JP2018535514A - 二次電池電極の厚さ変化の測定装置、及びそれを取り付けた二次電池 - Google Patents
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Abstract
本発明は、電極の厚さ変化を測定することができる二次電池電極の厚さ変化の測定装置、及びそれを取り付けた二次電池に関する。
また、本発明は、電極組立体が収容されたケースに形成された観測ホールを貫いて前記ケースの内部に挿入され、内側端が前記電極組立体によって支持される圧電素子、及び前記圧電素子の外側端を支持するように前記ケースの外部に設けられる支持部材を含んでなり、前記電極組立体に含まれている電極の厚さ増加により前記圧電素子で発生する電圧信号を利用して前記電極の厚さ変化を測定することを特徴とする。
また、本発明は、電極組立体が収容されたケースに形成された観測ホールを貫いて前記ケースの内部に挿入され、内側端が前記電極組立体によって支持される圧電素子、及び前記圧電素子の外側端を支持するように前記ケースの外部に設けられる支持部材を含んでなり、前記電極組立体に含まれている電極の厚さ増加により前記圧電素子で発生する電圧信号を利用して前記電極の厚さ変化を測定することを特徴とする。
Description
［関連出願の相互参照］
本出願は、2016年6月9日付韓国特許出願第10-2016-0071636号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されている全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
本出願は、2016年6月9日付韓国特許出願第10-2016-0071636号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されている全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、二次電池電極の厚さ変化の測定装置、及びそれを取り付けた二次電池に関し、さらに詳しくは、電極の厚さ変化を測定することができる二次電池電極の厚さ変化の測定装置、及びそれを取り付けた二次電池に関する。
物質の物理的反応や化学的反応を介し電気エネルギーを生成させて外部へ電源を供給することになる電池（cell、battery）は、各種の電気電子機器で取り囲まれている生活環境により、建物に供給される交流電源を獲得することができない場合や直流電源が必要な場合に用いることになる。
このような電池のうち、化学的反応を利用する化学電池である一次電池と二次電池が一般に多く用いられているところ、一次電池は、乾電池に通常称されるもので消耗性電池である。また、二次電池は、電流と物質の間の酸化還元の過程が複数回繰り返し可能な素材を用いて製造される再充電式電池であって、電流によって素材に対する還元反応が行なわれると電源が充電され、素材に対する酸化反応が行なわれると電源が放電されるところ、このような充電-放電が反復的に行われることにより電気が生成されるようになる。
一方、二次電池のうち、リチウムイオン電池は、正極導電箔と負極導電箔にそれぞれ活物質を一定の厚さでコーティングし、前記両導電箔の間にはセパレータが介在されるように積層するスタック型電極組立体を角形カン、パウチなどに収納し、これを密封処理して製作される。
韓国公開特許第10-2007-0112717号公報には、従来の過充電時の安全性向上のための電極を含んでいる二次電池が開示されている。
しかし、従来の二次電池は、駆動時に電極組立体で多様な現象及び変化が発生するところ、このような多様な現象及び変化のリアルタイムの観察を介し、その結果を二次電池に関する基礎研究性能の診断及び改善に活用することができるにもかかわらず、電極組立体は不透明な電池ケース内に密封されるため、負極、セパレータ、正極で積層された構造の電極組立体の観察が困難であるという問題点がある。
したがって、本発明は、前記のような問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の課題は、リアルタイムで電極の厚さ変化を測定することができる二次電池電極の厚さ変化の測定装置、及びそれを取り付けた二次電池を提供することである。
本発明の一実施形態に係る二次電池電極の厚さ変化の測定装置は、電極組立体が収容されたケースに形成された観測ホールを貫いて前記ケースの内部に挿入され、内側端が前記電極組立体によって支持される圧電素子、及び前記圧電素子の外側端を支持するように前記ケースの外部に設けられる支持部材を含んでなり、前記電極組立体に含まれている電極の厚さ増加により前記圧電素子で発生する電圧信号を利用して前記電極の厚さ変化を測定することを特徴とする。
前記電極組立体と前記圧電素子の間に形成される遮断膜をさらに含み、前記圧電素子の内側端は、前記遮断膜に接触された状態で前記電極組立体の支持を受けることができる。
前記遮断膜と前記ケースの間をシールするように形成されるシーリング部材を含むことができる。
前記遮断膜には透明な部分が形成され、前記圧電素子と前記支持部材には前記透明な部分と通じるホールが形成されてよい。
前記支持部材は、前記圧電素子の外側端を支持する支持板と、前記支持板を前記ケースに締結する固定部材とを含むことができる。
前記支持部材は、前記固定部材を取り巻きながら、前記支持部材が前記ケースに復元力を有して流動可能となるように締結させる弾性部材を含むことができる。
前記支持部材は、前記固定部材を取り巻きながら、前記支持部材が前記ケースに復元力を有して流動可能となるように締結させる弾性部材を含むことができる。
本発明の一実施形態に係る二次電池電極の厚さ変化の測定装置を取り付けた二次電池は、電極組立体が収容されたケース、前記電極組立体と連通するように前記ケースの一側に貫通される観測ホール、前記観測ホールを介して前記ケースの内部に挿入され、内側端が前記電極組立体によって支持され、前記電極組立体の厚さ変化に従って電圧パルスが発生し、外側端に形成された支持部材は、前記ケースに固定される圧電素子を含むことができる。
前記電極組立体の負極は、前記観測ホールに収容されてよい。
前記電極組立体と前記圧電素子の間に形成される遮断膜をさらに含み、前記圧電素子の内側端は、前記遮断膜に接触された状態で前記電極組立体の支持を受けることができる。
