FR3161313A1 - Système de maintien de modules d’accumulateurs électrochimiques. Equipement de manutention intégrant au moins un tel système. - Google Patents

Abstract

Système de maintien de modules d’accumulateurs électrochimiques. Equipement de manutention intégrant au moins un tel système. L’invention concerne un système de maintien d’un module de batterie (M) comprenant: - une pluralité d’accumulateurs électrochimiques (A1, A2…A42) agencés en formant une matrice; - le cas échéant, au moins un boitier rigide (10) comprenant une enveloppe latérale (11) entourant la matrice; le système (20) comprenant au moins deux mors de serrage (21, 22) comprenant chacun : - une plaque de support (23, 24), - au moins un coussin gonflable (25, 26) supporté et fixé à la plaque de support, et qui, dans au moins un état gonflé, est adapté pour venir en contact en épousant au moins une partie de la forme extérieure de la matrice ou le cas échéant du boitier rigide du module et ainsi le serrer avec l’autre coussin également dans au moins un état gonflé. Figure pour l’abrégé : fig.4

Description

Système de maintien de modules d’accumulateurs électrochimiques. Equipement de manutention intégrant au moins un tel système.

La présente invention concerne le domaine des accumulateurs électrochimiques, et plus particulièrement des accumulateurs métal-ion.

L’invention vise principalement à proposer une solution fiable et simple pour le maintien notamment à des fins de manutention d’un module de batterie, notamment lorsqu’il est en cours de montage ou à l’inverse hors d’usage et/ou en fin de vie.

Bien que décrite en référence à un accumulateur Lithium-ion, l’invention s’applique à tout accumulateur électrochimique métal-ion, c’est-à-dire également les accumulateurs sodium-ion, Magnésium-ion, Aluminium-ion…ou de manière plus générale à tout accumulateur électrochimique, notamment les accumulateurs NiCd, Pb, NiMH, etc.

Également, l’invention s’applique à toutes les géométries d’accumulateurs.

Enfin, bien que décrite en référence à une problématique de traitement des modules de batterie hors d’usage et/ou en fin de vie, en vue de leur recyclage, l’invention peut également être mise en œuvre pour le maintien de modules de batterie neufs ou de matrices les constituant, lors de leur assemblage initial et/ou lors de leur intégration dans une structure finale, pour laquelle ils sont destinés, notamment dans un véhicule automobile.

Un module ou pack-batterie selon l’invention peut être embarqué ou stationnaire. Par exemple, les domaines des transports électriques et hybrides et les systèmes de stockage connectés au réseau peuvent être envisagés dans le cadre de l’invention.

Telle qu’illustrée schématiquement en figures 1 et 2, une batterie ou accumulateur lithium-ion comporte usuellement au moins une cellule électrochimique constituée d'un constituant d'électrolyte 1 entre une électrode positive ou cathode 2 et une électrode négative ou anode 3, un collecteur de courant 4 connecté à la cathode 2, un collecteur de courant 5 connecté à l'anode 3 et enfin, un emballage 6 agencé pour contenir la cellule électrochimique avec étanchéité tout en étant traversé par une partie des collecteurs de courant 4, 5.

L'architecture des batteries lithium-ion conventionnelles comporte une anode, une cathode et un électrolyte. Plusieurs types de géométrie d'architecture conventionnelle sont connus :

- une géométrie cylindrique telle que divulguée dans la demande de brevet US 2006/0121348,

- une géométrie prismatique telle que divulguée dans les brevets US 7348098, US 7338733;

- une géométrie en empilement telle que divulguée dans les demandes de brevet US 2008/060189, US 2008/0057392.

Ces différents types de géométrie sont également décrits dans la publication [1].

Le constituant d'électrolyte 1 peut être de forme solide, liquide ou gel. Sous cette dernière forme, le constituant peut comprendre un séparateur en polymère, en céramique ou en composite microporeux imbibé d'électrolyte (s) organique (s) ou de type liquide ionique qui permet le déplacement de l'ion Lithium de la cathode à l'anode pour une charge et inversement pour une décharge, ce qui génère le courant. L'électrolyte est en général constitué d'un mélange de solvants organiques, non aqueux et de sels de lithium, ainsi que d'additifs permettant d’améliorer les performances, tels que la formation et la croissance des interfaces électrodes/électrolyte (SEI), la limitation des réactions secondaires, etc. Les électrolytes peuvent être composés de mélange binaire ou ternaire à base de carbonates cycliques (carbonate d’éthylène, carbonate de propylène, butylène de carbonate), linéaire ou ramifié (carbonate de diméthyle, carbonate de di-éthyle, carbonate d’éthyle méthyle, diméthoxyéthane) en proportions diverses dans lequel sont dissouts un ou plusieurs sels de lithium, tels que LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiFSI, LiTDI, LiDFOB, LiBF₄, LiClO₄, etc.

L'électrode positive ou cathode 2 est constituée de matériaux d'insertion du cation Lithium qui sont en général composite, comme le phosphate de fer lithié LiFePO₄, l’oxyde de cobalt lithié LiCoO₂, l’oxyde de manganèse lithié, éventuellement substitué, LiMn₂O₄ou d’oxyde de métaux de transition, comme les matériaux lamellaires par exemple, un matériau à base de LiNixMnyCozO₂avec x+y+z = 1, tel que LiNi_0.33Mn_0.33Co_0.33O₂ou LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂, ou un matériau à base de type oxyde de nickel cobalt aluminium LiNi_xCo_yAl_zO₂avec x+y+z = 1, tel que LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂.

