CH720305A2 - Battery cell without anode - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un élément de batterie (101) sans anode comprenant une cathode (1), un électrolyte (2) et un conducteur électronique (3) fourni au niveau du côté anode de l'élément de batterie, dans lequel l'élément de batterie comprend en outre un substrat à grande aire surfacique (4) fourni entre la cathode et le conducteur électronique, dans lequel au moins une partie d'une surface (5) du substrat à grande aire surfacique est en contact avec au moins une partie d'une surface (6) du conducteur électronique. La présente invention concerne en outre une batterie sans anode comprenant un empilement d'entre 2 et 20 éléments de batterie sans anode selon l'invention.The present invention relates to an anode-free battery cell (101) comprising a cathode (1), an electrolyte (2) and an electronic conductor (3) provided at the anode side of the battery cell, wherein the cell battery further comprises a high surface area substrate (4) provided between the cathode and the electronic conductor, wherein at least a portion of a surface (5) of the high surface area substrate is in contact with at least a portion of a surface (6) of the electronic conductor. The present invention further relates to an anodeless battery comprising a stack of between 2 and 20 anodeless battery cells according to the invention.
Description
Domaine technique de l'inventionTechnical field of the invention
[0001] La présente invention concerne des éléments de batterie sans anode et des batteries sans anode comprenant un empilement d'éléments de batterie sans anode. The present invention relates to battery elements without anode and batteries without anode comprising a stack of battery elements without anode.
Contexte de l'inventionBackground of the invention
[0002] Récemment, le développement et l'amélioration des batteries pour divers dispositifs nécessitant des batteries, tels que les téléphones portables, les appareils ménagers sans fil et les véhicules et vélos électriques, est devenu un domaine important de recherche et d'intérêt. En particulier le domaine des batteries secondaires progresse, par le développement de batteries plus petites et plus légères, ayant une durée de vie améliorée. [0002] Recently, the development and improvement of batteries for various devices requiring batteries, such as cell phones, wireless home appliances, and electric vehicles and bicycles, has become an important area of research and interest. In particular, the field of secondary batteries is progressing, through the development of smaller and lighter batteries, with an improved lifespan.
[0003] Conformément à ces récents développements, une batterie secondaire au lithium ayant du lithium métallique en tant que matériau actif a attiré l'attention. Le lithium métallique est connu pour posséder les caractéristiques d'un faible potentiel redox (-3,045 V par rapport à une électrode standard à hydrogène) ainsi qu'une densité d'énergie pondérale élevée (3860 mAh/g), ce qui fait du lithium métallique un matériau intéressant pour l'électrode négative (anode). [0003] In accordance with these recent developments, a secondary lithium battery having metallic lithium as an active material has attracted attention. Lithium metal is known to possess the characteristics of a low redox potential (-3.045 V compared to a standard hydrogen electrode) as well as a high weight energy density (3860 mAh/g), which makes lithium metallic an interesting material for the negative electrode (anode).
[0004] Il est connu d'utiliser du lithium métallique en tant qu'électrode négative par la fixation d'une feuille de lithium au collecteur de courant d'anode. Cependant, comme le lithium est un métal alcalin, il réagit avec l'eau et l'oxygène à cause de sa forte réactivité. Ceci a pour inconvénient que de telles batteries sont considérées comme peu sûres, à cause du risque de leur explosion lors, par exemple, d'une fuite vers l'environnement. La manipulation de feuilles de lithium est en outre également dangereuse. [0004] It is known to use metallic lithium as a negative electrode by attaching a lithium sheet to the anode current collector. However, since lithium is an alkali metal, it reacts with water and oxygen due to its high reactivity. This has the disadvantage that such batteries are considered unsafe, due to the risk of their explosion during, for example, a leak into the environment. Furthermore, handling lithium foil is also dangerous.
[0005] En outre, lors d'une exposition de lithium métallique à l'atmosphère, une couche d'oxyde est typiquement formée en conséquence d'une oxydation. Une telle couche d'oxyde tend à agir comme un isolant, ce qui augmente la résistance électrique et ainsi réduit la performance de la batterie. [0005] Furthermore, upon exposure of metallic lithium to the atmosphere, an oxide layer is typically formed as a result of oxidation. Such an oxide layer tends to act as an insulator, which increases electrical resistance and thus reduces battery performance.
[0006] Afin de résoudre ce problème, des éléments de batterie sans anode ont été développés. De tels éléments de batterie comprennent typiquement uniquement un collecteur de courant d'anode, et une couche de lithium en tant qu'anode est formée (déposée) in situ sur le collecteur de courant d'anode au cours de la première charge de la batterie. [0006] In order to solve this problem, battery cells without anode have been developed. Such battery cells typically include only an anode current collector, and a layer of lithium as an anode is formed (deposited) in situ on the anode current collector during the first charge of the battery .
[0007] US2020/0203757 divulgue une batterie secondaire au lithium comprenant une électrode positive, une électrode négative, et un séparateur et un électrolyte interposé entre les électrodes. L'électrode négative comprend un collecteur de courant d'électrode négative et, au cours d'une charge, du lithium métallique est formé sur le collecteur de courant d'électrode négative. [0007] US2020/0203757 discloses a secondary lithium battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and a separator and an electrolyte interposed between the electrodes. The negative electrode includes a negative electrode current collector, and during charging, lithium metal is formed on the negative electrode current collector.
[0008] US2016/0261000 divulgue une batterie rechargeable sans anode comprenant un collecteur de courant d'anode, une cathode et un séparateur placé entre le collecteur de courant d'anode et la cathode. La batterie comprend en outre un électrolyte comportant un sel ou un mélange de sels contenant un cation actif dissous dans un solvant ou un mélange de solvants. Le cation actif peut être le lithium, le sodium, le potassium, le magnésium, le calcium, le zinc, l'aluminium ou l'argent. Au cours du premier cycle de charge, une couche du métal du cation est formée sur le collecteur de courant d'anode. [0008] US2016/0261000 discloses a rechargeable battery without anode comprising an anode current collector, a cathode and a separator placed between the anode current collector and the cathode. The battery further comprises an electrolyte comprising a salt or a mixture of salts containing an active cation dissolved in a solvent or a mixture of solvents. The active cation may be lithium, sodium, potassium, magnesium, calcium, zinc, aluminum or silver. During the first charge cycle, a layer of the cation metal is formed on the anode current collector.
[0009] Les inconvénients avec de telles batteries sans anode sont que des dendrites sont facilement formées, conduisant à un court-circuit et à une perte de performance de l'élément de batterie. Un autre inconvénient comporte une durée de vie limitée de telles batteries sans anode, qui par exemple comporte un nombre limité de cycles de charge/décharge. [0009] The disadvantages with such anode-less batteries are that dendrites are easily formed, leading to a short circuit and a loss of performance of the battery cell. Another disadvantage involves a limited lifespan of such anode-free batteries, which for example includes a limited number of charge/discharge cycles.
Résumé de l'inventionSummary of the invention
[0010] Un but de la présente invention est de surmonter l'une ou plusieurs des lacunes qui précèdent. Un but de la présente invention est de fournir un élément de batterie sans anode et une batterie sans anode ayant un risque réduit de court-circuit, par rapport aux éléments de batterie sans anode et aux batteries sans anode de l'état de la technique. [0010] An aim of the present invention is to overcome one or more of the above shortcomings. An object of the present invention is to provide an anode-free battery cell and an anode-free battery having a reduced risk of short circuit, compared to anode-free battery cells and anode-free batteries of the prior art.
[0011] Un autre but est de fournir un élément de batterie sans anode et une batterie sans anode ayant une sécurité améliorée. [0011] Another aim is to provide a battery cell without anode and a battery without anode having improved safety.
