CH721879A2 - Batterie comprenant deux empilements de pattes d'électrode - Google Patents

Abstract

La batterie selon l'invention comprend un empilement formé de multiples paires empilées d'une première et d'une deuxième électrode et également formé de feuilles de séparation agencées entre des électrodes adjacentes de l'empilement, chaque électrode comprenant une portion de clinquant revêtue et une patte métallique non revêtue, dans laquelle les premières pattes d'électrodes sont superposées et reliées les unes aux autres dans un premier empilement de pattes et les deuxièmes pattes d'électrodes sont superposées et reliées les unes aux autres dans un deuxième empilement. La batterie est caractérisée en ce que dans au moins un des empilements de pattes, au moins deux des pattes empilées ont des dimensions dans le plan mutuellement différentes. Les pattes d'anode (4a-4c) et/ou les pattes de cathode de la batterie peuvent par exemple être empilées en étages en partant d'une patte plus grande (4a) au niveau du bas de l'empilement vers une patte plus petite (4c) au niveau du haut.

Description

Domaine de l'invention

[0001] La présente invention concerne des batteries, en particulier des batteries comprenant une pluralité d'électrodes empilées.

État de l'art.

[0002] Dans de nombreuses batteries du commerce, les électrodes sont obtenues à partir de clinquants munis d'un revêtement actif. Un élément de batterie de ce type peut être produit par diverses techniques de production, y compris l'enroulement, le pliage et l'empilement. Selon une technique d'empilement, de multiples dits mono-élément planaires sont empilés, chaque mono-élément comprenant une première électrode, habituellement une cathode, insérée entre deux feuilles de séparation. Les feuilles de séparation sont jointes le long du périmètre de la cathode par de la chaleur ou un adhésif pour former une poche ayant la même forme et les mêmes dimensions que l'anode. L'anode est fixée à la poche pour former ainsi le mono-élément. De multiples mono-éléments empilés sont ensuite placés dans un conteneur métallique et des pattes s'étendant à partir des électrodes sont fixées les unes aux autres, par exemple par soudage, pour être connectées aux contacts de la batterie. Le conteneur est rempli d'un électrolyte liquide avant l'étanchéification finale. En variante, les mono-éléments empilés peuvent être intégrés dans une poche stratifiée en aluminium.

[0003] Une autre technique selon laquelle des électrodes sont empilées est connue sous le nom de procédé de pliage en Z : les cathodes et les anodes sont empilées alternativement et une feuille de séparation continue est entrelacée en serpentin avec les électrodes empilées.

[0004] Comme mentionné, les pattes des électrodes empilées sont fixées les unes aux autres, c'est-à-dire que les pattes d'anode sont fixées ensemble et les pattes de cathode sont fixées ensemble, et les empilements de pattes respectivement assemblés sont alors connectés aux contacts de batterie. Dans les procédés d'assemblage actuellement connus, toutes les pattes d'anode ont la même forme et les mêmes dimensions et toutes les pattes de cathode ont la même forme et les mêmes dimensions, de sorte que chaque empilement de pattes est formé de pattes superposées de même forme et de même taille. La fixation des pattes les unes aux autres dans chaque empilement se fait habituellement par soudage par résistance ou par soudage par ultrasons.

[0005] Cependant, plus le nombre de pattes de l'empilement est important, plus l'alignement de toutes les pattes de l'empilement est difficile à contrôler et plus les pattes non alignées de l'empilement d'anode peuvent aboutir à proximité de l'empilement de cathode ou inversement, ce qui a pour conséquence un risque de court-circuit plus élevé. De plus, le soudage des empilements de pattes devient d'autant plus difficile que le nombre de pattes de l'empilement est grand. En outre, les empilements de pattes plus épais occupent plus de place à l'intérieur de la batterie, ce qui entraîne une capacité de la batterie plus faible.

Résumé de l'invention

[0006] L'invention concerne une batterie conforme aux revendications annexées. La batterie comprend un empilement formé de multiples paires empilées d'une première et d'une deuxième électrode et également formé de feuilles de séparation agencées entre des électrodes adjacentes de l'empilement, chaque électrode comprenant une portion de clinquant revêtue et une patte métallique non revêtue, dans laquelle les premières pattes d'électrodes sont superposées et reliées les unes aux autres dans un premier empilement de pattes et les deuxièmes pattes d'électrodes sont superposées et reliées les unes aux autres dans un deuxième empilement de pattes. La batterie est caractérisée en ce que dans au moins un des empilements de pattes, au moins deux des pattes empilées ont des dimensions dans le plan mutuellement différentes. Les pattes d'anode et/ou les pattes de cathode de la batterie peuvent par exemple être empilées en étages en partant d'une patte plus grande au niveau du bas de l'empilement vers une patte plus petite au niveau du haut.