L'électrode négative ou anode 3 est très souvent constituée de carbone graphite ou en Li₄TiO₅O₁₂(matériau titanate), éventuellement également à base de silicium ou de composite formé à base de silicium. Cette électrode négative tout comme l’électrode positive peut également contenir des additifs conducteurs électroniques ainsi que des additifs polymères qui lui confèrent des propriétés mécaniques et des performances électrochimiques appropriées à l'application batterie lithium-ion ou à son procédé de mise en œuvre.

L’anode et la cathode en matériau d’insertion du Lithium peuvent être déposées en continu selon une technique usuelle sous la forme d’une couche active sur une feuille ou feuillard métallique constituant un collecteur de courant.

Le collecteur de courant 4 connecté à l'électrode positive est en général en aluminium.

Le collecteur de courant 5 connecté à l'électrode négative est en général en cuivre, en cuivre nickelé ou en aluminium. Plus précisément, l’aluminium est utilisé pour les collecteurs de courant communs à des électrodes positive et négative de titanate Li₄Ti₅O₁₂. Le cuivre est plutôt pour les électrodes négatives de graphite (Cgr), de silicium (Si) ou de composite silicium (Si-C).

Une batterie ou accumulateur lithium-ion peut comporter bien évidemment une pluralité de cellules électrochimiques qui sont empilées les unes sur les autres.

Traditionnellement, une batterie ou accumulateur Li-ion utilise un couple de matériaux à l’anode et à la cathode lui permettant de fonctionner à un niveau de tension élevé, typiquement entre 1,5 et 4,2 Volt.

Selon le type d’application visée, on cherche à réaliser soit un accumulateur lithium-ion fin et flexible soit un accumulateur rigide : l’emballage est alors soit souple soit rigide et constitue dans ce dernier cas en quelque sorte un boitier.

Les emballages souples sont usuellement fabriqués à partir d’un matériau composite multicouches, constitué d’un empilement de couches d’aluminium recouvertes par un ou plusieurs film(s) en polymère laminés par collage.

Les emballages rigides sont quant à eux utilisés lorsque les applications visées sont contraignantes où l'on cherche une longue durée de vie, avec par exemple des pressions à supporter bien supérieures et un niveau d'étanchéité requis plus strict, typiquement inférieure à 10^-8mbar.l/s, ou dans des milieux à fortes contraintes comme le domaine aéronautique ou spatial.

Les emballages rigides (boitiers d’accumulateur) sont usuellement fabriqués à partir d’un matériau métallique, typiquement un alliage d’aluminium ou en acier inoxydable ou d’un polymère rigide comme l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS).

Les boitiers rigides d’emballages d’accumulateurs Li-ion peuvent être cylindriques, des cellules électrochimiques des accumulateurs sont enroulées par bobinage selon une géométrie cylindrique autour d’un mandrin cylindrique. Ils peuvent également être de formes prismatiques par bobinage aplati.

Un des types de boitier rigide de forme cylindrique, usuellement fabriqué pour un accumulateur Li-ion de forte capacité, est illustré enFIG. 3.

Un boitier rigide de forme prismatique est également montré enFIG. 4.

Le boitier 6 comporte une enveloppe latérale cylindrique 7, un fond 8 à une extrémité, un couvercle 9 à l’autre extrémité, le fond 8 et le couvercle 9 étant assemblés à l’enveloppe 7. Le couvercle 9 supporte les pôles ou bornes de sortie du courant 4, 5. Une des bornes de sortie (pôles), par exemple la borne négative 5 est soudée sur le couvercle 9 tandis que l’autre borne de sortie, par exemple la borne positive 4, passe à travers le couvercle 9 avec interposition d’un joint non représenté qui isole électriquement la borne positive 4 du couvercle.

Une autre configuration possible est qu’une des bornes de sortie (pôles), par exemple la borne positive 4 est reliée au faisceau électrochimique F de l’accumulateur par la languette formant un collecteur 40 et fait saillie et passe à travers le couvercle 9 avec interposition d’un joint non représenté qui isole électriquement la borne positive 4 du couvercle. L’autre borne de sortie, par exemple la borne négative 5, est constituée par le fond et donc l’enveloppe latérale du boitier 6 qui est connectée électriquement.

Le type de boitier rigide largement fabriqué consiste également en un godet embouti et un couvercle, soudés entre eux sur leur périphérie. En revanche, les collecteurs de courant comprennent une traversée avec une partie faisant saillie sur le dessus du boitier et qui forme une borne aussi appelée pôle apparent de la batterie.

Un pack batterie P est constitué d’un nombre variable d’accumulateurs pouvant atteindre plusieurs milliers qui sont reliés électriquement en série ou en parallèle entre eux et généralement par des barres de connexion, appelées usuellement busbars.

On pourra se référer à la publication [2] pour les constitutions de modules et pack-batteries.

