CH721837A2 - Batterie comprenant une ou plusieurs électrodes pliées - Google Patents

Abstract

L'ensemble d'électrodes selon l'invention comprend des électrodes (30, 32) sous la forme de feuilles revêtues, dans lequel au moins l'une desdites électrodes est pliée le long d'une ou plusieurs lignes de pliage (35), et dans lequel ladite au moins une électrode comprend un ou plusieurs réseaux d'ouvertures (21) disposées respectivement le long desdites une ou plusieurs lignes de pliage. Les ouvertures sont configurées en termes de forme, de nombre et de dimensions de façon à atténuer l'accumulation de contraintes à proximité des lignes de pliage, réduisant ainsi le risque de rupture et/ou de cassure des feuilles et des revêtements disposés sur celles-ci.

Description

[0001] La présente invention concerne les batteries, en particulier les batteries comprenant des électrodes assemblées par une technique qui consiste à plier une ou plusieurs électrodes de type feuille revêtue le long d'une ou plusieurs lignes de pliage.

État de l'art.

[0002] Une cellule de batterie comprend des électrodes, généralement appelées anode et cathode de la batterie. Dans les batteries les plus courantes, les électrodes se présentent sous la forme de feuilles revêtues, comprenant une feuille de collecteur de courant à laquelle est fixée une couche de matériaux actifs, et séparées par une feuille de séparation. Une technique de fabrication très répandue pour produire un ensemble électrode/séparateur consiste à enrouler un empilement de couches d'électrodes et de feuilles de séparation sur un mandrin afin d'obtenir un ensemble cylindrique dit „roulé“ qui peut être inséré dans un conteneur métallique avec un électrolyte, tandis que les collecteurs de courant de l'ensemble sont soudés aux contacts positif et négatif du conteneur.

[0003] Pour produire des batteries planes, le roulé peut être aplati après avoir été retiré du mandrin, de manière à obtenir un roulé aplati, qui sera ensuite inséré dans un conteneur rectangulaire, ou intégré dans une poche stratifiée en aluminium pour obtenir une batterie souple.

[0004] L'aplatissement du roulé et, d'une manière générale, le pliage d'une électrode de type feuille revêtue entraînent une augmentation de la tension au niveau de la ligne de pliage, ce qui risque d'endommager l'électrode au niveau ou à proximité de la ligne de pliage. Il peut en résulter des batteries défectueuses en raison de chemins de court-circuit entre les électrodes ou d'autres dysfonctionnements.

Résumé de l'invention

[0005] L'invention concerne un ensemble d'électrodes pour une batterie et la batterie en tant que telle, conformément aux revendications annexées. L'ensemble d'électrodes comprend des électrodes sous la forme de feuilles revêtues, dans lequel au moins l'une desdites électrodes est pliée le long d'une ou plusieurs lignes de pliage, et dans lequel ladite au moins une électrode comprend un ou plusieurs réseaux d'ouvertures alignées respectivement le long desdites une ou plusieurs lignes de pliage, de sorte que les ouvertures d'un réseau coupent la ligne de pliage le long de laquelle les ouvertures sont alignées. Les ouvertures sont configurées en termes de forme, de nombre et de dimensions de façon à atténuer l'accumulation de contraintes à proximité des lignes de pliage, réduisant ainsi le risque de rupture et/ou de cassure des feuilles et des revêtements disposés sur celles-ci.

