FR3143859A1 - Architecture de cellule electrochimique pour batteries de vehicules automobiles. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une cellule électrochimique comprenant, d’une part, un empilage de feuilles (2) contenant, chacune, un ensemble constitué d’une électrode positive et d’une électrode négative, de leur collecteur de courant associé et d’au moins un séparateur électriquement isolant, ledit ensemble étant imprégné d’un électrolyte et, d’autre part, une enveloppe (1) extérieure renfermant ledit empilage et au travers de laquelle lesdits collecteurs font saillie, caractérisé en ce que ladite enveloppe est sous forme d’un parallélépipède rectangle pourvu, sur deux côtés opposés, d’au moins un créneau (10) délimité latéralement par au moins un bord rectiligne (11) qui est destiné à s’imbriquer dans les créneaux correspondant d’enveloppes de cellules identiques. Figure 1.

Description

ARCHITECTURE DE CELLULE ELECTROCHIMIQUE POUR BATTERIES DE VEHICULES AUTOMOBILES.

L'invention concerne, de façon générale, le domaine des accumulateurs d’énergie électrique et s’intéresse, plus particulièrement, à une architecture spécifique de cellule électrochimique destinée aux batteries équipant les véhicules automobiles.

Généralement, une batterie électrique (par exemple, une batterie d’un type dit métal-ion) contient une ou plusieurs cellules électrochimiques connectées en parallèle et/ou en série. De telles cellules comprennent un ensemble de collecteurs de courant sur lesquels sont déposées, de part et d’autre d’au moins un séparateur électriquement isolant, des électrodes positives et négatives. Cet ensemble baigne dans un électrolyte assurant la conductivité ionique entre les électrodes au travers du séparateur. Une enveloppe externe complète la cellule en assurant son étanchéité à l'eau et à l’air et est traversée par les collecteurs de courant qui sont destinés à la connexion avec des composants électriques extérieurs.

Selon leur format, ces cellules sont assemblées à l’intérieur de la batterie de différentes manières, mais souvent de manière symétrique. Or, il se trouve que les cellules, et surtout celles dont la configuration est sensiblement plane (comme les cellules prismatiques ou les cellules dites «pouch» pour « poche »), sont le siège de contraintes mécaniques importantes résultant de déformations qui apparaissent naturellement avec le temps.

Ces déformations se présentent sous forme de gonflements internes localisés au centre de la cellule, là où la résistance structurelle de l’enveloppe qui la contient est la plus faible. Or, ces déformations accélèrent les phénomènes de vieillissement de la cellule et ont donc tendance à favoriser des phénomènes destructifs qui sont d’autant plus problématiques pour les batteries contenant un grand nombre de cellules, comme cela est le cas pour les batteries utilisées dans les véhicules automobiles.

Par ailleurs, la recherche et le développement portant sur les batteries ouvre de nouvelles voies de procédés chimiques qui entraînent des contraintes mécaniques fortes et inhabituelles sur les cellules. Ainsi, les batteries utilisant de la matière solide présentent un risque de décollement et donc de perte de contact électrique. Les anodes en silicium s’accompagnent d’une très forte expansion (300%) tandis que les anodes en lithium présentent un risque de formation de dendrite favorisé par un défaut d’homogénéité des contraintes mécaniques. La tendance est donc de pondérer les contraintes mécaniques internes aux batteries pour les rendre plus fiables et augmenter leur durée de vie.

Par conséquent, l’invention a cherché une solution technique permettant d’éviter l’apparition de ces déformations ou tout au moins de limiter leurs effets préjudiciables au sein de la batterie.

Le brevet FR3061610B1 décrit un accumulateur électrochimique métal-ion d’architecture mono polaire, c’est-à-dire, doté d’une seule cellule électrochimique. La structure de cette cellule unique est conçue pour permettre de miniaturiser l’accumulateur et de le rendre souple afin de pouvoir l'intégrer directement dans des objets, en particulier, dans des appareils électroniques.

Cependant, l’architecture mono polaire de cet accumulateur n’est ni adaptée, ni destinée à gérer globalement les problèmes de déformation des nombreuses cellules conditionnées à l’intérieur d’une batterie de véhicule automobile.

Dans ce contexte, l'invention vise à résoudre les problèmes techniques posés par les batteries antérieures en proposant une architecture spécifique qui permet de répartir de façon optimale les points de contraintes mécaniques entre toutes les cellules intégrées dans la batterie.