[0012] Un autre but est de fournir un élément de batterie sans anode et une batterie sans anode ayant une excellente performance. [0012] Another aim is to provide an anode-free battery cell and an anode-free battery having excellent performance.
[0013] Un autre but est de fournir un élément de batterie sans anode et une batterie sans anode ayant une durée de vie améliorée, par exemple des éléments de batterie sans anode et des batteries sans anode qui peuvent résister à un plus grand nombre de cycles de charge/décharge. [0013] Another aim is to provide an anode-free battery cell and an anode-free battery having an improved lifespan, for example anode-free battery cells and anode-free batteries which can withstand a greater number of cycles. charge/discharge.
[0014] Selon un premier aspect de l'invention, est fourni un élément de batterie sans anode tel qu'énoncé dans les revendications annexées. [0014] According to a first aspect of the invention, a battery cell without anode is provided as set out in the appended claims.
[0015] L'élément de batterie sans anode comprend un collecteur de courant de cathode, une cathode, un électrolyte et un conducteur électronique fourni au niveau du côté anode de l'élément de batterie. [0015] The anodeless battery cell includes a cathode current collector, a cathode, an electrolyte and an electronic conductor provided at the anode side of the battery cell.
[0016] Le collecteur de courant de cathode peut être n'importe quel collecteur de courant de cathode connu dans la technique. Par exemple, le collecteur de courant de cathode peut comprendre ou consister essentiellement en de l'aluminium. [0016] The cathode current collector can be any cathode current collector known in the art. For example, the cathode current collector may comprise or consist essentially of aluminum.
[0017] Avantageusement, la cathode comprend un matériau actif. Avantageusement, le matériau actif comprend ou consiste essentiellement en un ou plusieurs éléments parmi un métal alcalin, un métal alcalino-terreux ou un métal de transition. Avantageusement, le métal alcalin est le lithium ou le sodium. Par exemple, le matériau actif peut comprendre ou consister essentiellement en des composés d'intercalation à base de métal alcalin, de métal alcalino-terreux ou de métal de transition. Avantageusement, le métal alcalino-terreux est le magnésium. Avantageusement, le métal de transition est l'aluminium ou le zinc. Des exemples non limitatifs de composés d'intercalation comprennent le phosphate de lithium-fer (LFP) et le phosphate de sodium-fer (NFP). D'autres exemples non limitatifs de matériaux actifs sont l'oxyde de lithium-nickel-cobalt-aluminium (NCA), l'oxyde de lithium-nickel-cobalt-manganèse (NMC), l'oxyde de lithium-manganèse (LMO), l'oxyde de lithium-nickel-manganèse (LNMO) et l'oxyde de lithium-cobalt (LCO). Advantageously, the cathode comprises an active material. Advantageously, the active material comprises or consists essentially of one or more elements from an alkali metal, an alkaline earth metal or a transition metal. Advantageously, the alkali metal is lithium or sodium. For example, the active material may comprise or consist essentially of alkali metal, alkaline earth metal or transition metal intercalation compounds. Advantageously, the alkaline earth metal is magnesium. Advantageously, the transition metal is aluminum or zinc. Non-limiting examples of intercalation compounds include lithium iron phosphate (LFP) and sodium iron phosphate (NFP). Other non-limiting examples of active materials are lithium-nickel-cobalt-aluminum oxide (NCA), lithium-nickel-cobalt-manganese oxide (NMC), lithium-manganese oxide (LMO) , lithium-nickel-manganese oxide (LNMO) and lithium-cobalt oxide (LCO).
[0018] Avantageusement, la cathode comprend en outre un composé électroniquement conducteur. Le composé électroniquement conducteur peut être n'importe quel composé électriquement conducteur connu dans la technique. Advantageously, the cathode further comprises an electronically conductive compound. The electronically conductive compound may be any electrically conductive compound known in the art.
[0019] Avantageusement, la cathode comprend en outre un liant. Le liant peut être n'importe quel liant connu dans la technique. Advantageously, the cathode further comprises a binder. The binder may be any binder known in the art.
[0020] L'électrolyte peut être n'importe quel type d'électrolyte connu dans la technique. Avantageusement, l'électrolyte est un électrolyte (à l'état) solide ou un électrolyte liquide. Lorsque l'électrolyte est un électrolyte (à l'état) solide, l'électrolyte comprend avantageusement une céramique, un polymère ou une combinaison de deux ou plus de ceux-ci. L'électrolyte peut être un électrolyte non aqueux. The electrolyte can be any type of electrolyte known in the art. Advantageously, the electrolyte is a solid (in the state) electrolyte or a liquid electrolyte. When the electrolyte is a solid (state) electrolyte, the electrolyte advantageously comprises a ceramic, a polymer or a combination of two or more of these. The electrolyte may be a non-aqueous electrolyte.
[0021] Avantageusement, et en particulier lorsque l'électrolyte est un électrolyte liquide, l'élément de batterie sans anode comprend en outre un séparateur, tel qu'une membrane séparatrice, fourni entre la cathode et le substrat à grande aire surfacique. Le séparateur peut être n'importe quel séparateur connu dans la technique. Advantageously, and in particular when the electrolyte is a liquid electrolyte, the battery cell without anode further comprises a separator, such as a separator membrane, provided between the cathode and the substrate with a large surface area. The separator may be any separator known in the art.
[0022] L'élément de batterie sans anode comprend en outre un substrat à grande aire surfacique. Le substrat à grande aire surfacique est fourni entre la cathode et le conducteur électronique. The battery cell without anode further comprises a substrate with a large surface area. The large surface area substrate is provided between the cathode and the electronic conductor.
[0023] Au moins une partie d'une (première) surface du substrat à grande aire surfacique est en contact avec au moins une partie d'une surface du conducteur électronique. [0023] At least part of a (first) surface of the substrate with a large surface area is in contact with at least part of a surface of the electronic conductor.
[0024] Avantageusement, au moins une partie d'une (deuxième) surface du substrat à grande aire surfacique est en contact avec l'électrolyte. Avantageusement, le conducteur électronique n'est pas en contact avec l'électrolyte. Advantageously, at least part of a (second) surface of the substrate with a large surface area is in contact with the electrolyte. Advantageously, the electronic conductor is not in contact with the electrolyte.
[0025] Avantageusement, le conducteur électronique comprend ou consiste essentiellement en au moins un métal. Avantageusement, le métal est le cuivre, un alliage de cuivre, le nickel, un alliage de nickel, le lithium, un alliage de lithium ou l'acier. L'acier peut être, sans s'y limiter, un acier inoxydable ou un acier au carbone. Par exemple, le conducteur électronique peut comprendre une feuille de cuivre plaquée au nickel. Advantageously, the electronic conductor comprises or essentially consists of at least one metal. Advantageously, the metal is copper, a copper alloy, nickel, a nickel alloy, lithium, a lithium alloy or steel. The steel may be, but is not limited to, stainless steel or carbon steel. For example, the electronic conductor may include nickel-plated copper foil.
[0026] En variante, et en variante ou de plus, le conducteur électronique comprend ou consiste essentiellement en un polymère. Des exemples préférés de polymères, sans s'y limiter, comportent le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT) et la polyaniline. [0026] Alternatively, and alternatively or additionally, the electronic conductor comprises or consists essentially of a polymer. Preferred examples of polymers, but not limited to, include poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) and polyaniline.
[0027] En variante, et en variante ou de plus, le conducteur électronique comprend ou consiste essentiellement en du carbone. Des exemples préférés de carbone, sans s'y limiter, comportent le noir de carbone, les nanotubes de carbone, le graphite ou une combinaison de deux ou plus de ceux-ci. [0027] Alternatively, and alternatively or additionally, the electronic conductor comprises or consists essentially of carbon. Preferred examples of carbon, but not limited to, include carbon black, carbon nanotubes, graphite or a combination of two or more thereof.
