Brevet FR3057708A1 — publié le 20180420

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE BATTERIE AU LITHIUM EN SACHET, ET ENSEMBLE COMPRENANT UN SACHET FERME RENFERMANT DES ELECTRODES, DESTINE A ETRE REMPLI D'UN ELECTROLYTE LIQUIDE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine de la fabrication d'une batterie au lithium en sachet, également dénommée batterie en sachet souple ou batterie sous enveloppe souple, ou encore batterie « Pouch Cell ». Elle concerne les batteries au lithium en sachet comprenant un électrolyte liquide. En particulier, l'invention se rapporte à la fabrication d'une batterie lithium-ion. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE De manière conventionnelle, une batterie au lithium est réalisée à partir d'un sachet fermé au niveau de tous ses bords, à l'exception d'un bord qui reste ouvert pour l'introduction ultérieure de l'électrolyte liquide. Le sachet est formé à partir d'un film, dont les extrémités sont thermo-soudées pour l'obtention des bords soudés. Avant l'introduction de l'électrolyte dans le sachet partiellement fermé, celui-ci est équipé des électrodes de la batterie, ainsi que d'un ou plusieurs séparateurs. Pour l'introduction de l'électrolyte liquide, il est par exemple utilisé une pipette volumétrique introduite dans le sachet, par le bord ouvert. Une fois le remplissage effectué, une opération de mise au vide est réalisée avant de présenter le sachet rempli sous les mors chauffants d'un outillage de thermo-soudage, pour fermer de manière étanche le bord resté ouvert. Cependant, la fiabilité de cette fermeture étanche reste perfectible. En effet, lors du remplissage de l'électrolyte liquide et/ou lors de la mise au vide, il peut se 3057708 2 produire des éclaboussures ou une remontée d'électrolyte sur la face interne du sachet souple. Cela s'avère problématique lors de l'étape ultérieure de thermo-soudage du bord resté ouvert, puisque des particules d'électrolyte sont alors susceptibles de se mélanger avec la couche du film en fusion. Il peut ainsi se créer des défauts localisés avec des 5 bulles, ou encore des zones non soudées pouvant générer à terme des chemins de fuite privilégiés, susceptibles de causer une perte d'étanchéité au cours du cycle de vie de la batterie. EXPOSÉ DE L'INVENTION Pour répondre à cette problématique, l'invention a tout d'abord pour 10 objet un procédé de remplissage d'un électrolyte liquide dans un sachet destiné à former l'enveloppe extérieure d'une batterie au lithium en sachet, ledit procédé comprenant l'introduction de l'électrolyte dans un ensemble comprenant le sachet fermé renfermant des électrodes, l'introduction étant réalisée par l'intermédiaire d'une canule traversant de manière étanche un bord fonctionnel du sachet formé par deux extrémité de sachet 15 superposées et thermo-soudées, la canule étant interposée entre les deux extrémités de sachet et thermo-soudée à celles-ci. Ainsi, l'invention prévoit astucieusement de procéder au remplissage par une canule intégrée au sachet fermé, ce qui limite fortement les risques de défaut d'étanchéité rencontrés dans l'art antérieur. En effet, le sachet étant déjà fermé au 20 moment du remplissage, les risques de projection ou de remontée d'électrolyte sont réduits à néant. Après le remplissage, il suffit alors d'obturer la canule pour assurer une étanchéité totale du sachet formant l'enveloppe extérieure de la batterie. De préférence, l'introduction de l'électrolyte liquide s'effectue en raccordant un dispositif d'alimentation en électrolyte à une extrémité de la canule 25 agencée extérieurement audit sachet, de préférence via une seringue interposée entre cette extrémité de canule et le dispositif d'alimentation en électrolyte. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une batterie au lithium en sachet, comprenant les étapes suivantes : 3057708 3 - réalisation d'un ensemble comprenant un sachet fermé renfermant des électrodes, puis mise en oeuvre du procédé de remplissage d'un électrolyte liquide dans le sachet fermé ; et - obturation de la canule, de préférence dans sa portion extérieure audit 5 bord fonctionnel du sachet. Préférentiellement, après la mise en oeuvre du procédé de remplissage et avant l'obturation de la canule, le dispositif d'alimentation en électrolyte est déconnecté et il est réalisé une étape de formation électrique de la batterie au cours de laquelle, et/ou après laquelle, des gaz générés par la réaction entre l'électrolyte et au 10 moins l'une des électrodes durant la formation électrique, sont stockés dans ladite seringue. La récupération