WO2020249877A1 - Batterie a ions de lithium et son procede de fabrication - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to the field of batteries, and more particularly to lithium ion batteries.
  • the invention relates to lithium ion batteries with a novel architecture which gives them an improved service life.
  • the invention also relates to a new method of manufacturing such batteries.
  • WO 2016/001584 describes a lithium ion battery manufactured from anode sheets comprising a conductive substrate successively covered with an anode layer and an electrolyte layer, and cathode sheets comprising a conductive substrate successively covered with a cathode layer and an electrolyte layer; these sheets are cut, before or after deposition, in U-shaped patterns. These sheets are then stacked alternately in order to form a stack of several elementary cells. The cutout patterns of the anode and cathode sheets are placed in a "head to tail" configuration so that the stack of cathodes and anodes is offset laterally.
  • an encapsulation system in a thick layer of about ten microns is deposited on the stack and in the available cavities present within the stack. This ensures, on the one hand, the rigidity of the structure at the level of the section planes and, on the other hand, the protection of the battery cell against the atmosphere.
  • the stack is cut along section planes to obtain unit batteries, with the exposure on each of the section planes of the cathodic connection areas and the anode connection areas of the batteries. It turns out that during these cuts, the encapsulation system can be torn off, resulting in a discontinuity in the sealing of the battery. It is also known to add terminations (i.e. electrical contacts) where these cathodic and anodic connection areas are visible.
  • the present invention aims to remedy at least in part certain drawbacks of the prior art mentioned above, in particular to obtain rechargeable lithium ion batteries with high energy density and high power density.
  • It aims in particular to propose a method which reduces the risk of a creeping or accidental short-circuit and which makes it possible to manufacture a battery having a low self-discharge.
  • It aims in particular to provide a method which makes it possible to manufacture, in a simple, reliable and rapid manner, a battery having a very long life.
  • a first object of the invention is a battery 1000 comprising at least one elementary cell 100, said elementary cell 100 successively comprising at least one flat anode current collector substrate 10, at least one anode layer 20, at least one layer of 'an electrolyte material 30 or a separator impregnated with an electrolyte 31, at least one cathode layer 50, and at least one flat cathode current collector substrate 40,
  • said battery 1000 comprising longitudinal edges 1011, 1012, a first lateral edge 1001 comprising at least one anode connection zone 1002 and a second lateral edge 1005 comprising at least one cathode connection zone 1006, said anode connection zones 1002 and cathode 1006 being preferably laterally opposed,
  • each elementary cell 100 comprises a primary body 111, a secondary body 112 and a tertiary body 113, said secondary body and said tertiary body being arranged on either side of said primary body, it being understood that each of the primary bodies 111, secondary 112 and tertiary 113 successively comprises at least one flat anode current collector substrate 10, at least one anode layer 20, at least one layer of an electrolyte material 30 or of a separator impregnated with a electrolyte 31, at least one cathode layer 50, and at least one flat cathode current collector substrate 40,
  • said secondary body 112 being separated from primary body 111 by a notch 120 free of any material of anode, electrolyte, separator impregnated with an electrolyte, cathode and anode current collecting substrate, it being understood that said notch s 'extends from a longitudinal edge 1011 to the opposite longitudinal edge of the battery 1012 in a direction perpendicular to the main plane of the battery, and
  • said tertiary body 113 being separated from primary body 111 by a recess 130 free of any material of anode, electrolyte, separator impregnated with an electrolyte, cathode and cathodic current collecting substrate, it being understood that said recess 130 extends from a longitudinal edge 1011 to the opposite longitudinal edge of the battery 1012 in a direction perpendicular to the main plane of the battery.
  • the battery according to the invention comprises a plurality of elementary cells, and is characterized in that all the notches of each of the elementary cells are superimposed, in a direction perpendicular to the main plane of the battery, so that each flat cathode current collector substrate collects the cathodic current from the elementary cell through the cathodic connection area, and
  • each plane substrate collecting anode current collects the anode current of the elementary cell through the zone anode connection.
  • said battery is a lithium ion battery.
  • the battery according to the invention comprises an encapsulation system totally covering four of the six faces of said battery, the two remaining faces comprising an anode connection zone and a cathode connection zone.
  • the encapsulation system comprises:
  • At least one first covering layer preferably chosen from parylene, type F parylene, polyimide, epoxy resins, silicone, polyamide, sol-gel silica, organic silica and / or a mixture of those here, placed on the battery,
  • At least a second covering layer composed of an electrically insulating material, deposited by depositing atomic layers on said at least first covering layer
  • this sequence of at least a first cover layer and at least a second cover layer can be repeated z times with z 3 1.
  • the anode connection zone and the cathode connection zone are covered by terminations.
  • the terminations include:
  • a first layer of a material loaded with graphite preferably based on epoxy resin loaded with graphite arranged on at least the cathodic connection zone and / or at least the anodic connection zone, a second dense layer of metallic copper placed on the first layer of the termination system,
  • a second object of the invention is a method of manufacturing a battery 1000, said battery comprising at least one elementary cell 100, said elementary cell 100 successively comprising at least one flat anode current collector substrate 10, at least one layer of 'anode 20, at least one layer of an electrolyte material 30 or of a separator impregnated with an electrolyte 31, at least one cathode layer 50, and at least one flat cathode current collector substrate 40, said method manufacturing including:
  • anode sheet 2 (a) providing at least one sheet of planar anode current collector substrate 10 coated with an anode layer 20, and optionally coated with a layer of an electrolyte material 30 or a separator impregnated with an electrolyte 31, hereinafter called anode sheet 2, said anode sheet comprising at least one anode slot 80, said anode slot 80 comprising two main vertical anode and parallel cavities 82, which are connected in their upper part by a channel horizontal anode 84, substantially perpendicular to the two main vertical anode cavities 82, these main vertical anode cavities being intended to delimit the longitudinal edges of the battery,
  • cathode sheet 5 (b) providing at least one sheet of cathode current collector planar substrate 40 coated with a cathode layer 50, and optionally coated with a layer of an electrolyte material 30 or an impregnated separator of an electrolyte 31, hereinafter called cathode sheet 5, said cathode sheet comprising at least one cathode slot 70, said cathode slot comprising two main vertical cathode and parallel cavities 72, which are connected in their upper part by a horizontal cathode channel 74, substantially perpendicular to the two main vertical cathode cavities 72, these main vertical cathode cavities being intended to delimit the longitudinal edges of the battery,
  • step c the production of a first and a second notch, in the vicinity of each anode slot 80, respectively cathode 70 of at least the sheet supplied in step a), respectively in step b), of so as to form anode trenches 86, 88, respectively cathode trenches 76, 78, in a direction perpendicular to the main plane of the battery and in a direction parallel to the horizontal anode channel 84, from the anode slot 80, respectively to the horizontal cathode channel 74 of the cathode slot 70, it being understood that
  • o the first and second notches are made on either side of the anode sheet 2, respectively cathode 5,
  • step d (e) carrying out heat treatment and / or mechanical compression of the stack of alternating sheets obtained in step d), so as to form a consolidated stack
  • At least one first covering layer preferably chosen from parylene, type F parylene, polyimide, epoxy resins, silicone, polyamide, sol-gel silica, organic silica and / or a mixture of those here, on the battery, and then
  • At least a second covering layer composed of an electrically insulating material, deposited by depositing atomic layers on said at least first covering layer
  • sequence of at least a first cover layer and at least a second cover layer can be repeated z times with z 3 1.
  • the separator when a separator is used in the batteries according to the invention, the separator is impregnated with an electrolyte, preferably with a phase carrying lithium ions such as liquid electrolytes or an ionic liquid containing lithium salts. .
  • step (f) the battery terminations are carried out by successively depositing on at least the anode and cathode connection areas:
  • a first layer of a material loaded with graphite preferably based on epoxy resin loaded with graphite
  • a second dense layer of metallic copper disposed on the first layer of the termination system, and optionally, a third layer based on a tin-zinc alloy of tin, arranged on the second layer of the termination system, optionally, a fourth layer based on tin or based on a silver alloy, palladium and copper, disposed on the third layer of the termination system.
  • the two notches made in step (d) forming trenches 76, 78, 86, 88 are made by laser ablation.
  • each cutting is carried out by laser.
  • each elementary cell defines on a first face, a zone of continuity of the plane substrate collecting anode current and a notch 120 emerging, and on the opposite face, a zone of continuity of the plane substrate collecting cathode current and a recess 130 emerging.
  • the zone of continuity of the flat anode current collector substrate is located opposite the notch 120, and the continuity zone of the flat cathode current collecting substrate is located opposite the recess 130 in a direction perpendicular to the plane drums.
  • the battery according to the invention is characterized in that:
  • the flat anode current collector substrate is the anode current collector substrate of two adjacent elementary cells, and in that the cathode current collector flat substrate is the cathode current collector substrate of two adjacent elementary cells.
  • FIG. 1 is a perspective view of the notched anode and notched cathode sheets intended to form a stack according to the method of manufacturing batteries according to the invention.
  • FIG. 2 is a front view, showing one of the sheets of Figure 1.
  • FIG. 3 is a front view, on a larger scale, showing a ladder-shaped groove in an anode foil.
  • FIG. 4 is a perspective view, also on a large scale, illustrating these ladder-shaped grooves made in adjacent sheets.
  • FIG. 5 is a top view, illustrating a cutting step carried out on various grooves made in the stack of the preceding figures.
