FR3165108A1 - Procédé de fabrication d’un support traité pour batterie - Google Patents

Procédé de fabrication d’un support traité pour batterie

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un support traité pour batterie comprenant les étapes suivantes : a) déposer sur au moins une partie de la surface d’un support pour batterie au moins une première couche en un matériau inorganique ; b) déposer sur au moins une partie de la surface de ladite première couche au moins une deuxième couche en un matériau de formule (I) : MFx (I), c) mettre en contact au moins un sel de lithium de polymère, ledit polymère comprenant au moins un groupement hydroxyle et/ou au moins un groupement acide carboxylique, avec ladite deuxième couche pour former une troisième couche située sur la deuxième couche.

Description

Procédé de fabrication d’un support traité pour batterie
La présente invention concerne le domaine des batteries. Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé de fabrication d’un support traité pour batterie. L’invention porte également sur ledit support traité pour batterie. La présente invention concerne aussi une cellule de batterie comprenant ledit support traité pour batterie ou le support traité pour batterie susceptible d’être obtenu par la procédé de fabrication selon l’invention, une batterie comprenant ladite cellule de batterie, ainsi qu’un dispositif comprenant ladite batterie.
Techniques antérieures
Une cellule électrochimique de batterie électrique comprend une électrode positive dite « cathode », une électrode négative dite « anode », un électrolyte permettant la circulation des ions entre l’anode et la cathode, et des collecteurs de courant anodique et cathodique portant, respectivement, l’anode et la cathode et les reliant au circuit externe.
Les performances d’une batterie sont tributaires des propriétés de transports ionique et électronique.
Des réactions thermodynamiques sont engagées lors du premier cycle de charge de la cellule électrochimique et les premiers échanges d’ions entre les électrodes ont lieu. Des produits issus de ces réactions s’accumulent sur la surface des électrodes pour former une couche appelée interface solide-électrolyte ou couche SEI de l’anglais « Solid Electrolyte Interphase ».
Dans les batteries, par exemple les batteries lithium-ion, cette couche est un élément essentiel au bon fonctionnement de la batterie électrique car elle conduit très bien les ions lithium et présente l’avantage de stopper la décomposition catalytique du solvant de l’électrolyte liquide.
La qualité de la couche SEI conditionne la durée de vie de la batterie et sa formation est donc une étape importante.
La qualité d’une autre couche au sein de la batterie conditionne également la durée de vie de la batterie. Il s’agit de la couche de passivation.
Ces dernières années, les couches de passivations artificielles ont fait l’objet d’études poussées. En effet, il a été découvert que ces couches de passivation artificielles étaient l’une des voies les plus prometteuses pour augmenter la durée de vie de la batterie.
En particulier, la couche de passivation en un matériau à base de MFx, M désignant de manière large un élément métallique, et x valant au moins 2, appliquée par un procédé de dépôt de couches minces atomique (« Atomic Layer Deposition (ALD) » en anglais), est une couche mince et uniforme, qui permet d’améliorer la stabilité chimique et électrochimique des composants de la batterie sans perte importante de conductivité électrique. Ceci a par exemple été décrit dans la demande de brevet US 2018/233770.
Cependant, cette couche de passivation est très fine et tolère mal les modifications de volume inévitables lors des cycles de charge et de décharge des batteries. Cela entraîne l’apparition de défauts en surface et des réactions indésirables, notamment des décompositions chimiques et/ou électrochimiques) qui s’accumulent dans les sites des défauts, provoquant une dégradation de la durée de vie des batteries.
D’autres voies ont ainsi été explorées mais aucune d’entre elles n’est totalement satisfaisante.
Ainsi, il existe un besoin de développer un procédé de fabrication d’un support traité pour batterie permettant d’éviter les réactions de décompositions chimiques et/ou électrochimiques, dans le but d’améliorer la durée de vie de la batterie.
L’invention a donc pour objet un procédé de fabrication d’un support traité pour batterie comprenant les étapes suivantes :
a) déposer sur au moins une partie de la surface d’un support pour batterie au moins une première couche en un matériau inorganique ;
b) déposer sur au moins une partie de la surface de ladite première couche au moins une deuxième couche en un matériau de formule (I) : MFx(I),
dans laquelle :
M représente au moins un élément choisi parmi les métaux alcalino-terreux, les métaux de transition, les métaux de post-transition, et les métalloïdes, et
x est un nombre entier au moins égal à 2 ;
c) mettre en contact au moins un sel de lithium de polymère, ledit polymère comprenant au moins un groupement hydroxyle et/ou au moins un groupement acide carboxylique, avec ladite deuxième couche pour former une troisième couche située sur la deuxième couche.