des gaz avant la fermeture finale de la batterie permet d'améliorer le comportement électrochimique global de la batterie, et de gagner en fiabilité ainsi qu'en durée de vie. De préférence, le procédé de fabrication comprend une étape de 15 récupération des gaz stockés dans la seringue, mise en oeuvre à l'aide d'un dispositif de purge raccordé à ladite seringue. De préférence, l'étape d'obturation de la canule est précédée d'une étape de découpe de celle-ci. Alternativement, l'étape d'obturation de la canule est concomitante avec une étape de découpe de celle-ci. 20 De préférence, l'étape de découpe de la canule est réalisée de sorte que le bout restant soit en saillie du bord fonctionnel, sur une longueur supérieure à 6 mm. Une telle longueur permet de rouvrir puis de refermer la canule au cours du cycle de vie de la batterie, pour y effectuer une purge de gaz et/ou un nouveau remplissage d'électrolyte liquide. Cependant, une longueur inférieure pourrait être retenue, par 25 exemple comprise entre 1 et 6 mm. A cet égard, il est indiqué que le fait d'obturer la canule dans une zone extérieure au bord fonctionnel permet de ne pas fragiliser ce dernier. Cet avantage est particulièrement intéressant lorsque l'obturation de la canule s'effectue par thermo-soudage, car la chaleur apportée lors de cette opération ne détériore pas la liaison thermo-soudée entre les deux extrémités de sachet formant le bord fonctionnel. 3057708 4 De préférence, l'étape de réalisation de l'ensemble comprend la formation du bord fonctionnel du sachet, en plaçant la canule entre les deux extrémités de sachet, puis en thermo-soudant ces trois éléments à l'aide d'un outillage comprenant des mors chauffants équipés d'évidements pour le logement de la canule et des parties 5 des extrémités de sachet au contact de cette canule durant le thermo-soudage. L'invention a également pour objet un produit intermédiaire défini par un ensemble comprenant un sachet fermé renfermant des électrodes, ledit ensemble étant destiné à la fabrication d'une batterie au lithium en sachet et ledit sachet étant destiné à être rempli d'un électrolyte liquide, le sachet fermé comprenant un bord 10 fonctionnel traversé de manière étanche par une canule, ledit bord fonctionnel du sachet étant formé par deux extrémités de sachet superposées et thermo-soudées, et la canule étant interposée entre les deux extrémités de sachet et thermo-soudée à celles-ci. De préférence, le sachet fermé renferme également au moins un séparateur d'électrodes. 15 De préférence, le sachet fermé est réalisé à partir d'un film laminé comprenant une feuille d'aluminium revêtue sur sa surface extérieure d'une couche polyamide et revêtue sur sa surface intérieure d'une couche polypropylène. De préférence, le sachet fermé est réalisé à partir d'un film d'une épaisseur de l'ordre de 90 um à 130 um. 20 Afin de garantir au mieux l'étanchéité entre la canule et les extrémités de sachet lors du thermo-soudage, cette canule présente un diamètre extérieur inférieur ou égal à cinq fois l'épaisseur du film formant le sachet fermé. Enfin, la canule est souple, de préférence réalisée en polypropylène. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans 25 la description détaillée non limitative ci-dessous. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ; 3057708 5 - la figure 1 représente une vue schématique en perspective d'une batterie au lithium en sachet, destinée à être obtenue par la mise en oeuvre d'un procédé de fabrication selon l'invention ; - la figure 2 est une vue partiellement éclatée similaire à celle de la 5 figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe du film utilisé pour la réalisation du sachet de la batterie ; et - les figures 4 à 12 schématisent différentes étapes d'un procédé selon un mode de réalisation préféré de l'invention, visant à la fabrication de la batterie 10 montrée sur les figures 1 et 2. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS Tout d'abord en référence aux figures 1 et 2, il est représenté une batterie lithium-ion en sachet, désignée par la référence numérique 1. Cette batterie 1, correspondant à une cellule électrochimique, comprend donc un sachet souple 3 qui 15 forme l'enveloppe extérieure de cette batterie. Au niveau de sa périphérie, le sachet est fermé de manière étanche. Il renferme une anode 2 qui se prolonge par un connecteur d'anode 4 faisant saillie extérieurement au sachet, ainsi qu'une cathode 6 qui se prolonge par un connecteur de cathode 8 faisant également saillie en dehors du sachet 3. Ce dernier renferme également un séparateur 10 ainsi qu'un électrolyte liquide 12. 