  • FIG. 6 is a top view, illustrating on a larger scale the cutouts made on a ladder-shaped groove.
  • FIG. 7 is a sectional view, taken along the line VII-VII indicated in FIG. 6.
  • FIG. 8 is a sectional view, taken along the line VII-VII indicated in FIG. 6.
  • FIG. 9 is an exploded sectional view, along line VII-VII indicated in FIG. 6, illustrating a stack made up of three elementary cells.
  • FIG. 10 is a top view illustrating a battery according to the invention, which can be obtained in particular according to the method of the preceding figures.
  • FIG. 11 is a front view illustrating a battery according to the invention, which can be obtained in particular according to the method of the preceding figures.
  • FIG. 12 is a perspective view illustrating a battery according to the invention, which can be obtained in particular according to the method of the preceding figures.
  • FIG. 13 is a perspective view illustrating a battery according to the prior art.
  • the method according to the invention first of all comprises a step in which a stack I of alternating sheets is produced, these sheets being referred to in what follows, as the case may be, as “anode sheets” 2 or “cathode sheets” 5.
  • each anode sheet 2 is intended to form the anode of several batteries
  • each cathode sheet 5 is intended to form the cathode of several batteries.
  • two notched cathode sheets 5e have been shown, as well as two notched anode sheets 2e. In practice, this stack is formed by a higher number of leaves, typically between ten and a thousand.
  • the number of notched cathode sheets 5e is identical to the number of notched anode sheets 2e used constituting the stack I of alternating sheets of opposite polarity.
  • each of these sheets has perforations 7 at its four ends so that when these perforations 7 are superimposed, all the cathodes and all the anodes of these sheets are arranged specifically, as will be explained in more detail below (see figures 1 and 2).
  • These perforations 7 at the four ends of the sheets can be produced by any suitable means, in particular on anode 2 and cathode 5 sheets after manufacture, or on substrate sheets 10,40 coated with a cathode layer 50 or anode 20.
  • Each anode sheet 2 comprises a flat anode current collector substrate 10 coated with an active layer of an anode material 20, hereinafter anode layer 20.
  • Each cathode sheet 5 comprises a flat cathode current collector substrate 40 coated with an active layer of a cathode material 50, hereinafter referred to as cathode layer 50.
  • Each of these active layers can be solid, and more particularly of a dense or porous nature.
  • an electrolyte layer 30 or of a separator 31 impregnated with an electrolyte is placed on the active layer of at least one of these.
  • Flat current-collecting substrates previously coated with the active layer, in contact with the facing active layer.
  • the electrolyte layer 30 or the separator 31, may be disposed on the anode layer 20 and / or on the cathode layer 50; the electrolyte layer or the separator is an integral part of the anode sheet 2 and / or of the cathode sheet 5 1 or comprising it.
  • the two faces of the flat anode current collector substrate 10, respectively cathode 40 are coated with an anode layer 20, respectively with a cathode layer 50, and optionally with an electrolyte layer 30 or separator 31, arranged on the anode layer 20, respectively on the cathode layer 50.
  • the anode current collector flat substrate 10, respectively cathode 40 will serve as a current collector for two adjacent elementary cells .
  • the use of these substrates in batteries makes it possible to increase the production efficiency of rechargeable batteries with high energy density and high power density.
  • the mechanical structure of one of the anode sheets 2 is described below, it being understood that the other anode sheets 2 have an identical structure.
  • the cathode sheets 5 have a structure similar to that of the anode sheets 2.
  • the notched anode sheet 2e has the shape of a quadrilateral, substantially of the square type. It delimits a so-called perforated central zone 4, in which ladder-shaped grooves are formed which will be described below.
  • a so-called vertical direction YY of the sheet is defined, which corresponds to the vertical direction of these ladder-shaped grooves, as well as a so-called horizontal direction XX of the sheet. , perpendicular to the YY direction.
  • the central zone 4 is bordered by a peripheral frame 6 which is solid, namely devoid of grooves. The function of this frame is in particular to ensure easy handling of each sheet.
  • the ladder-shaped grooves are distributed along lines Li to L y , arranged one below the other, as well as along rows Ri to R x provided next to each other.
  • the anode and cathode sheets used can be plates of 100 mm ⁇ 100 mm.
  • the number of rows of these sheets is between 10 and 500, while the number of rows is between 10 and 500.
  • its dimensions may vary and the number of rows. and rows by anode and cathode sheets can be adapted accordingly.
  • the dimensions of the anode and cathode sheets used can be modulated as required. As shown in FIG.
  • the ladder-shaped grooves 60,61 include notches 76,78,86,88 and H-shaped slots 70,80. These H-shaped slots are through, that is to say that they open out on the opposing faces, respectively upper and lower, of the sheet.
  • the H-shaped slots 70,80 can be made in a manner known per se, directly on the current collector flat substrate, before any deposition of anode or cathode materials by chemical etching, by electroforming, by laser cutting, by microperforation or by stamping.
  • These H-shaped slots 70.80 can also be made on flat current-collecting substrates coated with a layer of anode or cathode materials, on flat current-collecting substrates previously coated with a layer of solid-state materials.
  • Each ladder-shaped groove 60 comprises an H-shaped through slot 80 formed by two vertical and parallel main cavities 82, which are connected in their upper part by a horizontal channel 84, preferably perpendicular to the two vertical and parallel main cavities. 82.
  • Each groove further comprises, in the lower part of the H-shaped slot, a first horizontal anode trench 86 and a second horizontal anode trench 88. As shown in particular in FIG. 3, the first 86 and second 88 horizontal anode trenches are made on either side of the anode sheet 2 so that the second horizontal anode trench 88 is made in the extension of the first horizontal anode trench 86.
  • the first and second anode trenches 86,88 are free of any electrolyte or separator material and any anode material. These first and second anode trenches 86, 88 are made so as to remove any electrolyte or separator material, and any anode material, and to leave at least part of the flat anode current collecting substrate defining a zone of continuity. of the anode current collector plane substrate.
  • the first and second anode trenches 86,88 can be made by laser ablation.
  • the first and second anode trenches 86,88 extend between the opposite longitudinal edges 1011, 1012 of the battery in a direction perpendicular to the main plane of the battery so as to connect the two main vertical and parallel cavities 82 of each slot 80, Hereinafter referred to as the anode slot.
  • the horizontal channel 84 on the one hand and the first and second horizontal anode trenches 86, 88 on the other hand, are mutually symmetrical in top view, with respect to the median axis of the H, which is denoted XH.
  • the anode sheet 2 obtained after making slots 80 and notches forming the first and second horizontal anode trenches 86,88 is hereinafter called notched anode sheet 2e.
  • H 84 the height of each channel, which is typically between 0.01 mm and 0.5 mm;
  • D S 4 the difference in heights between the top of the vertical and parallel main cavities 82 and the top of the horizontal channel 84, which is typically between 0.05 mm and 2 mm;
  • H bb the height of each first horizontal anode trench 86, which is typically between 0.01 mm and 0.5 mm;
  • D S6 the difference in heights between the base of the vertical and parallel main cavities 82 and the base of each first horizontal anode trench 86, which is typically between 0.05 mm and 2 mm.
  • Each cathode sheet 5 is also provided with different lines and rows of ladder-shaped grooves 61, provided in the same number as the ladder-shaped grooves 60.
  • the structure of each shaped groove scale 61 is substantially similar to that of each ladder-shaped groove 60, namely that this ladder-shaped groove 61 comprises two vertical main cathode cavities 72, connected by a horizontal channel 74.
  • the dimensions of the main cavities vertical cathodes 72 are identical to those of the main vertical anode cavities 82 and, similarly, the dimensions of the channels 74 are similar to those of the channels 84.
  • the main vertical cathode cavities 72 are superimposed on those 82.
  • the only differences between the ladder-shaped grooves 60 and 61 lie in the fact that the channels 74 are provided in the lower part and that the first and second horizontal cathode trenches 76,78 are provided in the upper part.
  • the first 76 and second horizontal cathode trenches 78 are made on either side of cathode sheet 5 so that second horizontal cathode trench 78 is made in the extension of first horizontal cathode trench 76.
  • the first and second cathode trenches 76,78 are free of any electrolyte or separator material and any cathode material. These first and second cathode trenches 76, 78 are made so as to remove any electrolyte or separator material, and any cathode material, and to leave at least part of the cathode current collecting substrate defining a zone of continuity of the substrate cathodic current collector plane.
  • the first and second cathode trenches 76,78 can be produced by laser ablation in a manner known per se.
  • the first and second cathode trenches 76,78 extend between the opposed longitudinal edges 1011,1012 of the battery in a direction perpendicular to the main plane of the battery so as to connect the two main vertical and parallel cavities 72 of each slot 70, Hereinafter referred to as the cathode slot 70.
  • the horizontal channel 74 on the one hand and the first and second horizontal cathode trenches 76, 78 on the other hand, are mutually symmetrical in top view, with respect to the median axis of the H, which is denoted XH.
  • the cathode sheet 5 obtained after making slits 70 and notches forming the first and second horizontal cathode trenches 76,78 is hereinafter called notched cathode sheet 5e.
  • An alternating stack I of at least one notched anode sheet 2e and at least one notched cathode sheet 5e is then produced, so as to obtain successively at least one flat anode current collector substrate 10, at least one anode layer 20, at least one layer of an electrolyte material 30 or of a separator impregnated with an electrolyte 31, at least one cathode layer 50, and at least one flat cathode current collector substrate 40.
