DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des cellules électrochimiques élémentaires destinées à être assemblées au sein de modules électrochimiques eux- mêmes assemblés entre eux pour former un pack batterie, ces cellules électrochimiques comportant une électrode à gaz. Plus particulièrement, elle concerne le domaine des cellules électrochimiques du type métal-gaz.

L'invention trouve des applications dans de nombreux domaines de l'industrie, notamment pour des applications stationnaires ou embarquées, en particulier pour le domaine de l'alimentation électrique des véhicules de transport, terrestres, aériens et/ou nautiques, par exemple pour l'alimentation électrique des véhicules hybrides et/ou électriques pour lesquels un agencement d'un grand nombre de cellules électrochimiques et une circulation dynamique du gaz sont requis.

Elle propose ainsi une cellule électrochimique élémentaire comportant une électrode à gaz de forme tubulaire creuse, un module électrochimique d'assemblage comportant une pluralité de telles cellules, ainsi qu'un pack batterie comportant une pluralité de tels modules électrochimiques d'assemblage. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Les accumulateurs sont des systèmes permettant de stocker de l'énergie électrique sous forme chimique. I ls sont basés sur un système électrochimique réversible, c'est-à-dire rechargeable.

Le pack batterie est un assemblage de modules électrochimiques, eux-mêmes assem blages de cellules électrochimiques élémentaires qui constituent des accumulateurs. Au sein du pack batterie, les cellules électrochimiques sont reliées et gérées par une électronique de contrôle, encore appelée électronique BMS pour « Battery Management System » en anglais, qui permet d'optimiser la charge et la décharge et de prolonger la durée de vie. Les accumulateurs ou cellules contiennent des réactifs chimiques qui, une fois activés, permettent de fournir de l'électricité à la demande. Ces réactions électrochimiques sont activées au sein de la cellule électrochimique élémentaire, entre une électrode positive et une électrode négative baignant dans un électrolyte, lorsqu'une charge électrique est branchée aux bornes de la cellule. A titre d'exemple, la technologie Li-ion consiste à utiliser la circulation électrochimique de l'ion lithium dans deux matériaux et à des valeurs de potentiel différentes : l'électrode positive et l'électrode négative constituent les deux potentiels d'oxydoréduction, et la différence de potentiel crée la tension au sein de la batterie. En cours d'utilisation (l'accumulateur se décharge), l'électrode négative relâche le lithium sous forme ionique Li ⁺ . Les ions Li ⁺ migrent alors vers l'électrode positive, via l'électrolyte conducteur ionique. Le passage de chaque ion Li ⁺ au sein de l'accumulateur est compensé par le passage d'un électron dans le circuit externe (courant circulant à partir des bornes de l'accumulateur), en sens inverse, créant ainsi le courant électrique permettant de faire fonctionner le dispositif associé à la batterie. Il y a alors du courant électrique jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de lithium au sein de l'électrode négative : l'accumulateur est alors déchargé et son rechargement se fait selon le processus inverse.

En ce qui concerne la conception des cellules électrochimiques élémentaires, trois principaux types de géométrie d'architecture sont couramment utilisés. Ainsi, de façon classique et connue en soi, les cellules peuvent présenter une géométrie cylindrique, une géométrie prismatique ou une géométrie en sachet/empilement (appelée encore « pouch-cell » en anglais).

Par ailleurs, parmi les diverses possibilités existantes pour le choix des électrodes des cellules électrochimiques élémentaires, on connaît les cellules électrochimiques qui comportent une électrode à gaz, encore dénommées ci-après « cellules à électrode à gaz », et notamment les cellules dites du type métal-gaz. La présente invention est tout particulièrement concernée par ce type de cellule électrochimique élémentaire.

Dans le cas de ces cellules à électrode à gaz, l'optimisation de la circulation du gaz pour permettre une arrivée optimale du gaz aux électrodes à gaz de chaque cellule d'un module d'assemblage d'un pack batterie est une problématique bien connue et fondamentale pour permettre d'améliorer le rendement des batteries du type métal-gaz, en termes de cinétique de réaction, quelque soit l'application envisagée de ces batteries.

De plus, les recherches actuelles portant sur les cellules à électrode à gaz et les technologies du type métal-gaz tendent à s'orienter, entre autres, vers une application dans le domaine des véhicules de transport terrestres, et notamment celui des véhicules hybrides et électriques. Or, dans ce domaine, l'optimisation de la masse volumique totale des batteries est également une problématique bien connue et fondamentale en termes d'efficacité, d'autant plus que les batteries sont les éléments majeurs de ces véhicules.

Aussi, dans le cas des cellules à électrode à gaz, il existe à la fois un besoin en termes d'optimisation de la circulation du gaz vers les électrodes à gaz des cellules et un besoin en termes d'optimisation de la masse volumique totale occupée par les cellules.

Néanmoins, les principaux types de géométrie d'architecture habituellement utilisés pour concevoir les cellules électrochimiques, qui ont été présentés auparavant, ne permettent pas de répondre à ce double besoin des cellules à électrode à gaz de manière satisfaisante.

En effet, concernant les cellules de géométrie prismatique, de nombreux brevets proposent un dispositif favorisant l'apport de gaz à la surface de chaque cellule. Par exemple, comme décrit dans le brevet US 6,706,436 Bl, il est possible d'intercaler des plaques bipolaires entre les cellules. Toutefois, cette solution n'est pas suffisamment pertinente en termes de gain de poids et d'espace. Par ailleurs, d'autres brevets concernent l'agencement des cellules pour optimiser la circulation du gaz dans un module. Ainsi, le brevet US 6,517,967 Bl et la demande internationale WO 00/036692 Al proposent un agencement compact de cellules de géométrie prismatique en les superposant à l'aide d'une structure support adaptée. Cependant, l'espacement entre les cellules induit une perte de place au niveau de l'épaisseur du module.

En outre, la demande de brevet US 2009/0191452 Al propose une circulation optimale du gaz dans un module pour des cellules de géométrie cylindrique. Or, avec des cellules de géométrie cylindrique, l'agencement ne peut pas être optimal si bien que de la place peut être perdue comparativement aux géométries prismatique ou en sachet. Le brevet EP 2 022 110 Bl propose alors un boîtier permettant d'agencer des cellules cylindriques entre elles, mais l'utilisation d'un boîtier supplémentaire alourdit davantage les cellules et donc le poids total du module d'assemblage et du pack batterie.

Le brevet US 5,366,822 A et la demande de brevet EP 2 530 762 Al proposent par ailleurs un empilement de cellules prismatiques plates avec des espacements ou canaux permettant une circulation du gaz. Les solutions proposées dans ces documents peuvent permettre d'obtenir un gain de place mais la circulation du gaz s'avère peu performante. De plus, ces solutions s'appliquent tout particulièrement aux cellules du type zinc-air mais ne sont pas envisageables pour des cellules du type lithium-oxygène en raison des contraintes liées à l'utilisation du lithium métal avec un électrolyte aqueux.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

L'invention a ainsi pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés ci-dessus et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur.

L'invention vise notamment à proposer un nouveau type de cellule électrochimique élémentaire à électrode à gaz, notamment du type métal-gaz, présentant une conception et une architecture particulières pour optimiser la circulation de gaz, et optimiser le gain de place et l'intégration de ce type de cellule dans un module électrochimique d'assemblage de batterie. En particulier, l'invention vise à trouver une solution de compromis entre un module, comportant un assemblage de cellules, qui favorise la circulation du gaz de façon bien répartie en surface de chaque électrode à gaz, et un module, comportant un assemblage de cellules, qui présente une masse volumique optimisée.

L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, une cellule électrochimique élémentaire à électrode à gaz, destinée à être intégrée au sein d'un module électrochimique d'assemblage d'un pack batterie, comportant :

- au moins une électrode négative et une électrode positive, l'une desdites au moins une électrode négative et une électrode positive étant une électrode à gaz, - au moins un collecteur de courant négatif et un collecteur de courant positif, respectivement associés auxdites au moins une électrode négative et une électrode positive,

- au moins un électrolyte situé entre lesdites au moins une électrode négative et une électrode positive,

caractérisée en ce que l'électrode à gaz se présente sous une forme tubulaire creuse à l'intérieur de la cellule.

L'aspect « creux » de l'électrode à gaz, impliquant une ouverture de la cellule, permet avantageusement d'assurer une arrivée de gaz depuis l'extérieur vers l'électrode à gaz.

Grâce à l'invention, il est possible de disposer d'un nouveau type de géométrie d'architecture de cellule électrochimique élémentaire à électrode à gaz ayant la particularité de présenter une électrode à gaz interne. Cette disposition peut ainsi permettre un agencement optimal en termes de gain massique, volumique et de circulation du gaz, tout en permettant également une intégration modulaire aisée tant en termes d'espace que de connexion (en série ou en parallèle). De plus, l'invention peut permettre une fixation mécanique simple et efficace des cellules entre elles et au module dans lequel elles sont assemblées.

La cellule électrochimique élémentaire selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.

L'électrode à gaz peut être constituée par l'électrode positive.

L'électrode à gaz peut préférentiellement être située au centre de la cellule électrochimique.

La cellule électrochimique peut tout particulièrement être du type métal-gaz, c'est-à-dire comportant une électrode à gaz et une électrode en métal. En particulier, la cellule électrochimique peut être du type lithium-air.

Plusieurs configurations sont possibles pour la cellule à électrode à gaz interne selon l'invention, celles-ci étant notamment déterminées en fonction des applications visées et/ou de l'intégration dans l'environnement. En particulier, l'électrode à gaz peut sensiblement présenter, en section, tout type de forme, et notamment polygonale, par exemple triangulaire, carrée, rectangulaire, parallélépipédique, pentagonale, hexagonale, en étoile, circulaire, elliptique, entre autres. Plus préférentiellement, la section de l'électrode à gaz peut présenter sensiblement une forme de triangle équilatéral ou une forme circulaire.

Par ailleurs, la cellule peut également présenter tout type de forme. Par exemple, la cellule peut sensiblement présenter, en section, une forme polygonale, régulière ou non, par exemple triangulaire, carrée, rectangulaire, parallélépipédique, pentagonale, hexagonale, en étoile, entre autres. La cellule peut encore sensiblement présenter une forme cylindrique, par exemple de section circulaire ou elliptique. Plus préférentiellement, la section de la cellule peut présenter sensiblement une forme de triangle équilatéral ou une forme circulaire.

Le pourtour de la cellule et/ou de l'électrode à gaz peut présenter, au moins en partie, une forme régulière ou irrégulière, convexe, concave, ondulée, brisée, entre autres. Les angles entre deux côtés du pourtour de la cellule et/ou de l'électrode à gaz peuvent avoir différentes formes, étant par exemple aigus, obtus, arrondis, entre autres.

De façon avantageuse, une forme polygonale de la cellule peut lui permettre de présenter un aspect modulaire. Ainsi, il peut être possible d'assembler plusieurs cellules électrochimiques dans de nombreuses configurations dans un module électrochimique d'assemblage de pack batterie, notamment en les juxtaposant et/ou en les superposant aisément.

Lorsque la cellule présente sensiblement, en section, une forme polygonale, l'électrode à gaz peut également présenter sensiblement, en section, une forme polygonale, semblable ou non.

De cette façon, la cellule peut présenter plusieurs faces externes, notamment autant de faces externes que de côtés de la forme polygonale de la cellule. De même, l'électrode à gaz peut comporter plusieurs faces internes, notamment autant de faces internes que de côtés de la forme polygonale de l'électrode à gaz. La cellule peut présenter sensiblement, en section, une forme de triangle, notamment de triangle équilatéral. Dans ce cas alors, l'électrode à gaz peut également présenter sensiblement, en section, une forme de triangle, notamment équilatéral.

De cette façon, la cellule peut présenter trois faces externes. De même, l'électrode à gaz peut comporter trois faces internes.

La cellule peut comporter plusieurs électrodes négatives, notamment trois, associées à une électrode positive, l'électrode positive étant l'électrode à gaz.

En particulier, le nombre d'électrodes négatives correspond avantageusement au nombre de faces externes de la cellule polygonale.

