Titre : Elément électrochimique et procédé de fabrication DOMAINE TECHNIQUE

L’invention concerne un élément électrochimique et son procédé de fabrication, ainsi qu’une batterie comprenant un ou plusieurs éléments électrochimiques. Elle trouve notamment une application au domaine des éléments électrochimiques ou batteries de type Li-ion, et vise notamment l’optimisation du volume et de la capacité électrique de tels éléments, plus généralement l’optimisation de la densité d’énergie volumétrique et gravimétrique.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Tel qu’on peut le voir de manière simplifiée et en coupe sur la figure la, un élément électrochimique, par exemple de forme d’ensemble parallélépipédique ou encore cylindrique, comprend généralement une enveloppe 1 fermée, par exemple par un couvercle, qui définit un volume interne. A l’intérieur de ce volume est disposé un faisceau électrochimique 2 imprégné d’électrolyte, comportant une alternance d'électrodes 3 positives et négatives. Ces électrodes 3 sont connectées respectivement à deux bornes de sortie électriques positive et négative (non représentées), et encadre des séparateurs (également non représentés).

L’enveloppe 1 comprend une paroi de fond 4 qui présente une face de fond interne 4a, orientée vers le volume interne, une ou plusieurs parois latérales 5, 6 présentant une face latérale interne 5a, 6a, orientée vers le volume interne.

Comme on peut le voir clairement sur la figure la, les parois latérales 5, 6 de l’enveloppe 1 rejoignent la paroi de fond en formant un arrondi, notamment du côté interne, c’est-à-dire au niveau de la jonction entre chaque face latérale interne 5a, 6a et la face de fond interne 4. Pour obtenir la mise en volume de l’enveloppe 1 tel que représenté sur la figure la, on procède par emboutissage, à partir d’une feuille métallique, de préférence en aluminium. On utilise ainsi une matrice intérieure ou poinçon et une matrice extérieure actionnées relativement l’une à l’autre par une presse, matrices dont les formes et dimensions respectives permettent d’obtenir la mise en volume souhaitée : par exemple poinçon cylindrique et matrice extérieure cylindrique creuse pour une mise en volume cylindrique, ou poinçon parallélépipédique et matrice extérieure parallélépipédique creuse pour une mise en volume parallélépipédique. Le poinçon et la matrice extérieure présentent un fond qui rejoint la ou les parois latérales avec un arrondi, pour ne pas endommager la feuille métallique lors de l’opération d’emboutissage. Il n’est pas possible d’utiliser un poinçon anguleux ou une matrice extérieure anguleuse, sans risquer de fragiliser l’enveloppe au niveau des angles ce qui conduirait à un risque de déchirure inacceptable, voire sans déchirer l’enveloppe pendant l’opération d’emboutissage, notamment en raison du fait que l’enveloppe a tendance à coller au poinçon et/ou à la matrice extérieure. Même en utilisant de l’huile pendant l’opération d’emboutissage, il est impossible de décoller l’enveloppe formée avec un poinçon et/ou une matrice extérieure anguleux sans l’endommager.

En outre, un poinçon et une matrice extérieure anguleux sont sujets à une usure importante, ce qui n’est pas compatible avec une production industrielle de masse.

Or, un des problèmes posés par la présence des arrondis au fond du volume défini par l’enveloppe, est qu’il peu causer une courbure locale sur les électrodes à proximité des parois latérales, par tassement vers le fond. Cela peut occasionner des courts-circuits électriques. On peut prévoir des éléments supplémentaires à insérer dans le fond de l’enveloppe pour éviter ce tassement. Mais cela rend le processus de fabrication plus long et plus coûteux, et engendre une perte de capacité électrique pour l’élément électrochimique. Plus généralement, ce phénomène engendre une baisse de la densité d’énergie volumétrique et gravimétrique de l’élément électrochimique.

En outre, la présence de ces arrondis réduit la surface d’échange thermique au niveau de la paroi de fond. Or, la dissipation de la chaleur interne à l’élément électrochimique est un facteur important, et celle-ci se fait principalement par échange thermique au niveau de cette paroi de fond, en particulier lorsque plusieurs éléments électrochimiques sont juxtaposés latéralement pour former une batterie.

Telle que représentée sur la figure lb, une solution consiste à réaliser un chanfrein 12 en partie basse des électrodes, formant le faisceau d’électrode 2, situées à proximité de la paroi latérale concernée 5 ou 6, pour limiter le phénomène de tassement. Mais dans cette configuration, la surface d’échange thermique reste limitée, puisqu’il n’y a pas d’échange au niveau de la partie basse chanfreinée 12 des électrodes, donc au niveau de la jonction arrondie entre la paroi de fond 4 et la paroi latérale concernée 5 ou 6 de l’enveloppe 1. En outre, cette solution complique la fabrication puisqu’il faut réaliser des opérations supplémentaires de recoupage des électrodes.

