Brevet FR3146029A1 — publié le 20240823

L’invention concerne une batterie électrochimique (1) renfermant un boîtier (2) comportant au moins une cellule électrochimique (3), laquelle cellule électrochimique (3) comporte des électrodes (4), où ledit boîtier (2) comporte, en bout de ladite cellule électrochimique (3) ou/et autour de ladite cellule électrochimique (3), un moyen de précontrainte (5) au moins axial par rapport à un axe de cellule (D), et ledit moyen de précontrainte (5) forme un élément de pression entre lesdites électrodes (4) et la paroi interne dudit boîtier (2) afin de maintenir une pression constante entre lesdites électrodes (4). L’invention concerne encore un véhicule automobile (100) comportant une telle batterie (1). Figure 1 SYSTEME DE MAINTIEN DE PRESSION MECANIQUE POUR ELECTRODE HELICOIDALE L’invention porte sur une batterie renfermant au moins un boîtier comportant lui-même au moins une cellule électrochimique, laquelle cellule électrochimique comporte au moins deux électrodes, l’une positive et l’autre négative. L’invention concerne encore un véhicule automobile électrique ou hybride, comportant au moins une telle batterie. L’invention concerne le domaine des batteries, en particulier mais non limitativement des batteries pour véhicules automobiles électriques ou hybrides. Par exemple pour tout autre usage dans un véhicule, camion, moto ou autre, ou pour un outil électroportatif, ou autre. L’invention concerne plus particulièrement le domaine de la structure interne des cellules électrochimiques de batteries. On connaît de l’art antérieur quatre topologies principales de conception des électrodes pour les batteries, chaque type étant associé à une forme de boîtier (« casing » en anglais) particulière : l’empilement simple (dit «stacked » en anglais), l’empilement en Z, l’enroulement spiralé cylindrique, l’enroulement prismatique. Ces quatre types d’enroulements et leurs variantes présentent toujours une inhomogénéité d’un point de vue mécanique. En effet, leur caractère empilé ou enroulé constitue une hiérarchie de couches successives ayant chacune des conditions mécaniques propre. Les enroulement ou couches proche du milieu ne connaissent pas une pression uniforme. Il est admis par la littérature scientifique que les cellules électrochimiques (batteries) connaissent une expansion volumique lors de leur cyclage, du fait de leur imprégnation de lithium. Cette expansion peut aller jusqu’à tordre le boîtier, supprimant ainsi la pression que ce boîtier doit exercer sur les électrodes afin de les maintenir en contact lors d’une phase suivante de contraction. L’invention cherche à éviter le décollement (délamination) des matières actives sur les collecteurs de courant, ou avec le séparateur, dans une cellule électrochimique, via l’application d’une pression homogène interne au boîtier. En effet, si l’électrode se décolle même localement de son collecteur de courant ou du séparateur, cela peut causer des points d’inhomogénéité pouvant causer des gradients de concentration importants impliquant de la déposition de lithium métallique sur l’électrode négative, voire des formations dendritiques mettant en danger la sécurité des cellules. Ce risque de décollement est encore plus problématique pour la nouvelle technologie des batteries tout solide, la cellule électrochimique doit absolument être mise sous contrainte, ce qui cause de nombreux problème lorsqu’il advient de concevoir un pack batterie sans perte de densité volumique significative. Parfois ce décollement est induit par la formation de gaz dans le boîtier, qui implique le même type de problématique. L’objectif de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant l’insertion d’un élément de pression comme un ressort entre l’électrode spiralée et la paroi du boîtier afin de maintenir une pression constante et efficace entre les électrodes. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose une batterie renfermant au moins un boîtier comportant lui-même au moins une cellule électrochimique, laquelle cellule électrochimique comporte au moins deux électrodes, l’une positive et l’autre négative. Selon l’invention, ledit boîtier comporte, en bout de ladite cellule électrochimique ou/et autour de ladite cellule électrochimique, un moyen de précontrainte au moins axial par rapport à un axe de cellule, et ledit moyen de précontrainte forme un élément de pression entre lesdites électrodes et la paroi interne dudit boîtier afin de maintenir une pression constante entre lesdites électrodes. Grâce à l’invention, les électrodes connaissent une pression uniforme, et les flux qui les traversent sont plus homogènes. Dans un mode de réalisation préféré, ledit moyen de précontrainte est un moyen de précontrainte axial selon la direction dudit axe de cellule. Ainsi on assure à la fois la bonne répartition de pression dans les électrodes, et le bon maintien de la géométrie de la cellule électrochimique. Avantageusement, ledit moyen de précontrainte forme un élément de pression entre lesdites électrodes et un séparateur interposé entre lesdites électrodes. Ainsi on évite tout décollement entre une électrode et son séparateur, et on s’affranchit des dégradations d’ordre mécanique liées à l’expansion des électrodes. Avantageusement, un élément diélectrique de compression est interposé entre ledit moyen de précontrainte et lesdites électrodes. Ainsi on parfait l’isolation et la répartition de pression. Avantageusement, ledit moyen de précontrainte comporte au moins un ressort. Cet agencement constitue une solution particulièrement économique et fiable. Un ressort adapté peut d’ailleurs permettre un rattrapage de géométrie ou de dimensions entre un boîtier et une cellule de forme non directement complémentaire. Dans un autre mode de réalisation, ledit moyen de précontrainte comporte au moins une mousse apte à une mise sous contrainte mécanique active ou passive. Une mousse offrant des propriétés physiques similaires à celle d’un ressort, ou tout autre objet de mise sous contrainte mécanique active ou passive, permet de remplir la fonction mécanique de précontrainte, offrant un travail mécanique similaire. Plus particulièrement, dans une première variante, ledit ressort est un ressort de compression cylindrique torique. Cette solution convient bien à la plupart des cellules dont la projection selon un plan perpendiculaire à l’axe de cellule est sensiblement circulaire, ainsi qu’aux applications de maintien axial. Plus particulièrement, dans une deuxième variante, ledit ressort est un ressort de compression, dont la projection selon une direction de développement des spires qu’il comporte, est en forme de polygone. Cette configuration permet de traiter les cas de formes spéciales de cellules, par exemple de forme extérieure de section sensiblement rectangulaire ou carrée, ou autre. Le moyen de précontrainte, notamment un ressort, prend la forme suggérée par le boîtier ou casing (circulaire, polygone, notamment rectangle, carrée, triangulaire, hexagonal, octogonal, ou autre) à la fois selon sa section extérieure et sa section intérieure, vu que la cellule électrochimique est torique (évidée selon l’axe principal). Avantageusement, lesdites électrodes sont enroulées en double hélice en spirale à plat. Cette configuration permet une grande compacité de la cellule électrochimique, et surtout une grande homogénéité des flux au sein des électrodes, au niveau desquelles on maintient ainsi la pression de manière compacte et homogène. L’invention concerne encore un véhicule automobile électrique ou hybride, comportant au moins une telle batterie. L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles : illustre schématiquement un véhicule selon l’invention, comportant une batterie selon l’invention, laquelle contient plusieurs boîtiers renfermant des cellules électrochimiques réalisées selon une forme bi-hélicoïdale, et toutes munies d’un système de maintien de pression mécanique passif des électrodes, avec des électrodes spiralées à plat maintenues axialement, au travers d’un élément diélectrique de compression, par un moyen de précontrainte formé par un ressort en métal déployé ; illustre schématiquement, en perspective éclatée selon un axe de cellule, un boîtier (dit « casing ») cylindrique, dont le couvercle n’est pas représenté, qui renferme une cellule électrochimique avec des électrodes spiralées ensemble à plat maintenues axialement, au travers d’un élément diélectrique de compression en forme de rondelle, par un moyen de