Plus précisément, dans le cas d'une cellule triangulaire, et notamment équilatérale, la cellule peut comporter trois électrodes négatives associées à une électrode positive.

Ainsi, l'invention peut présenter également un intérêt en termes de dimensionnement. En effet, pour une électrode à gaz positive, on associe trois électrodes négatives pour un volume d'électrolyte et un dimensionnement global optimaux. Le rendement de la réaction électrochimique peut ainsi être amélioré par rapport à des géométries d'architecture de cellules plates, notamment comme selon l'art antérieur.

La cellule peut présenter plusieurs côtés, notamment trois, sur chacun desquels est située une électrode négative.

Plus précisément, dans le cas d'une cellule triangulaire, et notamment équilatérale, la cellule peut comporter trois côtés sur chacun desquels est située une électrode négative.

Chaque électrode négative peut s'étendre selon le côté correspondant de la cellule, préférentiellement parallèlement à la face interne de l'électrode à gaz située en vis-à-vis dudit côté. De cette façon, il peut être possible d'avoir un transfert d'ions optimal entre les électrodes négative et positive lors de la réaction électrochimique.

Chaque électrode négative peut par ailleurs se présenter sous la forme d'une plaque, par exemple en métal, par exemple du lithium métal, fixée au côté correspondant de la cellule. La cellule peut présenter plusieurs angles, notamment trois, sur chacun desquels est située une électrode négative.

Plus précisément, dans le cas d'une cellule triangulaire, et notamment équilatérale, la cellule peut comporter trois angles sur chacun desquels est située une électrode négative.

Chaque électrode négative peut par exemple présenter une forme tubulaire pleine à l'angle correspondant de la cellule.

Les bornes négatives de la cellule peuvent ne pas être électriquement reliées entre elles, et les bornes positives de la cellule peuvent non plus ne pas être électriquement reliées entre elles, de façon à cloisonner chaque cœur électrochimique de la cellule.

De cette façon, chaque cœur électrochimique ainsi formé comporte son propre électrolyte. Le volume d'électrolyte est ainsi dimensionné pour chaque cœur électrochimique sans communication perméable entre les cœurs électrochimiques.

En variante, toutes les bornes négatives de la cellule peuvent être électriquement reliées entre elles, et toutes les bornes positives de la cellule peuvent être électriquement reliées entre elles, de façon à n'avoir aucune compartimentation des cœurs électrochimiques.

De cette façon, la cellule comporte un électrolyte commun à tous les cœurs électrochimiques.

L'une ou l'autre des deux variantes présentées ci-dessus relatives à l'architecture interne de la cellule peuvent être utilisées, le choix pouvant par exemple être effectué en fonction de considérations d'application ou structurelles.

L'électrode à gaz peut présenter sensiblement, en section, une forme circulaire.

La cellule peut comporter plusieurs électrodes négatives, notamment trois, associées à une électrode positive, l'électrode positive étant l'électrode à gaz, et chaque électrode négative peut présenter sensiblement, en section, une forme d'arc de cercle épousant au moins partiellement la forme circulaire de l'électrode à gaz. De cette façon, il peut être possible d'obtenir un transfert d'ions optimal entre l'électrode négative et l'électrode positive lors de la réaction électrochimique.

Lorsque la cellule présente sensiblement une forme cylindrique, elle peut alors comporter une seule électrode négative externe.

Par ailleurs, une géométrie d'architecture avec une cellule présentant sensiblement une forme cylindrique peut permettre d'envisager un empilement de plusieurs cellules pour une connexion en série.

La cellule peut être formée par l'assemblage d'une pluralité de sous-cellules électrochimiques élémentaires définissant entre elles une électrode à gaz se présentant sous une forme tubulaire creuse à l'intérieur de la cellule.

Dans cette variante de réalisation de l'invention, l'électrode à gaz de forme tubulaire creuse est donc formée lorsque les sous-cellules sont assemblées entre elles.

La pluralité de sous-cellules peut comporter des sous-cellules prismatiques plates, présentant notamment en section une forme trapézoïdale, notamment isocèle.

Une forme trapézoïdale isocèle des sous-cellules peut permettre de faciliter les possibilités d'agencement des sous-cellules entre elles, pour former une cellule électrochimique de forme variée en section, comme décrit précédemment.

Les sous-cellules peuvent par exemple être du type métal-air.

La cellule peut en particulier comporter trois sous-cellules prismatiques formant un agencement polygonal sous la forme d'un triangle équilatéral, en section. Elle peut encore comporter six sous-cellules prismatiques formant un agencement polygonal sous la forme d'un hexagone, en section.

La pluralité de sous-cellules peut comporter des sous-cellules prismatiques plates de forme trapézoïdale en section, et les sous-cellules peuvent être assemblées entre elles dans une configuration « régulière » dans laquelle les sous-cellules sont en contact entre elles par leur face latérale.

De cette façon, dans cette configuration régulière des sous-cellules, chaque angle de la géométrie polygonale formée par l'assemblage des sous-cellules peut être constitué de deux sous-cellules trapézoïdales isocèles dont l'angle de chacune est égal à la moitié de celui formé par deux côtés consécutifs de la cellule polygonale. En variante, la pluralité de sous-cellules peut comporter des sous-cellules prismatiques plates de forme trapézoïdale en section, et les sous-cellules peuvent être assemblées entre elles dans une configuration « décalée » dans laquelle les sous-cellules sont en contact alternativement par leur côté latéral et par leur petite base.

De cette façon, dans cette configuration décalée des sous-cellules, chaque angle de la géométrie polygonale formée par l'assemblage des sous-cellules peut être constitué d'une seule sous-cellule trapézoïdale isocèle dont l'angle est égal à celui formé par deux côtés consécutifs de la cellule polygonale.

L'électrode à gaz et la cellule peuvent présenter sensiblement, en section, la même forme.

L'électrode à gaz peut comporter une partie mâle s'étendant depuis une première face de la cellule et une partie femelle, complémentaire de la partie mâle, formée sur une deuxième face de la cellule opposée à la première face, les parties mâle et femelle de l'électrode à gaz permettant respectivement un empilement de la cellule avec les parties femelle et mâle de l'électrode à gaz d'une autre cellule du même type.

La ou les électrodes négatives peuvent également comporter une partie mâle s'étendant depuis une première face de la cellule et une partie femelle, complémentaire de la partie mâle, formée sur une deuxième face de la cellule opposée à la première face, les parties mâle et femelle de la ou les électrodes négatives permettant respectivement un empilement de la cellule avec les parties femelle et mâle de la ou les électrodes négatives d'une autre cellule du même type.

La présence de parties mâle et femelle sur l'électrode à gaz et/ou sur une électrode négative peut en particulier permettre de pouvoir empiler et mettre en position plusieurs cellules les unes sur les autres pour former une colonne, tout en laissant un passage pour la circulation de gaz au centre des cellules, c'est-à-dire au travers des creux des électrodes à gaz. Un tel passage peut ainsi constituer un tuyau à gaz. Plusieurs colonnes avec superposition de cellules peuvent donc être formées, chacune présentant en section une forme semblable à celle des cellules, et peuvent être assemblées entre elles dans un module pour former un pack batterie avec une modularité et une compacité optimales. La cellule peut comporter une pièce de rigidification située dans l'espace creux de l'électrode à gaz sous forme tubulaire creuse.

Il peut ainsi être possible, si nécessaire, de rigidifier l'intérieur du tube de l'électrode à gaz.

La pièce de rigidification peut comporter une structure rigide longiligne. Elle peut être réalisée dans un matériau en accord avec la ou les applications visées du pack batterie dans lequel sera présente la cellule électrochimique, notamment en termes de températures et de pressions de fonctionnement. Elle peut ainsi être préférentiellement réalisée en plastique rigide moulé. Elle peut présenter une hauteur inférieure ou égale à celle de l'électrode à gaz. Elle peut en outre présenter une section suffisamment rigide pour pouvoir encaisser les déformations pouvant apparaître, dues aux différents modes de fonctionnement de la cellule. Elle peut également être de conception apte à permettre une libre circulation du gaz vers l'électrode à gaz. En particulier, la pièce de rigidification peut être ajourée. Elle peut par exemple présenter, en section, une forme circulaire, elliptique, polygonale, notamment triangulaire ou en étoile, ou encore être constituée par un ressort de forme hélicoïdale.

Par ailleurs, l'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un module électrochimique d'assemblage d'un pack batterie, caractérisé en ce qu'il comporte un assemblage de plusieurs cellules telles que définies ci-dessus.

L'assemblage formé au sein du module par les cellules électrochimiques élémentaires selon l'invention peut en particulier présenter, en section, tout type de forme, et notamment une forme polygonale, régulière ou non, par exemple triangulaire, carrée, rectangulaire, parallélépipédique, en trapèze, pentagonale, hexagonale, en étoile, une forme cylindrique, par exemple de section circulaire ou elliptique, entre autres.

Toutes les cellules peuvent présenter sensiblement, en section, la même forme.

En variante, au moins une première partie des cellules peut présenter sensiblement, en section, une même première forme, et au moins une deuxième partie des cellules peut présenter sensiblement, en section, une même deuxième forme, différente de la première forme, les cellules de ladite au moins une deuxième partie étant notamment positionnées entre les cellules de ladite au moins une première partie de façon juxtaposée.

De cette façon, il peut être possible d'assembler différents types de cellules dans le module d'assemblage, et de différentes façons, afin de s'adapter aux caractéristiques souhaitées pour le pack batterie.

Au moins un connecteur en série peut être intercalé entre deux cellules consécutives, de façon à permettre une connexion en série des cellules.

De façon avantageuse, la forme en section du connecteur en série peut être semblable à celle des cellules qu'il doit relier électriquement afin d'être positionné de façon optimale entre les cellules.

Chaque cellule peut encore être de géométrie polygonale, et comporter à chaque angle une borne négative sur une face et une borne positive sur l'autre face de l'angle.

Les cellules peuvent en outre être connectées entre elles à l'aide de tiges de connexion, aptes à s'emboîter dans des logements correspondants des cellules.

Les cellules peuvent par ailleurs être connectées entre elles, en parallèle ou en série, à l'aide de plaques intermédiaires s'intercalant entre des plaques ou étages de cellules.

L'invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, un pack batterie, caractérisé en ce qu'il comporte un assemblage de plusieurs modules électrochimiques tels que définis précédemment.

