FR3097370A1 - Batterie à ions de lithium et son procédé de fabrication - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne des batteries à ions de lithium ayant une architecture nouvelle qui leur confère une durée de vie améliorée, une forte densité d’énergie et une forte densité de puissance. Elle vise en particulier à proposer un procédé, qui permet de fabriquer de manière simple, fiable et rapide de telles batteries. Figure pour l’abrégé : Fig. 9
Description
Domaine technique de l’invention
La présente invention se rapporte au domaine des batteries, et plus particulièrement aux batteries à ions de lithium. L’invention concerne des batteries à ions de lithium avec une architecture nouvelle qui leur confère une durée de vie améliorée. L’invention concerne également un nouveau procédé de fabrication de telles batteries.
Etat de la technique
Des batteries rechargeables entièrement solides à ions de lithium sont connues. WO 2016/001584 (I-TEN) décrit une batterie à ions de lithium fabriquée à partir de feuilles anodiques comprenant un substrat conducteur recouvert successivement d’une couche d’anode et d’une couche d’électrolyte, et de feuilles cathodiques comprenant un substrat conducteur recouvert successivement d’une couche de cathode et d’une couche d’électrolyte ; ces feuilles sont découpées, avant ou après dépôt, selon des motifs en forme de U. Ces feuilles sont ensuite empilées de manière alternée afin de constituer un empilement de plusieurs cellules élémentaires. Les motifs de découpes des feuilles anodiques et cathodiques sont placés en configuration « tête bêche » de manière à ce que l’empilement des cathodes et des anodes soit décalé latéralement. Après l’étape d’empilement, on dépose un système d’encapsulation en couche épaisse d’une dizaine de microns sur l’empilement et dans les cavités disponibles présentes au sein de l’empilement. Ceci permet d’assurer, d’une part, la rigidité de la structure au niveau des plans de coupe et, d’autre part, la protection de la cellule de la batterie vis-à-vis de l’atmosphère. Une fois l’empilement réalisé et encapsulé, on le découpe suivant des plans de coupe pour obtenir des batteries unitaires, avec la mise à nu sur chacun des plans de coupe des zones de connexion cathodique et des zones de connexion anodique des batteries. Il se trouve que lors de ces découpes, le système d’encapsulation peut être arraché, ce qui entraîne une discontinuité de l’étanchéité de la batterie. Il est aussi connu d’ajouter des terminaisons (i.e. des contacts électriques) à l’endroit où ces zones de connexion cathodique et anodique sont apparentes.
Il est apparu que cette solution connue peut présenter cependant certains inconvénients. En effet, en fonction du positionnement des électrodes, notamment de la proximité des bords des électrodes pour les batteries multicouches et de la propreté des découpes, un courant de fuite peut apparaitre sur les extrémités, typiquement sous la forme d’un court-circuit rampant. Ce court-circuit rampant diminue la performance de la batterie, et ce, malgré l’utilisation d’un système d’encapsulation autour de la batterie et aux abords des zones de connexion cathodique et anodique. Par ailleurs, on constate parfois un dépôt insatisfaisant du système d’encapsulation sur la batterie, notamment sur les bords de la batterie au niveau des espaces créés par les décalages latéraux des électrodes sur les bords de batterie.
Par ailleurs, étant donné que les terminaisons, respectivement anodique et cathodique, sont situées en retrait des feuilles adjacentes, respectivement cathodique et anodique, il est nécessaire de pratiquer une découpe de larges dimensions. Une telle découpe doit alors être remplie au moyen d’un matériau isolant. Etant donné ses dimensions importantes, cette découpe conduit à une perte substantielle de matière utile pour la réalisation de la batterie proprement dite. Par ailleurs, elle impose de déposer de fortes épaisseurs d’isolant, dans les cavités disponibles présentes au sein de l’empilement. Un isolant épais risque de fragiliser l’ensemble du système d’encapsulation de la batterie. Lors de la découpe, le système d’encapsulation déposé en couche épaisse a tendance à se délaminer. L’architecture selon l’état de la technique présente donc certains inconvénients techniques mais aussi économiques.
La présente invention vise à remédier au moins en partie à certains inconvénients de l’art antérieur évoqués ci-dessus, notamment à obtenir des batteries rechargeables à ions de lithium à forte densité d’énergie et forte densité de puissance.
Elle vise en particulier à accroitre le rendement de production des batteries rechargeables à ions de lithium à forte densité d’énergie et forte densité de puissance, et à réaliser des encapsulations plus performantes à moindre coût.
Elle vise en particulier à proposer un procédé qui diminue le risque de court-circuit rampant ou accidentel et qui permet de fabriquer une batterie présentant une faible autodécharge.
Elle vise en particulier à proposer un procédé, qui permet de fabriquer de manière simple, fiable et rapide une batterie présentant une durée de vie très élevée.
Elle vise également à proposer un tel procédé, qui utilise une étape de découpe de meilleure qualité, notamment plus nette que dans l’art antérieur.
Elle vise également à proposer un procédé de fabrication des batteries qui engendre moins de perte de matières.
Objets de l’invention
Un premier objet de l’invention est une batterie1000comprenant au moins une cellule élémentaire100, ladite cellule élémentaire100comprenant successivement au moins un substrat plan collecteur de courant anodique10, au moins une couche d’anode20, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte30ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte31, au moins une couche de cathode50, et au moins un substrat plan collecteur de courant cathodique40,
ladite batterie1000comprenant des bords longitudinaux1011,1012, un premier bord latéral1001comprenant au moins une zone de connexion anodique1002et un second bord latéral1005comprenant au moins une zone de connexion cathodique1006, lesdites zones de connexion anodique1002et cathodique1006étant de préférence latéralement opposés,
caractérisée en ce que chaque cellule élémentaire100comprend un corps primaire111, un corps secondaire112et un corps tertiaire113, ledit corps secondaire et ledit corps tertiaire étant disposé de part et d’autre dudit corps primaire, étant entendu que chacun des corps primaire111, secondaire112et tertiaire113comprend successivement au moins un substrat plan collecteur de courant anodique10, au moins une couche d’anode20, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte30ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte31, au moins une couche de cathode50, et au moins un substrat plan collecteur de courant cathodique40,
ledit corps secondaire112étant séparé du corps primaire111par une échancrure120libre de tout matériau d’anode, d’électrolyte, de séparateur imprégné d’un électrolyte, de cathode et de substrat collecteur de courant anodique, étant entendu que ladite échancrure s’étend d’un bord longitudinal1011au bord longitudinal opposé de la batterie1012selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie, et
ledit corps tertiaire113étant séparé du corps primaire111par un évidement130libre de tout matériau d’anode, d’électrolyte, de séparateur imprégné d’un électrolyte, de cathode et de substrat collecteur de courant cathodique, étant entendu que ledit évidement130s’étend d’un bord longitudinal1011au bord longitudinal opposé de la batterie1012selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie.
Avantageusement, la batterie selon l’invention comprend une pluralité de cellules élémentaires, et est caractérisée en ce que toutes les échancrures de chacune des cellules élémentaires, sont superposées, selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie, de manière à ce que chaque substrat plan collecteur de courant cathodique collecte le courant cathodique de la cellule élémentaire au travers de la zone de connexion cathodique, et
en ce que tous les évidements de chacune des cellules élémentaires sont superposés, selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie, de manière à ce que chaque substrat plan collecteur de courant anodique collecte le courant anodique de la cellule élémentaire au travers de la zone de connexion anodique.
Avantageusement, la batterie selon l’invention comprend un système d’encapsulation revêtant totalement quatre des six faces de ladite batterie, les deux faces restantes comprenant une zone de connexion anodique et une zone de connexion cathodique.
Avantageusement le système d’encapsulation comprend:
- au moins une première couche de recouvrement, de préférence choisie parmi le parylène, le parylène de type F, le polyimide, les résines epoxy, le silicone, le polyamide, la silice sol-gel, la silice organique et/ou un mélange de ceux-ci, déposée sur la batterie,
- au moins une deuxième couche de recouvrement composée d’une matière électriquement isolante, déposée par dépôt de couches atomiques sur ladite au moins première couche de recouvrement,
étant entendu que cette séquence d’au moins une première couche de recouvrement et d’au moins une deuxième couche de recouvrement peut être répétée z fois avec z ≥ 1.
Avantageusement, la zone de connexion anodique et la zone de connexion cathodique sont recouvertes par des terminaisons.
Avantageusement, les terminaisons comprennent :
- une première couche d’un matériau chargé en graphite, de préférence à base de résine époxy chargée en graphite disposée sur au moins la zone de connexion cathodique et/ou au moins la zone de connexion anodique,
- une seconde couche dense de cuivre métallique disposée sur la première couche du système de terminaison,
- optionnellement, une troisième couche à base d’un alliage étain-zinc d’étain, disposée sur la deuxième couche,
- optionnellement, une quatrième couche à base d’étain ou à base d’un alliage d’argent, de palladium et de cuivre, disposée sur la troisième couche du système de terminaison.
Avantageusement, la largeur de ladite échancrure est comprise entre 0,01 mm et 0,5 mm.