Le procédé de fabrication du support traité pour batterie selon l’invention permet d’obtenir une excellente stabilité chimique/électrochimique en surface de la troisième couche. Par conséquent, le support traité pour batterie obtenu est tolérant aux modifications de volume durant les cycles de charge et de décharge des batteries, mais aussi en fonction de la température. Ainsi, le procédé de fabrication selon l’invention permet d’améliorer la durée de vie des batteries.
L’invention a également pour objet un support traité pour batterie. Un autre objet de l’invention est une cellule de batterie comprenant au moins un support traité pour batterie selon l’invention ou susceptible d’être obtenu par le procédé de fabrication du support traité pour batterie selon l’invention, une batterie comprenant au moins une cellule de batterie selon l’invention, ainsi qu’un dispositif comprenant au moins une batterie selon l’invention.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaitront plus clairement à l’examen de la description détaillée.
Il est précisé que l’expression « de… à… » utilisée dans la présente description de l’invention doit s’entendre comme incluant chacune des bornes mentionnées.
Comme indiqué ci-avant, le procédé de fabrication du support traité pour batterie selon l’invention comprend :
a) déposer sur au moins une partie de la surface d’un support pour batterie au moins une première couche en un matériau inorganique.
Avantageusement, le support pour batterie est un collecteur de courant anodique, un collecteur de courant cathodique, une électrode négative ou une électrode positive.
De manière particulièrement préférée, le support pour batterie est un collecteur de courant cathodique.
Un exemple de collecteur de courant cathodique est une feuille d’aluminium.
Selon un mode de réalisation préféré, la première couche est déposée sur toute la surface dudit support pour batterie.
Avantageusement, le matériau inorganique est choisi parmi Al2O3, Al, AlFyOz, dans laquelle 0 < y/z < 2/3, les alliages d’aluminium, de préférence Al2O3.
Ladite première couche en un matériau inorganique peut être déposée par toute technique connue de l’homme du métier, par exemple par un procédé de dépôt de couches minces atomique (« Atomic Layer Deposition (ALD) » en anglais), ou encore par dépôt chimique en phase vapeur (« Chemical Vapor Deposition (CVD) » en anglais).
Le procédé de fabrication du support traité pour batterie selon l’invention comprend également :
b) déposer sur au moins une partie de la surface de ladite première couche au moins une deuxième couche en un matériau de formule (I) : MFx(I),
dans laquelle :
M représente au moins un élément choisi parmi les métaux alcalino-terreux, les métaux de transition, les métaux de post-transition, et les métalloïdes, et
x est un nombre entier au moins égal à 2.
Avantageusement, M est choisi parmi Al, Mg, Ca, Cu, Cd, Fe, Mn, Ni, Pb, Sn, Sr, Xe, Zn, Al, B, Bi, Ce, Cr, Fe, In, La, Mn, Nd, VO, Y, Ce, Ge, Hf, Si, Sn, Ti, V, Zr, V, Nb, Sb, Ta, Bi, Mo, Re, S et W.
De manière particulièrement préférée, M désigne Al.
Selon un mode de réalisation particulier, x va de 2 à 6.
De manière particulièrement préférée, x est égal à 3.
Selon un mode de réalisation préféré, le matériau de formule (I) : MFx(I) est choisi parmi AlF3, MgF2, CaF2, CuF2, CdF2, FeF2, MnF2, NiF2, PbF2, SnF2, SrF2, XeF2, ZnF2, BF3, BiF3, CeF3, CrF3, FeF3, InF3, LaF3, MnF3, NdF3, VOF3, YF3, CeF4, GeF4, HfF4, SiF4, SnF4,TiF4, VF4, ZrF4, VF5, NbF5, SbF5, TaF5, BiF5, MoF6, ReF6, SF6, WF6et leurs composites.
De manière particulièrement préférée, le matériau de formule (I) : MFx(I) est le matériau AlF3.
Selon un mode de réalisation préféré, la deuxième couche est déposée sur toute la surface de ladite première couche.
Ladite deuxième couche en un matériau de formule (I) : MFx(I), peut être déposée par toute technique connue de l’homme du métier, par exemple par un procédé de dépôt de couches minces atomique ou encore par dépôt chimique en phase vapeur.