L'ensemble des caractéristiques énoncées dans la présente description peuvent être prises isolément ou selon toutes combinaisons techniquement possibles avec d'autres caractéristiques. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente, en perspective, un exemple de cellule électrochimique selon l'invention de forme triangulaire équilatérale, comportant une électrode à gaz de forme triangulaire équilatérale,

- la figure 2 est une vue en coupe selon ll-ll de la figure 1,

- la figure 3 est une vue en coupe d'un autre exemple de cellule électrochimique selon l'invention de forme triangulaire équilatérale, comportant une électrode à gaz de forme triangulaire équilatérale,

- la figure 4 est une vue du dessus de la cellule électrochimique de la figure 3,

- les figures 5A à 5E illustrent, schématiquement en vue du dessus, des exemples de modules électrochimiques d'assemblage comportant une pluralité de cellules électrochimiques selon l'invention de forme triangulaire équilatérale, comportant une électrode à gaz de forme triangulaire équilatérale,

- la figure 6 illustre, en perspective, un empilement en colonnes de cellules électrochimiques selon l'invention de forme triangulaire équilatérale, comportant une électrode à gaz de forme triangulaire équilatérale,

- les figures 7A à 7D illustrent, schématiquement en vue du dessus, des exemples de modules électrochimiques d'assemblage comportant une pluralité de cellules électrochimiques selon l'invention de forme polygonale, comportant une électrode à gaz de forme polygonale,

- les figures 8A à 8D représentent, en perspective, des exemples de pièces de rigidification pour une cellule électrochimique selon l'invention, destinées à s'insérer dans le creux de l'électrode à gaz,

- la figure 9 représente, en coupe, un autre exemple de cellule électrochimique selon l'invention de forme triangulaire équilatérale, comportant une électrode à gaz de forme triangulaire équilatérale,

- la figure 10 représente, en perspective, un exemple de cellule électrochimique selon l'invention semblable à celle de la figure 9, de forme triangulaire équilatérale, comportant une électrode à gaz de forme triangulaire équilatérale,

- la figure 10A représente, en perspective, un exemple de borne négative de la cellule électrochimique de la figure 10, - la figure 11 représente, en perspective, un autre exemple de cellule électrochimique selon l'invention semblable à celle de la figure 9, de forme triangulaire équilatérale, comportant une électrode à gaz de forme triangulaire équilatérale,

- la figure 11A représente, en perspective, un exemple de borne négative de la cellule électrochimique de la figure 11,

- la figure 12 illustre, en perspective, un exemple d'empilement en colonne de cellules électrochimiques semblables à celles des figures 10 et 11,

- la figure 13 représente, en perspective, un autre exemple de cellule électrochimique selon l'invention de forme triangulaire équilatérale, comportant une électrode à gaz de forme triangulaire équilatérale,

- la figure 14 illustre, en perspective, un exemple d'empilement en colonne de cellules électrochimiques semblables à celle de la figure 13,

- les figures 15A et 15B représentent, respectivement en vue du dessous et en vue du dessus, un exemple de connecteur en série destiné à être placé entre deux cellules électrochimiques selon l'invention,

- les figures 16A et 16B représentent, respectivement en vue du dessous et en vue du dessus, un autre exemple de connecteur en série destiné à être placé entre deux cellules électrochimiques selon l'invention,

- la figure 17 représente, en vue latérale, un connecteur en série semblable à celui des figures 15A et 15B,

- les figures 18 et 19 représentent respectivement des exemples de couvercles inférieur et supérieur d'un module d'assemblage comportant une pluralité de cellules électrochimiques selon l'invention,

- la figure 20 représente, en coupe, un autre exemple de cellule électrochimique selon l'invention de forme triangulaire équilatérale, comportant une électrode à gaz de forme triangulaire équilatérale,

- la figure 21 illustre, en perspective, un exemple d'empilement en colonne de cellules électrochimiques semblables à celle de la figure 20, - la figure 22 représente, en coupe, un autre exemple de cellule électrochimique selon l'invention de forme triangulaire équilatérale, comportant une électrode à gaz de forme triangulaire équilatérale,

- la figure 23 illustre, en perspective, un exemple d'empilement en colonne de cellules électrochimiques semblables à celle de la figure 22,

- la figure 24 illustre, en coupe, un autre exemple de cellule selon l'invention,

- les figures 25 et 26 représentent respectivement, partiellement, deux variantes de réalisation pour la connexion en parallèle sur un étage de cellules selon l'invention,

- les figures 27 et 28 représentent, respectivement en section de la partie inférieure et en section de la partie supérieure, une variante de réalisation d'une cellule selon l'invention pour la connexion en parallèle sur un étage de cellules selon l'invention,

- les figures 29A et 29B représentent, partiellement, des exemples de cellules comportant des bornes négatives de forme variable,

- les figures 30A à 30D illustrent des exemples de tiges de connexion 35 pour la connexion en parallèle sur un étage de cellules selon l'invention,

- les figures 31A et 31B illustrent, en coupe, l'utilisation de plaques intermédiaires entre des étages de cellules selon l'invention, respectivement pour un branchement en parallèle et un branchement en série des cellules entre elles,

- la figure 32 représente, en perspective, un exemple de réalisation d'une cellule selon l'invention de forme triangulaire équilatérale, comportant une électrode à gaz interne de forme circulaire,

- la figure 33 représente, en vue du dessus, une cellule selon l'invention semblable à celle de la figure 32,

- les figures 34A à 34D illustrent, schématiquement, des exemples de réalisation de modules comportant une pluralité de cellules selon l'invention comportant une électrode à gaz interne de forme circulaire,

- les figures 35 à 38 représentent, en perspective, des exemples de réalisation de cellules selon l'invention comportant une pluralité de sous-cellules, - les figures 39 à 41 illustrent, schématiquement, des exemples de modules comportant des cellules selon l'invention formées par l'assemblage de plusieurs sous- cellules,

- les figures 42, 43 et 44 représentent, respectivement en vue latérale, en coupe transversale et en coupe longitudinale, un exemple de cellule cylindrique selon l'invention comportant une électrode à gaz interne de forme circulaire, et

- les figures 45 et 46 illustrent, en coupe, des exemples de cellules cylindriques selon l'invention comportant une tige d'un mécanisme de rotation insérée dans le creux de l'électrode à gaz interne de section circulaire.

Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.

De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS l ^ère configuration - Electrode à gaz interne de forme polygonale, notamment triangulaire équilatérale

On a représenté sur la figure 1 en perspective, de façon schématique et partielle, un exemple de réalisation d'une cellule électrochimique élémentaire 1 à électrode à gaz 3 interne conforme à l'invention.

La cellule 1 peut être destinée à être intégrée au sein d'un module électrochimique d'assemblage 10 d'un pack batterie, comme expliqué précédemment.

Conformément à l'invention, la cellule 1 comporte trois électrodes négatives 2a, 2b et 2c et une électrode positive 3, l'électrode positive 3 étant une électrode à gaz. De plus, la cellule 1 comporte trois collecteurs de courant négatif 4a, 4b et 4c, et un collecteur de courant positif 5 (le collecteur de courant négatif 4a et le collecteur de courant positif 5 sont par exemple visibles sur la figure 2), respectivement associés aux électrodes négatives 2a, 2b et 2c et à l'électrode positive 3. Par ailleurs, la cellule 1 comporte au moins un électrolyte 6 (visible sur la figure 2) qui se situe entre une électrode négative 2a, 2b ou 2c et l'électrode positive 3. Comme on peut le voir sur la figure 1, l'électrode à gaz 3 se présente sous une forme tubulaire creuse à l'intérieur de la cellule 1. Plus particulièrement, dans cet exemple de la figure 1, la cellule électrochimique 1 présente, en section, une forme de triangle équilatéral, et l'électrode à gaz 3 présente également, en section, une forme de triangle équilatéral.

La forme tubulaire creuse de l'électrode à gaz 3 permet de conférer à la cellule 1 selon l'invention une architecture permettant un agencement optimal en termes de gain massique, volumique et de circulation de gaz, tout en permettant une intégration modulaire aisée de la cellule 1, tant en termes d'espace que de connexion, en série ou en parallèle, pour une fixation mécanique simple et efficace des cellules 1 entre elles et à un module d'assemblage 10 dans lequel elles peuvent être placées.

Une forme en triangle équilatéral de la cellule 1 et de l'électrode à gaz 3 est une variante privilégiée de l'invention car elle permet de conférer un aspect modulaire permettant d'assembler les cellules 1 dans de nombreuses configurations dans un module 10, et de les superposer aisément les unes avec les autres. En effet, les électrodes à gaz 3 étant situées au centre des cellules 1, l'empilement des cellules 1 permet de former une colonne de circulation du gaz vers les électrodes à gaz 3, cette colonne constituant ainsi un tuyau à gaz. Une telle colonne présente par ailleurs une section semblable à celle des cellules 1, lesquelles peuvent être assemblées entre elles dans un module d'assemblage 10 pour un pack batterie avec une modularité et une compacité optimales. Néanmoins, l'invention n'est aucunement limitée à une forme polygonale ou triangulaire équilatérale de la cellule 1 ou de l'électrode à gaz 3, comme il sera développé notamment dans les autres exemples.

On a par ailleurs représenté sur la figure 2, schématiquement et partiellement, une vue en coupe selon ll-ll de la cellule 1 de la figure 1.

Comme on peut le voir sur cette figure 2, le cœur électrochimique 13 associé à l'électrode négative 2a est constitué par l'électrode positive à gaz 3 associée au collecteur de courant positif 5, l'électrolyte 6, une membrane protectrice 11, située entre l'électrolyte 6 et l'électrode négative 2a, et enfin l'électrode 2a et le collecteur de courant négatif 4a. Par ailleurs, un boîtier 12 de la cellule 1 englobe au moins partiellement le cœur électrochimique 13 ainsi formé.

A titre d'exemple, et ceci pouvant s'appliquer à l'ensemble des exemples présentés dans la présente description, la cellule 1 peut être du type métal-gaz et notamment du type lithium-air, avec notamment un électrolyte 6 aqueux et une membrane protectrice 11 de l'électrode négative 2a sous forme de lithium métal. Ainsi, le cœur électrochimique 13 de la cellule 1 est préférablement constitué, dans l'ordre de superposition, d'une feuille de cuivre constituant le collecteur de courant négatif 4a, d'une feuille de lithium métal constituant l'électrode négatif 2a recouverte d'une membrane protectrice 11, d'un séparateur imprégné d'électrolyte 6, et d'une grille ou une mousse en nickel, sur laquelle est déposé au préalable le catalyseur de la réaction de décomposition du gaz, pour constituer l'électrode positive 3 et son collecteur de courant positif 5, ce dernier étant le plus souvent constitué par la grille ou mousse en nickel elle- même. Cette grille ou mousse de nickel est de préférence présente avec un revêtement hydrophobe. De plus, une couche fine du type GDL (pour « Gaz Diffusion Layer » en anglais) favorisant la diffusion du gaz de manière homogène à la surface de l'électrode positive 3 et épousant la forme de la grille ou mousse en nickel est avantageusement incorporée au cœur électrochimique 13.

Diverses formes peuvent être envisagées pour la grille ou la mousse en nickel permettant de former l'électrode positive 3 et son collecteur de courant positif 5, ces formes permettant de favoriser l'arrivée du gaz dans la cellule 1. Par exemple, notamment dans le cas où l'arrivée du gaz dans la cellule 1 est dynamique (vent de vitesse, compresseur, pression interne, dépression, ventilateur, changement de masse volumique par échauffement local du gaz, entre autres), des formes retenues peuvent être choisies parmi : des strilles, des rayures, des rainures, des grilles de maille plus ou moins grosses, des formes hélicoïdales, entre autres.

Le collecteur de courant négatif 4a, de préférence en cuivre et placé sur l'électrode négative 2a formée par du lithium métal, peut présenter une forme variable, notamment apte à s'adapter aux différentes configurations d'architecture interne et de connexion possibles pour la cellule 1. Pour dimensionner de manière idéale une cellule 1 triangulaire équilatérale à électrode à gaz interne triangulaire équilatérale, comme selon l'exemple de la figure 1, selon sa compacité souhaitée et l'épaisseur de son cœur électrochimique 13, il peut être possible d'utiliser les rela

où :

- / représente la longueur d'un côté de l'électrode à gaz 3,

- L représente la longueur externe d'un côté de la cellule 1,

- e représente l'épaisseur du cœur électrochimique 13, et

- comp représente la compacité de la cellule 1.

I l est à noter que dans le cadre de ces relations, la hauteur h d'une cellule 1 est indépendante de sa configuration ou de son architecture, seul l'épaisseur e du cœur électrochimique 13 et la longueur L d'un côté externe de la cellule 1 étant déterminantes pour son dimensionnement selon la compacité recherchée.

Par ailleurs, comme on peut le voir sur la figure 2, l'électrode à gaz 3 comporte une partie mâle 3a s'étendant depuis une première face la de la cellule 1 et une partie femelle 3b, complémentaire de la partie mâle 3a, formée sur une deuxième face lb de la cellule 1, opposée à la première face la.

Les parties mâle 3a et femelle 3b de l'électrode à gaz 3 permettent avantageusement respectivement de réaliser un empilement de la cellule 1 avec les parties femelle et mâle de l'électrode à gaz d'autres cellules électrochimiques 1 du même type, et ce afin de former des colonnes de cellules 1 prêtes à être intégrées dans un module d'assemblage 10 d'un pack batterie.

Par ailleurs, dans le cadre d'une cellule 1 selon l'invention comportant une électrode à gaz 3 interne polygonale creuse, une première configuration telle que représentée sur la figure 1, prévoit la présence de chacune des trois électrodes négatives 2a, 2b et 2c sur chacun des trois angles 8a, 8b et 8c de la cellule 1 de forme triangulaire équilatérale.