Brève description des figures

[0006] La figure 1 illustre un empilement d'électrodes tel que connu dans l'art, approprié pour produire un ensemble d'électrodes de batterie par la technique d'enroulement. La figure 2 est une vue plus détaillée des composants de l'empilement représenté sur la figure 1. La figure 3 illustre l'enroulement de l'empilement sur un mandrin. La figure 4 illustre le résultat de l'aplatissement de l'empilement enroulé pour obtenir un ensemble d'électrodes sous la forme d'un roulé aplati. La figure 5 montre un détail d'une zone latérale du roulé aplati. La figure 6 montre une vue en plan d'un empilement d'électrodes applicable à la production d'un ensemble d'électrodes selon un mode de réalisation de l'invention, dans laquelle l'empilement est doté de multiples réseaux linéaires d'ouvertures. La figure 7 montre un détail de la vue en plan de la figure 6, ainsi qu'une vue en coupe à travers l'une des ouvertures. La figure 8 montre un ensemble de roulés aplatis obtenu à partir de l'empilement illustré sur les figures 6 et 7. La figure 9 illustre un mode de réalisation dans lequel un revêtement d'électrode est retiré localement entre des ouvertures adjacentes. Les figures 10 et 11 illustrent un mode de réalisation comprenant des réseaux supplémentaires d'ouvertures agencées de façon à obtenir des lignes de pliage supplémentaires dans l'ensemble de roulés aplatis. Les figures 12 et 13 illustrent un ensemble pour une batterie ultramince, dans lequel une électrode est dotée d'ouvertures le long de la ligne de pliage de ladite électrode.

Description détaillée des modes de réalisation de l'invention

[0007] Les problèmes liés à l'art antérieur seront d'abord décrits plus en détail. La figure 1 illustre un empilement d'électrodes 1 approprié pour produire un ensemble d'électrodes d'une batterie en utilisant une technique d'enroulement. Comme le montre plus en détail la figure 2, l'empilement comprend une première électrode 2, une deuxième électrode 3 et deux feuilles de séparation 4 et 5. Nous appellerons la première électrode l'anode 2 et la deuxième électrode la cathode 3, mais l'inverse est également possible. Chaque électrode comprend un collecteur de courant sous la forme d'une feuille métallique et des couches de revêtement actives sur les deux côtés de la feuille métallique. L'anode 2 comprend donc le collecteur de courant d'anode 2a et les revêtements d'anode 2b, tandis que la cathode 3 comprend le collecteur de courant de cathode 3a et les revêtements de cathode 3b. À titre d'exemple, les dimensions suivantes peuvent s'appliquer: l'épaisseur des feuilles de collecteur de courant peut être de l'ordre de 10 µm. L'épaisseur de chaque revêtement 2b, 3b peut être de l'ordre de 50 µm, tandis que l'épaisseur des feuilles de séparation 4 et 5 peut être de l'ordre de 20 µm, de sorte que l'épaisseur de l'empilement complet peut être de l'ordre de 260 µm. Ces dimensions sont purement indicatives et ne sont pas destinées à limiter la portée de la présente invention.

[0008] En référence à la figure 3, l'empilement est enroulé sur un mandrin cylindrique 10. La figure 3 est une représentation schématique de la technique d'enroulement et n'est pas destinée à représenter un mode de réalisation réaliste. Le diamètre du mandrin 10 représenté sur le dessin est plus petit par rapport à l'épaisseur de l'empilement 1 que ce ne serait le cas dans la réalité, afin de visualiser les enroulements. Pour la même raison, le nombre d'enroulements représentés sur la figure 3 est inférieur à ce qu'il serait dans la réalité. Seuls deux enroulements en cercle complet sont montrés dans la représentation schématique.

[0009] L'empilement 1 est enroulé sur le mandrin 10 pour obtenir ce que l'on appelle un roulé dans lequel les feuilles de séparation 4 et 5 isolent les enroulements consécutifs de l'anode 2 et de la cathode 3. Comme le montre le dessin, une patte d'anode 11 et une patte de cathode 12 s'étendent à partir des extrémités de l'empilement. Les pattes peuvent faire partie intégrante des feuilles métalliques respectives ou peuvent être des pièces séparées de feuille métallique fixées auxdites feuilles par soudage par exemple.

