WO2025068450A1 - Dispositif de stockage d'energie electrique presentant une architecture perfectionnee, procede de fabrication et ensemble de consommation d'energie correspondants - Google Patents

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WO2025068450A1 PCT/EP2024/077195 EP2024077195W WO2025068450A1 WO 2025068450 A1 WO2025068450 A1 WO 2025068450A1 EP 2024077195 W EP2024077195 W EP 2024077195W WO 2025068450 A1 WO2025068450 A1 WO 2025068450A1
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electrical
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storage device
electrical energy
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Fabien Gaben
Ian Cayrefourcq
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I Ten SA
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Definitions

  • the present invention relates to devices for storing electrical energy. It firstly relates to a new architecture for these devices, which in particular gives them improved power. The invention also relates to a method for manufacturing these electrical energy storage devices. Finally, it relates to an electrical energy consuming assembly, which is equipped with such a device for storing this electrical energy.
  • the electrical energy storage devices are intended to be associated with electronic circuits. These devices are then capable of performing various functions: in particular the power supply of these circuits, communication with autonomous devices, or even the emergency power supply ("power back up") of real-time clocks.
  • an electrical energy storage device designates in particular a battery, in particular in thin layers, in particular with lithium, sodium or potassium ions. Mention will also be made of the different types of capacitors and supercapacitors.
  • Such an electrical energy storage device firstly comprises an electrical energy storage module, typically formed by an alternating stack of different layers of electrodes, which are separated by an electronic insulating separator.
  • an electrical energy storage module typically formed by an alternating stack of different layers of electrodes, which are separated by an electronic insulating separator.
  • an electrical energy storage module typically formed by an alternating stack of different layers of electrodes, which are separated by an electronic insulating separator.
  • the separator is capable of conducting solvated ions in the electrolyte in contact with the anodes and cathodes.
  • the separator is capable of conducting solvated ionic charge carriers coming from the electrolyte, under the influence of an electric field.
  • collectors of current which will also be called “electrodes” in the context of the present invention.
  • Li 4 Ti 5 O 12 does not deteriorate when in contact with the atmosphere or traces of water.
  • the excess lithium inserted (x) is sensitive to the atmosphere and reacts spontaneously with traces of water to form LiOH. This reacted lithium is then no longer available for electricity storage, leading to a loss of battery capacity.
  • a first solution is to integrate the aforementioned stack into a metal case; these devices are called button cells.
  • Metals are indeed among the most impermeable materials, both with regard to water permeation and atmospheric gas.
  • encapsulation technologies are bulky, so they lead to the production of components that do not meet miniaturization requirements.
  • the components In order to reduce manufacturing costs, it is particularly preferred to be able to automatically mount electronic components on electronic circuits.
  • the components must be compatible with so-called "SMD" (Surface Mounted Components) processes. In other words, they must be capable of being mounted using robotic "pick and place” processes, then assembled by reflow or "solder reflow".
  • SMD Surface Mounted Components
  • QFN Quad Flat No-Leads
  • DFN Dual Fiat No-Leads
  • FR-A-3 068 830 describes an encapsulation system for a battery comprising an alternating stack of anodes and cathodes.
  • This system is formed by three successive layers, the first of which is composed of an electrically insulating material deposited by ALD (Atomic Layer Deposition).
  • a second covering layer, comprising parylene, is arranged on the first covering layer, while a third covering layer is deposited on this second layer so as to protect it in particular from oxygen.
  • WO 2021/130 688 provides for the stack formed by the anodes and the cathodes to cooperate with an electrical connection support.
  • the latter has two mutually distant connection regions, which are insulated by an intermediate sole.
  • the stack lies flat on the support, namely that these constituent layers are parallel to the planes of the support.
  • conductive adhesive pads are provided on the opposite side faces of the stack.
  • Such a very thick stack does not lend itself conveniently to the creation of through passages allowing the introduction of conductive means, according to the teaching of WO-A-2021/130697 in the name of the applicant.
  • the device of storage particularly of the battery type, can thus have a limit thickness, beyond which it can no longer be crossed.
  • the present invention aims to remedy at least in part certain drawbacks of the prior art mentioned above.
  • the invention also aims to propose such an electrical energy storage device which, while being very compact, lends itself easily to mass production processes.
  • a first object of the invention which is an electrical energy storage device, in particular of the battery, capacitor or supercapacitor type, comprising
  • each separator separating a first electrode and an adjacent second electrode, both the first electrode and the second electrode each comprising a main body, a secondary body and a so-called free space, which is free at least of any electrode material and/or any current collector substrate, each free space separating a respective main body and a secondary body
  • this storage module comprising so-called opposite front faces, which are parallel to the planes of the different electrodes, as well as so-called side faces, which are in particular opposed two by two,
  • an electrical connection support made at least partly of a conductive material, comprising a first electrical connection region and a second electrical connection region which are electrically insulated from each other,
  • the electrical energy storage module rests, by one of its lateral faces, called the lateral contact face, on a front face called the receiving face, of the electrical connection support,
  • the different second electrodes being in contact, by one of their longitudinal edges, with the second contact member.
  • Such an electrical energy storage device makes it possible in particular to avoid increasing the risks of loss of electrical contact. Given the positioning of the storage module, the current coming from the electrodes can be collected very satisfactorily, regardless of the size of this storage module. Thus, in particular because the electrical energy storage module rests, by one of its lateral faces, called the lateral contact face, on a front face called the receiving face, of the electrical connection support, such an electrical energy storage device guarantees a totally satisfactory quality of electrical contact.
  • the electrical contact is of the planar type, and the impregnation can be carried out after mounting the storage module on its support.
  • "one next to the other" can spatially mean “one above the other”.
  • the electrical connection support is generally flat
  • the main plane (P5) of the support (5) and the main median plane (P2) of the storage module (2) are mutually oblique, preferably have a mutual angle between 30° and 90°, preferably between 45° and 90°, more preferably between 75° and 90°, in particular are mutually perpendicular;
  • each of the free spaces (33, 43) opens, by a first end (331, 431), onto the front receiving face (51) of the support and, by a second end (332, 432), opposite said front receiving face;
  • each free space (33, 43) is located at a distance from the electrical contact member (60, 61) adjacent to this first end;
  • each electrical contact member (60, 61) is capable of providing an additional mechanical connection function between the storage module and the support;
  • the electrical contact member is made of a conductive adhesive material
  • the electrical contact member has a thickness (e60) of less than 100 pm (microns or micrometers);
  • each first electrode or of each second electrode, comprises a through branch (2330) connecting the longitudinal edges of said electrode as well as an auxiliary branch (2331) connecting the through branch with the transverse edge (2304) opposite said electrode, the auxiliary branch separating the main body (2031) from a so-called tertiary body (2035) while the through branch separates the secondary body (2032) from both the main body and the tertiary body;
  • each first electrode is a first polarity electrode, while each second electrode is a second polarity electrode;
  • this device is a battery, the separator being made of an electronically insulating but ionically conductive material, the energy storage module further comprising a liquid electrolyte impregnating at least part of the electrodes and/or the separator;
  • this device is a pseudo-capacitor, a lithium ion hybrid supercapacitor, a sodium ion hybrid supercapacitor, a potassium ion hybrid supercapacitor, a lithium ion battery, a sodium ion battery, a potassium ion battery, the separator being made of an electronic insulating material but conducting electrical charges;
  • this device is a capacitor, preferably chosen from a Metal-Insulator-Metal (MIM) type capacitor and multilayer capacitors, each first electrode and each second electrode being a current collector;
  • MIM Metal-Insulator-Metal
  • this device further comprises a mechanical protection system (707), providing mechanical protection at least with regard to the storage module;
  • this device further comprises an encapsulation system (7; 607), in particular merged with the mechanical protection system, the encapsulation system ensuring protection with regard to the sealing of both the storage module and the electrical connection support;
  • said encapsulation system (7) covers the opposite front faces (21, 22) of the storage module, the lateral face (24) of the storage module opposite the lateral contact face, the two other lateral faces (25, 26) of the storage module, at least in part the first electrical contact member (60), at least in part the second electrical contact member (61), as well as at least in part the receiving face (51) of said electrical connection support (5);
  • this device further comprises a mechanical stiffening system (8), covering the encapsulation system opposite the electrical connection support (5);
  • the front faces of the electrical connection support are the two opposite faces of the electrical connection support having the largest surface area
  • the first electrical contact member ensures the electrical connection between the main body of the first electrode and the first electrical connection region
  • the second electrical contact member ensures the electrical connection between the main body of the second electrode and the second electrical connection region
  • the invention also relates to a method of manufacturing a device such as above, said method comprising:
  • the blank is impregnated by making the electrolyte flow by gravity (G509, H509);
  • the invention finally relates to an electrical energy consuming assembly (1000) comprising a body (1002), an energy consuming element (1004) as well as at least one electrical energy storage device (1) above, said electrical energy storage device (1) being capable of supplying electrical energy to said electrical energy consuming element (1004), and said electrical connection support (5) of said electrical energy storage device being fixed to said body.
  • - it comprises at least two energy storage devices which are placed on a single electrical connection support and are connected in series and/or in parallel, said at least two energy storage devices being advantageously covered by means of a single encapsulation system, and/or a single mechanical protection system; - it comprises an additional electronic component, placed on a single electrical connection support with the electrical energy storage device, this electronic component and this energy storage device being advantageously covered by means of a single encapsulation system, and/or a single mechanical protection system.
  • FIG. 1 is a front view illustrating a battery, forming an electrical energy storage device according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a side view schematically illustrating a support and an electrical energy storage module belonging to the battery shown in the previous figure.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating, in an exploded and broken-away manner, some of the constituent elements of the battery of the preceding figures.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating on a larger scale, according to zoom IV in Figure 3, the contact between a support and main bodies of different anodes belonging to the battery of the previous figures.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating on a larger scale, according to zoom V in Figure 3, the contact between a support and main bodies of different cathodes belonging to the battery of the previous figures.
  • FIG. 6 is a front view illustrating on a larger scale, according to arrow VI in Figure 3, the electrical energy storage module belonging to the battery of the previous figures.
  • FIG. 7 is a top view illustrating on a larger scale, according to arrow VII in Figure 3, the electrical energy storage module belonging to the battery of the previous figures.
  • FIG. 8 is a top view, illustrating a frame involved in the manufacture of the battery of the preceding figures.
  • FIG. 9 is a longitudinal sectional view, illustrating some of the constituent elements of the battery, put in place at the end of a first step of a method of manufacturing the battery according to the invention.
  • FIG. 10 is a longitudinal sectional view, illustrating the various constituent elements of the battery, put in place at the end of a second stage of a method of manufacturing the battery in accordance with the invention.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view, illustrating the various constituent elements of the battery, put in place at the end of a third stage of a manufacturing process of the battery in accordance with the invention.
  • FIG. 12 is a longitudinal sectional view, illustrating the various constituent elements of the battery, put in place at the end of a fourth step of a method of manufacturing the battery in accordance with the invention.
  • FIG. 13 is a longitudinal sectional view, illustrating the various constituent elements of the battery, put in place at the end of a fifth step of a method of manufacturing the battery in accordance with the invention.
  • FIG. 14 is a schematic view, illustrating the integration of an electrical energy storage device according to the invention in an energy consuming assembly.
  • FIG. 15 is a side view, similar to Figure 2, schematically illustrating a support and an electrical energy storage module according to the prior art.
  • FIG. 16 is a front view similar to Figure 6, illustrating an electrical energy storage module according to an alternative embodiment of the invention.
  • FIG. 17 is a top view, illustrating a cutting step occurring in a first method of manufacturing the storage module of Figure 16.
  • FIG. 18 is a top view, similar to Figure 17, illustrating a cutting step occurring in a second method of manufacturing the storage module of Figure 16.
  • FIG. 19 is a side view, similar to Figure 2, schematically illustrating another type of electrical energy storage device according to the invention.
  • FIG. 20 is a side view, similar to Figure 2, schematically illustrating another type of electrical energy storage device according to the invention.
  • FIG. 21 is a side view, similar to Figure 2, schematically illustrating another type of electrical energy storage device according to the invention.
  • conductor used as a noun or adjective, here means: “electronic conductor”.
  • electrode is used here in a general sense (as in the French language dictionary “LeEUR Petit Robert”, published in June 1996) and designates a conductor through which the electric current "arrives or leaves passed in a medium where it is to be used”.
  • the term “electrode” includes in particular electronic and/or ionic conductors subject to electrochemical reactions; nevertheless the presence of electrochemical reactions is not required for the purposes of the invention, so that the term “electrode” as used here also designates, for example, the conductors in a capacitor (for which other terms may be used, depending on the type of capacitor, such as the term “plate” in the case of a plate capacitor).
  • the present invention relates to an electrical energy storage device, in particular of the battery, capacitor or supercapacitor type, comprising an energy storage module. It can be applied to a wide variety of types of batteries, capacitors and supercapacitors. In the following, the invention will be presented mainly in relation to electrochemical systems based on lithium ions, but it can also be implemented with electrochemical systems based on sodium or potassium ions, for example.
  • Li-lon technologies there are, in addition to lithium ion battery systems (LiB, Li-lon Batteries), lithium ion capacitors (LIC, Li-lon Capacitors), lithium-sulfur (LiS) batteries and capacitors, and lithium-air (Li-O 2 ) batteries and capacitors.
  • LiB lithium ion battery systems
  • LIC lithium ion capacitors
  • LiS lithium-sulfur
  • Li-O 2 lithium-air batteries and capacitors.
  • Sodium technologies there are, in addition to sodium ion battery systems (SI B, Sodium-ion Batteries), sodium ion capacitors (SIC, Sodium-Ion Capacitor), sodium-sulfur batteries and capacitors (NaS), sodium-air batteries and capacitors (Na-O 2 ).
  • SI B sodium-ion Battery systems
  • SIC sodium-Ion Capacitor
  • NaS sodium-sulfur batteries and capacitors
  • Na-O 2 sodium-air batteries and capacitors
  • the electrochemical performances are adjusted by the choice of the transition metals MT and M 2 '.
  • MT and M 2 ' can be identical.
  • MT can be an alloy of different transition metals.
  • the transition metals used are taken for example from Fe, Ni, Co, Mn.
  • Anodes based on alloys can be used, these alloys preferably being based on Si, Ge, Sn, Sb, Bi, P, and alloys of these different compounds can be used.
  • Conversion anodes can be used, formed in particular from the following materials:
  • each anode or cathode comprises an anode active layer, respectively a cathode active layer.
  • Each of these active layers may be solid, i.e. of a dense or porous nature.
  • the stack 2 once produced successively comprises at least one anode sheet, at least one layer of an electrolyte material or a separator impregnated with an electrolyte, and at least one cathode sheet.
  • this stack comprises between 10 and 100 anode and cathode sheets, arranged alternately as described above.
  • each anode 3 comprises a main body 31, also called primary body, as well as a secondary body 32.
  • These bodies respectively main and secondary are separated by a so-called free space 33, which is free of any electrode material, as well as of any current collector substrate.
  • the free space 33 extends transversely, connecting the so-called longitudinal edges 301 and 302 of the anode.
  • Each longitudinal edge 301, 302 is formed by a longitudinal edge 311, 321 of the main body, as well as a longitudinal edge 312, 322 of the secondary body.
  • 303 and 304 denote the so-called transverse edges of the anode 3, corresponding to the edges of the bodies 31 and 32 opposite each free space.