Avantageusement, la largeur dudit évidement est comprise entre 0,01 mm et 0,5 mm.
Avantageusement, la largeur des corps secondaires est comprise entre 0,5 mm et 20 mm.
Un deuxième objet de l’invention est un procédé de fabrication d’une batterie1000, ladite batterie comprenant au moins une cellule élémentaire100, ladite cellule élémentaire100comprenant successivement au moins un substrat plan collecteur de courant anodique10, au moins une couche d’anode20, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte30ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte31, au moins une couche de cathode50, et au moins un substrat plan collecteur de courant cathodique40, ledit procédé de fabrication comprenant :
- l’approvisionnement d’au moins une feuille de substrat plan collecteur de courant anodique10revêtue d’une couche d’anode20, et optionnellement revêtue d’une couche d’un matériau d’électrolyte30ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte31, appelée ci-après feuille anodique2, ladite feuille anodique comprenant au moins une fente anodique80, ladite fente anodique80comprenant deux cavités principales verticales anodiques et parallèles82, lesquelles sont reliées dans leur partie supérieure par un canal horizontal anodique84, sensiblement perpendiculaire aux deux cavités principales anodiques verticales82, ces cavités principales verticales anodiques étant destinées à délimiter les bords longitudinaux de la batterie,
- l’approvisionnement d’au moins une feuille de substrat plan collecteur de courant cathodique40revêtue d’une couche de cathode50, et optionnellement revêtue d’une couche d’un matériau d’électrolyte30ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte31, appelée ci-après feuille cathodique5, ladite feuille cathodique comprenant au moins une fente cathodique70, ladite fente cathodique comprenant deux cavités principales verticales cathodiques et parallèles72, lesquelles sont reliées dans leur partie supérieure par un canal horizontal cathodique74, sensiblement perpendiculaire aux deux cavités principales verticales cathodiques72, ces cavités principales verticales cathodiques étant destinées à délimiter les bords longitudinaux de la batterie,
- la réalisation d’une première et d’une deuxième entailles, au voisinage de chaque fente anodique80, respectivement cathodique70d’au moins la feuille approvisionnée à l’étape a), respectivement à l’étape b), de manière à former des tranchées anodiques86, 88, respectivement des tranchées cathodiques76, 78, selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie et selon une direction parallèle au canal horizontal anodique84, de la fente anodique80, respectivement au canal horizontal cathodique74de la fente cathodique70, étant entendu que
- les première et deuxième entailles sont réalisées de part et d’autre de la feuille anodique2, respectivement cathodique5,
- la deuxième entaille est réalisée dans le prolongement de la première entaille, et
- que les tranchées anodiques86, 88, respectivement les tranchées cathodiques76, 78, obtenues à partir des première et deuxième entailles sont libres de tout matériau d’électrolyte ou de séparateur imprégné d’un électrolyte et de tout matériau d’anode, respectivement sont libres de tout matériau d’électrolyte ou de séparateur imprégné d’un électrolyte et de tout matériau de cathode, et
- que lesdites tranchées anodiques86, 88, respectivement les tranchées cathodiques76, 78s’étendent entre les bords longitudinaux1011, 1012opposés de la batterie selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie de manière à relier les deux cavités principales verticales anodiques et parallèles de chaque fente anodique80, respectivement à relier les deux cavités principales verticales cathodiques et parallèles de chaque fente cathodique70, la feuille obtenue après la réalisation de ces entailles étant appelée ci-après feuille anodique entaillée2e, respectivement feuille cathodique entaillée5e,
- la réalisation d’un empilementIalterné d’au moins une feuille anodique entaillée2eet d’au moins une feuille cathodique entaillée5e, de manière à obtenir successivement au moins un substrat plan collecteur de courant anodique10, au moins une couche d’anode20, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte30ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte31, au moins une couche de cathode50, et au moins un substrat plan collecteur de courant cathodique40; de manière à ce que, pour chaque fente anodique80d’au moins une feuille anodique entaillée2e, respectivement pour chaque fente cathodique70d’au moins une feuille cathodique entaillée5e, les tranchées anodiques86, 88d’au moins la feuille anodique entaillée, respectivement les tranchées cathodiques76, 78, d’au moins la feuille cathodique entaillée5e, sont disposées dans le prolongement du canal horizontal cathodique74de la fente cathodique70de la feuille adjacente cathodique entaillée 5e, respectivement du canal horizontal anodique84de la fente anodique80, de la feuille adjacente anodique entaillée2eselon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie,
- la réalisation d’un traitement thermique et/ou d’une compression mécanique de l’empilement de feuilles alternées obtenu à l’étape d), de manière à former un empilement consolidé,
- la réalisation de deux découpesDn, D’ns’étendant au moins partiellement à l’intérieur de ladite fente anodique80, respectivement cathodique70, selon un plan parallèle au canal horizontal anodique84, respectivement cathodique74, la première découpe s’étendant entre le canal horizontal anodique84de la fente anodique80et l’extrémité en regard des bords longitudinaux, alors que la seconde découpe s’étend entre le canal horizontal cathodique74de la fente cathodique70et l’extrémité en regard des bords longitudinaux, de manière à former un empilement découpé mettant à nu au moins les zones de connexion anodique et cathodique.
Avantageusement, on réalise, après l’étape (e), et de préférence avant l’étape (f), une étape (g) d’encapsulation de l’empilement consolidé, en déposant :
- au moins une première couche de recouvrement, de préférence choisie parmi le parylène, le parylène de type F, le polyimide, les résines epoxy, le silicone, le polyamide, la silice sol-gel, la silice organique et/ou un mélange de ceux-ci, sur la batterie, et puis
- au moins une deuxième couche de recouvrement composée d’une matière électriquement isolante, déposée par dépôt de couches atomiques sur ladite au moins première couche de recouvrement,
étant entendu que la séquence d’au moins une première couche de recouvrement et d’au moins une deuxième couche de recouvrement peut être répétée z fois avec z ≥ 1.
Avantageusement, lorsqu’un séparateur est employé dans les batteries selon l’invention, le séparateur est imprégné par un électrolyte, de préférence, par une phase porteuse d’ions de lithium telle que des électrolytes liquides ou un liquide ionique contenant des sels de lithium.
Avantageusement, on réalise, après l’étape (f), les terminaisons de la batterie en déposant successivement sur au moins les zones de connexion anodique et cathodique :
- une première couche d’un matériau chargé en graphite, de préférence à base de résine époxy chargée en graphite,
- une seconde couche dense de cuivre métallique disposée sur la première couche du système de terminaison, et
- optionnellement, une troisième couche à base d’un alliage étain-zinc d’étain, disposée sur la deuxième couche du système de terminaison,
- optionnellement, une quatrième couche à base d’étain ou à base d’un alliage d’argent, de palladium et de cuivre, disposée sur la troisième couche du système de terminaison.
Avantageusement, les deux entailles réalisées à l’étape (d) formant des tranchées76, 78, 86, 88sont effectuées par ablation laser.
Avantageusement, on réalise chaque découpe par laser.
Avantageusement, chaque cellule élémentaire définit sur une première face, une zone de continuité du substrat plan collecteur de courant anodique et une échancrure120débouchante, et sur la face opposée, une zone de continuité du substrat plan collecteur de courant cathodique et un évidement130débouchant.
Avantageusement, la zone de continuité du substrat plan collecteur de courant anodique est située en regard de l’échancrure120, et la zone de continuité du substrat plan collecteur de courant cathodique est située en regard de l’évidement130selon une direction perpendiculaire au plan de la batterie.
Avantageusement, la batterie selon l’invention est caractérisée en ce que :
- le substrat plan collecteur de courant anodique est le substrat collecteur de courant anodique de deux cellules élémentaires adjacentes, et en ce que
- le substrat plan collecteur de courant cathodique est le substrat collecteur de courant cathodique de deux cellules élémentaires adjacentes.
Figures
Les figures annexées, données à titre d’exemples non limitatifs, représentent différents aspects et modes de réalisation de l’invention.
Les repères suivants sont utilisés sur ces figures et dans la description qui suit :
[Table 1] : Repères alphanumériques utilisés dans la présente demande
Description de l’invention
Le procédé conforme à l’invention comprend tout d’abord une étape dans laquelle on réalise un empilementIde feuilles alternées, ces feuilles étant dénommées dans ce qui suit, selon le cas, « feuilles anodiques »2ou « feuilles cathodiques »5. Comme on le verra plus en détail, chaque feuille anodique2est destinée à former l’anode de plusieurs batteries, et chaque feuille cathodique5est destinée à former la cathode de plusieurs batteries. Dans l’exemple illustré sur lafigure 1, on a représenté deux feuilles cathodiques entaillées5e, ainsi que deux feuilles anodiques entaillées2e. En pratique, cet empilement est formé par un nombre plus élevé de feuilles, typiquement compris entre dix et mille. Le nombre de feuilles cathodiques entaillées5eest identique au nombre de feuilles anodiques entaillées2eemployées constituant l’empilementIde feuilles alternées de polarité opposée.
