Brevet FR3122773A1 — publié le 20221111

Séparateur à fonction intégrée, cellule de batterie le comportant et procédés de fabrication La présente invention concerne un séparateur (1) destiné à séparer spatialement et électriquement des électrodes (2, 3) dans une cellule de batterie, le séparateur (1) comportant : un logement destiné à au moins une cellule galvanique qui comprend une anode (2) et une cathode (3) ; une structure en matériau conducteur destinée à relier électriquement entre elles l'anode (2) et la cathode (3) et à établir un contact avec ladite au moins une cellule galvanique depuis l'extérieur ; un système de canaux (5) destiné à former un écoulement de fluide de refroidissement dans le séparateur (1) ; dans lequel au moins le logement destiné à ladite au moins une cellule galvanique et le système de canaux sont réalisés de manière intégrale dans le séparateur (1). Il est en outre fourni une cellule de batterie sur la base du séparateur selon l'invention ainsi que des procédés pour sa fabrication. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1 Séparateur à fonction intégrée, cellule de batterie le comportant et procédés de fabrication La présente invention concerne un séparateur à fonction intégrée qui, du fait de ses propriétés mécaniques et fonctionnelles avantageuses, peut notamment être utilisé pour réaliser une batterie de traction dans un véhicule électrique. Compte tenu de l'augmentation constante du nombre de véhicules hybrides et notamment électriques, la batterie de traction joue un rôle très important en tant qu'accumulateur d'énergie, car elle affecte de manière déterminante l'autonomie des véhicules. Les batteries connues de l'état de la technique se composent de cellules individuelles, comme par exemple des cellules cylindriques, des cellules prismatiques de type à coque dure/à poche, qui sont regroupées en modules de cellules ou directement en systèmes de batteries. Ces derniers se composent d'au moins deux cellules individuelles. Les modules à cellules sont assemblés en systèmes de batteries. Ces systèmes de batteries sont ensuite installés dans le véhicule. Il est connu qu'une cellule de batterie comporte une cathode et une anode qui sont spatialement séparées par un séparateur. Le séparateur assure donc la fonction centrale de séparation spatiale et donc simultanément électrique des électrodes et évite ainsi les courts-circuits électriques. Le séparateur peut par exemple se présenter sous la forme d'une feuille de séparateur entre l'électrode anodique et l'électrode cathodique. En variante, il est possible d'utiliser un séparateur destiné à l'ensemble de la cellule, comme c'est le cas pour le pliage en Z du séparateur pour certaines variantes de cellules, ou un séparateur fabriqué d'une seule pièce, comme c'est le cas pour la cellule cylindrique. Dans le cas des cellules Li-ion, très appréciées et utilisées de nos jours, le séparateur se présente sous la forme d'une feuille poreuse composée de films plastiques d'une à plusieurs couches. Le séparateur peut en outre être réalisé à partir ou au moyen de composants céramiques (supplémentaires). La présente invention a pour but de fournir un séparateur permettant de réaliser une cellule de batterie compacte et légère. Ce but est atteint en premier lieu par l'invention, grâce à un séparateur destiné à séparer spatialement et électriquement des électrodes dans une cellule de batterie. Ce séparateur comporte un logement destiné à au moins une cellule galvanique qui comprend une anode et une cathode, ainsi qu'une structure en matériau conducteur destinée à relier électriquement entre elles l'anode et la cathode et à établir un contact avec ladite au moins une cellule galvanique depuis l'extérieur. Le séparateur comporte en outre un système de canaux destiné à former un écoulement de fluide de refroidissement dans ou à travers le séparateur. Le séparateur selon l'invention se caractérise en ce qu'au moins le logement destiné à ladite au moins une cellule galvanique et le système de canaux sont réalisés de manière intégrale dans le séparateur. Le séparateur selon l'invention est un séparateur à fonction intégrée qui, en plus de sa fonction de protection contre les courts-circuits électriques entre anode(s) et cathode(s), assure de nouvelles