  • the front faces 51, 52 of the electrical connection support 5 are the two opposite faces of the electrical connection support 5 having the largest surface area.
  • This support 5 comprises openings 53 and 54 (see FIG. 1) delimiting a central sole 55 as well as two opposite lateral strips 56 and 57.
  • the different regions 55, 56 and 57 of this support are, consequently, mutually electrically insulated.
  • the lateral strips 56 and 57 comprise mutually electrically insulated pads 58, 59 which, as detailed below, are capable of collecting the current from the battery.
  • the electrical insulation is achieved by providing the aforementioned openings 53 and 54 which, as will be seen below, are filled with a stiffening material.
  • these openings are filled with by means of a non-conductive material, for example polymers, ceramics, glasses.
  • the geometric positioning of the stack 2 is chosen specifically.
  • the main median plane P2 of this stack extends substantially perpendicularly, relative to the plane P5 of the support 5.
  • the stack 2 is consequently placed vertically.
  • this stack rests on the support 5 via its lateral face 23, which rests on the upper front face 51 of the support.
  • the stack 2 is formed of n anodes 3a to 3n, as well as n cathodes 4a to 4n. As variants not shown, it can be provided that this stack is formed either of n+1 anodes and n cathodes, or of n anodes and n+1 cathodes.
  • Figure 2 schematically illustrates the whole of this stack, mounted on the support 5, without showing the encapsulation system 7.
  • This stack 2 is electrically connected to the support by means of cords 60 and 61, forming respectively anodic and cathodic contact members.
  • cords 60 and 61 are made of a suitable conductive material, advantageously ensuring an additional mechanical fixing function.
  • these cords are made in particular of a conductive glue such as, for example, a graphite glue, a glue loaded with metallic nanoparticles (Au, Cu, Al).
  • the metallic charges can be different for the anode and the cathode (typically Al for the cathode, Cu for the anode).
  • Figures 4 and 5 which correspond to much larger scale views of details IV and V of Figure 3, illustrate the cooperation of stack 2 with the first 60 and second 61 cords.
  • 3a, 3b and 3c denote the first three anodes of the stack, which are separated two by two by the first three cathodes 4a, 4b and 4c.
  • each main body 31a, 31b and 31c is in contact with the cord 60. More precisely, as shown in particular in FIG. 4, each main body rests on the cord 60 via its respective longitudinal edge 311a, 311b and 311c. This allows the collection of the electrical energy produced, from these main anode bodies towards this anode cord 60. Furthermore, as shown in particular in FIG. 5, the secondary anode bodies 32a, 32b and 32c rest on the other cord 61, or cathode cord.
  • the main bodies 31a to 31c are not in contact with this cathode cord 61. This makes it possible, in particular, to avoid the occurrence of short circuits.
  • the main bodies 41a, 41b and 41c of the cathodes are in contact with the cathode cord 61, via their respective longitudinal edges 411a, 411b and 411c (see more particularly FIG. 5). This allows the collection of the electrical energy produced, from these main cathode bodies towards this cathode cord 61.
  • the secondary cathode bodies 42a, 42b and 42c rest on the anode cord 60.
  • the main cathode bodies 41a to 41c are advantageously not in contact with this anode cord 60, in particular to avoid short circuits.
  • a layer of non-conductive glue may be provided, represented by the dotted arrow 62 (see in particular figure 1).
  • This layer typically formed by means of a non-conductive glue, in particular of the epoxy or acrylate type, makes it possible to consolidate the fixing between the support and the stack.
  • it may be provided to replace this non-conductive glue by means of a weld, also not shown.
  • the thickness of this layer 62 is typically between 5 and 100 ⁇ m, in particular close to 50 ⁇ m. According to the main plane of the support 5, this layer at least partially covers the openings 53 and 54 above, so as to mutually insulate the anodic and cathodic contact members.
  • these cords 60 and 61 can be made of a material other than a conductive adhesive.
  • a material other than a conductive adhesive For example, ultrasonic welding or the like will be mentioned, or any other suitable means capable of providing a conductive function as well as, where appropriate, a mechanical fixing function. It will be noted that the welding can provide a mechanical function, in addition to its conductive function. If a means makes it possible to provide a conductive function but not a mechanical function, the mechanical fixing between the stack and the support is then provided by the layer of adhesive 62 which, in this case, is not optional.
  • This encapsulation system 7 can be made of any material, making it possible to ensure a sealing function.
  • this function is ensured by any encapsulation system which preferably has a water vapor permeance (WVTR coefficient or “WVTR”) of less than 10 -5 g/m 2 .d.
  • WVTR coefficient water vapor permeance
  • the measurement of the water vapor permeance can be carried out using a method which is the subject of US 7,624,621 and which is also described in the publication “Structural properties of ultraviolet cured polysilazane gas barrier layers on polymer substrates” by A. Morlier et al., published in the journal Thin Solid Films 550 (2014) 85-89. The lower the WVTR coefficient, the more the encapsulation system is sealed.
  • Said encapsulation system advantageously comprises one or more layers which have been deposited from a vapor phase, and preferably by a technique selected from the group formed by: atomic layer deposition (ALD), plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD), high-density plasma chemical vapor deposition (HDPCVD).
  • ALD atomic layer deposition
  • PECVD plasma-enhanced chemical vapor deposition
  • HDPCVD high-density plasma chemical vapor deposition
  • a dense inorganic film deposited by ALD, PECVD or HDPCVD with a thickness of less than 5 pm and preferably less than 2 pm.
  • the inorganic film can in particular be made of SiO 2 , Si 3 N 4 , SiC, Ta 2 O 5 , amorphous Si or AI 2 O 3 ; a succession of inorganic films with a total thickness of less than 5 pm and preferably less than 2 pm.
  • These inorganic films may in particular be made of SiO 2 , Si 3 N 4 , SiC, Ta 2 O 5 , amorphous Si or AI 2 O 3 and may be deposited, taking into account their chemical nature, using any suitable dry or wet technique (such as: PECVD, PVD, ALD, Spray coating + UV conversion, Sol-gel, etc.); a succession of organic and inorganic films with an individual thickness of less than 20 pm and preferably less than 10 pm.
  • the inorganic films may be made of SiO 2 , Si 3 N 4 , SiC, amorphous Si, and may be deposited, taking into account their chemical nature, using any suitable dry or wet technique (such as: PECVD, PVD, ALD, Spray coating + UV conversion, Sol-gel).
  • Organic films can be polymer films (notably polyvinylidene fluoride (abbreviated PVDF), parylene, acrylate).
  • the battery according to the invention as shown in Figure 1 is equipped with a stiffening system, designated as a whole by the reference 8.
  • This stiffening system covers the entire encapsulation system 7, opposite the support 5. It also covers at least part and, advantageously as in the example illustrated, the entire front face of the support 5.
  • the encapsulation material 7 also advantageously occupies the openings 53, 54 of the support 5.
  • the stiffening material 8 also advantageously fills these openings, by being intimately linked to the encapsulation material.
  • the references 7 and 8, as well as 53 and 54, have been given in the same areas corresponding to these openings, in order to visualize their filling by these various materials.
  • This stiffening system 8 can be made of any material, making it possible to ensure this mechanical rigidity function.
  • a resin will be chosen, for example, which may consist of a simple polymer or a polymer loaded with inorganic fillers.
  • the polymer matrix may be from the family of epoxy, acrylates, fluorinated polymers for example, the fillers may consist of particles, flakes or glass fibers.
  • this stiffening system 8 can provide an additional moisture barrier function.
  • a low-melting glass would be chosen, for example, to ensure mechanical strength and an additional moisture barrier.
  • This glass can be selected, for example, from the group formed by the following systems: SiO 2 -B 2 O 3 , Bi 2 O 3 -B 2 O 3 , ZnO-Bi 2 O 3 -B 2 O 3 , TeO 2 -V 2 O 5 , PbO-SiO 2 .
  • the thickness of the encapsulation system 7 is advantageously very small, typically less than 50 ⁇ m, in particular less than 40 ⁇ m, in particular less than 30 ⁇ m, preferably less than 20 ⁇ m, more preferably less than 10 ⁇ m.
  • the stiffening system 8 has a thickness much greater than that of the encapsulation system 7.
  • E8 denotes the smallest thickness of this stiffening system, at the level of the covering of the front face of the stack.
  • This thickness E8 can be between approximately 20 ⁇ m and approximately 750 ⁇ m, preferably between approximately 20 ⁇ m and approximately 600 ⁇ m, preferably between approximately 20 ⁇ m and approximately 500 ⁇ m.
  • this thickness E8 is between approximately 20 ⁇ m and approximately 250 ⁇ m, typically between approximately 40 ⁇ m and approximately 200 ⁇ m, for example close to approximately 100 ⁇ m.
  • the battery 1 according to the invention generally has the shape of a parallelepiped. 11 denotes its front or upper frontal face, 12 its rear or lower frontal face, as well as 13 to 16 its various lateral faces. Given the specific positioning of the stack 2 described above, the upper frontal face 11 of the battery 1 corresponds to the lateral face 24 of the stack. Furthermore, the lateral faces 13 and 14 of this battery 1 correspond to the opposite frontal faces 21 and 22 of the stack, while the other lateral faces 15 and 16 of the battery correspond to the other lateral faces 25 and 26 of the stack.
  • the thickness E1 (see figure 1) of the battery is for example between approximately 0.5 mm and approximately 2.5 mm, while its transverse dimensions L1 (see figure 2) and 11 (see figure 1) are for example between approximately 1 mm and approximately 4 mm.
  • the first electrical contact member 60 ensures the electrical connection between the main body 31 of the first electrode 3 and the first electrical connection region 58
  • the second electrical contact member 61 ensures the electrical connection between the main body 41 of the second electrode 4 and the second electrical connection region 59.
  • this electrical energy is then directed, from the conductive pads 58 and 59, to an energy consumption assembly of any suitable type.
  • this energy consumption device is shown schematically, being assigned the reference 1000. It comprises a body 1002, on which the lower face of the support rests. The mutual fixing between this body 1002 and the support 5 is carried out by any suitable means.
  • Said assembly 1000 further comprises an energy consuming element 1004, as well as connection lines 1006 1007 electrically connecting the regions 56 57 of the support 5 with this element 1004.
  • the control can be ensured by a component of the battery itself, and/or by a component not shown belonging to the assembly 1000.
  • This component which is of any suitable type, is for example an LDO type component (which means in English “Low Dropout Regulator”, namely a regulator with a low voltage drop).
  • such an energy consumption assembly may be an amplifier-type electronic circuit, a clock-type electronic circuit (such as an RTC (Real Time Clock) component), a volatile memory-type electronic circuit, a static random access memory (SRAM) type electronic circuit, a microprocessor-type electronic circuit, a watchdog timer-type electronic circuit, a liquid crystal display-type component, a LED (Light Emitting Diode) type component, a voltage regulator-type electronic circuit (such as a low-dropout voltage regulator circuit, abbreviated LDO, Low-dropout regulator), or a CPU (Central Processing Unit) type electronic component.
  • the electrochemical device according to the invention comprises several additional electronic components.
  • the electrochemical device according to the invention comprises several additional electronic components.
  • an RTC module which stands for "Real Time Clock” in English
  • an energy harvesting module in English “Energy Harvesting”
  • a frame 505 is advantageously used, which is intended to form a plurality of supports 5.
  • This frame 505, which is shown on a large scale in Figure 8, is similar to that described in particular in Figure 2 of WO 2021/130 688. It has a peripheral edge 550, as well as a plurality of preforms 551, each of which allows the manufacture of a respective battery.
  • Each preform comprises a central area 555, intended to form the sole 55, as well as two lateral blocks 556 and 557 intended to form the strips 56 and 57 respectively.
  • the area and the blocks are mutually separated by slots 553 and 554, which are intended to form the openings 53 and 54.
  • the different preforms are immobilized, both relative to each other, as well as relative to the peripheral edge, by means of different rods, respectively horizontal 558 and vertical 559.
  • a respective dose 560, 561 of conductive glue is deposited on each lateral block 556 and 557, intended to form the cords 60, 61.
  • an additional dose of non-conductive glue can also be deposited on each area 555, intended to form the optional layer 62.
  • a liquid electrolyte which is advantageously an ionic liquid.
  • a nozzle (not shown in the figures) of a type known per se is typically used. This nozzle is adapted to deliver droplets 509 of ionic liquid whose size, typically nanoscopic, allows this impregnation.
  • the ionic liquid, forming the electrolyte is supplied at the level of the lateral face 24' of the blank 2'. In this way, the impregnation towards the mesopores, which is typically carried out by capillarity, is facilitated under the effect of gravity.
  • a material 507 is deposited intended to form each encapsulation system 7.
  • a material 508 is deposited intended to form each stiffening system 8.
  • These materials 507 and 508 are deposited, successively, on the impregnated stacks 2.
  • a cutout of the frame 505 is made, on which the various constituents of the plurality of batteries have been arranged. This cutout, not shown in the attached figures, is similar to that described in particular in Figure 8 of WO 2021/130 688.
  • FIG. 15 is similar to Figure 2 representing the battery 1 according to the invention.
  • connection support 858 and 859 the connection regions of the latter, 802 the storage module as well as 860 and 861 the electrical contact members.
  • the current coming from the different electrodes 3a, 4a, ..., 3n and 4n can be collected in a very satisfactory manner regardless of the size of this module. Indeed, given that this current collection is ensured at the level of the lateral contact face 23, via each cord 60,61, it is independent of the number of electrodes.
  • this current collection is ensured at the level of the lateral contact face 23, via each cord 60,61, it is independent of the number of electrodes.
  • the storage module 802 has a large number of electrodes, this tends to increase the overall contact resistance due to the high thickness of the contact members 860,861, which have a higher electrical resistance than that of the current collection pads. Consequently, the current coming from the upper electrodes 803n,804n is collected significantly less efficiently than that coming from the electrodes close to the support.
  • the architecture according to the invention makes it possible to avoid any reduction in efficiency inherent in this state of the art.
  • the electrical contact is of the planar type.
  • the contact members 60 and 61 are formed by a so-called “contact” adhesive as opposed to the volume adhesive of the prior contact members 860 and 861.
  • the thickness e60 of the contact members according to the invention is as small as possible so as to reduce the resistance, advantageously being less than 100 ⁇ m (microns).
  • the thickness E860 of the contact members corresponds substantially to the total thickness of the storage module. This total thickness, which depends on the space constraints of the device, is in any case very significantly greater than the thickness e60 mentioned above.
  • the planar type contact in accordance with the invention, is mechanically more reliable and less resistive.
  • FIG 16 illustrates an alternative embodiment of an energy storage module, belonging to the battery according to the invention.
  • the mechanical elements similar to those of the previous figures, are assigned the same reference numbers increased by the number 2000.
  • each anode 2003 has a structure different from that of each anode 3
  • each cathode 2004 has a structure identical to that of each cathode 4.
  • each cathode 2004 has a structure different from that 4, while each anode 2003 is identical to that 3.
  • the free space 2033 of each anode 2003 firstly comprises a so-called through branch 2330, similar to the free space 33 above, which connects the longitudinal edges 2301 and 2302 of this anode.
  • the free space 2033 further comprises a so-called auxiliary branch 2331, which connects the through branch 2330 with the opposite transverse edge 2304 of the anode 2003. Consequently, the auxiliary branch separates the main body 2031 from a so-called tertiary body 2035.
  • the through branch separates the secondary body 2032 from both the main body 2031 and the tertiary body 2035 above.
