Brevet FR3115935A1 — publié le 20220506

L’invention concerne un dispositif de sécurité adaptable sur une cellule électrochimique (1), ladite cellule comportant un conteneur (10) comprenant au moins une paroi dotée d'au moins une amorce de rupture, adaptée pour se rompre en cas de défaut pour expulser les gaz, caractérisé en ce que le dispositif de sécurité comporte : Un dispositif de maintien agencé pour assurer un appui contre ladite au moins une paroi de la cellule pour la maintenir en position en cas d'emballement thermique, Un dispositif de libération des gaz, agencé pour garantir l'expulsion des gaz en dehors de la cellule, en cas d'emballement thermique. Figure à publier avec l'abrégé : Figure 4A Dispositif de sécurité adaptable sur une cellule électrochimique Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif de sécurité adaptable sur une cellule électrochimique, par exemple une batterie de format cylindrique. Etat de la technique Actuellement, la cellule électrochimique au lithium la plus couramment utilisée est mieux connue sous la référence 18650. Une telle cellule est par exemple décrite dans le brevet US8323825B2 . Récemment, des cellules à la norme 21700 ont également été proposées. Ces cellules de type 18650, 21700 ou autres formats cylindriques comportent un conteneur, appelé godet, de forme cylindrique, dans lequel est placé un rouleau, également appelé bobinot, rassemblant les deux électrodes. Un électrolyte est ensuite injecté dans ledit godet. Le godet est fermé à son extrémité inférieure et ouvert à son extrémité supérieure, un capuchon étant apposé à cette extrémité supérieure pour fermer le conteneur de manière hermétique. Une telle cellule au lithium est étanche et dispose généralement de dispositifs de protection portés par son capuchon afin d’empêcher son explosion dans des cas d’utilisations abusives (en température ou en charge). Ces dispositifs de protection sont notamment les suivants : Un dispositif d'interruption de courant (CiD – Pour " Current Interrupt Device " ) qui interrompt le courant en cas de surpression dans le godet, sans effet sur cette pression ; Un évent de surpression réalisé généralement sous la forme d’un disque de rupture qui permet de relâcher les gaz, afin d’empêcher une explosion ; Enfin le godet lui-même peut aussi être fragilisé afin de s’ouvrir dans des conditions optimales pour prévenir une explosion trop violente ; L'évent de surpression est généralement réglé pour rompre à une valeur de 15 à 20 bars et est souvent situé du côté du pôle positif de la cellule. Sur les cellules de type 21700, pour améliorer la sécurité, certains fabricants ajoutent un évent de surpression supplémentaire du côté opposé à celui portant l’évent principal, c'est-à-dire sur le pôle négatif (publication : Darcy et al. - 2018 – "Design Guidelines for Safe High Performing Li-ion Batteries with 18650 cells " ). Certaines architectures de cellules cylindriques, qui ne disposent pas d’évent sur le pôle positif, disposent cependant d’un évent sur le pôle négatif. En cas de fort emballement thermique dans un système, il peut arriver que la cinétique des réactions provoque l’explosion de la cellule, malgré la présence d'un évent de surpression, venant arracher le pôle positif de la cellule et pouvant entraîner l'expulsion du bobinot hors de la cellule. En outre, même si le bobinot peut n'être expulsée qu’à moitié et/ou projetée sur les cellules voisines, des risques sécurité peuvent donc apparaitre. Le contact direct de l’électrolyte/bobinot sur les cellules voisines provoque un réchauffement de ces dernières. L’expulsion du bobinot peut alors engendrer un emballement des cellules voisines. Le but de l'invention est de proposer un dispositif de sécurité adaptable sur une cellule électrochimique et permettant d'éviter l'expulsion du bobinot hors de la cellule, en cas d'emballement thermique, tout en permettant d'assurer une libération des gaz. Ce but est atteint par un dispositif de sécurité adaptable sur une cellule électrochimique, ladite cellule comportant un conteneur comprenant au moins une paroi dotée d'au moins une amorce de rupture, adaptée pour se rompre en cas de défaut pour expulser les gaz, ledit dispositif de sécurité comportant : Un