RESUME DE L’INVENTION Un des buts de l’invention est donc de résoudre notamment les problèmes précités. Ainsi, l’invention a notamment pour objectif de proposer un élément électrochimique à densité d’énergie volumétrique et gravimétrique optimisée, et une meilleure capacité à dissiper la chaleur interne générée par le fonctionnement de l’élément électrochimique.

L’invention a ainsi pour objet un élément électrochimique comprenant une enveloppe fermée définissant un volume interne à l’intérieur duquel est disposé un faisceau comportant une alternance d'électrodes positives et négatives. Ces électrodes sont connectées respectivement à deux bornes de sortie électriques positive et négative et encadrent des séparateurs. Ledit faisceau est imprégné d'électrolyte.

L’enveloppe comprend par ailleurs une paroi de fond présentant une face de fond interne, orientée vers le volume interne, et au moins une paroi latérale présentant une face latérale interne orientée vers le volume interne. La face latérale interne rejoint la face de fond interne en formant sensiblement un angle interne.

Dans la présente demande, par l’expression « formant sensiblement un angle », ou encore « anguleux / anguleuse », il faut comprendre se rejoignant en formant un arrondi de rayon si petit que l’on considère qu’il y a formation d’un angle. La demanderesse considère ainsi que la présence d’un arrondi de rayon sensiblement inférieur ou égal à 0.5 mm correspond à la formation d’un angle. Les notions d’angle, d’anguleux/d’anguleuse, sont donc utilisées dans la présente demande pour désigner une jonction entre deux parois formant un arrondi de rayon sensiblement inférieur ou égal à 0.5 mm.

Aussi, par opposition à ce qui précède, lorsque l’expression « arrondi » est utilisée sans autre précision, elle désigne l’arrondi à la jonction entre deux parois tel qu’on le retrouve dans l’état de la technique, et qui est généralement obtenu par un procédé de type emboutissage. Un tel arrondi est sensiblement supérieur à 0.5 mm.

Suivant certains modes de réalisation, l’élément électrochimique comprend en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :

- la paroi de fond présente la forme d’une surface génératrice d’un solide de révolution, par exemple un cercle, ladite au moins une paroi latérale formant sensiblement la paroi latérale d’un solide de révolution correspondant, par exemple un cylindre ;

- la paroi de fond forme un polygone, par exemple un rectangle, et l’enveloppe comprend plusieurs parois latérales présentant chacune une face latérale interne orientée vers le volume interne et rejoignant la face de fond interne en l’un des côtés dudit polygone, la face latérale interne d’au moins l’une des parois latérales rejoignant la face de fond interne en formant sensiblement un angle interne ;

- les faces latérales internes de chaque paroi latérale rejoignent la face de fond interne en formant sensiblement un angle interne, de préférence identique à l’angle interne formé par chaque face latérale interne avec la face de fond ;

- l’angle interne ou au moins un des angles internes est sensiblement égal à 90° ;

- la paroi de fond présente une face de fond externe opposée à la face de fond interne, et la ou les parois latérales présentent chacune une face latérale externe opposée à la face latérale interne correspondante, la ou au moins une des faces latérales externe rejoignant la face de fond externe en formant sensiblement un angle externe, de préférence sensiblement égal à l’angle interne ;

- l’angle externe ou au moins un des angles externes est sensiblement égal à 90° ;

- la paroi de fond et la ou au moins une des parois latérales sont formées dans un matériau métallique, de préférence en aluminium ;

- le faisceau est de type Lithium-ion.

L’invention a également pour objet, selon un deuxième aspect, une batterie comprenant un ou plusieurs éléments électrochimiques électriquement connectés en parallèle et/ou en série, au moins un des éléments électrochimiques étant un élément électrochimique tel que présenté ci-dessus.

L’invention a encore pour objet, selon un troisième aspect, un procédé de fabrication d’un élément électrochimique.

L’élément électrochimique comprend une enveloppe fermée définissant un volume interne à l’intérieur duquel est disposé un faisceau comportant une alternance d'électrodes positives et négatives connectées respectivement à deux bornes de sortie électriques positive et négative et encadrant des séparateurs. Le faisceau est imprégné d'électrolyte.