  • this first type differs from a battery 1 as described in the preceding figures, by the fact that the free space, provided in each electrode, is free of any electrode material and/or any current collector substrate.
  • the capacitor or the supercapacitor according to figure 19 has the same structure, in particular geometric, as that of a battery such as that 1 described previously.
  • this stack is associated with a simple mechanical protection system 708, typically overmolded.
  • This mechanical protection system 708 is made of a material different from that constituting the encapsulation system 7, described previously.
  • this protection system 708 can be formed in a material similar to those described above, which can constitute the stiffening system 8.
  • the storage module 702 of this second type of supercapacitor is more particularly illustrated, formed by the succession of electrodes 703a to 703n, as well as 704a to 704n.
  • the positioning and fixing of this energy storage module 702, relative to its electrical connection support 705, are similar to those described above with reference to the battery 1.
  • a third type 901 of capacitor is illustrated, which is for example a MIM (Metal Insulator Metal) capacitor or an MLCC (Multilayer Ceramic Capacitor).
  • MIM Metal Insulator Metal
  • MLCC Multilayer Ceramic Capacitor
  • this protection can be provided at the component level by a mechanical protection system, and/or by appropriate protection means at the level of the electronic card on which this component will be mounted, or at the level of the housing in which said electronic card will be integrated.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de stockage d'énergie électrique (1), comprenant un module de stockage d'énergie (2) comportant des premières électrodes (3a - 3n), des deuxièmes électrodes (4a - 4n), un support de connexion électrique (5) et des organes de contact électrique (60, 61 ) aptes à assurer la liaison électrique entre chaque électrode et des régions de connexion du support. Selon l'invention, le module de stockage d'énergie électrique (2) repose, par l'une de ses faces latérales (23), sur une face frontale (51) du support, les différentes électrodes étant en contact, par un de leurs bords longitudinaux, avec un organe de contact respectif (60, 61). L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel dispositif de stockage d'énergie électrique (1) ainsi qu'un ensemble consommateur d'énergie électrique comprenant un corps, un élément consommateur d'énergie ainsi qu'au moins un tel dispositif de stockage d'énergie électrique (1).

Description

DISPOSITIF DE STOCKAGE D’ENERGIE ELECTRIQUE PRESENTANT UNE ARCHITECTURE PERFECTIONNEE, PROCEDE DE FABRICATION ET ENSEMBLE DE CONSOMMATION D’ENERGIE CORRESPONDANTS
Domaine technique de l’invention
La présente invention se rapporte à des dispositifs, permettant le stockage d'énergie électrique. Elle concerne tout d'abord une nouvelle architecture de ces dispositifs, qui leur confère en particulier une puissance améliorée. L'invention vise également un procédé, permettant la fabrication de ces dispositifs de stockage énergie électrique. Elle concerne enfin un ensemble consommateur d'énergie électrique, qui est équipé d'un tel dispositif de stockage de cette énergie électrique.
Etat de la technique
Les dispositifs de stockage d'énergie électrique, tels que visés par l'invention, sont destinés à être associés à des circuits électroniques. Ces dispositifs sont alors susceptibles d'assurer différentes fonctions : on citera notamment l'alimentation de ces circuits, la communication avec des dispositifs autonomes, ou encore l'alimentation de secours (« power back up ») des horloges temps réel. Au sens de l'invention, un tel dispositif de stockage d’énergie électrique désigne notamment une batterie, en particulier en couches minces, notamment à ions de lithium, de sodium ou de potassium. On citera également les différents types de condensateurs et supercondensateurs.
Un tel dispositif de stockage d'énergie électrique comprend tout d'abord un module de stockage d'énergie électrique, typiquement formé par un empilement alterné de différentes couches d'électrodes, qui sont séparées par un séparateur isolant électronique. Dans le cas d’une batterie, on retrouve une succession d’électrodes de polarités opposées (anodes et cathodes) alors que le séparateur est apte à conduire des ions solvatés dans l’électrolyte en contact avec les anodes et les cathodes. Dans le cas de certains condensateurs et supercondensateurs, on retrouve une succession d’électrodes de même polarité alors que le séparateur est apte à conduire des porteurs de charges ioniques solvatées provenant de l’électrolyte, sous l’influence d’un champ électrique. Enfin, dans le cas d’autres condensateurs et supercondensateurs, on retrouve une succession de collecteurs de courant qui seront également dénommés « électrodes » dans le cadre de la présente invention.
De manière générale la plupart des empilements tels que décrits ci-dessus, appartenant aussi bien aux batteries qu’aux condensateurs et supercondensateurs, doivent être encapsulés pour être durables. En effet, certains des matériaux actifs des batteries à ions de lithium, de sodium ou de potassium sont très sensibles à l’air et à la vapeur d’eau. En particulier, les ions de lithium mobiles réagissent spontanément avec des traces d’eau pour former du LiOH, conduisant à un vieillissement calendaire des batteries. Le même type de réaction est observé avec des ions mobiles de sodium et de potassium.
Tous les matériaux à insertion et électrolytes conducteurs des ions de lithium, de sodium ou de potassium ne sont pas réactifs au contact de l’humidité. A titre d’exemple, le Li4Ti5O12 ne se détériore pas au contact de l’atmosphère ou de traces d’eau. En revanche, dès qu’il est chargé en lithium sous forme Li4+xTi5O12 avec x>0, alors le surplus de lithium inséré (x) est, quant à lui, sensible à l’atmosphère et réagit spontanément avec les traces d’eau pour former du LiOH. Ce lithium ayant réagi n’est alors plus disponible pour le stockage d’électricité, induisant une perte de capacité de la batterie.
Le marché demande une durée de vie supérieure à 10 ans. Pour éviter l'exposition des matériaux actifs de la batterie à ions de lithium (ou de sodium ou de potassium) à l'air et à l'eau et empêcher ce type de vieillissement, il est essentiel de la protéger par un système d’encapsulation qui permet de garantir cette durée de vie. De nombreux systèmes d'encapsulation pour des batteries en couches minces sont décrits dans la littérature.
Une première solution consiste à intégrer l'empilement précité dans un boîtier métallique ; on appelle ces dispositifs des piles boutons. Les métaux sont en effet des matériaux parmi les plus étanches, que ce soit vis-à-vis de la perméation à l’eau et au gaz de l'atmosphère. Cependant de telles technologies d'encapsulation sont encombrantes de sorte qu'elles conduisent à la réalisation de composants, qui ne satisfont pas aux exigences de miniaturisation.
En vue de diminuer les coûts de fabrication, il est tout particulièrement préféré de pouvoir monter les composants électroniques de manière automatique sur les circuits électroniques. En particulier, les composants doivent être compatibles avec des procédés dits « CMS » (Composants Montés en Surface). En d'autres termes, ils doivent être susceptibles d'être montés grâce à des procédés robotisés de type « pick and place », puis assemblés par refusion ou « solder reflow ». Ces procédés CMS font avantageusement appel à des boîtiers de type QFN (Quad Flat No-Leads), ou encore de type DFN (Dual Fiat No-Leads).
Afin de réaliser des composants, qui sont compatibles avec les procédés CMS, qui sont d'une grande compacité et qui permettent d'atteindre les niveaux d'étanchéité attendue, la demanderesse a proposé différents types d'architectures.
On citera tout d’abord le document FR-A-3 068 830, lequel décrit un système d'encapsulation pour une batterie comprenant un empilement alterné d’anodes et de cathodes. Ce système est formé par trois couches successives, dont la première est composée d'une matière électriquement isolante déposée par ALD (Atomic Layer Deposition). Une deuxième couche de recouvrement, comprenant du parylène, est disposée sur la première couche de recouvrement, alors qu’une troisième couche de recouvrement est déposée sur cette deuxième couche de manière à protéger celle-ci notamment vis-à-vis de l'oxygène.
Par ailleurs WO 2021/130 688 prévoit de faire coopérer l'empilement formé par les anodes et les cathodes, avec un support de connexion électrique. Ce dernier possède deux régions de connexion mutuellement distante, qui sont isolées par une semelle intermédiaire. L'empilement repose à plat sur le support, à savoir que ces couches constitutives sont parallèles aux plans du support. Afin d'assurer la liaison électrique entre l'empilement et les régions de connexion précitée, des plots de colle conductrice sont prévus sur les faces latérales opposées de l'empilement.
La solution décrite dans ce dernier document assure de nombreux avantages, en ce qu'elle permet notamment de fabriquer de manière simultanée un grand nombre de dispositifs de stockage d'énergie. Par ailleurs elle permet une association commode et fiable entre ce dispositif de stockage d'énergie et un ensemble consommateur d'énergie, tout en assurant une étanchéité satisfaisante.
Cette solution présente cependant des inconvénients spécifiques. Ainsi, dans le cas d'un empilement de grande épaisseur, il est nécessaire d'utiliser une quantité significative de colle conductrice afin d'assurer la connexion telle que décrite ci-dessus. Outre la consommation de colle, cela augmente l'empreinte globale du composant, tout en augmentant les risques de perte de contact électrique.
Un tel empilement de grande épaisseur ne se prête pas de façon commode à la réalisation de passages débouchants permettant l’introduction de moyens conducteurs, selon l’enseignement de WO-A-2021/130697 au nom de la demanderesse. Le dispositif de stockage, notamment de type batterie, peut ainsi présenter une épaisseur limite, au-delà de laquelle il ne peut plus être traversé.
De plus, en vue d'assurer un contact avec l'ensemble des cellules formant l'empilement, il est nécessaire d'utiliser des polymères, dont la stabilité électrochimique est cependant souvent limitée. Or, ces polymères sont incompatibles avec des cathodes fonctionnant à des potentiels élevés, typiquement supérieur à 4,5 V.
Enfin le montage de l'empilement élémentaire sur le support est une opération coûteuse, qui ne garantit pas en outre une qualité de contact électrique totalement satisfaisante. En effet l'empilement doit être imprégné au moyen de l'électrolyte liquide, avant son montage sur le support. Toutes les étapes, permettant ce montage, doivent par conséquent être réalisées en salle anhydre, ce qui est particulièrement coûteux. Par ailleurs on retrouve la présence de résidu liquide au niveau de l'interface de collage, entre les terminaisons et la colle conductrice, ce qui rend la qualité du contact parfois insuffisante et aléatoire.
La présente invention vise à remédier au moins en partie à certains inconvénients de l’art antérieur évoqués ci-dessus.
Elle vise en particulier à proposer un dispositif de stockage d'énergie électrique, dont l'architecture spécifique lui confère une excellente fiabilité, associée à de faibles résistances de contacts ainsi qu’à un rendement amélioré par rapport à l’art antérieur.
L'invention vise également à proposer un tel dispositif de stockage d'énergie électrique qui, tout en étant d'une grande compacité, se prête aisément aux procédés de fabrication en grande série.
Elle vise également à proposer un tel dispositif de stockage d’énergie électrique, qui peut être fabriqué moyennant un procédé moins coûteux que dans l'art antérieur.
Objets de l’invention
Au moins un des objectifs ci-dessus est atteint par un premier objet de l’invention, qui est un dispositif de stockage d’énergie électrique, notamment de type batterie, condensateur ou supercondensateur, comprenant
- un module de stockage d’énergie comportant
- au moins une première électrode et au moins une deuxième électrode, qui sont disposées l'une à côté de l'autre de manière alternée, - au moins un séparateur électronique, chaque séparateur séparant une première électrode et une deuxième électrode adjacente, à la fois la première électrode et la deuxième électrode comprenant chacune un corps principal, un corps secondaire et un espace dit libre, lequel est libre au moins de tout matériau d'électrode et/ou de tout substrat collecteur de courant, chaque espace libre séparant un corps principal et un corps secondaire respectif
- ce module de stockage comprenant des faces dites frontales opposées, qui sont parallèles aux plans des différentes électrodes, ainsi que des faces dites latérales, lesquelles sont en particulier opposées deux à deux,
- un support de connexion électrique, réalisé au moins en partie en un matériau conducteur, comprenant une première région de connexion électrique et une deuxième région de connexion électrique qui sont isolées électriquement l'une par rapport à l'autre,
- un premier organe de contact électrique, apte à assurer la liaison électrique entre chaque première électrode et la première région de connexion électrique,
- un deuxième organe de contact électrique, apte à assurer la liaison électrique entre chaque deuxième électrode et la deuxième région de connexion électrique, ledit dispositif de stockage d'énergie électrique étant caractérisé en ce que
- le module de stockage d'énergie électrique repose, par l'une de ses faces latérales, dite face latérale de contact, sur une face frontale dite de réception, du support de connexion électrique,
- les différentes premières électrodes étant en contact, par un de leurs bords longitudinaux, avec le premier organe de contact,
- les différentes deuxièmes électrodes étant en contact, par un de leurs bords longitudinaux, avec le deuxième organe de contact.
Un tel dispositif de stockage d’énergie électrique permet notamment d’éviter d’augmenter les risques de perte de contact électrique. Étant donné le positionnement du module de stockage, le courant provenant des électrodes peut être collecté de manière très satisfaisante, quelle que soit la taille de ce module de stockage. Ainsi, notamment du fait que le module de stockage d'énergie électrique repose, par l'une de ses faces latérales, dite face latérale de contact, sur une face frontale dite de réception, du support de connexion électrique, un tel dispositif de stockage d’énergie électrique garantit une qualité de contact électrique totalement satisfaisante. Notamment, le contact électrique est de type planaire, et l'imprégnation peut être réalisée après le montage du module de stockage sur son support. Bien entendu, suivant la disposition spatiale du dispositif de stockage d'énergie électrique, « l’une à côté de l’autre » peut signifier spatialement « l’une au-dessus de l’autre ». Selon d’autres caractéristiques de ce dispositif, prises isolément ou selon toutes caractéristiques techniquement compatibles :
- le support de connexion électrique est globalement plan ;
- les différents corps principaux (31) des premières électrodes (3) sont en contact avec le premier organe de contact (60), alors que les différents corps principaux (41) des deuxièmes électrodes sont en contact avec le deuxième organe de contact (61) ;
- le plan principal (P5) du support (5) et le plan principal médian (P2) du module de stockage (2) sont mutuellement obliques, de préférence présentent un angle mutuel entre 30° et 90°, de préférence entre 45° et 90°, plus préférentiellement entre 75° et 90°, notamment sont mutuellement perpendiculaires ;
- chacun des espaces libres (33, 43) débouche, par une première extrémité (331 , 431), sur la face frontale de réception (51) du support et, par une deuxième extrémité (332, 432), à l'opposé de ladite face frontale de réception ;
- ladite première extrémité (331 , 431) de chaque espace libre (33, 43) est située à distance de l’organe de contact électrique (60, 61) adjacent à cette première extrémité ;
- chaque organe de contact électrique (60, 61) est apte à assurer une fonction supplémentaire de solidarisation mécanique entre le module de stockage et le support ;
- l'organe de contact électrique est réalisé en un matériau adhésif conducteur ;
- l'organe de contact électrique présente une épaisseur (e60) inférieure à 100 pm (microns ou micromètres) ;
- l’espace libre (2033) de chaque première électrode, ou bien de chaque deuxième électrode, comprend une branche traversante (2330) reliant les bords longitudinaux de ladite électrode ainsi qu’une branche auxiliaire (2331) reliant la branche traversante avec le bord transversal (2304) en regard de ladite électrode, la branche auxiliaire séparant le corps principal (2031) vis-à-vis d’un corps dit tertiaire (2035) alors que la branche traversante sépare le corps secondaire (2032) vis-à-vis à la fois du corps principal et du corps tertiaire ;
- chaque première électrode est une électrode de première polarité, alors que chaque deuxième électrode est une électrode de deuxième polarité ; - ce dispositif est une batterie, le séparateur étant réalisé en un matériau isolant électronique mais conducteur ionique, le module de stockage d’énergie comprenant en outre un électrolyte liquide imprégnant au moins une partie des électrodes et/ou du séparateur ;
- ce dispositif est un pseudo-condensateur, un supercondensateur hybride à ions de lithium, un supercondensateur hybride à ions de sodium, un supercondensateur hybride à ions de potassium, une batterie à ions de lithium, une batterie à ions de sodium, une batterie à ions de potassium, le séparateur étant réalisé en un matériau isolant électronique mais conducteur de charges électriques ;
- ce dispositif est un condensateur, de préférence choisi parmi un condensateur de type Métal-lsolant-Métal (MIM) et condensateurs multicouches, chaque première électrode et chaque deuxième électrode étant un collecteur de courant ;
- ce dispositif comprend en outre un système de protection mécanique (707), assurant une protection mécanique au moins à l’égard du module de stockage ;
- ce dispositif comprend en outre un système d'encapsulation (7 ; 607), notamment confondu avec le système de protection mécanique, le système d’encapsulation assurant la protection à l'égard de l'étanchéité à la fois du module de stockage et du support de connexion électrique ;
- ledit système d’encapsulation (7) recouvre les faces frontales opposées (21 , 22) du module de stockage, la face latérale (24) du module de stockage opposée à la face latérale de contact, les deux autres faces latérales (25, 26) du module de stockage, au moins en partie le premier organe de contact électrique (60), au moins en partie le deuxième organe de contact électrique (61), ainsi qu’au moins en partie la face de réception (51) dudit support de connexion électrique (5) ;
- ce dispositif comprend en outre un système de rigidification mécanique (8), recouvrant le système d’encapsulation à l’opposé du support de connexion électrique (5) ;
- les faces frontales du support de connexion électrique sont les deux faces opposées du support de connexion électrique ayant la surface la plus grande ;
- le premier organe de contact électrique assure la liaison électrique entre le corps principal de la première électrode et la première région de connexion électrique, et le deuxième organe de contact électrique assure la liaison électrique entre le corps principal de la deuxième électrode et la deuxième région de connexion électrique.