[0028] En variante, et en variante ou de plus, le conducteur électronique comprend ou consiste essentiellement en l'un ou plusieurs parmi un oxyde, un sulfure, un nitrure, un carbure ou un siliciure. [0028] Alternatively, and alternatively or additionally, the electronic conductor comprises or consists essentially of one or more of an oxide, a sulfide, a nitride, a carbide or a silicide.
[0029] Des exemples non limitatifs d'oxydes comportent l'oxyde de ruthénium, l'oxyde de fer, l'oxyde de manganèse, l'oxyde de vanadium, l'oxyde de nickel, l'oxyde de cuivre et l'oxyde de zinc. [0029] Non-limiting examples of oxides include ruthenium oxide, iron oxide, manganese oxide, vanadium oxide, nickel oxide, copper oxide and oxide zinc.
[0030] Des exemples non limitatifs de sulfures comportent les sulfures de métaux de transition, tels que le sulfure de titane (TiS2) et les sulfures de vanadium (VS et VS2). Non-limiting examples of sulfides include transition metal sulfides, such as titanium sulfide (TiS2) and vanadium sulfides (VS and VS2).
[0031] Des exemples non limitatifs de nitrures comportent le nitrure de titane et le nitrure de vanadium. Non-limiting examples of nitrides include titanium nitride and vanadium nitride.
[0032] Des exemples non limitatifs de carbures comportent le carbure de silicium et les carbures de métaux de transition, tels que le carbure d'aluminium et le carbure de titane. Non-limiting examples of carbides include silicon carbide and transition metal carbides, such as aluminum carbide and titanium carbide.
[0033] Des exemples non limitatifs de siliciures comportent les siliciures d'aluminium. Non-limiting examples of silicides include aluminum silicides.
[0034] Avantageusement, le substrat à grande aire surfacique possède une porosité d'au moins 40 %, dans lequel la porosité est mesurée par tomodensitométrie par rayons X. Par „une porosité d'au moins 40 %“, on entend dans le cadre de la présente divulgation que le substrat à grande aire surfacique possède une porosité d'au moins 40 % à chaque emplacement ou aire du substrat. [0034] Advantageously, the substrate with a large surface area has a porosity of at least 40%, in which the porosity is measured by X-ray tomography. By "a porosity of at least 40%", we mean in the context of the present disclosure that the high surface area substrate has a porosity of at least 40% at each location or area of the substrate.
[0035] Par exemple, le substrat à grande aire surfacique peut comprendre une première aire ayant une première porosité et au moins une deuxième aire ayant une deuxième porosité, dans lequel la première porosité et la deuxième porosité sont différentes et sont, individuellement, d'au moins 40 %. En outre, un substrat ayant une porosité d'au moins 40 % est, dans le cadre de la présente invention, considéré comme un substrat poreux. [0035] For example, the substrate with a large surface area may comprise a first area having a first porosity and at least a second area having a second porosity, in which the first porosity and the second porosity are different and are, individually, of at least 40%. Furthermore, a substrate having a porosity of at least 40% is, in the context of the present invention, considered to be a porous substrate.
[0036] Avantageusement, le substrat à grande aire surfacique comprend ou consiste essentiellement en un composé organique. Avantageusement, le composé organique comprend ou consiste essentiellement en, c'est-à-dire est, un polymère. En variante, et avantageusement, le composé organique comprend ou consiste essentiellement en, c'est-à-dire est, un polymorphe de carbone. Advantageously, the substrate with a large surface area comprises or consists essentially of an organic compound. Advantageously, the organic compound comprises or consists essentially of, that is to say is, a polymer. Alternatively, and advantageously, the organic compound comprises or consists essentially of, i.e. is, a polymorph of carbon.
[0037] Avantageusement, le polymère est sélectionné parmi le groupe constitué de la cellulose, de la cellulose régénérée (viscose), du polypropylène, du polyéthylène, du poly(difluorure de vinylidène), du polytétrafluoroéthylène, du polyuréthane, de l'aramide et de la soie. D'autres exemples du composé organique comportent la laine et le polyaramide. Advantageously, the polymer is selected from the group consisting of cellulose, regenerated cellulose (viscose), polypropylene, polyethylene, poly(vinylidene difluoride), polytetrafluoroethylene, polyurethane, aramid and Silk. Other examples of the organic compound include wool and polyaramid.
[0038] Des exemples non limitatifs d'un polymorphe de carbone comportent le graphène, les nanotubes de carbone, le graphite, le carbone dur et le noir de carbone. [0038] Non-limiting examples of a carbon polymorph include graphene, carbon nanotubes, graphite, hard carbon and carbon black.
[0039] Avantageusement, et de plus ou en variante, le substrat à grande aire surfacique comprend ou consiste essentiellement en un composé inorganique. Avantageusement, le composé inorganique comprend ou consiste essentiellement en de l'oxyde de lithium-lanthane-zirconium (LLZO) et/ou un polymorphe de silice. Des exemples non limitatifs de polymorphes de silice comportent le quartz, la cristobalite, la tridymite, la coésite, la stishovite, la lechateliérite et l'opale. Advantageously, and additionally or alternatively, the substrate with a large surface area comprises or consists essentially of an inorganic compound. Advantageously, the inorganic compound comprises or consists essentially of lithium-lanthanum-zirconium oxide (LLZO) and/or a silica polymorph. Non-limiting examples of silica polymorphs include quartz, cristobalite, tridymite, coesite, stishovite, lechatelierite and opal.
[0040] Facultativement, le substrat à grande aire surfacique peut en outre comprendre un composé particulaire électriquement conducteur, c'est-à-dire un composé électriquement conducteur comprenant des particules. Les inventeurs ont découvert de façon surprenante que par la fourniture d'un composé particulaire électriquement conducteur au sein du substrat à grande aire surfacique, lors de l'utilisation de l'élément de batterie sans anode, un dépôt des un ou plusieurs parmi un métal alcalin, un métal alcalino-terreux ou un métal de transition compris au sein du matériau actif de la cathode générera plus aisément, par ex. plus rapidement, une conduction électrique qui est suffisamment élevée pour que l'élément de batterie soit opérationnel, comparativement à un élément de batterie comprenant un substrat à grande aire surfacique sans le composé particulaire. Les inventeurs pensent que ceci est réalisé car le métal déposé (c'est-à-dire le métal dérivé d'ions des un ou plusieurs parmi un métal alcalin, un métal alcalino-terreux ou un métal de transition compris au sein du matériau actif de la cathode) seront électriquement connectés entre eux au moyen du composé particulaire électriquement conducteur. En d'autres termes, un moindre dépôt d'ions métalliques, en utilisation, est requis pour que l'élément de batterie présente une conduction électrique suffisamment élevée. Optionally, the substrate with a large surface area may further comprise an electrically conductive particulate compound, that is to say an electrically conductive compound comprising particles. The inventors have surprisingly discovered that by providing an electrically conductive particulate compound within the large surface area substrate, when using the battery cell without an anode, a deposition of one or more of a metal alkaline, an alkaline earth metal or a transition metal included within the active material of the cathode will more easily generate, e.g. more quickly, electrical conduction that is high enough for the battery cell to be operational, compared to a battery cell comprising a high surface area substrate without the particulate compound. The inventors believe that this is achieved because the deposited metal (i.e., metal derived from ions of one or more of an alkali metal, an alkaline earth metal or a transition metal included within the active material of the cathode) will be electrically connected to each other by means of the electrically conductive particulate compound. In other words, less deposition of metal ions, in use, is required for the battery cell to have sufficiently high electrical conduction.