[0007] L'invention permet de réduire l'énergie appliquée pour relier par soudure des pattes empilées les unes aux autres. Elle permet également de réduire la quantité de matière utilisée pour les pattes et de pallier les problèmes liés à l'alignement des pattes.

Brève description des figures

La figure 1 illustre un mono-élément approprié pour produire une batterie par la technique d'empilement.

Les figures 2a à 2d illustrent les quatre composants du mono-élément représenté sur la figure 1.

Les figures 3a à 3c illustrent les pattes d'anode empilées d'un assemblage comprenant des mono-éléments selon l'art antérieur.

Les figures 4a à 4c illustrent les pattes empilées dans un assemblage à base de mono-éléments selon un mode de réalisation de l'invention.

La figure 5 illustre une manière préférée de relier les unes aux autres des pattes empilées dans le mode de réalisation de la figure 4.

Les figures 6a à 6c illustrent un autre mode de réalisation de pattes empilées selon l'invention.

La figure 7 illustre un autre mode de réalisation.

Description détaillée de modes de réalisation de l'invention

[0009] Plusieurs modes de réalisation sont décrits ci-après, en faisant référence aux dessins. La plupart des modes de réalisation décrits concernent des batteries de type à mono-éléments empilés. L'invention s'applique cependant également à des batteries obtenues par d'autres procédés dans lesquels des électrodes sont empilées, tels que la technique de pliage en Z.

[0010] La figure 1 illustre un mono-élément 1 approprié pour la production d'une batterie utilisant le procédé d'empilement décrit ci-dessus. Le mono-élément comprend un certain nombre de parties superposées représentées séparément sur les figures 2a à 2d. Au niveau du bas du mono-élément se trouve une des électrodes. Dans cet exemple de cas, c'est l'anode 5, représentée sur la figure 2a, mais il pourrait également s'agir de la cathode. L'anode est formée d'un clinquant revêtu comprenant une portion d'électrode revêtue 6 et une patte non revêtue 7. Le revêtement d'anode peut être un revêtement de graphite dans le cas d'une batterie lithium-ion rechargeable. La patte 7 est solidaire du clinquant d'anode, c'est-à-dire qu'elle est une portion non revêtue du clinquant s'étendant à l'extérieur de la portion revêtue 6. En variante, la patte 7 peut être une pièce séparée de clinquant fixée par soudage sur la portion revêtue 6. L'anode est découpée sous la forme d'un 'D' qui n'est qu'un exemple de forme de mono-élément. D'autres formes sont possibles. Le revêtement d'anode peut être appliqué sur un côté du clinquant ou sur les deux côtés. Dans de nombreux empilements d'éléments de batterie couramment utilisés, une anode revêtue d'un seul côté est prévue au niveau du bas de l'empilement et au niveau du haut de l'empilement, le côté non revêtu étant orienté vers le bas et le haut de l'empilement respectivement, tandis que toutes les anodes entre les anodes du bas et du haut sont revêtues de deux côtés.

[0011] Au-dessus de l'anode 5 se trouve une poche 11 comprenant une première et une deuxième feuille de séparation avec la cathode insérée entre lesdites feuilles. La cathode 2 est représentée sur la figure 2c et est également formée d'un clinquant ayant une portion revêtue 3 et une patte non revêtue 4 solidaire de la portion revêtue ou fixée à celle-ci par soudage. Le revêtement de cathode peut comprendre du dioxyde de lithium et de cobalt ou un autre composant actif à base de lithium dans le cas d'une batterie lithium-ion rechargeable. Le revêtement de cathode est de préférence appliqué sur les deux côtés du clinquant de cathode. Les feuilles de séparation 8 et 9, représentées séparément sur les figures 2b et 2d, sont fixées l'une à l'autre le long du périmètre de la portion de cathode revêtue 3, selon une voie de fixation 10 indiquée à l'aide de lignes en pointillés sur la figure 1. La patte de cathode 4 est adjacente et proche de la patte d'anode 7 dans le mono-élément assemblé. C'est habituellement le cas, mais les pattes pourraient aussi être placées plus écartées. Le périmètre externe de la portion revêtue 6 de l'anode 5 correspond au périmètre externe de la poche contenant la cathode 11. L'anode 5 peut être fixée à la poche contenant la cathode 11 par un adhésif ou les couches du mono-élément 1 peuvent, par exemple, être assemblées par un processus de laminage. Le mono-élément 1 peut comprendre une cathode revêtue des deux côtés dans la poche 11, fixée à une anode revêtue des deux côtés ou à une anode revêtue d'un seul côté. Un empilement de mono-éléments peut, par exemple, commencer au niveau du bas de l'empilement par un premier mono-élément ayant une anode revêtue d'un seul côté, sur lequel sont disposés un ou plusieurs mono-éléments ayant des cathodes revêtues des deux côtés fixées à des anodes revêtues des deux côtés, et une anode d'un seul côté sur le dessus de l'empilement, c'est-à-dire que l'anode haute ne fait pas partie d'un mono-élément. Un exemple d'un tel empilement est donné plus loin.

