Brevet FR3146027A1 — publié le 20240823

L’invention concerne un véhicule automobile comprenant une batterie de traction qui comprend des électrodes (A, C) assemblées l’une avec l’autre dans un repère dans l’espace comprenant un axe longitudinal (X) suivant une direction de longitudinale des électrodes (A, C), un axe latéral (Y) perpendiculaire à l’axe longitudinal (X), et un axe d’épaisseur (Z) perpendiculaire à l’axe longitudinal (X) et à l’axe latéral (Y), caractérisée en ce que les électrodes (A, C) forment chacune une bande plane, et sont assemblées l’une avec l’autre en double spirale autour d’un axe central (O) parallèle à l’axe longitudinal (X). L’invention concerne également une cellule, une électrode et un procédé sur la base d’un tel véhicule. Figure. 2 CELLULE ELECTROCHIMIQUE DISPOSANT D’ELECTRODES HELICOÏDALES, VEHICULE AUTOMOBILE, DISPOSITIF ELECTRIQUE ET PROCEDE SUR LA BASE D’UNE TELLE CELLULE L'invention se rapporte au domaine des structures internes de cellules électrochimiques pour des batteries notamment pour un véhicule automobile ou un dispositif électrique à batterie. Dans ce domaine, il n’existe, dans l’art antérieur, que quatre topologies de conception d’électrodes de batteries, illustrées en , à savoir : - (a) une topologie en empilement de feuilles (ou « single sheet stacking » en langue anglaise) ; - (b) une topologie en empilement en « Z » (ou « Z-stacking » en langue anglaise) ; - (c) une topologie en enroulement cylindrique (ou « cylindrical winding » en langue anglaise) ; - (d) une topologie en enroulement prismatique (ou « prismatic winding » en langue anglaise). Ces quatre types d’enroulement / empilement et leurs variantes présentent toujours une inhomogénéité d’un point de vue thermique et mécanique. En effet, leur caractère empilé ou enroulé constitue une hiérarchie de couches successives ayant chacune des conditions thermo-mécaniques propres. Les enroulements ou couches proches du milieu de la structure, n’ont pas accès à la même puissance de refroidissement que les couches externes. Les enroulements ou couches proches, sont intrinsèquement soumis à des contraintes mécaniques inhomogènes induites par leur propre boitier ou celui des cellules adjacentes. Il est admis par la littérature scientifique, que la température cause une dégradation accélérée des cellules électrochimiques (batteries). De plus des gradients internes (au sein même d’une cellule) génèrent également une accentuation de ces effets. En outre, de forts gradients thermiques causent une divergence des points les plus chauds et les plus froids vis-à-vis de l’estimation du modèle intégré au système de gestion de batterie (BMS). De ce fait, l’estimation de l’état réel de la cellule est erronée, et peut conduire à une surutilisation de la cellule électrochimique causant un emballement thermique ou un court-circuit interne par formation de dendrite. De manière similaire, un gradient de contrainte mécanique peut conduire à un effet de décollement interne local pouvant induire une accentuation locale des effets électrochimiques et potentiellement causer un court-circuit dendritique interne, ou un déchirement des électrodes. Un objectif de la présente invention est de remédier aux défauts de l’art antérieur, et notamment de proposer une structure de cellule électrochimique permettant d’avoir une meilleure homogénéisation du refroidissement des électrodes, de limiter les gradients thermiques au sein de ladite cellule et de canaliser l’expansion et la contrainte mécanique dans une direction homogène. En effet, les charges rapides génèrent beaucoup de chaleur et aucun système de refroidissement n’est en mesure aujourd’hui de fournir de la puissance de refroidissement satisfaisante. L’invention vise donc notamment à optimiser les flux thermiques afin de réduire le dimensionnement des systèmes de refroidissement. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose une batterie comprenant au moins une cellule qui comprend des électrodes assemblées l’une avec l’autre dans un repère dans l’espace comprenant un axe longitudinal suivant une direction de longitudinale des électrodes, un axe latéral perpendiculaire à l’axe longitudinal, et un axe d’épaisseur perpendiculaire à l’axe longitudinal et à l’axe latéral, caractérisée en ce que les électrodes forment chacune une bande plane, et sont assemblées l’une avec l’autre en double spirale autour d’un axe central parallèle à l’axe longitudinal. Avantageusement, l’orientation des électrodes et la forme extérieure des cellules proposée par l’invention optimisent la conductivité thermique des électrodes lors du refroidissement. Au lieu d’être enroulées ou empilées en créant des zones intérieures et extérieures dans les électrodes, celles-ci sont désormais spiralées afin que chaque couche de l’électrode perçoive une puissance de refroidissement similaire et afin d’optimiser le facteur de transfert thermique non plus de manière normale aux électrodes mais dans le plan de celles-ci. L’invention permet d’utiliser des collecteurs de courant, généralement en cuivre et en aluminium comme conducteur thermique, qui sont efficaces. Selon une variante, les électrodes sont disposées dans un plan orienté latéralement en référence à l’axe