[0010] On se réfère ensuite à la figure 4, représentant l'effet de l'aplatissement du roulé après son retrait du mandrin 10. On voit que l'empilement est plié le long de lignes de pliage placées latéralement. Les deux enroulements représentés sur la figure 3 donnent lieu à deux lignes de pliage intérieures 15a, 15b et à deux lignes de pliage extérieures 15c, 15d. Les lignes de pliage sont caractérisées par des rayons de ligne de pliage R1 et R2 de l'empilement plié aux emplacements de ligne de pliage, comme indiqué sur l'image détaillée de la figure 5. Les couches individuelles de l'empilement sont caractérisées par des rayons de pliage individuels à chaque emplacement de ligne de pliage. Il est clair que les rayons de pliage sont petits, en particulier aux emplacements de ligne de pliage intérieure 15a et 15b, ce qui peut entraîner une tension locale élevée et une rupture potentielle des collecteurs de courant 2a et 3a. En outre, les revêtements d'électrodes 2b, 3b peuvent s'effriter sous la pression à ces emplacements et libérer des débris conducteurs à l'intérieur du roulé, provoquant des courts-circuits locaux dans la batterie. En outre, ces morceaux détachés peuvent créer des bosses le long de la ligne de pliage, ce qui peut perforer les feuilles de séparation 4 et 5 et entraîner des courts-circuits dans la batterie.

[0011] La figure 6 est une vue en plan d'un empilement d'électrodes 1' applicable dans un mode de réalisation selon l'invention. Les couches constitutives de l'empilement 1' sont les mêmes que celles représentées sur la figure 1. On voit que l'empilement est doté de quatre réseaux linéaires 20a à 20d d'ouvertures en forme d'ellipse 21 équidistantes. Un détail des ouvertures est illustré dans une vue en plan et dans une vue en coupe transversale correspondante à la figure 7, prise le long d'un plan de coupe transversale qui passe au centre à travers une ouverture 21. Les réseaux 20a-20d d'ouvertures sont alignés respectivement le long des lignes de pliage 15a à 15d de l'éventuel roulé aplati. Par conséquent, lorsque l'électrode est enroulée sur un mandrin et aplatie de la manière décrite ci-dessus, les réseaux d'ouvertures 20a-20d coïncident respectivement avec les quatre lignes de pliage consécutives 15a-15d du roulé aplati, comme illustré à la figure 8.

[0012] Dans les zones correspondant aux ouvertures 21, la ligne de pliage ne présente pas les diamètres de pliage indiqués à la figure 5, les problèmes liés à la tension étant donc atténués dans ces zones. Dans les zones situées entre les ouvertures adjacentes 21 le long de chaque ligne de pliage, l'empilement est toujours plié de la manière illustrée aux figures 4 et 5, mais ces zones sont petites et localisées, et le risque de rupture des collecteurs de courant et/ou d'éclatement des revêtements d'électrode est ainsi réduit en conséquence.

[0013] De préférence, la somme des longueurs L (comme indiqué à la figure 7) des ouvertures 21 d'un ensemble d'ouvertures, mesurées dans la direction de la ligne de pliage correspondante, représente plus de 50 % de la longueur de la ligne de pliage elle-même. De préférence, ledit pourcentage des longueurs d'ouverture par rapport à la longueur de ligne de pliage est compris entre 70 % et 95 %.

[0014] La forme des ouvertures 21 n'est pas limitée à la forme d'ellipse représentée et d'autres formes sont possibles, bien qu'il soit préférable d'éviter les formes qui comportent des angles aigus.

[0015] Dans le mode de réalisation illustré, la largeur W (comme indiqué à la figure 7) des ouvertures 21 dans la direction perpendiculaire à la ligne de pliage représente environ deux fois l'épaisseur de l'empilement d'électrodes 1', ce qui est avantageux pour obtenir un empilement plié ayant une tension minimale dans les zones entre des ouvertures adjacentes. Toutefois, ladite largeur W peut être plus petite ou plus grande dans une certaine mesure (par rapport à l'épaisseur de l'empilement 1') sans perdre l'avantage essentiel de l'invention, qui est de réduire le risque d'endommagement des électrodes à proximité des lignes de pliage. En général, ladite largeur W des ouvertures, quelle que soit la forme des ouvertures, et appliquée soit dans un empilement d'électrodes, soit dans une électrode individuelle de type feuille revêtue, est de préférence supérieure à l'épaisseur dudit empilement ou de ladite électrode individuelle.