fonctions du fait de leur séparation spatiale, qui seront décrites plus en détail ci-après. Le séparateur selon l'invention peut être fabriqué au moyen d'un procédé de fabrication additive, par exemple par impression 3D. Dans ce cas, le séparateur peut être fabriqué séparément de ladite au moins une cellule galvanique, qui est introduite ultérieurement. Le séparateur peut de préférence être fabriqué dans le cadre de la fabrication d'une cellule de batterie correspondante autour de cathodes et d'anodes disposées de manière correspondante, afin que celles-ci soient ainsi intégrées/enrobées dans le séparateur pendant le processus de fabrication. Selon différents modes de réalisation du séparateur, celui-ci, c'est-à-dire plus précisément en particulier la structure de séparateur ou l'"ossature de séparateur", peut contenir un matériau ou une matière qui durcit de manière retardée, cela permettant au séparateur d'acquérir sa résistance finale. Le processus de durcissement peut être induit par écoulement du temps ou par la chaleur. Le séparateur peut ainsi par exemple ne durcir que lors de la première mise en service d'une cellule de batterie correspondante et sous l'effet de la chaleur dégagée par les électrodes. En particulier, le processus de durcissement peut être irréversible, cela permettant d'obtenir la résistance mécanique dans la forme tridimensionnelle finale du séparateur. Le processus de durcissement retardé peut par exemple se dérouler sur une courte échelle de temps, choisie de manière à ce que la résistance finale soit atteinte très rapidement, afin de pouvoir appliquer directement la couche de matériau suivante pour former la structure de séparateur, par exemple lors du procédé de fabrication additive. Cependant, le processus de durcissement retardé peut par exemple aussi s'effectuer sur une échelle de temps longue, choisie de manière à ce que le séparateur puisse être fabriqué et soit d'abord suffisamment élastique pour pouvoir y placer les électrodes de ladite au moins une cellule galvanique. De manière générale, la viscosité du matériau utilisé pour former le séparateur peut être adaptée de manière à ce que la structure de séparateur ne se lie pas aux électrodes anodiques et cathodiques. Selon différents modes de réalisation du séparateur, celui-ci peut présenter une porosité qui permet le transport d'ions. La porosité peut être présente en tant que propriété du matériau utilisé pour la fabrication du séparateur dès l'application, c'est-à-dire lors de la formation de la structure de séparateur. Selon différents modes de réalisation du séparateur, un solvant évaporable peut être contenu dans celui-ci. L'évaporation du solvant, par exemple au moyen d'un traitement thermique ou d'un rayonnement UV, permet également de conférer ultérieurement une porosité à la structure du séparateur. Cela s'applique à des électrolytes à base de liquide et à des électrolytes à base de solide. Selon d'autres modes de réalisation du séparateur, le système de canaux qui y est formé peut être constitué par des moules creux disposés dans le séparateur. Dans ce cas, les moules creux peuvent être insérés pendant la fabrication de la structure de séparateur. Après le durcissement de la structure de séparateur, celles-ci peuvent être dissoutes à l'aide d'un solvant, cela permettant de créer les canaux/systèmes de refroidissement moulés. Dans le cas où le séparateur présente une certaine porosité, les moules creux peuvent par exemple comporter deux couches. La couche intérieure peut être dissoute à l'aide d'un solvant. La couche extérieure reste en place et assure ainsi l'étanchéité. En variante, après que le moule creux monocouche a été dissous par un solvant, il est possible d'introduire un agent d'étanchéité qui rend étanches les ouvertures poreuses du séparateur à l'interface avec le moule creux dissous. Il est ainsi possible de former un système de canaux destiné à un système de refroidissement dans le séparateur, qui présente peu de composants partiels avec peu d'interfaces et donc peu de points de fuite potentiels. Lors de l'utilisation du séparateur selon l'invention pour la réalisation d'une cellule de batterie correspondante, celui-ci permet la fixation mécanique d'autres composants, tels que des électrodes/empilements d'anodes, des