L’invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d’un dispositif tel que ci-dessus, ledit procédé comprenant :
- le positionnement relatif du module de stockage d'énergie (2) et du support de connexion électrique (5), sensiblement dans la position finale qu'ils doivent adopter,
- la mise en liaison électrique de chaque première électrode (3) avec la première région de connexion électrique (58) du support,
- la mise en liaison électrique de chaque deuxième électrode (4) avec la deuxième région de connexion électrique (59) du support,
- éventuellement l'imprégnation du module de stockage d'énergie au moyen de l’électrolyte,
- éventuellement le revêtement du système d'encapsulation (7).
Selon d’autres caractéristiques de ce procédé, prises isolément ou selon toutes caractéristiques techniquement compatibles :
- ce procédé comprend
- la fourniture d'une ébauche (2’) non imprégnée d’électrolyte, ladite ébauche étant destinée à former le module de stockage d'énergie,
- le positionnement relatif de l'ébauche et du support de connexion électrique,
- l'imprégnation de l'ébauche au moyen de l’électrolyte, de manière à former le module de stockage d'énergie ;
- on introduit au moins une partie (509) dudit électrolyte par l'intermédiaire de la deuxième extrémité (332, 432) desdits espaces libres ;
- on imprègne l'ébauche en faisant s'écouler l'électrolyte par gravité (G509, H509) ;
L’invention a enfin pour objet un ensemble consommateur d’énergie électrique (1000) comprenant un corps (1002), un élément consommateur d’énergie (1004) ainsi qu’au moins un dispositif de stockage d’énergie électrique (1) ci-dessus, ledit dispositif de stockage d’énergie électrique (1) étant apte à alimenter en énergie électrique ledit élément consommateur d’énergie électrique (1004), et ledit support de connexion électrique (5) dudit dispositif de stockage d’énergie électrique étant fixé sur ledit corps.
Selon d’autres caractéristiques avantageuses de cet ensemble consommateur d’énergie :
- il comprend au moins deux dispositifs de stockage d’énergie qui sont placés sur un unique support de connexion électrique et sont connectés en série et/ou en parallèle, lesdits au moins deux dispositifs de stockage d’énergie étant avantageusement recouverts au moyen d’un unique système d’encapsulation, et/ou bien d’un unique système de protection mécanique ; - il comprend un composant électronique supplémentaire, placé sur un unique support de connexion électrique avec le dispositif de stockage d’énergie électrique, ce composant électronique et ce dispositif de stockage d’énergie étant avantageusement recouvert au moyen d’un unique système d’encapsulation, et/ou bien d’un unique système de protection mécanique.
Figures
L’invention va être décrite ci-après, en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquels :
[Fig. 1] est une vue de face illustrant une batterie, formant un dispositif de stockage d'énergie électrique conforme à un premier mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 2] est une vue de côté illustrant de façon schématique un support et un module de stockage d'énergie électrique appartenant à la batterie représentée à la figure précédente.
[Fig. 3] est une vue en perspective illustrant de manière éclatée et avec arrachements, certains des éléments constitutifs de la batterie des figures précédentes.
[Fig. 4] est une vue en perspective illustrant à plus grande échelle, selon le zoom IV sur la figure 3, le contact entre un support et des corps principaux de différentes anodes appartenant à la batterie des figures précédentes.
[Fig. 5] est une vue en perspective illustrant à plus grande échelle, selon le zoom V sur la figure 3, le contact entre un support et des corps principaux de différentes cathodes appartenant à la batterie des figures précédentes.
[Fig. 6] est une vue de face illustrant à plus grande échelle, selon la flèche VI sur la figure 3, le module de stockage d'énergie électrique appartenant à la batterie des figures précédentes.
[Fig. 7] est une vue de dessus illustrant à plus grande échelle, selon la flèche VII sur la figure 3, le module de stockage d'énergie électrique appartenant à la batterie des figures précédentes.
[Fig. 8] est une vue de dessus, illustrant un cadre intervenant dans la fabrication de la batterie des figures précédentes.
[Fig. 9] est une vue en coupe longitudinale, illustrant certains des éléments constitutifs de la batterie, mis en place à l’issue d’une première étape d’un procédé de fabrication de la batterie conforme à l’invention. [Fig. 10] est une vue en coupe longitudinale, illustrant les différents éléments constitutifs de la batterie, mis en place à l’issue d’une deuxième étape d’un procédé de fabrication de la batterie conforme à l’invention.
[Fig. 11] est une vue en coupe longitudinale, illustrant les différents éléments constitutifs de la batterie, mis en place à l’issue d’une troisième étape d’un procédé de fabrication de la batterie conforme à l’invention.
[Fig. 12] est une vue en coupe longitudinale, illustrant les différents éléments constitutifs de la batterie, mis en place à l’issue d’une quatrième étape d’un procédé de fabrication de la batterie conforme à l’invention.
[Fig. 13] est une vue en coupe longitudinale, illustrant les différents éléments constitutifs de la batterie, mis en place à l’issue d’une cinquième étape d’un procédé de fabrication de la batterie conforme à l’invention.
[Fig. 14] est une vue schématique, illustrant l’intégration d’un dispositif de stockage d'énergie électrique selon l’invention dans un ensemble consommateur d’énergie.
[Fig. 15] est une vue de côté, analogue à la figure 2, illustrant de façon schématique un support et un module de stockage d'énergie électrique selon l’art antérieur.
[Fig. 16] est une vue de face analogue la figure 6, illustrant un module de stockage d'énergie électrique conforme à une variante de réalisation de l’invention.
[Fig. 17] est une vue de dessus, illustrant une étape de découpe intervenant dans un premier mode de fabrication du module de stockage de la figure 16.
[Fig. 18] est une vue de dessus, analogue à la figure 17, illustrant une étape de découpe intervenant dans un second mode de fabrication du module de stockage de la figure 16.
[Fig. 19] est une vue de côté, analogue à la figure 2, illustrant de façon schématique un autre type de dispositif de stockage d’énergie électrique conforme à l’invention.
[Fig. 20] est une vue de côté, analogue à la figure 2, illustrant de façon schématique illustrant de façon schématique un autre type de dispositif de stockage d’énergie électrique conforme à l’invention.
[Fig. 21] est une vue de côté, analogue à la figure 2, illustrant de façon schématique un autre type de dispositif de stockage d’énergie électrique conforme à l’invention.
Les repères numériques suivants sont utilisés sur les figures et dans la description qui suit.
1 Batterie 11 Face frontale avant (supérieure) de 1
12 Face frontale arrière (inférieure) de 1
13 à 16 Faces latérales de 1
2 Empilement (module de stockage)
2’ Ebauche (non imprégnée) de 2
21 , 22 Faces frontales opposées de 2
23, 24 Face latérale inférieure (23) et supérieure (24) de 2
25, 26 Faces latérales de raccordement
3 Anode
31 ,32 Corps principal (31) et corps secondaire (32) de 3
32 Corps secondaire de 3
33 Espace libre entre 31 et 32
301,302 ; 303, 304 Bord longitudinal (301,302) et bord transversal (303,304) de 3
311, 312 Bord longitudinal de 31
321, 322 Bord longitudinal de 32
331, 332 Extrémités inférieure (331) et supérieure (332) de 33
4 Cathode
41 , 42 Corps principal (41) et corps secondaire (42) de 4
43 Espace libre entre 41 et 42
401, 402 ; 403, 404 Bord longitudinal (401,402) et bord transversal (403,404) de 4
411, 412 Bord longitudinal de 41
421, 422 Bord longitudinal de 42
431,432 Extrémités inférieure (431) et supérieure (432) de 43
5 Support
51 , 52 Face avant ou supérieure (51) et face arrière ou inférieure (52) de 5
53, 54 Ajours de 5
55 Semelle centrale de 5
56, 57 Bandes latérales de 5
58,59 Plots de 5 (mutuellement isolés)
60, 61 Organes de contact anodique (60) et cathodique (61)
62 Colle non conductrice
7 Système d’encapsulation
70 ; 71 ,72 Zone centrale (70) et régions intermédiaires (71, 72) de 7 73 Retour de 7
8 Système de rigidification
505 Cadre
507 Matériau d’encapsulation
508 Matériau de rigidification
509 Gouttelettes de liquide ionique
550 Bordure périphérique de 505
551 Préformes
555 Plage centrale de 551
556, 557 Blocs latéraux de 551
553, 554 Fentes
558, 559 Tringles horizontale, verticale
560, 561 Colle conductrice
601 , 701 , 901 Batteries selon trois variantes différentes de l’invention
602, 702, 902 Empilement
603a à 603n, 703a à 703n, 903a à 903n Anodes
604a à 604n, 704a à 704n, 904a à 904n Cathodes
605, 705, 905 Support
607 Matériau d’encapsulation
608, 708 Matériau de rigidification
660, 760, 960 Organe de contact
801 Batterie selon l’état de la technique
802 Module de stockage de 801
803, 804 Electrodes supérieures de 802
805 Support de connexion de 801
860, 861 Organes de contact de 801
858, 859 Régions de connexion de 805
1000 Ensemble de consommation d’énergie
1004 Elément de consommation d’énergie
1002 Corps de 1000
1006, 1007 Ligne de connexion
2002 Empilement
2003 Anode 2004 Cathode
2033 Espace libre
2330 Branche traversante
2301 et 2302 Bords longitudinaux
2331 Branche auxiliaire
2303 et 2304 Bords transversaux
2035 Corps tertiaire
2041 Corps principal
2070, 3070, 2080 Fentes
2071 , 3071 Canal traversant de 2070, 3070
2072, 3072 Canal auxiliaire de 2070, 3070
E8 Plus petite épaisseur de 8 e(60) Epaisseur des organes de contact selon l’invention
E(860) Epaisseur des organes de contact 860 selon l’état de la technique
P2 Plan médian de 2
G509, H509 Directions d’écoulement de 509
P5 Plan médian de 5
Y2 Axe transversal médian de 2
Description de l’invention
Sauf indication contraire, le terme « conducteur », utilisé en tant que substantif ou adjectif, signifie ici : « conducteur électronique ».
Le terme « électrode » est utilisé ici dans un sens général (à l’instar du dictionnaire de la langue française « Le Nouveau Petit Robert », publié en juin 1996) et désigne un conducteur par lequel le courant électrique « arrive ou sort (...) dans un milieu où il doit être utilisé ». En ce sens, le terme « électrode » comprend notamment les conducteurs électroniques et/ou ioniques sujet à des réactions électrochimiques ; néanmoins la présence de réactions électrochimiques n’est pas requise au sens de l’invention, de sorte que le terme « électrode » tel qu’utilisé ici désigne également par exemple les conducteurs dans un condensateur (pour lesquels d’autres termes peuvent être utilisés, selon le type de condensateur, tel que le terme « plaque » dans le cas d’un condensateur à plaques). La présente invention vise un dispositif de stockage d’énergie électrique, notamment de type batterie, condensateur ou supercondensateur, comprenant un module de stockage d’énergie. Elle peut être appliquée à une grande variété de types de batteries, condensateurs et supercondensateurs. Dans ce qui suit, l’invention sera présentée surtout en relation avec des systèmes électrochimiques basés sur des ions de lithium, mais elle peut aussi être réalisée avec des systèmes électrochimiques basés sur des ions de sodium ou de potassium, par exemple.
Nous résumons ici les principaux systèmes électrochimiques utilisables, sachant que cette liste n’est pas exhaustive.
Pour les « technologies Lithium » (ou technologies Li-lon), il existe, outre les systèmes batteries à base d’ions de lithium (LiB, Li-lon Batteries), les condensateurs à base d’ions de lithium (LIC, Li-lon Capacitors), les batteries et condensateurs à base de lithium - soufre (LiS), et les batteries et condensateurs à base de lithium - air (Li-O2).
Pour les « technologies Sodium » (ou technologies « Na-lon »), il existe, outre les systèmes batteries à base d’ions de sodium (SI B, Sodium-ion Batteries), les condensateurs à base d’ions de sodium (SIC, Sodium-Ion Capacitor), les batteries et condensateurs de type sodium - soufre (NaS), les batteries et condensateurs de type sodium - air (Na-O2).
Pour les « technologies Potassium » (ou technologies « K-lon »), il existe, outre les systèmes batteries à base d’ions de potassium (PIB, Potassium-Ion Batteries), les condensateurs à base d’ions de potassium (PIC, Potassium-Ion Capacitors).
Nous donnons ici des exemples pour les matériaux de cathode des batteries SI B.
On peut utiliser des matériaux à base d’oxydes de métaux de transition, et notamment : NaxMO2+z avec M choisi parmi Mg, Ca, Li, Mn, Ni, Co, Cr, Sc, Te ... et z pouvant être égal à 0 ;
NaxMu/2M’v/2O2+z avec u + v = 2 et M, M’choisis parmi Mg, Ca, Li, Mn, Ni, Co, Cr, Sc, Te ; NaxMu/3M’v/3M”w/3O2+z avec u + v + w = 3 et M, M’, M” choisis parmi Mg, Ca, Li, Mn, Ni, Co, Cr, Sc, Te.