  • the anode trenches 86, 88 of at least the notched anode sheet 2e are arranged in the extension of the horizontal cathode channel 74 of the cathode slot 70 of the adjacent sheet cathodic notched 5th in a direction perpendicular to the main plane of the battery, and so that,
  • the cathode trenches 76, 78, of at least the notched cathode sheet 5e are arranged in the extension of the horizontal anode channel 84 of the anode slot 80, of the adjacent anode sheet notched 2e in a direction perpendicular to the main plane of the battery.
  • each cutout is made between a respective channel and the end facing the H-shaped slot.
  • the distance Des between the cutout D n and the face opposite the horizontal channel 84 is between 0.05 mm and 2 mm, it being understood that this distance Des is less than or equal to Ds4;
  • each final battery is delimited, at the top and at the bottom, by the two cutouts D n and D ' n and, on the right and on the left, by the internal faces of the vertical and parallel main cavities.
  • the batteries 1000 have been shown hatched once they have been cut along the cutting lines D n and D ' n .
  • the areas 90 of the sheets of the stack, which do not form the batteries, have been illustrated with a dotted filling, while the volume of the slots is left blank.
  • Figures 7 and 8 are sectional views, taken along section line VII-VII which extends through the battery.
  • FIG 7 only the arrangement of a notched anode sheet 2e and a notched cathode sheet 5e, relative to each other, is shown.
  • Figure 8. the alternate arrangement of two notched anode sheets 2e and two notched cathode sheets 5e is shown.
  • zones 90 also illustrated in FIG. 5, which correspond to material falls, in particular material falls from anodes, cathodes and electrolyte or separator.
  • the notched anode sheet 2e comprises a flat anode current collector substrate 10 coated with an anode layer 20, itself optionally coated with an electrolyte layer 30 or a separator 31 impregnated with an electrolyte.
  • Each notched cathode sheet 5e comprises a flat cathode current collector substrate 40 coated with an active layer of a cathode material 50, itself optionally coated with an electrolyte layer 30 or a separator 31 impregnated with an electrolyte.
  • at least one electrolyte layer 30 or of a separator 31 impregnated or subsequently is arranged.
  • FIG. 7 an elementary cell 100 comprising successively at least one flat anode current collector substrate 10, at least one anode layer 20 , at least one layer of an electrolyte material 30 or of a separator impregnated with an electrolyte 31, at least one cathode layer 50, and at least one flat cathodic current collector substrate 40.
  • Each elementary cell 100 comprises a primary body 111, a secondary body 112 and a tertiary body 113.
  • the secondary body 112 and the tertiary body 113 are arranged on either side of the primary body 111.
  • Each of the primary body 111, secondary body 112 and tertiary 113 successively comprises at least one flat anode current collector substrate 10, at least one anode layer 20, at least one layer of an electrolyte material 30 or of a separator impregnated with an electrolyte 31, at least one cathode layer 50, and at least one flat cathodic current collector substrate 40.
  • the succession of the different layers is the same for the primary 111, secondary 112 and tertiary 113 body; the anode layer of the primary body is opposite the anode layer of the secondary body and that of the tertiary body, the cathode layer of the primary body is opposite the cathode layer of the secondary body and that of the body tertiary, and the electrolyte or separator layer of the primary body is opposite the electrolyte or separator layer of the secondary body and that of the tertiary body.
  • the secondary body 112 is separated from the primary body 111 by a notch 120 free of any material of anode, electrolyte, separator impregnated with an electrolyte, cathode and anode current collecting substrate, so that said notch s 'extends from a longitudinal edge 1011 to the opposite longitudinal edge of the battery 1012 in a direction perpendicular to the main plane of the battery.
  • the tertiary body 113 is separated from the primary body 111 by a recess 130 free of any material of anode, electrolyte, separator impregnated with an electrolyte, cathode and cathodic current collecting substrate, so that the recess 130 extends from a longitudinal edge 1011 to the opposite longitudinal edge of the battery 1012 in a direction perpendicular to the main plane of the battery.
  • each notched anode sheet, respectively notched cathode sheet has ladder-shaped grooves.
  • Each groove 60.61 comprises a horizontal channel 84.74, a first 86.76 and a second horizontal trench 88.78 like those shown in FIG. 7.
  • the first 86.76 and second horizontal trenches 88.78 are made on both sides. the other of the anode / cathode sheets so that the second horizontal trench 88,78 is made in the extension of the first horizontal trench 86,76.
  • each notched 2e and notched cathode 5e anode sheet are arranged so that: the first 86 and second horizontal anode trenches 88 are disposed in the extension of the horizontal cathode channel 74 of the ladder-shaped groove 61 present on the adjacent notched cathode sheet 5e, and in that the first 76 and second horizontal cathode trenches 78 are disposed in the extension of the horizontal anode channel 84 of the ladder-shaped groove 60 present on the adjacent notched anode sheet 2e.
  • the main vertical cathode cavities 72 are superimposed with those 82.
  • the only differences between the ladder-shaped grooves 60 and 61 are that the channels 74 are provided in the lower part and that the first and second horizontal cathode trenches 76,78 are provided in the upper part.
  • the first 76 and second 78 horizontal cathode trenches are made on either side of the cathode sheet 5 so that the second horizontal cathode trench 78 is made in the extension of the first horizontal cathode trench 76.
  • the first and second cathode trenches 76,78 are free of any electrolyte or separator material and any cathode material.
  • the first and second cathode trenches 76,78 extend between the opposed longitudinal edges 1011,1012 of the battery in a direction perpendicular to the main plane of the battery so as to connect the two main vertical and parallel cavities 72 of each slot 70, Hereinafter referred to as the cathode slot 70.
  • the horizontal channel 74 on the one hand and the first and second horizontal cathode trenches 76, 78 on the other hand, are mutually symmetrical in top view, with respect to the median axis of the H, which is denoted XH.
  • the cathode sheet 5 obtained after making slits 70 and notches forming the first and second horizontal cathode trenches 76,78 is hereinafter called notched cathode sheet 5e.
  • the cutout Dn is made both through the notched anode sheet and the notched cathode sheet, namely at a distance Des from the channels of the ladder-shaped grooves 60 present on the notched anode sheets 2e, which also corresponds to the distance D77 of the first 76 and second horizontal cathode trenches 78 from the ladder-shaped grooves 61 present on the notched cathode sheets 5e.
  • the fact of making cuts Dn and D'n through the notched anode sheet and the notched cathode sheet is a particularly advantageous characteristic of the invention, since this makes it possible to improve the quality of the cut with regard to the prior art, as explained in greater detail below.
  • Application WO 2016/001584 describes stacks of several elementary cells, made up of anode 2 'and cathode 5' sheets stacked alternately and laterally offset (cf. FIG. 13). encapsulated in a 2095 encapsulation system to protect the cell of the battery 2000 from the atmosphere. The cutting of these encapsulated stacks making it possible to obtain unitary batteries, with areas of bare anode 2002 and cathode 2006 connections, is carried out according to a section plane crossing an alternating succession of electrode and encapsulation system.
  • the cut carried out according to this cutting plane induces a risk of the encapsulation system tearing off near the cutting plane, and thus the creation of short circuits.
  • the encapsulation layer fills the interstices of the stack of sheets bearing U-shaped cutouts. This encapsulation layer introduced at these interstices is thick and does not adhere very well to the stack inducing this risk of tearing off the encapsulation system 2095 during subsequent cutting.
  • thermopressed mechanical structure in the form of a ladder is extremely rigid around the cutout, due to the alternating superposition of cathode and anode sheets.
  • the use of such a rigid structure, with the use of sheets carrying scale-shaped cutouts, makes it possible to reduce the number of defects during the cutouts, to increase the cutting speed and thus to improve the yield. battery production.
  • the cuts D ′ n and D n are made through notched anode sheets 2e and notched cathode sheets 5e of comparable density inducing a clean cut of better quality.
  • Each elementary cell 100 comprises a primary body 111, a secondary body 112 and a tertiary body 113.
  • the secondary body 112 and the tertiary body 113 are arranged on either side of the primary body 111.
  • Each of the primary body 111, secondary body 112 and tertiary 113 successively comprises at least one flat anode current collector substrate 10, at least one anode layer 20, at least one layer of an electrolyte material 30 or of a separator impregnated with an electrolyte 31, at least one cathode layer 50, and at least one flat cathode current collector substrate 40.
  • the secondary body 112 is separated from the primary body 111 by a notch 120 free of any anode, electrolyte or separator material impregnated with an electrolyte, cathode and anode current collector substrate.
  • the indentation 120 comprises either a part of the channel 84 hereafter 84 ”and the first cathode trench 76, or a part of the channel 84 hereafter 84 'and the second cathode trench 78 as shown in figure 9.
  • the parts 84' and 84” of the horizontal channel 84 are symmetrical with respect to the median axis AA of the anode current collector substrate.
  • the blind end of the notch 120 of each elementary cell defines a zone of continuity of the cathodic current collector, so as to allow electrical contact to be made at the level of the cathodic connection zone 1006.
  • the tertiary body 113 is separated from the primary body 111 by a recess 130 free of any anode material, electrolyte, separator impregnated with an electrolyte, cathode and cathode current collector substrate.
  • the recess 130 comprises either a part of the channel 74 hereafter 74 ”and the first anode trench 86, or a part of the channel 74 hereafter 74 'and the second anode trench 88 as shown in FIG. 9.
