EP4018504A1 - Elément électrochimique et procédé de fabrication - Google Patents

Elément électrochimique et procédé de fabrication

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EP4018504A1
EP4018504A1 EP20737026.3A EP20737026A EP4018504A1 EP 4018504 A1 EP4018504 A1 EP 4018504A1 EP 20737026 A EP20737026 A EP 20737026A EP 4018504 A1 EP4018504 A1 EP 4018504A1
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EP
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internal
face
envelope
internal volume
casing
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EP20737026.3A
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Inventor
Gérard Rigobert
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SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
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SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to an electrochemical cell and its manufacturing process, as well as a battery comprising one or more electrochemical cells. It finds application in particular in the field of electrochemical elements or Li-ion type batteries, and aims in particular at the optimization of the volume and of the electrical capacity of such elements, more generally the optimization of the volumetric and gravimetric energy density.
  • an electrochemical element for example of parallelepipedal or even cylindrical overall shape, generally comprises a casing 1 closed, for example by a cover, which defines a internal volume. Inside this volume is disposed an electrochemical bundle 2 impregnated with electrolyte, comprising an alternation of positive and negative electrodes 3. These electrodes 3 are respectively connected to two positive and negative electrical output terminals (not shown), and surround separators (also not shown).
  • the envelope 1 comprises a bottom wall 4 which has an internal bottom face 4a, oriented towards the internal volume, one or more side walls 5, 6 having an internal lateral face 5a, 6a, oriented towards the internal volume.
  • the side walls 5, 6 of the casing 1 join the bottom wall forming a rounding, in particular on the internal side, that is to say at the junction between each internal lateral face 5a, 6a and the internal bottom face 4.
  • a metal sheet preferably in aluminum.
  • An internal die or punch and an external die are thus used, actuated relatively to one another by a press, dies whose respective shapes and dimensions make it possible to obtain the desired volume setting: for example cylindrical punch and cylindrical outer die. hollow for a cylindrical setting, or parallelepiped punch and hollow parallelepiped outer die for a parallelepipedic setting.
  • the punch and the outer die have a bottom which joins the side wall (s) with a rounding, so as not to damage the metal sheet during the stamping operation. It is not possible to use an angular punch or an angular external die, without risking weakening the envelope at the angles which would lead to an unacceptable risk of tearing, or even without tearing the envelope during the operation of stamping, in particular due to the fact that the envelope tends to stick to the punch and / or to the outer die. Even using oil during the stamping operation, it is impossible to peel off the casing formed with an angular outer punch and / or die without damaging it.
  • an angular punch and outer die are subject to heavy wear, which is not compatible with industrial mass production.
  • one solution consists in making a chamfer 12 in the lower part of the electrodes, forming the electrode bundle 2, located near the relevant side wall 5 or 6, to limit the phenomenon of settling. But in this configuration, the heat exchange surface remains limited, since there is no exchange at the level of the lower chamfered part 12 of the electrodes, therefore at the level of the rounded junction between the bottom wall 4 and the relevant side wall 5 or 6 of the casing 1. In addition, this solution complicates the manufacture since it is necessary to carry out additional operations of cutting the electrodes.
  • the object of the invention is in particular to propose an electrochemical element with an optimized volumetric and gravimetric energy density, and a better capacity to dissipate the internal heat generated by the operation of the electrochemical element.
  • the object of the invention is thus an electrochemical element comprising a closed envelope defining an internal volume inside which is arranged a bundle comprising an alternation of positive and negative electrodes. These electrodes are respectively connected to two positive and negative electrical output terminals and surround separators. Said bundle is impregnated with electrolyte.
  • the casing further comprises a bottom wall having an internal bottom face, oriented towards the internal volume, and at least one side wall having an internal side face oriented towards the internal volume.
  • the internal lateral face joins the internal bottom face, forming substantially an internal angle.
  • the electrochemical element further comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination:
  • the bottom wall has the shape of a surface generating a solid of revolution, for example a circle, said at least one side wall substantially forming the side wall of a corresponding solid of revolution, for example a cylinder;
  • the bottom wall forms a polygon, for example a rectangle
  • the casing comprises several side walls each having an internal side face oriented towards the internal volume and joining the internal bottom face on one of the sides of said polygon, the internal lateral face of at least one of the lateral walls joining the internal bottom face, forming substantially an internal angle;
  • each side wall joins the internal bottom face, forming substantially an internal angle, preferably identical to the internal angle formed by each internal side face with the bottom face;
  • the internal angle or at least one of the internal angles is substantially equal to 90 °;
  • the bottom wall has an outer bottom face opposite the inner bottom face, and the side wall (s) each have an outer side face opposite the corresponding inner side face, the or at least one of the outer side faces joining the outer bottom face forming substantially an outer angle, preferably substantially equal to the inner angle;
  • the external angle or at least one of the external angles is substantially equal to 90 °;
  • the bottom wall and the or at least one of the side walls are formed from a metallic material, preferably aluminum;
  • the beam is of the Lithium-ion type.
  • the invention also relates, according to a second aspect, to a battery comprising one or more electrochemical elements electrically connected in parallel and / or in series, at least one of the electrochemical elements being an electrochemical element as presented above.
