FR3109021A1

FR3109021A1 - Assemblage de cellules electrochimiques

Info

Publication number: FR3109021A1
Application number: FR2003285A
Authority: FR
Inventors: Jean-Jacques Topalian
Original assignee: Elwedys SAS
Current assignee: SHARK SAFETY GROUP, FR
Priority date: 2020-04-02
Filing date: 2020-04-02
Publication date: 2021-10-08
Anticipated expiration: 2040-04-02
Also published as: FR3109021B1

Abstract

Ensemble (1) de cellules électrochimiques (2) de batterie, chacune des cellules disposant de deux électrodes, comprenant une plaque conductrice d’électricité agencée pour être en contact mécanique avec les électrodes des cellules, un cordon de soudure, pour chacune des cellules, au niveau du contact mécanique entre l’électrode et la plaque conductrice d’électricité, fusionnant ladite plaque conductrice d’électricité et ladite électrode, ledit cordon de soudure réalisant un contact électrique entre ladite plaque conductrice et ladite électrode, ledit cordon de soudure étant obtenu à partir d’un laser à fibre. Figure d’abrégé : figure 1

Description

ASSEMBLAGE DE CELLULES ELECTROCHIMIQUES

Domaine de l’invention

La présente invention concerne le domaine des batteries d’accumulateurs et plus précisément un dispositif et un procédé pour l’assemblage de telles batteries.

État de la technique

Les cellules à usage unique ou « piles jetables » (par exemple, les piles alcalines) sont généralement utilisées une fois et jetées. En effet, les matériaux des électrodes sont généralement modifiés de manière irréversible pendant la décharge.

Les cellules rechargeables peuvent généralement être déchargées et rechargées plusieurs fois. La composition originale des électrodes peut être restaurée ou partiellement restaurée par courant inverse.

Des exemples de cellules rechargeables comprennent les cellules au plomb-acide, notamment utilisées dans les véhicules, et les cellules lithium-ion, notamment utilisées pour l’électronique portable.

Les cellules se présentent sous de nombreuses conformations et tailles et sont par exemple des cellules de conformation cylindrique. Deux grands formats se retrouvent chez de nombreux fabricants désignés sous les appellations 18650 et 26650. Le format 18650 désigne une conformation cylindrique de 18 mm de diamètre et de 65 mm de hauteur.

Une batterie électrique possède généralement une ou plusieurs cellules électrochimiques qui convertissent l’énergie chimique stockée en énergie électrique. Chaque cellule a une borne positive, ou cathode, et une borne négative, ou anode.

La borne positive présente une énergie potentielle électrique plus élevée que la borne négative.

La borne positive est la source d’électrons qui, lorsqu’ils sont connectés à un circuit externe, circulent et fournissent de l’énergie à un appareil externe.

Les cellules électrochimiques peuvent être couplées en parallèle et en série pour constituer la tension et la capacité désirée. Le couplage est réalisé à l’aide d’éléments conducteurs, également appelés barrettes.

La disposition des barrettes de connexion est importante pour l’équilibrage des cellules. En effet, une mauvaise répartition des courants entraîne un vieillissement prématuré de certaines cellules électrochimiques. Les barrettes sont généralement en acier, cuivre ou en nickel.

Les barrettes peuvent être soudées par point sur chaque cellule. Le soudage par point, aussi appelé soudage par résistance, n’utilise pas de métal d’apport, mais une pression mécanique conjuguée à un courant électrique traversant la barrette et la surface d’une des bornes de la cellule.

Les pièces à souder sont superposées et sont serrées localement contre deux électrodes pour créer une zone de contact privilégiée constituant une résistance électrique. Un fort courant circule entre les deux électrodes, sous une faible tension, provoquant une forte élévation de la température par effet Joule.

L’échauffement entraîne la fusion localisée des deux pièces, suivie de la formation d’un noyau de métal recristallisé. Néanmoins, le soudage par point présente une certaine imprécision.

Afin de remédier à la relative imprécision du soudage par point, certaines méthodes ont adopté le soudage au laser, par exemple le document brevet US9979009. Le soudage au laser émet un faisceau qui présente une source de chaleur extrêmement concentrée permettant des soudages étroits, profonds, à une cadence rapide.

Deux types de lasers sont principalement utilisés pour le soudage : les lasers à solides, plus précisément les lasers Nd-YAG et les lasers à gaz et plus précisément les lasers au dioxyde de carbone.

Le laser à solides utilise de nombreux milieux amplificateurs solides, comme le rubis synthétique, le chrome dans l’oxyde d’aluminium, le néodyme-verre, et le type le plus courant, un cristal composé de grenat d’yttrium aluminium dopé au néodyme (Nd-YAG).