barres omnibus, etc., afin d'assurer la stabilité mécanique en cas de vibrations et de chocs survenant dans le véhicule. Le séparateur selon l'invention peut alors être soumis à des contraintes de traction, de compression et de torsion dans toutes les directions grâce à sa réalisation intégrale. Le matériau du séparateur peut néanmoins présenter de préférence une élasticité suffisante pour pouvoir compenser par exemple des variations de tolérance, des effets de vieillissement ou des tensions du matériau générées par des différences de température. Le séparateur selon l'invention peut en outre comporter des éléments de renforcement qui y sont incorporés, tels que des profilés métalliques et/ou des fibres de verre, qui y sont introduits pendant sa fabrication pour atteindre une résistance mécanique prédéterminée dans la forme finale ou pour augmenter encore cette résistance. Dans différents modes de réalisation, il est aussi fourni une cellule de batterie qui comporte au moins une cellule galvanique comprenant une anode et une cathode, ladite au moins une cellule galvanique étant incorporée ou disposée dans le séparateur selon l'invention décrit précédemment, de telle sorte qu'au moyen de la structure en matériau conducteur, il soit possible d'établir un contact avec ladite au moins une cellule galvanique depuis l'extérieur et que son anode et sa cathode soient reliées électriquement entre elles et qu'un circuit de refroidissement soit réalisé au moyen du système de canaux. Pour former le circuit de refroidissement, le système de canaux peut être couplé à un réservoir de liquide de refroidissement et à une pompe. La cellule de batterie ainsi formée peut présenter toutes les caractéristiques structurelles spatiales du séparateur selon l'invention décrites précédemment. Dans une cellule de batterie conçue sur la base du séparateur selon l'invention, celui-ci peut entourer ou contenir au moins deux empilements d'électrodes, composés d'anodes et de cathodes en tant que cellule galvanique respective. Le séparateur peut notamment de préférence être un composant solidaire de l'ensemble du système de batterie et inclure toutes les cellules galvaniques. Par composant solidaire, on entend un composant qui ne présente pas de points d'assemblage classiques où des pièces séparées sont assemblées par collage, soudage, rivetage ou autres, mais qui est fabriqué d'un seul tenant au cours d'un procédé de fabrication, par exemple par fabrication additive, comme par un procédé d'impression 3D. Une cellule de batterie conçue sur la base du séparateur à fonction intégrée selon l'invention peut être une cellule monobloc destinée à être utilisée directement dans une batterie de traction. Les sous-composants de la batterie connus jusqu'à présent selon l'état de la technique, comme par exemple les coques de cellules, les châssis de modules de cellules, etc. peuvent être supprimés, car leurs fonctions sont prises en charge par le séparateur. L'utilisation du séparateur à fonction intégrée selon l'invention permet de fabriquer des batteries plus petites, plus légères et moins chères à produire que les batteries actuelles. Les propriétés actuelles d'un séparateur classique – séparation électrique et spatiale des électrodes de la cellule galvanique – ne sont pas affectées négativement par l'extension des fonctions du séparateur décrit ici selon l'invention. De même, d'autres composants d'une batterie de structure classique, comme par exemple l'électronique de surveillance des différents empilements d'électrodes, peuvent être utilisés comme jusqu'à présent et peuvent avantageusement être directement intégrés dans le séparateur et ainsi être fixés mécaniquement par celui-ci. Les barres omnibus isolées séparément des batteries connues jusqu'à présent peuvent également être intégrées/enrobées dans le séparateur. Cela permet de réduire l'espace de montage et les matériaux nécessaires, ce qui allège globalement une batterie correspondante. Selon l'invention, celle-ci fournit également un procédé de fabrication d'un séparateur, comportant l'étape de formation d'une structure de séparateur par un procédé additif. L'étape de formation de la structure de séparateur comprend la formation d'un certain nombre de cavités destinées à recevoir au moins une cellule