direction d’empilement E, par un interstice. L’interstice est défini entre la première face d’une languette et la deuxième face de la languette adjacente.
La largeur de l’interstice prise selon la direction d’empilement E, c’est-à-dire la distance entre la première face d’une languette et la deuxième face de la languette adjacente, est égale à la somme des largeurs de l’électrode de première polarité 24, ici négative, du premier séparateur 28, du deuxième séparateur 29, et de deux couches 32 de matière comportant la matière active recouvrant chacun des collecteurs 36 de deux électrodes 26 adjacentes.
La couche 32 comportant la matière active couvre la totalité d’au moins une face du collecteur 36, verticalement entre le bord inférieur 62 et le bord supérieur 64, et horizontalement entre le premier bord latéral et le deuxième bord latéral. Elle ne couvre pas la languette qui reste dénudée.
Les languettes 34 des électrodes 24 de la première polarité, ici négative, sont disposées à l’écart des languettes des électrodes de la deuxième polarité 26, ici positive, selon la direction horizontale H
Chacun des premier et deuxième séparateurs 28, 29 est formé d’une ou plusieurs feuilles, préférentiellement d’une ou plusieurs feuilles isolantes électriques. Chaque feuille est par exemple formée d’une feuille de matériau polymère, notamment d’une feuille de polyoléfine qui est de préférence perméable aux ions lithium.
Le premier séparateur 28 et le deuxième séparateur 29 sont de préférence identiques entre eux.
L’épaisseur de chacun des premier et deuxième séparateurs 28, 29 est par exemple inférieure à 25 pm.
L’électrolyte est par exemple liquide. Il est par exemple formé d’un électrolyte organique contenant des seuls de lithium comme le LiPF6 et des solvants. En variante l’électrolyte est sous forme d’un solide ou d’un gel, par exemple à base de polymères de polyfluorure de vinylidène (PVDF) ou d’un copolymère de polyfluorure de vinylidène et d’hexafluoropropylène (PVDF-HFP) ainsi que des solvants ou des sels.
De préférence, le faisceau électrochimique comprend un premier dispositif de séparation métallique 22 fixé aux languettes 34 des électrodes de première polarité 24 et un deuxième dispositif de séparation métallique (non représenté) fixé aux languettes des électrodes de deuxième polarité 26. Dans la suite de la description, seul le premier dispositif de séparation 22 fixé sur les languettes 34 des électrodes de première polarité 24 sera décrit en détail. Cependant, il est entendu que le deuxième dispositif de séparation est fixé de manière similaire aux languettes des électrodes de deuxième polarité 26.
Selon l’invention, le premier dispositif de séparation métallique 22 est interposé entre chaque paire de languettes 34 adjacentes des électrodes de première polarité 24, ici négative. Plus particulièrement, le premier dispositif de séparation 22 est disposé dans chaque interstice 60 délimité entre deux languettes 34 adjacentes.
Le premier dispositif de séparation 22 est fixé à au moins une des languettes 34 des électrodes 24 de chacune des paires d’électrodes 24 adjacentes.
En variante, le premier dispositif de séparation 22 est fixé à chacune des languettes 34 des électrodes 24 de chacune des paires d’électrodes 24 adjacentes.
Dans le mode de réalisation des figures 3 et 4, le premier dispositif de séparation 22 est soudé sur la ou les languettes de chaque paire d’électrodes 24 adjacentes, par au moins une soudure 66 (figure 4).
La soudure 66 est par exemple une soudure laser ou une soudure ultrason.
Le premier dispositif de séparation 22 connecte alors électriquement entre elles la pluralité de languettes de connexion électrique 34 des électrodes de première polarité 24.
En variante (non représenté), le dispositif de séparation 22 est collé sur la ou les languettes de chaque paire d’électrodes 24 adjacentes au moyen d’un adhésif.
L’adhésif est par exemple du polyfluorure de vinylidène (PVDF).
Le premier dispositif de séparation 22 s’étend, entre les languettes 34 de chaque paire d’électrodes 24 adjacentes, entre un bord inférieur 68 et un bord supérieur 70 selon la direction verticale V.
Chaque bord supérieur 70 du premier dispositif de séparation 22 s’étend entre les bords supérieurs 54 de deux languettes 34 adjacentes selon la direction d’empilement E.
Le premier dispositif de séparation 22 est disposé à l’écart des collecteurs 30, 36 des électrodes de première polarité 24 et des électrodes de deuxième polarité 26, au-dessus des collecteurs 30, 36, selon la direction verticale, pour éviter tout contact avec les couches 32 comportant la matière active et les électrodes de deuxième polarité 26.
Selon l’invention, les bords supérieurs 70 du premier dispositif de séparation 22 affleurent sensiblement au niveau des bords supérieurs 54 des languettes de connexion électrique 34 de la pluralité d’électrodes de première polarité 24.
