Brevet FR3093375A1 — publié le 20200904

Description Titre de l'invention : Cellule pour un dispositif hybride de stockage d'énergie électrique, procédé de d'obtention d'une telle cellule, et supercondensateur hybride comprenant au moins une telle cellule. woo 1 ] La présente invention concerne une cellule de stockage d'énergie électrique pour un dispositif hybride de stockage d'énergie électrique, tel qu'un supercondensateur hybride. Elle concerne également un procédé dc d'obtention d'une telle cellule dc stockage, et un supercondensateur hybride comprenant au moins une telle cellule. [0002] Le domaine de l'invention est le domaine des supercondensateurs hybrides, en par- ticulier le domaine des supercondensateurs hybiides utilisant des ions métalliques, par exemple de Lithium Etat de la technique 100031 L'électrode négative, ou l'anode, d'un supercondensateur hybride est l'électrode d'où sortent les électrons. 100041 L'électrode négative d'un supercondensateur hybride est généralement réalisée par un collecteur, par exemple en cuivre, agencé entre deux couches de matière active, généralement du graphite, et pré-dopée/imprégnée en ions métalliques. Par exemple, dans le cas d'un supercondensateur Lithium-Ion (« LIC » pour « Lithium-Ion Capacitor » en anglais), chaque électrode négative est pré-dopée en ions lithium. Il existe de nombreuses techniques pour le pré-dopage. en ions lithium, d'une électrode négative d'un LIC. parmi lesquelles les techniques suivantes. [0005] Suivant une première technique. dite par contact direct, une feuille de lithium métal est déposée sur les deux faces dc chaque électrode négative. Cette technique de pré-dopage impose une épaisseur d'électrode trop grande, à cause de l'épaisseur minimale pouvant être obtenue par les techniques actuelles pour une feuille de lithium. [0006] Une deuxième technique, dite par contact indirect, propose d'utiliser une feuille de lithium métal, commune à plusieurs électrodes négatives, et qui n'est pas en contact avec ces électrodes négatives. Les collecteurs des électrodes négatives et positives sont percés pour permettre à la feuille de lithium dc doper chaque électrode négative. Cette technique présente l'inconvénient d'un temps lithiation très long et une épaisseur limitée en nombre d'électrodes dans un supercondensateur. [0007] Un but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients. [0008] Un autre but de l'invention est de proposer une solution présentant un meilleur compromis entre épaisseur de couche de dopage en ions métalliques, épaisseur des électrodes négatives, et temps de dopage. [0009] Un autre but de l'invention est de proposer une solution permettant, pour une 2 épaisseur donnée de couche de dopage en ions métalliques, de diminuer l'épaisseur des électrodes négatives et le temps de dopage. Exposé de l'invention [0010] L'invention permet d'atteindre au moins l'un de ces buts par une cellule, pour un dispositif hybride de stockage d'énergie électrique, tel qu'un supercondensateur hybride, ladite cellule comprenant au moins deux éléments de stockage et un séparateur entre deux éléments de stockage adjacents ; chaque élément de stockage comprenant une électrode négative séparée d'une électrode positive par un séparateur, chaque électrode comprenant un collecteur ; caractérisée en ce que ladite cellule est dopée en ions métalliques par au moins une couche de dopage, en particulier de lithium, la ou toutes les couche(s) de dopage étant disposée(s) au contact direct d'une seule et unique électrode négative, dite électrode dopante, au sein de ladite cellule. [0011] Ainsi, l'invention propose une cellule, comprenant plusieurs électrodes négatives, et qui sont dopées en ions métalliques par une ou plusieurs couches de dopage qui sont toutes en contact directe avec une seule et unique électrode négative, dite électrode dopante, parmi lesdites électrodes négatives de ladite cellule. Autrement dit, à part l'électrode négative dopante, les autres électrodes négatives de la cellule ne sont pas au contact d'une couche de dopage. [0012] Dans la cellule selon l'invention, la couche de dopage métallique est en contact directe avec une électrode négative au sein de la cellule, cc qui diminue le temps de dopage, en particulier de lithiation, comparée à la technique par contact indirecte décrite plus haut. De plus, la cellule selon 1' invention met en oeuvre une (ou des) couche(s) de dopage commune(s) à plusieurs électrodes négatives, ce qui permet, pour une épaisseur donnée de couche de dopage, de diminuer l'épaisseur des électrodes négatives de la