JP2013008653A - モニタリング電極及びこれを含む二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】二次電池の陽極と陰極間の電位差だけでなく、陽極及び陰極の個別電圧を測定することができるモニタリング電極及びこれを含む二次電池を提供する。
【解決手段】本発明によるモニタリング電極は、陽極(140)、陰極(160)、分離膜、及び電解液(120)からなる二次電池(100)の陽極(140)と陰極(160)の個別電圧を測定するためのモニタリング電極であって、前記二次電池(100)に挿入されて電解液(120)に含浸され、陽極(140)または陰極(160)と接しないように位置する一側端部(320)、及び、前記一側端部(320)から分岐した分岐部(342)、(344)がそれぞれ陽極(140)及び陰極(160)に連結された他側端部(340)、を含むことを特徴とする。
【選択図】 図1
【解決手段】本発明によるモニタリング電極は、陽極(140)、陰極(160)、分離膜、及び電解液(120)からなる二次電池(100)の陽極(140)と陰極(160)の個別電圧を測定するためのモニタリング電極であって、前記二次電池(100)に挿入されて電解液(120)に含浸され、陽極(140)または陰極(160)と接しないように位置する一側端部(320)、及び、前記一側端部(320)から分岐した分岐部(342)、(344)がそれぞれ陽極(140)及び陰極(160)に連結された他側端部(340)、を含むことを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
本発明はモニタリング電極及びこれを含む二次電池に係り、より詳しくは、二次電池の陽極と陰極間の電位差だけでなく、陽極及び陰極の個別電圧を測定することができるモニタリング電極及びこれを含む二次電池に関する。
電気自動車、ハイブリッド車などの場合、バッテリーの安全性が車両の商品価値に直結する。現在電気自動車用バッテリーのエネルギー容量は16〜27kWhであるが、このような電気自動車のバッテリーシステムにおいてエネルギーを蓄積/放出するのはバッテリーのセル(CELL、単電池)であり、同一エネルギー容量を基準とするとき、セルの数が少ないほど器物、電装品などを減らすことができるため、バッテリーシステムの軽量化及び体積減少が可能である。よって、ハイブリッド車や電気自動車では、バッテリーセルの高エネルギー化が要求されている。
しかし、エネルギーは容量と電圧の乗数値であるため、単電池セルの高エネルギー化は単電池容量の増大及び高密度化を意味するが、バッテリーの安全性は容量とエネルギー密度に反比例するため、高エネルギー化になるほど安全性は低下する問題がある。
したがって、バッテリーの性能と安全性を持続的にモニタリングして事故を未然に防止するには、単電池の陽極と陰極の個別電圧のモニタリングが必要となる。 陽極と陰極の個別電圧モニタリング電極及びこれを含む二次電池を構成する場合には、バッテリーの性能の劣化を防止して耐久寿命を改善することができ、安全性の制御/管理が可能で高電圧バッテリーの安全性及び商品性の向上を期待することができる。
したがって、バッテリーの性能と安全性を持続的にモニタリングして事故を未然に防止するには、単電池の陽極と陰極の個別電圧のモニタリングが必要となる。 陽極と陰極の個別電圧モニタリング電極及びこれを含む二次電池を構成する場合には、バッテリーの性能の劣化を防止して耐久寿命を改善することができ、安全性の制御/管理が可能で高電圧バッテリーの安全性及び商品性の向上を期待することができる。
また、バッテリーは他の車両部品と異なり、経時劣化する部品であるため、顧客に正確な情報(残り存走行距離など)を提供するには、SOH(State of Health)の診断が重要である。しかし、現在は電池の両端間の電圧変化から抵抗を計算してSOHを推定する方法しかないのが実情である。
一方、電気自動車では充電時間の短縮に対するユーザーの要求が高い。一般的に、電気自動車のバッテリーは低温または急速充電の際、陰極の電圧が0V以下に落ちなければリチウム析出が発生せずバッテリーの劣化もない。このような点を活用するためにもバッテリー両端の電圧を個別に測定することができる技術が要求されている。
一方、電気自動車では充電時間の短縮に対するユーザーの要求が高い。一般的に、電気自動車のバッテリーは低温または急速充電の際、陰極の電圧が0V以下に落ちなければリチウム析出が発生せずバッテリーの劣化もない。このような点を活用するためにもバッテリー両端の電圧を個別に測定することができる技術が要求されている。
特に、従来のリチウム二次電池は、正常充電完了の際、電池電圧が4.2V、陽極電圧が4.3V、陰極電圧が0.1Vの水準である。しかし、低温充電、急速充電などの異常充電時には陽極と陰極の過電圧上昇によって電池の電圧は4.2Vであっても陽極電圧が4.3V以上に上昇するか、陰極電圧が0.1V以下に落ちることとなる。