galvanique qui comprend une anode et une cathode, la formation d'une structure en matériau conducteur destinée à relier électriquement entre elles l'anode et la cathode et à établir un contact avec ladite au moins une cellule galvanique depuis l'extérieur, et la formation d'un système de canaux destiné à former un écoulement de fluide de refroidissement dans et à travers le séparateur. Au moins le logement destiné à ladite au moins une cellule galvanique et le système de canaux sont réalisés de manière intégrale dans le séparateur. Le séparateur fourni peut notamment être le séparateur décrit précédemment. La structure en matériau conducteur peut être formée par dépôt d'un matériau électriquement conducteur directement pendant la fabrication du séparateur selon l'invention ou par placement/insertion d'éléments électriquement conducteurs préfabriqués à des positions appropriées dans la structure de séparateur pendant sa fabrication. Selon d'autres modes de réalisation du procédé, le système de canaux peut être formé par insertion de moules creux dans la structure de séparateur. Les moules creux peuvent être formés d'une seule couche ou de deux couches et être placés à des positions appropriées dans la structure de séparateur "en devenir" pendant le procédé de fabrication additive. Selon d'autres modes de réalisation du procédé, le matériau du séparateur ou de la structure de séparateur peut contenir un matériau qui durcit de manière retardée, cela permettant au séparateur d'acquérir sa résistance finale. Cet aspect a déjà été abordé en détail en relation avec la nature du séparateur selon l'invention. Selon d'autres modes de réalisation du procédé, un solvant évaporable peut être contenu dans le matériau de la structure de séparateur. Comme cela a déjà été décrit, dans le cas d'une structure de séparateur non poreuse, une porosité peut être créée dans la structure de séparateur par évaporation du solvant. Selon l'invention, celle-ci fournit en outre un procédé de fabrication d'une cellule de batterie, comportant la mise en œuvre du procédé de fourniture du séparateur selon l'invention mentionné précédemment, de telle manière que, lors de la formation de la structure de séparateur au moyen du procédé additif, le matériau soit déposé autour de l'anode et de la cathode de ladite au moins une cellule galvanique, lesquelles prennent la place des cavités. De la même manière que la formation de la structure de séparateur autour des électrodes de ladite au moins une cellule galvanique, d'autres composants décrits précédemment peuvent, si nécessaire, être placés dans le séparateur selon l'invention à des moments appropriés au cours du procédé de fabrication de ce dernier afin d'y être incorporés. Par conséquent, ce procédé de fabrication de la cellule de batterie se réfère au cas où, pendant la fabrication du séparateur, ses éléments fonctionnels, tels que les électrodes, les barres omnibus et les bornes, ainsi que les corps creux destinés à former le système de canaux, sont introduits dans la structure de séparateur. Il va de soi que les caractéristiques mentionnées ci-dessus et celles qui seront explicitées plus loin peuvent être utilisées non seulement dans la combinaison indiquée dans chaque cas, mais également dans d'autres combinaisons ou seules, sans sortir du cadre de la présente invention. D'autres avantages et formes de réalisation de l'invention ressortiront de l'ensemble de la description et du dessin annexé. représente une vue schématique en coupe transversale d'un exemple de réalisation d'un séparateur à fonction intégrée. La représente une vue schématique en coupe transversale d'un exemple de réalisation d'un séparateur 1 à fonction intégrée. Seule une partie du séparateur 1 est représentée, deux électrodes 2, 3 - une anode 2 et une cathode 3 - d'une cellule galvanique étant représentées en plus du séparateur 1. La figure met en évidence le principe de base selon lequel une cellule de batterie correspondante peut être réalisée sur la base du séparateur 1 selon l'invention. Les deux électrodes sont incorporées dans le séparateur 1. Le matériau du séparateur contient des matériaux/matières 4 qui durcissent de manière irréversible, de telle sorte que le séparateur 1 atteint sa résistance mécanique dans sa forme