20 Comme cela est visible sur la figure 3, le sachet 3 est réalisé à partir d'un film laminé comprenant une trame en forme de feuille d'aluminium 14 revêtue sur sa surface extérieure d'une couche polyamide 16, et revêtue sur sa surface intérieure d'une couche polypropylène 18. L'épaisseur de ce film est de l'ordre de 90 à 130 u. La présence du polypropylène permet de sceller les extrémités de sachet pour former les bords de ce 25 dernier, par thermo-soudage. En effet, en appliquant une température de l'ordre de 180 à 190°C pendant une durée de 3 à 5 secondes, il est possible de faire fondre la couche de polypropylène des deux extrémités de sachet, puisque le point de fusion du polypropylène est de l'ordre de 150 à 165°C. Dans le même temps, la couche extérieure polyamide est préservée puisque sa température de fusion est de l'ordre de 210 à 220°C. 3057708 6 Le principe de thermo-soudage des extrémités de sachet est employé pour la réalisation de l'ensemble 20 montré sur la figure 4, cet ensemble constituant un produit intermédiaire dans la fabrication de la batterie 1 montrée sur les figures 1 et 2. Cet ensemble 20 comprend le sachet souple 3 qui est fermé au niveau de ses quatre 5 bords et qui enferme le séparateur ainsi que les électrodes. L'ensemble 20 est destiné à être rempli ultérieurement par l'électrolyte liquide, comme cela sera détaillé ci-après. Il comporte deux bords 22 thermo-soudés de manière conventionnelle, un bord 24 équipé des connecteurs d'anode et de cathode 4, 8, ainsi qu'un bord fonctionnel 26 spécifique à la présente invention. 10 En effet, ce bord fonctionnel 26 est équipé d'un ou d'une canule 30 qui le traverse de manière étanche de manière à faire saillie d'une part en dehors du sachet, et d'autre part à l'intérieur du volume défini par le sachet dans lequel se trouvent les électrodes ainsi que le séparateur. La partie extérieure de la canule présente un connecteur mécanique 30a, destiné à être connecté ultérieurement à une seringue. 15 La canule 30 est préférentiellement souple, réalisée en polypropylène de manière à assurer une bonne compatibilité chimique avec les extrémités de sachet, lors du thermo-soudage. Elle présente par exemple un diamètre intérieur de l'ordre de 0,25 mm ainsi qu'un diamètre extérieur de l'ordre de 0,52 mm. Pour limiter les risques de vide entre les extrémités de sachet et la surface extérieure de la canule, le diamètre 20 extérieur de celle-ci est de préférence inférieur ou égal à cinq fois l'épaisseur du film mentionné précédemment. La formation du bord fonctionnel 26 du sachet est schématisée sur les figures 4a et 4b. Tout d'abord, la canule 30 est placée entre les deux extrémités de sachet 3'. Ces deux extrémités 3' sont au contact l'une de l'autre en dehors de leur zone qui 25 épouse la canule 30. Des zones de jonction font apparaître des espaces vides 32 entre la canule et les deux extrémités de sachet 3', ces espaces étant par la suite comblés lors de l'étape de thermo-soudage schématisée sur la figure 4b. Pour la mise en oeuvre de celle-ci, il est utilisé un outillage comprenant des mors chauffants 34, en appui extérieurement sur les couches extérieures des deux extrémités de sachet 3'. Pour faire disparaître les 30 espaces 32 précités, les mors 34 comprennent des évidements 36 pour le logement de la 3057708 7 canule 30 et des parties des extrémités de sachet 3' au contact de cette canule. Les évidements 36 présentent une forme sensiblement complémentaire de celle de la canule. Ainsi, lors du chauffage des mors 34 à une température de l'ordre de 180 à 190°C, la forme des évidements 36 permet de rabattre les extrémités de sachet 3' 5 contre la canule au niveau des espaces initiaux 32, de manière à créer des zones de matière fondues 40 assurant l'étanchéité entre les deux extrémités 3' superposées, et la canule 30 interposée entre ces deux extrémités. La compatibilité chimique entre la canule et les extrémités de sachet 3' permet d'obtenir un thermo-soudage performant entre ces trois éléments, conduisant à une étanchéité satisfaisante. 