  • Another subject of the invention is a process for manufacturing an electrochemical element.
  • the electrochemical element comprises a closed envelope defining an internal volume inside which is disposed a bundle comprising an alternation of positive and negative electrodes connected respectively to two positive and negative electrical output terminals and flanking separators.
  • the bundle is impregnated with electrolyte.
  • the envelope comprises a bottom wall having an internal bottom face, oriented towards the internal volume, and at least one side wall having an internal side face, oriented towards the internal volume.
  • the method comprises, prior to the installation of the bundle and the closing of the casing, a step of volumeizing the casing so as to obtain the internal volume with a junction between the internal lateral face and the face of substantially angular internal bottom of given internal angle.
  • the method further comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination:
  • the casing is made of a metallic material, for example aluminum
  • the step of volumizing the casing comprises a step of volumizing by magnetoforming comprising the placing of the casing to be formed close to an electromagnetic field source, and the placement of a jig made of non-electrically conductive material near the casing, the source being placed on a first side of the casing and the jig being placed on a second side of the casing opposite to the first side, the shape of the jig being configured so as to allow the internal volume of the casing to be formed by pressing the casing against the jig under the effect of an electromagnetic field generated by the source ;
  • the first side of the envelope to be formed is the side of the face of the envelope intended to be oriented towards the internal volume after shaping, the template having at least one portion forming the hollow internal volume;
  • the second side of the envelope to be formed is the side of the face of the envelope intended to be oriented towards the internal volume after shaping, the template having at least one portion forming the internal volume;
  • the volume forming step comprises, prior to the volume forming step by magnetoforming, a step of volume forming by stamping, so as to prepare the envelope to be formed by creating an intermediate internal volume with a junction between the inner side face and the substantially rounded inner bottom face.
  • the electrochemical element and the battery according to the invention make it possible to reduce, or even eliminate the bottom zone unused in the elements of the state of the art, make it possible to avoid the phenomenon of local settling of the nearby electrodes. side walls and the bottom, and allow better heat dissipation thanks to a larger heat exchange surface at the bottom wall.
  • Fig la] and Fig lb schematic representations of two examples of prior art electrochemical elements
  • FIG. 2 schematic representation of an example of an electrochemical element of the invention
  • Fig 3 and Fig 4 schematic representations of a first example of implementation of the method of the invention
  • Fig 5 and Fig 6 schematic representations of a second example of the implementation of the method of the invention.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of an electrochemical element of the invention, seen in section, in the form of a parallelepipedal assembly.
  • the electrochemical element therefore comprises a casing 1 closed, for example by a cover (not shown), and defining an internal volume.
  • This internal volume is substantially parallelepiped in this example.
  • the casing 1 is preferably formed in part or in whole from a metallic material, such as aluminum.
  • an electrochemical bundle 2 is placed inside the internal volume defined by envelope 1, inside the internal volume defined by envelope 1, an electrochemical bundle 2 is placed.
  • this bundle 2 comprises an alternation of positive and negative electrodes 3 connected respectively to two positive and negative electrical output terminals (not shown).
  • the two output terminals can for example be placed in the upper part, at the level of the cover.
  • one of the terminals can be arranged in the upper part, at the level of the cover, the other being arranged in the lower part, at the level of the back wall 4.
  • the electrodes 3 surround the separators (not shown), and the bundle 2 is impregnated with electrolyte. It may be, for example, a beam (2) of the Lithium-ion type.
  • the casing 1 comprises in particular a bottom wall 4 and at least one side wall 5, 6.
  • the bottom wall 4 is substantially rectangular, just like the four side walls including the two side walls 5 and 6.
  • FIG. 2 could just as well represent an electrochemical element of overall shape corresponding to a solid of revolution, for example a cylindrical shape, therefore with an internal volume defined by an envelope 1 corresponding substantially to the volume of a solid of revolution, for example a cylinder.
  • the bottom wall 4 has the shape of a surface generating the corresponding solid of revolution, for example a circle.
  • only one side wall 5 or 6 rises from the bottom wall 4 to form the body of the solid of revolution, for example the cylinder.
  • the bottom wall has an internal bottom face 4a, oriented towards the internal volume defined by the casing 1, and an external bottom face 4b opposite the internal bottom face 4a, therefore oriented towards the outside of the defined internal volume. by envelope 1.
  • Each side wall 5, 6 also has an internal lateral face 5a, 6a, oriented towards the internal volume defined by the casing 1, and an external lateral face 5b, 6b opposite to the corresponding internal lateral face 5a, 6aa, therefore oriented towards the outside of the internal volume defined by envelope 1.
  • the unused zone 11 shown in FIG. 1a does not exist in FIG. 2. Thanks to the presence of the internal angles (a), the beam 2, in particular the electrodes 3 closest to the side walls 5, 6, can extend as far as the bottom wall 4 without colliding against the roundings present in the example of figure the.
  • each of the internal angles (a) between the internal face 4a of the bottom wall 4 and the internal face 5a, 6a of one of the side walls 5, 6 are identical, preferably substantially equal to 90 °. But other configurations are possible, with internal angles (a) different from one side wall 5, 6 to the other.