tridimensionnelle finale après un temps prédéterminé. De plus, des conduites 5 sont prévues dans le séparateur 1 pour le refroidissement par liquide des électrodes 2, 3. Comme décrit précédemment, celles-ci peuvent être formées en insérant des profilés creux d'une ou deux couches correspondantes dans la structure de séparateur pendant sa fabrication. On a également représenté une barre omnibus 6 incorporée dans le séparateur 1. La barre omnibus 6 permet de connecter en série ou en parallèle les pôles de même nom des cellules galvaniques de la cellule de batterie, selon la configuration souhaitée, et est capable, de par sa nature, de transmettre de plus forts courants. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. Séparateur (1) destiné à séparer spatialement et électriquement des électrodes (2, 3) dans une cellule de batterie, le séparateur (1) comportant : un logement destiné à au moins une cellule galvanique qui comprend une anode (2) et une cathode (3) ; une structure en matériau conducteur destinée à relier électriquement entre elles l'anode (2) et la cathode (3) et à établir un contact avec ladite au moins une cellule galvanique depuis l'extérieur ; un système de canaux (5) destiné à former un écoulement de fluide de refroidissement dans le séparateur (1) ; dans lequel au moins le logement destiné à ladite au moins une cellule galvanique et le système de canaux sont réalisés de manière intégrale dans le séparateur (1). Séparateur (1) selon la revendication 1, le séparateur contenant un matériau qui durcit de manière retardée, cela permettant au séparateur (1) d'acquérir sa résistance finale. Séparateur (1) selon la revendication 1 ou 2, le séparateur (1) présentant une porosité qui permet le transport d'ions. Séparateur (1) selon la revendication 1 ou 2, le séparateur (1) contenant un solvant évaporable. Séparateur (1) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le système de canaux (5) est constitué par des moules creux disposés dans le séparateur (1). Cellule de batterie, comportant : au moins une cellule galvanique comprenant une anode (2) et une cathode (3) ; dans laquelle ladite au moins une cellule galvanique est incorporée dans le séparateur (1) selon l'une des revendications 1 à 5, de telle sorte qu'au moyen de la structure en matériau conducteur, il soit possible d'établir un contact avec ladite au moins une cellule galvanique depuis l'extérieur et que son anode (2) et sa cathode (3) soient reliées électriquement entre elles et qu'un circuit de refroidissement soit réalisé au moyen du système de canaux (5). Procédé de fabrication d'un séparateur (1), comportant : la formation d'une structure de séparateur par un procédé additif, cela comprenant : la formation d'un certain nombre de cavités destinées à recevoir au moins une cellule galvanique qui comprend une anode (2) et une cathode (3) ; la formation d'une structure en matériau conducteur destinée à relier électriquement entre elles l'anode et la cathode et à établir un contact avec ladite au moins une cellule galvanique depuis l'extérieur ; la formation d'un système de canaux (5) destiné à former un écoulement de fluide de refroidissement dans le séparateur (1) ; dans lequel au moins le logement destiné à ladite au moins une cellule galvanique et le système de canaux (5) sont réalisés de manière intégrale dans le séparateur. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le système de canaux (5) est formé par insertion de moules creux dans la structure de séparateur. Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le matériau de la structure de séparateur contient un matériau qui durcit de manière retardée, cela permettant au séparateur (1) d'acquérir sa résistance finale. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, dans lequel un solvant évaporable est contenu dans le matériau de la structure de séparateur. Procédé de fabrication d'une cellule de batterie, comportant : la mise en œuvre du procédé de fourniture d'un séparateur (1) selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, de telle manière que, lors de la formation de la structure de séparateur au moyen du procédé additif, le matériau soit déposé autour de l'anode et de la cathode de ladite au moins une cellule galvanique, lesquelles prennent la place des cavités.