latéral. Cela permet de faciliter le refroidissement des électrodes par un flux latéral. Selon une variante, les électrodes comprennent un bord interne proximal et un bord externe distal par rapport à l’axe central, en référence à l’axe latéral et à l’axe d’épaisseur, et les électrodes ont chacune un bord externe et un bord interne en référence à l’axe latéral, qui ont chacun une forme polygonale ou circulaire autour de l’axe de la spirale. Selon une variante, les électrodes ont chacune une forme torique-cylindrique où le bord externe et le bord interne ont chacun une forme circulaire autour de l’axe de la spirale. Cela permet d’optimiser la symétrie de l’assemblage à l’intérieur et à l’extérieur de la spirale. Selon une variante, les électrodes ont chacune une forme torique-cylindrique avec des faces plates où le bord interne a une forme circulaire, et le bord externe a une forme rectangulaire ou de préférence carrée, autour de l’axe de la spirale. Le bord interne circulaire permet d’optimiser la symétrie de l’assemblage à l’intérieur de la spirale vis-à-vis du refroidissement. Le bord externe carré permet d’optimiser les volumes vides lors de l’assemblage des cellules, et d’optimiser l’homogénéité vis-à-vis du refroidissement par rapport à un bord externe rectangulaire. Selon une variante, les électrodes ont chacune une forme torique-parallélépipédique où le bord externe et le bord interne ont chacun une forme rectangulaire le long de la spirale ; ou de préférence torique-cubique où le bord externe et le bord interne ont chacun une forme carrée le long de la spirale. Cela permet de simplifier la réalisation des contours de l’électrode. De manière générale, les bords interne et externe décrits par la cellule peuvent prendre n’importe quelle forme, notamment triangulaire, hexagonale, octogonale, etc. indépendamment des autres cellules proches. L’invention concerne en outre un véhicule automobile comprenant une batterie selon l’invention. Un autre objet de l'invention concerne un dispositif électrique comprenant une batterie selon l'invention. L’invention a en outre trait à un procédé d’assemblage d’une batterie selon l'invention, comprenant les étapes suivantes : - mettre en place les électrodes sous forme de bandes planes ; et - assembler les électrodes en spirales. 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 une vue de face d’assemblages d’électrodes par empilement ou enroulement selon l’art antérieur ; - illustre schématiquement une vue dans l’espace d’un assemblage d’électrodes en spirales selon un premier mode de réalisation de l’invention ; - illustre schématiquement une vue de face de l’assemblage d’électrodes de la ; - illustre schématiquement une vue isométrique d’une électrode convenant à un assemblage d’électrodes en spirales selon un deuxième mode de réalisation ; - illustre schématiquement une vue isométrique d’une électrode convenant à un assemblage d’électrodes en spirales selon un troisième mode de réalisation. L'invention concerne un véhicule automobile comprenant une batterie de traction. Ce type de batterie comprend cellules de batterie qui comprennent des électrodes A, C assemblées l’une à l’autre, qui sont l’objet principal de cette demande. Il s’agit par exemple d’une électrode négative A et d’une électrode positive C. Les électrodes A, C sont décrites dans un repère dans l’espace comprenant un axe longitudinal X suivant une direction de longitudinale des électrodes A, C, un axe latéral Y perpendiculaire à l’axe longitudinal X, et un axe d’épaisseur Z perpendiculaire à l’axe longitudinal X et à l’axe latéral Y. Selon l’invention, les électrodes A, C sont planes et assemblées en spirales (ou en double hélice) dans un volume par exemple de type prismatique dont la base est agencée suivant l’axe latéral Y et l’axe d’épaisseur Z, et la hauteur est agencée suivant l’axe longitudinal X. Cet agencement est illustré dans les figures 2 et 3. L’idée principale est de concevoir des électrodes A, C (à savoir en particulier un collecteur de courant sur lequel sont déposées les matières actives) sous forme de spirales plates, par exemple cylindriques, en double hélice comme une molécule d’ADN. La spirale est agencée autour d’un axe central O de sorte que l’électrode A, C en bande présente un bord interne proche de l’axe central O et un bord externe éloigné de l’axe central O en référence à l’axe latéral Y et à l’axe d’épaisseur Z. Dans un premier mode de réalisation, illustré en figures 2 et 3, les électrodes A, C sont chacune sous forme d’une cellule torique-cylindrique, où la spirale est cylindrique à l’extérieur et à l’intérieur. Dans un deuxième mode de réalisation, illustré en , les électrodes A, C sont chacune sous forme d’une cellule torique-cylindrique à faces plates, où la spirale est cylindrique à l’intérieur et carrée à l’extérieur pour optimiser les volumes vides lors de l’assemblage des cellules. Les dimensions peuvent également être rectangulaire bien que cette topologie pourrait causer une légère inhomogénéité liée aux variations de longueur selon la longueur du rectangle. Dans un troisième mode de réalisation, illustré en , les électrodes A, C sont chacune sous forme d’une cellule torique-cubique, où la spirale est composée d’une bande