[0041] Avantageusement, lorsque le substrat à grande aire surfacique comprend un composé particulaire électriquement conducteur, les particules sont agencées ou fournies au sein du substrat à grande aire surfacique de sorte que les particules soient électriquement isolées. Par exemple, les particules peuvent être agencées de sorte que chaque particule individuelle soit physiquement isolée, c'est-à-dire ne soit pas en contact avec, d'autres particules. Advantageously, when the substrate with a large surface area comprises an electrically conductive particulate compound, the particles are arranged or provided within the substrate with a large surface area so that the particles are electrically isolated. For example, particles can be arranged so that each individual particle is physically isolated from, that is, not in contact with, other particles.
[0042] Avantageusement, lorsque le substrat à grande aire surfacique comprend un composé particulaire électriquement conducteur, le composé comprend un métal, un alliage de deux métaux ou plus, un polymorphe de carbone, ou des combinaisons de deux ou plus de ceux-ci. Des exemples de polymorphes de carbone sont avantageusement tels que décrits ci-dessus, et sont en particulier les nanotubes de carbone ou le graphène. Un exemple particulier d'un alliage de deux métaux ou plus est un intermétallique. Advantageously, when the substrate with a large surface area comprises an electrically conductive particulate compound, the compound comprises a metal, an alloy of two or more metals, a polymorph of carbon, or combinations of two or more of these. Examples of carbon polymorphs are advantageously as described above, and are in particular carbon nanotubes or graphene. A particular example of an alloy of two or more metals is an intermetallic.
[0043] Avantageusement, lorsque le substrat à grande aire surfacique comprend un composé particulaire électriquement conducteur, les particules possèdent une taille moyenne d'entre 1 nm et 1 mm, telles que des nanoparticules ou des microparticules. Les particules peuvent posséder des tailles moyennes ou des diamètres moyens variables. Advantageously, when the substrate with a large surface area comprises an electrically conductive particulate compound, the particles have an average size of between 1 nm and 1 mm, such as nanoparticles or microparticles. The particles may have varying average sizes or average diameters.
[0044] Le substrat à grande aire surfacique peut posséder n'importe quelle forme ou géométrie ou structure fournissant au substrat une grande aire surfacique. Avantageusement, le substrat à grande aire surfacique est une membrane, une mousse, un non-tissé, un textile tissé ou un textile tricoté. Avantageusement, la membrane et la mousse sont des membranes et des mousses à cellules ouvertes. The substrate with a large surface area can have any shape or geometry or structure providing the substrate with a large surface area. Advantageously, the substrate with a large surface area is a membrane, a foam, a non-woven fabric, a woven textile or a knitted textile. Advantageously, the membrane and the foam are open cell membranes and foams.
[0045] Avantageusement, l'élément de batterie sans anode comprend en outre une extension de fil d'anode. Avantageusement, au moins une partie d'une surface de l'extension de fil d'anode est en contact avec au moins une partie d'une surface du conducteur électronique. Avantageusement, l'extension de fil d'anode n'est pas en contact avec le substrat à grande aire surfacique. Advantageously, the battery cell without anode further comprises an anode wire extension. Advantageously, at least part of a surface of the anode wire extension is in contact with at least part of a surface of the electronic conductor. Advantageously, the anode wire extension is not in contact with the substrate with a large surface area.
[0046] Avantageusement, l'extension de fil d'anode comprend ou consiste essentiellement en au moins un métal. Avantageusement, le métal est le cuivre, un alliage de cuivre, le nickel, un alliage de nickel ou l'acier. L'acier peut être, sans s'y limiter, un acier inoxydable ou un acier au carbone. Avantageusement, l'extension de fil d'anode ne comprend pas de lithium ou d'alliage de lithium. Advantageously, the anode wire extension comprises or essentially consists of at least one metal. Advantageously, the metal is copper, a copper alloy, nickel, a nickel alloy or steel. The steel may be, but is not limited to, stainless steel or carbon steel. Advantageously, the anode wire extension does not include lithium or lithium alloy.
[0047] Avantageusement, les éléments de batterie sans anode selon l'invention sont des batteries secondaires. Advantageously, the battery elements without anode according to the invention are secondary batteries.
[0048] Selon un deuxième aspect de l'invention, est fournie une batterie sans anode telle qu'énoncée dans les revendications annexées. La batterie sans anode comprend un empilement de x éléments de batterie sans anode selon le premier aspect de la présente invention, dans laquelle x est entre 2 et 20, de préférence entre 2 et 10, tel qu'entre 2 et 5. [0048] According to a second aspect of the invention, a battery without anode is provided as set out in the appended claims. The anode-free battery comprises a stack of x anode-free battery elements according to the first aspect of the present invention, in which x is between 2 and 20, preferably between 2 and 10, such as between 2 and 5.
[0049] Les avantages des éléments de batterie sans anode et des batteries sans anode de la présente divulgation comportent, sans s'y limiter, une formation réduite de dendrites, ce qui conduit à un risque réduit de court-circuit. Par conséquent, les éléments de batterie et les batteries de la présente divulgation possèdent une durée de vie améliorée, c'est-à-dire qu'ils peuvent supporter un plus grand nombre de cycles de charge/décharge. [0049] The advantages of the anodeless battery cells and anodeless batteries of the present disclosure include, but are not limited to, reduced dendrite formation, which leads to a reduced risk of short circuiting. Therefore, the battery cells and batteries of the present disclosure have an improved lifespan, i.e., they can withstand a greater number of charge/discharge cycles.
Description des figuresDescription of figures
[0050] Des aspects de l'invention vont maintenant être décrits plus en détail en se référant aux dessins annexés, sur lesquels des numéros de référence identiques illustrent des éléments identiques et dans lesquels : – la Figure 1 représente schématiquement un élément de batterie sans anode selon la présente divulgation ; – la Figure 2 représente schématiquement un autre élément de batterie sans anode selon la présente divulgation ; et – la Figure 3 représente schématiquement encore un autre élément de batterie sans anode selon la présente divulgation ; – la Figure 4 représente schématiquement une batterie sans anode comprenant un empilement d'éléments de batterie sans anode selon la présente divulgation ; – la Figure 5 montre la tension en fonction de la charge spécifique pour plusieurs cycles de charge/décharge pour un élément de batterie sans anode selon la présente divulgation ; – la Figure 6 montre la tension en fonction de la charge spécifique pour plusieurs cycles de charge/décharge pour un élément de batterie sans anode de référence ; – la Figure 7 montre la tension en fonction de la charge spécifique pour plusieurs cycles de charge/décharge pour un élément de batterie au lithium métallique de référence ; – la Figure 8 montre la tension en fonction de la charge spécifique pour un cycle de charge/décharge pour un élément de batterie sans anode selon la présente divulgation, un élément de batterie sans anode de référence et un élément de batterie au lithium métallique de référence ; – la Figure 9 montre la tension en fonction de la charge spécifique pour le deuxième cycle de décharge pour un élément de batterie sans anode selon la présente divulgation, un élément de batterie sans anode de référence et un élément de batterie au lithium métallique de référence.[0050] Aspects of the invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which identical reference numbers illustrate identical elements and in which: – Figure 1 schematically represents a battery element without an anode according to this disclosure; – Figure 2 schematically represents another battery element without anode according to the present disclosure; and – Figure 3 schematically represents yet another battery element without anode according to the present disclosure; – Figure 4 schematically represents a battery without anode comprising a stack of battery elements without anode according to the present disclosure; – Figure 5 shows the voltage as a function of the specific charge for several charge/discharge cycles for a battery cell without an anode according to the present disclosure; – Figure 6 shows the voltage versus specific charge for several charge/discharge cycles for a battery cell without a reference anode; – Figure 7 shows the voltage versus specific charge for several charge/discharge cycles for a reference lithium metal battery cell; – Figure 8 shows the voltage versus specific charge for a charge/discharge cycle for an anodeless battery cell according to the present disclosure, a reference anodeless battery cell, and a reference lithium metal battery cell ; – Figure 9 shows the voltage versus specific charge for the second discharge cycle for an anodeless battery cell according to the present disclosure, a reference anodeless battery cell and a reference lithium metal battery cell.