Dans un mode de réalisation avantageux, chacune de ces feuilles présente des perforations7à ses quatre extrémités de manière à ce que lorsque ces perforations7sont superposées, toutes les cathodes et toutes les anodes de ces feuilles sont agencées spécifiquement, comme cela sera expliqué en plus grand détail ci-après (cf. figures 1 et 2). Ces perforations7aux quatre extrémités des feuilles peuvent être réalisées par tout moyen approprié, notamment sur des feuilles anodique2et cathodique5après fabrication, ou sur des feuilles de substrat10,40revêtues d’une couche de cathode50ou d’anode20, et optionnellement revêtue d’une couche d’un matériau d’électrolyte30ou d’un séparateur31de sorte que cette couche d’un matériau d’électrolyte30ou ce séparateur31soit intercalé(e) entre deux feuilles de polarité opposée, i.e. entre la feuille anodique2et la feuille cathodique5.
Chaque feuille anodique2comprend un substrat plan collecteur de courant anodique10revêtu d’une couche active d’un matériau d’anode20, ci-après couche d’anode20. Chaque feuille cathodique5comprend un substrat plan collecteur de courant cathodique40revêtu d’une couche active d’un matériau de cathode50, dénommée ci-après couche de cathode50. Chacune de ces couches actives peut être solide, et plus particulièrement de nature dense ou poreuse. Par ailleurs, afin d’éviter tout contact électrique entre deux couches actives de polarités opposées, une couche d’électrolyte30ou d’un séparateur31imprégné d’un électrolyte est disposé sur la couche active d’au moins l’un de ces substrats plans collecteurs de courant préalablement revêtu de la couche active, au contact de la couche active en regard. La couche d’électrolyte30ou le séparateur31, peut être disposé(e) sur la couche d’anode20et/ou sur la couche de cathode50; la couche d’électrolyte ou le séparateur fait partie intégrante de la feuille anodique2et/ou de la feuille cathodique5la ou le comprenant.
Avantageusement, les deux faces du substrat plan collecteur de courant anodique10, respectivement cathodique40, sont revêtues d’une couche d’anode20, respectivement d’une couche de cathode50, et optionnellement d’une couche d’électrolyte30ou de séparateur31, disposé(e) sur la couche d’anode20, respectivement sur la couche de cathode50. Dans ce cas, le substrat plan collecteur de courant anodique10, respectivement cathodique40, servira de collecteur de courant pour deux cellules élémentaires adjacentes. L’utilisation de ces substrats dans les batteries permet d’accroitre le rendement de production des batteries rechargeables à forte densité d’énergie et forte densité de puissance.
La structure mécanique de l’une des feuilles anodiques2est décrite ci-après, étant entendu que les autres feuilles anodiques2présentent une structure identique. Par ailleurs, comme on le verra dans ce qui suit, les feuilles cathodiques5possèdent une structure voisine de celle des feuilles anodiques2.
Comme cela est visible sur lafigure 2, la feuille anodique entaillée2eprésente une forme de quadrilatère, sensiblement de type carré. Elle délimite une zone centrale4dite perforée, dans laquelle sont ménagées des rainures en forme d’échelle qui vont être décrites ci-après. En référence au positionnement de ces rainures en forme d’échelle, on définit une direction dite verticaleYYde la feuille, qui correspond à la direction verticale de ces rainures en forme d’échelle, ainsi qu’une direction dite horizontaleXXde la feuille, perpendiculaire à la directionYY. La zone centrale4est bordée par un cadre périphérique6qui est plein, à savoir dépourvu de rainures. La fonction de ce cadre est notamment d’assurer une manipulation aisée de chaque feuille.
Les rainures en forme d’échelle sont réparties selon des lignesL 1 àL y , disposées les unes au-dessous des autres, ainsi que selon des rangéesR 1 àR x prévues les unes à côté des autres. A titre d’exemples non limitatifs, dans le cadre de la fabrication de micro-batteries de type composant montable en surface (ci-après CMS), les feuilles anodiques et cathodiques employées peuvent être des plaques de 100 mm x 100 mm. De manière typique, le nombre de lignes de ces feuilles est compris entre 10 et 500, alors que le nombre de rangées est compris entre 10 et 500. En fonction de la capacité souhaitée de la batterie, ses dimensions peuvent varier et le nombre de lignes et de rangées par feuilles d’anode et de cathode peut être adapté en conséquence. Les dimensions des feuilles anodique et cathodique employées peuvent être modulées en fonction des besoins. Comme montré en figure 2, deux lignes adjacentes sont séparées par des ponts de matière8, dont on noteH 8 la hauteur, laquelle est comprise entre 0,05 mm et 5 mm. Deux rangées adjacentes sont séparées par des bandes de matières9, dont on noteL 9 la largeur, laquelle est comprise entre 0,05 mm et 5 mm. Ces ponts8et bandes9de matière des feuilles anodiques et cathodiques confèrent à ces feuilles une rigidité mécanique suffisante pour qu’elles puissent être manipulées aisément.
Les rainures en forme d’échelle60,61comprennent des entailles76,78,86,88et des fentes en forme de H70,80. Ces fentes en forme de H sont traversantes, à savoir qu’elles débouchent sur les faces opposées respectivement supérieures et inférieures de la feuille. Les fentes en forme de H70,80peuvent être réalisées de manière connue en soi, directement sur le substrat plan collecteur de courant, avant tout dépôt de matériaux d’anode ou de cathode par gravure chimique, par électroformage, par découpe laser, par microperforation ou par étampage. Ces fentes en forme de H70,80peuvent aussi être réalisées sur des substrats plans collecteurs de courant revêtus d’une couche de matériaux d’anode ou de cathode, sur des substrats plans collecteurs de courant préalablement revêtus d’une couche de matériaux d’anode ou de cathode, et revêtues d’une couche d’électrolyte ou d’un séparateur, i.e. sur des feuilles d’anode ou de cathode de manière connue en soi, par exemple par découpe laser (ou ablation laser), par découpe au laser femtoseconde, par microperforation ou par étampage. Les fentes en forme de H70, réalisées dans l’ensemble des feuilles cathodiques, sont superposées. Les fentes en forme de H80, réalisées dans l’ensemble des feuilles anodiques, sont superposées.
On va maintenant décrire l’une des rainures en forme d’échelle60comme illustré en figure 3, étant entendu que l’ensemble des découpes de la feuille anodique est identique. Chaque rainure en forme d’échelle60comprend une fente80traversante en forme de H formée par deux cavités principales verticales et parallèles82, lesquelles sont reliées dans leur partie supérieure par un canal horizontal84, de préférence perpendiculaire aux deux cavités principales verticales et parallèles82. Chaque rainure comprend en outre, en partie inférieure de la fente en forme de H, une première tranchée anodique horizontale86et une deuxième tranchée anodique horizontale88. Comme le montre notamment la figure 3, les première86et deuxième88tranchées anodiques horizontales sont réalisées de part et d’autre de la feuille anodique2de sorte que la deuxième tranchée anodique horizontale88est réalisée dans le prolongement de la première tranchée anodique horizontale86.
Les première et deuxième tranchées anodiques86,88sont libres de tout matériau d’électrolyte ou de séparateur et de tout matériau d’anode. Ces première et deuxième tranchées anodiques86,88sont réalisées de manière à enlever tout matériau d’électrolyte ou de séparateur, et tout matériau d’anode, et à laisser au moins une partie du substrat plan collecteur de courant anodique définissant une zone de continuité du substrat plan collecteur de courant anodique. Les première et deuxième tranchées anodiques86,88peuvent être réalisées par ablation laser.
Les première et deuxième tranchées anodiques86,88s’étendent entre les bords longitudinaux1011,1012opposés de la batterie selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie de manière à relier les deux cavités principales verticales et parallèles82de chaque fente80, appelée ci-après fente anodique.
Le canal horizontal84d’une part et les première et deuxième tranchées anodiques horizontales86,88d’autre part, sont mutuellement symétriques en vue de dessus, par rapport à l’axe médian des H, lequel est notéXH.
La feuille anodique2obtenue après la réalisation de fentes80et d’entailles formant les première et deuxième tranchées anodiques horizontales86,88est appelée ci-après feuille anodique entaillée2e.
On note
- H 80 la hauteur de l’ensemble de la fente, qui est typiquement comprise entre 0,25 mm et 10 mm ;
- L 80 sa largeur, qui est typiquement comprise entre 0,25 mm et 10 mm ;
- L 82 la largeur de chaque cavité principale verticale, qui est typiquement comprise entre 0,02 mm et 5 mm ;
- H 84 la hauteur de chaque canal, qui est typiquement comprise entre 0,01 mm et 0,5 mm ;
- D 84 la différence de hauteurs entre le sommet des cavités principales verticales et parallèles82et le sommet du canal horizontal84, qui est typiquement comprise entre 0,05 mm et 2 mm ;
- H 86 la hauteur de chaque première tranchée anodique horizontale86, qui est typiquement comprise entre 0,01 mm et 0,5 mm ;
- D 86 la différence de hauteurs entre la base des cavités principales verticales et parallèles82et la base de chaque première tranchée anodique horizontale86, qui est typiquement comprise entre 0,05 mm et 2 mm.