  • the outer side face 5b, 6b of at least one of the side walls 5, 6 also joins the outer bottom face 4b of the bottom wall 4, substantially forming an outer angle (b).
  • This external angle (b) may be different from the internal angle or angles (a), but it is preferably substantially equal to this or these internal angles (a), for example substantially equal to 90 °.
  • all or part of the casing 1 is preferably made of a metallic material, such as aluminum.
  • the bottom wall 4 and the or at least one of the side walls 5, 6 are formed from this material.
  • electrochemical elements can be electrically connected, including one or more electrochemical elements as described above, in parallel and / or in series, to form a battery.
  • the envelope 1 is volumeized, prior to the installation of the bundle 2 and the closing of the envelope 1
  • a sheet of the desired material preferably metallic (such as aluminum), and preferably circular.
  • the volumizing step is designed to make it possible to obtain the desired internal volume, with a junction between the internal side face 5a, 6a of at least one of the side walls 5, 6 and the internal bottom face 4a of the bottom wall, substantially angular with an internal angle (a).
  • the material of the sheet intended to form the envelope 1 after shaping is therefore metallic.
  • the envelope 1 designates the envelope 1 as well as the same envelope 1 during the volume setting, so including the flat sheet at the base of the envelope before any volume setting.
  • a step of volume formation by magnetoforming is implemented, as shown in two examples in FIGS. 3 and 4, respectively 5 and 6.
  • the conventional principle of magnetoforming known to those skilled in the art. trade, is that of G use of viscoplastic properties of the material used, to obtain the desired deformation by application of a series of electromagnetic pulses of great intensity.
  • the envelope 1 to be formed is first positioned near a source 9 of electromagnetic field.
  • a jig 10 made of an electrically non-conductive material is positioned near the casing 1. Specifically, the source 9 is placed on a first side of the casing 1 and the jig 10 is placed on a second side of the casing. the envelope 1 opposite the first side.
  • the first side of the envelope 1 to be formed in question is the side of the face of the envelope 1 intended to be oriented towards the internal volume after shaping.
  • the source 9 is therefore placed on the side of the internal volume to be formed, and the template 10 is placed on the external side.
  • the latter has at least one portion forming a hollow internal volume, for example a parallelepiped or a cylinder.
  • the second side of the envelope 1 to be formed in question is the side of the face of the envelope 1 intended to be oriented towards the internal volume after shaping.
  • the source 9 is therefore placed on the external side, and the template 10 is placed on the side of the internal volume to be formed.
  • the latter has at least one portion forming the internal volume, for example a parallelepiped or a cylinder.
  • the shape of the template 10 is therefore configured so as to allow the internal volume of the casing 1 to be formed by pressing this casing 1 against the jig 10 under the effect of an electromagnetic field generated by the source 9.
  • a step of volume formation by stamping is implemented, so as to prepare the envelope 1 to form.
  • An envelope 1 is then obtained having substantially the shape shown in Figures 3 and 5, that is to say that the intermediate internal volume created by stamping is such that the junction between the internal lateral face 5a, 6a of one or more of the side walls 5, 6 and the inner bottom face 4a of the bottom wall, is substantially rounded.
  • Figures 3 and 5 therefore show an intermediate state of the casing 1, after the volume setting by stamping and before the end of the volume setting by magnetoforming.
  • the Applicant has thus been able to observe a significant increase in the volumetric and gravimetric energy density, by completely or partially removing the unused zone 11 shown in FIG. 1a relating to the state of the art, as well as an increase of the heat exchange surface at the level of the bottom wall 4.

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Abstract

L'invention concerne un élément électrochimique et son procédé de fabrication, ainsi qu'une batterie comprenant un ou plusieurs éléments électrochimiques, trouvant notamment une application au domaine des éléments électrochimiques ou batteries de type Li-ion. L'élément électrochimique comprend une enveloppe (1) fermée définissant un volume interne à l'intérieur duquel est disposé un faisceau (2) comportant une alternance d'électrodes (3) positives et négatives connectées respectivement à deux bornes de sortie électriques positive et négative et encadrant des séparateurs, le faisceau (2) étant imprégné d'électrolyte. L'enveloppe (1) comprend une paroi de fond (4) présentant une face de fond interne (4a), orientée vers le volume interne, et au moins une paroi latérale (5, 6) présentant une face latérale interne (5a, 6a), orientée vers le volume interne. La face latérale interne (5a, 6a) rejoint la face de fond interne (4a) en formant sensiblement un angle interne (a).

Description

Description
Titre : Elément électrochimique et procédé de fabrication DOMAINE TECHNIQUE
L’invention concerne un élément électrochimique et son procédé de fabrication, ainsi qu’une batterie comprenant un ou plusieurs éléments électrochimiques. Elle trouve notamment une application au domaine des éléments électrochimiques ou batteries de type Li-ion, et vise notamment l’optimisation du volume et de la capacité électrique de tels éléments, plus généralement l’optimisation de la densité d’énergie volumétrique et gravimétrique.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Tel qu’on peut le voir de manière simplifiée et en coupe sur la figure la, un élément électrochimique, par exemple de forme d’ensemble parallélépipédique ou encore cylindrique, comprend généralement une enveloppe 1 fermée, par exemple par un couvercle, qui définit un volume interne. A l’intérieur de ce volume est disposé un faisceau électrochimique 2 imprégné d’électrolyte, comportant une alternance d'électrodes 3 positives et négatives. Ces électrodes 3 sont connectées respectivement à deux bornes de sortie électriques positive et négative (non représentées), et encadre des séparateurs (également non représentés).