L’enveloppe comprend une paroi de fond présentant une face de fond interne, orientée vers le volume intérieur, et au moins une paroi latérale présentant une face latérale interne, orientée vers le volume interne.

Le procédé comprend, préalablement à la mise en place du faisceau et la fermeture de l’enveloppe, une étape de mise en volume de l’enveloppe en sorte d’obtenir le volume interne avec une jonction entre la face latérale interne et la face de fond interne sensiblement angulaire d’angle interne donné. Suivant certains modes de mise en œuvre, le procédé comprend en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :

- l’enveloppe est en matériau métallique, par exemple en aluminium, et l’étape de mise en volume de l’enveloppe comprend une étape de mise en volume par magnétoformage comprenant la mise en place de l’enveloppe à former à proximité d’une source de champ électromagnétique, et la mise en place d’un gabarit en matériau non électriquement conducteur à proximité de l’enveloppe, la source étant placée d’un premier côté de l’enveloppe et le gabarit étant placé d’un deuxième côté de l’enveloppe opposé au premier côté, la forme du gabarit étant configurée en sorte de permettre le formage du volume interne de l’enveloppe par plaquage de l’enveloppe contre le gabarit sous l’effet d’un champ électromagnétique généré par la source ;

- le premier côté de l’enveloppe à former est le côté de la face de l’enveloppe destinée à être orientée vers le volume interne après mise en forme, le gabarit présentant au moins une portion formant en creux le volume interne ;

- le deuxième côté de l’enveloppe à former est le côté de la face de l’enveloppe destinée à être orientée vers le volume interne après mise en forme, le gabarit présentant au moins une portion formant le volume interne ;

- l’étape de mise en volume comprend, préalablement à l’étape de mise en volume par magnétoformage, une étape de mise en volume par emboutissage, en sorte de préparer l’enveloppe à former en créant un volume interne intermédiaire avec une jonction entre la face latérale interne et la face de fond interne sensiblement arrondie.

Ainsi, l’élément électrochimique et la batterie selon l’invention permettent de réduire, voire d’éliminer la zone de fond inutilisée dans les éléments de l’état de la technique, permettent d’éviter le phénomène de tassement local des électrodes à proximité des parois latérales et du fond, et permettent une meilleure dissipation de la chaleur grâce à une plus grande surface d’échange thermique au niveau de la paroi de fond.

FIGURES

Les caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, donnée à titre d’exemple, et non limitative, en référence aux figures suivantes :

Fig la] et Fig lb : représentations schématiques de deux exemples d’élément électrochimique de l’état de la technique ;

Fig 2 : représentation schématiques d’un exemple d’élément électrochimique de l’invention; Fig 3 et Fig 4 : représentations schématiques d’un premier exemple de mise en œuvre du procédé de l’invention ;

Fig 5 et Fig 6 : représentations schématiques d’un deuxième exemple de mise en œuvre du procédé de l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE

La figure 2 montre un exemple de réalisation d’un élément électrochimique de l’invention, vue en coupe, de forme d’ensemble parallélépipédique.

L’élément électrochimique comprend donc une enveloppe 1 fermée, par exemple par un couvercle (non représenté), et définissant un volume interne. Ce volume interne est sensiblement parallélépipédique dans cet exemple.

L’enveloppe 1 est de préférence formée en partie ou en totalité dans un matériau métallique, tel que de l’aluminium.

A l’intérieur du volume interne défini par l’enveloppe 1, un faisceau 2 électrochimique est disposé. Classiquement, ce faisceau 2 comporte une alternance d'électrodes 3 positives et négatives connectées respectivement à deux bornes de sortie électriques positive et négative (non représentées). En fonction du type d’élément électrochimique, les deux bornes de sortie peuvent par exemple être disposées en partie haute, au niveau du couvercle. Alternativement, et également à titre d’exemple, l’une des bornes peut être disposée en partie haute, au niveau du couvercle, l’autre étant disposée en partie basse, au niveau de la parroi de fond 4.

Les électrodes 3 encadrent des séparateurs (non représentés), et le faisceau 2 est imprégné d'électrolyte. Il peut s’agir par exemple d’un faisceau (2) de type Lithium-ion.

L’enveloppe 1 comprend notamment une paroi de fond 4 et au moins une paroi latérale 5, 6. Dans l’exemple représenté en figure 2, le volume interne étant sensiblement parallélépipédique, la paroi de fond 4 est sensiblement rectangulaire, tout comme les quatre parois latérales dont les deux parois latérales 5 et 6. Ces considérations se généralisent au cas d’un élément électrochimique dont l’enveloppe 1 présente une partie de fond 4 de forme polygonale, avec autant de parois latérales 5, 6 s’étendant depuis la partie de fond 4 que de segments dans ce polygone.