Chaque feuille cathodique5est également pourvue de différentes lignes et rangées de rainures en forme d’échelle61, prévues en même nombre que les rainures en forme d’échelle60. Comme le montre notamment lafigure 4, la structure de chaque rainure en forme d’échelle61est sensiblement analogue à celle de chaque rainure en forme d’échelle60, à savoir que cette rainure en forme d’échelle61comprend deux cavités principales cathodiques verticales72, reliées par un canal horizontal74. Les dimensions des cavités principales cathodiques verticales72sont identiques à celles des cavités principales anodiques verticales82et, de manière analogue, les dimensions des canaux74sont analogues à celles des canaux84.
En vue de dessus, les cavités principales cathodiques verticales72sont superposées avec celles82. Les seules différences, entre les rainures en forme d’échelle60et61, résident dans le fait que les canaux74sont prévus en partie inférieure et que les première et deuxième tranchées cathodiques horizontales 76,78 sont prévues en partie supérieure. Les première76et deuxième tranchées cathodiques horizontales78sont réalisées de part et d’autre de la feuille cathodique5de sorte que la deuxième tranchée cathodique horizontale78soit réalisée dans le prolongement de la première tranchée cathodique horizontale76.
Les première et deuxième tranchées cathodiques76,78sont libres de tout matériau d’électrolyte ou de séparateur et de tout matériau de cathode. Ces première et deuxième tranchées cathodiques76,78sont réalisées de manière à enlever tout matériau d’électrolyte ou de séparateur, et tout matériau de cathode, et à laisser au moins une partie du substrat collecteur de courant cathodique définissant une zone de continuité du substrat plan collecteur de courant cathodique. Les première et deuxième tranchées cathodiques76,78peuvent être réalisées par ablation laser de façon connue en soi. Les première et deuxième tranchées cathodiques76,78s’étendent entre les bords longitudinaux1011,1012opposés de la batterie selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie de manière à relier les deux cavités principales verticales et parallèles72de chaque fente70, appelée ci-après fente cathodique70.
Comme le montre notamment la figure 4, le canal horizontal74d’une part et les première et deuxième tranchées cathodiques horizontales76,78d’autre part, sont mutuellement symétriques en vue de dessus, par rapport à l’axe médian des H, lequel est notéXH.
La feuille cathodique5obtenue après la réalisation de fentes70et d’entailles formant les première et deuxième tranchées cathodiques horizontales76,78est appelée ci-après feuille cathodique entaillée5e.
On réalise ensuite un empilementIalterné d’au moins une feuille anodique entaillée2eet d’au moins une feuille cathodique entaillée5e, de manière à obtenir successivement au moins un substrat plan collecteur de courant anodique10, au moins une couche d’anode20, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte30ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte31, au moins une couche de cathode50, et au moins un substrat plan collecteur de courant cathodique40.
L’empilementIalterné est réalisé de sorte que, :
- pour chaque fente anodique80d’au moins une feuille anodique entaillée2e, les tranchées anodiques86, 88d’au moins la feuille anodique entaillée2e, sont disposées dans le prolongement du canal horizontal cathodique74de la fente cathodique70de la feuille adjacente cathodique entaillée5eselon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie, et de sorte que,
- pour chaque fente cathodique70d’au moins une feuille cathodique entaillée5e, les tranchées cathodiques76, 78, d’au moins la feuille cathodique entaillée5e, sont disposées dans le prolongement du canal horizontal anodique84de la fente anodique80, de la feuille adjacente anodique entaillée2eselon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie.
On suppose que l’empilement, décrit ci-dessus, est soumis à des étapes visant à assurer sa stabilité mécanique globale. Ces étapes, de type connu en soi, incluent notamment le thermopressage des différentes couches. Comme on va le voir ci-dessous, cet empilement permet la formation de batteries individuelles, dont le nombre est égal au produit entre le nombre de lignes Y et le nombre de rangées X.
À cet effet, en référence à lafigure 5, on a illustré trois lignesL n-1 àL n+1 , ainsi que trois rangéesR n-1 àR n+1 . Conformément à l’invention, on réalise deux découpesD n etD’ n par ligne de fentes. Chaque découpe, qui s’effectue de manière traversante, à savoir qu’elle s’étend sur l’ensemble de la hauteur de l’empilement, est réalisée de manière connue en soi. À titre d’exemples non limitatifs, on citera la découpe par sciage, notamment la découpe en dés, la découpe par guillotine ou encore la découpe par laser.
Comme le montre notamment lafigure 6, qui est une vue à plus grande échelle de l’une des rainures de la figure 5, chaque découpe est réalisée entre un canal respectif et l’extrémité en regard de la fente en forme de H. Dans ces conditions, en référence à cette figure 6, à titre d’exemples non limitatifs, on note :
- la distanceD 85 entre la découpe Dnet la face en regard du canal horizontal84est comprise entre 0,05 mm et 2 mm, étant entendu que cette distanceD 85 est inférieure ou égale à D84;
- la distanceD 87 entre la découpe D’net la face en regard de la première tranchée anodique horizontale86, comprise entre 0,05 mm et 2 mm, étant entendu que cette distanceD 87 est inférieure ou égale à D86.
En référence à nouveau à la figure 5, chaque batterie finale est délimitée, en haut et en bas, par les deux découpesD n et D’ n et, à droite et à gauche, par les faces intérieures des cavités principales verticales et parallèles.
Sur cette figure 5 on a représenté de manière hachurée les batteries1000une fois découpées selon les lignes de découpeD n etD’ n . De plus, on a illustré avec un remplissage pointillé les zones90des feuilles de l’empilement, qui ne forment pas les batteries, alors que le volume des fentes est laissé en blanc.
Lesfigures 7 et 8sont des vues en coupe, prises selon la ligne de coupeVII-VIIqui s’étend au travers de la batterie. Sur lafigure 7, seul l’agencement d’une feuille anodique entaillée2eet d’une feuille cathodique entaillée5e, l’une par rapport à l’autre, est représenté. Sur lafigure 8, l’agencement alterné de deux feuilles anodiques entaillées2eet de deux feuilles cathodiques entaillées5eest représenté. Sur la même figure, on a référencé les zones90, illustrées également en figure 5, qui correspondent à des chutes de matière, notamment des chutes de matériaux d’anodes, de cathodes et d’électrolyte ou de séparateur.
La feuille anodique entaillée2ecomprend un substrat plan collecteur de courant anodique10revêtu d’une couche d’anode20, elle-même optionnellement revêtue d’une couche d’électrolyte30ou d’un séparateur31imprégné d’un électrolyte. Chaque feuille cathodique entaillée5ecomprend un substrat plan collecteur de courant cathodique40revêtu d’une couche active d’un matériau de cathode50, elle-même optionnellement revêtue d’une couche d’électrolyte30ou d’un séparateur31imprégné d’un électrolyte. Afin d’éviter tout contact électrique entre deux couches actives de polarité opposée, i.e. entre la couche d’anode20et la couche de cathode50, il est disposé au moins une couche d’électrolyte30ou d’un séparateur31imprégné ou ultérieurement imprégné d’un électrolyte entre la couche d’anode20et la couche de cathode50. Sur la figure 7 est représentée une cellule élémentaire100comprenant successivement au moins un substrat plan collecteur de courant anodique10, au moins une couche d’anode20, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte30ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte31, au moins une couche de cathode50, et au moins un substrat plan collecteur de courant cathodique40.
Chaque cellule élémentaire100comprend un corps primaire111, un corps secondaire112et un corps tertiaire113. Le corps secondaire112et le corps tertiaire113sont disposés de part et d’autres du corps primaire111. Chacun des corps primaire111, secondaire112et tertiaire113comprend successivement au moins un substrat plan collecteur de courant anodique10, au moins une couche d’anode20, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte30ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte31, au moins une couche de cathode50, et au moins un substrat plan collecteur de courant cathodique40. Le corps secondaire112est séparé du corps primaire111par une échancrure120libre de tout matériau d’anode, d’électrolyte, de séparateur imprégné d’un électrolyte, de cathode et de substrat collecteur de courant anodique, de sorte que ladite échancrure s’étend d’un bord longitudinal1011au bord longitudinal opposé de la batterie1012selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie.
Le corps tertiaire113est séparé du corps primaire111par un évidement130libre de tout matériau d’anode, d’électrolyte, de séparateur imprégné d’un électrolyte, de cathode et de substrat collecteur de courant cathodique, de sorte que l’évidement130s’étend d’un bord longitudinal1011au bord longitudinal opposé de la batterie1012selon une direction perpendiculaire au plan principale de la batterie.