[0012] Dans une batterie assemblée selon l'art antérieur, de multiples mono-éléments (et éventuellement une anode haute supplémentaire) sont empilées les unes sur les autres, de sorte que toutes les pattes d'anode 4 sont alignées et que toutes les pattes de cathode 7 sont alignées et superposées. Les pattes d'anode 4 sont reliées les unes aux autres et couplées à un premier contact de la batterie, et il en est de même avec les pattes de cathode 7, c'est-à-dire les pattes de cathode sont reliées les unes aux autres et couplées au deuxième contact de batterie. La figure 3a représente une vue en plan des pattes 4 et 7 d'anode et de cathode superposées et alignées dans une batterie de l'art antérieur comprenant trois anodes et deux cathodes. La figure 3b représente une vue en coupe à travers les pattes d'anode 4 alignées.

[0013] Dans la figure 3b, les pattes d'anode 4 sont alignées mais pas encore reliées les unes aux autres par un processus de soudage. Les pattes sont représentées parallèles entre elles sur la figure 3b, qui n'est qu'une représentation schématique indiquant que les pattes ne sont pas encore reliées les unes aux autres à ce stade (en réalité les pattes sont souples et ne s'étendront pas en ligne droite à partir des électrodes de la manière représentée lorsque l'assemblage est placé sur une surface horizontale). Sur la figure 3c, les pattes sont pressées ensemble, étape à laquelle les pattes sont prêtes à être reliées les unes aux autres, ce qui est habituellement réalisé par soudage, par exemple par soudage par ultrasons.

[0014] Les vues en coupe des figures 3b et 3c sont simplifiées et ne montrent pas les détails des couches d'empilement. La figure 3c est une vue agrandie du rectangle indiqué dans la figure 3b, et montre les détails des couches dans cet empilement particulier. On voit que les pattes 4 sont des extensions non revêtues du clinquant d'anode 4'. Les revêtements d'anode sont indiqués par la référence numérique 15. Les anodes du bas et du haut sont revêtues d'un seul côté, tandis que l'anode centrale est revêtue des deux côtés. Le clinquant de cathode 7' et le revêtement des deux côtés 16 des cathodes sont également indiqués, ainsi que les poches de séparation 11 dans lesquelles les cathodes sont insérées. Les pattes de cathode 7 sont en dehors du plan de la vue en coupe. Cet empilement comprend donc un premier mono-élément 1'a ayant une anode revêtue d'un seul côté et une cathode revêtue des deux côtés, un deuxième mono-élément 1'b ayant une cathode revêtue des deux côtés et une anode revêtue des deux côtés, et une anode revêtue d'un seul côté finale 1'c au niveau du haut de l'empilement.

[0015] On voit que les pattes d'anode 4 superposées ont la même forme rectangulaire et la même taille, c'est-à-dire que les pattes ont les mêmes dimensions dans le plan (dimensions de la patte lorsqu'elle est placée sur une surface plane, mesurées dans un plan parallèle à ladite surface plane). Il en est de même pour les pattes de cathode 7 superposées. Comme indiqué en introduction, lorsque le nombre de mono-éléments empilés dans une batterie augmente, cela est susceptible de poser un certain nombre de problèmes techniques. L'un de ces problèmes est lié à liaison les unes aux autres des pattes superposées. Lorsque les pattes ont toutes les mêmes dimensions, il est nécessaire de relier les unes aux autres toutes les pattes de l'empilement au moins en un emplacement, par exemple en appliquant un processus de soudage formant une soudure allant du haut vers le bas des pattes empilées. Lorsque le nombre de pattes de l'empilement augmente, les besoins énergétiques pour réaliser un tel processus augmentent également.