cellule. [0013] Dans la présente invention, par électrode on entend un complexe formé par un collecteur comportant sur chacune de ses deux faces opposées, une couche de matière active. [0014] Suivant un mode de réalisation, la cellule selon l'invention peut comprendre une couche de dopage au contact de chaque face de l'électrode négative dopante. [0015] Dans ce cas, une couche de dopage se trouve de part et d'autre de l'électrode négative dopante. Ainsi, il est possible de réaliser un dopage en ions métalliques des électrodes négatives de la cellule, se trouvant de part et d'autre de l'électrode négative dopante, sans nécessairement percer le collecteur de l'électrode négative dopante. Ce mode de réalisation permet d'éviter une diminution de la capacité de la cellule selon l'invention, due à un percement du collecteur de l'électrode négative dopante. 3 [0016] Suivant un mode réalisation, la cellule selon l'invention peut comprendre une unique couche de dopage au contact d'une seule face de l'électrode négative dopante. [0017] Dans ce cas, une unique couche de dopage est utilisée pour la totalité de la cellule selon l'invention. Cette unique couche de dopage se trouve au contact de l'une des faces de l'électrode négative dopante. [0018] L'utilisation d'une seule et unique couche dopante, pour l'ensemble de la cellule permet d'utiliser une épaisseur plus grande pour la couche de dopage. [0019] L'électrode négative dopante peut se trouver à une extrémité de la cellule, dans la direction d'empilement des éléments de stockage au sein de ladite cellule. [0020] Lorsque la cellule selon l'invention comprend une unique couche de dopage, alors ladite unique couche de dopage peut être disposée au contact de la face externe de l'électrode négative dopante. [0021] Alternativement, ladite unique couche de dopage peut être disposée au contact de la face interne de l'électrode dopante. [0022] Suivant un mode de réalisation, l'électrode négative dopante peut ne pas se trouver à une extrémité de ladite cellule, dans la direction d'empilement des éléments de stockage au sein de ladite cellule. [0023] Autrement dit, dans ce mode de réalisation, il existe au moins une électrode en par- ticulier positive, de chaque côté de l'électrode négative dopante. [0024] Dans des modes de réalisation, le collecteur d'au moins une électrode se trouvant entre une couche de dopage et une électrode négative peut être troué de sorte à laisser passer les ions métalliques en provenance de ladite couche de dopage vers ladite électrode négative. [0025] Le collecteur de l'électrode dopante peut être troué, pour laisser passer les ions mé- talliques d'une face de ladite électrode dopante vers l'autre face de ladite électrode dopante. [0026] En particulier, lorsque la cellule selon l'invention comprend une seule et unique couche de métal, disposée au contact d'une face de l'électrode négative dopante, le fait de trouer le collecteur de ladite électrode négative dopante permet de laisser passer les ions métalliques vers l'autre face et vers toutes les électrodes négatives se trouvant du côté de l'autre face de l'électrode négative dopante. [0027] Plus généralement, le choix de percer ou non le collecteur de telle ou telle électrode au sein de la cellule peut dépendre de la composition de la cellule, et/ou de la position de l'électrode négative dopante au sein de la cellule, et/ou de la composition du dispositif hybride de stockage d'énergie électrique mettant en oeuvre la cellule selon l'invention. Ce choix est à la portée de l'homme du métier, avec pour objectif de permettre le dopage en ions métalliques de chaque électrode négative au sein de la cellule. [0028] Suivant un exemple de réalisation, au moins une couche de dopage peut se présenter sous la forme d'une feuille de dopage indépendante. [0029] Dans ce cas, la feuille de dopage peut être produite indépendamment et déposée sur une face soit de l'électrode négative dopante, soit d'un séparateur adjacent à l'électrode négative dopante. [0030] Le séparateur peut être un séparateur de la cellule selon l'invention, ou un séparateur séparant ladite cellule d'une autre cellule, identique ou différent. [0031] Alternativement, ou en plus, au moins une couche de dopage peut être une couche solidaire de, ou formée sur une face de, l'électrode dopante. [0032] Dans ce cas, la couche de dopage peut être préalablement déposée sur une face de ladite électrode négative dopante. [0033] Alternativement, ou en plus, au moins une couche de dopage est une couche solidaire, ou formée sur une face, d'un séparateur adjacent à l'électrode