Les lasers à gaz utilisent des mélanges de gaz comme milieux amplificateurs, tels que l’hélium, l’azote, le dioxyde de carbone (CO₂) ou encore l’argon par exemple décrit dans le document brevet WO2017157794.

Cependant, ces systèmes ne sont pas totalement satisfaisants.

La chaleur produite par les faisceaux des lasers selon l’art antérieur est très importante, ce qui chauffe inutilement la cellule et peut même entraîner une détérioration, voire une explosion de la cellule.

Pour des barrettes épaisses, le temps de soudage pour que la chaleur traverse est très important et chauffe considérablement la pièce.

Pour des électrodes de petite dimension, l’étape de soudage doit être précise et ne réaliser une soudure qu’au niveau de l’électrode sous peine d’endommager la cellule.

Selon un premier aspect de l’invention, il est proposé un ensemble de cellules électrochimiques de batterie, chacune des cellules disposant de deux électrodes, comprenant :

une plaque conductrice d’électricité agencée pour être en contact mécanique avec les électrodes des cellules,
un cordon de soudure pour chacune des cellules, au niveau du contact mécanique entre l’électrode et la plaque conductrice d’électricité, fusionnant ladite plaque conductrice d’électricité et ladite électrode, ledit cordon de soudure réalisant un contact électrique entre ladite plaque conductrice et ladite électrode, ledit cordon de soudure étant obtenu à partir d’un laser à fibre.

Les cellules électrochimiques peuvent être des cylindres de base circulaire et des cellules Lithium Ion. Selon une variante, les cellules peuvent présenter une conformation différente, par exemple prismatique.

Selon une autre variante, les cellules électrochimiques peuvent être au Lithium-titanate, au Lithium-Phosphate de fer, au Lithium-Soufre, au Sodium Ion, au Nickel-Cadmium, ou encore au Nickel-Métal Hydrure.

La plaque conductrice peut présenter une épaisseur comprise entre 0,4 mm et 0,6 mm, de préférence 0,5 mm.

Avantageusement, la plaque conductrice peut être formée de nickel ou d’un alliage de nickel.

La plaque conductrice peut présenter une pluralité de perçages débouchant sur les électrodes des batteries lorsque la plaque conductrice d’électricité est en contact mécanique avec chacune des électrodes.

Avantageusement, l’ensemble peut comprendre deux supports disposés respectivement de part et d’autre des cellules par rapport à leur axe longitudinal, lesdits supports présentant des trous agencés pour loger les cellules. Les trous peuvent être agencés selon une disposition en rangée. Selon une variante, les trous peuvent être agencés selon une disposition en quinconce.

La plaque conductrice peut présenter des lumières et les supports peuvent présenter des saillies, lesdites faces non rainurées étant de forme complémentaire auxdites lumières de sorte que lesdites saillies centrent la plaque conductrice lorsque ladite plaque conductrice d’électricité est en contact mécanique avec les électrodes.

Selon un deuxième aspect de l’invention, il est proposé un procédé d’assemblage d’un ensemble de cellules électrochimiques de batterie, chacune des cellules disposant de deux électrodes, comprenant :

une mise en position d’une plaque conductrice d’électricité pour être en contact mécanique avec les électrodes disposées sur une même face,
un soudage pour chacune des cellules, au niveau du contact mécanique entre l’électrode et la plaque conductrice d’électricité, pour obtenir un cordon de soudure, fusionnant ladite plaque conductrice d’électricité et ladite électrode, ledit cordon de soudure permettant le contact électrique entre ledit élément conducteur et ladite électrode de potentiel, ledit cordon de soudure étant obtenu à partir d’un laser à fibre.

Selon un mode de réalisation, l’étape de soudage peut être réalisée par transparence.

Selon un autre mode de réalisation, l’étape de soudage peut être réalisée de côté, le faisceau peut présenter un angle différent de 90° par rapport à une surface de la plaque conductrice.

L’étape de soudage est réalisée alors qu’une force de pression est exercée sur plaque conductrice vers les électrodes des cellules.

Selon une première possibilité, l’étape de plaquage est effectuée manuellement.

Selon une deuxième possibilité, l’étape de plaquage est effectuée par un bras articulé robotisé dont des déplacements sont synchronisés avec des déplacements d’une tête du laser à fibre.