On peut utiliser des matériaux à base de bleu de Prusse (PB, Prussian Blue) et/ou PBA (Prussian Blue Analogs), et notamment à base de AxM1[M2’(CN)6]y.nH2O, dans lesquels les métaux de transition MT et M2’ sont ajustés avec les atomes N et C des ligands CN pour former un réseau tridimensionnel ouvert à partir des chaines M N = C-M2’ (où H désigne une liaison triple). Les performances électrochimiques sont ajustées par le choix des métaux de transition MT et M2’. MT et M2’ peuvent être identiques. MT peut être un alliage de différents métaux de transition. Les métaux de transition utilisés sont pris par exemple parmi le Fe, Ni, Co, Mn.
On peut également utiliser des matériaux à base de composés polyanioniques, et notamment :
- les composés de type NaxM2(XO4)3 avec M = V, Ti, Fe, Cr, Mn, Co, Ni, Sc et X = P, S, As, Si, Mo ou W, les composés de type NaxM3(XO4)2(X2O7) avec M = V, Ti, Fe, Cr, Mn, Co, Ni, Sc et X = P, S, As, Si, Mo ou W ;
- les composés de type NaxM(X2O7) avec M = V, Ti, Fe, Cr, Mn, Co, Ni, Sc et X = P, S, As, Si, Mo ou W ;
- les composés de type NaxM2(XO4)2F3 avec M = V, Ti, Fe, Cr, Mn, Co, Ni, Sc et X = P, S, As, Si, Mo ou W ;
- les composés de type NaxM2(XO4)2F3.yOy avec M = V, Ti, Fe, Cr, Mn, Co, Ni, Sc et 0,07 < y < 0,12 et X = P, S, As, Si, Mo ou W ;
- les composés de type NaxM2O2(XO4)2F avec M = V, Ti, Fe, Cr, Mn, Co, Ni, Sc et X = P, S, As, Si, Mo ou W ;
- les composés de type NaMXO4 avec M = V, Ti, Fe, Cr, Mn, Co, Ni, Sc et X = P, S, As, Si, Mo ou W.
Nous donnons ici des exemples pour les matériaux d’anode des dispositifs de type SI B et SIC.
On peut utiliser des anodes à base d’alliages, ces alliages étant de préférence à base de Si, Ge, Sn, Sb, Bi, P, et on peut utiliser les alliages de ces différents composés.
On peut utiliser des anodes à base de MXenes. Les MXenes est une classe de matériaux 2D de stœchiométrie de type Mn+1XnTx où M désigne un métal de transition, et X est choisi parmi C et/ou N, et T désigne une terminaison de surface choisie de préférence parmi F, Cl, Br, O, S, Se, Te, OH, NH2, et où n est de préférence compris entre 1 et 4.
On peut utiliser des anodes à conversion, formées notamment à partir des matériaux suivants :
- les oxydes de type Na2Ti3O7i Na4Ti5O12i NaTi2(PO4)3 ;
- les oxydes, sulfures, séléniures, phosphure des éléments suivants ou de leurs alliages : Si, Ge, Sn, Sb, Bi.
Pour les cathodes des PIB on peut utiliser les mêmes matériaux que pour les SIB mais on remplace le sodium par le potassium. Pour les anodes de PIB et PIC on peut utiliser les mêmes matériaux que pour les PIC mais on remplace le sodium par le potassium.
On décrit maintenant de manière détaillée la structure géométrique des dispositifs selon l’invention, en relation avec les figures.
La figure 1 illustre un dispositif de stockage d'énergie électrique, conforme à une première variante du premier mode principal de réalisation de l’invention. Ce dispositif de stockage d’énergie électrique, qui est de type électrochimique, est une batterie désignée dans son ensemble par la référence 1. Cette batterie comprend tout d’abord un empilement 2 comprenant au moins une première électrode 3 et au moins une deuxième électrode 4, de polarité opposée à celle de la première électrode, disposées l’une à côté de l’autre de manière alternée.
Dans ce qui suit, l’invention sera expliquée pour le cas où la première électrode 3 est une anode et la deuxième électrode 4 est une cathode ; la situation inverse est possible. La structure physico-chimique de chaque anode ou cathode, qui peut être de type connu, ne fait pas partie de l’invention et ne sera décrite que de manière succincte. Chaque anode, respectivement cathode, comprend une couche active d’anode, respectivement une couche active de cathode. Chacune de ces couches actives peut être solide, i.e. de nature dense ou poreuse.
Par ailleurs, afin d’éviter tout contact électrique entre deux feuilles adjacentes, une couche d’électrolyte ou un séparateur est disposé sur au moins l’une de ces deux feuilles, au contact de la feuille en regard. La couche d’électrolyte ou le séparateur, non représenté sur les figures décrivant la présente invention, est intercalé entre deux feuilles de polarité opposée, i.e. entre la feuille d’anode et la feuille de cathode. Le séparateur précité est ensuite imprégné d’un électrolyte, par tous moyens appropriés.
De la sorte, l’empilement 2 une fois réalisé comprend successivement au moins une feuille d’anode, au moins une couche d’un matériau d’électrolyte ou d’un séparateur imprégné d’un électrolyte, et au moins une feuille de cathode. De manière typique cet empilement comprend entre 10 et 100 feuilles d’anodes et de cathodes, agencées de manière alternée telles que décrites ci-dessus.
Comme montré notamment en figure 6 chaque anode 3 comprend un corps principal 31 , encore dénommé corps primaire, ainsi qu’un corps secondaire 32. Ces corps respectivement principal et secondaire sont séparés par un espace dit libre 33, qui est libre de tout matériau d’électrode, ainsi que de tout substrat collecteur de courant. Par convention l’espace libre 33 s’étend transversalement, en reliant les bords dits longitudinaux 301 et 302 de l’anode. Chaque bord longitudinal 301 , 302 est formé par un bord longitudinal 311 , 321 du corps principal, ainsi qu’un bord longitudinal 312, 322 du corps secondaire. On note enfin 303 et 304 les bords dits transversaux de l’anode 3, correspondant aux bords des corps 31 et 32 opposés à chaque espace libre.
De manière analogue, chaque cathode 4 comprend un corps principal 41 et un corps secondaire 42, séparés par un espace dit libre 43, reliant les bords longitudinaux 401 et 402 de la cathode. Chaque bord longitudinal 401 , 402 est formé par un bord longitudinal 411 , 421 du corps principal, ainsi qu’un bord longitudinal 412, 422 du corps secondaire. On note enfin 403 et 404 les bords dits transversaux de la cathode 4, qui forment les bords transversaux des corps respectivement principal 41 et secondaire 42, bords qui sont opposés à l’espace libre. Sur la figure 6, les bords transversaux 303 et 403 sont confondus, tout comme les bords transversaux 304 et 404.
De façon avantageuse comme illustré sur la figure 6, à la fois les espaces libres 33 des différentes anodes et les espaces libres 43 des différentes cathodes sont superposés. Par ailleurs les deux séries d’espaces libres 33 et 43 sont mutuellement symétriques, par rapport à un axe transversal médian Y2 (voir figure 6) de l’empilement 2. Sur la figure 6, on a référencé les extrémités longitudinales opposées des espaces libres précités 33 et 43. Les extrémités 331 et 431 sont dites inférieures, en référence à un positionnement normal de la batterie. De façon plus précise ces extrémités 331 et 431 débouchent sur le support 5, appartenant à la batterie conforme à l'invention. Par ailleurs les extrémités opposées 332 et 432, qui sont dites supérieures, sont plus particulièrement visibles en figure 7.
L'empilement 2 ci-dessus est par exemple conforme à l'enseignement de WO 2020/136 313, ou encore WO 2021/234 585, tous deux au nom de la demanderesse. De façon analogue cet empilement peut être réalisé par un procédé de fabrication tel que décrit dans ces deux documents, moyennant la réalisation de fentes de toute forme appropriée dans une superposition de strates alternées destinées à former une pluralité d'anodes et de cathodes. Des fentes en forme de I, comme divulgué dans WO 2021/234 585, sont bien adaptées, étant entendu que ces fentes peuvent également présenter une forme de H comme divulgué dans WO 2020/136 313. Comme on le verra dans ce qui suit, notamment en référence à la figure 16, d'autres formes alternatives peuvent également être envisagées. Cet empilement 2, de type globalement parallélépipédique, possède six faces. On nomme, en particulier en référence à la figure 3, P2 le plan dit médian de l'empilement 2 principal, lequel contient la feuille de l'empilement placée en position médiane, laquelle n’est pas représentée sur cette figure 3. Ce plan médian s'étend de manière parallèle à toutes les feuilles respectivement d'anode et de cathode, formant cet empilement.
Sur la figure 2 on note 21 et 22 les faces frontales opposées de l’empilement qui, par convention, sont sensiblement parallèles aux différentes électrodes 3 et 4 ci-dessus. L’empilement 2 définit par ailleurs quatre faces latérales 23 à 26, qui sont deux à deux mutuellement parallèles et opposés. 23 désigne la face latérale, dite inférieure ou encore de contact. En effet, comme on le verra ci-après, cette face est positionnée en service normal en position inférieure, tout en permettant le contact électrique avec un support décrit plus loin. 24 désigne la face latérale, dite supérieure ou encore opposée à celle 23, alors que 25 et 26 (voir figure 1) désignent les faces latérales dites de raccordement en ce qu’elles relient 23 et 24.
La batterie 1 selon l’invention comprend en outre un support, désigné dans son ensemble par la référence 5. Ce support 5, qui est globalement plan, possède typiquement une épaisseur inférieure à 300 pm, de préférence inférieure à 100 pm. De manière analogue à ce qui a été explicité ci-dessus pour l'empilement 2, on note P5 le plan dit médian du support 5 (voir figure 3). Ce support est avantageusement réalisé en un matériau conducteur électrique, typiquement matériau métallique, en particulier aluminium, nickel, cuivre, acier inoxydable pouvant être revêtu afin d’améliorer leur propriété de soudabilité par un fine couche d’or, de nickel et/ou d’étain. On note respectivement 51 la face frontale dite « avant » ou « supérieure » du support, qui est tournée vers l’empilement 2, ainsi que 52 la face frontale opposée dite « arrière » ou « inférieure » (voir en particulier figure 1). Avantageusement, les faces frontales 51 , 52 du support 5 de connexion électrique sont les deux faces opposées du support 5 de connexion électrique ayant la surface la plus grande. Ce support 5 comprend des ajours 53 et 54 (voir figure 1) délimitant une semelle centrale 55 ainsi que deux bandes latérales opposées 56 et 57. Les différentes régions 55, 56 et 57 de ce support sont, par conséquent, mutuellement isolées sur le plan électrique. En particulier les bandes latérales 56 et 57 comportent des plots 58, 59 mutuellement isolés électriquement qui, comme détaillé ci-après, sont susceptibles de collecter le courant depuis la batterie. Dans l’exemple illustré l’isolation électrique est réalisée en ménageant les ajours précités 53 et 54 qui, comme on le verra dans ce qui suit, sont remplis par un matériau de rigidification. À titre de variante on peut prévoir que ces ajours sont remplis au moyen d’un matériau non conducteur, par exemple des polymères, des céramiques, des verres.
Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le positionnement géométrique de l'empilement 2 est choisi de façon spécifique. Comme le montrent notamment les figures 2 et 3, le plan principal médian P2 de cet empilement s'étend de manière sensiblement perpendiculaire, par rapport au plan P5 du support 5. En d'autres termes, si on suppose que le support est horizontal, l'empilement 2 est par conséquent placé de manière verticale. En particulier cet empilement repose sur le support 5 via sa face latérale 23, laquelle prend appui sur la face frontale supérieure 51 du support. Plus globalement, il pourrait être envisager de « coucher » légèrement le plan principal médian P2 de l’empilement 2 de manière à le rendre oblique par rapport au plan principal P5 du support 5 tout en conservant les avantages de l’invention. Ainsi, le plan principal P5 du support 5 et le plan principal médian P2 du module de stockage 2 sont mutuellement obliques. Les termes « mutuellement obliques » signifient avantageusement présentant un angle mutuel entre 30° et 90°, de préférence entre 45° et 90°, plus préférentiellement entre 75° et 90°, notamment mutuellement perpendiculaires, comme cela est représenté sur la figure 2 et la figure 3.
Comme montré plus particulièrement aux figures 2 à 5, on suppose que l'empilement 2 est formé de n anodes 3a à 3n, ainsi que de n cathodes 4a à 4n. A titre de variantes non représentées on peut prévoir que cet empilement est formé, soit de n+1 anodes et de n cathodes, soit de n anodes et de n+1 cathodes. La figure 2 illustre schématiquement l’ensemble de cet empilement, monté sur le support 5, sans montrer le système d’encapsulation 7. En revanche la perspective de la figure 3 représente uniquement les trois premières anodes dont celles 3a et 3b, les trois dernières anodes dont celles 3n-1 et 3n, les trois premières cathodes dont celles 4a et 4b, ainsi que les trois dernières cathodes dont celles 4n-1 et 4n. Par ailleurs, sur cette même figure 3, le support 5 est illustré schématiquement et de manière partielle.
Cet empilement 2 est connecté électriquement au support par l'intermédiaire de cordons 60 et 61 , formant des organes de contact respectivement anodique et cathodique. Ces cordons, illustrés partiellement sur la figure 3, sont réalisés en un matériau conducteur approprié, assurant avantageusement une fonction supplémentaire de fixation mécanique. À cet effet ces cordons sont réalisés en particulier en une colle conductrice comme par exemple une colle graphite, colle chargée par des nanoparticules métalliques (Au, Cu, Al...). Les charges métalliques peuvent être différentes pour l’anode et la cathode (typiquement Al pour la cathode, Cu pour l’anode).
Les figures 4 et 5, qui correspondent à des vues à bien plus grande échelle des détails IV et V de la figure 3, illustrent la coopération de l’empilement 2 avec les premier 60 et second 61 cordons. On note 3a, 3b et 3c les trois premières anodes de l'empilement, lesquelles sont séparées deux à deux par les trois premières cathodes 4a, 4b et 4c.
Pour chacune de ces anodes, seul le corps principal 31a, 31b et 31c se trouve en contact avec le cordon 60. De façon plus précise, comme le montre notamment la figure 4, chaque corps principal repose sur le cordon 60 par l'intermédiaire de son bord longitudinal respectif 311a, 311b et 311c. Cela permet la collecte de l’énergie électrique produite, depuis ces corps principaux anodiques vers ce cordon anodique 60. Par ailleurs, comme le montre notamment la figure 5, les corps secondaires anodiques 32a, 32b et 32c reposent sur l’autre cordon 61 , ou cordon cathodique. De façon avantageuse, les corps principaux 31a à 31c ne sont pas en contact avec ce cordon cathodique 61 . Cela permet, en particulier, d’éviter l’apparition de courts-circuits.
De façon analogue seuls les corps principaux 41a, 41 b et 41c des cathodes se trouvent en contact avec le cordon cathodique 61 , par l’intermédiaire de leur bord longitudinal respectif 411a, 411 b et 411c (voir plus particulièrement la figure 5). Cela permet la collecte de l’énergie électrique produite, depuis ces corps principaux cathodiques vers ce cordon cathodique 61. Par ailleurs, comme le montre notamment la figure 4, les corps secondaires cathodiques 42a, 42b et 42c reposent sur le cordon anodique 60. De façon analogue à ce qui a été décrit au paragraphe précédent, les corps principaux cathodiques 41a à 41c ne sont avantageusement pas en contact avec ce cordon anodique 60, afin notamment d’éviter les courts-circuits.