négative dopante. [0034] Dans ce cas, la couche de dopage peut être préalablement déposée sur une face dudit séparateur. [0035] Le séparateur peut être un séparateur de ladite cellule, par exemple un séparateur séparant l'électrode dopante d'une autre électrode. [0036] Le séparateur peut aussi être un séparateur séparant la cellule selon l'invention d'une autre cellule, adjacente, identique ou différente. [0037] Suivant des exemples de réalisation, au moins une couche de dopage peut : [0038] être pleine, ou être réduite en laize comporter des trous, être formée par un quadrillage ou par des lamelles. [0039] Suivant des exemples de réalisation, au moins une couche de dopage peut être réalisée en lithium, ou en sodium, ou en potassium, ou en magnésium. [0040] Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé d'obtention d'une cellule pour un dispositif de stockage d'énergie hybride, tel qu'un supercondensateur hybride, selon l'invention [0041] Le procédé selon l'invention comprend un assemblage d'au moins deux électrodes négatives et d'au moins deux électrodes positives, en alternant les électrodes négative et positive et en insérant un séparateur entre deux électrodes adjacentes. [0042] Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte en outre un ajout d'au moins une couche de dopage de ladite cellule en ions métalliques, en particulier de lithium, au contact direct d'une seule et unique électrode négative, dite électrode négative dopante, au sein de ladite cellule. [0043] Bien entendu, ladite au moins une couche de dopage est mise au même potentiel électrique que toutes les électrodes négatives de la cellule. [0044] Plus généralement, le procédé selon l'invention peut comporter une combinaison quelconque d'au moins une des caractéristiques décrites précédemment, en référence à la cellule selon l'invention, et qui ne sont pas reprises ici par soucis concision. [0045] Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif hybride de stockage d'énergie électrique, en particulier un supercondensateur hybride, comprenant au moins une cellule de stockage selon l'invention. [0046] En particulier, le dispositif selon l'invention peut être obtenu par enroulement, sur elle-même, de l'au moins une cellule. [0047] La direction d'enroulement peut, de préférence, être parallèle au plan formé par chaque électrode, et/ou perpendiculaire à la direction d'empilement des électrodes au sein de la cellule. [0048] Lorsque le dispositif selon l'invention comprend plusieurs cellules, alors lesdites cellules peuvent être empilées les unes sur les autres, dans une direction d'empilement. La direction d'empilement peut, de préférence être perpendiculaire au plan formé par chaque électrode. [0049] L'ensemble formé par lesdites cellules peut alors être enroulé sur lui-même, autour d'une direction d'enroulement. La direction d'enroulement peut, de préférence, être parallèle au plan formé par chaque électrode, et/ou perpendiculaire à la direction d'empilement. [0050] Lorsque le dispositif selon l'invention comprend plusieurs cellules, deux cellules ad- jacentes sont séparées par un séparateur. [0051] Au moins deux cellules du dispositif selon l'invention peuvent comprendre un même nombre d'éléments de stockage [0052] Alternativement, ou en plus, au moins deux cellules de stockage peuvent des nombres différents d'éléments de stockage. Description des figures et modes de réalisation [0053] D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : [0054] - les FIGURES 1 à 4 sont des représentations schématiques de quatre exemples de réalisation non limitatifs d'une cellule de stockage d'énergie électrique selon l'invention ; la FIGURE 5 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'un dispositif hybride de stockage d'énergie électrique selon l'invention ; et la FIGURE 6 est une représentation schématique d'un autre exemple de réalisation non limitatif d'un dispositif hybride de stockage d'énergie électrique 6 selon l'invention. [0055] Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites paria suite, isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détail structurel, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie est uniquement suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. [0056] Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence. [0057] La FIGURE 1 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'une cellule hybride de stockage d'énergie électrique. [0058] La cellule 100, représentée sur la FIGURE 1, peut être utilisée pour réaliser un dispositif hybride de stockage d'énergie électrique, et en