Selon une troisième possibilité, l’étape de plaquage est effectuée par un organe rapporté sur une tête du laser à fibre, ladite tête peut être pilotée à l’aide d’un joystick. Selon une variante, la tête peut également être automatisée pour suivre un circuit prédéterminé et se déplacer de manière autonome.

Description des figures

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :

[Fig. 1] La figure 1 est une représentation en perspective d’un assemblage formant partie d’un ensemble conforme à l’invention comprenant des cellules électrochimiques et des supports,
[Fig. 2] La figure 2 est une représentation schématique d’une vue de dessus de l’assemblage de la figure 1,
[Fig. 3] La figure 3 est une représentation schématique d’une vue de dessus d’une plaque conductrice formant partie de l’ensemble,
[Fig. 4] La figure 4 est une représentation schématique d’une vue de dessus de l’assemblage de la figure 1 sur lequel est positionnée la plaque conductrice de la figure 3,
[Fig. 5] La figure 5 est une représentation schématique d’une coupe AA de l’assemblage selon les axes représentés sur la figure 4,
[Fig. 6] La figure 6 est une représentation schématique d’une coupe de l’ensemble, sur laquelle des éléments complémentaires sont illustrées.

Les modes de réalisation décrits ci-après n’étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites, par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure.

Dans la suite de la description, des éléments présentant une structure identique ou des fonctions analogues seront désignés par de mêmes références.

Par souci de clarté, seuls les éléments qui sont utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, la polarité des cellules n’a pas été représentée en raison des multiples configurations possibles.

Lesfigures 1 à 6illustrent un assemblage 1 formant partie d’un ensemble 100, ledit assemblage, comprenant une pluralité de cellules électrochimiques 2 positionnée entre deux supports 10a et 10 b de l’assemblage.

Il existe bien entendu plusieurs formats de cellules. Selon l’exemple représenté, les cellules sont identiques et présentent une conformation cylindrique de section annulaire de diamètre externe 18 mm et de hauteur 65 mm, formant un corps 3 allongé creux, se terminant d’un côté par une surface supérieure 4 sur laquelle est disposée une électrode positive 5 et de l’autre côté par une surface inférieure sur laquelle est disposée une électrode négative (non représentée), chaque électrode étant en nickel ou en alliage de nickel.

Les électrodes forment une légère surépaisseur de forme circulaire au centre des surfaces supérieure et inférieure de la cellule électrochimique 2, s’étendant vers l’extérieur du corps 3. Le diamètre de l’électrode positive 5 est compris entre 6 et 7 mm, et le diamètre de l’électrode négative est compris entre 12 et 13 mm.

En variante, les cellules peuvent présenter une conformation similaire dont le diamètre est de 21 mm et la hauteur est de 70 mm, auquel cas le diamètre de l’électrode positive est compris entre 9 et 10 mm, et le diamètre de l’électrode négative est compris entre 15 et 16 mm.

Les cellules électrochimiques sont de préférence au Lithium-Ion.

Dans l’exemple représenté, les cellules électrochimiques 2 sont positionnées de telle sorte que les électrodes positives soient disposées sur une même face, par exemple la surface supérieure 4, et les électrodes négatives disposées sur une autre même face, la surface inférieure.

La figure 1 représente huit cellules conformes à la précédente description, agencées parallèlement entre-elles selon une disposition en rangée imposée par les supports 10 a et 10b.

À cet effet, les supports 10a, 10 b, sont disposés de part et d’autre des cellules, plus précisément au niveau de chaque extrémité du corps 3 des cellules électrochimiques 2.

Toujours selon l’exemple représenté, les supports 10a, 10 b sont identiques et réalisés de préférence à partir de polymères de la famille des polyacétals, par exemple le polyoxyméthylène.

Le support 10a présente une conformation prismatique rectangulaire droite dans l’exemple des figures 2 à 6.

Une face, dite face intérieure, est prévue pour recevoir l’extrémité du corps 3 des cellules électrochimiques 2 et est à cet effet pourvue de trous borgnes 14, aussi désignés sous le nom de trous de perçage, d’une profondeur es2 et d’un diamètre supérieur au diamètre externe des cellules électrochimiques.

La disposition des trous sur les supports impose la disposition des cellules électrochimiques 2.

Comme cela est illustré sur les différentes figures, les trous de perçage 14 sont agencés selon une disposition en rangée et sont espacés d’une distance constantes1(représentée sur la figure 2), déterminée pour qu’un gaz, de préférence de l’air, ou un liquide, de préférence une huile diélectrique, circule entre les corps 3 des cellules dans le but de dissiper la chaleur. La dissipation thermique est d’autant plus importante que la distance s1 est grande.