Pour des raisons de compacité, une intégration mécanique d’accumulateurs de géométrie cylindrique à boitier rigide 6 au sein d’un module ou d’un pack-batterie largement retenue est celle illustrée à laFIG. 5.

Dans cette intégration, les accumulateurs A1, A2…A42 sont agencés parallèles les uns en contact avec les autres par leur boiter 6 et en quinconce en formant une matrice qui s’étend selon la direction Z. Un agencement en quinconce permet une grande densité énergétique.

Un pré-assemblage de cette matrice peut être réalisé le plus souvent par collage des accumulateurs A1, A2…A42 les uns aux autres. La matrice comportant les accumulateurs forme un ensemble rigide. D’autres agencements qu’en quinconce sont possibles, par exemple un agencement des accumulateurs en rangées alignées selon X et Y. Les accumulateurs A1-A42 illustrés sont à boitiers 6 de format cylindrique, typiquement de format 18650, 21700, 26650, 4680.

Comme montré à laFIG. 6, un module de boitier M comprend un boitier rigide périphérique 10, comprenant une enveloppe latérale 11 qui entoure la matrice d’accumulateurs A1-A42, un fond non représenté qui peut être amovible ou formé intégralement avec l’enveloppe latérale 11 et un couvercle amovible non représenté qui vient fermer le boitier.

Le boitier 10 est une structure de soutien et également de protection des accumulateurs A1-A42.

L’enveloppe latérale 11 est par exemple une enveloppe de section transversale rectangulaire ou carrée avec quatre parois latérales 111,112, 113, 114 qui peuvent être assemblées entre elles ou formées une seule pièce monobloc.

Les extrémités des boitiers 6 qui intègrent les bornes de sortie positives 4 et négatives 5 sont à l’intérieur du boitier 10 de module et les liaisons et connexions électriques peuvent être effectuées au moins en partie au sein du boitier 10.

Typiquement, les bornes de sortie positives 4 et négatives 5 des accumulateurs A1-A42 du module M peuvent être connectées entre elles, notamment au moyen de busbars de préférence sous la forme de clinquants, afin de relier électriquement les différents accumulateurs en série et/ou parallèle par groupes, à l’intérieur du boitier 10.

Pour compenser les tolérances dimensionnelles à la fabrication et à l’assemblage qui peuvent se rencontrer dans un module, des dispositifs de calage et/ou de bridage mécanique ont été développés pour assurer le calage et/ou le bridage dans les trois directions X, Y, Z et par-là empêcher les déplacements des accumulateurs de format cylindrique de la matrice au sein d’un module de batterie ou de pack-batterie.

On peut citer le brevet US10714713B2 qui divulgue un système de calage d’accumulateurs prismatiques au sein d’un module par le biais d’un fluide mis sous pression qui peut être réglée au cours du vieillissement du module, le fluide pouvant être contenu dans différentes formes de membrane agencées à différentes positions au sein du boitier du module.

Les problématiques de traitement des modules ou pack-batterie hors d’usage et/ou en fin de vie, notamment de démontage et/ou de recyclage de leurs matériaux d’intérêt, sont de plus en plus prégnantes.

Au cours des process de traitement existants, il est nécessaire d’assurer le bon maintien mécanique des modules de batteries, notamment à des fins de manutentionner ou démonter, et ce pour limiter les risques liés à leur dangerosité (instabilités électrochimiques, problèmes électriques) afin de réaliser les process avec la plus grande sécurité.

Or, les modules à traiter peuvent présenter des géométries complexes, une grande variété de géométries et/ou de dimensions pour un même type de module. En particulier, du fait de chocs et/ou des vieillissements électrochimiques subis au cours de leur vie, les modules peuvent présenter des altérations et/ou des déformations mécaniques qui peuvent être conséquents.

On peut classer en deux catégories les différents systèmes de maintien de modules de batterie, pour les process de leur traitement une fois qu’ils sont hors d’usage et/ou en fin de vie.

La première catégorie consiste en des systèmes avec des contacts mécaniques avec les modules.

Il peut s’agir d’étaux dont les mors réalisent des appuis plan-plan. De tels étaux présentent les inconvénients majeurs que les mors sont spécifiques à chaque typologie de module et qu’il peut être problématique de réaliser le serrage escompté du fait des irrégularités de surface ou autres défauts.

Le contact mécanique peut également être réalisé par des vis ou des sauterelles à levier pivotant qui ne permettent pas de réaliser des serrages efficaces sur des grandes surfaces de contact, ce qui est quasiment systématique pour tous les types de modules de batterie.

La deuxième catégorie consiste à réaliser le maintien par des moyens d’aspiration/de mise en dépression sous vide. Il s’avère qu’en pratique le maintien peut être difficile du fait de la variété de type de surfaces qui peut exister sur les modules et/ou avoir été engendré au cours de la vie des modules, telles que des excroissances, des zones dépourvues de matières, des surfaces dégradées et/ou polluées par des matières organiques ou non, comme des saletés ou autres…

En outre parmi toutes les solutions proposées aucune ne permet réellement une manutention possible quelle que soit la géométrie et/ou les dimensions des matrices d’accumulateurs et des modules de batterie afférents.