[0016] Sur la figure 8, on voit qu'à l'emplacement des lignes de pliage extérieures 15c, 15d, les ouvertures 20c, 20d peuvent être étirées en raison de l'augmentation du rayon de pliage par rapport au rayon de pliage des lignes de pliage intérieures 15a, 15b. Lorsque le nombre d'enroulements augmente, cet effet d'étirement est encore renforcé et le risque de rupture de l'empilement dans les zones situées entre des ouvertures adjacentes peut devenir plus élevé. Ce problème pourrait être résolu en prévoyant des ouvertures de plus en plus larges au fur et à mesure que les enroulements progressent du centre du roulé vers les bords. En variante ou en combinaison avec cette dernière solution, le revêtement d'électrode 3b au sommet de la pile (voir figure 2) peut être retiré localement dans les zones entre des ouvertures adjacentes 21 dans un ou plusieurs des réseaux d'ouvertures. Ce retrait local du revêtement peut être effectué par ablation laser, ce qui atténuera également le problème de l'étirement des ouvertures à proximité des lignes de pliage. Selon un mode de réalisation préféré illustré sur la figure 9, la largeur des zones dans lesquelles le revêtement est retiré augmente en fonction du rayon de pliage. Dans les réseaux 20a et 20b correspondant aux lignes de pliage intérieures 15a et 15b, le revêtement est retiré dans des zones 22, ayant une largeur V1dans la direction perpendiculaire au réseau, tandis que dans les réseaux 20c et 20d correspondant aux lignes de pliage extérieures 15c et 15d, le revêtement est retiré dans des zones 23 ayant une largeur V2, avec V2> V1

[0017] Une autre façon d'atténuer le problème de l'étirement des ouvertures est illustrée par le mode de réalisation représenté schématiquement sur les figures 10 et 11. On voit que les troisième et quatrième rangées d'ouvertures 20c, 20d sont maintenant remplacées par deux rangées étroitement espacées : 20c1, 20c2et 20d1, 20d2. L'espacement et l'emplacement de ces réseaux sont choisis en fonction de l'épaisseur du roulé aplati, comme illustré sur la figure 11 : les ouvertures sont situées de manière à permettre la formation de deux lignes de pliage adjacentes dans chacune des zones latérales du roulé : les lignes 15c1, 15c2d'un côté du roulé et les lignes 15d1, 15d2de l'autre côté. Comme ces lignes de pliage sont maintenant formées entre des parties de l'empilement qui sont orientées à un angle droit au lieu d'un angle de 180°, l'étirement des ouvertures individuelles est atténué. En prévoyant des paires supplémentaires de réseaux d'ouvertures convenablement espacées, cet effet peut être étendu à d'autres enroulements. Ce mode de réalisation permet donc un contrôle plus précis de l'emplacement des lignes de pliage et se traduit par une distribution régulière et uniforme du courant le long des surfaces d'électrode et par une plus longue durée de vie de la batterie.

[0018] L'ensemble d'électrodes de type roulé aplati est un exemple d'ensemble comprenant des électrodes pliées. Les électrodes pliées apparaissent également dans d'autres configurations et l'invention peut également s'y appliquer. Les figures 12 et 13 en donnent un exemple. Il s'agit d'un ensemble d'électrodes pour une batterie ultramince, comprenant une anode pliée 30, une feuille de séparation pliée 31 et une cathode non pliée 32 insérée entre les parties pliées de l'anode et de la feuille de séparation. La figure 12 montre les composants avant leur assemblage, tandis que la figure 13 montre l'ensemble plié, avec les pattes d'anode et de cathode non revêtues 33, 34 s'étendant hors dudit ensemble. On voit que l'anode 30 est dotée d'un réseau d'ouvertures 21 agencées le long de la ligne de pliage 35, avec le même avantage que celui décrit ci-dessus pour les ensembles de type „roulé“. Dans ce mode de réalisation également, le revêtement d'anode pourrait être retiré localement dans des zones situées entre des ouvertures adjacentes 21, de la manière illustrée sur la figure 9.

[0019] Les ouvertures peuvent être produites par différentes techniques, par exemple en perforant physiquement l'électrode ou l'empilement d'électrodes, ou en utilisant des techniques de découpe au laser, cette dernière étant préférée en raison de la possibilité d'une vitesse élevée et de la flexibilité du procédé de production. La technologie laser est également applicable à d'autres fins que la découpe des ouvertures, par exemple pour retirer localement le revêtement dans les modes de réalisation illustrés sur la base de la figure 9.