[0016] Selon l'invention, les pattes superposées de l'assemblage de mono-éléments empilés n'ont pas les mêmes dimensions dans le plan. La différence de dimensions est telle qu'elle permet des avantages importants en ce qui concerne la résolution des problèmes identifiés ci-dessus. Plusieurs exemples de modes de réalisation seront maintenant décrits.

[0017] Les figures 4a à 4c illustrent un empilement pour une batterie conforme à un mode de réalisation de l'invention, applicable en tant que perfectionnement de la conception de l'art antérieur représentée sur les figures 3a à 3c. Les empilements de pattes d'anode et de cathode 4a-4c et 7a-7b superposées peuvent à nouveau être placés adjacents les uns aux autres, à la même distance que dans la conception de l'art antérieur. Les électrodes pourraient avoir une forme en D comme dans la conception de l'art antérieur, ou toute autre forme applicable.

[0018] On voit sur la vue en coupe de la figure 4b que les pattes d'anode 4a-4c sont de forme rectangulaire, de même largeur, mais que la patte basse 4a est plus longue que la patte médiane 4b, elle-même plus longue que la patte supérieure 4c de l'empilement. On voit que les pattes de cathode 7a et 7b sont également de dimensions différentes, la patte basse 7a étant plus grande que la deuxième patte 7b.

[0019] Lorsqu'elles sont pressées ensemble, comme illustré sur la figure 4c, les pattes d'anode se chevauchent mutuellement en étages, la patte basse 4a s'étendant le plus à l'extérieur des électrodes empilées. La liaison les unes aux autres des pattes peut se faire par soudage ou par un procédé de liaison équivalent. Toutefois, avantageusement, le processus de soudage n'a pas besoin de fixer physiquement toutes les pattes les unes aux autres dans une zone particulière.

[0020] Comme illustré sur la figure 5, des soudures laser 20 peuvent par exemple être formées le long de deux lignes parallèles. Les soudures relient la patte basse 4a à la patte médiane 4b dans la zone A1 adjacente à la patte supérieure 4c et elles relient la patte médiane 4b à la patte supérieure 4c dans la zone A2 où les trois pattes se chevauchent. De cette manière, les trois pattes sont reliées les unes aux autres et l'extrémité distale (zone A3) de la patte basse 4a peut être connectée au contact de batterie. Dans la zone A2 où les trois pattes se chevauchent, c'est-à-dire la zone correspondant à la patte supérieure 4c, il n'est pas nécessaire de former une soudure qui relie les unes aux autres les trois pattes. L'énergie nécessaire au processus de soudage est donc plus faible que dans le cas où les pattes ont les mêmes dimensions dans le plan.

[0021] Un deuxième mode de réalisation est décrit dans les figures 6a à 6c, illustrant que des configurations de pattes plus complexes que celles représentées dans les figures 4 et 5 entrent dans le cadre de l'invention. Seules les pattes d'anode sont représentées, mais une configuration similaire peut être appliquée aux pattes de cathode. L'assemblage comporte maintenant 5 anodes et 4 cathodes. Les anodes de l'empilement sont indiquées dans les coupes transversales et numérotées 4'a à 4'e, et les pattes d'anode sont numérotées 4a à 4e.

[0022] On voit que les pattes 4a-4e sont toutes rectangulaires. La patte basse 4a est la plus grande. Deux pattes parallèles 4b et 4c, plus courtes et plus étroites que la patte basse 4a, s'étendent respectivement à partir des deuxième et troisième anodes 4'b et 4'c de l'empilement, et s'étendent côte à côte sur la patte basse 4a. Deux autres pattes parallèles 4d et 4e s'étendent respectivement à partir des quatrième et cinquième anodes 4'd et 4'e de l'empilement et sont agencées respectivement sur les pattes 4b et 4c, de même largeur mais de longueur plus petite que les pattes 4b et 4c.

[0023] Un motif possible de soudures laser 21 est également indiqué. Il est clair encore que les liaisons par soudure ne sont nécessaires qu'entre des pattes directement en contact les unes avec les autres, et qu'aucune liaison par soudure n'est nécessaire qui traverse l'empilement complet de 6 pattes superposées.