Toutefois, les figures 3 et 4, la figure 3 étant une vue en coupe et la figure 4 étant une vue du dessus, représentent la possibilité de prévoir chacune des trois électrodes négatives 2a, 2b et 2c respectivement sur chacun des trois côtés 7a, 7b et 7c de la cellule 1, comme on peut le voir plus particulièrement sur la figure 3.

En particulier, dans cette deuxième configuration, chaque électrode négative 2a, 2b et 2c peut se présenter sous la forme d'une électrode de métal plate avantageusement parallèle à la face située en vis-à-vis de l'électrode positive à gaz 3, de façon à obtenir un transfert d'ions optimal lors de la réaction électrochimique dans le cœur électrochimique 13 correspondant.

En outre, dans cet exemple des figures 3 et 4, chaque borne négative peut se présenter sous la forme d'une plaque triangulaire équilatérale située sur chaque angle de la cellule 1 pour récupérer le courant des collecteurs de courant négatif de chaque face.

Par ailleurs, dans le cadre des deux exemples de réalisation décrits respectivement en référence aux figures 1 et 3, mais également de façon applicable à l'ensemble des exemples décrits dans la présente description, deux variantes d'architecture interne de la cellule 1 sont envisageables.

Une première variante consiste à cloisonner chaque cœur électrochimique 13. Ainsi, on ne relie pas électriquement les différentes bornes négatives d'une même cellule 1 entre elles, ni les bornes positives entre elles. Le volume d'électrolyte 6 est ainsi dimensionné pour chaque cœur électrochimique 13, sans communication perméable entre l'ensemble des cœurs électrochimiques 13.

Dans une deuxième variante, les trois cœurs électrochimiques 13 ne sont pas compartimentés. Ainsi, on relie électriquement toutes les bornes négatives d'une même cellule entre elles, de même que les bornes positives entre elles. L'électrolyte 6 est alors commun à tous les cœurs électrochimiques 13 d'une même cellule 1.

Les cellules 1 du type triangulaire équilatérale, tel que décrites en référence aux figures 1 à 4, peuvent être assemblées entre elles de différentes manières afin d'obtenir une variété de formes en section destinée à s'adapter aux différents modules d'assemblage 10 et au pack batterie dans lesquels les cellules 1 sont destinées à être incorporées.

Ainsi, à titre d'exemples, les figures 5A à 5E représentent différentes formes possibles, en section, pour des modules d'assemblage 10 comportant un regroupement de cellules 1 triangulaires équilatérales selon l'invention. Sur ces figures, la représentation a été schématisée au maximum par souci de clarté, et notamment l'aspect creux E des électrodes à gaz 3 n'a pas été représenté.

La figure 6 représente par ailleurs, en perspective et de façon schématique, un exemple d'empilement en colonne de cellules 1 triangulaires équilatérales selon l'invention, cet empilement définissant une colonne à gaz C pour permettre la circulation du gaz vers les électrodes à gaz 3. L'empilement peut par exemple être réalisé par l'intermédiaire des parties mâles 3a et femelles 3b des cellules 1, comme représenté sur la figure 2.

Par ailleurs, comme évoqué précédemment, la forme polygonale en section des cellules 1 peut être de tout type, et nullement limitée à une forme triangulaire équilatérale.

Ainsi, à titre d'exemples, les figures 7A à 7D représentent des variantes de réalisation de modules d'assemblage 10 comportant des cellules 1 selon l'invention présentant, en section, des formes variées telles que carrée, hexagonale, ou encore en parallélogramme (« hexagone aplati » selon la figure 7C).

L'agencement des cellules 1 les unes relativement aux autres peut être effectué de façon à obtenir un gain de place optimal. En outre, de façon avantageuse, l'électrode positive à gaz interne 3 peut présenter en section la même forme que celle de la cellule 1. Par ailleurs, l'invention prévoit également la combinaison de cellules 1 de formes différentes pour les agencer de manière avantageuse dans un module 10. Ainsi, il est possible de combiner des cellules le de forme octogonale avec des cellules lf de forme carrée, comme représenté sur la figure 7D.

Par ailleurs, de façon privilégiée, on peut également prévoir de rigidifier l'intérieur de la cellule 1, c'est-à-dire le creux E de l'électrode à gaz 3 sous forme tubulaire creuse, en prévoyant l'insertion d'une pièce de rigidification 14 possédant une structure rigide longiligne, et préférablement réalisée dans un matériau en accord avec les applications visées du pack batterie destiné à incorporer la cellule 1, notamment en termes de températures et de pressions de fonctionnement.

A titre d'exemples, les figures 8A et 8B représentent, de façon schématique et en perspective, deux exemples de pièces de rigidification 14 permettant de rigidifier l'intérieur d'une électrode à gaz 3 de forme triangulaire équilatérale. En outre, les figures 8C et 8D représentent, en perspective et schématiquement, deux exemples de réalisation de pièces de rigidification 14 pouvant permettre de rigidifier l'intérieur d'électrodes à gaz 3 de forme circulaire, comme il sera décrit ultérieurement.

De telles pièces de rigidification 14 peuvent notamment être réalisées en plastique rigide moulé, et présenter une longueur idéalement inférieure ou égale à celle de l'électrode à gaz 3, avec une section suffisamment rigide pour encaisser les déformations dues aux différents modes de fonctionnement de la cellule 1, tout en ayant une conception laissant suffisamment circuler le gaz au niveau de l'électrode à gaz 3.

La pièce de rigidification 14 peut également se présenter sous la forme d'un ressort de forme hélicoïdale.

a) Cellules triangulaires équilatérales empilées en parallèle

On a représenté sur les figures 9 à 23 un autre exemple de configuration de cellules 1 triangulaires équilatérales empilées en parallèle.

Dans cette configuration, les cellules 1 ne sont pas connectées électriquement sur un même étage d'un module d'assemblage 10, mais elles sont reliées en parallèle sur chaque colonne de cellules empilées, comme on peut le voir par exemple sur les figures 12, 14, 21 ou 23.

La figure 9 représente en coupe un exemple de réalisation d'une cellule 1 triangulaire équilatérale selon cette configuration.

Comme on peut le voir sur cette figure 9, afin de connecter entre elles les cellules 1 sur une même colonne d'un module d'assemblage 10, on utilise une connexion de type contact mâle-femelle entre les collecteurs de courant positif 5 ainsi qu'entre les collecteurs de courant négatif 4a, 4b ou 4c. En particulier, l'électrode à gaz positive 3 comporte une partie mâle 3a et une partie femelle 3b, comme expliqué précédemment, et l'électrode négative 2a comporte une partie mâle de 2m et une partie femelle 2n, la partie mâle 3a de l'électrode à gaz 3 et la partie femelle 2n de l'électrode négative 2a étant située sur une première face la de la cellule 1 et la partie femelle 3b de l'électrode à gaz 3 et la partie mâle 2m de l'électrode négative 2a étant située sur une deuxième face lb de la cellule 1, opposée à la première face la. De cette façon il est possible d'empiler convenablement les cellules 1 sur une même colonne.

En outre, de façon avantageuse, le fait d'avoir toutes les parties mâles 3a d'un pôle positif situé à l'opposé de toutes les parties mâles 2m d'un pôle négatif peut permettre d'obtenir une connexion sécuritaire non concircuitable.

Par ailleurs, dans cette configuration, les cœurs électrochimiques 13 des cellules 1 peuvent être cloisonnés, auquel cas il y a autant de bornes négatives que d'électrodes négatives 2a. En variante, les cœurs électrochimiques 13 peuvent également ne pas être cloisonnés, auquel cas un collecteur de courant négatif, de préférence en cuivre, peut relier électriquement les électrodes négatives entre elles, et une seule borne négative suffit pour la conduction du courant, la mise en position de l'empilement de cellules 1 étant alors garantie par la forme de l'électrode positive 3. Dans le cas présent, on considère le cas d'une cellule 1 comportant trois électrodes négatives 2a, 2b et 2c.

Les électrodes négatives 2a, 2b et 2c peuvent être réalisées dans un matériau conducteur, de préférence en cuivre, la partie mâle 2m étant située préférablement sur la surface inférieure de la cellule 1 et la partie femelle 2n étant située sur la surface supérieure de la cellule 1, lorsque l'on considère l'agencement de la cellule 1 dans une colonne d'un module d'assemblage 10. De plus, chaque électrode négative 2a, 2b et 2c peut présenter différentes formes.

La figure 10 représente, en perspective, un exemple de cellule 1 comportant une première configuration des électrodes négatives 2a, 2b et 2c, et la figure 10A représente en perspective le détail d'une telle électrode négative 2a.

Comme on peut le voir sur ces figures 10 et 10A, chaque électrode négative 2a, 2b et 2c peut être de forme sensiblement cylindrique, notamment obtenue à partir d'une tige extrudée. Chaque électrode négative 2a, 2b et 2c peut être située à chacun des angles 8a, 8b et 8c de la cellule 1 sous forme triangulaire équilatérale.

Chaque électrode négative 2a, 2b et 2c peut présenter deux parties 16 et 17. En particulier, l'électrode négative 2a (voir figure 10A) peut comporter un pion mâle 16, par exemple usiné avec un contour conique, et un cylindre extérieur fileté 17 constituant une partie femelle, préférablement filetée à l'extérieur pour être vissée sur la cellule 1, et percée au centre. En particulier, le cylindre extérieur fileté 17 peut comporter à l'intérieur un alésage 18 pour permettre l'emboîtement d'un pion mâle 16 d'une électrode négative d'une autre cellule 1 du même type. L'alésage 18 peut correspondre à un perçage dont le diamètre et la longueur sont tels qu'il y a contact et donc connexion électrique, des deux bornes négatives lorsque la partie mâle 16 d'une électrode négative d'une cellule 1 est emboîtée dans la partie femelle 17 d'une autre électrode négative d'une autre cellule 1 du même type. Par ailleurs, une rondelle de cuivre 15 peut être présente à l'interface entre les parties 16 et 17 de l'électrode négative 2a, comme représenté sur la figure 10A.

La surface cylindrique extérieure de la partie femelle 17 peut avantageusement être en contact électrique avec l'électrode négative 2a par le collecteur de courant négatif 4a, réalisé notamment en cuivre. Ce contact peut notamment se faire à l'aide de la rondelle de cuivre 15, glissée sur la surface entre le pion mâle 16 et le cylindre extérieur fileté femelle 17, cette rondelle 15 étant ensuite réusinée selon l'architecture de la cellule 1.

Les figures 11 et 11A représentent un autre exemple de réalisation d'électrodes négatives 2a, 2b et 2c d'une cellule 1 selon l'invention.

Dans cet exemple, l'architecture proposée comporte un contact simple entre deux bornes négatives empilées. En particulier, comme on peut le voir sur la figure 11A qui représente un détail de la figure 11 montrant une électrode négative 2a située à l'angle 8a de la cellule 1, l'électrode négative 2a peut se présenter sous la forme d'un cylindre dont une partie 19 s'étend au-delà de la première face la de la cellule 1 pour former une partie mâle 2m, opposée à une partie femelle 2n de l'électrode négative 2a, cette partie femelle 2n correspondant à un espace vide 20 laissé à l'intérieur de la cellule 1. Plus précisément, lors de l'emboîtement de deux cellules 1 selon l'invention et selon la représentation de la figure 11, la partie mâle 19 de l'une des cellules 1 est en contact avec l'électrode négative 2a de l'autre cellule 1 lorsque qu'elle pénètre dans l'alésage ou espace vide 20 formant la partie femelle 2n de l'électrode négative 2a, cet alésage 20 présentant une isolation électrique.

On a par ailleurs représenté sur la figure 12 un exemple de module d'assemblage 10 comportant un empilement de cellules 1 sous la forme d'une colonne, telles que par exemple celles représentées sur la figure 10 ou sur la figure 11.

La figure 13 représente un autre exemple de réalisation des électrodes négatives 2a, 2b et 2c d'une cellule 1 selon l'invention.

