Une cellule Li-ion bipolaire de puissance pour des applications HEV – Green Lion®

Le Projet Green Lion® propose la mise au point de l’élément bipolaire 15 Wh, 24V, (composé de 13 compartiments unitaires LiFePO4 / Li4Ti5O12), précédemment conçu par le CEA dans le cadre d’un précédent projet financé par l’ADEME : le projet Predit POWERSAFE. Pour la réalisation de petites séries de démonstrateurs bipolaires à l’échelle du laboratoire, des équipements spéciaux (pour la découpe précise des composants, l’assemblage reproductible des cellules) ont été conçus en collaboration avec un cabinet d’ingénierie. Par l’intermédiaire du projet Green Lion®, le CEA souhaite à présent franchir les étapes qui permettront une semi-industrialisation de l’élément bipolaire mis au point.

Dans un premier temps, chaque composant fera l’objet d’une optimisation particulière :
Un benchmarking sera effectué en pile bouton pour le choix des matériaux d’électrodes positive LiFePO4 et négative Li4Ti5O12.
Un séparateur très poreux et un électrolyte de puissance seront choisis parmi les séparateurs commerciaux existant sur le marché des cellules Li-ion. Le séparateur sera également sélectionné pour sa capacité à épouser la déformation des électrodes.
Le point dur de la technologie réside dans le choix du composant (colle ou résine) qui sera employé pour sceller chaque compartiment et éviter les jonctions électrolytiques qui nuisent au bon fonctionnement de l’élément bipolaire.
Le choix d’un scellage complémentaire (enrobage de la cellule bipolaire par une résine extérieur) sera également regardé.

Dans un deuxième temps, les outils nécessaires menant à la fabrication de séries de prototypes bipolaires seront étudiés et commandés :
L’enduction des électrodes sera réalisée selon une impression de motifs dont la surface et l’épaisseur seront liées à la capacité de l’élément bipolaire. Le CEA dispose déjà d’un équipement doté de têtes d’enduction de type « SLOT DIE » qui permet des injections d’encres d’électrode sur un substrat conducteur (Al, Cu par exemple). Ce dernier doit être complété par une pompe spéciale pilotée par ordinateur, qui réalisera le contrôle « marche/arrêt » de l’injection d’encre sur le substrat au niveau de la buse.
Un outillage spécifique pour la découpe des composants (électrodes, séparateurs) sera conçu. Ce dernier sera doté d’une haute précision de découpe.
Selon la solution retenue concernant l’agent scellant des compartiments, les électrodes pourront être pré-enduites de colles selon un cadre périphérique.
L’empilement du « stack » bipolaire sera aussi mis au point. Il correspondra à une ligne d’assemblage des composants qui pourront arriver au déroulé ou alors les composants préalablement préparés sur des lignes individuelles pourront être assemblés successivement.
L’activation de l’élément bipolaire pourra être réalisée (classiquement) après l’assemblage complet de la cellule bipolaire, par l’intermédiaire de micro-seringues. Ou alors, l’emploi d’une solution alternative pourra être envisagée. Cette dernière consiste à utiliser des composants (électrodes, séparateurs) préactivés, de type gélifiés par exemple.
Les équipements commandés feront l’objet de mises au point (réglages) lorsqu’ils seront réceptionnés.

Dans un troisième temps, des séries de prototypes (une trentaine) seront réalisées et montreront la faisabilité d’un pack 150 Wh, avec un système BMS associé. Les performances des éléments bipolaires seront évaluées en tests d’endurance à régime accéléré et en autodécharge, à température ambiante et à haute température.

Enfin, la valorisation des données obtenues sera réalisée grâce à une étude du marché et du coût de l’élément bipolaire, en comparaison aux éléments Li-ion conventionnels.