L’enveloppe 1 comprend une paroi de fond 4 qui présente une face de fond interne 4a, orientée vers le volume interne, une ou plusieurs parois latérales 5, 6 présentant une face latérale interne 5a, 6a, orientée vers le volume interne.
Comme on peut le voir clairement sur la figure la, les parois latérales 5, 6 de l’enveloppe 1 rejoignent la paroi de fond en formant un arrondi, notamment du côté interne, c’est-à-dire au niveau de la jonction entre chaque face latérale interne 5a, 6a et la face de fond interne 4. Pour obtenir la mise en volume de l’enveloppe 1 tel que représenté sur la figure la, on procède par emboutissage, à partir d’une feuille métallique, de préférence en aluminium. On utilise ainsi une matrice intérieure ou poinçon et une matrice extérieure actionnées relativement l’une à l’autre par une presse, matrices dont les formes et dimensions respectives permettent d’obtenir la mise en volume souhaitée : par exemple poinçon cylindrique et matrice extérieure cylindrique creuse pour une mise en volume cylindrique, ou poinçon parallélépipédique et matrice extérieure parallélépipédique creuse pour une mise en volume parallélépipédique. Le poinçon et la matrice extérieure présentent un fond qui rejoint la ou les parois latérales avec un arrondi, pour ne pas endommager la feuille métallique lors de l’opération d’emboutissage. Il n’est pas possible d’utiliser un poinçon anguleux ou une matrice extérieure anguleuse, sans risquer de fragiliser l’enveloppe au niveau des angles ce qui conduirait à un risque de déchirure inacceptable, voire sans déchirer l’enveloppe pendant l’opération d’emboutissage, notamment en raison du fait que l’enveloppe a tendance à coller au poinçon et/ou à la matrice extérieure. Même en utilisant de l’huile pendant l’opération d’emboutissage, il est impossible de décoller l’enveloppe formée avec un poinçon et/ou une matrice extérieure anguleux sans l’endommager.
En outre, un poinçon et une matrice extérieure anguleux sont sujets à une usure importante, ce qui n’est pas compatible avec une production industrielle de masse.
Or, un des problèmes posés par la présence des arrondis au fond du volume défini par l’enveloppe, est qu’il peu causer une courbure locale sur les électrodes à proximité des parois latérales, par tassement vers le fond. Cela peut occasionner des courts-circuits électriques. On peut prévoir des éléments supplémentaires à insérer dans le fond de l’enveloppe pour éviter ce tassement. Mais cela rend le processus de fabrication plus long et plus coûteux, et engendre une perte de capacité électrique pour l’élément électrochimique. Plus généralement, ce phénomène engendre une baisse de la densité d’énergie volumétrique et gravimétrique de l’élément électrochimique.
En outre, la présence de ces arrondis réduit la surface d’échange thermique au niveau de la paroi de fond. Or, la dissipation de la chaleur interne à l’élément électrochimique est un facteur important, et celle-ci se fait principalement par échange thermique au niveau de cette paroi de fond, en particulier lorsque plusieurs éléments électrochimiques sont juxtaposés latéralement pour former une batterie.
Telle que représentée sur la figure lb, une solution consiste à réaliser un chanfrein 12 en partie basse des électrodes, formant le faisceau d’électrode 2, situées à proximité de la paroi latérale concernée 5 ou 6, pour limiter le phénomène de tassement. Mais dans cette configuration, la surface d’échange thermique reste limitée, puisqu’il n’y a pas d’échange au niveau de la partie basse chanfreinée 12 des électrodes, donc au niveau de la jonction arrondie entre la paroi de fond 4 et la paroi latérale concernée 5 ou 6 de l’enveloppe 1. En outre, cette solution complique la fabrication puisqu’il faut réaliser des opérations supplémentaires de recoupage des électrodes.
RESUME DE L’INVENTION Un des buts de l’invention est donc de résoudre notamment les problèmes précités. Ainsi, l’invention a notamment pour objectif de proposer un élément électrochimique à densité d’énergie volumétrique et gravimétrique optimisée, et une meilleure capacité à dissiper la chaleur interne générée par le fonctionnement de l’élément électrochimique.
L’invention a ainsi pour objet un élément électrochimique comprenant une enveloppe fermée définissant un volume interne à l’intérieur duquel est disposé un faisceau comportant une alternance d'électrodes positives et négatives. Ces électrodes sont connectées respectivement à deux bornes de sortie électriques positive et négative et encadrent des séparateurs. Ledit faisceau est imprégné d'électrolyte.
L’enveloppe comprend par ailleurs une paroi de fond présentant une face de fond interne, orientée vers le volume interne, et au moins une paroi latérale présentant une face latérale interne orientée vers le volume interne. La face latérale interne rejoint la face de fond interne en formant sensiblement un angle interne.