dispositif de maintien agencé pour assurer un appui contre ladite au moins une paroi de la cellule pour la maintenir en position en cas d'emballement thermique, Un dispositif de libération des gaz, agencé pour garantir l'expulsion des gaz en dehors de la cellule, en cas d'emballement thermique. Selon une particularité, le dispositif de maintien comporte un châssis fixe par rapport à la cellule et des moyens d'appui fixés audit châssis. Selon une première réalisation particulière : Le dispositif de libération des gaz comporte une plaque, dite plaque d'étanchéité percée d'un trou traversant, Le dispositif de maintien comporte un plot d'appui logé dans ledit trou de la plaque d'étanchéité, un canal étant ménagé entre ledit plot et la paroi interne dudit trou pour former un passage pour les gaz, Le dispositif de libération des gaz comporte des moyens d'obturation agencés dans ledit canal pour obturer ledit passage. Selon une particularité, les moyens d'obturation comportent un joint à lèvre (6). Selon une autre particularité, le dispositif de maintien comporte plusieurs plots d'appui formés sur une même plaque d'appui commune, fixée audit châssis. Selon une autre particularité, ladite plaque d'appui comporte au moins une ouverture traversante. Selon une deuxième réalisation particulière : Le dispositif de maintien comporte une plaque d'appui agencée pour assurer un appui contre ladite paroi de la cellule, et une plaque de compression fixée au châssis et agencée pour venir comprimer ladite plaque d'appui, ladite plaque d'appui comprenant un premier trou traversant et ladite plaque de compression comprenant un deuxième trou traversant, Le dispositif de libération des gaz comporte un film perforable agencé entre ladite plaque d'appui et ladite plaque de compression, formant des moyens d'obturation du passage créé par le premier trou traversant et par le deuxième trou traversant. Selon une particularité, la plaque d'appui comporte un logement pour recevoir un clinquant métallique. Selon une autre particularité, ladite plaque d'appui comporte un compartiment de réception pour une cellule électrochimique (1). Selon un aspect particulier de l'invention, le châssis comporte un boîtier destiné à accueillir ladite cellule électrochimique. L'invention concerne également une utilisation du dispositif de sécurité tel que défini ci-dessus et destiné à s'adapter sur une cellule électrochimique de format cylindrique. Selon une particularité, la cellule électrochimique est au format 18650 ou 21700. La solution de l'invention permet de mettre le pôle positif sous contrainte/pression, tout en permettant au gaz de s’échapper en cas d'emballement thermique. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels : La figure 1 représente, vue en coupe et de manière schématique, une cellule au lithium de type 18650 ou 21700 ; Les figures 2A et 2B représentent respectivement, vus en perspective, un dispositif interrupteur de courant et un évent, classiquement employés dans une batterie au lithium telle que représentée sur la figure 1 ; La figure 3 illustre, en vue de dessus, le principe de réalisation d'un pack de plusieurs cellules électrochimiques, rangées en quinconce ; Les figures 4A et 4B montrent un premier mode de réalisation du dispositif de l'invention, adapté sur une cellule électrochimique ; Les figures 5A et 5B montrent un deuxième mode de réalisation du dispositif de l'invention, adapté sur une cellule électrochimique ; La figure 6 illustre l'adaptation du premier mode de réalisation sur un pack de plusieurs cellules ; La figure 7 illustre l'adaptation du deuxième mode de réalisation sur un pack de plusieurs cellules ; La figure 8 montre une variante de réalisation de l'architecture de la figure 7 ; La figure 9 représente un troisième mode de réalisation du dispositif de l'invention ; La figure 10 illustre l'adaptation du troisième mode de réalisation sur un pack de plusieurs cellules ; Description détaillée d'au moins un mode de réalisation L'invention vise principalement à proposer une solution pour éviter l'expulsion du bobinot en cas d'emballement thermique de la cellule. Dans la suite de la description, les termes "haut", "bas", "inférieur", "supérieur", "au-dessus", "au-dessous" sont à