  • the parts 74' and 74 ”of horizontal channel 74 are symmetrical about the centerline CC of the cathode current collector substrate.
  • the blind end of the recess 130 of each elementary cell defines a zone of continuity of the anode current collector, so as to allow electrical contact to be made at the level of the anode connection zone 1002.
  • each elementary cell comprises respectively upper and lower faces, each face being parallel to the main plane of the battery.
  • each elementary cell comprises a recess 130 and a notch 120.
  • the recess 130 opens onto a first face, in this case the lower part of the elementary cell 100 and has a blind end which leaves a zone of continuity of the substrate.
  • the notch 120 opens out onto a second face, in this case the upper side of the elementary cell 100 and has a blind end which leaves a zone of continuity of the cathode current collector plane substrate 40.
  • the areas of anode connection 1002 and the cathodic connection areas 1006 are preferably laterally opposed.
  • the recess 130 of an elementary cell 100 extends in the extension of the recess 130 made in the adjacent elementary cell 100 'located below the elementary cell 100, in a direction perpendicular to the main plan of the battery.
  • the flat anode current collector substrate 10 of an elementary cell 100 ' can be attached to the flat anode current collector substrate 10 of the adjacent elementary cell 100 ”.
  • the flat cathode current collecting substrate 40 of an elementary cell 100 can be attached to the flat cathodic current collecting substrate 40 of the adjacent elementary cell 100 ′.
  • the flat anode current collector substrate 10, respectively cathode 40 can serve as a current collector for two adjacent elementary cells, as is in particular illustrated in FIG. 7.
  • the two faces of the substrate anode current collector plane 10, respectively cathode 40 are coated with an anode layer 20, respectively with a cathode layer 50, and optionally with an electrolyte layer 30 or separator 31, arranged on the anode layer 20, respectively on the cathode layer 50.
  • an electrolyte layer 30 or separator 31 arranged on the anode layer 20, respectively on the cathode layer 50.
  • Each battery comprises at least one elementary cell 100.
  • the elementary cell 100 comprises a primary body 111, a secondary body 112 and a tertiary body 113.
  • the secondary body 112 and the tertiary body 113 are arranged on either side of the primary body 111.
  • Each of the primary 111, secondary 112 and tertiary 113 bodies successively comprises at least one flat anode current collector substrate 10, at least one anode layer 20, at least one layer of an electrolyte material 30 or of a separator impregnated with an electrolyte 31, at least one cathode layer 50, and at least one flat cathode current collector substrate 40.
  • the secondary body 112 is separated from the primary body 111 by a notch 120 free of any anode material , electrolyte, separator impregnated with an electrolyte, cathode and anode current collector substrate.
  • the notch 120 the width L120 of which corresponds to that of the channel 84 of the slot 80 (or of the ladder-shaped groove 60) described above, extends from a longitudinal edge 1011 to the opposite longitudinal edge of the battery 1012 in a direction perpendicular to the main plane of the battery.
  • the notch 120 includes either a portion 84 "of the channel 84 and the first cathode trench 76, or a portion 84" of the channel 84 and the second cathode trench 78 as shown in Figure 7.
  • the tertiary body 113 is separated from the primary body 111 by a recess 130 free of any material of anode, electrolyte, separator impregnated with an electrolyte, cathode and cathode current collector substrate.
  • the recess 130 the width L 130 of which corresponds to that of the channel 74 of the slot 70 (or of the ladder-shaped groove 61) described above, extends from a longitudinal edge 1011 to the opposite longitudinal edge. of the battery 1012 in a direction perpendicular to the main plane of the battery.
  • the recess 130 comprises either a part 74 ”of the channel 74 and the first anode trench 86, or a part 74 'of the channel 74 and the second anode trench 88 as shown in FIG. 7.
  • the width of the secondary body 112 corresponds to the distance D 85 / D 77 , as described with reference to Figures 6, 7 or 8.
  • the width of the tertiary body 113 corresponds to the distance D 87 / D 75 , as described with reference. in Figures 6, 7 or 8.
  • the distances Ds 5 / D 77 and Ds 7 / D 75 S are equal.
  • the unique structure of the battery according to the invention makes it possible to avoid the presence of a short circuit at the lateral edges of the battery, to avoid the presence of leakage current and to facilitate the electrical contact points at the level of the zones. anode 1002 and cathode 1006 connection.
  • the presence of notches 120 and recess 130 in the battery according to the invention prevents lateral leakage of lithium ions and facilitates the balancing of the battery; the effective surfaces of the electrodes in contact with each other, and delimited by the notches 120 and the recesses 130 are substantially identical.
  • the effective surfaces of the electrodes of each elementary cell according to the invention are facing each other so that the notch 120 and the recess 130 define the side edges of the primary body 111 of each elementary cell.
  • the blind end of the recess 130 of each elementary cell defines a zone of continuity of the anode current collector, so as to allow electrical contact to be made at the level of the anode connection zone 1002.
  • the blind end of the anode current collector notch 120 of each elementary cell defines a zone of continuity of the cathodic current collector, so as to allow electrical contact to be made at the level of the cathodic connection zone 1006.
  • a notch 120 and a recess 130 in the within the elementary cell makes it possible to avoid the presence of short-circuits at the side edges of the battery, to avoid the presence of leakage current, and to facilitate electrical contact points, and this only at the level of the anode 1002 and cathode 1006 connection zones.
  • the heat treatment of the latter allowing the battery to be assembled is carried out at a temperature between 50 ° C and 500 ° C, preferably at a temperature below 350 ° C, and / or the mechanical compression of the stack of Notched anode and notched cathode sheets to be assembled is carried out at a pressure of between 10 MPa and 100 MPa, preferably between 20 MPa and 50 MPa.
  • the stack is encapsulated by depositing an encapsulation system to ensure the protection of the battery cell against -vis of the atmosphere.
  • the stack of notched anode and notched cathode sheets according to the invention can be covered with a sequence, preferably of z sequences, with an encapsulation system comprising:
  • first dense and insulating covering layer preferably chosen from parylene, type F parylene, polyimide, epoxy resins, silicone, polyamide and / or a mixture of these, deposited on the stack notched 2nd anode and notched cathode 5th sheets; and
  • a second covering layer composed of an electrically insulating material, deposited by depositing atomic layers on said first covering layer.
  • This sequence can be repeated z times with z 3 1.
  • This multilayer sequence has a barrier effect. The more the sequence of the encapsulation system is repeated, the greater this barrier effect will be.
  • the first covering layer is selected from the group formed by: silicones (deposited for example by impregnation or by plasma-assisted chemical vapor deposition from hexamethyldisiloxane (HMDSO)), epoxy resins, polyimide, polyamide, poly-para-xylylene (also called poly (p-xylylene), better known under the term parylene), and / or a mixture of these.
  • This first covering layer protects the sensitive elements of the battery from its environment.
  • the thickness of said first cover layer is preferably between 0.5 ⁇ m and 3 ⁇ m.
  • the first covering layer may be of type C parylene, of type D parylene, of type N parylene (CAS 1633-22-3), of type F parylene or a mixture of type C, D parylene. , N and / or F.
  • Parylene is a dielectric, transparent, semi-crystalline material which exhibits high thermodynamic stability, excellent resistance to solvents and very low permeability. Parylene also has barrier properties to protect the battery from its external environment. The protection of the battery is increased when this first cover layer is made from type F parylene.
  • This first cover layer is advantageously obtained from the condensation of gaseous monomers deposited by chemical vapor deposition (CVD) on the surfaces, which makes it possible to have a conformal, thin and uniform covering of all the accessible surfaces of the stack.
  • This first covering layer is advantageously rigid; it cannot be considered as a soft surface.
  • the second cover layer is made of an electrically insulating material, preferably inorganic. It is deposited by atomic layer deposition (ALD), so as to obtain a conformal coverage of all accessible surfaces of the stack previously covered with the first cover layer.
  • ALD atomic layer deposition
  • the layers deposited by ALD are very fragile mechanically and require a rigid support surface to ensure their protective role. The deposition of a fragile layer on a flexible surface would lead to the formation of cracks, causing a loss of integrity of this protective layer.
  • the growth of the layer deposited by ALD is influenced by the nature of the substrate. A layer deposited by ALD on a substrate having zones of different chemical natures will have an inhomogeneous growth, which may cause a loss of integrity of this protective layer.
  • ALD deposition techniques are particularly well suited for covering surfaces with high roughness in a completely sealed and compliant manner. They make it possible to produce conformal layers, free of defects, such as holes (so-called “pinhole free” layers, i.e. free of holes) and represent very good barriers. Their WVTR coefficient is extremely low. The WVTR coefficient (water vapor transmission rate) is used to assess the permeance to water vapor of the encapsulation system. The lower the WVTR coefficient, the more waterproof the encapsulation system.
  • the second covering layer may be of ceramic material, of glass material or of glass-ceramic material, for example in the form of an oxide, of the Al2O3 type, of nitride, of phosphates, of oxynitride or of siloxane.
  • This second covering layer preferably has a thickness of between 10 nm and 50 nm.
  • This second covering layer deposited by ALD on the first covering layer makes it possible, on the one hand, to ensure the watertightness of the structure, ie to prevent the migration of water inside the object and to on the other hand to protect the first layer of covering, preferably of type F parylene, of the atmosphere, in particular of air and humidity, of thermal exposures in order to avoid its degradation.