Dans la présente demande, par l’expression « formant sensiblement un angle », ou encore « anguleux / anguleuse », il faut comprendre se rejoignant en formant un arrondi de rayon si petit que l’on considère qu’il y a formation d’un angle. La demanderesse considère ainsi que la présence d’un arrondi de rayon sensiblement inférieur ou égal à 0.5 mm correspond à la formation d’un angle. Les notions d’angle, d’anguleux/d’anguleuse, sont donc utilisées dans la présente demande pour désigner une jonction entre deux parois formant un arrondi de rayon sensiblement inférieur ou égal à 0.5 mm.
Aussi, par opposition à ce qui précède, lorsque l’expression « arrondi » est utilisée sans autre précision, elle désigne l’arrondi à la jonction entre deux parois tel qu’on le retrouve dans l’état de la technique, et qui est généralement obtenu par un procédé de type emboutissage. Un tel arrondi est sensiblement supérieur à 0.5 mm.
Suivant certains modes de réalisation, l’élément électrochimique comprend en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la paroi de fond présente la forme d’une surface génératrice d’un solide de révolution, par exemple un cercle, ladite au moins une paroi latérale formant sensiblement la paroi latérale d’un solide de révolution correspondant, par exemple un cylindre ;
- la paroi de fond forme un polygone, par exemple un rectangle, et l’enveloppe comprend plusieurs parois latérales présentant chacune une face latérale interne orientée vers le volume interne et rejoignant la face de fond interne en l’un des côtés dudit polygone, la face latérale interne d’au moins l’une des parois latérales rejoignant la face de fond interne en formant sensiblement un angle interne ;
- les faces latérales internes de chaque paroi latérale rejoignent la face de fond interne en formant sensiblement un angle interne, de préférence identique à l’angle interne formé par chaque face latérale interne avec la face de fond ;
- l’angle interne ou au moins un des angles internes est sensiblement égal à 90° ;
- la paroi de fond présente une face de fond externe opposée à la face de fond interne, et la ou les parois latérales présentent chacune une face latérale externe opposée à la face latérale interne correspondante, la ou au moins une des faces latérales externe rejoignant la face de fond externe en formant sensiblement un angle externe, de préférence sensiblement égal à l’angle interne ;
- l’angle externe ou au moins un des angles externes est sensiblement égal à 90° ;
- la paroi de fond et la ou au moins une des parois latérales sont formées dans un matériau métallique, de préférence en aluminium ;
- le faisceau est de type Lithium-ion.
L’invention a également pour objet, selon un deuxième aspect, une batterie comprenant un ou plusieurs éléments électrochimiques électriquement connectés en parallèle et/ou en série, au moins un des éléments électrochimiques étant un élément électrochimique tel que présenté ci-dessus.
L’invention a encore pour objet, selon un troisième aspect, un procédé de fabrication d’un élément électrochimique.
L’élément électrochimique comprend une enveloppe fermée définissant un volume interne à l’intérieur duquel est disposé un faisceau comportant une alternance d'électrodes positives et négatives connectées respectivement à deux bornes de sortie électriques positive et négative et encadrant des séparateurs. Le faisceau est imprégné d'électrolyte.
L’enveloppe comprend une paroi de fond présentant une face de fond interne, orientée vers le volume intérieur, et au moins une paroi latérale présentant une face latérale interne, orientée vers le volume interne.
Le procédé comprend, préalablement à la mise en place du faisceau et la fermeture de l’enveloppe, une étape de mise en volume de l’enveloppe en sorte d’obtenir le volume interne avec une jonction entre la face latérale interne et la face de fond interne sensiblement angulaire d’angle interne donné. Suivant certains modes de mise en œuvre, le procédé comprend en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- l’enveloppe est en matériau métallique, par exemple en aluminium, et l’étape de mise en volume de l’enveloppe comprend une étape de mise en volume par magnétoformage comprenant la mise en place de l’enveloppe à former à proximité d’une source de champ électromagnétique, et la mise en place d’un gabarit en matériau non électriquement conducteur à proximité de l’enveloppe, la source étant placée d’un premier côté de l’enveloppe et le gabarit étant placé d’un deuxième côté de l’enveloppe opposé au premier côté, la forme du gabarit étant configurée en sorte de permettre le formage du volume interne de l’enveloppe par plaquage de l’enveloppe contre le gabarit sous l’effet d’un champ électromagnétique généré par la source ;
- le premier côté de l’enveloppe à former est le côté de la face de l’enveloppe destinée à être orientée vers le volume interne après mise en forme, le gabarit présentant au moins une portion formant en creux le volume interne ;
- le deuxième côté de l’enveloppe à former est le côté de la face de l’enveloppe destinée à être orientée vers le volume interne après mise en forme, le gabarit présentant au moins une portion formant le volume interne ;
- l’étape de mise en volume comprend, préalablement à l’étape de mise en volume par magnétoformage, une étape de mise en volume par emboutissage, en sorte de préparer l’enveloppe à former en créant un volume interne intermédiaire avec une jonction entre la face latérale interne et la face de fond interne sensiblement arrondie.
Ainsi, l’élément électrochimique et la batterie selon l’invention permettent de réduire, voire d’éliminer la zone de fond inutilisée dans les éléments de l’état de la technique, permettent d’éviter le phénomène de tassement local des électrodes à proximité des parois latérales et du fond, et permettent une meilleure dissipation de la chaleur grâce à une plus grande surface d’échange thermique au niveau de la paroi de fond.