rectangulaire en forme de spirale, par exemple par découpage. Les formes interne et externe sont toutes les deux carrées (ou rectangulaires comme pour le deuxième mode de réalisation). Des variantes sont possibles sur la base de diverses topologies de sorties de taquets de connexion vers l’extérieur du boîtier des électrodes. De même que pour une cellule classique, il est possible d’imaginer d’innombrables manières de disposer et connecter électriquement les collecteurs de courant aux taquets extérieurs : - soit aux extrémités des électrodes A, C ; - soit sur leurs faces cylindriques externes à deux hauteurs différentes avec un anneau ou une patte de contact ; - soit à l’intérieur de la cavité torique ; - soit une combinaison des possibilités précédentes. Les avantages techniques de l’invention sont les suivants : - une optimisation du flux thermique des cellules et une réduction considérable des gradients internes ; - un sous-dimensionnement possible du système de refroidissement ; - une possibilité de conception de cellules aussi longues que souhaité sans contrainte de gradient thermique ou mécanique, et ainsi un gain en densité volumique d’énergie ; - une amélioration du comportement mécanique des cellules : en effet, les électrodes A, C ont tendance à gonfler au cours des cycles de charge et décharge et avec le temps. Dans l’invention, les électrodes A, C ne sont plus contraintes dans le sens de l’enroulement mais dans l’axe d’enroulement. Cela limite les effets de destruction de la même manière qu’un ressort peut se détendre et se contracter ; - une amélioration thermique et mécanique sans aucune perte de densité d’énergie ; - un positionnement des taquets et du système de refroidissement selon divers variantes (interne, externe, bord long ou bords court). Cette topologie permet de canaliser le flux de chaleur bien plus efficacement offrant ainsi de nouvelles perspectives à la charge rapide. Par ailleurs, la chimie des batteries s’orientant vers des technologies à forte expansion, la forme de spirale (ressort) offre une nouvelle souplesse aux électrodes A, C qui ont jusqu’aujourd’hui tendance à se dégrader avec leur expansion sur-contrainte. Au contraire, l’invention offre l’avantage d’une distribution homogène des électrodes A, C selon toutes ces dynamiques physiques, permettant ainsi d’aller au-delà des performances actuelles notamment en puissance de charge rapide tout en maintenant, voire en améliorant légèrement la densité d’énergie massique et volumique du pack-batterie. L’invention est applicable à différents types de véhicules automobile tels que des camions, motocyclettes, etc. L’invention s’applique également à tout dispositif électrique utilisant une batterie tels que des outils électroportatifs ou autonome. Batterie comprenant au moins une cellule qui comprend des électrodes (A, C) assemblées l’une avec l’autre dans un repère dans l’espace comprenant un axe longitudinal (X) suivant une direction de longitudinale des électrodes (A, C), un axe latéral (Y) perpendiculaire à l’axe longitudinal (X), et un axe d’épaisseur (Z) perpendiculaire à l’axe longitudinal (X) et à l’axe latéral (Y), caractérisée en ce que les électrodes (A, C) forment chacune une bande plane, et sont assemblées l’une avec l’autre en double spirale autour d’un axe central (O) parallèle à l’axe longitudinal (X). Batterie selon la revendication 1, caractérisée en ce que les électrodes (A, C) sont disposées dans un plan orienté latéralement en référence à l’axe latéral (Y). Batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, dans laquelle les électrodes (A, C) comprennent un bord interne proximal et un bord externe distal par rapport à l’axe central (O), en référence à l’axe latéral (Y) et à l’axe d’épaisseur (Z), caractérisée en ce que les électrodes (A, C) ont chacune un bord externe et un bord interne en référence à l’axe latéral (Y), qui ont chacun une forme polygonale ou circulaire autour de l’axe de la spirale. Batterie selon la revendication 3, caractérisée en ce que les électrodes (A, C) ont chacune une forme torique-cylindrique où le bord externe et le bord interne ont chacun une forme circulaire autour de l’axe de la spirale. Batterie selon la revendication 3, caractérisée en ce que les électrodes (A, C) ont chacune une forme torique-cylindrique avec des faces plates où le bord interne a une forme circulaire, et le bord externe a une forme rectangulaire ou de préférence carrée, autour de l’axe de la spirale. Batterie selon la revendication 3, caractérisée en ce que les électrodes (A, C) ont chacune une forme torique-parallélépipédique où le bord externe et le bord interne ont chacun une forme rectangulaire le long de la spirale ; ou de préférence torique-cubique où le bord externe et le bord interne ont chacun une forme carrée le long de la spirale. Véhicule automobile comprenant une batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 6. Dispositif électrique comprenant une batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 6. Procédé d’assemblage d’une batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant les étapes suivantes : - mettre en place les électrodes (A, C) sous forme de bandes planes ; et - assembler les électrodes (A, C) en spirales.