  • This second covering layer thus improves the life of the encapsulated battery.
  • the stack of notched 2e anode and notched cathode 5e sheets thus encapsulated in this sequence of the encapsulation system can then be coated with a final covering layer so as to mechanically protect the stack thus encapsulated. and possibly give it an aesthetic appearance.
  • This final layer of cover protects and improves battery life.
  • this last covering layer is also chosen to withstand a high temperature, and has sufficient mechanical strength to protect the battery during its subsequent use.
  • the thickness of this last covering layer is between 1 ⁇ m and 50 ⁇ m. Ideally, the thickness of this last cover layer is about 10 ⁇ m to 15 ⁇ m; such a range of thickness helps protect the battery from mechanical damage.
  • This last covering layer is preferably based on epoxy resin, on polyethylene naphthalate (PEN), on polyimide, on polyamide, on polyurethane, on silicone, on sol-gel silica or on organic silica.
  • PEN polyethylene naphthalate
  • this last covering layer is deposited by dipping.
  • the stack of notched 2e and cathode 5e notched anode sheets thus coated is then cut by any suitable means along the cut lines D ' n and D n so as to expose the anode and cathode connection zones and to obtain batteries. unitary.
  • Terminations are added at the level where the cathodic and respectively anodic connection areas are visible. These contact areas are preferably disposed on opposite sides of the battery stack to collect current (side current collectors).
  • the terminations are arranged on at least the cathodic connection zone and on at least the anode connection zone, preferably on the face of the coated and cut stack comprising at least the cathode connection zone and on the face of the stack. coated and cut comprising at least the anode connection zone.
  • connection areas are metallized using techniques known to those skilled in the art, preferably by immersion in a conductive epoxy resin and / or a bath. molten tin.
  • the terminations are formed, near the cathodic and anode connection zones, of a first stack of layers comprising successively a first layer of a material loaded with graphite, preferably epoxy resin loaded with graphite, and a second layer comprising metallic copper obtained from an ink loaded with copper nanoparticles deposited on the first layer.
  • This first stack of terminations is then sintered by an infrared flash lamp so as to obtain a covering of the cathode and anode connections with a layer of metallic copper.
  • the terminations may additionally comprise a second stack of layers disposed on the first stack of terminations successively comprising a first layer of a tin-zinc alloy deposited, preferably by dipping. in a bath of molten tin-zinc, in order to seal the battery at a lower cost and a second layer based on pure tin deposited by electrodeposition or a second layer comprising a silver-based alloy, of palladium and copper deposited on this first layer of the second stack.
  • the terminations make it possible to resume the alternately positive and negative electrical connections on each of the ends. These terminations allow electrical connections to be made in parallel between the different battery cells. For this, only the cathode connections come out on one end, and the anode connections are available on another end.
  • the method according to the invention is particularly suitable for the manufacture of fully solid batteries, i.e. batteries in which the electrodes and electrolyte are solid and do not include a liquid phase, even impregnated in the solid phase.
  • the method according to the invention is particularly suitable for the manufacture of batteries considered to be quasi-solid comprising at least one separator 31 impregnated with an electrolyte.
  • the separator is preferably a porous inorganic layer having: a porosity, preferably, a mesoporous porosity, greater than 30%, preferably between 35% and 50%, and even more preferably between
  • the thickness of the separator is advantageously less than 10 ⁇ m, and preferably between 2.5 ⁇ m and 4.5 ⁇ m, so as to reduce the final thickness of the battery without reduce its properties.
  • the pores of the separator are impregnated with an electrolyte, preferably with a phase carrying lithium ions such as liquid electrolytes or an ionic liquid containing lithium salts.
  • the “nanoconfined” or “nanopiégé” liquid in the porosities, and in particular in the mesoporosities, can no longer come out. It is linked by a phenomenon called here "absorption in the mesoporous structure" (which does not seem to have been described in the literature in the context of lithium ion batteries) and it cannot go out even when the cell is switched on. under vacuum. The battery is then considered as quasi-solid.

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Abstract

Batterie (1000) comprenant une cellule élémentaire (100) qui comprend successivement un substrat plan collecteur de courant anodique (10), une couche d'anode (20), une couche d'un matériau d'électrolyte (30) ou d'un séparateur imprégné d'un électrolyte (31), une couche de cathode (50), et un substrat plan collecteur de courant cathodique (40), ladite batterie (1000) comprenant par ailleurs des bords longitudinaux (1011, 1012), un premier bord latéral (1001) comprenant une zone de connexion anodique (1002) et un second bord latéral (1005) comprenant une zone de connexion cathodique (1006). 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 disposés de part et d'autre dudit corps primaire, étant entendu que chacun des corps primaire (111), secondaire (112) et tertiaire (113) comprend successivement un substrat plan collecteur de courant anodique (10), une couche d'anode (20), une couche d'un matériau d'électrolyte (30) ou d'un séparateur imprégné d'un électrolyte (31), une couche de cathode (50), et un substrat plan collecteur de courant cathodique (40). Ledit corps secondaire (112) est séparé du corps primaire (111) par une échancrure (120) libre de tout matériau d'anode, d'électrolyte, de cathode et de substrat collecteur de courant anodique. 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. Ledit corps tertiaire (113) est séparé du corps primaire (111) par un évidement (130) libre de tout matériau d'anode, d'électrolyte, de cathode et de substrat collecteur de courant cathodique. 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.

Description

BATTERIE A IONS DE LITHIUM ET SON PROCEDE DE FABRICATION 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 (l-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 apparaître 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 accroître 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 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.
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.
Dans un mode de réalisation préféré, ladite batterie est une batterie à ions de lithium. 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 ³ 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 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 :
(a) 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,
(b) 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,
(c) 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
o les première et deuxième entailles sont réalisées de part et d’autre de la feuille anodique 2, respectivement cathodique 5,
o la deuxième entaille est réalisée dans le prolongement de la première entaille, et
o 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
o 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,
(d) 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,
(e) 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,
(f) 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.
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 ³ 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 tranchées 76, 78, 86, 88 sont 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 échancrure 120 débouchante, et sur la face opposée, une zone de continuité du substrat plan collecteur de courant cathodique et un évidement 130 débouchant.
Avantageusement, la zone de continuité du substrat plan collecteur de courant anodique est située en regard de l’échancrure 120, et la zone de continuité du substrat plan collecteur de courant cathodique est située en regard de l’évidement 130 selon une direction perpendiculaire au plan de la batterie.
Avantageusement, la batterie selon l’invention est caractérisée en ce que :
o le substrat plan collecteur de courant anodique est le substrat collecteur de courant anodique de deux cellules élémentaires adjacentes, et en ce que o 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.
[Fig. 1] est une vue en perspective des feuilles anodique entaillée et cathodique entaillée destinées à former un empilement selon le procédé de fabrication de batteries conforme à l’invention.
[Fig. 2] est une vue de face, illustrant l’une des feuilles de la figure 1. [Fig. 3] est une vue de face, à plus grande échelle, illustrant une rainure en forme d’échelle ménagée dans une feuille anodique.
[Fig. 4] est une vue en perspective, également à grande échelle, illustrant ces rainures en forme d’échelle ménagées dans des feuilles adjacentes. [Fig. 5] est une vue de dessus, illustrant une étape de découpe réalisée sur différentes rainures ménagées dans l’empilement des figures précédentes.
[Fig. 6] est une vue de dessus, illustrant à plus grande échelle les découpes ménagées sur une rainure en forme d’échelle. [Fig. 7] est une vue en coupe, selon la ligne VII-VII indiquée sur la figure 6.
[Fig. 8] est une vue en coupe, selon la ligne VII-VII indiquée sur la figure 6.
[Fig. 9] est une vue en coupe éclatée, selon la ligne VII-VII indiquée sur la figure 6 illustrant un empilement composé de trois cellules élémentaires.
[Fig. 10] est une vue de dessus illustrant une batterie conforme à l’invention, qui est susceptible d’être obtenue notamment selon le procédé des figures précédentes.
[Fig. 11] est une vue de face illustrant une batterie conforme à l’invention, qui est susceptible d’être obtenue notamment selon le procédé des figures précédentes.
[Fig. 12] est une vue en perspective illustrant une batterie conforme à l’invention, qui est susceptible d’être obtenue notamment selon le procédé des figures précédentes. [Fig. 13] est une vue en perspective illustrant une batterie selon l’art antérieur.
Les repères suivants sont utilisés sur ces figures et dans la description qui suit :
[Table 1] : Repères alphanumériques utilisés dans la présente demande
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Description de l’invention
Le procédé conforme à l’invention comprend tout d’abord une étape dans laquelle on réalise un empilement I de feuilles alternées, ces feuilles étant dénommées dans ce qui suit, selon le cas, « feuilles anodiques » 2 ou « feuilles cathodiques » 5. Comme on le verra plus en détail, chaque feuille anodique 2 est destinée à former l’anode de plusieurs batteries, et chaque feuille cathodique 5 est destinée à former la cathode de plusieurs batteries. Dans l’exemple illustré sur la figure 1 , on a représenté deux feuilles cathodiques entaillées 5e, ainsi que deux feuilles anodiques entaillées 2e. En pratique, cet empilement est formé par un nombre plus élevé de feuilles, typiquement compris entre dix et mille. Le nombre de feuilles cathodiques entaillées 5e est identique au nombre de feuilles anodiques entaillées 2e employées constituant l’empilement I de feuilles alternées de polarité opposée.