Dans cet exemple, les électrodes négatives 2a, 2b et 2c sont de forme prismatique, de préférence obtenues à partir d'une plaque extrudée ou découpée dans un matériau conducteur, par exemple du cuivre. Chaque électrode négative 2a, 2b et 2c de la cellule 1 triangulaire équilatérale peut alors être préférablement située à chacun des côtés 7a, 7b et 7c de la cellule 1.

Les parties mâles 2m des électrodes négatives 2a, 2b et 2c, avantageusement de même section que la plaque servant à former les électrodes négatives, peuvent dépasser de la surface inférieure de la cellule 1, tandis que la cellule 1 présente une fente de même dimension que la plaque, cette fente présentant une isolation électrique et constituant alors la partie femelle 2n complémentaire de chaque électrode négative 2a, 2b et 2c, pour permettre le contact et donc la connexion électrique entre deux électrodes négatives de deux cellules 1 différentes superposées. Les dimensions de chaque électrode négative 2a, 2b et 2c, notamment sous la forme d'une plaque, peuvent être suffisantes pour permettre un contact entre la partie mâle 2m et la partie femelle 2n de deux cellules 1 empilées l'une sur l'autre.

On a représenté sur la figure 14 un exemple de module 10 comportant un empilement sous la forme d'une colonne d'une pluralité de cellules 1 telles que celle représentée sur la figure 13.

Les figures 15A, 15B, 16A, 16B et 17 illustrent par ailleurs la possibilité d'utiliser un connecteur 21 en série, destiné à être intercalé entre deux cellules 1 empilées l'une sur l'autre pour assurer une connexion en série des cellules 1. Les figures 15A et 15B représentent respectivement en vue de dessous et en vue de dessus un premier exemple de réalisation d'un tel connecteur 21 en série.

Les figures 16A et 16B représentent respectivement en vue de dessous et en vue de dessus un deuxième exemple de réalisation d'un tel connecteur 21 en série.

La figure 17 est une vue en section latérale de l'exemple de réalisation du connecteur 21 en série des figures 15A et 15B.

De façon préférentielle, la forme du connecteur 21 est semblable à celle des cellules 1 qu'il doit relier électriquement afin d'être positionné de manière intermédiaire entre l'empilement des deux cellules 1.

Dans un mode de réalisation de l'invention, en référence aux figures 15A et

15B, la surface inférieure du connecteur 21, en contact avec la surface supérieure d'une première cellule inférieure 1 de l'empilement de cellules 1, présente une forme complémentaire de celle-ci avec des zones conductrices mâles 22b se positionnant sur chacune des électrodes négatives femelles de la première cellule inférieure 1 et une zone femelle isolée électriquement 22c se positionnant sur l'électrode positif mâle de cette même première cellule inférieure 1, le reste 23a de la surface inférieure du connecteur 21 étant isolé électriquement. De la même façon, dans un mode de réalisation de l'invention, la surface supérieure du connecteur 21, en contact avec la surface inférieure d'une deuxième cellule supérieure 1, présente une forme complémentaire de celle-ci, avec une zone conductrice mâle 22d se positionnant sur l'électrode positive femelle de la deuxième cellule supérieure 1 et des zones femelles isolées électriquement 23b se positionnant sur chacune des électrodes négatives mâles de cette même deuxième cellule supérieure 1, le reste 22a de la surface supérieure du connecteur 21 étant isolé électriquement.

Le connecteur 21 des figures 16A et 16B est conçu de façon semblable à celui des figures 15A et 15B, sachant que celui-ci est adapté à des électrodes négatives 2a, 2b et 2c situées sur chaque côté de la cellule 1 (cellule du type de la figure 13), alors que le connecteur 21 des figures 15A et 15B est adapté à une cellule 1 pourvue d'électrodes négatives au niveau des angles de la cellule 1 (cellule du type de la figure 9, 10 ou 11). De façon avantageuse, toutes les zones conductrices du connecteur 21 sont connectées électriquement entre elles par des composants conducteurs, par exemple des plaques de cuivre, et les surfaces isolées électriquement sont recouvertes par un matériau isolant, par exemple un revêtement en plastique. Les matériaux choisis peuvent notamment être déterminés en fonction des conditions de température, de pression et de courant électrique pour l'application envisagée des cellules 1.

De façon avantageuse également, le connecteur 21 en série peut être formé par une plaque de cuivre obtenue par forgeage, et les parties à isoler électriquement peuvent être recouvertes d'un isolant plastique par dépôt.

Par ailleurs, comme illustré respectivement en référence aux figures 18 et 19, il peut être possible d'utiliser le couvercle inférieur 24 et le couvercle supérieur 25 d'un module d'assemblage 10 pour connecter électriquement en série ou en parallèle les colonnes de cellules 1 entre elles, selon les besoins de l'application envisagée, tout en assurant leur mise en position. Les termes « inférieur » et « supérieur » sont à comprendre par rapport à l'orientation normale du module électrochimique d'assemblage 10 en cours d'utilisation et/ou de stockage.

Dans ce mode de réalisation, les couvercles inférieur 24 et supérieur 25 du module d'assemblage 10 ont la forme extérieure d'un étage de cellule 1. La surface supérieure du couvercle inférieur 24, en contact avec la surface inférieure des cellules 1 en bas de colonne, présente de préférence des pions mâles creux 26 dont la forme s'adapte à celle de la partie femelle 3b de l'électrode à gaz 3 de chaque cellule 1 en bas de colonne. Il peut ainsi y avoir avantageusement autant de pions mâles creux 26 que de colonnes de cellules 1.

De même, la surface inférieure du couvercle supérieur 25, en contact avec la surface supérieure des cellules 1 en haut de colonne, peut présenter idéalement des trous femelles creux 27 dont la forme s'adapte à celle de la partie mâle 3a de l'électrode à gaz 3 de chaque cellule 1 en haut de colonne. Il peut avoir avantageusement autant de trous femelles creux 27 que de colonnes de cellules 1. Ces pions mâles 26 et trous femelles 27 situés sur les couvercles inférieur 24 et supérieur 25 peuvent idéalement être agencés de manière à mettre en position les colonnes de cellules 1 par leur électrode à gaz 3, ces pions mâles 26 et ces trous femelles 27 pouvant idéalement être creux afin de permettre l'arrivée et la circulation du gaz sur chaque colonne de cellules 1, que se soit notamment par branchement de tuyaux d'arrivée de gaz ou par contact ambiant.

Par ailleurs, les pions mâles creux 26 et les trous femelles 27 peuvent présenter respectivement un arbre et un alésage dans un matériau conducteur, de préférence du nickel, afin de permettre une continuité de la conduction électrique de la borne positive de la colonne dans les couvercles supérieur 25 et inférieur 24 du module d'assemblage 10, ces couvercles présentant alors idéalement une connexion adaptée à l'application envisagée pour permettre un branchement électrique des colonnes entre elles, que se soit en série ou en parallèle.

Par ailleurs, une variante à cette architecture, illustrée en référence aux figures 20 et 21, peut consister à concevoir des électrodes négatives sous forme de bornes négatives tubulaires débouchant de section cylindrique 29, chacune étant située à chaque angle d'une cellule 1, pour les connecter verticalement d'une cellule à l'autre sur une même colonne à l'aide d'une tige conductrice 30 pour chaque borne négative, comme on peut le voir sur la figure 21.

Les bornes négatives 29 peuvent préférablement être similaires à celles décrites précédemment, à ceci près qu'elles ne comportent pas de parties mâles et qu'elles sont tubulaires.

Les tiges conductrices 30 peuvent être idéalement extrudées dans un matériau conducteur, par exemple du cuivre, avec un diamètre correspondant à l'alésage des bornes négatives 29 pour un ajustement glissant suffisant pour assurer la conduction électrique.

La longueur des tiges conductrices 30 peut être supérieure à celle d'une colonne de cellules 1 et idéalement suffisante pour pouvoir les insérer dans les couvercles supérieur et inférieur du module d'assemblage 10.

Les tiges conductrices 30 peuvent s'intégrer ainsi avantageusement dans le circuit de branchement des couvercles, afin de relier électriquement chaque colonne de cellules 1 en parallèle ou en série selon les besoins de l'application envisagée. Chaque tige conductrice 30 peut participer ainsi avantageusement au maintien en position des cellules 1 entre elles sur une même colonne, tout en assurant une connexion parallèle verticale entre cellules 1 et une connexion entre colonnes adaptées aux besoins de l'application visée. Toutefois, la connexion en série ne peut ici pas être établie à l'aide d'un connecteur 21 en série comme décrit précédemment, et peut ainsi n'être assurée qu'entre chaque colonne à l'aide des couvercles supérieur et inférieur du module d'assemblage 10 comme décrit précédemment, ces couvercles étant idéalement câblés pour une connexion en série des colonnes selon les besoins de l'application.

Par ailleurs, une autre variante à cette architecture, illustrée en référence aux figures 22 et 23, peut également consister à concevoir des électrodes négatives 2a, 2b et 2c sous la forme de bornes négatives ayant à chaque côté 7a, 7b et 7c de la cellule 1 triangulaire équilatérale, une partie creuse débouchant de forme prismatique 31, pour les connecter verticalement d'une cellule à l'autre sur une même colonne à l'aide d'une plaque conductrice pour chaque borne négative.

Les plaques conductrices peuvent être avantageusement extrudées ou découpées dans un matériau conducteur, par exemple du cuivre, avec une section pleine correspondant à la forme creuse des bornes négatives pour un ajustement glissant suffisant pour assurer la connexion électrique.

La longueur des plaques conductrices 31, peut être supérieure à celle d'une colonne de cellules 1 et idéalement suffisante pour pouvoir les insérer dans les couvercles supérieur et inférieur du module 10.

Les plaques conductrices 31 peuvent s'intégrer ainsi de façon avantageuse dans le circuit de branchement des couvercles, afin de relier électriquement chaque colonne de cellules 1 en parallèle ou en série, selon les besoins de l'application envisagée.

Chaque plaque conductrice 31 peut donc participer de façon avantageuse au maintien en position des cellules 1 entre elles sur la même colonne, tout en assurant une connexion parallèle verticale entre cellules 1 et une connexion entre colonnes adaptée aux besoins de l'application visée. Toutefois, cet exemple de réalisation des figures 22 et 23 ne permet pas l'utilisation d'un connecteur 21 en série comme décrit précédemment, et la connexion en série ne peut être assurée qu'entre chaque colonne à l'aide des couvercles supérieur et inférieur du module 10 comme décrit précédemment, ces couvercles étant de préférence câblés pour une connexion en série des colonnes.

Procédés d'obtention

Plusieurs procédés d'obtention pour une cellule 1, telle qu'une de celles décrites précédemment en référence aux figures 9 à 23, peuvent être envisagés. De plus, les procédés présentés ci-après peuvent également permettre, au moins partiellement, l'obtention de tout type de cellule 1 selon l'invention, par exemple une ou plusieurs cellules 1 telles que décrites par la suite en référence à d'autres configurations de géométrie d'architecture.

Par ailleurs, par souci de simplicité, il est décrit ci-après des exemples de procédés d'obtention d'une cellule 1 du type lithium-air, de forme triangulaire équilatérale en section, et à électrolyte aqueux et membrane de protection du lithium métal. Bien entendu, de tels procédés peuvent également être adaptés à d'autres types de cellules 1 selon l'invention, en particulier à des cellules 1 de forme variable en section.

Un premier procédé consiste à réaliser d'une part les cœurs électrochimiques 13 et d'autre part le boîtier 12 de la cellule 1, puis à les assembler ensemble ensuite pour former la cellule 1 selon l'invention.

Ainsi, de façon préférentielle, on conçoit le boîtier et/ou le couvercle de la cellule 1 en matériau polymère (par exemple un polymère choisi parmi les types suivants : ABS, PET renforcé, HDPE, PP, PPS, PVDF, PA 6-6, PMP, Polyimide, Epoxy chargé, entre autres), en particulier par injection avec la forme finale, puis on réusine si besoin les surfaces fonctionnelles ainsi que les trous de passage des bornes (taraudés ou non selon la variante choisie et les dimensions de la cellule 1). En parallèle, on réalise l'électrode négative 2a, 2b ou 2c en déposant une feuille de lithium métal recouverte d'une membrane protectrice 11 sur le collecteur de courant négatif 4a, 4b ou 4c (une feuille de cuivre ou un de ses alliages), et on dépose ensuite un séparateur (idéalement en fibres de verre). Toujours en parallèle, on réalise l'électrode positive 3.