Par « sensiblement », on entend que la différence de hauteur entre les bords supérieurs 54 des languettes 34 de connexion électrique et les bords supérieurs 70 du premier dispositif de séparation 22, prise selon la direction verticale, est comprise entre 0 mm et 0,5 mm.
Dit autrement, les bords supérieurs 70 du premier dispositif de séparation 22 et les bords supérieurs 54 des languettes 34 s’étendent sensiblement dans un même plan P, sensiblement parallèle à la direction d’empilement E.
La largeur du premier dispositif de séparation 22 prise selon la direction d’empilement E entre deux languettes 34 de connexion électrique adjacentes est par exemple comprise entre 60 % et 90 % de la largeur de l’interstice 60.
Avantageusement, le premier dispositif de séparation 22 est en contact avec la languette 34 adjacente à la languette 34 sur laquelle est fixée le premier dispositif de séparation 22. Dit autrement, la somme des largeurs du premier dispositif de séparation 22 entre deux languettes 34 de connexion adjacentes et de la ou des soudures 66 est sensiblement égale à la largeur de l’interstice 60. Dit encore autrement, le premier dispositif de séparation 22 est fixé sur la première face 56 d’une languette 34 et est en contact avec la deuxième face 58 de la languette 34 adjacente.
Dans l’exemple illustré, le premier dispositif de séparation 22 est formé par un ruban métallique 72 continu entourant successivement, selon la direction verticale, le premier bord latéral 50 d’une languette 34 de connexion électrique et le deuxième bord latéral 52 d’une languette 34 de connexion électrique adjacente.
Le premier connecteur électrique 18 comprend au moins une face inférieure sensiblement plane soudée sur les bords supérieurs 70 du premier dispositif de séparation 22 et sur les bords supérieurs 54 des languettes 34 de connexion électrique des électrodes de première polarité 24.
Un procédé de fabrication du faisceau électrochimique 12 va maintenant être décrit en référence à la figure 5.
Initialement, les collecteurs 30, 36 sont fabriqués en déroulant une bande de feuillard métallique.
La bande de feuillard métallique est préalablement enduite d’une encre comportant notamment la matière active pour former chaque électrode.
Le contour de chacun des collecteurs 30, 36 est obtenu par emboutissage.
Avantageusement, l’encre contient en outre un liant et un composé électronique. Le dépôt forme la couche 32 comportant la matière active.
Les languettes 34 ne sont pas enduites d’encre comportant la matière active.
Chaque empilement 20 est réalisé, en disposant une électrode de première polarité 24, ici négative, en regard d’une électrode de deuxième polarité 26, ici positive, avec l’interposition du premier séparateur 28 et du deuxième séparateur 29. Les empilements 20 sont ensuite eux-mêmes empilés successivement les uns à la suite des autres selon la direction d’empilement E.
Au fur et à mesure de l’empilement, entre deux empilements 20 adjacents, le premier dispositif de séparation 22, ici le ruban métallique 72, est interposé entre chaque paire de languettes de connexions électrique 34 adjacentes.
Le premier dispositif de séparation 22 est ensuite fixé sur au moins une des languettes 34 de deux électrodes 24 adjacentes pour que le bord supérieur 70 du premier dispositif de fixation 22 affleure sensiblement au niveau des bords supérieurs 54 des languettes de connexion électrique 34 adjacentes.
La fixation est avantageusement réalisée par soudage à ultra-sons en utilisant une sonotrode 74.
Par exemple, la section transversale de la tête de la sonotrode 74 est comprise entre 2 mm et 4 mm.
De préférence, on réalise une ou plusieurs soudures sensiblement ponctuelles entre le premier dispositif de séparation 22 et la languette 34. En variante, on réalise un trait de soudure entre le premier dispositif de séparation 22 et la languette 34.
La section soudée sur chaque languette 34 est par exemple comprise entre 1 mm2 et 10 mm2, de préférence au moins égale à 2 mm2. La section soudée est choisie de sorte à assurer une bonne tenue mécanique des composants entre eux.
Dans l’exemple illustré, on entoure les languettes de connexion électrique 34 avec le ruban métallique 72 continu en entourant successivement selon la direction verticale V le premier bord latéral 50 d’une languette 34 et le deuxième bord latéral 52 de la languette 34 adjacente.
Le procédé de fabrication a ici été décrit pour les languettes de connexion électrique 34 des électrodes de première polarité 24, ici négative. Il est entendu que l’on procède de manière similaire pour fixer le deuxième dispositif de séparation sur les languettes de connexion électriques des électrodes de deuxième polarité 26, ici positive.
Un procédé de fabrication d’un élément de batterie 10 tel que décrit plus haut va maintenant être décrit.
Le faisceau électrochimique 12 fabriqué tel que ci-dessus est inséré dans le volume intérieur du godet.