A titre de variante non représentée, on peut prévoir une couche d’une colle non conductrice, matérialisée par la flèche pointillée 62 (voir notamment figure 1). Cette couche, typiquement formée par l’intermédiaire d’une colle non conductrice, notamment de type époxy ou acrylates, permet de consolider la fixation entre le support et l’empilement. À titre de variante, on peut prévoir de remplacer cette colle non conductrice par l’intermédiaire d’une soudure, également non représentée. L’épaisseur de cette couche 62 est typiquement comprise entre 5 et 100pm, notamment voisine de 50pm. Selon le plan principal du support 5, cette couche recouvre au moins partiellement les ajours 53 et 54 ci-dessus, de façon à isoler mutuellement les organes de contact anodique et cathodique. À titre de variante non représentée, on peut également prévoir de réaliser ces cordons 60 et 61 en un matériau différent d’une colle conductrice. À titre d’exemple, on mentionnera une soudure par ultrasons ou analogue, ou encore tout autre moyen approprié susceptible d’assurer une fonction conductrice ainsi que, le cas échéant, une fonction de fixation mécanique. On notera que la soudure peut assurer une fonction mécanique, outre sa fonction conductrice. Si un moyen permet d’assurer une fonction conductrice mais en revanche pas de fonction mécanique, la fixation mécanique entre l’empilement et le support est alors assurée par la couche de colle 62 qui, dans ce cas, n’est pas optionnelle.
La batterie conforme à l’invention peut comprendre en outre un système d’encapsulation, désigné dans son ensemble par la référence 7 (voir en particulier figure 1). Ce système d’encapsulation 7 comporte tout d’abord une zone centrale 70, recouvrant la face latérale 24 de l’empilement. Cette zone centrale est prolongée, de part et d’autre, par des régions intermédiaires, ou ailes 71 et 72, recouvrant les faces frontales 25 et 26 de l’empilement. Enfin ces ailes sont elles-mêmes prolongées par un retour 73 recouvrant une partie de la face frontale 51 du support 5.
Ce système d’encapsulation 7 peut être réalisé en tout matériau, permettant d’assurer une fonction d’étanchéité. Au sens de l’invention, cette fonction est assurée par tout système d’encapsulation qui présente, de préférence, une perméance à la vapeur d'eau (coefficient WVTR ou « WVTR ») inférieure à 10-5 g/m2.d. La mesure de la perméance à la vapeur d’eau peut se faire à l’aide d’une méthode qui fait l’objet du US 7,624,621 et qui est également décrite dans la publication « Structural properties of ultraviolet cured polysilazane gas barrier layers on polymer substrates » par A. Morlier et al., parue dans la revue Thin Solid Films 550 (2014) 85-89. Plus le coefficient WVTR est faible, plus le système d’encapsulation est étanche.
Ledit système d’encapsulation comporte avantageusement une ou plusieurs couches qui ont été déposées à partir d’une phase vapeur, et de préférence par une technique sélectionnée dans le groupe formé par : le dépôt de couches atomiques (ALD, Atomic Layer Deposition), le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD, Plasma- Enhanced Chemical Vapor Deposition), le dépôt chimique en phase vapeur par plama à haute densité (HDPCVD, High Density Plasma Chemical Vapor Deposition).
On choisira par exemple de déposer : un film inorganique dense déposé par ALD, PECVD ou HDPCVD d’une épaisseur inférieure à 5 pm et de préférence inférieur à 2 pm. Le film inorganique peut notamment être en SiO2, Si3N4, SiC, Ta2O5, Si amorphe ou AI2O3 ; une succession de films inorganiques d’une épaisseur totale inférieure à 5 pm et de préférence inférieure à 2 pm. Ces films inorganiques peuvent notamment être en SiO2, Si3N4, SiC, Ta2O5, Si amorphe ou AI2O3 et peuvent être déposés, en prenant en compte leur nature chimique, selon une technique quelconque, sèche ou humide, appopriée (telle que : PECVD, PVD, ALD, Spray coating + UV conversion, Sol - gel...) ; une succession de films organiques et inorganiques d’une épaisseur individuelle inférieure à 20 pm et de préférence inférieure à 10 pm. Les films inorganiques peuvent être en SiO2, Si3N4, SiC, Si amorphe, et peuvent être déposés, en prenant en compte leur nature chimique, selon une technique quelconque, sèche ou humide, appropriée (telle que : PECVD, PVD, ALD, Spray coating + UV conversion, Sol-gel). Les films organiques peuvent être des films polymères (notamment en polyfluorure de vinylidène (abrégé PVDF), en parylène, en acrylate).
Enfin la batterie selon l’invention telle que représentée à la figure 1 est équipée d’un système de rigidification, désigné dans son ensemble par la référence 8. Ce système de rigidification recouvre l’ensemble du système d’encapsulation 7, à l’opposé du support 5. Il recouvre en outre au moins une partie et, de façon avantageuse comme dans l’exemple illustré, la totalité de la face avant du support 5.
De manière à garantir le critère avantageux d’étanchéité il convient de s’assurer que les composants, potentiellement nocifs au bon fonctionnement de la batterie, ne peuvent accéder à l’empilement élémentaire des anodes et des cathodes. En d’autres termes, conformément à l’invention, il s’agit d’éviter toute porte d’entrée potentielle pour ses composants nocifs. À cet effet le matériau d’encapsulation 7 occupe également, de manière avantageuse, les ajours 53, 54 du support 5. On notera que le matériau de rigidification 8 remplit également de façon avantageuse ces ajours, en étant intimement lié au matériau d’encapsulation. Sur la figure 1 , on a porté les références 7 et 8, ainsi que 53 et 54, dans les mêmes zones correspondant à ces ajours, afin de de visualiser leur remplissage par ces divers matériaux.
Ce système de rigidification 8 peut être réalisé en tout matériau, permettant d’assurer cette fonction de rigidité mécanique. Dans cette optique on choisira par exemple une résine pouvant consister en un polymère simple ou un polymère chargé avec des charges inorganiques. La matrice polymère peut être de la famille des epoxy, des acrylates, polymères fluorés par exemple, les charges pouvant consister en des particules, des flocons ou des fibres de verre. De façon avantageuse, ce système de rigidification 8 peut assurer une fonction supplémentaire de barrière à l’égard de l’humidité. Dans cette optique on choisira par exemple un verre à bas point de fusion assurant ainsi résistance mécanique et une barrière supplémentaire à l’humidité. Ce verre peut être par exemple sélectionné dans le groupe formé par les systèmes suivants : SiO2-B2O3 , Bi2O3-B2O3, ZnO-Bi2O3-B2O3, TeO2-V2O5, PbO-SiO2.
Comme on l’a vu ci-dessus, l’épaisseur du système d’encapsulation 7 est avantageusement très faible, typiquement inférieur à 50 pm, notamment inférieur à 40 pm, en particulier inférieur à 30 pm, de préférence inférieur à 20 pm, plus préférentiellement inférieur à 10 pm. De façon typique, le système de rigidification 8 présente une épaisseur bien supérieure à celle du système d’encapsulation 7. En référence à la figure 1 on note E8 la plus petite épaisseur de ce système de rigidification, au niveau du recouvrement de la face avant de l’empilement. Cette épaisseur E8 peut être comprise entre environ 20 pm et environ 750 pm, de préférence entre environ 20 pm et environ 600 pm, préférentiellement entre environ 20 pm et environ 500 pm. De façon avantageuse, cette épaisseur E8 est comprise entre environ 20 pm et environ 250 pm, typiquement comprise entre environ 40 pm et environ 200 pm, par exemple voisine d’environ 100 pm.
La batterie 1 conforme à l’invention, telle que montrée sur la figure 1 , présente globalement une forme de parallélépipède. On note 11 sa face frontale avant ou supérieure, 12 sa face frontale arrière ou inférieure, ainsi que 13 à 16 ses différentes faces latérales. Etant donné le positionnement spécifique de l’empilement 2 décrit ci-dessus, la face frontale supérieure 11 de la batterie 1 correspond à la face latérale 24 de l’empilement. Par ailleurs les faces latérales 13 et 14 de cette batterie 1 correspondent aux faces frontales opposées 21 et 22 de l’empilement, alors que les autres faces latérales 15 et 16 de la batterie correspondent aux autres faces latérales 25 et 26 de l’empilement. À titre d’exemples non limitatifs, l’épaisseur E1 (voir figure 1) de la batterie est par exemple comprise entre environ 0,5 mm et environ 2,5 mm, alors que ses dimensions transversales L1 (voir figure 2) et 11 (voir figure 1) sont par exemple compris entre environ 1 mm et environ 4 mm.
En service, de façon classique, de l’énergie électrique est produite par une conversion électrochimique au niveau de l’empilement élémentaire. Cette énergie est transmise aux plots conducteurs 58 et 59 du support 5, par l’intermédiaire des cordons de colle 60 et 61. Étant donné que ces plots sont mutuellement isolés, tout risque de court-circuit est évité. On notera que l’énergie électrique est transmise depuis les corps principaux 31 et 41 , appartenant à la fois aux anodes et aux cathodes. Cela est avantageux en termes de rendement, étant donné que ces corps principaux forment la majeure partie de la surface des anodes et des cathodes. Par ailleurs, cette transmission est réalisée via les bords longitudinaux de ces corps principaux, ce qui contribue à améliorer encore le rendement par rapport à une transmission via les bords transversaux. Avantageusement, le premier organe de contact électrique 60 assure la liaison électrique entre le corps principal 31 de la première électrode 3 et la première région de connexion électrique 58, et le deuxième organe de contact électrique 61 assure la liaison électrique entre le corps principal 41 de la deuxième électrode 4 et la deuxième région de connexion électrique 59.
Cette énergie électrique est ensuite dirigée, à partir des plots conducteurs 58 et 59, vers un ensemble de consommation d’énergie de tout type approprié. Sur la figure 14, ce dispositif de consommation d’énergie est représenté de manière schématique, en étant affecté de la référence 1000. Il comprend un corps 1002, sur lequel repose la face inférieure du support. La fixation mutuelle entre ce corps 1002 et le support 5 est réalisée par tous moyens appropriés.
Ledit ensemble 1000 comprend en outre un élément consommateur d’énergie 1004, ainsi que des lignes de connexion 1006 1007 reliant électriquement les régions 56 57 du support 5 avec cet élément 1004. La commande peut être assurée par un composant de la batterie proprement dite, et/ou par un composant non représenté appartenant à l'ensemble 1000. Ce composant, qui est de tout type approprié, est par exemple un composant de type LDO (ce qui signifie en anglais « Low Dropout Regulator », à savoir un régulateur à faible chute de tension).
A titre d’exemples non limitatifs, un tel ensemble de consommation d’énergie peut être un circuit électronique de type amplificateur, un circuit électronique de type horloge (tel qu’un composant RTC, Real Time Clock), un circuit électronique de type mémoire volatile, un circuit électronique de type mémoire vive statique (SRAM, Static Random Access Memory), un circuit électronique de type microprocesseur, un circuit électronique de type chien de garde (watchdog timer), un composant de type afficheur à cristaux liquides, un composant de type LED (Light Emitting Diode), un circuit électronique de type régulateur de tension (tel qu’un circuit régulateur de tension à chute faible, abrégé LDO, Low-dropout regulator), un composant électronique de type CPU (Central Processing Unit).
À titre de variante non représentée, on peut prévoir que le dispositif électrochimique conforme à l’invention comporte plusieurs composants électroniques supplémentaires. De façon typique, on peut envisager de réaliser un mini circuit assurant une fonction électronique complexe. Dans cet esprit, on peut utiliser un module RTC (ce qui signifie en anglais « Real Time Clock », à savoir une fonction d’horloge), ou bien un module de récupération d’énergie (en langue anglaise « Energy Harvesting »). On peut également prévoir un composant électronique apte à commander la batterie de la figure 18 ci-dessus, laquelle est intégrée dans un dispositif consommateur d’énergie.
On va maintenant décrire, en référence aux figures 8 à 13, différentes étapes d’un procédé permettant la fabrication de la batterie 1 décrite ci-dessus. Afin de mettre en œuvre ce procédé, on utilise avantageusement un cadre 505, qui est destiné à former une pluralité de supports 5. Ce cadre 505, qui est montré à grande échelle sur la figure 8, est analogue à celui décrit notamment à la figure 2 de WO 2021/130 688. Il possède une bordure périphérique 550, ainsi qu’une pluralité de préformes 551 , dont chacune permet la fabrication d’une batterie respective. Dans l’exemple illustré on retrouve douze préformes, mutuellement identiques, réparties selon quatre lignes et trois colonnes. À titre de variante, on peut prévoir d’utiliser un cadre possédant un nombre différent de telles préformes.
Chaque préforme comprend une plage centrale 555, destinée à former la semelle 55, ainsi que deux blocs latéraux 556 et 557 destinés à former respectivement les bandes 56 et 57. La plage et les blocs sont mutuellement séparés par des fentes 553 et 554, qui sont destinées à former les ajours 53 et 54. Les différentes préformes sont immobilisées, à la fois les unes par rapport aux autres, ainsi que par rapport à la bordure périphérique, au moyen de différentes tringles respectivement horizontales 558 et verticales 559.
Dans une première étape, qui est illustrée à la figure 9, on dépose sur chaque bloc latéral 556 et 557 une dose respective 560, 561 de colle conductrice, destinée à former les cordons 60, 61. De façon non représentée, on peut également déposer sur chaque plage 555 une dose supplémentaire de colle non conductrice, destinée à former la couche optionnelle 62.
Dans une deuxième étape illustrée à la figure 10 on place, sur les doses de colle conductrice 560 et 561 , différentes ébauches 2’ dont la structure est similaire à celle des empilements définitifs 2. Selon une caractéristique tout particulièrement avantageuse de l'invention, ces ébauches 2’ diffèrent des empilements 2, uniquement en ce qu’elles ne sont pas imprégnées au moyen d'électrolyte.
On agence ces ébauches, par rapport aux plages 555 et aux blocs 556,557, dans la position précise que les empilements définitifs doivent adopter vis-à-vis de la semelle 55 et des bandes latérales 56,57. Au terme de cette étape, les extrémités inférieures 331 et 431 des espaces libres débouchent en regard de la face supérieure 595 de la plage centrale 555. De façon avantageuse, comme cela va être expliqué ci-après, les extrémités opposées 332 et 432 sont dites ouvertes, à savoir qu'elles sont aisément accessibles.
Dans une troisième étape, qui est illustrée à la figure 11 , on imprègne les différentes ébauches 2’ ci-dessus d’un électrolyte liquide qui est avantageusement un liquide ionique. Pour ce faire, on utilise typiquement une buse (non représentée sur les figures), de type connu en soi. Cette buse est adaptée pour délivrer des gouttelettes 509 de liquide ionique dont la taille, typiquement nanoscopique, permet cette imprégnation. Le liquide ionique, formant électrolyte, est alimenté au niveau de la face latérale 24’ de l’ébauche 2’. De la sorte l’imprégnation vers les mésopores, qui est typiquement réalisée par capillarité, se trouve facilitée sous l’effet de la gravité. Ce liquide ionique pénètre à l'intérieur de l’ébauche, d'une part via les extrémités supérieures 332 et 432 des espaces libres selon les flèches G509, d'autre part directement via les pores des électrodes selon les flèches H509. Au terme de cette opération d'imprégnation de chaque ébauche 2’, on obtient les modules définitifs de stockage 2.