この場合、陽極電圧が4.3V以上に上昇すれば、電解液の分解が発生して性能の劣化を引き起こし、副反応によって電池の内部でガスが発生する。また、陰極電圧が0V以下に落ちる場合には、リチウムイオンが陰極の内部に入ることができずに金属リチウムとして析出してバッテリーの性能の劣化及び内部短絡などによる安全性の低下を引き起こす(リチウムはイオン状態では安定であるが、金属状態は不安定)。したがって、このような問題を解決するために、陽極と陰極の独立電圧測定技術が必要となる。
この場合、陽極電圧が4.3V以上に上昇すれば、電解液の分解が発生して性能の劣化を引き起こし、副反応によって電池の内部でガスが発生する。また、陰極電圧が0V以下に落ちる場合には、リチウムイオンが陰極の内部に入ることができずに金属リチウムとして析出してバッテリーの性能の劣化及び内部短絡などによる安全性の低下を引き起こす(リチウムはイオン状態では安定であるが、金属状態は不安定)。したがって、このような問題を解決するために、陽極と陰極の独立電圧測定技術が必要となる。
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、二次電池の陽極と陰極間の電位差だけでなく、陽極及び陰極の個別電圧を測定することができるモニタリング電極及びこれを含む二次電池を提供することにその目的がある。
前記目的を達成するための本発明によるモニタリング電極は、陽極(140)、陰極(160)、分離膜、及び電解液(120)からなる二次電池(100)の陽極(140)と陰極(160)の個別電圧を測定するためのモニタリング電極であって、前記二次電池(100)に挿入されて電解液(120)に含浸され、陽極(140)または陰極(160)と接しないように位置する一側端部(320)、及び、前記一側端部(320)から分岐した分岐部(342)、(344)がそれぞれ陽極(140)及び陰極(160)に連結された他側端部(340)、を含むことを特徴とする。
前記一側端部(320)は絶縁膜(322)でコートされ、電解液(120)の内部で陽極(140)及び陰極(160)から絶縁されることを特徴とする。
前記一側端部(320)は、白金、リチウム、チタン酸リチウムのいずれか1種でコートされることを特徴とする。
また、本発明は、陽極(140)、陰極(160)、分離膜、及び電解液(120)からなる二次電池(100)の陽極(140)と陰極(160)の個別電圧を測定するためのモニタリング電極であって、前記二次電池(100)に挿入されて電解液(120)に含浸され、陽極(140)または陰極(160)と接しないように位置する一側端部(320)、及び、前記一側端部(320)からそれぞれ伸びて陽極(140)及び陰極(160)に連結された他側端部(340)、を含むことを特徴とする。
また、本発明は、内部空間が形成された電池外装材、前記外装材の内部空間に挿入される陽極(140)、陰極(160)及び分離膜、前記外装材の内部空間に満たされる電解液(120)、及び、前記外装材の内部空間に一側端部(320)が挿入されて電解液(120)に含浸され、陽極(140)または陰極(160)と接しないように位置し、他側端部(340)は一側端部(320)から分岐された分岐部(342)、(344)がそれぞれ陽極(140)及び陰極(160)に連結されたモニタリング電極(300)、を含むことを特徴とする。
前記モニタリング電極(300)の一側端部(320)と分岐された分岐部(342)、(344)にそれぞれ連結されて、一側端部(320)と陽極(140)または一側端部(320)と陰極(160)または陽極(140)と陰極(160)を電気的に連結するスイッチング部(400)、をさらに含むことを特徴とする。
前記スイッチング部(400)に連結され、一側端部(320)と陽極(140)または一側端部(320)と陰極(160)の間の電位差を測定する電圧測定部、をさらに含むことを特徴とする。
本発明によれば、二次電池の陽極と陰極間の電位差だけでなく、陽極及び陰極の個別電圧を測定することができるので、電池性能の劣化を防止し、安全性及び商品価値を高めることができる。
また、電池の急速充電技術の問題点が除去されるので、今後のバッテリー充電技術の開発に大きな役目を果たすことができる。
また、電池の急速充電技術の問題点が除去されるので、今後のバッテリー充電技術の開発に大きな役目を果たすことができる。
以下、添付図面を参照して本発明モニタリング電極及びこれを含む二次電池について詳細に説明する。
図1は本発明の一実施例による二次電池を示す斜視図、図2は図1に示す二次電池の構成図である。
本発明の実施例による二次電池に使われるモニタリング電極は、陽極140、陰極160、分離膜、及び電解液120からなる二次電池100の陽極140と陰極160の個別電圧を測定するためのモニタリング電極であり、二次電池100に挿入されて電解液120に含浸され、陽極140または陰極160と接しないように位置する一側端部320、及び一側端部320から分岐された分岐部342、344がそれぞれ陽極140及び陰極160に連結された他側端部340、を含む。
図1は本発明の一実施例による二次電池を示す斜視図、図2は図1に示す二次電池の構成図である。