comprendre en se référant à l'axe (X) vertical représenté sur la . Le dispositif de sécurité de l'invention est notamment parfait pour s'adapter sur une cellule secondaire électrochimique au lithium. Le dispositif de sécurité de l'invention est décrit principalement pour une cellule de forme cylindrique de révolution, par exemple de type 18650 ou 21700, mais il faut comprendre qu'il peut s'adapter sur une cellule présentant une forme externe différente, notamment de type prismatique, son principe étant reproductible quelle que soit la forme de la cellule. En référence à la , une cellule secondaire au lithium classique de type 18650 ou 21700 présente une forme cylindrique à base circulaire, développée autour de l'axe (X). Une telle cellule est par exemple décrite dans le brevet US8323825B2. De manière non limitative, une telle cellule 1 au lithium comporte principalement un conteneur comportant une tête supérieure comprenant une paroi supérieure 100 portant le pôle positif, une tête inférieure comprenant une paroi inférieure 101 portant le pôle négatif et une paroi latérale 102. Le conteneur est composé généralement d'un godet 10, de forme cylindrique, et d'un capuchon 15 fixé sur le godet et venant refermer celui-ci sur sa partie supérieure. Ce godet 10 définit un volume interne 11 dans lequel sont placées les deux électrodes 12 (représentées par un unique ensemble sur la ). Les deux électrodes 12 sont réalisées de part et d'autre d'une plaque isolante souple enroulée pour former un ensemble cylindrique venant se loger dans le godet 10 et formant un bobinot. Un électrolyte est ensuite injecté dans le volume interne 11 du godet. Un insert central 16 peut être inséré axialement dans le godet 10. La cellule comporte deux pattes de connexion 13, 14 reliées chacune à une électrode distincte. Sur sa partie supérieure, le godet 10 est refermé de manière hermétique par un capuchon 15. Ce capuchon 15 porte un empilement situé à l'intérieur du godet 10 et formé d'un évent de surpression 150, d'un dispositif interrupteur de courant 151, éventuellement d'une thermistance 152 de type CTP (à coefficient de température positif), et d'un capot 153 externe formant une première borne électrique de connexion de la cellule. Le dispositif interrupteur de courant 151 est actionné par l'évent 150 lorsque la pression des gaz présents à l'intérieur du godet 10 devient trop importante. Dans cette situation de pression excessive, l'évent 150 se déforme jusqu'à venir rompre le dispositif interrupteur de courant 151 situé au-dessus, entraînant alors l'interruption du courant électrique fourni. Si la pression des gaz présents à l'intérieur du godet continue d'augmenter, l'évent 150 peut se déformer jusqu'à sa rupture, de manière à permettre une libération des gaz vers l'extérieur. En référence à la , de manière non limitative, le dispositif d'interruption de courant 151 peut se présenter sous la forme d'un anneau 154 coaxial avec l'axe (X), comprenant un pont 155 diamétral par lequel circule le courant électrique. Ce pont 155 est susceptible de rompre lorsque la pression dans le godet dépasse un certain seuil, interrompant alors le courant électrique dans la cellule. Comme représenté sur la , de manière non limitative, l'évent peut se présenter sous la forme d'un disque 156 coaxial avec l'axe (X) et comportant un profil bombé 157 formant une concavité vers l'intérieur de la cellule. Sous l'effet de la pression, ce profil bombé se déforme pour former un profil convexe vers l'extérieur, et lorsque la pression dépasse un certain seuil, l'évent se rompt sous l'effet de la pression des gaz. L'évent peut comporter une saignée 158 annulaire formant une amorce de rupture. L'évent de surpression principal est généralement placé du côté du pôle positif de la cellule, sur sa partie supérieure. De manière optionnelle, il peut être remplacé ou complété par un évent placé du côté du pôle négatif. Le dispositif de sécurité de l'invention peut être réalisé pour venir s'adapter sur une ou plusieurs cellules électrochimiques. Comme représenté sur la , plusieurs cellules 1 peuvent en effet être rangées à la verticale dans un boîtier 2, et connectées entre elles, en série/parallèle en employant des clinquants 3 métalliques