Plusieurs techniques sont possibles pour la réalisation de l'électrode positive 3. Une première consiste à utiliser une grille de nickel en plaque, avantageusement recouverte d'une couche GDL, dans laquelle on découpe une bande de largeur égale à la hauteur voulue de la cellule 1. Ensuite, on replie la bande en trois parties plates égales pour obtenir un tube de section triangulaire équilatérale. On soude ensuite les deux extrémités de la bande entre elles pour maintenir en forme. On peut également souder par recouvrement d'une extrémité sur l'autre. Une deuxième technique d'obtention de l'électrode positive 3 consiste à enrouler de manière hélicoïdale une bande de grille de nickel recouverte d'une couche GDL autour d'un mandrin de section triangulaire équilatérale, et à souder les bords de la bande entre eux, par recouvrement ou bout à bout.

Ensuite, on assemble les différents composants de la cellule 1 : on insère l'électrode positive 3 au centre du boîtier, puis les différents cœurs électrochimiques 13 et la ou les borne(s) négative(s) 2a, 2b, 2c, enfin on injecte l'électrolyte 6.

Ensuite, pour refermer la cellule 1, deux méthodes sont possibles. Dans l'une des méthodes, on dépose en surface du boîtier un matériau étanche pour faire un joint d'étanchéité (par exemple du type EPDM ou Noryl, entre autres), puis on place le couvercle par-dessus pour refermer la cellule 1, le couvercle étant mis en position par l'électrode positive 3, et on fixe le couvercle au boîtier par déformation plastique (selon les propriétés mécaniques du matériau). Dans l'autre des méthodes, on dépose une colle étanche entre les deux surfaces du boîtier et du couvercle que l'on fixe. Quelque soit la méthode employée, il faut veiller à l'étanchéité au niveau de la jonction entre électrode positive 3 et boîtier, de sorte qu'il est préférable d'utiliser une colle étanche.

Un deuxième procédé consiste à employer des bandes de couches superposées.

Ainsi, de façon préférentielle, on superpose sur une bande de matériau pour le boîtier une feuille de cuivre ou de ses alliages (ou trois feuilles de dimensions égales et régulièrement espacées dans le cas d'une cellule 1 avec trois cœurs électrochimiques 13 cloisonnés). Sur cette feuille, on dépose trois feuilles de lithium métal de dimensions égales et régulièrement espacées que l'on recouvre chacune d'une membrane protectrice 11, ces membranes protectrices 11 étant elles-mêmes recouvertes chacune par un séparateur, et on recouvre le tout par une bande de grille de nickel recouverte d'une couche GDL, cette grille de nickel dépassa nt légèrement sur un bord afin de constituer les parties mâle 3a et femelle 3b de la borne positive 3.

I l reste alors à replier en trois pans plats égaux la cellule 1 afin de constituer un triangle équilatéral et à souder d'abord l'électrode de nickel 3 par recouvrement ou bout à bout, ensuite l'électrode de cuivre 2a, 2b ou 2c par recouvrement ou bout à bout, et enfin à coller la couche du boîtier, par recouvrement ou bout à bout. Si l'épaisseur est suffisamment faible, on peut utiliser la colle pour effectuer l'étanchéité aux niveaux supérieur et inférieur de la cellule 1 ainsi obtenue.

Le deuxième procédé décrit ci-dessus peut avantageusement être réalisé dans la longueur ou dans la largeur d'une bande, c'est-à-dire de manière longitudinale ou transversale par rapport à la direction de production de la chaîne d'assemblage de la cellule 1.

Si le procédé est réalisé dans la longueur d'une bande, on y réalise avantageusement un cœur électrochimique 13 da ns la largeur de la bande, cette largeur étant alors égale à la hauteur de la cellule 1 à réaliser, trois cœurs électrochimiques 13 étant nécessaires pour réaliser une cellule triangulaire équilatérale. La longueur de ba nde est alors égale à trois côtés de la cellule 1.

Si le procédé est réalisé dans la largeur d'une bande, on y réalise avantageusement trois cœurs électrochimiques 13 pour une cellule triangulaire équilatérale, cette largeur de ba nde étant alors préférablement de même dimension que la somme des côtés de la cellule 1 et la longueur de bande égale à la hauteur de la cellule 1. Dans un sens de bande ou dans l'autre, les cœurs électrochimiques 13 sont avantageusement régulièrement espacés d'une dimension D égale à la longueur externe L d'un côté de la cellule 1 moins la longueur / d'un cœur électrochimique, autrement dit D = L-l.

Dans le cas d'une cellule 1 triangulaire équilatérale dont les cœurs électrochimiques 13 sont cloisonnés, on peut pour sa réalisation reprendre le premier procédé en utilisant un moule cloisonnant les cœurs électrochimiques 13 de manière imperméable à l'électrolyte 6. L'électrode à gaz 3 est alors avantageusement réalisée dans une plaque de grille de nickel dont on découpe trois parties égales dont les dimensions sont celles de l'électrode à gaz 3 d'un cœur électrochimique 13. On colle ensuite les trois parties entre elles bout à bout ou par recouvrement en veillant à ce qu'elles n'aient pas de conduction électrique entre elles. Le reste du procédé est le même que celui décrit dans le premier, on veille à insérer autant de bornes négatives 2a, 2b, 2c que de cœurs électrochimiques 13.

b) Cellules triangulaires équilatérales empilées en série

On a représenté sur la figure 24, en coupe, un autre exemple de cellule 1 triangulaire équilatérale pour une configuration d'empilement des cellules 1 en parallèle.

Dans cette configuration, les cellules 1 ne sont pas connectées électriquement sur un même étage d'un module d'assemblage 10, mais reliées en série sur chaque colonne de cellules 1 empilées. Le branchement en parallèle ne peut se faire qu'au niveau des colonnes des cellules 1, à l'aide des couvercles supérieur 25 et inférieur 24 du module 10 tel que décrit précédemment, pour un câblage configuré en parallèle des colonnes.

De façon préférentielle, pour connecter entre elles les cellules 1 sur une même colonne, on utilise une connexion de type contact mâle 3a au niveau du collecteur de courant positif 5, femelle 3b au niveau du collecteur de courant négatif 4A, la partie mâle 3a étant sur une face la de la cellule 1 et la partie femelle 3b complémentaire sur la face lb opposée afin d'empiler convenablement les cellules 1 sur une même colonne.

Dans cette configuration, les deux pôles positif B+ et négatif B- sont préférentiellement situés à l'opposée l'un de l'autre dans une même cellule 1, comme on peut le voir sur la figure 24, ceci dans le but d'une connexion sécuritaire non court- circuitable.

La borne positive mâle 3a et sa borne négative complémentaire femelle 3b peuvent avoir différentes formes. Avantageusement, ces bornes ont une forme longitudinale de section similaire à celle de l'électrode positive 3, dans un but de simplicité de géométrie d'architecture.

Préférentiellement, l'électrode négative 2a est connectée à la partie femelle 3b du branchement central de la cellule 1 par un collecteur de courant négatif 4a, formant ainsi un alésage conducteur électriquement, cet alésage étant séparé de l'électrode positive 3 par une entretoise 32 réalisée dans un matériau isolant électriquement.

Préférentiellement encore, le collecteur de courant positif 5 est emmanché dans l'entretoise isolante 32, elle-même emmanchée dans le collecteur de courant négatif 4a. L'assemblage ainsi constitué laisse circuler le gaz au centre de la cellule 1, et ceci d'une cellule à l'autre, tandis que les cellules 1 sont empilées verticalement et connectées en série entre elles.

Les collecteurs de courant ainsi que leurs bornes correspondantes sont réalisés dans un matériau conducteur, préférablement compatible avec les électrodes qu'ils connectent, afin de pouvoir être assemblés et conduire le courant de manière efficace. Ainsi, la borne négative 2a et son collecteur de courant négatif 4a sont idéalement en cuivre et la borne positive 3 et son collecteur de courant positif 5 sont idéalement en nickel.

Pour réaliser une telle cellule 1 selon la configuration de la figure 24, on réalise les cœurs électrochimiques 13 et le boîtier de manière similaire à la description du premier procédé décrit précédemment.

Le collecteur de courant négatif 4a est préférentiellement réalisé par frittage, forgeage ou moulage, puis usinage, par exemple en cuivre ou un de ses alliages. L'isolant 32 est préférablement un matériau plastique injecté.

Dans un premier temps, on place et on superpose dans le boîtier le collecteur de courant négatif 4a, l'isolant 32 et le collecteur de courant positif 5. Ensuite, on place les cœurs électrochimiques 13 et la suite du procédé est similaire au premier procédé décrit précédemment.

Pour des cellules 1 dont les cœurs électrochimiques 13 sont cloisonnés, on réalise avantageusement un collecteur de courant négatif 4a, 4b, 4c par cœur électrochimique 13, et on les isole idéalement entre eux par l'isolant 32.

c) Cellules triangulaires équilatérales connectées en parallèle sur un étage

On a représenté en référence aux figures 25 à 31B un autre exemple de configuration de connexion de cellules triangulaires équilatérales 1 en parallèle sur un étage. Dans cette configuration, toutes les cellules 1 sont connectées entre elles sur un même étage. On propose différentes variantes d'architecture et de connexion des cellules 1 entre elles sur un même étage.

Une première variante consiste en une cellule 1 dont chaque angle 8a, 8b et 8c présente une borne négative B- sur une face 7b et une borne positive B+ sur l'autre face 7a, comme représenté partiellement sur la figure 25.

On peut également placer sur chacun des trois côtés 7a, 7b et 7c d'une cellule 1 une borne positive B+ et une borne négative B-, comme représenté sur la figure 26.

Ainsi, par contact, on connecte en parallèle toutes les cellules 1 sur un étage. Dans cette première variante, l'empilement de cellules 1 en colonne est possible avec mise en position par l'électrode positive 3 centrale. Cependant, la conduction du courant ne peut pas se faire d'un étage à l'autre par ce biais. La partie femelle 3b de l'électrode positive 3 centrale doit être préférablement recouverte d'un matériau isolant électriquement, par exemple un plastique dont les propriétés correspondent aux conditions de température et de pression pour l'application visée.

De façon préférentielle, les électrodes négatives 2a, 2b, 2c d'une même cellule 1 sont toutes reliées électriquement entre elles, préférentiellement via le collecteur de courant. Avantageusement, ce même collecteur relie également les bornes négatives B-, de sorte que la cellule triangulaire équilatérale 1 n'ait qu'un seul pôle négatif. La connexion des éléments internes au pôle négatif de la cellule 1 ne doit pas se trouver en court-circuit avec ceux du pôle positif. Pour éviter cela, on connecte préférablement les bornes d'un pôle à son électrode avec le collecteur de courant en les reliant par une surface (inférieure ou supérieure), et on fait de même à la surface opposée avec le pôle inverse.

Les collecteurs de courant ainsi que leurs bornes correspondantes sont réalisés dans un matériau conducteur, préférablement compatible avec les électrodes qu'ils connectent, afin de pouvoir être assemblés et conduire le courant de manière efficace. Ainsi, la borne négative B- et son collecteur de courant négatif 4a sont idéalement en cuivre et la borne positive B+ et son collecteur de courant positif 5 sont idéalement en nickel. Les figures 27 et 28 illustrent, respectivement en section de la partie inférieure et en section de la partie supérieure de la cellule 1, un exemple de configuration d'une telle connectique interne d'une cellule 1 avec une borne sur chaque face à chacun des angles.

Dans un autre mode préférentiel de réalisation, les cœurs électrochimiques 13 d'une cellule 1 sont cloisonnés. Ainsi, il est préférable d'isoler électriquement les collecteurs de courant négatifs 4a et positifs 5 entre eux.