Dans un mode de réalisation avantageux, chacune de ces feuilles présente des perforations 7 à ses quatre extrémités de manière à ce que lorsque ces perforations 7 sont 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 perforations 7 aux quatre extrémités des feuilles peuvent être réalisées par tout moyen approprié, notamment sur des feuilles anodique 2 et cathodique 5 après fabrication, ou sur des feuilles de substrat 10,40 revêtues d’une couche de cathode 50 ou d’anode 20, et optionnellement revêtue d’une couche d’un matériau d’électrolyte 30 ou d’un séparateur 31 de sorte que cette couche d’un matériau d’électrolyte 30 ou ce séparateur 31 soit intercalé(e) entre deux feuilles de polarité opposée, i.e. entre la feuille anodique 2 et la feuille cathodique 5.
Chaque feuille anodique 2 comprend un substrat plan collecteur de courant anodique 10 revêtu d’une couche active d’un matériau d’anode 20, ci-après couche d’anode 20. Chaque feuille cathodique 5 comprend un substrat plan collecteur de courant cathodique 40 revêtu d’une couche active d’un matériau de cathode 50, dénommée ci-après couche de cathode 50. 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’électrolyte 30 ou d’un séparateur 31 imprégné 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’électrolyte 30 ou le séparateur 31 , peut être disposé(e) sur la couche d’anode 20 et/ou sur la couche de cathode 50; la couche d’électrolyte ou le séparateur fait partie intégrante de la feuille anodique 2 et/ou de la feuille cathodique 5 la ou le comprenant.
Avantageusement, les deux faces du substrat plan collecteur de courant anodique 10, respectivement cathodique 40, sont revêtues d’une couche d’anode 20, respectivement d’une couche de cathode 50, et optionnellement d’une couche d’électrolyte 30 ou de séparateur 31 , disposé(e) sur la couche d’anode 20, respectivement sur la couche de cathode 50. Dans ce cas, le substrat plan collecteur de courant anodique 10, respectivement cathodique 40, 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 anodiques 2 est décrite ci-après, étant entendu que les autres feuilles anodiques 2 présentent une structure identique. Par ailleurs, comme on le verra dans ce qui suit, les feuilles cathodiques 5 possèdent une structure voisine de celle des feuilles anodiques 2.
Comme cela est visible sur la figure 2. la feuille anodique entaillée 2e présente une forme de quadrilatère, sensiblement de type carré. Elle délimite une zone centrale 4 dite 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 verticale YY de la feuille, qui correspond à la direction verticale de ces rainures en forme d’échelle, ainsi qu’une direction dite horizontale XX de la feuille, perpendiculaire à la direction YY. La zone centrale 4 est bordée par un cadre périphérique 6 qui 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 lignes Li à Ly, disposées les unes au-dessous des autres, ainsi que selon des rangées Ri à Rx prévues les unes à côté des autres. A titre d’exemples non limitatifs, dans le cadre de la fabrication de micro-batteries de type composant montable en surface (ci-après CMS), les feuilles 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 matière 8, dont on note He la hauteur, laquelle est comprise entre 0,05 mm et 5 mm. Deux rangées adjacentes sont séparées par des bandes de matières 9, dont on note Lg la largeur, laquelle est comprise entre 0,05 mm et 5 mm. Ces ponts 8 et bandes 9 de 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’échelle 60,61 comprennent des entailles 76,78,86,88 et des fentes en forme de H 70,80. 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 H 70,80 peuvent 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 H 70,80 peuvent 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 H 70, réalisées dans l’ensemble des feuilles cathodiques, sont superposées. Les fentes en forme de H 80, réalisées dans l’ensemble des feuilles anodiques, sont superposées.
On va maintenant décrire l’une des rainures en forme d’échelle 60 comme illustré en figure 3, étant entendu que l’ensemble des découpes de la feuille anodique est identique. Chaque rainure en forme d’échelle 60 comprend une fente 80 traversante en forme de H formée par deux cavités principales verticales et parallèles 82, lesquelles sont reliées dans leur partie supérieure par un canal horizontal 84, de préférence perpendiculaire aux deux cavités principales verticales et parallèles 82. Chaque rainure comprend en outre, en partie inférieure de la fente en forme de H, une première tranchée anodique horizontale 86 et une deuxième tranchée anodique horizontale 88. Comme le montre notamment la figure 3, les première 86 et deuxième 88 tranchées anodiques horizontales sont réalisées de part et d’autre de la feuille anodique 2 de sorte que la deuxième tranchée anodique horizontale 88 est réalisée dans le prolongement de la première tranchée anodique horizontale 86.
Les première et deuxième tranchées anodiques 86,88 sont libres de tout matériau d’électrolyte ou de séparateur et de tout matériau d’anode. Ces première et deuxième tranchées anodiques 86,88 sont 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 anodiques 86,88 peuvent être réalisées par ablation laser.
Les première et deuxième tranchées anodiques 86,88 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 et parallèles 82 de chaque fente 80, appelée ci-après fente anodique. Le canal horizontal 84 d’une part et les première et deuxième tranchées anodiques horizontales 86,88 d’autre part, sont mutuellement symétriques en vue de dessus, par rapport à l’axe médian des H, lequel est noté XH.
La feuille anodique 2 obtenue après la réalisation de fentes 80 et d’entailles formant les première et deuxième tranchées anodiques horizontales 86,88 est appelée ci-après feuille anodique entaillée 2e.
On note
• Heo la hauteur de l’ensemble de la fente, qui est typiquement comprise entre 0,25 mm et 10 mm ;
• Leo sa largeur, qui est typiquement comprise entre 0,25 mm et 10 mm ;
• LS2 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 ;
• DS4 la différence de hauteurs entre le sommet des cavités principales verticales et parallèles 82 et le sommet du canal horizontal 84, qui est typiquement comprise entre 0,05 mm et 2 mm ;
• Hbb la hauteur de chaque première tranchée anodique horizontale 86, qui est typiquement comprise entre 0,01 mm et 0,5 mm ;
• DS6 la différence de hauteurs entre la base des cavités principales verticales et parallèles 82 et la base de chaque première tranchée anodique horizontale 86, qui est typiquement comprise entre 0,05 mm et 2 mm.
Chaque feuille cathodique 5 est également pourvue de différentes lignes et rangées de rainures en forme d’échelle 61 , prévues en même nombre que les rainures en forme d’échelle 60. Comme le montre notamment la figure 4. la structure de chaque rainure en forme d’échelle 61 est sensiblement analogue à celle de chaque rainure en forme d’échelle 60, à savoir que cette rainure en forme d’échelle 61 comprend deux cavités principales cathodiques verticales 72, reliées par un canal horizontal 74. Les dimensions des cavités principales cathodiques verticales 72 sont identiques à celles des cavités principales anodiques verticales 82 et, de manière analogue, les dimensions des canaux 74 sont analogues à celles des canaux 84.
En vue de dessus, les cavités principales cathodiques verticales 72 sont superposées avec celles 82. Les seules différences, entre les rainures en forme d’échelle 60 et 61 , résident dans le fait que les canaux 74 sont prévus en partie inférieure et que les première et deuxième tranchées cathodiques horizontales 76,78 sont prévues en partie supérieure. Les première 76 et deuxième tranchées cathodiques horizontales 78 sont réalisées de part et d’autre de la feuille cathodique 5 de sorte que la deuxième tranchée cathodique horizontale 78 soit réalisée dans le prolongement de la première tranchée cathodique horizontale 76.
Les première et deuxième tranchées cathodiques 76,78 sont libres de tout matériau d’électrolyte ou de séparateur et de tout matériau de cathode. Ces première et deuxième tranchées cathodiques 76,78 sont 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 cathodiques 76,78 peuvent être réalisées par ablation laser de façon connue en soi. Les première et deuxième 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 et parallèles 72 de chaque fente 70, appelée ci-après fente cathodique 70.
Comme le montre notamment la figure 4, le canal horizontal 74 d’une part et les première et deuxième tranchées cathodiques horizontales 76,78 d’autre part, sont mutuellement symétriques en vue de dessus, par rapport à l’axe médian des H, lequel est noté XH.
La feuille cathodique 5 obtenue après la réalisation de fentes 70 et d’entailles formant les première et deuxième tranchées cathodiques horizontales 76,78 est appelée ci-après feuille cathodique entaillée 5e.
On réalise ensuite 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.
L’empilement I alterné est réalisé de sorte que :
pour chaque fente anodique 80 d’au moins une feuille anodique entaillée 2e, les tranchées anodiques 86, 88 d’au moins la feuille anodique entaillée 2e, sont disposées dans le prolongement du canal horizontal cathodique 74 de la fente cathodique 70 de la feuille adjacente cathodique entaillée 5e selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie, et de sorte que,
pour chaque fente cathodique 70 d’au moins une feuille cathodique entaillée 5e, les tranchées cathodiques 76, 78, d’au moins la feuille cathodique entaillée 5e, sont disposées dans le prolongement 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.
On suppose que l’empilement, décrit ci-dessus, est soumis à des étapes visant à assurer sa stabilité mécanique globale. Ces étapes, de type connu en soi, incluent notamment le thermopressage des différentes couches. Comme on va le voir ci-dessous, cet empilement permet la formation de batteries individuelles, dont le nombre est égal au produit entre le nombre de lignes Y et le nombre de rangées X.