particulier un supercondensateur hybride. [0059] La cellule 100 comprend deux éléments de stockages 1021 et 1022 séparé par un sé- parateur 1041. Le nombre d'éléments de stockage n'est pas limité à 2, et peut être supérieure ou égal à 2. [0060] Chaque élément de stockage 102i comprend une électrode négative 1061 et une électrode positive 108; séparées par un séparateur 1101. Ainsi, l'élément de stockage 102, comprend une électrode négative 1061 et une électrode positive 1081 séparées par un séparateur 1101, et l'élément de stockage 1022 comprend une électrode négative 106 2 et une électrode positive 1082 séparées par un séparateur 1102. [0061] Chaque électrode négative 106; est formée par un collecteur métallique 11Z entre deux couches de matière active 114 et 116i, par exemple du charbon actif. Ainsi, par exemple l'électrode négative 1061 est formée par un collecteur métallique 1121 entre deux couches de matière active 1141 et 1161. Ainsi de suite. [0062] Toutes les électrodes négatives 106i sont reliées ensemble de sorte qu'elles sont au même potentiel électrique. [0063] Chaque électrode positive 108i est formée par un collecteur métallique 118; entre deux couches de matière active 120; et 122, par exemple du charbon actif. Ainsi, par exemple l'électrode positive 1081 est formée par un collecteur métallique 1181 entre deux couches de matière active 1201 et 1221. Ainsi de suite. [0064] Toutes les électrodes positives 108; sont reliées ensemble de sorte qu'elles sont au même potentiel électrique. 7 [0065] La cellule 100 comprend en outre une unique couche de dopage en ions métalliques 124' telle que par exemple une couche de lithium. [0066] La couche de dopage 1241 est mise au même potentiel que toutes les électrodes négatives 106,. [0067] La couche de dopage 1241 est disposée au contact direct de l'une des faces de l'électrode négative 1061. En particulier, la couche de dopage 124, est disposée au contact direct de la face externe de l'électrode négative 1061, c'est-à-dire la face se trouvant du côté externe à la cellule 100. [0068] Dans ces conditions, la couche de dopage 124, vient doper, par contact direct, la couche de matière active 1141de l'électrode négative 1061. De plus, le collecteur 1121 de l'électrode négative 1061 est troué de sorte que les ions métalliques provenant de la couche de dopage 1241 peuvent traverser ledit collecteur 1121 et venir doper la couche de matière active 1161 de l'électrode négative 106,. [0069] En outre, le collecteur 1181de l'électrode positive 1081 est également troué de sorte que les ions métalliques provenant de la couche de dopage 1241 peuvent traverser l'électrode positive 108,, et viennent doper la couche de matière active 1142 de l'électrode négative 1062. [0070] Par ailleurs, le collecteur 1122 de l'électrode négative 1062 comporte aussi des trous permettant aux ions métalliques, provenant de la couche de dopage 1241, de le traverser et venir doper la couche de matière active 1162 de l'électrode négative 1062. [0071] Ainsi, dans la cellule 100 de la FIGURE 1, l'électrode négative 1061 est dopée par contact direct, au moins partiellement. Cette électrode est appelée électrode négative dopante. [0072] L'électrode négative 1062 est dopée de manière indirecte, par des ions provenant de la couche 124, qui se trouve au contact de l'électrode négative dopante 106,. [0073] La FIGURE 2 est une représentation schématique d'un autre exemple de réalisation non limitatif d'une cellule de stockage d'énergie électrique. [0074] La cellule 200, représentée sur la FIGURE 2, comprend tous les éléments de la cellule 100 de la FIGURE 1. [0075] La cellule 200 de la FIGURE 2 comprend en plus une deuxième couche de dopage 1242 se trouvant au contact direct de l'autre face de l'électrode négative dopante 106,. [0076] La deuxième couche de dopage 1242 vient doper, par contact direct, la couche de matière active 116, de l'électrode négative 1061, et de manière indirect l'électrode négative 1062. [0077] Dans la cellule 200, le collecteur 1121de l'électrode négative dopante 1061 peut être troué, comme représenté sur la FIGURE 2. Alternativement, le collecteur 1121 de l'électrode négative dopante 1061 peut ne pas être troué, car la deuxième couche dopante 1242 vient déjà doper l'électrode négative 1062. 