Il existe donc un besoin pour améliorer les solutions de maintien de modules de batterie, de préférence à des fins de manutention, notamment hors d’usage et/ou en fin de vie afin de procéder à leur traitement, en particulier de démontage et/ou de recyclage de leurs matériaux d’intérêt.

Le but de l’invention est de répondre au moins en partie à ce besoin.

Pour ce faire, l’invention concerne, sous l’un de ses aspects, un système de maintien d’un module de batterie (M) comprenant:

- une pluralité d’accumulateurs électrochimiques agencés en formant une matrice;

- le cas échéant, au moins un boitier rigide comprenant une enveloppe latérale entourant la matrice;

le système comprenant au moins deux mors de serrage comprenant chacun :

- une plaque de support,

- au moins un coussin gonflable supporté et fixé à la plaque de support, et qui, dans au moins un état gonflé, est adapté pour venir en contact en épousant au moins une partie de la forme extérieure de la matrice ou le cas échéant du boitier rigide du module et ainsi le serrer avec l’autre coussin également dans au moins un état gonflé.

Selon un mode de réalisation avantageux, le système comprend des moyens pour adapter l’état gonflé des coussins en fonction des déformations mécaniques de la matrice ou le cas échéant du boitier rigide du module de sorte à le maintenir serré. Autrement dit, si le module maintenu serré entre les deux mors se déforme, par exemple en cas de dégazage d’un ou plusieurs des accumulateurs de la matrice, la quantité de fluide dans les coussins gonflables augmente ou diminue pour garantir une force de maintien constante sur le module.

Selon un autre mode de réalisation avantageux, au moins une des plaques support est fixe.

Selon ce mode, avantageusement, les plaques support sont agencées à une distance fixe l’une de l’autre au moins lors du gonflage des coussins. Ainsi, on peut définir une distance fixe suffisante pour permettre un positionnement des mors de serrage autour du module à serrer, seule la pression du fluide dans les coussins étant à piloter pour assurer le serrage recherché.

De préférence, le fluide de gonflage des coussins est choisi parmi un gaz, un mélange de gaz, un liquide ou un mélange de liquides, un gel ou un mélange de gels compressibles. Le gaz peut être choisi parmi l’air comprimé, l’argon, l’azote, le krypton, le dioxyde de carbone (CO₂), un gaz commercialisé sous la dénomination Argonite® ou Inergène®, ou un mélange de ceux-ci. Le liquide peut être choisi parmi l’eau, une huile, de l’éthylène glycol, ou un mélange de ceux-ci.

Selon une variante de réalisation, les coussins gonflables comprenant chacun une enveloppe déformable dont le matériau constitutif des coussins est choisi parmi un polyamide (PA), un caoutchouc. Comme autre matériau constitutif, on peut également envisager des assemblages de néoprène avec de fines couches d'aramides, des matériaux plastiques ou caoutchouc souples et de manière plus générale, tout matériau capable de supporter une pression importante et présentant de bonnes propriétés mécaniques.

Avantageusement, le matériau des coussins gonflables présente l’une et/ou l’autre des caractéristiques avantageuses suivantes :

- souple pour être facilement déformable et s’adapter aux éventuelles irrégularités de surface de la forme extérieure à serrer,

- mécaniquement résistant,

- isolant électrique dans le cas où au moins une partie du module de batterie serait encore sous tension électrique,

- une surface de contact présentant une rugosité pour apporter une adhérence mécanique avec le module à serrer.

De manière générale, le choix du matériau des coussins peut se faire en fonction de la déformabilité attendue et selon les propriétés et/ou géométries des matrices ou boitiers de module à maintenir mécaniquement. Par exemple, ce choix peut être fait si le boitier d’accumulateurs est en matière plastique et/ou en matériau conducteur électrique et/ou avec des parties saillantes qui induisent un risque de déchirures des coussins…

Ainsi, selon une variante de réalisation avantageuse, l’enveloppe déformable est revêtue d’une couche de protection thermique et/ou d’une couche d’accroche mécanique avec partie de la forme extérieure de la matrice ou le cas échéant du boitier rigide du module. Il peut s’agir d’une enveloppe en tissus polyamide revêtue d’une couche de caoutchouc ou d’une enveloppe en Kevlar® revêtue d’une couche d’aluminium.

Selon un mode de réalisation avantageux, le fluide de gonflage est un fluide d’inertage adapté pour inerter les accumulateurs, au moins un des coussins gonflables étant muni d’une valve de sécurité adaptée pour s’ouvrir en cas d’une réaction électrochimique non souhaitée, au sein de la matrice d’accumulateurs de sorte à libérer le fluide d’inertage du coussin dans son état gonflé afin qu’il soit expulsé vers la matrice du module.

Ainsi, en cas de réactivité non souhaitée de l’un et/ou l’autre des accumulateurs du module, par exemple un départ de feu, la valve du coussin s’ouvre pour libérer le fluide qui est contenu et participer à l’inertage du module de batterie. L’expulsion de ce fluide d’inertage permet d’apporter une action au plus près du module.

Le déclenchement de l’ouverture de la ou des valves des coussins gonflables peut se faire:

- soit de manière passive : la valve peut consister en un opercule de type disque de rupture ou en une pastille thermique dont l’actionnement est réalisé physiquement lorsqu’elle atteint une température seuil ;

- soit de manière active, sous l’action d’un opérateur ou d’un automatisme par exemple par asservissement avec un dispositif de surveillance. L’ouverture de la valve peut ainsi être réalisée en cas de brusque montée en température et/ou de tension électrique d’au moins un accumulateur de la matrice.