Description détaillée de l'inventionDetailed description of the invention
[0051] La Figure 1 montre un élément de batterie 100 sans anode selon la présente divulgation. L'élément de batterie 100 comprend un collecteur de courant de cathode 9, une cathode 1 et un électrolyte 2. [0051] Figure 1 shows a battery cell 100 without anode according to the present disclosure. The battery cell 100 includes a cathode current collector 9, a cathode 1 and an electrolyte 2.
[0052] Le collecteur de courant de cathode 9 est avantageusement tel que décrit ci-dessus. De préférence, le collecteur de courant de cathode 9 comprend ou consiste essentiellement en de l'aluminium. The cathode current collector 9 is advantageously as described above. Preferably, the cathode current collector 9 comprises or consists essentially of aluminum.
[0053] Avantageusement, et comme cela est connu dans la technique, le collecteur de courant de cathode 9 s'étend à partir de la batterie 100 sans anode. En d'autres termes, le collecteur de courant de cathode 9 possède avantageusement une partie s'étendant à partir de l'empilement comprenant le substrat à grande aire surfacique 4, l'électrolyte 2, le séparateur 7 facultatif et la cathode 1. Ceci peut être réalisé au moyen de procédés connus dans la technique, par exemple par la fourniture d'un collecteur de courant de cathode 9 ayant une aire surfacique qui est plus grande que l'aire surfacique de la cathode 1. Comme cela est connu, une telle extension permet une connexion ou un couplage aisé(e) du collecteur de courant de cathode 9 à la circuiterie électronique (non représentée) à laquelle le conducteur électronique 3 est avantageusement également connecté ou couplé. Advantageously, and as is known in the art, the cathode current collector 9 extends from the battery 100 without an anode. In other words, the cathode current collector 9 advantageously has a part extending from the stack comprising the substrate with a large surface area 4, the electrolyte 2, the optional separator 7 and the cathode 1. This can be achieved by methods known in the art, for example by providing a cathode current collector 9 having a surface area which is larger than the surface area of the cathode 1. As is known, a such an extension allows easy connection or coupling of the cathode current collector 9 to the electronic circuitry (not shown) to which the electronic conductor 3 is advantageously also connected or coupled.
[0054] La cathode 1 est avantageusement telle que décrite ci-dessus, et comprend un matériau actif, un matériau électroniquement conducteur et un liant. The cathode 1 is advantageously as described above, and comprises an active material, an electronically conductive material and a binder.
[0055] Le matériau actif est avantageusement tel que décrit ci-dessus. Avantageusement, la cathode comprend entre 25 % et 99,7 % en poids du matériau actif sur la base du poids total de la cathode, tel qu'entre 40 % et 99,5 % en poids, de préférence entre 50 % et 99 % en poids, par exemple entre 60 % et 97,5 % en poids, plus préférentiellement entre 75 % et 95 % en poids. The active material is advantageously as described above. Advantageously, the cathode comprises between 25% and 99.7% by weight of the active material based on the total weight of the cathode, such as between 40% and 99.5% by weight, preferably between 50% and 99%. by weight, for example between 60% and 97.5% by weight, more preferably between 75% and 95% by weight.
[0056] Avantageusement, le matériau électroniquement conducteur comprend un matériau comprenant du carbone, tel que les fibres de carbone, les nanotubes de carbone, le carbone particulaire (par ex. une poudre), ou une combinaison de deux ou plus de ceux-ci. Avantageusement, le matériau électroniquement conducteur est un matériau électroniquement conducteur à base de carbone, tel que le graphite. [0056] Advantageously, the electronically conductive material comprises a material comprising carbon, such as carbon fibers, carbon nanotubes, particulate carbon (eg a powder), or a combination of two or more of these . Advantageously, the electronically conductive material is an electronically conductive material based on carbon, such as graphite.
[0057] Avantageusement, la cathode comprend entre 0,1 % et 30 % en poids du matériau électroniquement conducteur sur la base du poids total de l'électrode, tel qu'entre 0,25 % et 25 % en poids, de préférence entre 0,5 % et 20 % en poids, par exemple entre 1 % et 15 % en poids, plus préférentiellement entre 2 % et 10 % en poids. [0057] Advantageously, the cathode comprises between 0.1% and 30% by weight of the electronically conductive material based on the total weight of the electrode, such as between 0.25% and 25% by weight, preferably between 0.5% and 20% by weight, for example between 1% and 15% by weight, more preferably between 2% and 10% by weight.
[0058] Avantageusement, le liant comprend ou consiste essentiellement en un caoutchouc, tel que le caoutchouc styrène-butadiène (SBR) ou le latex, le poly(fluorure de vinylidène) (PVDF), et la polyvinylpyrolidone (PVP), en particulier la PVP à haut poids moléculaire. Advantageously, the binder comprises or consists essentially of a rubber, such as styrene-butadiene rubber (SBR) or latex, poly(vinylidene fluoride) (PVDF), and polyvinylpyrolidone (PVP), in particular High molecular weight PVP.
[0059] Avantageusement, la cathode comprend entre 0,1 % et 30 % en poids du liant sur la base du poids total de la cathode, tel qu'entre 0,25 % et 25 % en poids, de préférence 0,5 % et 20 % en poids, par exemple entre 0,75 % et 15 % en poids, plus préférentiellement entre 1 % et 10 % en poids. [0059] Advantageously, the cathode comprises between 0.1% and 30% by weight of the binder based on the total weight of the cathode, such as between 0.25% and 25% by weight, preferably 0.5%. and 20% by weight, for example between 0.75% and 15% by weight, more preferably between 1% and 10% by weight.
[0060] L'élément de batterie 100 sans anode comprend en outre un substrat à grande aire surfacique 4. Le substrat à grande aire surfacique 4 est avantageusement fourni au niveau d'un côté de l'électrolyte 2 opposé au côté de la cathode 1. Le substrat à grande aire surfacique 4 est avantageusement tel que décrit ci-dessus. The battery cell 100 without anode further comprises a substrate with a large surface area 4. The substrate with a large surface area 4 is advantageously provided at one side of the electrolyte 2 opposite the side of the cathode 1 The substrate with a large surface area 4 is advantageously as described above.
[0061] Le substrat à grande aire surfacique 4 peut comprendre ou consister en une monocouche, ou peut comprendre une pluralité de couches, c'est-à-dire deux couches ou plus. Lorsque le substrat à grande aire surfacique 4 comprend deux couches ou plus, elles peuvent être identiques ou différentes. Par exemple, elles peuvent posséder une composition, une structure, une forme, une épaisseur ou une porosité identiques ou différentes. Avantageusement, chaque couche possède une porosité d'au moins 40 %, dans lequel la porosité est mesurée au moyen d'une tomodensitométrie par rayons X. The substrate with a large surface area 4 may comprise or consist of a monolayer, or may comprise a plurality of layers, that is to say two or more layers. When the large surface area substrate 4 comprises two or more layers, they may be identical or different. For example, they may have the same or different composition, structure, shape, thickness or porosity. Advantageously, each layer has a porosity of at least 40%, in which the porosity is measured by means of X-ray computed tomography.