Le procédé de fabrication du support traité pour batterie selon l’invention comprend également :
c) mettre en contact au moins un sel de lithium de polymère, ledit polymère comprenant au moins un groupement hydroxyle et/ou au moins un groupement acide carboxylique, avec ladite deuxième couche pour former une troisième couche située sur la deuxième couche.
Lors de cette étape c), un sel de lithium de polymère est mis en contact avec le matériau de la deuxième couche, c’est-à-dire le matériau de formule (I) : MFx(I), tel que défini ci-avant.
La source de lithium peut être de l’hydroxyde de lithium.
Avantageusement, le polymère est choisi parmi l’acide polyacrylique et les polyalcools, de préférence l’acide polyacrylique.
Une réaction a alors lieu entre le sel de lithium de polymère et le matériau MFx, à l’issue de laquelle un agent complexant peut être obtenu. En effet, M peut alors être lié à un groupement hydroxyle et/ou au moins un groupement acide carboxylique du polymère pour former un agent complexant. En parallèle, le fluorure de lithium LiF est également produit.
Ainsi, la troisième couche est en un matériau comprenant du fluorure de lithium LiF et au moins un composé obtenu à l’issue de la réaction entre un sel de lithium de polymère et le matériau de formule (I) : MFx(I).
Ledit composé obtenu à l’issue de ladite réaction présente l’avantage d’avoir un effet chélateur. Le fluorure de lithium LiF obtenu également présente l’avantage d’être électrochimiquement stable et insoluble dans les électrolytes classiques.
Par conséquent, une double couche de passivation est obtenue sur la première couche en un matériau inorganique. Cette double couche de passivation, grâce à la nature des composés présents, permet d’obtenir une excellente stabilité chimique et électrochimique en surface de la troisième couche.
Ladite troisième couche peut être déposée par toute technique connue de l’homme du métier, par exemple par une méthode sol-gel ou encore par pulvérisation.
L’invention a également pour objet un support traité pour batterie comprenant :
- au moins une première couche située sur au moins une partie de la surface dudit support pour batterie en un matériau inorganique ;
- au moins une deuxième couche située sur au moins une partie de la surface de la première couche, en un matériau de formule (I) : MFx(I),
dans laquelle :
M représente au moins un élément choisi parmi les métaux alcalino-terreux, les métaux de transition, les métaux de post-transition, et les métalloïdes, et
x est un nombre entier au moins égal à 2 ;
- au moins une troisième couche en un matériau comprenant du fluorure de lithium et au moins un composé obtenu à l’issue de la réaction entre un sel de lithium de polymère et le matériau de formule (I) : MFx(I), ledit polymère comprenant au moins un groupement hydroxyle et/ou au moins un groupement acide carboxylique.
De préférence, les différents modes de réalisation décrits ci-avant pour le procédé de fabrication du support traité pour batterie sont également valables pour le support traité pour batterie, lorsque cela s’applique.
Un autre objet de l’invention est une cellule de batterie comprenant au moins un support traité pour batterie selon l’invention ou susceptible d’être obtenu par le procédé de fabrication du support traité pour batterie selon l’invention, de préférence obtenu par le procédé de fabrication du support traité pour batterie selon l’invention.
Un autre objet de la présente invention est une batterie comprenant au moins une cellule de batterie telle que définie ci-avant.
La présente invention concerne aussi un dispositif comprenant au moins une batterie telle que définie ci-avant.
Ledit dispositif peut être tout système embarquant une batterie, tel que par exemple un véhicule roulant électrique ou électrifié, notamment un bus, un scooter, une moto, un dispositif électronique, un dispositif portable.
La présente invention est illustrée de manière non-limitative par les exemples suivants.
Exemples
Un exemple d’un collecteur de courant cathodique est une feuille d’aluminium, qui est utilisée dans la suite ci-dessous.
Une première couche en alumine est ensuite déposée sur la surface de la feuille d’aluminium par toute technique connue de l’homme du métier, notamment par un procédé de dépôt de couches minces atomique.
Puis, une deuxième couche en AlF3est déposée sur la surface de la première couche en alumine. Ladite deuxième couche en AlF3est déposée par toute technique connue de l’homme du métier, notamment par un procédé de dépôt de couches minces atomique.
Un sel de lithium d’acide polyacrylique est ensuite mis en contact avec ladite deuxième couche.