On soude alors le premier connecteur électrique 18 sur les bords supérieurs 54 des languettes de connexion électrique 34 des électrodes de première polarité 24 et sur les bords supérieurs 70 du premier dispositif de séparation 22. De préférence, on fait la même chose pour le deuxième connecteur électrique 19 en le soudant sur les bords supérieurs des languettes de connexion électrique des électrodes de deuxième polarité 26 et sur les bords supérieurs du deuxième dispositif de séparation.
Le couvercle 14 muni des bornes 16, 17 est placé au-dessus du godet de sorte que les bornes 16, 17 soient en contact électrique avec respectivement le premier connecteur électrique 18 et le deuxième connecteur électrique 19.
Ainsi, les bords supérieurs 54 des languettes 34 et les bords supérieurs 70 du premier dispositif de séparation 22 disposés sensiblement dans un même plan facilitent le soudage du premier connecteur électrique 18.
Au contraire de l’élément de batterie 100 de l’état de la technique représenté sur la figure 1 , il n’est pas nécessaire ici de plier les languettes à l’intérieur du godet ce qui minimise le risque de courts-circuits dans la zone de pliage dû au contact entre les électrodes de première polarité et les électrodes de deuxième polarité.
De plus, comme il n’est pas nécessaire de plier les languettes, la hauteur des languettes 34 du faisceau 12 selon l’invention est relativement plus courte que les languettes de l’état de la technique. Pour un même godet, il est ainsi possible d’augmenter les dimensions des collecteurs des électrodes recouverts de la matière active, et ainsi d’augmenter la capacité de l’élément de batterie. Pour une même dimension de godet, le gain relatif en capacité entre un élément de batterie 100 de l’état de la technique et un élément de batterie 12 selon l’invention est compris entre 5% et 8%.
Un deuxième mode de réalisation de réalisation va maintenant être décrit par différences par rapport au premier mode de réalisation, en référence à la figure 6.
Dans ce mode de réalisation, le premier dispositif de séparation 22 et le deuxième dispositif de séparation sont chacun formés par une pluralité d’organes de séparation 76 distincts les uns des autres. Chaque organe de séparation 76 du premier dispositif de séparation 22 est interposé entre chaque paire de languettes de connexion 34 adjacentes.
Les organes de séparation 76 sont de préférence tous identiques entre eux.
Chaque organe de séparation 76 s’étend verticalement entre un bord inférieur 78 et un bord supérieur 80. Il s’étend horizontalement entre un premier bord latéral 82 et un deuxième bord latéral 84. Le premier bord latéral 82 et le deuxième bord latéral 84 relient le bord supérieur 80 et le bord inférieur 78.
Par exemple, la longueur de chaque organe de séparation 76 prise selon la direction horizontale H entre le premier bord latéral 82 et le deuxième bord latéral 84 est comprise entre 50 % et 100 % de la longueur des languettes 34 prise selon cette même direction.
De préférence, la longueur de chaque organe de séparation 76 est sensiblement égale à la longueur de chacune des languettes 34. Les procédés de fabrication du faisceau électrochimique 12 et de l’élément de batterie 10 associée sont identiques aux procédés décrit précédemment.
Dans une variante aux modes de réalisation décrits ci-dessus, le godet est remplacé par une poche souple contenant le ou les faisceaux électrochimiques décrits plus haut. II résulte de ce qui précède que le dispositif de séparation 22, en particulier le ruban métallique 72 est avantageusement formé de métal massif, c’est-à-dire dépourvu de porosité macroscopique (par exemple de taille de pore supérieure à 50 pm).
Le dispositif de séparation 22 est par exemple en cuivre, en acier inoxydable, en nickel ou en aluminium, selon la polarité de l’électrode. Le dispositif de séparation 22 présente une épaisseur allant avantageusement de 10 pm à 100 pm.

Claims

REVENDICATIONS
1. Faisceau électrochimique (12) comprenant une pluralité d’empilements (20) empilés selon une direction d’empilement (E), chaque empilement (20) comportant une électrode de première polarité (24), une électrode de deuxième polarité (26), un premier séparateur (28) et un deuxième séparateur (29), l’électrode de deuxième polarité (26) étant interposée entre le premier séparateur (28) et le deuxième séparateur (29), le deuxième séparateur (29) étant interposé entre l’électrode de première polarité (24) et l’électrode de deuxième polarité (26), l’électrode de première polarité (24) comprenant un collecteur (30) plan, une languette de connexion électrique (34) et une couche (32) comportant une matière active recouvrant au moins une face du collecteur (30), la languette de connexion électrique (34) étant dépourvue de la couche (32) comportant la matière active, et faisant saillie à partir d’un bord supérieur (44) du collecteur (30), la languette de connexion électrique (34) s’étendant entre le bord supérieur (44) du collecteur (30) et un bord supérieur (54) selon une direction verticale (V) sensiblement perpendiculaire à la direction d’empilement (E), caractérisé en ce que le faisceau électrochimique (12) comprend en outre un premier dispositif de séparation (22) métallique interposé entre chaque paire de languettes de connexion électrique (34) adjacentes selon la direction d’empilement (E), le premier dispositif de séparation (22) étant fixé à au moins une desdites languettes de connexion électrique (34), le premier dispositif de séparation (22) s’étendant, entre chaque paire de languettes de connexion électrique (34) adjacentes, entre un bord inférieur (68) et un bord supérieur (70) selon la direction verticale (V), les bord supérieurs (70) du premier dispositif de séparation (22) affleurant sensiblement au niveau des bords supérieurs (54) des languettes de connexion électrique (34) des électrodes de première polarité (24).