permettant d'assurer les connexions, les cellules formant alors un pack. Les cellules 1 peuvent par exemple être rangées en quinconce. Des compartiments ou casiers peuvent être prévus pour tenir les cellules 1 dans le boîtier 2, au niveau de leur partie supérieure et/ou de leur partie inférieure (20, figures 6 à 8). Sur chaque cellule 1, comme représenté sur la , un clinquant 3 est réalisé sous la forme d'une lame métallique venant au contact du pôle positif de la cellule 1. De manière non limitative, le clinquant 3 peut être porté par un embout 8 adapté pour se positionner sur la tête supérieure ou inférieure de la cellule, respectivement du côté du pôle positif ou du côté du pôle négatif de la cellule. Lorsque plusieurs cellules sont juxtaposées, ces embouts 8 peuvent être réunis en une seule pièce 502, formant lesdits casiers de maintien pour les cellules dans le boîtier et assurant le rôle d'entretoise entre les cellules qui sont juxtaposées ( ). Selon un aspect particulier de l'invention, il faut noter que le dispositif de sécurité de l'invention est destiné à être fixé en permanence sur la cellule. De manière générale, le dispositif de sécurité comporte un dispositif de maintien destiné à se fixer sur le conteneur et agencé pour assurer un maintien en position de la paroi du conteneur portant l'amorce de rupture, en cas d'emballement thermique. Le dispositif de sécurité comporte également un dispositif de libération des gaz agencé pour garantir l'expulsion des gaz en dehors de la cellule, en cas d'emballement thermique. De manière avantageuse, le dispositif de sécurité est adapté pour se positionner sur la tête supérieure de la cellule 1, portant le pôle positif. Mais dans une variante de réalisation, on verra qu'il est possible de le positionner sur la tête inférieure de la cellule 1, si celle-ci dispose d'un évent de surpression du côté de son pôle négatif. Le dispositif de maintien comporte un châssis 7 fixe par rapport à la cellule 1 et des moyens de maintien fixés sur ledit châssis 7 et arrangés pour venir exercer un appui contre la paroi du conteneur portant l'amorce de rupture. Le dispositif de libération des gaz comporte au moins un canal agencé en vis-à-vis de l'amorce de rupture et des moyens d'obturation de ce canal. Les moyens d'obturation sont configurés pour s'ouvrir, après rupture de l'évent, sous la pression des gaz générés. Le dispositif de sécurité peut intégrer ledit clinquant métallique 3. Le dispositif de sécurité peut être réalisé selon plusieurs modes de réalisation distincts. Dans un premier mode de réalisation représenté sur la et , le dispositif de libération des gaz peut comporter une plaque 4, dite plaque d'étanchéité, fixée sur le clinquant 3, transversalement à l'axe (X), par exemple par collage ou vissage, et présentant un trou 40 traversant formant un canal placé en vis-à-vis de l'amorce de rupture de l'évent de surpression. Les moyens de maintien comportent un organe de maintien fixé audit châssis 7 et comportant par exemple un plot d'appui 5 venant se loger dans le trou 40 traversant de la plaque d'étanchéité, un canal, par exemple un canal annulaire 50, étant ménagé entre ledit plot 5 et la paroi interne dudit trou 40 traversant, ce canal annulaire 50 formant un passage pour les gaz à libérer en cas d'emballement thermique. Les moyens d'obturation comportent un joint à lèvre 6 de forme annulaire agencé dans ledit canal 50 pour obturer ledit passage. Ledit joint 6 est configuré pour former une valve anti-retour et n'autoriser la libération des gaz que dans un sens, de la cellule 1 vers l'extérieur, en cas d'emballement thermique et empêcher tout retour des gaz de l'extérieur vers la cellule et éviter de propager la réaction d'emballement thermique aux cellules voisines. La montre le mouvement des gaz G en cas d'emballement thermique. Le plot 5 peut comporter une gorge annulaire 51 sur sa paroi latérale, dans lequel est logé ledit joint 6. A titre d'exemple, le plot d'appui 5 peut être constitué d'une pièce plastique ou d'une vis dont le corps vient se loger et se visser dans le trou 40 de la plaque 4. Il faut noter que la plaque d'étanchéité 4 est présente pour servir essentiellement de support de serrage au plot 5 pour que celui-ci vienne