Le sel de lithium d’acide polyacrylique est obtenu à l’issue d’une réaction mettant en œuvre de l’hydroxyde de lithium et de l’acide polyacrylique en solution aqueuse. A la fin de la réaction, le sel de lithium d’acide polyacrylique est purifié par recristallisation.
Le sel de lithium d’acide polyacrylique, en solution aqueuse, est ensuite pulvérisé à la surface de la deuxième couche. L’eau est rapidement retirée après la pulvérisation par mise sous vide, par application de chaleur ou par pressage à chaud.
Ainsi, le sel de lithium d’acide polyacrylique est mis en contact avec la deuxième couche en AlF3, et une réaction se produit.
Du fluorure de lithium LiF et un agent complexant sont ainsi obtenus. En effet, comme l’aluminium peut se coordonner avec de multiples atomes d’oxygène du sel de lithium d’acide polyacrylique, il peut jouer le rôle d’un réticulant. L’agent complexant présente l’avantage d’avoir un effet chélateur. Le fluorure de lithium présente de son côté l’avantage d’être électrochimiquement stable et insoluble dans les électrolytes classiques.
Par conséquent, une double couche de passivation est obtenue sur la première couche en alumine. Cette double couche de passivation, grâce à la nature des composés présents, permet d’obtenir une excellente stabilité chimique et électrochimique en surface de la troisième couche, rendant ainsi le support traité pour batterie obtenu tolérant aux modifications de volume durant les cycles de charge et de décharge des batteries. Ainsi, grâce à cette double couche de passivation, la durée de vie des batteries est améliorée.

Claims (10)

  1. Procédé de fabrication d’un support traité pour batterie comprenant les étapes suivantes :
    a) déposer sur au moins une partie de la surface d’un support pour batterie au moins une première couche en un matériau inorganique ;
    b) déposer sur au moins une partie de la surface de ladite première couche au moins une deuxième couche en un matériau de formule (I) : MFx(I),
    dans laquelle :
    M représente au moins un élément choisi parmi les métaux alcalino-terreux, les métaux de transition, les métaux de post-transition, et les métalloïdes, et
    x est un nombre entier au moins égal à 2 ;
    c) mettre en contact au moins un sel de lithium de polymère, ledit polymère comprenant au moins un groupement hydroxyle et/ou au moins un groupement acide carboxylique, avec ladite deuxième couche pour former une troisième couche située sur la deuxième couche.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support pour batterie est un collecteur de courant anodique, un collecteur de courant cathodique, une électrode négative ou une électrode positive.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau inorganique est choisi parmi Al2O3, Al, AlFyOz, dans laquelle 0 < y/z < 2/3, les alliages d’aluminium, de préférence Al2O3.
  4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que M est choisi parmi Al, Mg, Ca, Cu, Cd, Fe, Mn, Ni, Pb, Sn, Sr, Xe, Zn, Al, B, Bi, Ce, Cr, Fe, In, La, Mn, Nd, VO, Y, Ce, Ge, Hf, Si, Sn, Ti, V, Zr, V, Nb, Sb, Ta, Bi, Mo, Re, S et W.
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que x va de 2 à 6.
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le polymère est choisi parmi l’acide polyacrylique et les polyalcools, de préférence l’acide polyacrylique.
  7. Support traité pour batterie comprenant :
    - au moins une première couche située sur au moins une partie de la surface dudit support pour batterie en un matériau inorganique ;
    - au moins une deuxième couche située sur au moins une partie de la surface de la première couche, en un matériau de formule (I) : MFx(I),
    dans laquelle :
    M représente au moins un élément choisi parmi les métaux alcalino-terreux, les métaux de transition, les métaux de post-transition, et les métalloïdes, et
    x est un nombre entier au moins égal à 2 ;
    - au moins une troisième couche en un matériau comprenant du fluorure de lithium et au moins un composé obtenu à l’issue de la réaction entre un sel de lithium de polymère et le matériau de formule (I) : MFx(I), ledit polymère comprenant au moins un groupement hydroxyle et/ou au moins un groupement acide carboxylique.
  8. Cellule de batterie comprenant au moins un support traité pour batterie tel que défini à la revendication précédente ou susceptible d’être obtenu par le procédé de fabrication tel que défini à l’une quelconque des revendications 1 à 6.
  9. Batterie comprenant au moins une cellule de batterie telle que définie à la revendication 8.
  10. Dispositif comprenant au moins une batterie telle que définie à la revendication 9.
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