Par ailleurs, chaque feuille anodique entaillée, respectivement cathodique entaillée présente des rainures en forme d’échelle. Chaque rainure60,61comprend un canal horizontal84,74, une première86,76et une deuxième tranchée horizontale88,78comme celles représentées en figure 7. Les première86,76et deuxième tranchées horizontales88,78sont réalisées de part et d’autre des feuilles anodique/cathodique de sorte que la deuxième tranchée horizontale88,78soit réalisée dans le prolongement de la première tranchée horizontale86,76. Par ailleurs chaque feuille anodique entaillée2eet cathodique entaillée5esont agencées de manière à ce que :
- les première86et deuxième tranchées anodiques horizontales88soient disposées dans le prolongement du canal horizontal cathodique74de la rainure en forme d’échelle61présente sur la feuille adjacente cathodique entaillée5e, et en ce que
- les première76et deuxième tranchées cathodiques horizontales78soient disposées dans le prolongement du canal horizontal anodique84de la rainure en forme d’échelle60présente sur la feuille adjacente anodique entaillée2e.
Il s’agit là d’une caractéristique particulièrement avantageuse de l’invention, puisque cela permet d’éviter la présence de court-circuit au niveau des bords latéraux de la batterie, d’éviter la présence de courant de fuite, et de faciliter les prises de contact électrique au niveau des zones de connexion anodiques1002et cathodique1006.
En vue de coupe, les cavités principales cathodiques verticales72sont superposés avec celles82. Les seules différences, entre les rainures en forme d’échelle60et61, réside dans le fait que les canaux74sont prévus en partie inférieure et que les première et deuxième tranchées cathodiques horizontales76,78sont prévus en partie supérieure. Les première76et deuxième78tranchées cathodiques horizontales sont réalisées de part et d’autre de la feuille cathodique5de sorte que la deuxième tranchée cathodique horizontale78soit réalisée dans le prolongement de la première tranchée cathodique horizontale76.
Les première et deuxième tranchées cathodiques76,78sont libres de tout matériau d’électrolyte ou de séparateur et de tout matériau de cathode. Les première et deuxième tranchées cathodiques76,78s’étendent entre les bords longitudinaux1011,1012opposés de la batterie selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie de manière à relier les deux cavités principales verticales et parallèles72de chaque fente70, appelée ci-après fente cathodique70.
Comme le montre notamment la figure 4, le canal horizontal74d’une part et les première et deuxième tranchées cathodiques horizontales76,78d’autre part, sont mutuellement symétriques en vue de dessus, par rapport à l’axe médian des H, lequel est notéXH.
La feuille cathodique5obtenue après la réalisation de fentes70et d’entailles formant les première et deuxième tranchées cathodiques horizontales76,78est appelée ci-après feuille cathodique entaillée5e.
Sur lesfigures 7 et 8on note que la découpe D’n est réalisée à la fois au travers de la feuille anodique entaillée et de la feuille cathodique entaillée, à savoir à une distanceD 75 des canaux des rainures en forme d’échelle61présente sur les feuilles cathodiques entaillées5e, qui correspond aussi à la distanceD 87 des premières86et deuxièmes tranchées anodiques horizontales88des rainures en forme d’échelle60présente sur les feuilles anodiques entaillées2e. La découpe Dn est réalisée à la fois au travers de la feuille anodique entaillée et de la feuille cathodique entaillée, à savoir à une distanceD 85 des canaux des rainures en forme d’échelle60présente sur les feuilles anodiques entaillées2e, qui correspond aussi à la distanceD 77 des premières76et deuxièmes tranchées cathodiques horizontales78des rainures en forme d’échelle61présentes sur les feuilles cathodiques entaillées5e. Le fait de réaliser des découpes Dn et D’n au travers de la feuille anodique entaillée et de la feuille cathodique entaillée est une caractéristique particulièrement avantageuse de l’invention, puisque cela permet d’améliorer la qualité de la découpe au regard de l’art antérieur, comme cela est explicité en plus grand détail ci-après.
La demande WO 2016/001584 décrit des empilements de plusieurs cellules élémentaires, constituées de feuilles anodiques2’et cathodiques5’empilées de manière alternée et décalée latéralement (cf.figure 13), encapsulés dans un système d’encapsulation2095pour assurer la protection de la cellule de la batterie2000vis-à-vis de l’atmosphère. La découpe de ces empilements encapsulés permettant d’obtenir des batteries unitaires, avec des zones de connexions anodique2002et cathodique2006à nu, est réalisée selon un plan de coupe traversant une succession alternée d’électrode et de système d’encapsulation. De par la différence de densité existant entre l’électrode et le système d’encapsulation de la batterie de l’art antérieur, la découpe réalisée selon ce plan de coupe induit un risque d’arrachement du système d’encapsulation aux abords du plan de coupe, et ainsi la création de court-circuits. Dans la demande WO 2016/001584, lors de l’encapsulation, la couche d’encapsulation remplit les interstices de l’empilement des feuilles portant des découpes en forme de U. Cette couche d’encapsulation introduite au niveau de ces interstices est épaisse et n’adhère pas très bien à l’empilement induisant ce risque d’arrachement du système d’encapsulation2095lors de la découpe ultérieure.
Selon la présente invention, ce risque est supprimé avec l’emploi de feuilles portant des rainures en forme d’échelle, car la structure mécanique thermopressée en forme d’échelle est extrêmement rigide aux abords de la découpe, du fait de la superposition alternée de feuilles cathodique et anodique. L’utilisation d’une telle structure rigide, avec l’emploi de feuilles portant des découpes en forme d’échelle, permet de réduire le nombre de défauts lors des découpes, d’accroitre la vitesse de découpe et ainsi d’améliorer le rendement de production des batteries.
Selon l’invention, les découpesD’ n etD n sont effectuées au travers des feuilles anodiques entaillées2eet des feuilles cathodiques entaillées5ede densité comparable induisant une découpe propre de meilleure qualité. De plus la présence d’échancrures120libres de tout matériau d’anode, d’électrolyte, de séparateur imprégné d’un électrolyte, de cathode et de substrat collecteur de courant anodique ainsi que la présence d’évidements130libres de tout matériau d’anode, d’électrolyte, de séparateur imprégné d’un électrolyte, de cathode et de substrat collecteur de courant cathodique, empêche tout risque de court-circuit et de courant de fuite.
En référence à la figure 9, on a illustré de manière éclatée l’une1000des batteries conformes à l’invention comprenant, à titre d’exemple non limitatif, trois cellules élémentaires100,100’,100’’. Chaque cellule élémentaire100comprend un corps primaire111, un corps secondaire112et un corps tertiaire113. Le corps secondaire112et le corps tertiaire113sont disposés de part et d’autres du corps primaire111. Chacun des corps primaire111, secondaire112et tertiaire113comprend successivement au moins un substrat plan collecteur de courant anodique10, au moins une couche d’anode20, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte30ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte31, au moins une couche de cathode50, et au moins un substrat plan collecteur de courant cathodique40. Le corps secondaire112est séparé du corps primaire111par une échancrure120libre de tout matériau d’anode, d’électrolyte, de séparateur imprégné d’un électrolyte, de cathode et de substrat collecteur de courant anodique. L’échancrure120comprend soit une partie du canal84ci-après84’’et la première tranchée cathodique76, soit une partie du canal84ci-après84’et la deuxième tranchée cathodique78comme représenté en figure 9. Les parties84’et84’’du canal horizontal84sont symétriques par rapport à l’axe médian AA du substrat collecteur de courant anodique. L’extrémité borgne de l’échancrure120de chaque cellule élémentaire définit une zone de continuité du collecteur de courant cathodique, de manière à permettre la prise de contact électrique au niveau de la zone de connexion cathodique1006.
De manière analogue, le corps tertiaire113est séparé du corps primaire111par un évidement130libre de tout matériau d’anode, d’électrolyte, de séparateur imprégné d’un électrolyte, de cathode et de substrat collecteur de courant cathodique. L’évidement130comprend soit une partie du canal74ci-après74’’et la première tranchée anodique86, soit une partie du canal74ci-après74’et la deuxième tranchée anodique88comme représenté en figure 9. Les parties74’et74’’du canal horizontal74sont symétriques par rapport à l’axe médian CC du substrat collecteur de courant cathodique. L’extrémité borgne de l’évidement130de chaque cellule élémentaire définit une zone de continuité du collecteur de courant anodique, de manière à permettre la prise de contact électrique au niveau de la zone de connexion anodique1002.
Comme illustré en figure 9, chaque cellule élémentaire comprend des faces respectivement supérieures et inférieures, chaque face étant parallèle au plan principal de la batterie. On note que, chaque cellule élémentaire comprend un évidement130et une échancrure120. L’évidement130est débouchant sur une première face, en l’occurrence inférieure de la cellule élémentaire100et possède une extrémité borgne qui laisse une zone de continuité du substrat plan collecteur de courant anodique10. L’échancrure120est débouchante sur une deuxième face, en l’occurrence supérieure de la cellule élémentaire100et possède une extrémité borgne qui laisse une zone de continuité du substrat plan collecteur de courant cathodique40. Les zones de connexion anodique1002et les zones de connexion cathodique1006sont de préférence latéralement opposées.
Comme illustré en figure 9, l’évidement130d’une cellule élémentaire100s’étend dans le prolongement de l’évidement130ménagé dans la cellule élémentaire100’adjacente située en-dessous de la cellule élémentaire100, selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie. De manière analogue, l’échancrure120d’une cellule élémentaire100’s’étend dans le prolongement de l’échancrure120ménagé dans la cellule élémentaire adjacente100’’située en-dessous de la cellule élémentaire100’, selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie.