Ce mode d’inertage par expulsion de fluide approprié depuis l’intérieur d’au moins un coussin à l’état gonflé peut avantageusement venir en complément d’autres actions d’inertage externes, comme une installation fixe d'extinction automatique à eau, dénommée aussi sprinkler ou un inertage par un circuit indépendant de CO₂, ... autres.

Le fluide d’inertage peut être une huile diélectrique, de l’argon, de l’azote, du CO₂, un gaz commercialisé sous la dénomination Argonite® ou Inergène®…

Selon un autre mode de réalisation, le système comprend au moins un ressort de compression agencé en contact avec la plaque-support du mors de serrage du côté opposé au coussin, le(s) ressort(s) étant adapté(s) pour augmenter le serrage du module réalisé par les coussins dans leur état gonflé.

Ainsi, l’invention consiste essentiellement à réaliser un système de maintien d’un module de batterie par au moins deux mors de serrage à coussins qui, une fois gonflés, viennent serrer la matrice d’accumulateurs ou le boitier du module.

Au final, l’invention apporte de nombreux avantages parmi lesquels on peut citer:

• un système de maintien simple, efficace et rapide à mettre en place autour d’un module de batterie quelle que soit sa forme extérieure et les surfaces spécifiques telles que des excroissances qu’il présente ;
• un système qui peut s’adapter instantanément à toute forme initiale extérieure de module de batterie et également en cas de changement de forme et/ou de déformation au cours des opérations effectuées sur le module maintenu. En effet, la quantité de fluide dans les coussins gonflables peut être augmentée ou diminuée pour maintenir une force de serrage constante sur le module de batterie à immobiliser ;
• aucune nécessité de positionner un module de batterie de façon particulière avant le serrage du fait du gonflage des coussins qui s’adapte de facto ;
• un système qui peut être mis en œuvre, notamment en tant qu’effecteur terminal de robot, à des fins de manutention de modules de batterie, avantageusement dans un process d’assemblage de batteries avant leur premier fonctionnement ou de désassemblage en fin de vie. En effet, le système selon l’invention est universel pour tous les modules de batteries et permet de s’affranchir d’un changement d’outil spécifique à un type de module de batterie ;
• un système particulièrement adapté au process de recyclage/traitement des modules de batteries hors d’usage et/ou en fin de série, notamment pour un maintien efficace et adaptatif au cours des opérations de démontage, et/ou de perçage et/ou tout autre opération mécanique sur les pièces de modules.

Pour une application à un module ou un pack-batterie Li-ion, chaque accumulateur est un accumulateur Li-ion dans lequel :

• le matériau d’électrode(s) négative(s) est choisi dans le groupe comportant le graphite, le lithium, l’oxyde de titanate Li₄TiO₅O_{12 ;}
• le matériau d’électrode(s) positive(s) est choisi dans le groupe comportant LiFePO₄, LiCoO₂, LiNi_0.33Mn_0.33Co_0.33O₂.

L’invention a également pour objet un effecteur terminal de robot, destiné à la manutention de modules de batterie, comprenant au moins un système de maintien tel que décrit précédemment.

L’invention a également pour objet l’utilisation d’un effecteur de robot ou d’un système de maintien tels que décrits précédemment, pour la manutention de modules de batterie, lors de leur procédé d’assemblage avant leur mise en fonctionnement ou lors d’opérations de traitement, telles que démontage, perçage ou toute autre opération mécanique une fois les modules hors d’usage et/ou en fin de vie.

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d’exemples de mises en œuvre de l’invention faites à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes.

FIG. 1laFIG. 1est une vue schématique en perspective éclatée montrant les différents éléments d’un accumulateur lithium-ion.

FIG. 2laFIG. 2est une vue de face montrant un accumulateur lithium-ion avec son emballage souple selon l’état de l’art.

FIG. 3laFIG. 3est une vue en perspective d’un accumulateur lithium-ion selon l’état de l’art avec son emballage rigide constitué d’un boitier de forme cylindrique.

FIG. 4laFIG. 4est une vue en en perspective d’un accumulateur lithium-ion selon l’état de l’art avec son emballage rigide constitué d’un boitier de forme prismatique.

FIG. 5laFIG. 5est une vue en perspective d’une pluralité d’accumulateurs lithium-ion de géométrie cylindrique préassemblés entre eux selon l’état de l’art, formant une matrice destinée à un module de batterie ou un pack-batterie.

FIG. 6laFIG. 6est une vue de face d’un module de batterie selon l’état de l’art comprenant une matrice d’accumulateurs cylindriques selon laFIG. 5et un boitier logeant la matrice.

FIG. 7,FIG. 7les figures 7A et 7B sont des vues schématiques de dessus montrant un premier exemple d’un système de maintien à une paire de mors de serrage selon l’invention d’un module de pack-batterie dans une configuration respectivement non maintenue et maintenue par les coussins dans un état gonflé.