本発明の実施例による二次電池に使われるモニタリング電極は、陽極140、陰極160、分離膜、及び電解液120からなる二次電池100の陽極140と陰極160の個別電圧を測定するためのモニタリング電極であり、二次電池100に挿入されて電解液120に含浸され、陽極140または陰極160と接しないように位置する一側端部320、及び一側端部320から分岐された分岐部342、344がそれぞれ陽極140及び陰極160に連結された他側端部340、を含む。
基本的な二次電池100は外部ハウジングである外装材を備え、その外装材の内部に陽極140、陰極160及びこれを分離する分離板が埋設され、電解液120が満たされることで構成品が含浸されるように構成される。
本発明のモニタリング電極300はこのような二次電池100に設置されるもので、一側端部320と他側端部340で構成され、一側端部320は二次電池100の一側空間に挿入されて電解液120に含浸される。この際、重要なことは、モニタリング電極300の一側端部320が電池100の陽極140及び陰極160の両方に共に接することの防止である。
本発明のモニタリング電極300はこのような二次電池100に設置されるもので、一側端部320と他側端部340で構成され、一側端部320は二次電池100の一側空間に挿入されて電解液120に含浸される。この際、重要なことは、モニタリング電極300の一側端部320が電池100の陽極140及び陰極160の両方に共に接することの防止である。
モニタリング電極300の他側端部340は一側端部320から分岐された分岐部342、344が電池の外部でそれぞれ陽極140及び陰極160に連結される。このように構成される場合、モニタリング電極300は三つのノードを持つようになり、各ノードは電池の電解液120、陽極140、陰極160にそれぞれ連結される。このようなモニタリング電極300は後述するスイッチング部400に連結されて陽極140と陰極160を電気的に連結するか、あるいは陽極140と一側端部320または陰極160と一側端部320を連結することで、電池の両端間の電位差だけでなく陽極140の独立的な電圧または陰極160の独立的な電圧を測定することができる。
このように、陽極140と陰極160の独立電圧を測定することができる場合、その電極の電圧値は後に電極の安全性評価または急速充電時の劣化を防止するためのデータとして用いられるので、その活用度が非常に高いと言える。
一方、前記モニタリング電極の一側端部320は絶縁膜322でコートされて、電解液120の内部で陽極140及び陰極160から絶縁されるようにする。絶縁膜322を形成する方法にはいろいろあるが、分離膜材質の絶縁膜322を適用することが最も効率的である。これは、モニタリング電極300の一側端部320は陽極140及び陰極160とは絶縁されるが、電解質120とは電気的な接続が要求されるからである。
また、前記一側端部320は白金、リチウム、チタン酸リチウムのいずれか1種でコートされたことを特徴とする。
一方、前記モニタリング電極の一側端部320は絶縁膜322でコートされて、電解液120の内部で陽極140及び陰極160から絶縁されるようにする。絶縁膜322を形成する方法にはいろいろあるが、分離膜材質の絶縁膜322を適用することが最も効率的である。これは、モニタリング電極300の一側端部320は陽極140及び陰極160とは絶縁されるが、電解質120とは電気的な接続が要求されるからである。
また、前記一側端部320は白金、リチウム、チタン酸リチウムのいずれか1種でコートされたことを特徴とする。
図3は本発明の他の実施例による二次電池の構成図である。図3のモニタリング電極は、陽極140、陰極160、分離膜、及び電解液120からなる二次電池100の陽極140と陰極160の個別電圧を測定するためのモニタリング電極であり、二次電池100に挿入されて電解液120に含浸されるが、陽極140または陰極160と接しないように位置する一側端部320、及び一側端部320からそれぞれ伸びて陽極140及び陰極160に連結された他側端部340、を含む。
この場合には、モニタリング電極300が元々2本の場合であり、このように構成する場合には、別のスイッチング部400が不要であり、陽極140または陰極160に連結されたモニタリング電極300を用いて独立にかつ同時に両端の電圧測定が可能である。
この場合には、モニタリング電極300が元々2本の場合であり、このように構成する場合には、別のスイッチング部400が不要であり、陽極140または陰極160に連結されたモニタリング電極300を用いて独立にかつ同時に両端の電圧測定が可能である。
一方、このようなモニタリング電極が適用された二次電池は、内部空間が形成された電池外装材、外装材の内部空間に挿入される陽極140、陰極160及び分離膜、外装材の内部空間に満たされる電解液120、及び外装材の内部空間に一側端部320が挿入されて電解液120に含浸され、陽極140または陰極160と接しないように位置し、他側端部340は一側端部120から分岐された分岐部342、344がそれぞれ陽極140及び陰極160に連結されたモニタリング電極300、を含む。