Egalement, la figure 2 pourrait tout aussi bien représenter un élément électrochimique de forme d’ensemble correspondant à un solide de révolution, par exemple une forme cylindrique, donc avec un volume interne défini par une enveloppe 1 correspondant sensiblement au volume d’un solide de révolution, par exemple un cylindre. Dans ce cas, la paroi de fond 4 présente la forme d’une surface génératrice du solide de révolution correspondant, par exemple un cercle. Dans ce cas, une seule paroi latérale 5 ou 6 s’élève depuis la paroi de fond 4 pour former le corps du solide de révolution, par exemple du cylindre.

Dans la suite de la présente description, on parle donc de la paroi latérale 5, 6, pour désigner tout aussi bien l’une 5 ou 6, ou les deux 5 et 6, ou encore l’ensemble des parois latérales de l’enveloppe 1 d’un élément électrochimique dont l’enveloppe 1 comporte effectivement plusieurs parois latérales, que pour désigner l’unique paroi latérale de l’enveloppe 1 d’un élément électrochimique de forme d’ensemble correspondant à un solide de révolution.

La paroi de fond présente une face de fond interne 4a, orientée vers le volume interne défini par l’enveloppe 1, et une face de fond externe 4b opposée à la face de fond interne 4a, donc orientée vers l’extérieur du volume interne défini par l’enveloppe 1.

Chaque paroi latérale 5, 6 présente par ailleurs une face latérale interne 5a, 6a, orientée vers le volume interne défini par l’enveloppe 1, et une face latérale externe 5b, 6b opposée à la face latérale interne correspondante 5a, 6aa, donc orientée vers l’extérieur du volume interne défini par l’enveloppe 1.

La face latérale interne 5a, 6a d’au moins une des parois latérales 5, 6, de préférence de toutes les parois latérales 5, 6, rejoint la face de fond interne 4a en formant sensiblement un angle interne (a).

Ainsi, comme on peut le voir par comparaison avec la figure la représentant un élément électrochimique de l’état de la technique, la zone inutilisée 11 présente sur la figure la n’existe pas dans la figure 2. Grâce à la présence des angles interne (a), le faisceau 2, en particulier les électrodes 3 les plus proches des parois latérales 5, 6, peuvent s’étendre jusqu’à la paroi de fond 4 sans venir s’écraser contre les arrondis présents dans l’exemple de la figure la.

Dans l’exemple représenté sur la figure 2, chacun des angles interne (a) entre la face interne 4a de paroi de fond 4 et la face interne 5a, 6a de l’une des parois latérales 5, 6 sont identiques, de préférence sensiblement égaux à 90°. Mais d’autres configurations sont possibles, avec des angles internes (a) différents d’une paroi latérale 5, 6 à l’autre.

De préférence, la face latérale externe 5b, 6b d’au moins une des parois latérales 5, 6 rejoint également la face de fond externe 4b de la paroi de fond 4 en formant sensiblement un angle externe (b). Cette angle externe (b) peut être différent de l’angle ou des angles interne (a), mais il est de préférence sensiblement égal à cet ou ces angles internes (a), par exemple sensiblement égale à 90°. Comme déjà indiqué plus haut, tout ou partie de l’enveloppe 1 est de préférence en matériau métallique, tel que de l’aluminium. En particulier, la paroi de fond 4 et la ou au moins une des parois latérales 5, 6 sont formées dans ce matériau.

On peut connecter électriquement plusieurs éléments électrochimiques, parmi lesquels un ou plusieurs éléments électrochimiques tels que décrits ci-dessus, en parallèle et/ou en série, pour former une batterie.

Pour obtenir l’élément électrochimique de l’invention, on procède à une mise en volume de l’enveloppe 1, préalablement à la mise en place du faisceau 2 et à la fermeture de l’enveloppe 1

On part d’une feuille dans le matériau souhaité, de préférence métallique (tel que de l’aluminium), et de préférence de forme circulaire.

L’étape de mise en volume est conçue pour permettre d’obtenir le volume interne souhaité, avec une jonction entre la face latérale interne 5a, 6a d’au moins une des parois latérales 5, 6 et la face de fond interne 4a de la paroi de fond, sensiblement angulaire d’angle interne (a).