FIG. 8laFIG. 8illustre un système de maintien avec une paire de mors de serrage à plaques en équerre selon l’invention dans une configuration maintenue d’un module de pack-batterie de même forme que celui des figures 7A et 7B .

FIG. 9,FIG. 9les figures 9A et 9B sont des vues schématiques de dessus montrant le même système de maintien que celui de laFIG. 8mais mis en œuvre pour serrer un module de pack-batterie de forme plus complexe, dans une configuration respectivement non maintenue et maintenue par les coussins dans un état gonflé.

FIG. 10laFIG. 10est une vue schématique de dessus d’un autre exemple d’un système de maintien comprenant deux paires de mors de serrage selon l’invention.

FIG. 11laFIG. 11est une vue schématique de dessus d’un autre exemple d’un système de maintien comprenant deux paires de mors de serrage selon l’invention.

FIG. 12laFIG. 12est une vue schématique de dessus d’un autre exemple d’un système de maintien comprenant trois paires de mors de serrage selon l’invention.

FIG. 13laFIG. 13est une vue schématique de dessus d’un autre exemple d’un système de maintien comprenant trois paires de mors de serrage selon l’invention.

FIG. 14laFIG. 14est une vue schématique de dessus d’un autre exemple d’un système de maintien comprenant deux paires de mors de serrage selon l’invention.

FIG. 15,FIG. 15les figures 15A et 15B sont des vues schématiques de dessus montrant le premier exemple d’un système de maintien à une paire de mors de serrage selon l’invention d’un module de pack-batterie de forme standard, dans une configuration respectivement non maintenue et maintenue par les coussins dans un état gonflé.

FIG. 16laFIG. 16est une vue schématique de dessus d’un autre exemple d’un système de maintien à trois mors de serrage, dont deux identiques en équerre, selon l’invention.

FIG. 17laFIG. 17est une vue schématique de dessus d’un autre exemple d’un système de maintien à trois mors de serrage, dont deux identiques plats, selon l’invention.

FIG. 18laFIG. 18est une vue du dessus illustrant une variante avantageuse de réalisation d’un système de maintien couplé à une paire de ressorts.

Description détaillée

Les figures 1 à 6 sont relatives à des exemples différents d’accumulateur Li-ion, d’emballages souples et de boitiers rigides d’accumulateurs ainsi qu’une matrice d’accumulateurs pour module de pack-batterie selon l’état de l’art.

Ces figures 1 à 6 ont déjà été commentées en préambule et ne le sont donc pas plus ci-après.

Par souci de clarté, les mêmes références désignant les mêmes éléments selon l’état de l’art et selon l’invention sont utilisées pour toutes les figures 1 à 18.

On a représenté en figures 7A et 7B, un exemple d’un système de maintien d’un module M d’un pack-batterie d’accumulateurs Li-ion.

Les accumulateurs non illustrés peuvent être à boitiers de format cylindrique, typiquement de format 18650, 21700 ou prismatiques ou en emballages souples.

Les accumulateurs peuvent être agencés en quinconce en étant en contact entre eux par leur boitier. Cet agencement forme une matrice d’accumulateurs qui peut être préassemblée, notamment en réalisant un collage des accumulateurs entre eux. D’autres agencements qu’en quinconce sont possibles, par exemple un agencement des accumulateurs en rangées alignées selon X et Y.

Le module M peut comprendre un boitier rigide périphérique comprenant une enveloppe latérale qui entoure la matrice d’accumulateurs comme illustré à laFIG. 6, un fond qui peut être amovible ou formé intégralement avec l’enveloppe latérale et un couvercle amovible 13 qui vient fermer le boitier.

Les extrémités des boitiers d’accumulateurs qui intègrent les bornes de sortie positives et négatives peuvent être à l’intérieur du boitier rigide de module et les liaisons et connexions électriques peuvent être effectuées au moins en partie au sein de ce boitier.

Typiquement, les bornes de sortie positives et négatives des accumulateurs A1-A42 du module M peuvent être connectées entre elles, notamment au moyen de busbars de préférence sous la forme de clinquants, afin de relier électriquement les différents accumulateurs en série et/ou parallèle par groupes, à l’intérieur du boitier.

Comme illustré aux figures 7A et 7B, le module M avec ou sans boitier rigide a globalement une forme parallélépipédique droite.

Afin de pouvoir manipuler de manière simple et efficace un tel module M, les inventeurs ont proposé un système de maintien 20 à au moins une paire de mors de serrage 21, 22 dont la force de serrage est assurée par gonflage de coussins à une pression constante.

Plus précisément, comme montré, aux figures 7A et 7B, chacun des mors de serrage 21, 22 comprend une plaque de support 23, 24 et au moins un coussin gonflable 25, 26 supporté et fixé à la plaque de support.

Dans l’état dégonflé des coussins 25, 26, le système de maintien 20 peut être aisément positionné autour du module M sans qu’il soit nécessaire de démonter tout ou partie de ce dernier (FIG. 7).

Dans au moins un état gonflé des coussins 25, 26, ces derniers viennent en contact en épousant au moins une partie de la forme extérieure de la matrice ou le cas échéant du boitier rigide du module M (FIG. 7). Le module M est ainsi serré entre les deux coussins 25, 26 gonflés sous une même pression constante.