À cet effet, en référence à la figure 5, on a illustré trois lignes Ln-i à Ln+i, ainsi que trois rangées Rn-i à Rn+i. Conformément à l’invention, on réalise deux découpes Dn et D’n par ligne de fentes. Chaque découpe, qui s’effectue de manière traversante, à savoir qu’elle s’étend sur l’ensemble de la hauteur de l’empilement, est réalisée de manière connue en soi. À titre d’exemples non limitatifs, on citera la découpe par sciage, notamment la découpe en dés, la découpe par guillotine ou encore la découpe par laser.
Comme le montre notamment la figure 6. qui est une vue à plus grande échelle de l’une des 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 distance Des entre la découpe Dn et la face en regard du canal horizontal 84 est comprise entre 0,05 mm et 2 mm, étant entendu que cette distance Des est inférieure ou égale à Ds4 ;
• la distance De entre la découpe D’n et la face en regard de la première tranchée anodique horizontale 86, comprise entre 0,05 mm et 2 mm, étant entendu que cette distance Dsz est inférieure ou égale à Ds6.
En référence à nouveau à la figure 5, chaque batterie finale est délimitée, en haut et en bas, par les deux découpes Dn 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 batteries 1000 une fois découpées selon les lignes de découpe Dn et D’n. De plus, on a illustré avec un remplissage pointillé les zones 90 des feuilles de l’empilement, qui ne forment pas les batteries, alors que le volume des fentes est laissé en blanc.
Les figures 7 et 8 sont des vues en coupe, prises selon la ligne de coupe VII-VII qui s’étend au travers de la batterie. Sur la figure 7. seul l’agencement d’une feuille anodique entaillée 2e et d’une feuille cathodique entaillée 5e, l’une par rapport à l’autre, est représenté. Sur la figure 8. l’agencement alterné de deux feuilles anodiques entaillées 2e et de deux feuilles cathodiques entaillées 5e est représenté. Sur la même figure, on a référencé les zones 90, 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 entaillée 2e comprend un substrat plan collecteur de courant anodique 10 revêtu d’une couche d’anode 20, elle-même optionnellement revêtue d’une couche d’électrolyte 30 ou d’un séparateur 31 imprégné d’un électrolyte. Chaque feuille cathodique entaillée 5e comprend un substrat plan collecteur de courant cathodique 40 revêtu d’une couche active d’un matériau de cathode 50, elle-même optionnellement revêtue d’une couche d’électrolyte 30 ou d’un séparateur 31 imprégné d’un électrolyte. Afin d’éviter tout contact électrique entre deux couches actives de polarité opposée, i.e. entre la couche d’anode 20 et la couche de cathode 50, il est disposé au moins une couche d’électrolyte 30 ou d’un séparateur 31 imprégné ou ultérieurement imprégné d’un électrolyte entre la couche d’anode 20 et la couche de cathode 50. Sur la figure 7 est représentée une 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.
Chaque cellule élémentaire 100 comprend un corps primaire 111 , un corps secondaire 112 et un corps tertiaire 113. Le corps secondaire 112 et le corps tertiaire 113 sont disposés de part et d’autres du corps primaire 111. 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. La succession des différentes couches est la même pour le corps primaire 111 , secondaire 112 et tertiaire 113 ; la couche d’anode du corps primaire est en regard de la couche d’anode du corps secondaire et de celle du corps tertiaire, la couche de cathode du corps primaire est en regard de la couche de cathode du corps secondaire et de celle du corps tertiaire, et la couche d’électrolyte ou de séparateur du corps primaire est en regard de la couche d’électrolyte ou de séparateur du corps secondaire et de celle du corps tertiaire. Le corps secondaire 112 est 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, de sorte 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.
Le corps tertiaire 113 est 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, de sorte que l’évidement 130 s’étend d’un bord longitudinal 1011 au bord longitudinal opposé de la batterie 1012 selon 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 rainure 60,61 comprend un canal horizontal 84,74, une première 86,76 et une deuxième tranchée horizontale 88,78 comme celles représentées en figure 7. Les première 86,76 et deuxième tranchées horizontales 88,78 sont réalisées de part et d’autre des feuilles anodique/cathodique de sorte que la deuxième tranchée horizontale 88,78 soit réalisée dans le prolongement de la première tranchée horizontale 86,76. Par ailleurs chaque feuille anodique entaillée 2e et cathodique entaillée 5e sont agencées de manière à ce que : les première 86 et deuxième tranchées anodiques horizontales 88 soient disposées dans le prolongement du canal horizontal cathodique 74 de la rainure en forme d’échelle 61 présente sur la feuille adjacente cathodique entaillée 5e, et en ce que les première 76 et deuxième tranchées cathodiques horizontales 78 soient disposées dans le prolongement du canal horizontal anodique 84 de la rainure en forme d’échelle 60 présente sur la feuille adjacente anodique entaillée 2e.
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 anodiques 1002 et cathodique 1006.
En vue de coupe, les cavités principales cathodiques verticales 72 sont superposés avec celles 82. Les seules différences, entre les rainures en forme d’échelle 60 et 61 , réside dans le fait que les canaux 74 sont prévus en partie inférieure et que les première et deuxième tranchées cathodiques horizontales 76,78 sont prévus en partie supérieure. Les première 76 et deuxième 78 tranchées cathodiques horizontales sont réalisées de part et d’autre de la feuille cathodique 5 de sorte que la deuxième tranchée cathodique horizontale 78 soit réalisée dans le prolongement de la première tranchée cathodique horizontale 76. Les première et deuxième tranchées cathodiques 76,78 sont libres de tout matériau d’électrolyte ou de séparateur et de tout matériau de cathode. Les première et deuxième 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 et parallèles 72 de chaque fente 70, appelée ci-après fente cathodique 70.
Comme le montre notamment la figure 4, le canal horizontal 74 d’une part et les première et deuxième tranchées cathodiques horizontales 76,78 d’autre part, sont mutuellement symétriques en vue de dessus, par rapport à l’axe médian des H, lequel est noté XH.
La feuille cathodique 5 obtenue après la réalisation de fentes 70 et d’entailles formant les première et deuxième tranchées cathodiques horizontales 76,78 est appelée ci-après feuille cathodique entaillée 5e.
Sur les figures 7 et 8 on 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 distance D75 des canaux des rainures en forme d’échelle 61 présente sur les feuilles cathodiques entaillées 5e, qui correspond aussi à la distance Dez des premières 86 et deuxièmes tranchées anodiques horizontales 88 des rainures en forme d’échelle 60 présente sur les feuilles anodiques entaillées 2e. 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 distance Des des canaux des rainures en forme d’échelle 60 présente sur les feuilles anodiques entaillées 2e, qui correspond aussi à la distance D77 des premières 76 et deuxièmes tranchées cathodiques horizontales 78 des rainures en forme d’échelle 61 présentes sur les feuilles cathodiques entaillées 5e. 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 anodiques 2’ et cathodiques 5’ empilées de manière alternée et décalée latéralement (cf. figure 13). encapsulés dans un système d’encapsulation 2095 pour assurer la protection de la cellule de la batterie 2000 vis-à-vis de l’atmosphère. La découpe de ces empilements encapsulés permettant d’obtenir des batteries unitaires, avec des zones de connexions anodique 2002 et cathodique 2006 à nu, est réalisée selon un plan de coupe traversant une succession alternée d’électrode et de système d’encapsulation. De par la différence de densité existant entre l’électrode et le système d’encapsulation de la batterie de l’art antérieur, la découpe réalisée selon ce plan de coupe induit un risque d’arrachement du système d’encapsulation aux abords du plan de coupe, et ainsi la création de court- circuits. Dans 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’encapsulation 2095 lors 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 découpes D’n et Dn sont effectuées au travers des feuilles anodiques entaillées 2e et des feuilles cathodiques entaillées 5e de densité comparable induisant une découpe propre de meilleure qualité. De plus la présence d’échancrures 120 libres 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’évidements 130 libres 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’une 1000 des batteries conformes à l’invention comprenant, à titre d’exemple non limitatif, trois cellules élémentaires 100, 100’, 100”. Chaque cellule élémentaire 100 comprend un corps primaire 111 , un corps secondaire 112 et un corps tertiaire 113. Le corps secondaire 112 et le corps tertiaire 113 sont disposés de part et d’autres du corps primaire 111. 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. Le corps secondaire 112 est 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. L’échancrure 120 comprend soit une partie du canal 84 ci-après 84” et la première tranchée cathodique 76, soit une partie du canal 84 ci-après 84’ et la deuxième tranchée cathodique 78 comme représenté en figure 9. Les parties 84’ et 84” du canal horizontal 84 sont symétriques par rapport à l’axe médian AA du substrat collecteur de courant anodique. L’extrémité borgne de l’échancrure 120 de 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 cathodique 1006.
De manière analogue, le corps tertiaire 113 est 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. L’évidement 130 comprend soit une partie du canal 74 ci-après 74” et la première tranchée anodique 86, soit une partie du canal 74 ci-après 74’ et la deuxième tranchée anodique 88 comme représenté en figure 9. Les parties 74’ et 74” du canal horizontal 74 sont symétriques par rapport à l’axe médian CC du substrat collecteur de courant cathodique. L’extrémité borgne de l’évidement 130 de 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 anodique 1002.