Comme illustré en figure 9, le substrat plan collecteur de courant anodique10d’une cellule élémentaire100’peut être accolé au substrat plan collecteur de courant anodique10de la cellule élémentaire adjacente100’’. De manière analogue, le substrat plan collecteur de courant cathodique40d’une cellule élémentaire100peut être accolé au substrat plan collecteur de courant cathodique40de la cellule élémentaire adjacente100’.
Dans un mode de réalisation avantageux, le substrat plan collecteur de courant anodique10, respectivement cathodique40, peut servir de collecteur de courant pour deux cellules élémentaires adjacentes, comme cela est notamment illustré en figure 7. Comme explicité précédemment, les deux faces du substrat plan collecteur de courant anodique10, respectivement cathodique40, sont revêtues d’une couche d’anode20, respectivement d’une couche de cathode50, et optionnellement d’une couche d’électrolyte30ou de séparateur31, disposé(e) sur la couche d’anode20, respectivement sur la couche de cathode50. Ceci permet d’accroitre le rendement de production des batteries. En référence désormais auxfigures 10 à 12, on a illustré l’une1000des batteries conformes à l’invention. On note1001et1005les bords latéraux,1011et1012les bords longitudinaux de cette batterie.
Chaque batterie comprend au moins une cellule élémentaire100. La cellule élémentaire100comprend un corps primaire111, un corps secondaire112et un corps tertiaire113. Le corps secondaire112et le corps tertiaire113sont disposés de part et d’autres du corps primaire111. Chacun des corps primaire111, secondaire112et tertiaire113comprend successivement au moins un substrat plan collecteur de courant anodique10, au moins une couche d’anode20, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte30ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte31, au moins une couche de cathode50, et au moins un substrat plan collecteur de courant cathodique40. Le corps secondaire112est séparé du corps primaire111par une échancrure120libre de tout matériau d’anode, d’électrolyte, de séparateur imprégné d’un électrolyte, de cathode et de substrat collecteur de courant anodique. L’échancrure120, dont la largeurL 120 correspond à celle du canal84de la fente80(ou de la rainure en forme d’échelle60) décrite ci-dessus, s’étend d’un bord longitudinal1011au bord longitudinal opposé de la batterie1012selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie. L’échancrure120comprend soit une partie84’’du canal84et la première tranchée cathodique76, soit une partie84’du canal84et la deuxième tranchée cathodique78comme représenté en figure 7.
Le corps tertiaire113est séparé du corps primaire111par un évidement130libre de tout matériau d’anode, d’électrolyte, de séparateur imprégné d’un électrolyte, de cathode et de substrat collecteur de courant cathodique. L’évidement130, dont la largeurL 130 correspond à celle du canal74de la fente70(ou de la rainure en forme d’échelle61) décrite ci-dessus, s’étend d’un bord longitudinal1011au bord longitudinal opposé de la batterie1012selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie. L’évidement130comprend soit une partie74’’du canal74et la première tranchée anodique86, soit une partie74’du canal74et la deuxième tranchée anodique88comme représenté en figure 7.
La largeur du corps secondaire112correspond à la distanceD 85 /D 77 , telles que décrites en référence aux figures 6, 7 ou 8.La largeur du corps tertiaire113correspond à la distanceD 87 /D 75 , telles que décrites en référence aux figures 6, 7 ou 8. Dans un mode de réalisation avantageux, les distancesD 85 /D 77 etD 87 /D 75 sont égales.
La structure singulière de la batterie selon l’invention permet d’éviter la présence de court-circuit au niveau des bords latéraux de la batterie, d’éviter la présence de courant de fuite et de faciliter les prises de contact électrique au niveau des zones de connexion anodiques1002et cathodique1006. En effet, la présence d’échancrures120et d’évidement130dans la batterie selon l’invention évite la fuite latérale des ions lithium et facilite l’équilibrage de la batterie ; les surfaces efficaces des électrodes en contact les unes des autres, et délimitées par les échancrures120et les évidements130sont sensiblement identiques.
Les surfaces efficaces des électrodes de chaque cellule élémentaire selon l’invention sont les unes en face des autres de sorte que l’échancrure120et l’évidement130délimitent les bords latéraux du corps primaire111de chaque cellule élémentaire. L’extrémité borgne de l’évidement130de chaque cellule élémentaire définit une zone de continuité du collecteur de courant anodique, de manière à permettre la prise de contact électrique au niveau de la zone de connexion anodique1002. L’extrémité borgne de l’échancrure120de chaque cellule élémentaire définit une zone de continuité du collecteur de courant cathodique, de manière à permettre la prise de contact électrique au niveau de la zone de connexion cathodique1006. La présence d’une échancrure120et d’un évidement130au sein de la cellule élémentaire permet d’éviter la présence de court-circuit au niveau des bords latéraux de la batterie, d’éviter la présence de courant de fuite, et de faciliter les prises de contact électrique, et ce, uniquement au niveau des zones de connexion anodiques1002et cathodique1006.
Avantageusement, après la réalisation de l’empilement des feuilles anodiques entaillées2eet cathodiques entaillées5e, le traitement thermique de ce dernier permettant l’assemblage de la batterie est réalisé à une température comprise entre 50°C et 500°C, de préférence à une température inférieure à 350 °C, et/ou la compression mécanique de l’empilement des feuilles anodiques entaillées et cathodiques entaillées à assembler est réalisée à une pression comprise entre 10 MPa et 100 MPa, de préférence entre 20 MPa et 50 MPa. Dans un mode de réalisation particulier, après la réalisation de l’empilement et l’étape de traitement thermique de ce dernier, on encapsule l’empilement en déposant un système d’encapsulation pour assurer la protection de la cellule de la batterie vis-à-vis de l’atmosphère. Le système d’encapsulation doit être stable chimiquement, résister à une température élevée et être imperméable à l'atmosphère pour jouer sa fonction de couche barrière. Avantageusement, l‘empilement de feuilles anodiques entaillées et cathodiques entaillées selon l’invention, peut être recouvert d’une séquence, de préférence de z séquences, d’un système d’encapsulation comprenant :
- une première couche de recouvrement dense et isolante, de préférence choisi parmi le parylène, le parylène de type F, le polyimide, les résines epoxy, le silicone, le polyamide et/ou un mélange de ceux-ci, déposée sur l’empilement de feuilles anodiques entaillées2eet cathodiques entaillées5e; et
- une deuxième couche de recouvrement composée d’une matière électriquement isolante, déposée par dépôt de couches atomiques sur ladite première couche de recouvrement.
Cette séquence peut être répétée z fois avec z ≥ 1. Cette séquence multicouche a un effet barrière. Plus la séquence du système d’encapsulation sera répétée, plus cet effet barrière sera important.
Typiquement, la première couche de recouvrement est sélectionnée dans le groupe formé par : les silicones (déposés par exemple par imprégnation ou par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à partir d’hexaméthyldisiloxane (HMDSO)), les résines epoxy, le polyimide, le polyamide, le poly-para-xylylène (appelé aussi poly(p-xylylène), plus connu sous le terme parylène), et/ou un mélange de ceux-ci. Cette première couche de recouvrement permet de protéger les éléments sensibles de la batterie de son environnement. L’épaisseur de ladite première couche de recouvrement est, de préférence, comprise entre 0,5 µm et 3 µm.
Différentes variantes de parylène peuvent être utilisées. Avantageusement, la première couche de recouvrement peut être en parylène de type C, en parylène de type D, en parylène de type N (CAS 1633-22-3), en parylène de type F ou un mélange de parylène de type C, D, N et/ou F. Le parylène est un matériau diélectrique, transparent, semi cristallin qui présente une grande stabilité thermodynamique, une excellente résistance aux solvants ainsi qu’une très faible perméabilité. Le parylène a également des propriétés barrières permettant de protéger la batterie de son environnement externe. La protection de la batterie est accrue lorsque cette première couche de recouvrement est réalisée à partir de parylène de type F. Cette première couche de recouvrement est avantageusement obtenue à partir de la condensation de monomères gazeux déposés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur les surfaces, ce qui permet d’avoir un recouvrement conformal, mince et uniforme de l’ensemble des surfaces accessibles de l’empilement. Cette première couche de recouvrement est avantageusement rigide ; elle ne peut pas être considérée comme une surface souple.
La deuxième couche de recouvrement est composée d’une matière électriquement isolante, de préférence inorganique. Elle est déposée par dépôt de couches atomiques (ALD), de manière à obtenir un recouvrement conformal de l’ensemble des surfaces accessibles de l’empilement préalablement recouvert de la première couche de recouvrement. Les couches déposées par ALD sont très fragiles mécaniquement et nécessitent une surface d’appui rigide pour assurer leur rôle protecteur. Le dépôt d’une couche fragile sur une surface souple conduirait à la formation de fissures, engendrant une perte d’intégrité de cette couche de protection. Par ailleurs, la croissance de la couche déposée par ALD est influencée par la nature du substrat. Une couche déposée par ALD sur un substrat présentant des zones de natures chimiques différentes aura une croissance inhomogène, pouvant engendrer une perte d’intégrité de cette couche de protection.