Ce but est atteint, selon l’invention, au moyen d’une cellule électrochimique comprenant, d’une part, un empilage de feuilles contenant, chacune, un ensemble constitué d’une électrode positive et d’une électrode négative, de leur collecteur de courant associé et d’au moins un séparateur électriquement isolant, ledit ensemble étant imprégné d’un électrolyte et, d’autre part, une enveloppe extérieure renfermant ledit empilage et au travers de laquelle lesdits collecteurs font saillie, caractérisé en ce que ladite enveloppe est sous forme d’un parallélépipède rectangle pourvu, sur deux côtés opposés, d’au moins un créneau délimité latéralement par au moins un bord rectiligne qui est destiné à s’imbriquer dans les créneaux correspondant d’enveloppes de cellules identiques.

Selon une caractéristique avantageuse de la cellule de l’invention, l’enveloppe comprend deux bords rectilignes de part et d’autre du créneau et la longueur du fond des créneaux correspond à la somme de la longueur des bords rectilignes.

De préférence, les flancs latéraux des créneaux sont chanfreinés et les bords rectilignes ont même longueur.

Selon une autre caractéristique avantageuse de la cellule de l’invention, l’empilage remplit tout l’espace intérieur de l’enveloppe.

Selon encore une autre caractéristique de la cellule de l’invention, les feuilles de l’empilage sont disposées parallèlement à l’épaisseur de l’enveloppe.

Selon une première variante de réalisation de la cellule de l’invention, les feuilles de l’empilage sont juxtaposées.

Selon une autre variante de réalisation de la cellule de l’invention, les l’empilage est constitué d’une seule feuille repliée sur elle-même.

Un autre objet de l’invention est une batterie électrique contenant une série de cellules électrochimiques telles que décrites ci-dessus qui sont imbriquées les unes dans les autres en quinconce.

Encore un autre objet de l’invention est un véhicule automobile pourvu d’au moins une batterie électrique tel que définie ci-dessus.

Ainsi, dans son principe, l’invention propose une solution simple et efficace pour contrer les déformations des cellules et préserver l’intégrité et la fiabilité de la batterie au cours du temps.

L’architecture spécifique de la cellule de l’invention apporte une amélioration significative de la structure mécanique globale du pack batterie.

Cette architecture permet également de s’affranchir de l’utilisation d’éléments rapportés de rigidification pour maintenir les cellules en contact les unes avec les autres en cas de déformations et de sollicitations ou de décalages des cellules au sein de la batterie.

Ainsi, l’imbrication des cellules proposée par l’invention constitue une garantie de maintien mécanique de l’assemblage et permet d’éviter un éventuel désordre résultant du déplacement relatif sous contraintes de toutes les cellules.

L’homogénéisation des forces et contraintes mécaniques s’exerçant lors du cyclage (alternance de charges et de décharges) augmente aussi la sécurité et la longévité des cellules et donc celle de la batterie.

En outre, l’invention permet d’optimiser la compacité des batteries et la densité volumique du pack.

Par ailleurs, la fabrication des batteries de traction destinées à des véhicules à motorisation électrique impliquant l’assemblage de centaines, voire de milliers, de cellules de batteries, l’homogénéité mécanique résultant de l’imbrication de ces nombreuses cellules est donc d’un intérêt crucial. En effet, il suffit d’un seul déséquilibre mécanique dû à l’apparition de déformations locales pour rendre la batterie inutilisable. Par conséquent, la présente invention contribue à une prévention des risques de panne et à une augmentation de la qualité des batteries sur le long terme.

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui va suivre, en référence aux figures annexées, pour lesquelles :

est une vue en perspective d’un premier mode de réalisation d’une cellule électrochimique selon l’invention.

est une vue latérale de la cellule électrochimique de la depuis un côté de l’enveloppe comportant les créneaux.

est une seconde vue latérale de la cellule électrochimique de la depuis un côté de l’enveloppe ne comportant pas de créneau.

est une vue en perspective d’un second mode de réalisation d’une cellule électrochimique selon l’invention.

est une vue latérale de la cellule électrochimique de la depuis un côté de l’enveloppe comportant deux créneaux.

est une vue partielle de dessus d’un pack de batterie contenant une série de cellules électrochimiques selon l’invention dont trois seulement sont représentées.

est une vue de dessus d’un assemblage par imbrication d’une première variante de réalisation de cellules selon l’invention dont trois seulement sont représentées.

est une vue de dessus d’un assemblage par imbrication d’une seconde variante de réalisation de cellules selon l’invention dont trois seulement sont représentées.

est une vue de dessus d’un assemblage par imbrication d’une troisième variante de réalisation de cellules selon l’invention dont trois seulement sont représentées.

est une vue de dessus d’un assemblage par imbrication d’une quatrième variante de réalisation de cellules selon l’invention dont trois seulement sont représentées.

est une vue de dessus d’un assemblage par imbrication d’une cinquième variante de réalisation de cellules selon l’invention dont trois seulement sont représentées.

est une vue de dessus d’un assemblage par imbrication d’une sixième variante de réalisation de cellules selon l’invention dont trois seulement sont représentées.

Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures.

Naturellement, les modes de réalisation de la cellule de l’invention illustrés schématiquement par les figures présentées ci-dessus et décrites ci-après, ne sont donnés qu'à titre d’exemples non limitatifs. Il est explicitement prévu dans le cadre de l’invention que l'on puisse proposer et combiner entre eux différents modes pour en proposer d'autres.

L’invention concerne le domaine des accumulateurs d’énergie électrique ou batteries et s’intéresse, plus particulièrement, à une nouvelle architecture de cellule électrochimique destinée à la réalisation de batteries perfectionnées.

De manière connue en elle-même et comme illustré par les figures 1 et 4, les cellules électrochimiques équipant traditionnellement les batteries comprennent, d’une part, un empilage de feuilles 2 contenant, chacune, un ensemble constitué d’une électrode positive et d’une électrode négative, d’un collecteur de courant 21 associé à chaque électrode et d’au moins un séparateur électriquement isolant. Cet ensemble est imprégné d’un électrolyte et est enfermé à l’intérieur d’une enveloppe 1 extérieure au travers de laquelle les collecteurs 21 font saillie en vue d’être connectés pour alimenter des équipements électriques.

Les collecteurs 21 de la série des cellules 1 logées dans le pack batterie sont regroupés à l’extérieur du pack et l’enveloppe 1 assure l’emballage et le conditionnement étanche des feuilles 2 d’électrodes à l’intérieur du pack.

Toutefois, il a été observé que les cellules, et surtout celles dont la configuration est sensiblement plane (comme les cellules prismatiques ou les cellules dites « pouch »»), sont le siège de contraintes mécaniques importantes résultant de déformations qui apparaissent naturellement avec le temps.

Ces déformations se présentent généralement sous forme de gonflements internes localisés au centre de la cellule dans la zone où la résistance structurelle de l’enveloppe qui la contient est la plus faible. Or, ces déformations accélèrent les phénomènes de vieillissement de la cellule et ont donc tendance à favoriser des phénomènes destructifs.

Les batteries équipant les véhicules automobiles et, en particulier, les batteries de traction des véhicules à motorisation électrique, contiennent un grand nombre de cellules. Par conséquent, les déformations des cellules internes sont problématiques car elles conduisent à endommager les batteries. L’invention vise à apporter une solution à cette problématique en proposant une architecture spécifique de cellule qui permet de répartir les contraintes au sein de l’assemblage des cellules à l’intérieur de la batterie.

Comme illustré par les figures 1 et 4, cette architecture consiste à réaliser l’enveloppe 1 de la cellule sous forme d’un parallélépipède rectangle pourvu, sur deux côtés opposés, d’au moins un créneau 10 délimité latéralement par au moins un bord rectiligne 11 qui est destiné à s’imbriquer en quinconce dans les créneaux correspondant d’enveloppes de cellules identiques. Les figures 1 à 5 représentent des modes de réalisation de cellule dans lesquels chaque créneau 10 est délimité par deux bord rectilignes 11 réalisés de part et d’autre du créneau 10. Ces cellules viennent s’imbriquer comme illustré par l’assemblage de la . Ce créneau 10 peut être formé en creux comme représenté sur les figures 1 à 6 et 7 à 9 ou en saillie, comme représenté sur les figures 10 et 11.

L’enveloppe 1 peut prendre la forme d’une boîte mince dont l’épaisseur est plus ou moins faible en fonction du profil et des dimensions de l’empilage des feuilles 2 qui est destiné à y être conditionné.

Plus précisément, dans les modes de réalisation représenté ici sur les figures, la longueur du fond 10a des créneaux 10 correspond à la somme de la longueur des bords rectilignes 11. Dans le mode de réalisation préférentiel des figures 1 à 6, la longueur du fond 10a correspond ici au double de la longueur des bords rectilignes 11 de façon à obtenir un assemblage symétrique du fait que les deux bords rectilignes 11 ont même longueur.

Toutefois, il est possible de prévoir, sans sortir du cadre de l’invention, que les créneaux 10 ainsi que les bords rectilignes 11 soient asymétriques et de géométries et dimensions (longueur, largeur et, le cas échéant, épaisseur) différentes. Ainsi, les figures 7 à 10 représentent diverses variantes de réalisation possibles de la cellule de l’invention qui sont imbriquées trois par trois (les empilages de feuilles d’électrode n’y sont pas représentés).