précontrainte axial formé par un ressort en métal déployé ; illustre schématiquement, en perspective, différentes variantes de ressorts convenant pour former des moyens de précontrainte correspondant à différentes géométries de cellules électrochimiques : ressort de compression cylindrique hélicoïdal à boudin, rondelle-ressort festonnée, ressort de compression hélicoïdal à boudin de forme rectangulaire, anneau cylindrique en métal déployé. Il est illustré schématiquement en un véhicule automobile 100 électrique ou hybride selon l’invention, qui comporte une batterie électrochimique 1 selon l’invention, laquelle renferme plusieurs boîtiers 2 (dit aussi « casings »). Chaque boîtier 2 comporte au moins une cellule électrochimique 3, laquelle cellule électrochimique 3 comporte au moins deux électrodes 4, l’une positive, l’autre négative. Plus particulièrement et non limitativement, chaque électrode 4 comporte un collecteur de courant sur lequel est déposée de la matière active, et est reliée à un onglet de connexion, ces électrodes sont de préférence séparées par un film séparateur 6, et baignent notamment dans un électrolyte, et peuvent comporter différents additifs. Selon l’invention, ce boîtier 2 comporte, en bout de la cellule électrochimique 3 ou/et autour de la cellule électrochimique 3, un moyen de précontrainte 5 au moins axial par rapport à un axe de cellule D. Cet axe de cellule D est formé par un axe d’enroulement quand les électrodes 4 sont enroulées ou formées en spirale cylindrique ou méplate. Et ce moyen de précontrainte 5 forme un élément de pression entre les électrodes 4 et la paroi interne du boîtier 2 afin de maintenir une pression constante entre les électrodes 4. En notamment entre l’électrode positive 41 et l’électrode négative 42, et en particulier au travers de films séparateurs 6. Dans un premier mode de réalisation, ce moyen de précontrainte 5 est un moyen de précontrainte axial selon la direction de l’axe de cellule D, tel que visible en et . Plus particulièrement, ce moyen de précontrainte 5 forme un élément de pression entre les électrodes 4 et un séparateur 6 interposé entre les électrodes 4 tel que visible en et . Plus particulièrement, un élément diélectrique de compression 7 est interposé entre le moyen de précontrainte 5 et les électrodes 4 tel que visible en et . Plus particulièrement, le moyen de précontrainte 5 comporte au moins un ressort 50, tel que visible en , et . Plus particulièrement, ce ressort 50 est un ressort de compression cylindrique torique, tel que visible en , et . Plus particulièrement, le ressort 50 est un ressort de compression, dont la projection selon une direction de développement des spires qu’il comporte, est en forme de polygone, notamment rectangle, ou autre, tel que visible en partie basse de la . Plus particulièrement, les électrodes 4 sont enroulées en double hélice en spirale à plat, tel que visible en et . Un mode avantageux de réalisation de l’invention utilise le concept d’électrode en double hélice spirale, afin d’insérer à l‘intérieur du boîtier un élément de pression tel qu’un ressort afin de maintenir une pression constante sur les électrodes de manière compacte et homogène. Cette topologie d’électrode permet de réduire les inhomogénéités mécaniques, via l’application d’une pression homogène dans une géométrie orientée sur l’axe comprimé. Du fait de cette nouvelle géométrie les couches maintiennent un contact optimal les unes sur les autres, quel que soit leur niveau de lithiation et donc de dilatation volumique. Cette technologie permet d’amortir et de canaliser la pression normalement exercée par les électrodes sur les parois du boîtier vers un élément capable d’absorber cette expansion tout en maintenant leur contact. L’invention consiste en l’insertion d’un élément de pression comme un ressort par-dessus un anneau diélectrique de compression entre l’électrode spirale et l’extrémité du boîtier, avant le remplissage d’électrolyte et le scellage de la cellule. Une première variante concerne des cellules de forme torique-cylindrique, pour lesquelles un ressort cylindrique torique est approprié. Une deuxième variante concerne des cellules de forme torique-cubique ou à face plate, pour lesquelles un ressort s’inscrivant dans