Une autre face du support, dite face extérieure, illustrée sur la figure 2, opposée à la face intérieure, présente des rainures de section rectangulaire d’une largeur d2 et d’une profondeur pr (non représentée) déterminée pour déboucher sur les trous de perçage 14, où la relation d’ordre suivante est vérifiée : pr > es1 - es2.

Ces rainures forment un quadrillage carré dans lequel l’espacement s3 entre chaque rainure est compris entre 8 et 12 mm.

À cet effet, les parties non rainurées de la face extérieure forment des saillies 15 de conformation cylindrique ayant pour base un carré de côté s3 et une hauteur égale à la profondeur des rainures.

Les saillies 15 obstruent partiellement les trous de perçage 14 et forment butée axiale lorsque les corps 3 des cellules électrochimiques 2 sont reçus dans les trous 14 du support 10 a.

À cet effet, l’intersection de deux rainures s’effectue au niveau du centre des trous de perçage 14 dont le diamètre est supérieur à la largeur d2 des rainures. De préférence, l’intersection entre deux rainures s’effectue au centre des trous de perçage 14.

Un système composé de colonnettes 17 disposées entre les supports et maintenues par des vis 17, permet le maintien de l’assemblage 1. De telles colonnettes sont taraudées selon leur axe longitudinal à leurs extrémités de sorte que des vis s’insèrent en traversant les supports. Pour ne pas tourner lors du vissage, les extrémités des colonnettes et les trous prévus pour les accueillir présentent une conformation carrée. En outre, les colonnettes 17 sont réalisées en un matériau métallique, par exemple l’aluminium.

Lorsque l’assemblage 1 est fixé et que les cellules 2 ont été agencées selon une certaine configuration, une plaque conductrice de courant 20 est positionnée pour connecter électriquement la totalité ou une partie des électrodes d’une même face.

La plaque conductrice 20 illustrée par la figure 3 est de préférence en nickel ou alliage de nickel et présente une largeur p4 et une épaisseur ep1 (figures 5 et 6) permettant la circulation de courants de plus grande intensité que les éléments conducteurs selon l’art antérieur.

La largeur p4 de la plaque conductrice est de préférence comprise entre 50 et 150 mm et l’épaisseur ep1 est de préférence supérieure à 0,3 mm, encore de préférence comprise entre 0,4 et 0,6 mm.

Des lumières 21 ayant pour conformation un carré de côté p3, sont agencées sur la plaque conductrice 20 de telle sorte que les côtés d’une lumière sont séparés d’un bord de la plaque conductrice ou d’un côté d’une autre lumière par une distancep2.

La plaque conductrice 20 peut être reçue dans les rainures du support 10a de l’assemblage 1 de telle sorte que les saillies 15 s’encastrent dans les lumières et que la plaque conductrice soit en contact mécanique avec le fond des rainures et les électrodes.

Un assemblage 50 de la plaque conductrice sur le support comme le montre la figure 4 est possible lorsque les inégalités suivantes sont vérifiées : p3 > s3 et p2 < s2.

Par ailleurs, la plaque conductrice est pourvue de trous de perçage 22 traversant l’épaisseur de la plaque selon le même axe que les lumières 21 et disposés pour déboucher sur le centre des électrodes.

Les trous de perçage 22 ont un diamètre de préférence compris entre 1 et 3 mm pour repérer visuellement le centre des électrodes afin de souder avec précision la plaque conductrice 20 aux électrodes permettant d’assurer un contact électrique permanent.

L’épaisseur ep1 de la plaque conductrice 20 n’offre pas la possibilité d’un soudage par point du fait de l’importance du courant nécessaire à la fonte d’une telle épaisseur de métal, courant qui ferait exploser les cellules s’il était mis en œuvre.

De ce fait, le soudage s’effectue au moyen d’un laser à fibre 30 (figure 6) émettant un faisceau laser 31 à partir d’une tête 32 dotée d’une fibre optique 322 guidant le faisceau.

Dans l’exemple représenté, la tête 32 peut se déplacer selon trois axes orthogonaux et est pilotable à l’aide d’un joystick (non représenté).

Il est également possible de dévier le faisceau sans déplacer la tête grâce à un dispositif de déviation optique (non représenté), par exemple à l’aide de miroirs ou de lentilles, compris au sein de la tête 32.

Le faisceau laser 31 présente un diamètre, de préférence inférieur à 1 mm, de préférence compris entre 0,1 et 0,5 mm et plus préférentiellement de 0,3 mm.