[0024] Bien d'autres configurations et formes de pattes peuvent être imaginées qui sont toutes basées sur le concept général illustré ci-dessus, à savoir prévoir des pattes ayant des dimensions dans le plan différentes. De préférence, comme illustré par les deux modes de réalisation décrits ci-dessus, les dimensions de la patte deviennent plus petites par étage du bas de l'empilement vers le haut. Il est cependant également possible d'avoir des configurations dans lesquelles une patte plus grande recouvre complètement une patte plus petite, comme illustré par le mode de réalisation représenté sur la figure 7. De plus, il n'est pas nécessaire que toutes les pattes de l'empilement aient des dimensions différentes. L'empilement pourrait comporter une paire de pattes superposées de dimensions égales par exemple, mais dont les dimensions égales de la paire sont différentes des dimensions des autres pattes de l'empilement.

[0025] Outre l'avantage de réduire l'énergie de soudage requise, l'invention apporte d'autres avantages. Comme mentionné, l'utilisation de dimensions de pattes plus petites dans les empilements de pattes par rapport à l'art antérieur représente une économie de matière. En outre, les erreurs d'alignement entre les pattes superposées sont moins susceptibles de se produire et/ou moins susceptibles de conduire à un risque de court-circuit entre les pattes d'anode et de cathode empilées.

[0026] L'invention s'applique aussi bien à des batteries planes rechargeables qu'à des batteries planes non rechargeables de n'importe quelle forme et dimensions réalisables de façon réaliste. Une batterie plane selon l'invention peut être obtenue en empilant des mono-éléments, en reliant les unes aux autres les pattes superposées des première et deuxième électrodes des mono-éléments, et en connectant les pattes reliées les unes aux autres respectives à des contacts de batterie respectifs. Cet assemblage de mono-éléments empilés et reliés les uns aux autres peut en outre être manipulé pour former une batterie selon des procédés connus, par exemple en insérant l'assemblage dans un conteneur de batterie avec les pattes connectées respectivement à une coupelle et un couvercle du conteneur, ou en intégrant l'assemblage dans une poche stratifiée.

[0027] L'invention n'est cependant pas limitée à des batteries comprenant un mono-élément empilé, mais à toute batterie comprenant un assemblage d'électrodes comprenant des électrodes empilées séparées par des feuilles de séparation. Il s'agit par exemple d'un assemblage d'électrodes obtenu par la technique de pliage en Z.

Claims (7)

1. Batterie comprenant un empilement formé de multiples paires empilées d'une première et d'une deuxième électrode (2, 5) et formé en outre de feuilles de séparation (8, 9) agencées entre des électrodes adjacentes de l'empilement, chaque électrode comprenant une portion de clinquant revêtue (3, 6) et une patte métallique non revêtue (4, 7), dans laquelle les premières pattes d'électrode sont superposées et reliées les unes aux autres dans un premier empilement de pattes et les deuxièmes pattes d'électrode sont superposées et reliées les unes aux autres dans un deuxième empilement de pattes, caractérisée en ce que dans au moins un des empilements de pattes, au moins deux des pattes empilées ont des dimensions dans le plan mutuellement différentes.

2. Batterie selon la revendication 1, dans laquelle la patte basse (4a) de l'empilement a les plus grandes dimensions dans le plan de l'empilement.

3. Batterie selon la revendication 2, dans laquelle chaque patte consécutive, partant de la patte se trouvant directement sur ladite patte basse (4a) et en montant dans l'empilement, a des dimensions dans le plan plus petites que la patte précédente dans l'empilement.

4. Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les pattes dans ledit au moins un empilement ont la forme de rectangles (4a-4c) ayant des longueurs décroissant en étages, telles que mesurées dans une direction s'étendant en éloignement des électrodes respectives.

5. Batterie selon la revendication 4, dans laquelle lesdites pattes rectangulaires de longueurs décroissant en étages ont des largeurs égales.

6. Procédé pour l'assemblage d'un empilement d'électrodes pour une batterie selon la revendication 3, le procédé comprenant les étapes consistant à: – empiler les paires d'électrodes sur une surface horizontale, dans lequel les première et deuxième pattes d'électrode sont superposées et alignées dans un premier et un deuxième empilement, et dans lequel dans ledit au moins un empilement de pattes, chaque patte consécutive, en partant de la patte se trouvant directement sur la patte basse (4a) et en montant dans l'empilement, est plus petite que la patte précédente dans l'empilement, – dans des zones où deux pattes consécutives de l'empilement se chevauchent, produire une connexion électrique (20, 21) entre lesdites deux pattes consécutives, pour relier ainsi les unes aux autres toutes les pattes de l'empilement.

7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel lesdites pattes consécutives sont reliées les unes aux autres par un processus de soudage.