10 Une fois l'ensemble 20 réalisé, il est mis en oeuvre un procédé de remplissage du sachet fermé 3 de cet ensemble, comme cela est schématisé sur la figure 5. Pour ce faire, une seringue à piston 42 est raccordée mécaniquement sur le connecteur 30a de la canule 30, et l'extrémité opposée de la seringue est raccordée 15 à un dispositif 44 d'alimentation en électrolyte liquide. Durant le remplissage, le débit d'électrolyte à travers la canule 30 est maîtrisé, et fixé en fonction de la capacité de la batterie et du diamètre intérieur de cette canule. L'électrolyte sortant de l'extrémité intérieure de la canule se trouve directement dans le volume défini par le sachet fermé 3, de sorte qu'il n'existe aucun risque de projection ou de remontée importante 20 d'électrolyte au niveau d'une zone sensible comme dans l'art antérieur. A cet égard, il est noté que l'introduction de l'électrolyte liquide peut être réalisée en excès, de manière à disposer d'un volume d'électrolyte en attente dans la seringue. Cela permet de disposer, le cas échéant, d'un complément d'injection au cours de l'étape ultérieure de formation électrique. 25 De préférence, après cette étape d'introduction de l'électrolyte, le dispositif d'alimentation 44 est déconnecté de la seringue 42, qui est obturée de manière temporaire à l'aide d'un bouchon 46 montré sur la figure 6. L'extrémité obturée correspond à l'extrémité opposée à celle raccordée au connecteur de canule 30a. Le bouchon 46 est maintenu en place durant l'étape suivante de 30 formation électrique de la batterie, schématisée sur la figure 7. La formation électrique 3057708 8 correspond au premier cycle électrique de charge/décharge de la batterie, réalisée en connectant les connecteurs 4, 8 de la batterie sur un banc 50, de la même façon que pour une batterie conventionnelle. Pendant cette étape, il se crée des gaz générés par une réaction entre l'électrolyte et au moins l'une des électrodes, en particulier la surface 5 extérieure de l'anode. La formation de ces gaz observée pendant les premières heures de fonctionnement électrochimique de la batterie sont du type CO2, CO, CH4, C2H4, DMC, EC, DEC, etc. La présence de la seringue 42 permet ainsi de constituer un réservoir dans lequel ces gaz peuvent se stocker après avoir transité par la canule 30, évitant ainsi des risques de gonflement engendrant généralement une augmentation de l'épaisseur de la 10 batterie ainsi que des contraintes mécaniques au niveau des bords du sachet. Une fois l'étape de formation électrique achevée et les gaz stockés dans le corps de la seringue 42, il est mis en oeuvre une étape de récupération des gaz à l'aide d'un dispositif de purge 52 montré sur la figure 8. Pour ce faire, le bouchon 46 est retiré et le dispositif de purge 52 est relié de manière fluidique à l'extrémité de la seringue libérée par ce même bouchon 15 46. Ensuite, il est réalisé une étape d'obturation de la canule 30 ainsi qu'une étape de découpe de celle-ci, ces deux étapes étant préférentiellement réalisées de manière concomitante, à l'aide d'un outillage à pinces chauffantes 56 tel que celui montré sur la figure 10, prévu pour sectionner la canule 30 au niveau de la ligne fictive 58 20 représentée sur la figure 9. Bien entendu, le procédé peut être mis en oeuvre de sorte que l'étape de découpe de la canule soit réalisée avant l'étape d'obturation, sans sortir du cadre de l'invention. Dans tous les cas, il est préférentiellement mis en oeuvre une opération de thermo-soudage pour réaliser l'obturation de la canule 30. Après la découpe chauffante de la canule, celle-ci se trouve fermée de 25 manière étanche, comme cela a été montré sur la figure 11 avec la ligne intérieure 60 montrant schématiquement la paroi initiale d'ouverture de la canule 30. A ce stade, le sachet devient ainsi entièrement étanche grâce à ses bords thermo-soudés et à la canule obturée. A cet égard, il est noté que la batterie a été représentée selon une forme globale de quadrilatère, mais que d'autres formes peuvent être adoptées comme une forme 30 globale circulaire, sans sortir du cadre de l'invention 3057708 9 Après découpe, le bout restant 30' de la canule est en saillie du bord fonctionnel 26 sur une longueur « L» supérieure à 6mm. Une valeur inférieure pourrait cependant être retenue, même si la valeur de 6mm permet d'envisager, au cours du cycle de vie de la batterie, de rouvrir puis de refermer cette canule. Une telle réouverture peut 5 être mise en oeuvre par exemple pour réaliser une purge complémentaire de gaz produits à l'intérieur du sachet. Elle peut également être envisagée pour un ajout d'électrolyte, le cas échéant. Dans tous les cas, ces opérations complémentaires de purge de gaz et d'ajout d'électrolyte sont mises en oeuvre selon les principes décrits précédemment. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par 10 l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs. REVENDICATIONS1. Procédé de remplissage d'un électrolyte liquide (12) dans un sachet (3) destiné à former l'enveloppe extérieure d'une batterie au lithium en sachet (1), ledit procédé comprenant l'introduction de l'électrolyte dans un ensemble (20) comprenant le sachet fermé (3) renfermant des électrodes (2, 6), l'introduction étant réalisée par l'intermédiaire d'une canule (30) traversant de manière étanche un bord fonctionnel (26) du sachet (3) formé par deux extrémité de sachet (3') superposées et thermo-soudées, la canule (30) étant interposée entre les deux extrémités de sachet (3') et thermo-soudée à celles-ci. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'introduction de l'électrolyte liquide (12) s'effectue en raccordant un dispositif (44) d'alimentation en électrolyte à une extrémité (30a) de la canule (30) agencée extérieurement audit sachet (3), de préférence via une seringue (42) interposée entre cette extrémité de canule (30a) et le dispositif d'alimentation en électrolyte (44). 3. Procédé de fabrication d'une batterie au lithium en sachet (1), comprenant les étapes suivantes : - réalisation d'un ensemble (20) comprenant un sachet fermé (3) renfermant des électrodes (2, 6), puis mise en oeuvre du procédé de remplissage d'un électrolyte liquide (12) dans le sachet fermé (3), selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 ; et - obturation de la canule (30), de préférence dans sa portion extérieure audit bord fonctionnel (26) du sachet. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'après la mise en oeuvre du procédé de remplissage selon la revendication 2 et avant l'obturation de la canule, le dispositif d'alimentation en électrolyte (44) est déconnecté et il est réalisé une étape de formation électrique de la batterie au cours de laquelle, et/ou après laquelle, 3057708 11 des gaz générés par la réaction entre l'électrolyte (12) et au moins l'une des électrodes durant la formation électrique, sont stockés dans ladite seringue (42). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend 5 une étape de récupération des gaz stockés dans la seringue, mise en oeuvre à l'aide d'un dispositif de purge (52) raccordé à ladite seringue (42). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'étape d'obturation de la canule (30) est précédée d'une étape de découpe de 10 celle-ci. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'étape d'obturation de la canule (30) est concomitante avec une étape de découpe de celle-ci. 15 8. Procédé selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape de découpe de la canule (30) est réalisée de sorte que le bout restant soit en saillie du bord fonctionnel (26), sur une longueur (L) supérieure à 6 mm. 20 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que l'étape réalisation de l'ensemble (20) comprend la formation du bord fonctionnel (26) du sachet, en plaçant la canule (30) entre les deux extrémités de sachet (3'), puis en thermo-soudant ces trois éléments à l'aide d'un outillage comprenant des mors chauffants (34) équipés d'évidements (36) pour le logement de la canule (30) et des 25 parties des extrémités de sachet (3') au contact de cette canule durant le thermo- soudage. 10. Ensemble (20) comprenant un sachet fermé (3) renfermant des électrodes (2, 6), ledit ensemble étant destiné à la fabrication d'une batterie au lithium en 30 sachet (1) et ledit sachet (3) étant destiné à être rempli d'un électrolyte liquide (12), 3057708 12 caractérisé en ce que le sachet fermé (3) comprend un bord fonctionnel (26) traversé de manière étanche par une canule (30), ledit bord fonctionnel du sachet étant formé par deux extrémités de sachet (3') superposées et thermo-soudées, et la canule (30) étant interposée entre les deux extrémités de sachet (3') et thermo-soudée à celles-ci. 5 11. Ensemble selon la revendication 10, caractérisé en ce que le sachet fermé (3) renferme également au moins un séparateur d'électrodes (10). 12. Ensemble selon la revendication 10 ou la revendication 11, 10 caractérisé en ce que le sachet fermé (3) est réalisé à partir d'un film laminé comprenant une feuille d'aluminium (14) revêtue sur sa surface extérieure d'une couche polyamide (16) et revêtue sur sa surface intérieure d'une couche polypropylène (18). 13. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, 15 caractérisé en ce que le sachet fermé (3) est réalisé à partir d'un film d'une épaisseur de l'ordre de 90 um à 130 um. 14. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que la canule (30) présente un diamètre extérieur inférieur ou égal à 20 cinq fois l'épaisseur du film formant le sachet fermé (3). 15. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que la canule (30) est souple, de préférence réalisée en polypropylène. 25