[0062] Par exemple, le substrat à grande aire surfacique 4 peut comprendre une première couche comprenant ou consistant essentiellement en un composé organique et une deuxième couche comprenant ou consistant essentiellement en un composé inorganique. Par exemple, le substrat à grande aire surfacique 4 peut comprendre une première couche comprenant ou consistant essentiellement en de la cellulose ou de la cellulose régénérée et une deuxième couche comprenant ou consistant essentiellement en du LLZO. For example, the substrate with a large surface area 4 may comprise a first layer comprising or consisting essentially of an organic compound and a second layer comprising or consisting essentially of an inorganic compound. For example, the large surface area substrate 4 may comprise a first layer comprising or consisting essentially of cellulose or regenerated cellulose and a second layer comprising or consisting essentially of LLZO.
[0063] L'élément de batterie 100 sans anode comprend en outre un conducteur électronique 3. Au moins une partie d'une surface 6 du conducteur électronique 3 est en contact avec au moins une partie d'une surface 5 du substrat à grande aire surfacique 4. The battery cell 100 without anode further comprises an electronic conductor 3. At least part of a surface 6 of the electronic conductor 3 is in contact with at least part of a surface 5 of the large area substrate surface 4.
[0064] Avantageusement, le conducteur électronique 3 s'étend à partir de l'élément de batterie 100 sans anode. En d'autres termes, le conducteur électronique 3 possède avantageusement une partie s'étendant à partir de l'empilement comprenant le substrat à grande aire surfacique 4, l'électrolyte 2, la cathode 1 et le collecteur de courant de cathode 9. Une telle extension permet une connexion ou un couplage aisé(e) du conducteur électronique 3 à la circuiterie électronique (non représentée) à laquelle le collecteur de courant de cathode 9 est avantageusement également connecté ou couplé. Advantageously, the electronic conductor 3 extends from the battery element 100 without an anode. In other words, the electronic conductor 3 advantageously has a part extending from the stack comprising the substrate with a large surface area 4, the electrolyte 2, the cathode 1 and the cathode current collector 9. such an extension allows easy connection or coupling of the electronic conductor 3 to the electronic circuitry (not shown) to which the cathode current collector 9 is advantageously also connected or coupled.
[0065] Avantageusement, la surface 5 du substrat à grande aire surfacique 4 qui est au moins partiellement en contact avec le conducteur électronique 3 est différente de la surface du substrat à grande aire surfacique 4 en contact avec l'électrolyte 2. Grâce à cela, un court-circuit est avantageusement empêché. Advantageously, the surface 5 of the substrate with a large surface area 4 which is at least partially in contact with the electronic conductor 3 is different from the surface of the substrate with a large surface area 4 in contact with the electrolyte 2. Thanks to this , a short circuit is advantageously prevented.
[0066] Avantageusement, le conducteur électronique initie le dépôt du métal dérivé des ions métalliques originaires du matériau actif de cathode - c'est-à-dire des ions du métal alcalin, du métal alcalino-terreux ou du métal de transition du matériau actif de la cathode. Avantageusement, le conducteur électronique entretient en outre le dépôt des ions métalliques du matériau actif. Dans le cadre de la présente invention, l'initiation et/ou l'entretien du dépôt des ions métalliques du matériau actif est considéré comme une conduction de courant. Par ce principe de fonctionnement, une anode est formée in situ sur et au sein du substrat à grande aire surfacique 4. [0066] Advantageously, the electronic conductor initiates the deposition of the metal derived from the metal ions originating from the active cathode material - that is to say ions of the alkali metal, the alkaline earth metal or the transition metal of the active material of the cathode. Advantageously, the electronic conductor also maintains the deposition of metal ions of the active material. In the context of the present invention, the initiation and/or maintenance of the deposition of metal ions of the active material is considered as current conduction. By this operating principle, an anode is formed in situ on and within the substrate with a large surface area 4.
[0067] Avantageusement, les ions métalliques sont déposés sur la ou les surface(s) du substrat à grande aire surfacique 4. Les inventeurs ont découvert qu'en utilisant un substrat à grande aire surfacique 4 selon la présente divulgation au lieu d'un collecteur de courant d'anode nu ou d'une anode classique (par exemple une couche métallique (par ex. une couche de lithium métallique) fixée sur un collecteur de courant d'anode), la formation de dendrites est fortement réduite, et même empêchée. Par conséquent, le risque de court-circuit au sein de l'élément de batterie est grandement réduit, ce qui améliore la sécurité et la durée de vie de l'élément de batterie. [0067] Advantageously, the metal ions are deposited on the surface(s) of the substrate with a large surface area 4. The inventors have discovered that by using a substrate with a large surface area 4 according to the present disclosure instead of a bare anode current collector or a conventional anode (e.g. a metallic layer (e.g. a metallic lithium layer) fixed on an anode current collector), the formation of dendrites is greatly reduced, and even prevented. Therefore, the risk of short circuit within the battery cell is greatly reduced, improving the safety and life of the battery cell.
[0068] La Figure 2 montre un autre élément de batterie 101 sans anode. L'élément de batterie 101 comprend avantageusement un collecteur de courant de cathode 9, une cathode 1, un substrat à grande aire surfacique 4 et un conducteur électronique 3 comme divulgué ci-dessus pour l'élément de batterie 100 de la Figure 1. [0068] Figure 2 shows another battery element 101 without anode. The battery cell 101 advantageously comprises a cathode current collector 9, a cathode 1, a large surface area substrate 4 and an electronic conductor 3 as disclosed above for the battery cell 100 of Figure 1.
[0069] L'élément de batterie 101 sans anode comprend en outre un séparateur 7. Un séparateur 7 est utilisé, en particulier, lorsque l'électrolyte est liquide. Avantageusement, le séparateur 7 est une membrane séparatrice, c'est-à-dire une membrane séparatrice de batterie. Le séparateur 7 peut être une membrane séparatrice poreuse. The battery cell 101 without anode further comprises a separator 7. A separator 7 is used, in particular, when the electrolyte is liquid. Advantageously, the separator 7 is a separator membrane, that is to say a battery separator membrane. The separator 7 may be a porous separator membrane.
[0070] Avantageusement, le séparateur comprend ou consiste essentiellement en un ou plusieurs polymères. Avantageusement, et en variante ou de plus, la membrane séparatrice de batterie peut être un matériau céramique. Par exemple, le séparateur peut comprendre un polymère chargé en céramique. Advantageously, the separator comprises or consists essentially of one or more polymers. Advantageously, and alternatively or additionally, the battery separator membrane may be a ceramic material. For example, the separator may comprise a ceramic-filled polymer.
[0071] Des exemples non limitatifs de polymères appropriés comportent le polypropylène (PP), le polyéthylène (PE), le polytétrafluoroéthylène (PTFE) et le poly(fluorure de vinylidène) (PVDF). Le PP, le PE, le PTFE et le PVDF sont des matériaux préférés en raison de leur caractère chimiquement inerte. Cependant, ils ne sont pas facilement mouillés, tandis qu'il est préférable que le séparateur poreux puisse absorber l'électrolyte liquide. Pour ce faire, le PP, le PE, le PTFE et/ou le PVDF peuvent être traités avec un traitement de surface ou un revêtement, tel qu'un revêtement par pulvérisation, un revêtement par trempage ou un revêtement par plasma - plasma à pression atmosphérique ou plasma à basse pression. [0071] Non-limiting examples of suitable polymers include polypropylene (PP), polyethylene (PE), polytetrafluoroethylene (PTFE) and poly(vinylidene fluoride) (PVDF). PP, PE, PTFE and PVDF are preferred materials due to their chemically inert nature. However, they are not easily wet, while it is better if the porous separator can absorb the liquid electrolyte. To achieve this, PP, PE, PTFE and/or PVDF can be treated with a surface treatment or coating, such as spray coating, dip coating or plasma coating - pressure plasma atmospheric or low pressure plasma.