Avantageusement, les bornes positives B+ et négatives B- sont positionnées de façon à ne pas être confondues ou superposées. Elles sont préférablement positionnées à la même place sur chacune des faces 7a, 7b ou 7c, selon une répétition circulaire d'axe parallèle à la direction d'une colonne et passant par le centre de la cellule 1. Sur un même étage, le contact entre au moins deux cellules 1 se fait par contact de leurs bornes, une borne respectivement positive B+ ou négative B- d'une cellule 1 étant en contact avec une borne respectivement positive B+ ou négative B- d'une cellule 1 adjacente. Cette configuration implique cependant qu'il y ait deux types de cellules 1, l'une avec une alternance de bornes positives B+ et négatives B- dans un sens, l'autre type dans l'autre sens, les cellules 1 étant orientées de part la configuration de leur électrode positive 3 (elles ne sont pas « retournables »).

Le contact peut être surfacique (les bornes sont planes et en contact), cette configuration présente cependant le risque de déconnexions électriques intempestives en cas de vibrations, de sorte qu'il faille alors veiller à bien positionner et fixer ou caler les cellules 1 en colonnes, et les colonnes dans le module 10.

Le contact entre bornes de différentes cellules 1 peut également se faire par contact biconvexe, chaque borne présentant une forme convexe facilitant le contact avec celle d'une cellule 1 adjacente. Le contact peut également se faire par contact type mâle- femelle, la borne mâle étant préférablement de forme convexe, la borne inverse femelle étant alors idéalement de forme complémentaire concave. Les formes saillantes (mâles) ne doivent pas trop dépasser de la cellule 1, afin de ne pas empêcher l'empilement de cellules 1 sur une colonne en jouxtant une autre, tout en étant suffisamment saillantes pour faciliter la connexion par contact externe entre cellules 1 d'un même étage. Dans un mode préférentiel de réalisation, les bornes sont obtenues à partir d'une plaque de métal (cuivre et ses alliages pour l'électrode négative 2a, nickel pour l'électrode positive 3), poinçonnée ou découpée aux bonnes dimensions, ensuite pliée pour obtenir la forme recherchée, puis emboutie pour obtenir la forme concave ou convexe facilitant le contact entre cellules 1. La borne ainsi obtenue est ensuite avantageusement fixée à l'électrode négative 2a ou positive 3 par soudage, brasage ou collage.

Afin de connecter électriquement les cellules 1 sur une même colonne dans une telle configuration, on utilise avantageusement les côtés du module 10. Ainsi, à chaque étage de cellules 1 apparaît en bord du module 10 des bornes positives B+ et négatives B-. De préférence, les côtés du module 10 sont des plaques possédant un circuit électrique avec des bornes positives et négatives de formes correspondantes à celles employées pour le contact électrique des bornes d'un même étage entre elles. Les bornes présentes sur les plaques du module 10 sont préférablement disposées en face de celles des cellules 1. Les bornes d'un étage sont alors connectées électriquement au module 10 par contact des bornes. Le circuit électrique des plaques latérales du module 10 permet alors préférablement de connecter les étages de cellules 1 entre eux, en série ou en parallèle selon les besoins de l'application. On peut également utiliser des nappes souples à la place des plaques rigides pour la connexion électrique sur les surfaces latérales du module 10, de sorte à obtenir un gain en termes de poids.

Dans une deuxième variante, une borne négative B- est située à chaque angle 8a, 8b, 8c de la cellule triangulaire équilatérale 1 et présente idéalement une forme femelle. Les figures 29A et 29B illustrent, schématiquement, des exemples de telles réalisations. La borne négative B- peut ainsi être en queue d'aronde (mâle ou femelle) ou avoir toute autre forme concave ou convexe (par exemple une forme de cylindre ouvert). Elle peut être en cuivre ou un de ses alliages, et idéalement obtenue par plaque découpée et emboutie ou pliée.

Pour réaliser une cellule 1 selon cette configuration, on utilise avantageusement les procédés décrits précédemment, en veillant à insérer les bornes négatives B- et positives B+ dans le procédé, en les positionnant correctement selon la configuration souhaitée.

Dans un mode préférentiel de réalisation, on connecte toutes les cellules 1 d'un même étage entre elles par les bornes négatives B- à l'aide de tiges extrudées 35 dans un matériau conducteur. Les tiges 35 ont avantageusement une section complémentaire à l'ensemble des formes des bornes négatives B- de toutes les cellules 1 adjacentes pouvant ainsi être reliées entre elles (par exemple du type croix de malte, étoile, trèfle, entre autres). Les figures 30A à 30D illustrent schématiquement des exemples de telles tiges extrudées 35. Pour des cellules 1 triangulaires équilatérales, il y a au maximum six cellules 1 adjacentes pouvant êtres reliées entre elles par une tige 35 commune.

Les bornes positives B+, idéalement de forme telle que définie précédemment, sont préférablement reliées électriquement entre elles sur un même étage de cellules 1 par deux plaques intermédiaires 36a, 36b, 36c ou 36d, positionnées de part et d'autre de l'étage de cellules 1, lesdites plaques intermédiaires 36a, 36b, 36c ou 36d présentant les mêmes particularités que les couvercles supérieur 25 et inférieur 24 définis précédemment, chaque plaque intermédiaire ayant sa surface inférieure similaire à celle du couvercle supérieur 25 défini précédemment, et sa surface supérieure similaire à celle du couvercle inférieur 24 défini précédemment de manière à ce que les électrodes positives 3 de chaque cellule 1 d'un étage puisse avantageusement être mises et maintenues en position entre deux des plaques intermédiaires 36a, 36b, 36c ou 36d tout en laissant circuler le gaz sur une colonne de cellules 1 empilées. Dans cette configuration, la partie inférieure de chaque plaque intermédiaire 36a, 36b, 36c ou 36d présente alors préférablement un branchement interne tel que toutes les électrodes à gaz 3 d'un même étage sont reliées électriquement entre elles. Les tiges 35 reliant électriquement les bornes négatives B- des cellules 1 d'un étage ont idéalement une longueur légèrement supérieure à l'épaisseur d'une cellule 1 pour pouvoir avantageusement s'insérer entre deux des plaques intermédiaires 36a, 36b, 36c ou 36d afin d'assurer maintien en position et connexion du courant. Ainsi, toutes les cellules 1 d'un étage sont reliées en parallèle, tandis que, selon l'application visée, les plaques intermédiaires 36a, 36b, 36c ou 36d relient avantageusement les étages de cellules 1 entre eux par une connexion série ou parallèle.

La connexion parallèle entre deux étages consécutifs inférieur 37 et supérieur 38 de cellules 1 peut se faire en connectant électriquement directement les électrodes positives 3 de l'étage inférieur 37 avec celles de l'étage supérieur 38. Cependant, dans le cas de plusieurs modules 10 constitués de cellules 1 branchées alternativement en série ou en parallèle, on peut utiliser avantageusement des plaques intermédiaires 36a et 36b entre les étages 37 et 38 de cellules 1 dans un même module, pour les connecter en parallèle et conserver ainsi les dimensions pour tous les modules 10. Dans cette configuration, les tiges 35 reliant électriquement les électrodes négatives de l'étage inférieur 37 sont idéalement en contact électrique avec celles de l'étage supérieur 38, tout en étant isolées électriquement par un isolant 39 des bornes positives dans la plaque. Une variante est d'utiliser des tiges 35 telles que décrites ci-dessus, de longueur légèrement supérieure à celle d'une colonne de cellules 1 pour qu'elles puissent s'insérer dans les couvercles supérieur 25 et inférieur 24 du module 10, ces couvercles étant avantageusement tels que décrits précédemment. Les plaques intermédiaires 36a et 36b sont alors traversées par les tiges 35, les tiges 35 étant isolées électriquement des bornes positives par un isolant 39, notamment au niveau des plaques intermédiaires 36a et 36b. La figure 31A illustre l'architecture de telles plaques intermédiaires 36a et 36b pour un branchement en parallèle des cellules 1.

Par ailleurs, la connexion série entre deux étages consécutifs inférieur 37 et supérieur 38 de cellules 1 se fait préférentiellement en reliant électriquement au niveau de la plaque intermédiaire 36c, 36d les électrodes positives 3 de l'étage inférieur 37 avec les tiges 35 connectant les électrodes négatives de l'étage supérieur 38, la surface supérieure de la plaque intermédiaire 36c, 36d étant isolée électriquement par un matériau isolant 39 pour ne pas court-circuiter le dispositif avec les électrodes positives 3 de l'étage supérieur 38. La figure 31B illustre l'architecture de telles plaques intermédiaires 36c et 36d pour un branchement en série des cellules 1.

Dans un mode préférentiel de réalisation, les plaques intermédiaires 36a, 36b, 36c et 36d sont réalisées dans un matériau conducteur (par exemple choisi parmi les métaux conducteurs et leurs alliages). Avantageusement, on les met en forme par emboutissage et on les perce pour laisser passer les tiges de connexion 35 avec une tolérance suffisante pour permettre un glissement de la tige 35 aisé tout en assurant la connexion électrique. On recouvre les parties à isoler électriquement d'une matière isolante 39, avantageusement un plastique.

Dans une troisième variante, on utilise la configuration décrite ci-dessus, mais on remplace les bornes négatives B- à chaque angle 8a, 8b, 8c par des bornes sur chaque côté 7a, 7b, 7c, les bornes négatives B- étant idéalement des plaques de cuivre verticales permettant de mettre en contact les pôles négatifs de toutes les cellules 1 d'un étage entre eux. Les pôles positifs sont avantageusement reliés électriquement entre eux à l'aide des plaques intermédiaires 36a, 36b, 36c et 36d de la manière telle que décrite ci- dessus.

2 ^ème configuration - Electrode à gaz interne de forme circulaire

Dans cette configuration, illustrée notamment sur la figure 32, l'électrode positive 3 est une électrode à gaz située au centre de la cellule 1, avantageusement de forme tubulaire creuse de section circulaire, et l'électrode négative 2a, 2b ou 2c est une électrode de métal située à chaque coin 8a, 8b, 8c de la cellule triangulaire équilatérale 1 (ou polygonale, comme illustré sur les figures 34A à 34D).

Dans un mode préférentiel de réalisation, l'électrode négative 2a, 2b ou 2c a une forme en arc de cercle épousant celle de l'électrode positive 3, ceci afin d'avoir un transfert d'ions optimal lors de la réaction électrochimique, comme on peut le voir notamment sur la figure 33 qui représente en coupe une cellule 1 du type de celle de la figure 32. On a ainsi une électrode négative 2a, 2b, 2c à chaque coin 8a, 8b, 8c de la cellule 1, pour une seule électrode positive 3 centrale.

Le collecteur de courant négatif 4a, 4b, 4c de l'électrode négative 2a, 2b, 2c est préférentiellement en cuivre et se place sur une feuille de lithium métal. Sa forme peut varier pour s'adapter aux différentes configurations d'architectures internes et de connexions possibles. Toutes les électrodes négatives 2a, 2b, 2c sont préférablement reliées électriquement entre elles, par exemple via le collecteur de courant 4a, 4b, 4c. L'électrode positive 3, et son collecteur de courant 5, est préférentiellement une grille ou une mousse en nickel fine, de forme tubulaire creuse de section circulaire selon la configuration décrite ci-dessus. Avantageusement, on intègre une couche GDL épousant la forme du collecteur 5 en nickel afin d'optimiser la diffusion du gaz dans l'électrolyte 6.

Dans un mode préférentiel de réalisation, on rigidifie l'intérieur du tube de l'électrode à gaz 3 en insérant une pièce de rigidification 14 tel que décrit précédemment en référence aux figures 8C et 8D.