Dans une quatrième étape, illustrée à la figure 12, on réalise le dépôt d’un matériau 507 destiné à former chaque système d’encapsulation 7. Puis, dans la cinquième étape illustrée à la figure 13, on réalise le dépôt d’un matériau 508 destiné à former chaque système de rigidification 8. Ces matériaux 507 et 508 sont déposés, de façon successive, sur les empilements 2 imprégnés. Enfin, on réalise une découpe du cadre 505, sur lequel ont été disposés les différents constituants de la pluralité de batteries. Cette découpe, non représentée sur les figures annexées, est analogue à celle décrite notamment à la figure 8 de WO 2021/130 688.
On va maintenant expliciter les avantages de l'invention, vis-à-vis de l'art antérieur matérialisé notamment par la batterie conforme à WO 2021/130 688. Cette dernière 801 est illustrée schématiquement sur la figure 15, laquelle est analogue à la figure 2 représentant la batterie 1 selon l'invention. Sur la figure 15, on note 805 le support de connexion, 858 et 859 les régions de connexion de ce dernier, 802 le module de stockage ainsi que 860 et 861 les organes de contact électrique.
Étant donné le positionnement spécifique du module de stockage 2 selon l'invention, le courant provenant des différentes électrodes 3a, 4a, ... , 3n et 4n peut être collecté de manière très satisfaisante quelle que soit la taille de ce module. En effet, étant donné que cette collecte de courant est assurée au niveau de la face latérale de contact 23, via chaque cordon 60,61 , elle est indépendante du nombre d'électrodes. Au contraire, dans l'art antérieur, lorsque le module de stockage 802 possède un grand nombre d'électrodes, cela tend à augmenter la résistance de contact globale du fait de l'épaisseur élevée des organes de contact 860,861 , lesquels présentent une résistance électrique supérieure à celle des plots de collecte du courant. Par conséquent, le courant provenant des électrodes supérieures 803n,804n est collecté de façon nettement moins efficace, que celui provenant des électrodes proches du support. L'architecture conforme à l'invention permet de s'affranchir de toute diminution de rendement, inhérente à cet état de la technique.
Par ailleurs le contact électrique, réalisé conformément à l'invention, est de type planaire. Autrement dit, les organes de contact 60 et 61 sont formés par un adhésif dit « de contact » par opposition à l'adhésif volumique des organes de contacts antérieurs 860 et 861. Dans cet esprit, l'épaisseur e60 des organes de contact selon l'invention est la plus faible possible de façon à diminuer la résistance, en étant avantageusement inférieure à 100 pm (microns). En revanche, dans l'art antérieur, l'épaisseur E860 des organes de contact correspond sensiblement à l'épaisseur totale du module de stockage. Cette épaisseur totale, qui dépend des contraintes d’encombrement du dispositif, est en tout état de cause très nettement supérieure à l’épaisseur e60 mentionnée ci-dessus. Le contact de type planaire, conforme à l'invention, est mécaniquement plus fiable et moins résistif.
Par ailleurs, selon la caractéristique tout particulièrement avantageuse de l'invention illustrée notamment à la figure 11 , l'imprégnation peut être réalisée après le montage du module de stockage 2 sur son support 5. Dans ces conditions, lors du montage, le module 2 est nettement moins sensible aux traitements thermiques à température élevée, que le module 802 de l'art antérieur. Par conséquent il est possible d'utiliser des verres et/ou des céramiques conductrices, ou bien encore une soudure, pour réaliser la jonction ohmique entre le module et le support.
On notera également que la présence d’un système d’encapsulation apporte des avantages spécifiques. En effet, ce système d’encapsulation permet de réaliser des batteries de plus forte capacité.
La figure 16 illustre une variante de réalisation d’un module de stockage d’énergie, appartenant à la batterie conforme à l’invention. Sur cette figure 16 les éléments mécaniques, analogues à ceux des figures précédentes, y sont affectés des mêmes numéros de référence augmentés du nombre 2000.
L’empilement 2002 de cette figure 16, formant module de stockage d’énergie, diffère de celui 2 notamment en ce que chaque anode 2003 possède une structure différente de celle de chaque anode 3, alors que chaque cathode 2004 possède une structure identique à celle de chaque cathode 4. Cependant, à titre d’alternative non représentée, on peut prévoir que chaque cathode 2004 possède une structure différente de celle 4, alors que chaque anode 2003 est identique à celle 3.
En référence à la figure 16, l’espace libre 2033 de chaque anode 2003 comprend tout d’abord une branche dite traversante 2330, analogue à l’espace libre 33 ci-dessus, laquelle relie les bords longitudinaux 2301 et 2302 de cette anode. Conformément à la présente variante, l’espace libre 2033 comprend en outre une branche dite auxiliaire 2331 , qui relie la branche traversante 2330 avec le bord transversal en regard 2304 de l’anode 2003. Par conséquent, la branche auxiliaire sépare le corps principal 2031 vis-à-vis d’un corps dit tertiaire 2035. Par ailleurs, la branche traversante sépare le corps secondaire 2032 vis-à- vis à la fois du corps principal 2031 et du corps tertiaire 2035 ci-dessus.
Le positionnement ainsi que la fixation du module de stockage 2002 ci-dessus sont analogues à ceux décrits précédemment, en référence au module de stockage 2. En service, l’énergie est transmise depuis les bords longitudinaux du corps principal 2031 explicité ci-dessus, ainsi que du corps principal 2041 dont on a vu qu’il est identique à celui 41 . Afin de garantir un rendement maximal, la surface du corps tertiaire est aussi faible que possible, tout en garantissant sa tenue mécanique.
La variante de réalisation de la figure 16 présente des avantages spécifiques. En effet, elle permet d’éviter les problèmes de court-circuit au niveau des faces supérieures et inférieures du module de stockage, à savoir des bords longitudinaux de ce dernier. De tels courts- circuits sont susceptibles d’être induits, lors des étapes de découpes intervenant dans le procédé de fabrication des ébauches 2’ ou du module de stockage 2.
Cette variante de la figure 16 définit ainsi un module de stockage d’énergie 2002 comportant
- au moins une première électrode 2003 et au moins une deuxième électrode 2004, qui sont disposées l'une à côté de l'autre de manière alternée,
- au moins un séparateur électronique, chaque séparateur séparant une première électrode et une deuxième électrode adjacente, à la fois la première électrode et la deuxième électrode comprenant chacune un corps principal 2031 ; 2041 , un corps secondaire 2032 ; 2042 et un espace dit libre 2033 ; 2043, lequel est libre de tout matériau d'électrode et/ou de tout substrat collecteur de courant, chaque espace libre séparant un corps principal et un corps secondaire respectif, module dans lequel l’espace libre 2033 de chaque première électrode, ou bien de chaque deuxième électrode, comprend une branche traversante 2330 reliant les bords longitudinaux de ladite électrode ainsi qu’une branche auxiliaire 2331 reliant la branche traversante avec le bord transversal 2304 en regard de ladite électrode, la branche auxiliaire séparant le corps principal 2031 vis-à-vis d’un corps dit tertiaire 2035 alors que la branche traversante sépare le corps secondaire 2032 vis-à-vis à la fois du corps principal et du corps tertiaire.
Des exemples de fabrication du module 2002, décrit ci-dessus, sont brièvement donnés en référence aux figures 17 et 18. La présente figure 17 reprend en partie la figure 6 de WO 2021/234 585 discuté ci-dessus, lequel a pour objet la réalisation de fentes en I dans une superposition de strates alternées. Sur la présente figure 17 chaque fente 2080 illustrée en traits pointillés, ménagée dans chaque strate destinée à former une cathode 2004 respective, présente une forme de I comme dans WO 2021/234 585.
En revanche, chaque fente 2070, ménagée dans chaque strate destinée à former une anode 2003 respective, possède un canal traversant 2071 , ainsi qu’un canal auxiliaire 2072. Ces canaux sont destinés à former, respectivement, la branche traversante 2330 ainsi que la branche auxiliaire 2331 de chaque anode 2003 de la figure 16. Les découpes réalisées dans les différentes strates, matérialisées par les différents traits mixtes de la figure 17, sont analogues à celles décrites dans WO 2021/234 585, de sorte qu’elles ne seront pas décrites plus en détail.
La présente figure 18 reprend en partie la figure 5 de WO 2020/136 313 discuté ci-dessus, lequel a pour objet la réalisation de fentes en H dans une superposition de strates alternées. Chaque fente ménagée dans chaque strate destinée à former une cathode 2004 respective, présente une forme de H comme dans WO 2020/136 313. Sur la présente figure 18, seul le canal de liaison horizontal 3080 de chaque fente cathodique est visible.
En revanche chaque fente 3070, ménagée dans chaque strate destinée à former une anode 2003 respective, possède un canal auxiliaire 3072 supplémentaire, s’étendant à partir du canal de liaison horizontal 3071. Ces canaux sont destinés à former, respectivement, la branche auxiliaire 2331 et la branche traversante 2330 de chaque anode 2003 de la figure 16. Les découpes réalisées dans les différentes strates, matérialisées par les différents traits mixtes de la figure 18, sont analogues à celles décrites dans WO 2020/136 313, de sorte qu’ils ne seront pas décrits plus en détail. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés.
On peut tout d'abord prévoir que le support de connexion est dépourvu d'une semelle centrale, comme décrit à la figure 15 de WO 2021/130 688.
Par ailleurs on peut prévoir que le dispositif de stockage d’énergie, conforme à l'invention, incorpore un composant électronique supplémentaire. Ce mode de réalisation est à rapprocher de celui décrit dans les figures 16 et 17 de WO 2021/130 688. Ce dispositif de stockage d'énergie peut être équipé de plusieurs composants électroniques supplémentaires, selon la variante mentionnée dans WO 2021/130 688 sans y être cependant illustrée.
À titre de variante supplémentaire non représentée, on peut prévoir que le dispositif de stockage d'énergie conforme à l'invention est dépourvu d'un système de rigidification, tel que celui 8. Cette variante trouve notamment son application dans le cas où le système d'encapsulation 7 présente une résistance mécanique élevée.
Dans le mode de réalisation décrit et représenté, le support conducteur 5 est de type monocouche. À titre de variante, ce support peut être au contraire multicouche, en présentant par exemple l'une des géométries décrites aux figures 25 à 29 de WO 2021/130 688.
A titre de variante supplémentaire, tout particulièrement avantageuse, on peut prévoir de placer, sur un même support, plusieurs batteries connectées soit en série soit en parallèle. Ces batteries sont alors disposées sous un système d’encapsulation commun. Il est déjà connu d’associer des batteries en parallèle, mais selon l’état de la technique, l’épaisseur totale des batteries est limitée industriellement par la possibilité de découpe. Selon l’invention, on peut accroitre la capacité de la batterie en coupant deux batteries d’épaisseurs plus fines et les connecter entre elles dans un même système d’encapsulation. Cela est moins coûteux que de réaliser deux systèmes d’encapsulation séparés.
De la même manière, certains circuits électroniques demandent des tensions de fonctionnement plus élevées que les tensions délivrées par une cellule élémentaire. Selon l’invention on peut connecter deux ou plusieurs batteries en série sous un même système d’encapsulation.
Selon un autre mode de réalisation on peut associer, sous un même système d’encapsulation, une microbatterie avec un supercondensateur et/ou un condensateur connecté en parallèle. De préférence, dans une telle combinaison, la tension de fonctionnement du condensateur et/ou supercondensateur est supérieure à la tension maximale de la batterie. Les deux composants étant montés en parallèle, la microbatterie charge alors le condensateur qui pourra, lorsque la demande en courant présente un maximum, assister la batterie pour fournir du courant. Cette microbatterie est de préférence rechargeable.
Selon un autre mode de réalisation, les composants montés en parallèle peuvent être deux microbatteries de chimie différente, avec des tensions différentes ; ces microbatteries peuvent être toutes les deux rechargeables, mais on peut aussi associer une batterie primaire à une batterie secondaire, par exemple une batterie primaire de forte capacité à une petite batterie secondaire de forte puissance.
De manière typique, les microbatteries selon l’invention sont conçues de manière à être compatibles avec les procédés de fabrication de la microélectronique.
De manière typique, les batteries selon l'invention peuvent être réalisées : soit avec des couches de type « tout solide », i.e. dépourvues de phases liquides ou pâteuses imprégnées (lesdites phases liquides ou pâteuses pouvant être un milieu conducteur d’ions de lithium, de sodium ou de potassium, capable d’agir comme électrolyte), soit avec des couches de type « tout solide » mésoporeuses, imprégnées par une phase liquide ou pâteuse, typiquement un milieu conducteur d’ions de lithium, de sodium ou de potassium, qui entre spontanément à l’intérieur de la couche et qui ne ressort plus de cette couche, de sorte que cette couche puisse être considérée comme quasi-solide, soit avec des couches poreuses imprégnées (i.e. couches présentant un réseau de pores ouverts qui peuvent être imprégnés avec une phase liquide ou pâteuse, et qui confère à ces couches des propriétés humides).
Dans ce qui précède, on a plus particulièrement fait référence à un dispositif de stockage d’énergie électrique de type électrochimique, se présentant sous forme d’une batterie. Cette batterie, qui a été décrite comme étant aux ions de lithium, peut également être à ions de sodium, mais aussi à ions de potassium. L’invention trouve également son application à d’autres dispositifs de stockage d’énergie électrique (qui ne sont pas forcément tous de type électrochimique), notamment certains types de condensateurs ou de supercondensateurs. En particulier, l’invention peut être appliquée à différents types de supercondensateurs. Elle peut être appliquée aux supercondensateurs à double couche électrochimique, qui fonctionnent par adsorption de charges capacitives à l’interface d’un électrolyte et d’une électrode polarisable de grande surface spécifique ; les charges de surface se trouvent dans la double couche électrochimique, adsorbées à la surface de l’électrode.
L’invention peut aussi être appliquée aux pseudo-condensateurs, qui mettent en œuvre des réactions faradiques rapides et réversibles à la surface des électrodes (ces réactions sont dénommées aussi « réactions de conversion en surface »). Les matériaux pseudocapacitifs sont typiquement des polymères conducteurs, ou certains oxydes métalliques (RuO2, MnO2), ou certains nitrures de métaux de transition. La capacité de ces matériaux est très élevée, mais ils fonctionnent en règle générale avec des électrolytes ne contenant pas d’ions à insertion ou en milieu aqueux, ce qui limite la tension d’utilisation de la cellule.
L’invention peut aussi être appliquée aux supercondensateurs hybrides. Le terme « hybride » se réfère au fait que la nature des réactions à la cathode et à l’anode n’est pas la même : à la cathode il s’agit de réactions de surface (adsorption ou conversion), alors qu’à l’anode il s’agit de réactions d’insertion d’ions en volume. Parmi les supercondensateurs hybrides on mentionne ici le supercondensateur à ions de lithium (LIC - Lithium Ion Capacitor), ou bien à ions de sodium (NaC - Sodium Ion Capacitor), ou bien encore à ions de potassium (KC - Potassium Ion Capacitor), qui est une structure hybride mettant en œuvre une structure duale composée de deux électrodes de types différents : une électrode à insertion du lithium, respectivement du sodium ou du potassium, comme anode, et une cathode à forte surface spécifique. L’anode est de préférence très conductrice des ions et des électrons, présente une large surface spécifique et est capable d’insérer des cations. Cette insertion de cations dans l’anode n’est pas limitée à la surface, elle procède dans tout le volume de l’anode. La cathode présente également une grande surface spécifique, capable d’adsorber le contre-ion du cation (i.e. l’anion) contenu dans l’électrolyte. La cathode peut être en charbon actif. Ainsi, les mécanismes physicochimiques sont différents à l’anode et la cathode, c’est pourquoi on parle de structure hybride. Les pseudo-condensateurs fonctionnent en règle générale dans des solvants aqueux, ou dans des électrolytes ne contenant pas d’ions à insertion.