De préférence, le matériau de la feuille destinée à former l’enveloppe 1 après mise en forme, est donc métallique. Dans ce qui suit, l’enveloppe 1 désigne indifféremment l’enveloppe 1 mise en volume que cette même enveloppe 1 au cours de la mise en volume, donc y compris la feuille plane à la base de l’enveloppe avant toute mise en volume.

Pour obtenir la mise en volume souhaitée, une étape de mise en volume par magnétoformage est mise œuvre, tel que représentée dans deux exemples sur les figures 3 et 4, respectivement 5 et 6. Le principe classique du magnétoformage, connu de l’homme du métier, est celui de G utilisation des propriété viscoplastiques du matériau utilisé, pour obtenir la déformation souhaitée par application d’une série d’impulsions électromagnétiques de grande intensité. L’enveloppe 1 à former est d’abord positionnée à proximité d’une source 9 de champ électromagnétique. Par ailleurs, un gabarit 10 en matériau non électriquement conducteur est positionné à proximité de l’enveloppe 1. Précisément, la source 9 est placée d’un premier côté de l’enveloppe 1 et le gabarit 10 est placé d’un deuxième côté de l’enveloppe 1 opposé au premier côté.

Dans l’exemple des figures 3 et 4, le premier côté de l’enveloppe 1 à former dont il est question est le côté de la face de l’enveloppe 1 destinée à être orientée vers le volume interne après mise en forme. La source 9 est donc placée du côté du volume interne à former, et le gabarit 10 est placé du côté externe. Ce dernier présente au moins une portion formant en creux le volume interne, par exemple un parallélépipède ou un cylindre.

Dans l’exemple des figures 5 et 6, le deuxième côté de l’enveloppe 1 à former dont il est question est le côté de la face de l’enveloppe 1 destinée à être orientée vers le volume interne après mise en forme. La source 9 est donc placée du côté externe, et le gabarit 10 est placé du côté du volume interne à former. Ce dernier présente au moins une portion formant le volume interne, par exemple un parallélépipède ou un cylindre.

La forme du gabarit 10 est donc configurée en sorte de permettre le formage du volume interne de l’enveloppe 1 par plaquage de cette enveloppe 1 contre le gabarit 10 sous l’effet d’un champ électromagnétique généré par la source 9.

De préférence, comme on le voit sur les figures 3 et 5, préalablement à la mise en œuvre de l’étape de mise en volume par magnétoformage, on met en œuvre une étape de mise en volume par emboutissage, en sorte de préparer l’enveloppe 1 à former. On obtient alors une enveloppe 1 présentant sensiblement la forme montrée sur les figures 3 et 5, c’est-à-dire que le volume interne intermédiaire créé par emboutissage est tel que la jonction entre la face latérale interne 5a, 6a de l’une ou plusieurs des parois latérales 5, 6 et la face de fond interne 4a de la paroi de fond, est sensiblement arrondie.

Les figures 3 et 5 représentent donc un état intermédiaire de l’enveloppe 1, après la mise en volume par emboutissage et avant la fin de la mise en volume par magnétoformage.

La demanderesse a ainsi pu constater une augmentation importante de la densité d’énergie volumétrique et gravimétrique, par suppression en totalité ou en partie de la zone inutilisée 11 matérialisée sur la figure la relative à l’état de la technique, ainsi qu’une augmentation de la surface d’échange thermique au niveau de la paroi de fond 4.

Dans l’exemple d’un élément électrochimique à paroi de fond 4 rectangulaire de dimensions extérieures 26.5 mm X 148 mm, une augmentation de 5% du volume utile a été mesurée, qui évite le tassement d’électrodes mentionné plus haut et induit l’augmentation de la densité d’énergie volumétrique et gravimétrique, grâce à l’obtention de jonctions internes entre les parois latérales 5, 6 et la paroi de fond 4 d’angle sensiblement égal à 90°. Par ailleurs une augmentation de 20% de la surface d’échange thermique au niveau de la paroi de fond 4, a été mesurée grâce à ces jonctions internes à angle sensiblement droit, notamment par comparaison avec un élément électrochimique de l’état de la technique tel que représenté en figure lb. Il est rappelé que la présente description est donnée à titre d’exemple et n’est pas limitative de l’invention. En particulier, dans cette description, un exemple d’élément électrochimique de type Li-ion et de forme d’ensemble sensiblement parallélépipédique est présenté dans les figures. Cependant, toutes les considérations présentées dans cette description, sauf exception mentionnée explicitement, s’appliquent à un élément électrochimique d’un autre type que Li-ion et d’une autre forme d’ensemble qu’une forme strictement parallélépipédique, par exemple une forme cylindrique.