2. Faisceau électrochimique (12) selon la revendication 1 , dans lequel la hauteur de la languette de connexion électrique (34) prise par rapport au bord supérieur (44) du collecteur (30) est inférieure à 5 mm, de préférence comprise entre 1 mm et 5 mm.
3. Faisceau électrochimique (12) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque paire de languettes de connexion électrique (34) adjacentes délimitent entre elles un interstice (60) recevant le premier dispositif de séparation (22), la largeur du premier dispositif de séparation (22) entre les languettes de connexion électrique (34) adjacentes, prise selon la direction d’empilement (E), étant au moins égale à 60 % de la largeur de l’interstice (60).
4. Faisceau électrochimique (12) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les bords inférieurs (68) du premier dispositif de séparation (22) sont disposés à l’écart, selon la direction verticale (V), des bord supérieurs (44) des collecteurs (30) des électrodes de première polarité (24) de la pluralité d’empilements (20).
5. Faisceau électrochimique (12) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le premier dispositif de séparation (22) est soudé à la languette de connexion électrique (34) par au moins une soudure (66).
6. Faisceau électrochimique (12) selon la revendication 5, dans lequel la soudure est une soudure laser ou une soudure ultrason.
7. Faisceau électrochimique (12) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel chaque languette de connexion électrique (34) s’étend entre un premier bord latéral (50) et un deuxième bord latéral (52) selon une direction horizontale (H) sensiblement perpendiculaire à la direction verticale (V) et la direction d’empilement (E), le premier dispositif de séparation (22) étant un ruban métallique (72) continu entourant successivement le premier bord latéral (50) d’une languette de connexion électrique (34) et le deuxième bord latéral (52) d’une languette de connexion électrique (34) adjacente.
8. Faisceau électrochimique (12) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le premier dispositif de connexion électrique (22) comprend une pluralité d’organes de séparation (76) métalliques, distincts les uns des autres, interposés respectivement entre chaque paire de languettes de connexion électrique (34) adjacentes, chaque organe de séparation (76) s’étendant entre un bord inférieur (78) et un bord supérieur (80) selon la direction verticale (V), les bords supérieurs (70) du premier dispositif de séparation (22) étant formés par les bords supérieurs (80) des différents organes de séparation (76).
9. Elément de batterie (10) comportant :
- un godet ou une poche délimitant un volume intérieur,
- au moins un faisceau électrochimique (12) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 disposé dans le volume intérieur,
- au moins un premier connecteur électrique (18) soudé sur les bords supérieurs (54) des languettes de connexion électrique (34) des électrodes de première polarité (24) et sur les bords supérieurs (70) du premier dispositif de séparation (22).
10. Procédé de fabrication d’un faisceau électrochimique (12) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, le procédé comprenant :
- déposer successivement les empilements (20) selon la direction d’empilement (E), 17
- interposer le premier dispositif de séparation (22) entre chaque paire de languettes de connexion électrique (34) adjacentes,
- fixer le premier dispositif de séparation (22) à au moins une desdites languettes de connexion électrique (34), la pluralité de bord supérieurs (70) du premier dispositif de séparation (22) affleurant sensiblement au niveau des bords supérieurs (54) des languettes de connexion électrique (34) des électrodes de première polarité (24).
11. Procédé de fabrication selon la revendication 10, dans lequel la fixation du premier dispositif de séparation (22) à la languette de connexion électrique (34) est effectuée par soudage.
12. Procédé de fabrication d’un élément de batterie (10), le procédé comprenant les étapes suivantes :
- fabriquer un faisceau électrochimique (12) selon la revendication 10 ou 11 ,
- insérer le faisceau électrochimique (12) à l’intérieur d’un volume intérieur d’un godet ou d’une poche,
- souder au moins un premier connecteur électrique (18) sur les bords supérieurs (54) des languettes de connexion électrique (34) des électrodes de première polarité (24) et sur les bords supérieurs (70) du premier dispositif de séparation (22).
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