Par ailleurs, de même que décrit précédemment, plusieurs formes polygonales pour les cellules 1 sont envisageables, de façon à les agencer de manière modulaire tout en ayant un gain de place optimal. Les figures 34A à 34D illustrent, schématiquement en vue du dessus, des exemples de modules électrochimiques 10 d'assemblage comportant une pluralité de cellules 1 dont l'électrode à gaz 3 a une forme circulaire en section. La liste d'exemples de telles formes de cellules 1 n'est pas exhaustive. Les formes sont préférablement des polygones réguliers avec une électrode positive 3 interne cylindrique. Ainsi, la cellule 1 peut notamment avoir la forme d'un hexagone régulier ou d'un carré. On peut également combiner des cellules de formes différentes pour les agencer de manière avantageuse dans un module 10. Ainsi, il est possible de combiner ensemble des cellules octogonales le et carrées lf, comme représenté sur la figure 34D. On peut également envisager pour les cellules du type triangulaire des côtés de forme concave arrondis et leur forme complémentaire convexe à chaque angle, comme représenté sur la figure 34C.

Dans cette configuration, l'électrode positive 3 est une grille tubulaire de section cylindrique. Ainsi, elle peut être obtenue de plusieurs manières : à partir d'une grille plate découpée puis repliée autour d'un mandrin de section cylindrique et soudée bout à bout ou par recouvrement, ou alors à partir d'une bande de grille enroulée de manière hélicoïdale autour d'un mandrin de section circulaire, puis soudée bout à bout ou par recouvrement.

L'électrode négative 2a, 2b, 2c est mise en forme par pliage d'une feuille de cuivre sur laquelle est déposé le lithium métal recouvert d'une membrane protectrice 11. Dans un mode préférentiel de réalisation, on reprend le premier procédé décrit précédemment pour effectuer l'assemblage d'une cellule 1 selon cette configuration.

Par ailleurs, les exemples décrits en référence à la première configuration avec électrode à gaz de forme polygonale, en particulier triangulaire équilatérale, peuvent être repris en remplaçant avantageusement la forme de l'électrode à gaz polygonale par une forme tubulaire de section circulaire. Les différents agencements et architectures internes s'adaptent ainsi idéalement à la section d'électrode à gaz 3 décrite dans cette configuration, l'architecture de l'électrode négative 2a, 2b, 2c s'adaptant alors selon la configuration décrite ci-dessus et illustrée sur les figures 34A à 34D.

3 ^ème configuration - Sous-cellules plates de forme trapézoïdale isocèle pour agencement polygonal

Dans cette configuration alternative de l'invention, comme illustré sur les figures 35 à 41, la cellule 1 est formée par l'assemblage d'une pluralité de sous-cellules 40 électrochimiques élémentaires définissant entre elles une électrode à gaz 3 se présentant sous une forme tubulaire creuse à l'intérieur de la cellule 1.

Ainsi, dans une version alternative, comme représenté sur les figures 35 et 37 par exemple, on utilise avantageusement trois sous-cellules 40 du type métal-air prismatiques plates dont la forme externe est trapézoïdale isocèle pour pouvoir les agencer de manière à former un « assemblage unitaire » de la forme d'un triangle équilatéral avec une électrode à gaz 3 interne selon le même agencement que décrit précédemment.

De même que décrit précédemment, on peut envisager d'autres formes polygonales régulières pour l'agencement des sous-cellules 40 formant la cellule 1, de façon à les agencer de manière modulaire tout en ayant un gain de place optimal. La liste d'exemples de telles formes des cellules 1 n'est pas exhaustive, et on rapporte avantageusement l'architecture interne et les agencements entre cellules 1 à leur assemblage unitaire équivalent de forme triangulaire équilatérale tel que décrit ci-après. Ainsi, la cellule 1 peut notamment avoir la forme d'un hexagone régulier, d'un carré, d'un parallélogramme (« hexagone aplati »), entre autres. On peut également combiner des cellules 1 de formes différentes pour les agencer de manière avantageuse sur un étage dans un module 10. Ainsi, il est possible de combiner des assemblages unitaires de formes octogonales et carrées. Préférablement, on utilise une cellule prismatique trapézoïdale isocèle pour chaque côté de l'assemblage unitaire de forme polygonale à réaliser, les angles de la forme trapézoïdale isocèle étant adaptés à l'agencement voulu des cellules 1 entre elles.

On propose ainsi deux principaux agencements pour trois sous-cellules 40 trapézoïdales isocèles assemblées en un assemblage unitaire de forme triangulaire équilatérale.

Dans une configuration « régulière », comme selon les figures 35 et 36, les sous-cellules 40 sont en contact entre elles par leur face latérale 40a. Ainsi, chaque angle de la géométrie polygonale finale formée par l'assemblage de ces sous-cellules 4à est constitué de deux sous-cellules 40 trapézoïdales isocèles dont l'angle a est égal à la moitié de celui β formé par deux côtés consécutifs du polygone.

Dans une configuration « décalée », comme selon les figures 37 et 38, les sous-cellules 40 sont en contact alternativement par leur côté latéral 40a et par leur petite base 40b. Ainsi, chaque angle de la géométrie polygonale finale formée par l'assemblage de ces sous-cellules est constitué d'une seule sous-cellule trapézoïdale isocèle dont l'angle a est égal à celui β formé par deux côtés consécutifs du polygone.

Un ensemble de sous-cellules 40 trapézoïdales isocèles formant un

« assemblage unitaire de forme polygonale » ayant la même forme externe et des propriétés similaires à une cellule 1 telle que décrite précédemment, ces assemblages unitaires de forme polygonale peuvent alors s'agencer entre eux de la même manière pour former des étages et des colonnes de cellules 1 empilées, selon les mêmes formes et agencements que décrits précédemment.

Les figures 39, 40 et 41 illustrent des exemples de modules électrochimiques d'assemblage 10 en étage ou en colonne, comportant une pluralité de cellules 1 formées par assemblage de sous-cellules 40.

Pour assembler les sous-cellules 40 entre elles pour former un assemblage unitaire de forme polygonale, plusieurs méthodes sont envisageables. On peut ainsi avantageusement reprendre les différentes variantes de configurations de connexions entre cellules 1 développées précédemment et les appliquer aux connexions entre sous- cellules 40 trapézoïdales isocèles d'un même assemblage unitaire polygonal.

Il est cependant à noter que les sous-cellules 40 trapézoïdales isocèles doivent également présenter les mêmes configurations d'architecture et de connexion que les cellules triangulaires équilatérales 1 décrites précédemment afin de connecter plusieurs assemblages unitaires polygonaux entre eux. On peut donc reprendre avantageusement les exemples décrits précédemment en les adaptant aux géométries et architectures décrites dans cette configuration.

4 ^ème configuration - Cellule cylindrique à électrode à gaz interne de section circulaire creuse

On a représenté, en référence aux figures 42 à 46, un autre exemple de configuration de cellule 1 selon l'invention, dans laquelle la cellule 1 est cylindrique et comporte une électrode à gaz 3 interne de forme circulaire en section.

Dans cette variante, la cellule 1 comporte une électrode négative 2a circulaire unique externe.

L'architecture interne et l'agencement d'une telle configuration étant sensiblement équivalents à ceux d'une électrode négative 2a de forme circulaire située à chaque coin 8a, 8b, 8c de la cellule 1 triangulaire équilatérale (ou polygonale) décrite précédemment, cette configuration sera avantageusement rapprochée de celle d'une électrode négative 2a à chaque coin de la cellule 1, et développée dans les exemples décrits précédemment.

Dans cette configuration, les cellules 1 sont donc de forme cylindrique creuse, avec une électrode négative 2a circulaire extérieure et une électrode positive 3 circulaire intérieure, comme représenté sur la figure 43 notamment.

Pour dimensionner de manière idéale une cellule 1 cylindrique à électrode à gaz 3 interne cylindrique creuse selon sa compacité souhaitée et l'épaisseur de son cœur électrochimique 13, on utilise les relations suivantes :

où :

- d représente le diamètre de l'électrode à gaz 3 interne,

- D représente le diamètre de la cellule 1,

- e représente l'épaisseur du cœur électrochimique 13, et

- comp est la compacité de la cellule 1.

Dans un mode préférentiel de réalisation, on peut par ailleurs rigidifier l'intérieur du tube de l'électrode à gaz 3 en insérant une pièce de rigidification 14 telle que décrite précédemment.

Par ailleurs, selon cette configuration, l'architecture interne permet aux cellules 1 d'être empilées pour une connexion en série. On peut alors envisager plusieurs solutions, notamment une borne positive B+ sur la partie supérieure et une borne négative B- sur la partie inférieure pour un empilement en série, comme on peut le voir sur la figure 44.

L'architecture peut également s'adapter pour pouvoir placer la cellule 1 sur un support tubulaire de même section externe que l'électrode 3 interne, en y insérant par exemple des éléments 41 tels que des pattes, des rainures ou des stries, hélicoïdales ou longilignes, pour s'adapter tout en laissant circuler le gaz. On peut ainsi intégrer la cellule 1 au cœur de l'architecture d'un système, par exemple directement sur l'arbre de transmission d'un moteur (dans le cas d'une électrode à air, le vent de vitesse permettrait une circulation d'air dynamique de manière passive), ou tout autre tige 42, conductrice ou non, d'un mécanisme de rotation (moulin, éolienne, roue de véhicule, pompe, entre autres). Les figures 45 et 46 illustrent des exemples, en coupe, de telles réalisations. Dans une telle configuration, il n'y a alors pas besoin d'utiliser une pièce additionnelle 14 pour rigidifier l'intérieur du tube de l'électrode à gaz 3, la tige 42 contribuant d'elle-même à cette fonction. On peut également placer avantageusement une telle cellule 1 cylindrique dans un boîtier de forme hexagonale ou polygonale tel que celui décrit dans la demande de brevet EP 2 022 110 Al pour agencer de telles cellules entre elles de manière modulaire dans un pack batterie.

En outre, pour concevoir la cellule 1 décrite dans cette configuration, plusieurs méthodes sont possibles. Une première consiste à réaliser le boîtier et le couvercle selon le même procédé que le premier procédé décrit précédemment. Parallèlement, on réalise l'électrode positive 3 selon le même procédé que celui décrit dans la deuxième configuration, auquel on peut ajouter des baguettes en matériau isolant (par exemple un plastique), collées pour faciliter le guidage en cas de disposition de la cellule 1 sur un support tubulaire tel que décrit ci-dessus. L'électrode négative 2a est quant à elle reliée par soudage bout à bout ou par recouvrement sur elle-même afin d'obtenir la forme cylindrique, le séparateur étant dirigé vers l'intérieur. Ensuite, de même que pour le premier procédé décrit précédemment dans la première configuration, on glisse l'électrode négative 2a, le séparateur et l'électrode positive 3 dans le boîtier, on injecte l'électrolyte 6 et on referme avec le couvercle en veillant à assurer l'étanchéité. Une deuxième méthode consiste à réaliser la cellule 1 en une passe avec un procédé de co-extrusion. Ainsi, on co-extrude en une fois l'ensemble des composants de la cellule 1, à savoir, de l'intérieur vers l'extérieur : l'électrode positive 3 (couche GDL et grille de nickel), le séparateur, l'électrode négative 2a (membrane protectrice 11, lithium métal et collecteur de cuivre 4a), et le boîtier. Ensuite, on injecte l'électrolyte 6. Si l'épaisseur de la cellule 1 est suffisamment fine, un trait de colle sur la surface supérieure et sur la surface inférieure sont suffisants pour assurer l'étanchéité de la cellule 1. Sinon, on ajoute un couvercle supérieur 25 et un couvercle inférieur 24 afin d'assurer l'étanchéité de la cellule 1.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier.

En particulier, la présente invention est également concernée par les différents composants additionnels qui sont à envisager pour la mise en œuvre de celle- ci, et notamment pour la connexion, la mise et le maintien en position des cellules 1 dans un module d'assemblage 10 et la circulation du gaz vers les électrodes à gaz 3 de forme tubulaire creuse, ainsi que par les procédés d'obtention de tels éléments.

De plus, à titre d'exemple, l'ensemble des caractéristiques décrites en référence à une cellule électrochimique 1 comportant une électrode à gaz 3 de forme triangulaire équilatérale s'appliquent également à une cellule électrochimique 1 comportant une électrode à gaz 3 de forme circulaire, et vice versa.

L'expression « comportant un » doit être comprise comme étant synonyme de « comportant au moins un », sauf si le contraire est spécifié.