En outre, dans le mode de réalisation des figures 1 à 6, les flancs latéraux 10b des créneaux 10 sont ici chanfreinés mais l’invention couvre aussi des variantes dans lesquelles les flancs des créneaux sont droits et perpendiculaires aux bords rectilignes 11 et permettent toujours d’assurer un assemblage imbriqué de cellules, comme illustré par les figures 7 à 10.

L’empilage de feuilles 2 remplit tout l’espace intérieur de l’enveloppe 1 de la cellule et les feuilles 2 sont disposées parallèlement à la hauteur (ou l’épaisseur) de l’enveloppe 1, comme illustré par les figures 1 à 4.

Les figures 1 à 3 représentent une première variante de réalisation de l’empilage interne de la cellule de l’invention dans laquelle toutes les feuilles 2 de l’empilage sont juxtaposées et chacune d’entre elles comporte deux collecteurs symétriques 21. Les figures 4 et 5 représentent une autre variante de réalisation de l’empilage interne de la cellule de l’invention dans laquelle cet empilage est constitué ici d’une seule feuille 2 repliée ou enroulée sur elle-même et l’empilage ne comporte alors que deux collecteurs 21.

L’invention prévoit d’ajouter, à l’intérieur de l’enveloppe 1 et de part et d’autre des créneaux 10, des feuillets d’électrode supplémentaires 2a de plus petites dimensions comme illustré par la ou des boucles 2b d’enroulement plus étroites comme illustré par la . Ainsi, l’invention porte également sur une nouvelle forme d’empilage des électrodes qui s’adapte à la forme de l’enveloppe 1 de la cellule.

Ainsi, grâce à l’invention, il devient possible d’arranger les cellules dans le pack de batterie, horizontalement ou verticalement, sans risque de glissement entre elles. Les zones de fortes contraintes mécaniques sont décalées et ne se trouvent plus les unes en face des autres comme c’est le cas lorsque les cellules sont parfaitement alignées.

Dans ces conditions, les cellules 1 sont assemblées (horizontalement sur la ) dans la batterie 3 de façon imbriquée en quinconce en étant décalées les unes par rapport aux autres. Dans cette configuration, il est ainsi possible de maîtriser la potentielle expansion du volume des enveloppes susceptible de générer des contraintes.

L’architecture de la cellule selon l’invention est globale et regroupe l’ensemble des variantes de réalisation comprenant toutes formes de feuilles électrochimiques regroupant l’ensemble comprenant les électrodes, les collecteurs de courant, le séparateur et l’électrolyte et est applicable à la fois à des cellules de profil sensiblement plat, du type à poche ou « pouch » et des cellules prismatiques ainsi qu’à tout procédé électrochimique utilisé pour le fonctionnement de la batterie.

Claims (10)

1. Cellule électrochimique comprenant, d’une part, un empilage de feuilles (2) contenant, chacune, un ensemble constitué d’une électrode positive et d’une électrode négative, de leur collecteur de courant associé et d’au moins un séparateur électriquement isolant, ledit ensemble étant imprégné d’un électrolyte et, d’autre part, une enveloppe (1) extérieure renfermant ledit empilage et au travers de laquelle lesdits collecteurs font saillie, caractérisée en ce que ladite enveloppe est sous forme d’un parallélépipède rectangle pourvu, sur deux côtés opposés, d’au moins un créneau (10) délimité latéralement par au moins un bord rectiligne (11) qui est destiné à s’imbriquer dans les créneaux correspondant d’enveloppes de cellules identiques.
2. Cellule électrochimique selon la revendication 1, caractérisée en ce que l’enveloppe (1) comprend deux bords rectilignes (11) de part et d’autre du créneau (10) et en ce que la longueur du fond (10a) des créneaux (10) correspond à la somme de la longueur des bords rectilignes (11).
3. Cellule électrochimique selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les flancs latéraux (10b) des créneaux (10) sont chanfreinés.
4. Cellule électrochimique selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les bords rectilignes (11) ont même longueur.
5. Cellule électrochimique selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit empilage de feuilles (2, 2a, 2b) remplit tout l’espace intérieur de l’enveloppe (1).
6. Cellule électrochimique selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les feuilles (2) dudit empilage sont disposées parallèlement à l’épaisseur de l’enveloppe (1).
7. Cellule électrochimique selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les feuilles (2) de l’empilage sont juxtaposées.
8. Cellule électrochimique selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l’empilage est constitué d’une seule feuille (2) repliée sur elle-même.
9. Batterie électrique (3) contenant une série de cellules électrochimiques selon l’une des revendications précédentes qui sont imbriquées les unes dans les autres en quinconce.
10. Véhicule automobile pourvu d’au moins une batterie électrique (3) selon la revendication 9.