Les coussins 25, 26 peuvent être fixés par exemple par collage ou par des attaches de type velcro aux plaques de support 23, 24.

Les coussins gonflables 25, 26 peuvent être constituées chacun d’une enveloppe déformable dont le matériau constitutif des coussins est choisi parmi un polyamide (PA), un caoutchouc. Le matériau constitutif est choisi avantageusement en fonction des géométries et/ou des matériaux de la forme extérieure du module.

Si l’on cherche à améliorer les propriétés thermiques et/ou d’accroche des coussins, on peut revêtir les enveloppes gonflables d’une couche de protection thermique et/ou d’une couche d’accroche mécanique avec partie de la forme extérieure de la matrice ou le cas échéant du boitier rigide du module. Par exemple, une enveloppe gonflable peut être à base de tissus à fibres de polyamide et être revêtue d’une couche de caoutchouc et/ou d’une couche d’aluminium.

Le système de maintien 20 peut s’adapter à la grande variété des géométries et géométries complexes que l’on peut rencontrer dans un module de batterie M.

Pour cela on peut faire varier le nombre de mors de serrage, la forme des plaques de support, la pression de gonflage, la forme que peut prendre les coussins gonflables pour épouser au mieux la forme extérieure d’un module avec ou sans boitier périphérique et qui peut présenter de nombreuses pièces à démonter: contrairement à la fabrication, il n’y a pas de série et d’uniformité des formats.

Ainsi, dans l’exemple des figures 7A, 7B, les plaques de support 23, 24 sont de forme plane de part et d’autre du module M.

LaFIG. 8montre le même système de maintien 20 avec une alternative avec des plaques de support 23, 24 conformées en équerre et agencées aux deux coins opposés du module . Les mors 21, 22, viennent ainsi serrer un module M d’une forme qui peut être identique à celle des figures 7A et 7B mais avec les coussins 25, 26 qui à l’état gonflé viennent épouser les excroissances Z1, Z2 des coins pour garantir un serrage optimal..

Les figures 9A, 9B montrent une alternative également avec des plaques de support 23, 24 conformées en équerre et agencées au deux coins opposés d’un module d’une forme complexe, avec les coussins 25, 26, qui à l’état gonflé viennent épouser des excroissances Z3, Z4, Z5 du module pour garantir un serrage optimal.

LaFIG. 10montre un système de maintien 20 avec deux paires de mors 21.1, 22.1 ; 22.2, 22.2 comme selon laFIG. 8, qui a donc été dupliquée pour serrer le module de batterie M aux quatre coins. Cette duplication et plus généralement la multiplication des paires de mors 21, 22 peut être mise en œuvre pour des modules de batterie M plus lourds et/ou de forme extérieure plus complexe et/ou par anticipation des déformations que le module M peut subir au cours des opérations notamment de recyclage lorsqu’il est maintenu serré.

Pour une même forme de module, comme celui de laFIG. 10, on peut envisager des mors de serrage à plaque de support 23, 24 de formes différentes comme des formes planes, comme montré à laFIG. 11.

Pour une même forme de module, comme celui de laFIG. 10, on peut aussi envisager de mors de serrage plus nombreux et de formes réduites notamment des coussins 25, 26, comme montré à laFIG. 12ou à laFIG. 13, avec trois paires de mors 21.1, 22.1 ; 21.2, 22.2 ; 21.3, 22.3 agencés de part et d’autre soit des bords longitudinaux soit des bords latéraux du module M.

En fonction des points de serrage visés, on peut mettre des mors avec plaques 23, 24 en équerre dont une branche est de plus grande longueur, comme montré à laFIG. 14.

La forme initiale des coussins 25, 26 avant gonflage peut également être préformée notamment pour épouser au mieux les reliefs du module comme illustré aux figures 15A et 15B. Ainsi, dans cette configuration des figures 15A et 15B, la forme des coussins comprend plusieurs boudins juxtaposés, de dimensions plus petites pour mieux s’adapter à la forme du module M à serrer.

Les inventeurs ont réalisé des calculs de dimensionnement pour des modules de batterie M standards.

Initialement, ils ont analysé que la pression appliquée par les coussins 25, 26 ne devait pas être trop importante sous peine de voir le boitier rigide 10 d’un module standard se déformer, et en corollaire risquer un court-circuit interne voire une explosion d’au moins un accumulateur de la matrice du module.

La pression de maintien est déterminée en fonction de la surface du module M que l’on cherche maintenir le cas échéant à des fins de manutention.

Pour un module de batterie M de dimensions égales à 10X10cm, les inventeurs pensent qu’une pression de 0,2 à 0,5bars de gonflage par coussin devrait suffire pour serrer le module mais cette valeur pourra être évolutive selon le cas d’application.

Le coefficient de frottement des coussins est également à déterminer pour appréhender le serrage. La force gravitationnelle du module et les matériaux en contact seront ainsi des critères de choix. De fait, les inventeurs pensent qu’un coefficient de frottement statique entre coussins et surface extérieure de module devrait être supérieur à 0,5.

Les exemples illustrés montrent des systèmes de maintien avec des mors de serrage 21, 22 mis en œuvre par paire.

Un système de maintien selon l’invention peut comprendre un nombre impair de mors de serrage, en particulier trois mors de serrage, répartis de manière non symétrique autour d’un module à serrer.