8 [0078] Bien entendu, il est possible de prévoir un mode de réalisation sur la base de la cellule 200 de la FIGURE 2 qui ne comprend que la couche de dopage 1242 et ne comprend pas la couche de dopage 1241. [0079] La FIGURE 3 est une représentation schématique d'un autre exemple de réalisation non limitatif d'une cellule de stockage d'énergie électrique. [0080] La cellule 300, représentée sur la FIGURE 3, comprend tous les éléments dc la cellule 100 de la FIGURE 1. [0081] A la différence de la cellule 100 de la FIGURE 1, dans la cellule 300 de la FIGURE 3, la couche dc dopage 124, se trouve au contact direct de l'une des faces de l'électrode négative 1062, c'est-à-dire de l'électrode négative se trouvant entre les électrodes positives 1081 et 1082. Plus particulièrement, la couche dc dopage 1241 est disposée au contact direct de la face de l'électrode négative 1062 se trouvant du côté de l'électrode positive 108,. [0082] Dans cette configuration, la couche de dopage 1241 vient doper, par contact direct, la couche de matière active 1142 dc l'électrode négative dopante 1062. Le collecteur 1122 de l'électrode dopante 1062 est troué de sorte que les ions métalliques provenant dc la couche de dopage 1241 peuvent travers ledit collecteur 1122 et venir doper la couche de matière active 1162 de l'électrode négative 1062. [0083] En outre, le collecteur 1181 de l'électrode positive 1081 est également troué de sorte que les ions métalliques provenant de la couche de dopage 1241 traversent l'électrode positive 1081, et viennent doper la couche de matière active 116, de l'électrode négative 1061. [0084] Par ailleurs, le collecteur 112, de l'électrode négative 1061 comporte aussi des trous permettant aux ions métalliques, provenant de la couche de dopage 1241, de le traverser et venir doper la couche de matière active 1141 de l'électrode négative 1061. [0085] Ainsi, dans la cellule 300 de la FIGURE 3, l'électrode négative 1062 est dopée par contact direct, au moins partiellement. Cette électrode est appelée électrode négative dopante. [0086] L'électrode négative 106, est dopée de manière indirecte, par des ions provenant de la couche 124,. [0087] Bien entendu, il est possible de prévoir un mode de réalisation sur la base de la cellule 300 de la FIGURE 3 qui comprend en outre une deuxième couche de dopage, par exemple 1240, au contact de l'électrode négative 1062 du côté de la matière active 116, [0088] 11 est possible de prévoir un autre mode de réalisation sur la base de la cellule 300 de la FIGURE 3, et dans lequel, une unique couche de dopage est au contact de l'électrode négative 1062 du côté de la matière active 1162. [0089] Dans les exemples décrits, la cellule comprend, de manière nullement limitative, 9 uniquement deux éléments de stockage. [0090] La FIGURE 4 est une représentation schématique d'un autre exemple de réalisation non limitatif d'une cellule de stockage d'énergie électrique. [0091] La cellule 400, représentée sur la FIGURE 4, comprend « n » éléments de stockage 102,-102,, séparés par des séparateurs 110,-110',1, avec n>2. [0092] La cellule 400 comprend une unique couche de dopage 1241 qui est au contact directe d'une électrode négative de l'élément de stockage 102,. Bien entendu, la cellule 400 peut comprendre une deuxième couche de dopage (non représentée) au contact direct de cette même électrode négative. [0093] Alternativement, la ou les couches de dopage peuvent être au contact direct d'une électrode négative d'un élément de stockage 102, autre que l'élément de stockage 102,. [0094] La FIGURE 5 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'un dispositif hybride de stockage d'énergie électrique, selon l'invention [0095] Le dispositif 500, représenté sur la FIGURE 5, comprend « m » cellules de stockage 5021-50Z11, avec m>1. [0096] Lorsque le dispositif 500 comprend plusieurs cellules de stockage 502,-502, deux cellules de stockage adjacentes sont séparées par un séparateur, respectivement 504, - 504,, [0097] Chaque séparateur 504, peut être identique à un séparateur 110,. [0098] Chaque cellule de stockage peut être n'importe quelle cellule dc stockage 100, 200, 300 et 400 des FIGURES 1 à 4. [0099] La FIGURE 6 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'un dispositif hybride de stockage d'énergie électrique, selon l'invention. [0100] Le dispositif 600, représenté sur la FIGURE 6, comprend une seule cellule de stockage 502, qui peut être n'importe quelle cellule de stockage 100, 200, 300 et 400 des FIGURES 1 à 4. [0101] La cellule de stockage 502 est enroulée sur elle-même autour d'une direction 602 se trouvant dans le plan formé par ladite cellule 502. [0102] Une fois enroulée, la cellule de stockage 502 est disposée dans une enveloppe externe 604, représentée dans une configuration éclatée sur la FIGURE 6. [0103] Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples détaillés ci-dessus. 10