ここで、モニタリング電極300の一側端部320と分岐された他側端部342、344にそれぞれ連結されて、一側端部320と陽極140または一側端部320と陰極160または陽極140と陰極160を電気的に連結するスイッチング部400、をさらに含む。
ここで、モニタリング電極300の一側端部320と分岐された他側端部342、344にそれぞれ連結されて、一側端部320と陽極140または一側端部320と陰極160または陽極140と陰極160を電気的に連結するスイッチング部400、をさらに含む。
図2に示すように、スイッチング部400を設置する場合には、スイッチングの選択によって二次電池の両端を連結すると両端間の電位差が分かり、陽極140と一側端部320を連結すると陽極140の電圧が分かり、陰極160と一側端部320を連結すると陰極160の電圧が分かるので、一つの構成品で3つの場合の電圧が全て分かる。よって、両端の独立電圧が分かるだけでなく、既存の電圧測定器具を取り替えることで製造コストが節減される効果も得られる。
本発明の二次電池は、スイッチング部400に連結されて一側端部320と陽極140あるいは一側端部320と陰極160の間の電位差を測定する電圧測定部、をさらに含むことができる。電圧測定部(図示せず)はスイッチング部400に連結され、スイッチング部400のスイッチングによって電圧を測定する器具であり、そのデータはBMS(バッテリー制御部)などの電装品に伝達されることにより、バッテリーの劣化程度が分かり、安全性を確保するための制御が可能になり、さらに危険状況の発生前にユーザーに警告などを行うことにより車両の安全性及び商品価値を高めることができる。
以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
本発明は、二次電池の陽極と陰極間の電位差だけでなく、陽極及び陰極の個別的な電圧を測定することができるモニタリング電極及びこれを含む二次電池に適用可能である。
100 二次電池
120 電解液
140 陽極
160 陰極
300 モニタリング電極
320 一側端部
340 他側端部
120 電解液
140 陽極
160 陰極
300 モニタリング電極
320 一側端部
340 他側端部
Claims (7)
- 陽極(140)、陰極(160)、分離膜、及び電解液(120)からなる二次電池(100)の陽極(140)と陰極(160)の個別電圧を測定するためのモニタリング電極であって、
前記二次電池(100)に挿入されて電解液(120)に含浸され、陽極(140)または陰極(160)と接しないように位置する一側端部(320)、及び、前記一側端部(320)から分岐した分岐部(342)、(344)がそれぞれ陽極(140)及び陰極(160)に連結された他側端部(340)、
を含むことを特徴とするモニタリング電極。 - 前記一側端部(320)は絶縁膜(322)でコートされ、電解液(120)の内部で陽極(140)及び陰極(160)から絶縁されることを特徴とする請求項1に記載のモニタリング電極。
- 前記一側端部(320)は、白金、リチウム、チタン酸リチウムのいずれか1種でコートされることを特徴とする請求項1に記載のモニタリング電極。
- 陽極(140)、陰極(160)、分離膜、及び電解液(120)からなる二次電池(100)の陽極(140)と陰極(160)の個別電圧を測定するためのモニタリング電極であって、
前記二次電池(100)に挿入されて電解液(120)に含浸され、陽極(140)または陰極(160)と接しないように位置する一側端部(320)、及び、前記一側端部(320)からそれぞれ伸びて陽極(140)及び陰極(160)に連結された他側端部(340)、
を含むことを特徴とするモニタリング電極。 - 内部空間が形成された電池外装材、
前記外装材の内部空間に挿入される陽極(140)、陰極(160)及び分離膜、
前記外装材の内部空間に満たされる電解液(120)、及び、
前記外装材の内部空間に一側端部(320)が挿入されて電解液(120)に含浸され、陽極(140)または陰極(160)と接しないように位置し、他側端部(340)は一側端部(320)から分岐された分岐部(342)、(344)がそれぞれ陽極(140)及び陰極(160)に連結されたモニタリング電極(300)、
を含むことを特徴とする二次電池。 - 前記モニタリング電極(300)の一側端部(320)と分岐された分岐部(342)、(344)にそれぞれ連結されて、一側端部(320)と陽極(140)または一側端部(320)と陰極(160)または陽極(140)と陰極(160)を電気的に連結するスイッチング部(400)、
をさらに含むことを特徴とする請求項5に記載の二次電池。 - 前記スイッチング部(400)に連結され、一側端部(320)と陽極(140)または一側端部(320)と陰極(160)の間の電位差を測定する電圧測定部、をさらに含むことを特徴とする請求項6に記載の二次電池。
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