CH720305A2 - Elément de batterie sans 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.
Description
Domaine technique de l'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.
Contexte de l'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.
[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).
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
Résumé de l'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.
[0011] Un autre but est de fournir un élément de batterie sans anode et une batterie sans anode ayant une sécurité améliorée.
[0012] Un autre but est de fournir un élément de batterie sans anode et une batterie sans anode ayant une excellente 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.
[0014] Selon un premier aspect de l'invention, est fourni un élément de batterie sans anode tel qu'énoncé dans les revendications annexées.
[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.
[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.
[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).
[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.
[0019] Avantageusement, la cathode comprend en outre un liant. Le liant peut être n'importe quel liant connu dans la technique.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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).
[0031] Des exemples non limitatifs de nitrures comportent le nitrure de titane et le nitrure de vanadium.
[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.
[0033] Des exemples non limitatifs de siliciures comportent les siliciures d'aluminium.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[0047] Avantageusement, les éléments de batterie sans anode selon l'invention sont des batteries secondaires.
[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.
[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.
Description des 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.
Description détaillée de l'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.
[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.
[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.
[0054] La cathode 1 est avantageusement telle que décrite ci-dessus, et comprend un matériau actif, un matériau électroniquement conducteur et un liant.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[0075] Une extension de fil d'anode 8 est en particulier fournie lorsque le conducteur électronique 3 comprend ou consiste essentiellement en du 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.
[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.
[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.
Exemples
[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.
[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>.
[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.
[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.
[0083] Une membrane séparatrice tricouche en PVDF-PE-PVDF chargée en céramique était fournie par ailleurs dans chaque élément de batterie.
[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.
[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.
[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.
[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).
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
Nomenclature
[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
Claims (15)
1. Élément de batterie (100, 101, 102) 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 (100, 101, 102),
caractérisé en ce que l'élément de batterie (100, 101, 102) comprend en outre un substrat à grande aire surfacique (4) fourni entre la cathode (1) et le conducteur électronique (3), dans lequel au moins une partie d'une surface (5) du substrat à grande aire surfacique (4) est en contact avec au moins une partie d'une surface (6) du conducteur électronique (3).
2. Élément de batterie (101, 102) sans anode selon la revendication 1, comprenant en outre un séparateur (7) entre la cathode (1) et le substrat à grande aire surfacique (4).
3. Élément de batterie (100, 101, 102) sans anode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat à grande aire surfacique (4) possède une porosité d'au moins 40 % telle que mesurée par tomodensitométrie par rayons X.
4. Élément de batterie (100, 101, 102) sans anode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat à grande aire surfacique (4) comprend un composé organique, de préférence dans lequel le composé organique est un polymorphe de carbone ou un polymère sélectionné parmi le groupe constitué de la cellulose, de la cellulose régénérée, du polypropylène, du polyéthylène, du poly(difluorure de vinylidène), du polytétrafluoroéthylène, du polyuréthane, de l'aramide et de la soie.
5. Élément de batterie (100, 101, 102) sans anode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat à grande aire surfacique (4) comprend un composé inorganique, de préférence dans lequel le composé inorganique comprend de l'oxyde de lithium-lanthane-zirconium et/ou un polymorphe de silice.
6. Élément de batterie (100, 101, 102) sans anode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat à grande aire surfacique (4) comprend 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 % telles que mesurées par tomodensitométrie par rayons X.
7. Élément de batterie (100, 101, 102) sans anode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat à grande aire surfacique (4) comprend un composé particulaire électriquement conducteur.
8. Élément de batterie (100, 101, 102) sans anode selon la revendication 7, dans lequel les particules électriquement conductrices du composé sont agencées au sein du substrat à grande aire surfacique (4) de sorte qu'elles soient électriquement isolées les unes des autres.
9. Élément de batterie (100, 101, 102) sans anode selon la revendication 7 ou la revendication 8, dans lequel le composé particulaire électriquement conducteur comprend un métal, un alliage de deux métaux ou plus, un polymorphe de carbone, ou des combinaisons de deux ou plus de ceux-ci.
10. Élément de batterie (100, 101, 102) sans anode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat à grande aire surfacique (4) est une membrane, une mousse, un non-tissé, un textile tissé ou un textile tricoté.
11. Élément de batterie (100, 101, 102) sans anode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le conducteur électronique (3) comprend un métal, un polymère, un polymorphe de carbone, l'un ou plusieurs parmi un oxyde, un sulfure, un nitrure, un carbure ou un siliciure, ou une combinaison de deux ou plus de ceux-ci, de préférence dans lequel le métal est le cuivre, le nickel, le lithium ou l'acier, de préférence dans lequel le polymère est le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) ou la polyaniline.
12. Élément de batterie (102) sans anode selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une extension de fil d'anode (8), dans lequel au moins une partie d'une surface de l'extension de fil d'anode (8) est en contact avec au moins une partie d'une surface du conducteur électronique (3).
13. Élément de batterie (102) sans anode selon la revendication 12, dans lequel l'extension de fil d'anode (8) comprend du cuivre, du nickel, de l'acier ou une combinaison de deux ou plus de ceux-ci.
14. Élément de batterie (100, 101, 102) sans anode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'élément de batterie (100, 101, 102) est une batterie secondaire.
15. Batterie (103) sans anode comprenant un empilement de x éléments de batterie (100, 101, 102) sans anode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle x est entre 2 et 20.
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| CH001460/2022A CH720305A2 (fr) | 2022-12-07 | 2022-12-07 | Elément de batterie sans anode |
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