un prisme de section rectangulaire, notamment carrée, est approprié, ou encore selon toute autre forme interne et externe indépendamment (triangle, hexagonale, octogonale, ou autre). L’invention apporte de nombreux avantages : l’homogénéité de la pression appliquée sur les électrodes de la cellule électrochimique, la capacité d’absorber les extensions cycliques et de vieillissement des cellules sans contraintes externes au boîtier, et donc facilitation d’assemblage, et un maintien efficace du contact entre électrodes et séparateur. Cette topologie permet de canaliser les pressions mécaniques liées à l’expansion des cellules, à la fois à l’échelle d’un cycle, comme à celle du vieillissement, dans une unique direction selon laquelle cette expansion peut être absorbée par un ressort. Par conséquent cela induit une diminution des contraintes inhomogène menant à des problèmes de sécurité (formation dendritique, entre autre) ou à une perte accélérée de capacité (vieillissement). Par ailleurs les chimies de batteries s’orientent vers des technologies à forte expansion (silicium), la forme de spirale (ressort) offre une nouvelle souplesse aux électrodes, qui ont jusqu’aujourd’hui tendance à se dégrader avec leur expansion sur-contrainte. En somme, la question de l’optimisation des batteries est au cœur des préoccupations des constructeurs et équipementiers automobiles. L’une des difficultés propres aux cellules électrochimiques est leur inhomogénéité géométrique causant des gradients de comportement thermique, électrochimique, et mécanique, pouvant mener à la destruction de la cellule électrochimique par emballement thermique ou court-circuit dendritique. Cette nouvelle forme d’électrode offre l’avantage d’une distribution homogène des électrodes selon toutes ces dynamiques physiques. Permettant ainsi d’aller au-delà des performances actuelles, notamment en puissance de charge rapide, tout en maintenant voire améliorant légèrement la densité d’énergie massique et volumique du pack batterie. Batterie électrochimique (1) renfermant au moins un boîtier (2) comportant lui-même au moins une cellule électrochimique (3), laquelle cellule électrochimique (3) comporte au moins deux électrodes (4) l’une positive, l’autre négative, caractérisé en ce que ledit boîtier (2) comporte, en bout de ladite cellule électrochimique (3) ou/et autour de ladite cellule électrochimique (3), un moyen de précontrainte (5) au moins axial par rapport à un axe de cellule (D),et en ce que ledit moyen de précontrainte (5) forme un élément de pression entre lesdites électrodes (4) et la paroi interne dudit boîtier (2) afin de maintenir une pression constante entre lesdites électrodes (4). Batterie électrochimique (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit moyen de précontrainte (5) est un moyen de précontrainte axial selon la direction dudit axe de cellule (D). Batterie électrochimique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que ledit moyen de précontrainte (5) forme un élément de pression entre lesdites électrodes (4) et un séparateur (6) interposé entre lesdites électrodes (4). Batterie électrochimique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu’un élément diélectrique de compression (7) est interposé entre ledit moyen de précontrainte (5) et lesdites électrodes (4). Batterie électrochimique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que ledit moyen de précontrainte (5) comporte au moins un ressort. Batterie électrochimique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que ledit moyen de précontrainte (5) comporte au moins une mousse apte à une mise sous contrainte mécanique active ou passive. Batterie électrochimique (1) selon la revendication 5 caractérisé en ce que ledit ressort (50) est un ressort de compression qui est cylindrique torique, ou un ressort de compression dont la projection selon une direction de développement des spires qu’il comporte, est en forme de polygone. Batterie électrochimique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que lesdites électrodes (4) sont enroulées en double hélice en spirale à plat. Véhicule automobile (100) électrique ou hybride, comportant au moins une batterie électrochimique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.