FIGURES
Les caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, donnée à titre d’exemple, et non limitative, en référence aux figures suivantes :
Fig la] et Fig lb : représentations schématiques de deux exemples d’élément électrochimique de l’état de la technique ;
Fig 2 : représentation schématiques d’un exemple d’élément électrochimique de l’invention; Fig 3 et Fig 4 : représentations schématiques d’un premier exemple de mise en œuvre du procédé de l’invention ;
Fig 5 et Fig 6 : représentations schématiques d’un deuxième exemple de mise en œuvre du procédé de l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE
La figure 2 montre un exemple de réalisation d’un élément électrochimique de l’invention, vue en coupe, de forme d’ensemble parallélépipédique.
L’élément électrochimique comprend donc une enveloppe 1 fermée, par exemple par un couvercle (non représenté), et définissant un volume interne. Ce volume interne est sensiblement parallélépipédique dans cet exemple.
L’enveloppe 1 est de préférence formée en partie ou en totalité dans un matériau métallique, tel que de l’aluminium.
A l’intérieur du volume interne défini par l’enveloppe 1, un faisceau 2 électrochimique est disposé. Classiquement, ce faisceau 2 comporte une alternance d'électrodes 3 positives et négatives connectées respectivement à deux bornes de sortie électriques positive et négative (non représentées). En fonction du type d’élément électrochimique, les deux bornes de sortie peuvent par exemple être disposées en partie haute, au niveau du couvercle. Alternativement, et également à titre d’exemple, l’une des bornes peut être disposée en partie haute, au niveau du couvercle, l’autre étant disposée en partie basse, au niveau de la parroi de fond 4.
Les électrodes 3 encadrent des séparateurs (non représentés), et le faisceau 2 est imprégné d'électrolyte. Il peut s’agir par exemple d’un faisceau (2) de type Lithium-ion.
L’enveloppe 1 comprend notamment une paroi de fond 4 et au moins une paroi latérale 5, 6. Dans l’exemple représenté en figure 2, le volume interne étant sensiblement parallélépipédique, la paroi de fond 4 est sensiblement rectangulaire, tout comme les quatre parois latérales dont les deux parois latérales 5 et 6. Ces considérations se généralisent au cas d’un élément électrochimique dont l’enveloppe 1 présente une partie de fond 4 de forme polygonale, avec autant de parois latérales 5, 6 s’étendant depuis la partie de fond 4 que de segments dans ce polygone.
Egalement, la figure 2 pourrait tout aussi bien représenter un élément électrochimique de forme d’ensemble correspondant à un solide de révolution, par exemple une forme cylindrique, donc avec un volume interne défini par une enveloppe 1 correspondant sensiblement au volume d’un solide de révolution, par exemple un cylindre. Dans ce cas, la paroi de fond 4 présente la forme d’une surface génératrice du solide de révolution correspondant, par exemple un cercle. Dans ce cas, une seule paroi latérale 5 ou 6 s’élève depuis la paroi de fond 4 pour former le corps du solide de révolution, par exemple du cylindre.
Dans la suite de la présente description, on parle donc de la paroi latérale 5, 6, pour désigner tout aussi bien l’une 5 ou 6, ou les deux 5 et 6, ou encore l’ensemble des parois latérales de l’enveloppe 1 d’un élément électrochimique dont l’enveloppe 1 comporte effectivement plusieurs parois latérales, que pour désigner l’unique paroi latérale de l’enveloppe 1 d’un élément électrochimique de forme d’ensemble correspondant à un solide de révolution.
La paroi de fond présente une face de fond interne 4a, orientée vers le volume interne défini par l’enveloppe 1, et une face de fond externe 4b opposée à la face de fond interne 4a, donc orientée vers l’extérieur du volume interne défini par l’enveloppe 1.
Chaque paroi latérale 5, 6 présente par ailleurs une face latérale interne 5a, 6a, orientée vers le volume interne défini par l’enveloppe 1, et une face latérale externe 5b, 6b opposée à la face latérale interne correspondante 5a, 6aa, donc orientée vers l’extérieur du volume interne défini par l’enveloppe 1.
La face latérale interne 5a, 6a d’au moins une des parois latérales 5, 6, de préférence de toutes les parois latérales 5, 6, rejoint la face de fond interne 4a en formant sensiblement un angle interne (a).
Ainsi, comme on peut le voir par comparaison avec la figure la représentant un élément électrochimique de l’état de la technique, la zone inutilisée 11 présente sur la figure la n’existe pas dans la figure 2. Grâce à la présence des angles interne (a), le faisceau 2, en particulier les électrodes 3 les plus proches des parois latérales 5, 6, peuvent s’étendre jusqu’à la paroi de fond 4 sans venir s’écraser contre les arrondis présents dans l’exemple de la figure la.
Dans l’exemple représenté sur la figure 2, chacun des angles interne (a) entre la face interne 4a de paroi de fond 4 et la face interne 5a, 6a de l’une des parois latérales 5, 6 sont identiques, de préférence sensiblement égaux à 90°. Mais d’autres configurations sont possibles, avec des angles internes (a) différents d’une paroi latérale 5, 6 à l’autre.