Un exemple de système à trois mors de serrage est illustré aux figures 16 et 17 avec deux mors identiques 22.1, 22.2, respectivement en équerre ou plats, serrant un bord d’un module et un mors 21 de plus grandes dimensions serrant le bord opposé du module.

LaFIG. 18illustre une variante avantageuse selon laquelle sur la face arrière des plaques de support 23, 24, c’est-à-dire sur la face opposée à celle à laquelle les coussins 25, 26 sont fixés, sont agencés un ou plusieurs ressorts de compression 27, 28. Ces ressorts 27, 28 peuvent augmenter la force de serrage par les mors à coussins 25, 26 et également l’adaptation de ces derniers à la forme extérieure du module à maintenir.

Un système de maintien 20 qui vient d’être décrit est particulièrement approprié au maintien de modules de batterie M, voire à leur manutention une fois serrés, pour des opérations de traitement une fois que les modules sont hors d’usage et/ou en fin de vie. Ces opérations peuvent être un démontage, un perçage ou de toute autre manipulation.

L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits ; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.

D’autres variantes et améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

Si dans les exemples illustrés, les accumulateurs sont agencés en quinconce au sein de la matrice, tout autre agencement des accumulateurs en contact au sein de la matrice peut être envisagé dans le cadre de l’invention. Par exemple, les accumulateurs peuvent être alignés selon deux axes.

Si dans les exemples illustrés, l’enveloppe latérale 11 du boitier périphérique 10 est de section transversale carrée, on peut envisager une section transversale rectangulaire.

Liste des références citées :

[1]: Diekmann, J., Rothermel, S., Nowak, S., & Kwade, “Recycling of Lithium-Ion Batteries: The LithoRec Process” A. (2018). The LithoRec Way, pages 33-38.

[2]: Harper, G., Sommerville, R., Kendrick, E., Driscoll, L., Slater, P., Stolkin, R., ... & Anderson, P, “Recycling lithium-ion batteries from electric vehicles”. Nature, (2019). 575(7781), pages 75-86.

Claims (11)

1. Système de maintien d’un module de batterie (M) comprenant:
   - une pluralité d’accumulateurs électrochimiques (A1, A2…A42) agencés en formant une matrice;
   - le cas échéant, au moins un boitier rigide (10) comprenant une enveloppe latérale (11) entourant la matrice;
   le système (20) comprenant au moins deux mors de serrage (21, 22) comprenant chacun :

   • une plaque de support (23, 24),
   • au moins un coussin gonflable (25, 26) supporté et fixé à la plaque de support, et qui, dans au moins un état gonflé, est adapté pour venir en contact en épousant au moins une partie de la forme extérieure de la matrice ou le cas échéant du boitier rigide du module et ainsi le serrer avec l’autre coussin également dans au moins un état gonflé.
2. Système de maintien selon la revendication 1, comprenant des moyens pour adapter l’état gonflé des coussins en fonction des déformations mécaniques de la matrice ou le cas échéant du boitier rigide du module de sorte à le maintenir serré.
3. Système de maintien selon la revendication 1 ou 2, au moins une des plaques support étant fixe.
4. Système de maintien selon la revendication 3, les plaques support étant agencées à une distance fixe l’une de l’autre au moins lors du gonflage des coussins.
5. Système de maintien selon l’une des revendications précédentes, le fluide de gonflage des coussins étant choisi parmi un gaz, un mélange de gaz, un liquide ou un mélange de liquides, un gel ou un mélange de gels compressibles.
6. Système de maintien selon l’une des revendications précédentes, les coussins gonflables comprenant chacun une enveloppe déformable dont le matériau constitutif des coussins est choisi parmi un polyamide (PA), un caoutchouc.
7. Système de maintien selon la revendication 6, l’enveloppe déformable étant revêtue d’une couche de protection thermique et/ou d’une couche d’accroche mécanique avec la partie de la forme extérieure de la matrice ou le cas échéant du boitier rigide du module.
8. Système de maintien selon l’une des revendications précédentes, le fluide de gonflage étant un fluide d’inertage adapté pour inerter les accumulateurs, au moins un des coussins gonflables étant muni d’une valve de sécurité adaptée pour s’ouvrir en cas d’une réaction électrochimique non souhaitée, au sein de la matrice d’accumulateurs de sorte à libérer le fluide d’inertage du coussin dans son état gonflé afin qu’il soit expulsé vers la matrice du module.
9. Système de maintien selon l’une des revendications précédentes, comprenant au moins un ressort de compression agencé en contact avec la plaque-support du mors de serrage du côté opposé au coussin, le(s) ressort(s) étant adapté(s) pour augmenter le serrage du module réalisé par les coussins dans leur état gonflé.
10. Effecteur terminal de robot, destiné à la manutention de modules de batterie, comprenant au moins un système de maintien selon l’une des revendications précédentes.
11. Utilisation d’un effecteur de robot selon la revendication 10 ou d’un système de maintien selon l’une des revendications 1 à 9, pour la manutention de modules de batterie, lors de leur procédé d’assemblage avant leur mise en fonctionnement ou lors d’opérations de traitement, telles que démontage, perçage une fois les modules hors d’usage et/ou en fin de vie.