[0072] Le séparateur peut comprendre une couche ou une pluralité de couches. Un séparateur multicouche d'intérêt particulier est un séparateur tricouche PVDF-PE-PVDF, facultativement chargé en céramique. The separator may comprise one layer or a plurality of layers. A multilayer separator of particular interest is a PVDF-PE-PVDF trilayer separator, optionally ceramic loaded.
[0073] La Figure 3 montre encore un autre élément de batterie 102 sans anode selon l'invention. L'élément de batterie 102 sans anode comprend un collecteur de courant de cathode 9, une cathode 1, un électrolyte 2, un séparateur 7, un substrat à grande aire surfacique 4 et un conducteur électronique 3 comme divulgué ci-dessus, par exemple pour l'élément de batterie 101 de la Figure 2. [0073] Figure 3 shows yet another battery element 102 without anode according to the invention. The anodeless battery cell 102 comprises a cathode current collector 9, a cathode 1, an electrolyte 2, a separator 7, a high surface area substrate 4 and an electronic conductor 3 as disclosed above, e.g. battery cell 101 of Figure 2.
[0074] L'élément de batterie 12 comprend en outre une extension de fil d'anode 8. L'extension de fil d'anode 8 est avantageusement telle que décrite ci-dessus. Avantageusement, l'extension de fil d'anode 8 est capable d'une collecte de courant. The battery element 12 further comprises an anode wire extension 8. The anode wire extension 8 is advantageously as described above. Advantageously, the anode wire extension 8 is capable of current collection.
[0075] Une extension de fil d'anode 8 est en particulier fournie lorsque le conducteur électronique 3 comprend ou consiste essentiellement en du lithium. [0075] An anode wire extension 8 is in particular provided when the electronic conductor 3 comprises or consists essentially of lithium.
[0076] Lorsque le conducteur électronique 3 ne comprend pas de lithium, une extension de fil d'anode 8 est de préférence facultativement fournie. Si elle est fournie, l'extension de fil d'anode 8 peut posséder la même composition ou une composition différente du conducteur électronique 3 sans lithium. [0076] When the electronic conductor 3 does not comprise lithium, an anode wire extension 8 is preferably optionally provided. If provided, the anode wire extension 8 may have the same or a different composition of the electronic conductor 3 without lithium.
[0077] Par „ne comprenant pas de lithium“ et „sans lithium“, on entend dans la présente divulgation que la quantité de lithium est au-dessous de la limite de détection de la technique d'analyse utilisée pour mesurer la quantité de lithium présente dans le substrat ou composé. [0077] By “not comprising lithium” and “without lithium”, we mean in the present disclosure that the quantity of lithium is below the detection limit of the analytical technique used to measure the quantity of lithium. present in the substrate or compound.
[0078] La Figure 4 montre schématiquement une batterie 103 sans anode. La batterie 103 sans anode comprend un empilement de 2 éléments de batterie 101 sans anode de la Figure 2, dans laquelle les éléments de batterie 101 (adjacents) partagent un collecteur de courant de cathode 9. [0078] Figure 4 schematically shows a battery 103 without anode. The anodeless battery 103 comprises a stack of 2 anodeless battery cells 101 of Figure 2, in which the (adjacent) battery cells 101 share a cathode current collector 9.
ExemplesExamples
[0079] Deux éléments de batterie sans anode étaient fournis: un élément de batterie sans anode de référence et un élément de batterie selon la présente divulgation. En outre, une anode comprenant un élément de batterie de référence était fournie par ailleurs. [0079] Two anode-free battery cells were provided: a reference anode-free battery cell and a battery cell according to the present disclosure. In addition, an anode including a reference battery cell was provided elsewhere.
[0080] Les trois éléments de batterie comprenaient un collecteur de courant de cathode en aluminium. Le collecteur de courant de cathode en aluminium avait une surface de 47,88 cm<2>. [0080] The three battery cells included an aluminum cathode current collector. The aluminum cathode current collector had an area of 47.88 cm<2>.
[0081] La cathode de chaque élément de batterie comprenait 95 % en poids de NCA (numéro CAS 193214-24-3) en tant que matériau actif, 3 % en poids de liant en PVDF et 2 % en poids de noir de carbone en tant que composé électroniquement conducteur, sur la base du poids total de la cathode. La cathode était soudée au collecteur de courant de cathode en aluminium. [0081] The cathode of each battery cell comprised 95% by weight of NCA (CAS number 193214-24-3) as active material, 3% by weight of PVDF binder and 2% by weight of carbon black in as an electronically conductive compound, based on the total weight of the cathode. The cathode was soldered to the aluminum cathode current collector.
[0082] 7 g d'électrolyte étaient utilisés dans chaque élément de batterie. L'électrolyte comprenait 40 % en poids de bis(fluorosulfonyl)imide de lithium (LiFSI), 30 % en poids de diméthoxyéthane (DME) en tant que solvant et 30 % en poids de 1,1,2,2-tétrafluoroéthyl-2,2,3,3-tétrafluoropropyléther (HFE-458, numéro CAS 16627-68-2), sur la base du poids total de l'électrolyte. [0082] 7 g of electrolyte were used in each battery cell. The electrolyte comprised 40 wt% lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI), 30 wt% dimethoxyethane (DME) as solvent, and 30 wt% 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2 ,2,3,3-tetrafluoropropylether (HFE-458, CAS number 16627-68-2), based on the total weight of the electrolyte.
[0083] Une membrane séparatrice tricouche en PVDF-PE-PVDF chargée en céramique était fournie par ailleurs dans chaque élément de batterie. [0083] A three-layer separator membrane made of PVDF-PE-PVDF loaded with ceramic was also provided in each battery cell.
[0084] L'élément de batterie selon la présente divulgation comprenait un matériau de cellulose de 14 µm d'épaisseur en tant que substrat à grande aire surfacique. Le conducteur électronique utilisé était une feuille de lithium métallique de 50 µm d'épaisseur ayant une aire surfacique de 4 cm<2>, ce qui est largement plus petit que l'aire surfacique du collecteur de courant de cathode. Une feuille de cuivre était utilisée en tant qu'extension de fil d'anode. [0084] The battery cell according to the present disclosure comprised a 14 μm thick cellulose material as a substrate with a large surface area. The electronic conductor used was a sheet of metallic lithium 50 μm thick having a surface area of 4 cm<2>, which is significantly smaller than the surface area of the cathode current collector. Copper foil was used as an anode wire extension.
[0085] L'élément de batterie de référence sans anode comprenait une feuille de cuivre de 6 µm d'épaisseur en tant que collecteur de courant d'anode. La feuille de cuivre avait une aire surfacique de 49 cm<2>, ce qui est un peu plus grand que l'aire surfacique du collecteur de courant de cathode - comme cela est connu dans le domaine. [0085] The reference battery cell without anode included a 6 μm thick copper foil as an anode current collector. The copper foil had a surface area of 49 cm<2>, which is somewhat larger than the surface area of the cathode current collector - as is known in the art.
[0086] L'élément de batterie de référence comprenant une anode comprenait une feuille de lithium métallique de 25 µm en tant qu'anode et une feuille de cuivre en tant que collecteur de courant d'anode. La feuille de lithium métallique était soudée à la feuille de cuivre comme cela est connu dans la technique. L'aire surfacique du collecteur de courant d'anode était de 49 cm<2>, ce qui est un peu plus grand que l'aire surfacique du collecteur de courant de cathode - comme cela est connu dans le domaine. [0086] The reference battery cell comprising an anode comprised a 25 μm metallic lithium foil as an anode and a copper foil as an anode current collector. The metallic lithium foil was soldered to the copper foil as is known in the art. The surface area of the anode current collector was 49 cm<2>, which is somewhat larger than the surface area of the cathode current collector - as is known in the art.