De préférence, la face latérale externe 5b, 6b d’au moins une des parois latérales 5, 6 rejoint également la face de fond externe 4b de la paroi de fond 4 en formant sensiblement un angle externe (b). Cette angle externe (b) peut être différent de l’angle ou des angles interne (a), mais il est de préférence sensiblement égal à cet ou ces angles internes (a), par exemple sensiblement égale à 90°. Comme déjà indiqué plus haut, tout ou partie de l’enveloppe 1 est de préférence en matériau métallique, tel que de l’aluminium. En particulier, la paroi de fond 4 et la ou au moins une des parois latérales 5, 6 sont formées dans ce matériau.
On peut connecter électriquement plusieurs éléments électrochimiques, parmi lesquels un ou plusieurs éléments électrochimiques tels que décrits ci-dessus, en parallèle et/ou en série, pour former une batterie.
Pour obtenir l’élément électrochimique de l’invention, on procède à une mise en volume de l’enveloppe 1, préalablement à la mise en place du faisceau 2 et à la fermeture de l’enveloppe 1
On part d’une feuille dans le matériau souhaité, de préférence métallique (tel que de l’aluminium), et de préférence de forme circulaire.
L’étape de mise en volume est conçue pour permettre d’obtenir le volume interne souhaité, avec une jonction entre la face latérale interne 5a, 6a d’au moins une des parois latérales 5, 6 et la face de fond interne 4a de la paroi de fond, sensiblement angulaire d’angle interne (a).
De préférence, le matériau de la feuille destinée à former l’enveloppe 1 après mise en forme, est donc métallique. Dans ce qui suit, l’enveloppe 1 désigne indifféremment l’enveloppe 1 mise en volume que cette même enveloppe 1 au cours de la mise en volume, donc y compris la feuille plane à la base de l’enveloppe avant toute mise en volume.
Pour obtenir la mise en volume souhaitée, une étape de mise en volume par magnétoformage est mise œuvre, tel que représentée dans deux exemples sur les figures 3 et 4, respectivement 5 et 6. Le principe classique du magnétoformage, connu de l’homme du métier, est celui de G utilisation des propriété viscoplastiques du matériau utilisé, pour obtenir la déformation souhaitée par application d’une série d’impulsions électromagnétiques de grande intensité. L’enveloppe 1 à former est d’abord positionnée à proximité d’une source 9 de champ électromagnétique. Par ailleurs, un gabarit 10 en matériau non électriquement conducteur est positionné à proximité de l’enveloppe 1. Précisément, la source 9 est placée d’un premier côté de l’enveloppe 1 et le gabarit 10 est placé d’un deuxième côté de l’enveloppe 1 opposé au premier côté.
Dans l’exemple des figures 3 et 4, le premier côté de l’enveloppe 1 à former dont il est question est le côté de la face de l’enveloppe 1 destinée à être orientée vers le volume interne après mise en forme. La source 9 est donc placée du côté du volume interne à former, et le gabarit 10 est placé du côté externe. Ce dernier présente au moins une portion formant en creux le volume interne, par exemple un parallélépipède ou un cylindre.
Dans l’exemple des figures 5 et 6, le deuxième côté de l’enveloppe 1 à former dont il est question est le côté de la face de l’enveloppe 1 destinée à être orientée vers le volume interne après mise en forme. La source 9 est donc placée du côté externe, et le gabarit 10 est placé du côté du volume interne à former. Ce dernier présente au moins une portion formant le volume interne, par exemple un parallélépipède ou un cylindre.
La forme du gabarit 10 est donc configurée en sorte de permettre le formage du volume interne de l’enveloppe 1 par plaquage de cette enveloppe 1 contre le gabarit 10 sous l’effet d’un champ électromagnétique généré par la source 9.
De préférence, comme on le voit sur les figures 3 et 5, préalablement à la mise en œuvre de l’étape de mise en volume par magnétoformage, on met en œuvre une étape de mise en volume par emboutissage, en sorte de préparer l’enveloppe 1 à former. On obtient alors une enveloppe 1 présentant sensiblement la forme montrée sur les figures 3 et 5, c’est-à-dire que le volume interne intermédiaire créé par emboutissage est tel que la jonction entre la face latérale interne 5a, 6a de l’une ou plusieurs des parois latérales 5, 6 et la face de fond interne 4a de la paroi de fond, est sensiblement arrondie.
Les figures 3 et 5 représentent donc un état intermédiaire de l’enveloppe 1, après la mise en volume par emboutissage et avant la fin de la mise en volume par magnétoformage.
La demanderesse a ainsi pu constater une augmentation importante de la densité d’énergie volumétrique et gravimétrique, par suppression en totalité ou en partie de la zone inutilisée 11 matérialisée sur la figure la relative à l’état de la technique, ainsi qu’une augmentation de la surface d’échange thermique au niveau de la paroi de fond 4.