en appui contre la paroi du godet. Lorsque plusieurs cellules 1 sont juxtaposées à la verticale dans un même boîtier 2, les dispositifs de maintien et de libération des gaz peuvent être mutualisés. La illustre ce principe. Les moyens de maintien peuvent ainsi comporter une unique plaque d'appui 52 supportant plusieurs plots 5 arrangés en parallèle, se dressant sur une face de la plaque 52, chaque plot 5 étant dédié à une cellule distincte, pour assurer un appui contre la paroi de rupture de la cellule 1. De même, la plaque d'étanchéité 4 est munie de plusieurs trous traversants, dans chacun desquels vient se loger un plot 5 distinct de la plaque d'appui 52, un joint à lèvre 6 distinct étant positionné autour de chaque plot pour assurer le contrôle des gaz. De manière non limitative, la plaque d'appui 52 peut être fixée sur le boîtier 2, par collage ou vissage, cet assemblage permettant d'assurer la fonction de maintien, le boîtier 2 réalisant la fonction de châssis 7. La plaque d'appui est avantageusement munie de plusieurs ouvertures 53 pour permettre aux gaz de s'échapper en cas d'emballement thermique d'une ou plusieurs cellules 1 placées dans le boîtier 2. Ces trous sont judicieusement placés pour communiquer avec les canaux d'échappement des gaz. De même la plaque d'étanchéité 4 peut être fixée, par collage ou vissage, aux clinquants 3. Un dispositif d'étanchéité de type joint ou gel peut être intégré entre la plaque d'étanchéité 4 et la paroi interne du boîtier 2 pour éviter tout retour de gaz vers les cellules. Dans un deuxième mode de réalisation représenté sur la et , les moyens de maintien comportent une plaque d'appui 500 agencée transversalement à l'axe (X) et fixée sur le clinquant 3 et une plaque de compression 400 fixée au châssis 7 et agencée pour venir comprimer ladite plaque d'appui 500. Le dispositif de libération des gaz comporte un premier trou 501 traversant, réalisé à travers ladite plaque d'appui 500 et un deuxième trou 401 traversant réalisé à travers ladite plaque de compression 400 et en vis-à-vis dudit premier trou 501. Les deux trous forment un passage agencé en vis-à-vis de l'amorce de rupture. Les moyens d'obturation comportent un film 600 perforable, par exemple en matériau plastique, placé entre les deux plaques et configuré pour obturer le passage formé par les deux trous. Le film 600 est configuré pour se perforer lorsque des gaz sont libérés, suite à la rupture de l'amorce de rupture. Comme dans le premier mode de réalisation, les moyens peuvent être mutualisés lorsque plusieurs cellules 1 sont réunies dans un pack au sein d'un même boîtier 2, ce dernier remplissant la fonction de châssis 7. La illustre ce principe. La plaque d'appui 500, le film 600 et la plaque de compression 400 sont donc réunis en un même ensemble, le film 600 comprimé entre la plaque d'appui et la plaque de compression, garantissant l'étanchéité. Cet ensemble peut être réalisé en vissant la plaque d'appui sur la plaque de compression. La plaque de compression 400 est fixée sur le boîtier 2. Selon une variante de réalisation, ladite plaque d'appui 500 peut présenter des compartiments 502, la plaque 500 jouant ainsi un rôle de maintien des cellules dans le boîtier 2 et le rôle de l'embout 8 de support du clinquant 3. La illustre cette variante de réalisation. Un troisième mode de réalisation peut être proposé pour s'adapter sur le pôle négatif de la cellule 1 lorsque celle-ci dispose d'un évent de surpression du côté de son pôle négatif. Ce troisième mode de réalisation est une déclinaison du deuxième mode de réalisation décrit ci-dessus, appliqué au pôle négatif de la cellule 1. Les références employées sont ainsi reprises à l'identique. Dans ce troisième mode de réalisation illustré par la et , la plaque d'appui 500 comporte un trou traversant muni d'un épaulement interne sur lequel repose la tête inférieure de la cellule 1, formant ainsi un compartiment de maintien 502 de la cellule sur sa partie inférieure. Un clinquant 3, permettant d'assurer la connexion électrique, vient se loger dans ledit trou. La plaque de compression 400 est fixée sur la plaque d'appui 500, le film perforable 600 étant comprimé entre ladite plaque de compression et ladite plaque d'appui. Le