[0020] Il est préférable qu'après la création des ouvertures, l'électrode ou l'empilement d'électrodes soit nettoyé afin d'éliminer les débris à proximité des ouvertures. Cela garantira des électrodes propres qui ne contamineront pas l'ensemble d'électrodes au cours du procédé de production dudit ensemble.

[0021] De préférence, chaque ligne de pliage de l'ensemble est dotée d'ouvertures comme décrit ci-dessus. Toutefois, l'invention comporte également des modes de réalisation dans lesquels une ou plusieurs lignes de pliage, mais pas toutes, sont dotées de ces ouvertures.

[0022] L'invention s'applique aux batteries planes rechargeables et non rechargeables de toute dimension réalisable de façon réaliste. Tout ensemble d'électrodes comprenant des électrodes pliées avec des ouvertures le long d'une ou plusieurs lignes de pliage peut être manipulé pour former une batterie selon des procédés connus, par exemple par insertion de l'ensemble dans un conteneur de batterie avec les pattes reliées respectivement à une coupelle et à un couvercle du conteneur, ou par intégration de l'ensemble dans une poche stratifiée.

Claims (8)

1. Ensemble d'électrodes pour une batterie, comprenant des électrodes (2, 3) sous la forme de feuilles revêtues, dans lequel au moins l'une desdites électrodes est pliée le long d'une ou plusieurs lignes de pliage (15a-15d, 35), caractérisé en ce que ladite au moins une électrode comprend un ou plusieurs réseaux d'ouvertures (21), dans lequel lesdits réseaux sont alignés respectivement le long desdites une ou plusieurs lignes de pliage.

2. Ensemble d'électrodes selon la revendication 1, comprenant un empilement (1') qui comprend une première et une deuxième électrode (2, 3), l'empilement comprenant en outre des feuilles de séparation (4, 5) pour isoler électriquement la première et la deuxième électrode l'une de l'autre, dans lequel l'empilement est enroulé à la manière d'un roulé aplati comprenant des lignes de pliage (15a-15d) aux extrémités latérales opposées dudit roulé aplati, et comprenant au moins l'un desdits réseaux d'ouvertures (21) le long de l'une desdites lignes de pliage, lesdites ouvertures traversant les deux électrodes et les feuilles de séparation de l'empilement.

3. Ensemble d'électrodes selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les ouvertures (21) agencées le long d'au moins une ligne de pliage sont en forme d'ellipse, ayant un axe court et un axe long, dans lequel les axes longs desdites ouvertures sont alignés le long de ladite au moins une ligne de pliage.

4. Ensemble d'électrodes selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la largeur (W) des ouvertures (21), mesurée perpendiculairement auxdites une ou plusieurs lignes de pliage, est égale ou supérieure à l'épaisseur des une ou plusieurs électrodes pliées le long desdites une ou plusieurs lignes de pliage.

5. Ensemble d'électrodes selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la somme des longueurs des ouvertures agencées le long d'au moins une ligne de pliage, mesurées dans la direction de ladite ligne de pliage, est comprise entre 70 % et 95 % de la longueur de ladite ligne de pliage.

6. Ensemble d'électrodes selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un revêtement d'électrode (3b) de ladite au moins une électrode est retiré localement dans des zones (22, 23) entre des ouvertures adjacentes (21) d'au moins l'un desdits un ou plusieurs réseaux d'ouvertures.

7. Ensemble d'électrodes selon la revendication 6, dans lequel ladite électrode est pliée le long de lignes de pliage multiples (15a-15d) ayant des rayons de pliage croissants, et dans lequel la largeur desdites zones (22, 23) où le revêtement est localement retiré dans les réseaux (20a-20d) d'ouvertures (21) correspondant auxdites lignes de pliage multiples, ladite largeur étant mesurée dans une direction perpendiculaire aux lignes de pliage respectives, augmente en fonction du rayon de pliage des lignes de pliage.

8. Batterie comprenant un ensemble d'électrodes selon l'une quelconque des revendications précédentes.