Dans l’exemple d’un élément électrochimique à paroi de fond 4 rectangulaire de dimensions extérieures 26.5 mm X 148 mm, une augmentation de 5% du volume utile a été mesurée, qui évite le tassement d’électrodes mentionné plus haut et induit l’augmentation de la densité d’énergie volumétrique et gravimétrique, grâce à l’obtention de jonctions internes entre les parois latérales 5, 6 et la paroi de fond 4 d’angle sensiblement égal à 90°. Par ailleurs une augmentation de 20% de la surface d’échange thermique au niveau de la paroi de fond 4, a été mesurée grâce à ces jonctions internes à angle sensiblement droit, notamment par comparaison avec un élément électrochimique de l’état de la technique tel que représenté en figure lb. Il est rappelé que la présente description est donnée à titre d’exemple et n’est pas limitative de l’invention. En particulier, dans cette description, un exemple d’élément électrochimique de type Li-ion et de forme d’ensemble sensiblement parallélépipédique est présenté dans les figures. Cependant, toutes les considérations présentées dans cette description, sauf exception mentionnée explicitement, s’appliquent à un élément électrochimique d’un autre type que Li-ion et d’une autre forme d’ensemble qu’une forme strictement parallélépipédique, par exemple une forme cylindrique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d’un élément électrochimique, ledit élément électrochimique comprenant une enveloppe (1) fermée définissant un volume interne à l’intérieur duquel est disposé un faisceau (2) comportant une alternance d'électrodes (3) positives et négatives connectées respectivement à deux bornes de sortie électriques positive et négative et encadrant des séparateurs, ledit faisceau (2) étant imprégné d'électrolyte, l’enveloppe (1) étant en matériau métallique et comprenant une paroi de fond (4) présentant une face de fond interne (4a), orientée vers le volume intérieur, et au moins une paroi latérale (5, 6) présentant une face latérale interne (5a, 6a), orientée vers le volume interne, ledit procédé comprenant, préalablement à la mise en place du faisceau (2) et la fermeture de
l’enveloppe (1), une étape de mise en volume de cette enveloppe (1),
caractérisé en ce que l’étape de mise en volume comprend une étape de mise en volume par magnétoformage comprenant la mise en place de l’enveloppe (1) à former à proximité d’une source (9) de champ électromagnétique, et la mise en place d’un gabarit (10) en matériau non électriquement conducteur à proximité de l’enveloppe (1), ladite source (9) étant placée d’un premier côté de l’enveloppe (1) et ledit gabarit (10) étant placé d’un deuxième côté de l’enveloppe (1) opposé au premier côté, la forme du gabarit étant configurée en sorte de permettre le formage du volume interne de l’enveloppe (1) par plaquage de l’enveloppe (1) contre le gabarit (10) sous l’effet d’un champ
électromagnétique généré par la source (9), et d’obtenir une jonction, entre la face latérale interne (5a, 6a) et la face de fond interne (4a), angulaire d’angle interne (a).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier côté de l’enveloppe (1) à former est le côté de la face de l’enveloppe (1) destinée à être orientée vers le volume interne après mise en forme, le gabarit (10) présentant au moins une portion formant en creux le volume interne.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième côté de l’enveloppe (1) à former est le côté de la face de l’enveloppe (1) destinée à être orientée vers le volume interne après mise en forme, le gabarit (10) présentant au moins une portion formant le volume interne.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’étape de mise en volume comprend, préalablement à l’étape de mise en volume par
magnétoformage, une étape de mise en volume par emboutissage, en sorte de préparer l’enveloppe (1) à former en créant un volume interne intermédiaire avec une jonction entre la face latérale interne (5a, 6a) et la face de fond interne (4a) sensiblement arrondie.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la paroi de fond (4) présente la forme d’une surface génératrice d’un solide de révolution, par exemple un cercle, ladite au moins une paroi latérale (5) formant sensiblement la paroi latérale d’un solide de révolution correspondant, par exemple un cylindre.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la paroi de fond (4) forme un polygone, par exemple un rectangle, et en ce que l’enveloppe (1) comprend plusieurs parois latérales (5, 6) présentant chacune une face latérale interne (5a, 6a) orientée vers le volume interne et rejoignant la face de fond interne (4a) en l’un des côtés dudit polygone, la face latérale interne (5a, 6a) d’au moins l’une des parois latérales (5, 6) rejoignant la face de fond interne (4a) en formant sensiblement un angle interne (a).
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les faces latérales internes (5a,
6a) de chaque paroi latérale (5, 6) rejoignent la face de fond interne (4a) en formant sensiblement un angle interne (a), de préférence identique à l’angle interne (a) formé par chaque face latérale interne (5a, 6a) avec la face de fond (4a).
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l’angle interne (a) est sensiblement égal à 90°.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la paroi de fond (4) présente une face de fond externe (4b) opposée à la face de fond interne (4a), et la ou les parois latérales (5, 6) présentent chacune une face latérale externe (5b, 6b) opposée à la face latérale interne (5a, 6a) correspondante, la ou au moins une des faces latérales externe (5b, 6b) rejoignant la face de fond externe (4b) en formant sensiblement un angle externe (b), de préférence sensiblement égal à l’angle interne (a).
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l’angle externe (b) est sensiblement égal à 90°.
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la paroi de fond (4) et la ou au moins une des parois latérales (5, 6) sont formées en aluminium.
12. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le faisceau (2) est de type Lithium-ion.
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