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 évidement 130 et une échancrure 120. L’évidement 130 est débouchant sur une première face, en l’occurrence inférieure de la cellule élémentaire 100 et possède une extrémité borgne qui laisse une zone de continuité du substrat plan collecteur de courant anodique 10. L’échancrure 120 est débouchante sur une deuxième face, en l’occurrence supérieure de la cellule élémentaire 100 et possède une extrémité borgne qui laisse une zone de continuité du substrat plan collecteur de courant cathodique 40. Les zones de connexion anodique 1002 et les zones de connexion cathodique 1006 sont de préférence latéralement opposées.
Comme illustré en figure 9, l’évidement 130 d’une cellule élémentaire 100 s’étend dans le prolongement de l’évidement 130 ménagé dans la cellule élémentaire 100’ adjacente située en-dessous de la cellule élémentaire 100, selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie. De manière analogue, l’échancrure 120 d’une cellule élémentaire 100’ s’étend dans le prolongement de l’échancrure 120 ménagé dans la cellule élémentaire adjacente 100” située en-dessous de la cellule élémentaire 100’, selon une direction perpendiculaire au plan principal de la batterie. Comme illustré en figure 9, le substrat plan collecteur de courant anodique 10 d’une cellule élémentaire 100’ peut être accolé au substrat plan collecteur de courant anodique 10 de la cellule élémentaire adjacente 100”. De manière analogue, le substrat plan collecteur de courant cathodique 40 d’une cellule élémentaire 100 peut être accolé au substrat plan collecteur de courant cathodique 40 de la cellule élémentaire adjacente 100’.
Dans un mode de réalisation avantageux, le substrat plan collecteur de courant anodique 10, respectivement cathodique 40, 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 anodique 10, respectivement cathodique 40, sont revêtues d’une couche d’anode 20, respectivement d’une couche de cathode 50, et optionnellement d’une couche d’électrolyte 30 ou de séparateur 31 , disposé(e) sur la couche d’anode 20, respectivement sur la couche de cathode 50. Ceci permet d’accroitre le rendement de production des batteries. En référence désormais aux figures 10 à 12. on a illustré l’une 1000 des batteries conformes à l’invention. On note 1001 et 1005 les bords latéraux, 1011 et 1012 les bords longitudinaux de cette batterie.
Chaque batterie comprend au moins une cellule élémentaire 100. La cellule élémentaire 100 comprend un corps primaire 111 , un corps secondaire 112 et un corps tertiaire 113. Le corps secondaire 112 et le corps tertiaire 113 sont disposés de part et d’autres du corps primaire 111. 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. Le corps secondaire 112 est 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. L’échancrure 120, dont la largeur L120 correspond à celle du canal 84 de la fente 80 (ou de la rainure en forme d’échelle 60) décrite ci-dessus, 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. L’échancrure 120 comprend soit une partie 84” du canal 84 et la première tranchée cathodique 76, soit une partie 84’ du canal 84 et la deuxième tranchée cathodique 78 comme représenté en figure 7.
Le corps tertiaire 113 est 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. L’évidement 130, dont la largeur L130 correspond à celle du canal 74 de la fente 70 (ou de la rainure en forme d’échelle 61) décrite ci-dessus, 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. L’évidement 130 comprend soit une partie 74” du canal 74 et la première tranchée anodique 86, soit une partie 74’ du canal 74 et la deuxième tranchée anodique 88 comme représenté en figure 7.
La largeur du corps secondaire 112 correspond à la distance D85/D77, telles que décrites en référence aux figures 6, 7 ou 8. La largeur du corps tertiaire 113 correspond à la distance D87/D75, telles que décrites en référence aux figures 6, 7 ou 8. Dans un mode de réalisation avantageux, les distances Ds5/D77 et Ds7/D75 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 anodiques 1002 et cathodique 1006. En effet, la présence d’échancrures 120 et d’évidement 130 dans 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 échancrures 120 et les évidements 130 sont 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’échancrure 120 et l’évidement 130 délimitent les bords latéraux du corps primaire 111 de chaque cellule élémentaire. L’extrémité borgne de l’évidement 130 de 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 anodique 1002. L’extrémité borgne de l’échancrure 120 de 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 cathodique 1006. La présence d’une échancrure 120 et d’un évidement 130 au 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 anodiques 1002 et cathodique 1006.
Avantageusement, après la réalisation de l’empilement des feuilles anodiques entaillées 2e et cathodiques entaillées 5e, 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 entaillées 2e et cathodiques entaillées 5e ; 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 ³ 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 pm et 3 pm.
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 conformai, mince et uniforme de l’ensemble des surfaces accessibles de l’empilement. Cette première couche de recouvrement est avantageusement rigide ; elle ne peut pas être considérée comme une surface souple.
La deuxième couche de recouvrement est composée d’une matière électriquement isolante, de préférence inorganique. Elle est déposée par dépôt de couches atomiques (ALD), de manière à obtenir un recouvrement conformai de l’ensemble des surfaces accessibles de l’empilement préalablement recouvert de la première couche de recouvrement. Les couches déposées par ALD sont très fragiles mécaniquement et nécessitent une surface d’appui rigide pour assurer leur rôle protecteur. Le dépôt d’une couche fragile sur une surface souple conduirait à la formation de fissures, engendrant une perte d’intégrité de cette couche de protection. Par ailleurs, la croissance de la couche déposée par ALD est influencée par la nature du substrat. Une couche déposée par ALD sur un substrat présentant des zones de natures chimiques différentes aura une croissance inhomogène, pouvant engendrer une perte d’intégrité de cette couche de protection.
Les techniques de dépôt par ALD sont particulièrement bien adaptées pour recouvrir des surfaces présentant une forte rugosité de manière totalement étanche et conforme. Elles permettent de réaliser des couches conformales, exemptes de défauts, tels que des trous (couches dits « pinhole free », i.e. exempts de trous) et représentent de très bonnes barrières. Leur coefficient WVTR est extrêmement faible. Le coefficient WVTR (water vapor transmission rate) permet d’évaluer la perméance à la vapeur d'eau du système d’encapsulation. Plus le coefficient WVTR est faible plus le système d’encapsulation est étanche.
La deuxième couche de recouvrement peut être en matériau céramique, en matériau vitreux ou en matériau vitrocéramique, par exemple sous forme d'oxyde, de type AI2O3, 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 entaillées 2e et cathodiques entaillées 5e ainsi 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 pm et 50 pm. Idéalement, l’épaisseur de cette dernière couche de recouvrement est d’environ 10 pm à 15 pm ; une telle gamme d’épaisseur permet de protéger la batterie contre l’endommagement mécanique.
Cette dernière couche de recouvrement est de préférence à base de résine époxy, de polyéthylène naphtalate (PEN), de polyimide, de polyamide, de polyuréthane, de silicone, de silice sol-gel ou de silice organique. Avantageusement, cette dernière couche de recouvrement est déposée par trempage.
L’empilement de feuilles anodiques entaillées 2e et cathodiques entaillées 5e ainsi enrobée est ensuite découpée par tout moyen approprié selon les lignes de coupes D’n et Dn de manière à mettre à nu les 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 séparateur 31 imprégné 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 D50 inférieur à 50 nm.
L’épaisseur du séparateur est avantageusement inférieure à 10 pm, et préférentiellement compris entre 2,5 pm et 4,5 pm, 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

REVENDICATIONS
1. 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.
2. Batterie (1000) selon la revendication 1 , 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.
3. 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.
4. Batterie selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le système d’encapsulation comprend :
au moins une première couche de recouvrement, de préférence choisie parmi le parylène, le parylène de type F, le polyimide, les résines epoxy, le silicone, le polyamide, la silice sol-gel, la silice organique et/ou un mélange de ceux-ci, déposée sur la batterie,
au moins une deuxième couche de recouvrement composée d’une matière électriquement isolante, déposée par dépôt de couches atomiques sur ladite au moins première couche de recouvrement,
étant entendu que cette séquence d’au moins une première couche de recouvrement et d’au moins une deuxième couche de recouvrement peut être répétée z fois avec z ³ 1.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en en qu’il s’agit d’une batterie à ions de lithium.
11. 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 :
(a) 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,
(b) 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,
(c) 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
o les première et deuxième entailles sont réalisées de part et d’autre de la feuille anodique (2), respectivement cathodique (5), o la deuxième entaille est réalisée dans le prolongement de la première entaille, et
o 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
o 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),
(d) 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,
(e) 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,
(f) 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.
12. Procédé selon la revendication 1 1 , 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 ³ 1.
13. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 ou 12, 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.
14. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 1 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.
15. Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisé en ce qu’on réalise chaque découpe par laser.
16. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 à 15, caractérisée en ce que chaque cellule élémentaire définit sur une première face, une zone de continuité du substrat plan collecteur de courant anodique et une échancrure (120) débouchante, et sur la face opposée, une zone de continuité du substrat plan collecteur de courant cathodique et un évidement (130) débouchant.
17. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 à 16, caractérisée en ce que la zone de continuité du substrat plan collecteur de courant anodique est située en regard de l’échancrure (120), et la zone de continuité du substrat plan collecteur de courant cathodique est située en regard de l’évidement (130) selon une direction perpendiculaire au plan de la batterie.
18. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 à 17, caractérisée en ce que :
O le substrat plan collecteur de courant anodique est le substrat collecteur de courant anodique de deux cellules élémentaires adjacentes, et en ce que o le substrat plan collecteur de courant cathodique est le substrat collecteur de courant cathodique de deux cellules élémentaires adjacentes j
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