film 600 est configuré pour se perforer lorsque des gaz sont libérés, suite à la rupture de l'amorce de rupture de l'évent. Comme illustré par la , cette architecture peut être dupliquée pour chaque cellule 1 d'un pack, la plaque d'appui 500, le film perforable 600 et la plaque de compression 400 étant communs pour l'ensemble des cellules 1 logés dans le boîtier 2. La plaque d'appui 500 présente ainsi plusieurs compartiments 502 pour accueillir chacun la tête inférieure d'une cellule distincte. La plaque de compression 400 peut être fixée au boîtier 2. Un dispositif d'étanchéité de type joint ou gel peut être intégré entre la plaque d'appui 500 et la paroi interne du boîtier pour éviter tout retour de gaz vers les cellules 1. On comprend de ce qui précède que la solution de l'invention présente de nombreux avantages, parmi lesquels : Elle permet d'assurer le maintien du bobinot dans la cellule, en cas d'emballement thermique, tout en conservant une solution de libération des gaz issus de la réaction ; Elle présente une architecture simple ; Elle peut être facilement adaptée sur des cellules existantes, à l'unité ou organisées en pack dans un même boîtier ; Dispositif de sécurité adaptable sur une cellule électrochimique (1), ladite cellule comportant un conteneur (10) comprenant au moins une paroi dotée d'au moins une amorce de rupture, adaptée pour se rompre en cas de défaut pour expulser les gaz, caractérisé en ce que le dispositif de sécurité comporte : Un dispositif de maintien agencé pour assurer un appui contre ladite au moins une paroi de la cellule pour la maintenir en position en cas d'emballement thermique, Un dispositif de libération des gaz, agencé pour garantir l'expulsion des gaz en dehors de la cellule, en cas d'emballement thermique. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de maintien comporte un châssis (7) fixe par rapport à la cellule et des moyens d'appui fixés audit châssis. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que : Le dispositif de libération des gaz comporte une plaque, dite plaque d'étanchéité (4) percée d'un trou traversant (40), Le dispositif de maintien comporte un plot d'appui (5) logé dans ledit trou (40) de la plaque d'étanchéité, un canal (50) étant ménagé entre ledit plot et la paroi interne dudit trou pour former un passage pour les gaz, Le dispositif de libération des gaz comporte des moyens d'obturation agencés dans ledit canal (50) pour obturer ledit passage et configurés pour s'ouvrir sous la pression des gaz générés. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'obturation comportent un joint à lèvre (6). Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le dispositif de maintien comporte plusieurs plots d'appui formés sur une même plaque d'appui (52) commune, fixée audit châssis (7). Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite plaque d'appui (52) comporte au moins une ouverture (53) traversante. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que : Le dispositif de maintien comporte une plaque d'appui (500) agencée pour assurer un appui contre ladite paroi de la cellule, et une plaque de compression (400) fixée au châssis (7) et agencée pour venir comprimer ladite plaque d'appui (500), ladite plaque d'appui (500) comprenant un premier trou traversant (501) et ladite plaque de compression comprenant un deuxième trou traversant (401), Le dispositif de libération des gaz comporte un film perforable agencé entre ladite plaque d'appui et ladite plaque de compression, formant des moyens d'obturation du passage créé par le premier trou traversant et par le deuxième trou traversant. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la plaque d'appui comporte un logement pour recevoir un clinquant métallique. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que ladite plaque d'appui (500) comporte un compartiment (502) de réception pour une cellule électrochimique (1). Dispositif selon l'une des revendication 2 à 9, caractérisé en ce que le châssis (7) comporte un boîtier destiné à accueillir ladite cellule électrochimique (1). Utilisation du dispositif de sécurité tel que défini dans l'une des revendications 1 à 10, pour s'adapter sur une cellule électrochimique (1) de format cylindrique.