Les techniques de dépôt par ALD sont particulièrement bien adaptées pour recouvrir des surfaces présentant une forte rugosité de manière totalement étanche et conforme. Elles permettent de réaliser des couches conformales, exemptes de défauts, tels que des trous (couches dits « pinhole free », i.e. exempts de trous) et représentent de très bonnes barrières. Leur coefficient WVTR est extrêmement faible. Le coefficient WVTR (water vapor transmission rate) permet d’évaluer la perméance à la vapeur d'eau du système d’encapsulation. Plus le coefficient WVTR est faible plus le système d’encapsulation est étanche.
La deuxième couche de recouvrement peut être en matériau céramique, en matériau vitreux ou en matériau vitrocéramique, par exemple sous forme d'oxyde, de type Al2O3, de nitrure, de phosphates, d’oxynitrure, ou de siloxane. Cette deuxième couche de recouvrement présente, de préférence, une épaisseur comprise entre 10 nm et 50 nm.
Cette deuxième couche de recouvrement déposée par ALD sur la première couche de recouvrement permet d’une part, d’assurer l’étanchéité de la structure, i.e. d’empêcher la migration de l’eau à l’intérieur de l’objet et d’autre part de protéger la première couche de recouvrement, de préférence de parylène de type F, de l’atmosphère, notamment de l’air et de l’humidité, des expositions thermiques afin d’éviter sa dégradation. Cette deuxième couche de recouvrement améliore ainsi la durée de vie de la batterie encapsulée.
L’empilement des feuilles anodiques entaillées2eet cathodiques entaillées5eainsi encapsulé dans cette séquence du système d’encapsulation, de préférence dans z séquences, peut ensuite être revêtu d’une dernière couche de recouvrement de manière à protéger mécaniquement l’empilement ainsi encapsulé et éventuellement lui conférer un aspect esthétique. Cette dernière couche de recouvrement protège et améliore la durée de vie de la batterie. Avantageusement cette dernière couche de recouvrement est également choisie pour résister à une température élevée, et présente une résistance mécanique suffisante pour protéger la batterie lors de son utilisation ultérieure. Avantageusement, l’épaisseur de cette dernière couche de recouvrement est comprise entre 1 µm et 50 µm. Idéalement, l’épaisseur de cette dernière couche de recouvrement est d’environ 10 µm à 15 µm ; une telle gamme d’épaisseur permet de protéger la batterie contre l’endommagement mécanique.
Cette dernière couche de recouvrement est de préférence à base de résine époxy, de polyéthylène naphtalate (PEN), de polyimide, de polyamide, de polyuréthane, de silicone, de silice sol-gel ou de silice organique. Avantageusement, cette dernière couche de recouvrement est déposée par trempage.
L’empilement de feuilles anodiques entaillées2eet cathodiques entaillées5eainsi enrobée est ensuite découpée par tout moyen approprié selon les lignes de coupesD’ n etD n de manière à mettre à nu les zones de connexions anodiques et cathodiques et à obtenir des batteries unitaires.
Des terminaisons (contacts électriques) sont ajoutées au niveau où les zones de connexions cathodiques, respectivement anodiques sont apparentes. Ces zones de contact sont, de préférence, disposées sur des côtés opposés de l’empilement de la batterie pour collecter le courant (collecteurs de courant latéraux). Les terminaisons sont disposées sur au moins la zone de connexion cathodique et sur au moins la zone de connexion anodique, de préférence sur la face de l’empilement enrobé et découpé comprenant au moins la zone de connexion cathodique et sur la face de l’empilement enrobé et découpé comprenant au moins la zone de connexion anodique.
Les zones de connexions sont métallisées à l’aide de techniques connues de l’homme du métier, de préférence par immersion dans une résine époxy conductrice et / ou un bain d'étain en fusion. De préférence, les terminaisons sont constituées, aux abords des zones de connexions cathodique et anodique, d’un premier empilement de couches comprenant successivement une première couche d’un matériau chargé en graphite, de préférence en résine époxy chargée de graphite, et une deuxième couche comprenant du cuivre métallique obtenue à partir d’une encre chargée en nanoparticules de cuivre déposée sur la première couche. Ce premier empilement des terminaisons est ensuite fritté par lampe flash infra-rouge de manière à obtenir un recouvrement des connexions cathodique et anodique par une couche de cuivre métallique.
En fonction de l’utilisation finale de la batterie, les terminaisons peuvent comprendre, de manière additionnelle, un deuxième empilement de couches disposé sur le premier empilement des terminaisons comprenant successivement une première couche d’un alliage étain-zinc déposé, de préférence par trempage dans un bain d’étain-zinc en fusion, afin d’assurer l’étanchéité de la batterie à moindre coût et une deuxième couche à base d’étain pur déposée par électrodéposition ou une deuxième couche comprenant un alliage à base d’argent, de palladium et de cuivre déposée sur cette première couche du deuxième empilement.
Les terminaisons permettent de reprendre les connexions électriques alternativement positives et négatives sur chacune des extrémités. Ces terminaisons permettent de réaliser les connexions électriques en parallèle entre les différents éléments de batterie. Pour cela, seules les connexions cathodiques sortent sur une extrémité, et les connexions anodiques sont disponibles sur une autre extrémité.
Le procédé selon l’invention est particulièrement adapté à la fabrication de batteries entièrement solides, i.e. de batteries dont les électrodes et l’électrolyte sont solides et ne comprennent pas de phase liquide, même imprégnées dans la phase solide.
Le procédé selon l’invention est particulièrement adapté à la fabrication de batteries considérées comme quasi-solides comprenant au moins un séparateur31imprégné d’un électrolyte. Le séparateur est, de préférence, une couche inorganique poreuse présentant :
- une porosité, de préférence, une porosité mésoporeuse, supérieure à 30%, de préférence comprise entre 35% et 50%, et encore plus préférentiellement entre 40 % et 50 %,
- des pores de diamètre moyen D50inférieur à 50 nm.
L’épaisseur du séparateur est avantageusement inférieure à 10 µm, et préférentiellement compris entre 2,5 µm et 4,5 µm, de manière à réduire l’épaisseur finale de la batterie sans amoindrir ses propriétés. Les pores du séparateur sont imprégnés par un électrolyte, de préférence, par une phase porteuse d’ions de lithium telle que des électrolytes liquides ou un liquide ionique contenant des sels de lithium. Le liquide « nanoconfiné » ou « nanopiégé » dans les porosités, et en particulier dans les mésoporosités, ne peut plus ressortir. Il est lié par un phénomène appelé ici « d’absorption dans la structure mésoporeuse » (qui ne semble pas avoir été décrit dans la littérature dans le contexte des batteries à ions de lithium) et il ne peut plus sortir même lorsque la cellule est mise sous vide. La batterie est alors considérée comme quasi-solide.
Claims (14)
- Batterie (1000) comprenant au moins une cellule élémentaire (100), ladite cellule élémentaire (100) comprenant successivement au moins un substrat plan collecteur de courant anodique (10), au moins une couche d’anode (20), au moins une couche d’un matériau d’électrolyte (30) ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte (31), au moins une couche de cathode (50), et au moins un substrat plan collecteur de courant cathodique (40),
ladite batterie (1000) comprenant des bords longitudinaux (1011, 1012), un premier bord latéral (1001) comprenant au moins une zone de connexion anodique (1002) et un second bord latéral (1005) comprenant au moins une zone de connexion cathodique (1006), lesdites zones de connexion anodique (1002) et cathodique (1006) étant de préférence latéralement opposés,
caractérisée en ce que chaque cellule élémentaire (100) comprend un corps primaire (111), un corps secondaire (112) et un corps tertiaire (113), ledit corps secondaire et ledit corps tertiaire étant disposé de part et d’autre dudit corps primaire, étant entendu que chacun des corps primaire (111), secondaire (112) et tertiaire (113) comprend successivement au moins un substrat plan collecteur de courant anodique (10), au moins une couche d’anode (20), au moins une couche d’un matériau d’électrolyte (30) ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte (31), au moins une couche de cathode (50), et au moins un substrat plan collecteur de courant cathodique (40),
ledit corps secondaire (112) étant séparé du corps primaire (111) par une échancrure (120) libre de tout matériau d’anode, d’électrolyte, de séparateur imprégné d’un électrolyte, de cathode et de substrat collecteur de courant anodique, étant entendu que ladite échancrure s’étend d’un bord longitudinal (1011) au bord longitudinal opposé de la batterie (1012) selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie, et
ledit corps tertiaire (113) étant séparé du corps primaire (111) par un évidement (130) libre de tout matériau d’anode, d’électrolyte, de séparateur imprégné d’un électrolyte, de cathode et de substrat collecteur de courant cathodique, étant entendu que ledit évidement (130) s’étend d’un bord longitudinal (1011) au bord longitudinal opposé de la batterie (1012) selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie. - Batterie (1000) comprenant une pluralité de cellules élémentaires caractérisée en ce que toutes les échancrures de chacune des cellules élémentaires, sont superposées, selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie, de manière à ce que chaque substrat plan collecteur de courant cathodique collecte le courant cathodique de la cellule élémentaire au travers de la zone de connexion cathodique, et
que tous les évidements de chacune des cellules élémentaires sont superposés, selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie, de manière à ce que chaque substrat plan collecteur de courant anodique collecte le courant anodique de la cellule élémentaire au travers de la zone de connexion anodique. - Batterie selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu’elle comprend un système d’encapsulation revêtant totalement quatre des six faces de ladite batterie, les deux faces restantes comprenant une zone de connexion anodique et une zone de connexion cathodique.