L’invention peut aussi être appliquée aux condensateurs de type Métal-lsolant-Métal (couramment abrégés MIM) et aux condensateurs céramiques multicouches (couramment abrégés MLCC). Plusieurs types d’électrolytes peuvent être utilisés dans les supercondensateurs selon l’invention. Des électrolytes aqueux peuvent être utilisés dans les pseudo-condensateurs et les supercondensateurs de type EDLC. L’utilisation d’électrolytes aqueux limite la plage de potentiel d’utilisation, mais présente l’avantage de ne pas requérir un système d’encapsulation présentant une étanchéité totale à la vapeur d’eau. Afin d’accroitre la plage de tension de fonctionnement et la densité d’énergie des supercondensateurs, et notamment des supercondensateurs hybrides à ions de lithium, à ions de sodium ou à ions de potassium, des électrolytes à base de solvants organiques et/ou liquides ioniques peuvent être utilisés ; ces électrolytes sont alors sensibles à l’humidité, et les supercondensateurs doivent présenter un système d’encapsulation.
Sur la figure 19 on a illustré un premier type de supercondensateurs 601 , qui peut notamment être un supercondensateur hybride tel qu'un supercondensateur hybride à ions de lithium LiC, un supercondensateur hybride à ions de sodium SIHC ou un supercondensateur hybride à ions de potassium PIHC, ou bien encore tel qu’un supercondensateur à double couche électrochimique. Sur cette figure 19 les éléments mécaniques analogues à ceux des figures 1 à 18 y sont affectés des mêmes numéros de référence, augmentés du nombre 600.
En regard de ce qui a été décrit ci-dessus, ce premier type diffère d’une batterie 1 telle que décrite aux figures précédentes, par le fait que l’espace libre, ménagé dans chaque électrode, est libre de tout matériau d’électrode et/ou de tout substrat collecteur de courant. Hormis cette différence, le condensateur ou bien le supercondensateur conforme à la figure 19 présente la même structure, en particulier géométrique, que celle d’une batterie telle que celle 1 décrite précédemment.
On retrouve ainsi un système d’encapsulation 607, analogue à celui 7 de la batterie ci- dessus. Sur cette figure 19 on a plus particulièrement illustré le module de stockage 602 de ce supercondensateur, formé par la succession d’électrodes 603a à 603n, ainsi que 604a à 604n Le positionnement et la fixation de ce module de stockage d’énergie de ce condensateur ou, par rapport à son support de connexion électrique 605, sont analogues à ceux décrits ci-dessus en référence à la batterie 1. Enfin le supercondensateur 601 possède, de façon optionnelle, un système de rigidification 608 analogue à celui 8 de la batterie 1 du premier mode de réalisation. Sur la figure 19, ce caractère optionnel est matérialisé par le fait que ce système de rigidification est illustré en traits pointillés. Sur la figure 20 on a illustré un deuxième type 701 de supercondensateurs, qui peut être un pseudo condensateur, ou bien un supercondensateur à double couche électrochimique avec un électrolyte choisi pour ne pas être sensible à l’humidité. Sur cette figure 20 les éléments mécaniques analogues à ceux des figures 1 à 18 y sont affectés des mêmes numéros de référence, augmentés du nombre 700.
Tout comme pour le supercondensateur 601 de la figure 19, l’espace libre ménagé dans chaque électrode de ce deuxième type 701 est libre de tout matériau d’électrode et/ou de tout substrat collecteur de courant. En outre, le supercondensateur 701 de la figure 20 diffère, à la fois de la batterie 1 et du supercondensateur 601 , en ce qu’il est dépourvu d’un système d’encapsulation, tel celui 7 ou 607 ci-dessus. En effet le module de stockage 702 de ce supercondensateur ne présente pas la même sensibilité, vis-à-vis de l’humidité.
Par conséquent, cet empilement est associé à un simple système de protection mécanique 708, typiquement surmoulé. Ce système de protection mécanique 708 est réalisé en un matériau différent de celui constitutif du système d’encapsulation 7, décrit précédemment. À titre d’exemple, ce système de protection 708 peut être formé dans un matériau analogue à ceux décrits ci-dessus, qui peuvent constituer le système de rigidification 8.
Sur cette figure 20 on a plus particulièrement illustré le module de stockage 702 de ce deuxième type de supercondensateur, formé par la succession d’électrodes 703a à 703n, ainsi que 704a à 704n. Le positionnement et la fixation de ce module de stockage d’énergie 702, par rapport à son support de connexion électrique 705, sont analogues à ceux décrits ci-dessus en référence à la batterie 1 .
Sur la figure 21 on a illustré un troisième type 901 de condensateur, qui est par exemple un condensateur MIM (Metal Insulator Metal) ou encore un condensateur MLCC (condensateur céramique multicouche). Sur cette figure 21 les éléments mécaniques analogues à ceux des figures 1 à 18 y sont affectés des mêmes numéros de référence, augmentés du nombre 900.
L’espace libre ménagé dans chaque électrode, telle que définie au début de la présente description, appartenant à ce condensateur 901 est libre de tout matériau d’électrode, i.e. de tout matériau conducteur électronique en tenant compte de la définition donnée ci- dessus du terme « électrode ». Par ailleurs, ce condensateur peut être dépourvu à la fois d’un système d’encapsulation, ainsi que d’un système de protection mécanique. Par conséquent il n’est donc pas prévu de couche additionnelle recouvrant le module de stockage 902, formé par la succession d’électrodes 903a à 903n, ainsi que 904a à 904n. Bien que cette possibilité fasse partie de l’invention, elle est moins préférée. Tout comme pour les supercondensateurs 601 et 701 , le positionnement et la fixation de ce module de stockage d’énergie, par rapport à son support de connexion électrique 905, sont analogues à ceux décrits ci-dessus en référence à la batterie 1. Il convient de noter qu’il est avantageux de protéger un condensateur de type MIM contre un endommagement mécanique ; cette protection peut être procurée au niveau du composant par un système de protection mécanique, et/ou par des moyens de protection appropriés au niveau de la carte électronique sur laquelle ce composant sera monté, ou encore au niveau du boitier dans lequel ladite carte électronique sera intégrée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de stockage d’énergie électrique, notamment de type batterie (1), condensateur ou supercondensateur, comprenant
- un module de stockage d’énergie (2) comportant
- au moins une première électrode (3a - 3n) et au moins une deuxième électrode (4a - 4n), qui sont disposées l'une à côté de l'autre de manière alternée,
- au moins un séparateur électronique, chaque séparateur séparant une première électrode et une deuxième électrode adjacente, à la fois la première électrode et la deuxième électrode comprenant chacune un corps principal (31 ; 41), un corps secondaire (32 ; 42) et un espace dit libre (33 ; 43), lequel est libre au moins de tout matériau d'électrode et/ou de tout substrat collecteur de courant, chaque espace libre séparant un corps principal et un corps secondaire respectif,
- ce module de stockage comprenant des faces dites frontales opposées (21 ,22), qui sont parallèles aux plans des différentes électrodes, ainsi que des faces dites latérales (23 - 26), lesquelles sont en particulier opposées deux à deux,
- un support de connexion électrique (5), réalisé au moins en partie en un matériau conducteur, comprenant une première région de connexion électrique (58) et une deuxième région de connexion électrique (59) qui sont isolées électriquement l'une par rapport à l'autre,
- un premier organe de contact électrique (60), apte à assurer la liaison électrique entre chaque première électrode (3) et la première région de connexion électrique (58),
- un deuxième organe de contact électrique (61), apte à assurer la liaison électrique entre chaque deuxième électrode (4) et la deuxième région de connexion électrique (59), ledit dispositif de stockage d'énergie électrique étant caractérisé en ce que
- le module de stockage d'énergie électrique (2) repose, par l'une de ses faces latérales, dite face latérale de contact (23), sur une face frontale (51) dite de réception, du support de connexion électrique,
- les différentes premières électrodes étant en contact, par un de leurs bords longitudinaux, avec le premier organe de contact (60),
- les différentes deuxièmes électrodes étant en contact, par un de leurs bords longitudinaux, avec le deuxième organe de contact (61).
2. Dispositif de stockage d’énergie électrique selon la revendication 1 , dans lequel les différents corps principaux (31) des premières électrodes (3) sont en contact avec le premier organe de contact (60), alors que les différents corps principaux (41) des deuxièmes électrodes sont en contact avec le deuxième organe de contact (61).
3. Dispositif de stockage d’énergie électrique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le plan principal (P5) du support (5) et le plan principal médian (P2) du module de stockage (2) sont mutuellement obliques, notamment mutuellement perpendiculaires.
4. Dispositif de stockage d’énergie électrique selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel chacun des espaces libres (33, 43) débouche, par une première extrémité (331 , 431), sur la face frontale de réception (51) du support et, par une deuxième extrémité (332, 432), à l'opposé de ladite face frontale de réception, ladite première extrémité (331 , 431) de chaque espace libre (33, 43) étant avantageusement située à distance de l’organe de contact électrique (60, 61) adjacent à cette première extrémité.
5. Dispositif de stockage d’énergie électrique selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel chaque organe de contact électrique (60, 61) est apte à assurer une fonction supplémentaire de solidarisation mécanique entre le module de stockage et le support, l'organe de contact électrique étant avantageusement réalisé en un matériau adhésif conducteur.
6. Dispositif de stockage d’énergie électrique selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'organe de contact électrique présente une épaisseur (e60) inférieure à 100 pm.
7. Dispositif de stockage d’énergie électrique selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel l’espace libre (2033) de chaque première électrode, ou bien de chaque deuxième électrode, comprend une branche traversante (2330) reliant les bords longitudinaux de ladite électrode ainsi qu’une branche auxiliaire (2331) reliant la branche traversante avec le bord transversal (2304) en regard de ladite électrode, la branche auxiliaire séparant le corps principal (2031) vis-à-vis d’un corps dit tertiaire (2035) alors que la branche traversante sépare le corps secondaire (2032) vis-à-vis à la fois du corps principal et du corps tertiaire.
8. Dispositif de stockage d’énergie électrique selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel chaque première électrode est une électrode de première polarité, alors que chaque deuxième électrode est une électrode de deuxième polarité.
9. Dispositif de stockage d’énergie électrique selon la revendication 8, dans lequel ce dispositif est une batterie, le séparateur étant réalisé en un matériau isolant électronique mais conducteur ionique, le module de stockage d’énergie comprenant en outre un électrolyte liquide imprégnant au moins une partie des électrodes et/ou du séparateur.
10. Dispositif de stockage d’énergie selon la revendication 8, dans lequel ce dispositif est un pseudo-condensateur, un supercondensateur hybride à ions de lithium, un supercondensateur hybride à ions de sodium, un supercondensateur hybride à ions de potassium, une batterie à ions de lithium, une batterie à ions de sodium, une batterie à ions de potassium, le séparateur étant réalisé en un matériau isolant électronique mais conducteur de charges électriques.
11. Dispositif de stockage d’énergie électrique selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel ce dispositif est un condensateur, de préférence choisi parmi un condensateur de type Métal-lsolant-Métal (MIM) et condensateurs multicouches, chaque première électrode et chaque deuxième électrode étant un collecteur de courant.
12. Dispositif de stockage d’énergie électrique selon l’une des revendications 1 à 11 , comprenant en outre un système de protection mécanique (608 ; 708), assurant une protection mécanique au moins à l’égard du module de stockage.
13. Dispositif de stockage d’énergie selon l’une des revendications 1 à 12, comprenant en outre un système d'encapsulation (7 ; 607), notamment confondu avec le système de protection mécanique, le système d’encapsulation assurant la protection à l'égard de l'étanchéité à la fois du module de stockage et du support de connexion électrique, dans lequel ledit système d’encapsulation (7) recouvre avantageusement les faces frontales opposées (21 , 22) du module de stockage, la face latérale (24) du module de stockage opposée à la face latérale de contact, les deux autres faces latérales (25, 26) du module de stockage, au moins en partie le premier organe de contact électrique (60), au moins en partie le deuxième organe de contact électrique (61), ainsi qu’au moins en partie la face de réception (51) dudit support de connexion électrique (5).
14. Dispositif de stockage d’énergie électrique selon la revendication 13, comprenant en outre un système de rigidification mécanique (8), recouvrant le système d’encapsulation à l’opposé du support de connexion électrique (5).
15. Procédé de fabrication d’un dispositif de stockage d’énergie électrique selon l’une des revendications 1 à 14, ledit procédé comprenant :
- le positionnement relatif du module de stockage d'énergie (2) et du support de connexion électrique (5), sensiblement dans la position finale qu'ils doivent adopter - la mise en liaison électrique de chaque première électrode (3) avec la première région de connexion électrique (58) du support
- la mise en liaison électrique de chaque deuxième électrode (4) avec la deuxième région de connexion électrique (59) du support
- éventuellement l'imprégnation du module de stockage d'énergie au moyen de l’électrolyte
- éventuellement le revêtement du système d'encapsulation (7).
16. Procédé selon la revendication 15, comprenant
- la fourniture d'une ébauche (2’) non imprégnée d’électrolyte, ladite ébauche étant destinée à former le module de stockage d'énergie
- le positionnement relatif de l'ébauche et du support de connexion électrique
- l'imprégnation de l'ébauche au moyen de l’électrolyte, de manière à former le module de stockage d'énergie.
17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel on introduit au moins une partie (509) dudit électrolyte par l'intermédiaire de la deuxième extrémité (332, 432) desdits espaces libres, et dans lequel on imprègne avantageusement l'ébauche en faisant s'écouler l'électrolyte par gravité (G509, H509).
18. Ensemble consommateur d’énergie électrique (1000) comprenant un corps (1002), un élément consommateur d’énergie (1004) ainsi qu’au moins un dispositif de stockage d’énergie électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 14, ledit dispositif de stockage d’énergie électrique (1) étant apte à alimenter en énergie électrique ledit élément consommateur d’énergie électrique (1004), et ledit support de connexion électrique (5) dudit dispositif de stockage d’énergie électrique étant fixé sur ledit corps.
19. Ensemble consommateur d’énergie selon la revendication 18, comprenant au moins deux dispositifs de stockage d’énergie qui sont placés sur un unique support de connexion électrique et sont connectés en série et/ou en parallèle, lesdits au moins deux dispositifs de stockage d’énergie étant avantageusement recouverts au moyen d’un unique système d’encapsulation, ou bien d’un unique système de protection mécanique.
20. Ensemble consommateur d’énergie selon la revendication 18, comprenant un composant électronique supplémentaire, placé sur un unique support de connexion électrique avec le dispositif de stockage d’énergie électrique, ce composant électronique et ce dispositif de stockage d’énergie étant avantageusement recouvert au moyen d’un unique système d’encapsulation, ou bien d’un unique système de protection mécanique.
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