[0087] Les éléments de batterie étaient ensuite été chargés et déchargés, suivi de deux cycles complets de charge/décharge à C/10 (0,4 mA/cm<2>) entre 4,3 V et 3,0 V. Les mesures sont présentées sur les Figures 5 à 9, où la tension (axe Y) est représentée en fonction de la charge spécifique (axe X). [0087] The battery cells were then charged and discharged, followed by two complete charge/discharge cycles at C/10 (0.4 mA/cm<2>) between 4.3 V and 3.0 V. The Measurements are shown in Figures 5 to 9, where voltage (Y axis) is plotted as a function of specific load (X axis).
[0088] La Figure 5 montre les résultats pour un élément de batterie sans anode selon la présente divulgation, représentant la tension (V) en fonction de la charge spécifique (exprimée en Ah/kg). Après la première charge, représentée par la ligne 200, l'élément de batterie était déchargé (ligne 202). La ligne 201 montre les valeurs pour la charge et la ligne 202 pour la décharge lors des deux cycles complets de charge/décharge suivants. Pour le premier et le deuxième cycle complet de charge/décharge, il a été remarqué que les valeurs de charge et de décharge ne varient significativement pas entre chaque cycle. [0088] Figure 5 shows the results for a battery cell without anode according to the present disclosure, representing the voltage (V) as a function of the specific load (expressed in Ah/kg). After the first charge, represented by line 200, the battery cell was discharged (line 202). Line 201 shows the values for charging and line 202 for discharging during the next two complete charge/discharge cycles. For the first and second complete charge/discharge cycles, it was noticed that the charge and discharge values do not vary significantly between each cycle.
[0089] La Figure 6 montre les résultats pour l'élément de batterie de référence sans anode, représentant la tension (V) en fonction de la charge spécifique (exprimée en Ah/kg). Après la première charge, représentée par la ligne 203, l'élément de batterie était déchargé (ligne 205). La ligne 204 montre les valeurs pour la charge et la ligne 205 pour la décharge lors des deux cycles complets de charge/décharge suivants. Pour le premier et le deuxième cycle complet de charge/décharge, il a été remarqué que les valeurs de charge et de décharge ne varient significativement pas entre chaque cycle. [0089] Figure 6 shows the results for the reference battery cell without anode, representing the voltage (V) as a function of the specific load (expressed in Ah/kg). After the first charge, represented by line 203, the battery cell was discharged (line 205). Line 204 shows the values for charging and line 205 for discharging during the next two complete charge/discharge cycles. For the first and second complete charge/discharge cycles, it was noticed that the charge and discharge values do not vary significantly between each cycle.
[0090] La Figure 7 montre les résultats pour l'élément de batterie de référence comprenant une anode, représentant la tension (V) en fonction de la charge spécifique (exprimée en Ah/kg). Dans cet élément de batterie, la feuille de lithium métallique était stratifiée sur la feuille de cuivre. Après la première charge, représentée par la ligne 206, l'élément de batterie était déchargé (ligne 208). La ligne 207 montre les valeurs pour la charge et la ligne 208 pour la décharge lors des deux cycles complets de charge/décharge suivants. Pour le premier et le deuxième cycle complet de charge/décharge, il a été remarqué que les valeurs de charge et de décharge ne varient significativement pas entre chaque cycle. [0090] Figure 7 shows the results for the reference battery cell comprising an anode, representing the voltage (V) as a function of the specific load (expressed in Ah/kg). In this battery cell, the metallic lithium foil was laminated onto the copper foil. After the first charge, represented by line 206, the battery cell was discharged (line 208). Line 207 shows the values for charging and line 208 for discharging during the next two complete charge/discharge cycles. For the first and second complete charge/discharge cycles, it was noticed that the charge and discharge values do not vary significantly between each cycle.
[0091] La Figure 8 montre les résultats pour le premier cycle complet de charge/décharge pour la totalité des trois éléments de batterie ensemble, qui représentent la pleine utilisation de la cathode des éléments de batterie. La Figure 9 montre les résultats pour la deuxième courbe de décharge pour la totalité des trois éléments de batterie sans anode ensemble. [0091] Figure 8 shows the results for the first complete charge/discharge cycle for all three battery cells together, which represent the full cathode utilization of the battery cells. Figure 9 shows the results for the second discharge curve for all three anode-free battery cells together.
[0092] Il est clair d'après les Figures 8 et 9 que l'élément de batterie de la présente invention montre une performance similaire aux éléments de batterie de référence. Cependant, l'aire surfacique du conducteur électronique utilisé au lieu du collecteur de courant d'anode des batteries de référence est plus de 10 fois plus petite. Par conséquent, la quantité de matériau nécessaire pour le côté anode de la batterie est bien plus faible, ce qui conduit à un élément de batterie plus économique. [0092] It is clear from Figures 8 and 9 that the battery cell of the present invention shows similar performance to the reference battery cells. However, the surface area of the electronic conductor used instead of the anode current collector of the reference batteries is more than 10 times smaller. Therefore, the amount of material needed for the anode side of the battery is much lower, leading to a more economical battery cell.
NomenclatureNomenclature
[0093] 1. cathode 2. électrolyte 3. conducteur électronique 4. substrat à grande aire surfacique 5. surface du substrat à grande aire surfacique 6. surface du conducteur électronique 7. séparateur 8. extension de fil d'anode 9. collecteur de courant de cathode 10. cathode 100. élément de batterie sans anode 101. élément de batterie sans anode 102. élément de batterie sans anode 103. batterie sans anode 200. première charge - élément de batterie sans anode 1 201. deuxième et troisième charge - élément de batterie sans anode 1 202. première, deuxième et troisième décharge - élément de batterie sans anode 1 203. première charge - élément de batterie sans anode 2 204. deuxième et troisième charge - élément de batterie sans anode 2 205. première, deuxième et troisième décharge - élément de batterie sans anode 2 206. première charge - élément de batterie sans anode 3 207. deuxième et troisième charge - élément de batterie sans anode 3 208. première, deuxième et troisième décharge - élément de batterie sans anode 3 209. deuxième décharge - élément de batterie sans anode 1 210. deuxième décharge - élément de batterie sans anode 2 211. deuxième décharge - élément de batterie sans anode 3 [0093] 1. cathode 2. electrolyte 3. electronic conductor 4. substrate with large surface area 5. surface of the substrate with large surface area 6. surface of the electronic conductor 7. separator 8. anode wire extension 9. collector cathode current 10. cathode 100. battery cell without anode 101. battery cell without anode 102. battery cell without anode 103. battery without anode 200. first charge - battery cell without anode 1 201. second and third charge - battery cell without anode 1 202. first, second and third discharge - battery cell without anode 1 203. first charge - battery cell without anode 2 204. second and third charge - battery cell without anode 2 205. first, second and third discharge - battery cell without anode 2 206. first charge - battery cell without anode 3 207. second and third charge - battery cell without anode 3 208. first, second and third discharge - battery cell without anode 3 209 . second discharge - battery cell without anode 1 210. second discharge - battery cell without anode 2 211. second discharge - battery cell without anode 3
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH001460/2022A CH720305A2 (en) | 2022-12-07 | 2022-12-07 | Battery cell without anode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH001460/2022A CH720305A2 (en) | 2022-12-07 | 2022-12-07 | Battery cell without anode |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CH720305A2 true CH720305A2 (en) | 2024-06-14 |
Family
ID=91432184
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CH001460/2022A CH720305A2 (en) | 2022-12-07 | 2022-12-07 | Battery cell without anode |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CH (1) | CH720305A2 (en) |
-
2022
- 2022-12-07 CH CH001460/2022A patent/CH720305A2/en unknown
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