- Batterie selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le système d’encapsulation comprend:
- au moins une première couche de recouvrement, de préférence choisie parmi le parylène, le parylène de type F, le polyimide, les résines epoxy, le silicone, le polyamide, la silice sol-gel, la silice organique et/ou un mélange de ceux-ci, déposée sur la batterie,
- au moins une deuxième couche de recouvrement composée d’une matière électriquement isolante, déposée par dépôt de couches atomiques sur ladite au moins première couche de recouvrement,
étant entendu que cette séquence d’au moins une première couche de recouvrement et d’au moins une deuxième couche de recouvrement peut être répétée z fois avec z ≥ 1. - Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la zone de connexion anodique et la zone de connexion cathodique sont recouvertes par des terminaisons.
- Batterie selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les terminaisons comprennent :
- une première couche d’un matériau chargé en graphite, de préférence à base de résine époxy chargée en graphite disposée sur au moins la zone de connexion cathodique et/ou au moins la zone de connexion anodique,
- une seconde couche dense de cuivre métallique disposée sur la première couche du système de terminaison,
- optionnellement, une troisième couche à base d’un alliage étain-zinc d’étain, disposée sur la deuxième couche,
- optionnellement, une quatrième couche à base d’étain ou à base d’un alliage d’argent, de palladium et de cuivre, disposée sur la troisième couche du système de terminaison. - Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la largeur de ladite échancrure est comprise entre 0,01 mm et 0,5 mm.
- Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la largeur dudit évidement est comprise entre 0,01 mm et 0,5 mm.
- Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la largeur des corps secondaires est comprise entre 0,5 mm et 20 mm.
- Procédé de fabrication d’une batterie (1000), ladite batterie comprenant au moins une cellule élémentaire (100), ladite cellule élémentaire (100) comprenant successivement au moins un substrat plan collecteur de courant anodique (10), au moins une couche d’anode (20), au moins une couche d’un matériau d’électrolyte (30) ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte (31), au moins une couche de cathode (50), et au moins un substrat plan collecteur de courant cathodique (40), ledit procédé de fabrication comprenant :
- l’approvisionnement d’au moins une feuille de substrat plan collecteur de courant anodique (10) revêtue d’une couche d’anode (20), et optionnellement revêtue d’une couche d’un matériau d’électrolyte (30) ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte (31), appelée ci-après feuille anodique (2), ladite feuille anodique comprenant au moins une fente anodique (80), ladite fente anodique (80) comprenant deux cavités principales verticales anodiques et parallèles (82), lesquelles sont reliées dans leur partie supérieure par un canal horizontal anodique (84), sensiblement perpendiculaire aux deux cavités principales anodiques verticales (82), ces cavités principales verticales anodiques étant destinées à délimiter les bords longitudinaux de la batterie,
- l’approvisionnement d’au moins une feuille de substrat plan collecteur de courant cathodique (40) revêtue d’une couche de cathode (50), et optionnellement revêtue d’une couche d’un matériau d’électrolyte (30) ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte (31), appelée ci-après feuille cathodique (5), ladite feuille cathodique comprenant au moins une fente cathodique (70), ladite fente cathodique comprenant deux cavités principales verticales cathodiques et parallèles (72), lesquelles sont reliées dans leur partie supérieure par un canal horizontal cathodique (74), sensiblement perpendiculaire aux deux cavités principales verticales cathodiques (72), ces cavités principales verticales cathodiques étant destinées à délimiter les bords longitudinaux de la batterie,
- la réalisation d’une première et d’une deuxième entailles, au voisinage de chaque fente anodique (80), respectivement cathodique (70) d’au moins la feuille approvisionnée à l’étape a), respectivement à l’étape b), de manière à former des tranchées anodiques (86, 88), respectivement des tranchées cathodiques (76, 78), selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie et selon une direction parallèle au canal horizontal anodique (84), de la fente anodique (80), respectivement au canal horizontal cathodique (74) de la fente cathodique (70), étant entendu que
- les première et deuxième entailles sont réalisées de part et d’autre de la feuille anodique (2), respectivement cathodique (5),
- la deuxième entaille est réalisée dans le prolongement de la première entaille, et
- que les tranchées anodiques (86, 88), respectivement les tranchées cathodiques (76, 78), obtenues à partir des première et deuxième entailles sont libres de tout matériau d’électrolyte ou de séparateur imprégné d’un électrolyte et de tout matériau d’anode, respectivement sont libres de tout matériau d’électrolyte ou de séparateur imprégné d’un électrolyte et de tout matériau de cathode, et
- que lesdites tranchées anodiques (86, 88), respectivement les tranchées cathodiques (76, 78) s’étendent entre les bords longitudinaux (1011, 1012) opposés de la batterie selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie de manière à relier les deux cavités principales verticales anodiques et parallèles de chaque fente anodique (80), respectivement à relier les deux cavités principales verticales cathodiques et parallèles de chaque fente cathodique (70), la feuille obtenue après la réalisation de ces entailles étant appelée ci-après feuille anodique entaillée (2e), respectivement feuille cathodique entaillée (5e),
- la réalisation d’un empilement (I) alterné d’au moins une feuille anodique entaillée (2e) et d’au moins une feuille cathodique entaillée (5e), de manière à obtenir successivement au moins un substrat plan collecteur de courant anodique (10), au moins une couche d’anode (20), au moins une couche d’un matériau d’électrolyte (30) ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte (31), au moins une couche de cathode (50), et au moins un substrat plan collecteur de courant cathodique (40) ; de manière à ce que, pour chaque fente anodique (80) d’au moins une feuille anodique entaillée (2e), respectivement pour chaque fente cathodique (70) d’au moins une feuille cathodique entaillée (5e), les tranchées anodiques (86, 88) d’au moins la feuille anodique entaillée, respectivement les tranchées cathodiques (76, 78), d’au moins la feuille cathodique entaillée (5e), sont disposées dans le prolongement du canal horizontal cathodique (74) de la fente cathodique (70) de la feuille adjacente cathodique entaillée (5e), respectivement du canal horizontal anodique (84) de la fente anodique (80), de la feuille adjacente anodique entaillée (2e) selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie,
- la réalisation d’un traitement thermique et/ou d’une compression mécanique de l’empilement de feuilles alternées obtenu à l’étape d), de manière à former un empilement consolidé,
- la réalisation de deux découpes (Dn, D’n) s’étendant au moins partiellement à l’intérieur de ladite fente anodique (80), respectivement cathodique (70), selon un plan parallèle au canal horizontal anodique (84), respectivement cathodique (74), la première découpe s’étendant entre le canal horizontal anodique (84) de la fente anodique (80) et l’extrémité en regard des bords longitudinaux, alors que la seconde découpe s’étend entre le canal horizontal cathodique (74) de la fente cathodique (70) et l’extrémité en regard des bords longitudinaux, de manière à former un empilement découpé mettant à nu au moins les zones de connexion anodique et cathodique.
- Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu’on réalise, après l’étape (e), une étape (g) d’encapsulation de l’empilement consolidé, en déposant :
- au moins une première couche de recouvrement, de préférence choisie parmi le parylène, le parylène de type F, le polyimide, les résines epoxy, le silicone, le polyamide, la silice sol-gel, la silice organique et/ou un mélange de ceux-ci, sur la batterie, et puis
- au moins une deuxième couche de recouvrement composée d’une matière électriquement isolante, déposée par dépôt de couches atomiques sur ladite au moins première couche de recouvrement,
étant entendu que la séquence d’au moins une première couche de recouvrement et d’au moins une deuxième couche de recouvrement peut être répétée z fois avec z ≥ 1. - Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce qu’on réalise après l’étape (f), les terminaisons de la batterie en déposant successivement sur au moins les zones de connexion anodique et cathodique :
- une première couche d’un matériau chargé en graphite, de préférence à base de résine époxy chargée en graphite,
- une seconde couche dense de cuivre métallique disposée sur la première couche du système de terminaison, et
- optionnellement, une troisième couche à base d’un alliage étain-zinc d’étain, disposée sur la deuxième couche du système de terminaison,
- optionnellement, une quatrième couche à base d’étain ou à base d’un alliage d’argent, de palladium et de cuivre, disposée sur la troisième couche du système de terminaison. - Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que les deux entailles réalisées à l’étape (d) formant des tranchées (76, 78, 86, 88) sont effectuées par ablation laser.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisé en ce qu’on réalise chaque découpe par laser.
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