La tête 32 est positionnée de préférence à 150 mm au-dessus d’un point d’impact du faisceau laser 31 qui soude par transparence la plaque conductrice 20 et les électrodes en formant un angle de 90° avec la surface de la plaque conductrice.

En variante, le faisceau peut former un angle inférieur à 90° par exemple, compris entre 30° et 89°.

La plaque conductrice 20 est placée au plus près de la tête 32, laisse passer le faisceau laser 31 jusqu’à l’électrode positive 5, ce qui transforme la lumière en chaleur, conduisant ainsi à la fusion de la plaque conductrice 20 et d’une partie de l’électrode positive par conduction thermique.

Une pression contrôlée est exercée sur la plaque conductrice 20 durant tout le soudage pour assurer l’interdiffusion des molécules de part et d’autre du point d’impact. La pression est prédéterminée pour qu’il n’existe sensiblement aucun jeu entre la plaque conductrice 20 et l’électrode 5.

Pour ce faire, une pression est exercée par un opérateur à l’aide d’un outil de plaquage 33 non conducteur.

Un gaz, pouvant être actif ou inerte, protégeant le bain de fusion de l’oxydation produite par l’air ambiant est pulvérisé au niveau du point d’impact du faisceau laser sur la plaque conductrice par un tuyau 34 flexible et articulé, relié à la tête.

Au terme du soudage, un cordon de soudure 40 formant un cercle de rayon r, de préférence compris entre 1 et 2 mm autour du centre de l’électrode permet un contact électrique permanent entre la plaque conductrice 20 et l’électrode positive 5, comme l’illustre la figure 6.

Le cordon de soudure, la plaque conductrice et les batteries forment un ensemble 100.

Bien sûr, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l’invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. En particulier, toutes les variantes et modes de réalisation décrits précédemment sont combinables entre eux.

Claims

Ensemble (1) de cellules électrochimiques (2) de batterie, chacune des cellules disposant de deux électrodes, comprenant :
une plaque conductrice d’électricité (20) agencée pour être en contact mécanique avec les électrodes des cellules,

un cordon de soudure (40), pour chacune des cellules, au niveau du contact mécanique entre l’électrode et la plaque conductrice d’électricité, fusionnant ladite plaque conductrice d’électricité et ladite électrode, ledit cordon de soudure réalisant un contact électrique entre ladite plaque conductrice et ladite électrode, ledit cordon de soudure étant obtenu à partir d’un laser à fibre (30).
Ensemble selon la revendication 1, dans lequel la plaque conductrice (20) présente une épaisseur (ep1) comprise entre 0,4 m et 0,6 mm.
Ensemble selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la plaque conductrice (20) est formée de nickel.
Ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la plaque conductrice (20) présente une pluralité de perçages (22) débouchant sur les électrodes des cellules (2) lorsque la plaque conductrice d’électricité est en contact mécanique avec chacune des électrodes.
Ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre deux supports (10 a, 10b) disposés respectivement de part et d’autre des cellules (2) par rapport à leur axe longitudinal, lesdits supports présentant des trous (14) agencés pour loger les cellules.
Ensemble selon la revendication précédente, dans lequel la plaque conductrice (20) présente des lumières (21), les supports (10 a, 10b) présentant des saillies (15) lesdites saillies étant de forme complémentaire auxdites lumières de sorte que lesdites saillies centrent la plaque conductrice lorsque ladite plaque conductrice d’électricité est en contact mécanique avec les électrodes.
Procédé d’assemblage d’un ensemble (1) de cellules électrochimiques (2) de batterie, chacune des cellules disposant de deux électrodes, comprenant :
une mise en position d’une plaque conductrice d’électricité (20) pour être en contact mécanique avec les électrodes disposées sur une même face,

un soudage pour chacune des cellules, au niveau du contact mécanique entre l’électrode et la plaque conductrice d’électricité, pour obtenir un cordon de soudure (40), fusionnant ladite plaque conductrice d’électricité et ladite électrode, ledit cordon de soudure permettant le contact électrique entre ledit élément conducteur et ladite électrode de potentiel, ledit cordon de soudure étant obtenu à partir d’un laser à fibre (30).
Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l’étape de soudage est réalisée par transparence.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 8, dans lequel l’étape de soudage est réalisée alors qu’une force de pression est exercée sur plaque conductrice (20) vers les électrodes des cellules (2).
Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l’étape de plaquage est effectuée par un bras articulé robotisé dont des déplacements sont synchronisés avec des déplacements d’une tête (32) du laser à fibre (30).
Procédé selon la revendication 9, dans lequel l’étape de plaquage est effectuée par un organe rapporté sur une tête (32) du laser à fibre (30).