前記遮断膜と前記ケースの間をシールするように形成されるシーリング部材を含むことができる。
前記ケースは、前記電極組立体を収容するボディ部と、前記ボディ部において観測ホールが形成された側に前記圧電素子によって貫通されるように設けられ、前記遮断膜を外側で支持するカバーとを含むことができる。
前記電極組立体と前記シーリング部材の間に形成され、前記電極組立体の電子を移送させる集電部材を含むことができる。
前記集電部材から前記ボディ部の外部に延長される負極接触部材を含むことができる。
前記カバーの内周は前記遮断膜の円周より小さく、前記圧電素子の円周より大きくてよい。
前記電極組立体のセパレータと正極は、前記観測ホールと連通するように前記ボディ部の内部に形成された収容部に収容されてよい。
前記観測ホールの円周は前記電極組立体の負極の円周より大きく、前記収容部の円周は前記電極組立体の負極の円周より小さくてよい。
前記電極組立体の正極から前記ボディ部の外部に延長される正極接触部材を含むことができる。
前記正極接触部材の円周を包囲する絶縁部材を含むことができる。
前記電極組立体は、前記圧電素子側に負極が形成され、反対側に正極が形成されてよい。
本発明によれば、二次電池電極の電気化学反応による電極の厚さ変化を測定するという効果がある。
本発明によれば、二次電池電極の厚さ変化をリアルタイムで測定するという効果がある。
本発明によれば、二次電池電極の厚さ測定を、光学的測定と共に電気化学反応によって行うことができるという効果がある。
以下、図面を参照しつつ、本発明の好ましい実施形態に係る二次電池電極の厚さ変化の測定装置、及びそれを取り付けた二次電池に対して詳しく説明する。
本明細書及び特許請求の範囲に用いられた用語や単語は、通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自身の発明を最良の方法で説明するために用語の概念を適宜定義することができるという原則に即し、本発明の技術的思想に適合する意味と概念として解釈されなければならない。よって、本明細書に記載されている実施例と図面に示されている構成とは、本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎないもので、本発明の技術的思想を全て代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替することができる多様な均等物があり得ることを理解しなければならない。
図面において、各構成要素またはその構成要素をなす特定の部分の大きさは、説明の便宜及び明確性のために誇張または省略されるか、もしくは概略的に示されている。よって、各構成要素の大きさは、実際の大きさを全的に反映するものではない。関連する公知の機能或いは構成に対する具体的な説明が、本発明の要旨を不要に濁し得ると判断される場合、かかる説明は省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る二次電池電極の厚さ変化の測定装置を示した正面図である。図２は、図１の断面図である。図３は、図１の平面図である。図４は、本発明の一実施形態に係る二次電池電極の厚さ変化の測定装置が取り付けられた二次電池を示した斜視図である。図５は、本発明の一実施形態に係る二次電池電極の厚さ変化の測定装置が取り付けられた二次電池の一部を切開し分解して示した分解斜視図である。図６は、図５の断面図である。
図１から図６に示す通り、本発明の一実施形態に係る二次電池電極の厚さ変化の測定装置は、電極組立体1が収容されたケース100に形成された観測ホール110を貫いて前記ケース100の内部に挿入され、内側端が前記電極組立体1によって支持される圧電素子200、及び前記圧電素子200の外側端を支持するように前記ケース100の外部に設けられる支持部材300を含んでなる。
圧電素子200は、外側端がケース100の外部に締結された状態で、内側端が支持された電極組立体1に含まれている電極の厚さ増加による圧力（または力の作用）によって電圧信号が発生する。
そして、圧電素子200から発生する電圧信号によって電極の厚さ増加を測定することができる。
圧電素子200から発生する電圧信号を測定するため、圧電素子200にシグナルライン（signal line）を連結することができる。
そして、圧電素子200は、中空形に貫通されるように形成されてよい。
支持部材300は、圧電素子200の外側端を支持する支持板310と、支持板310をケース100に締結する固定部材320とを含む。
支持板310は、圧電素子200の中空部に対応する部位が貫通されてよい。
そして、圧電素子200の中空部と支持板310の貫通部とが連通するホール210を形成することができる。
固定部材320は、支持板310に複数個が形成され、支持板310をケース100に締結するための固定ピン、ボルトなどであってよく、支持板310は、固定部材320の円周に沿ってケース100から近くなるか遠くなるよう昇降移動可能にケース100に締結されてよい。
つまり、本発明の一実施形態に係る二次電池電極の厚さ変化の測定装置は、電極組立体1に含まれている電極の厚さ変化に従って支持板310がケース100から近くなるか遠くなるよう、昇降移動可能に固定部材320に支持板310を結合することができる。
そして、固定部材320の円周にばね、ゴムなどのような弾性部材330が設けられて、流動する支持板310を原位置に復元させることができる。
このようなばね、ゴムなどのような弾性部材330は、電極組立体1に含まれている電極の厚さ変化に従って支持板310が昇降移動する時に、支持板310の昇降移動する力の調節を担当することができる。
また、圧電素子200は、内側端に遮断膜120を形成することができる。
遮断膜120は、電極組立体1と圧電素子200の間に形成され、圧電素子200が遮断膜120に接触された状態で電極組立体1の支持を受けることができる。
本発明の二次電池電極の厚さ変化の測定装置が二次電池に設けられる時に、遮断膜120は、二次電池内部の電解液が外部に漏れないように防止する役割を担うことができ、この際、遮断膜120のシーリング（sealing）機能を強化するため、遮断膜120とケース100の間にオーリング（O-ring）などのシーリング部材130が設けられてよい。
そして、遮断膜120には透明な部分が形成されてよく、特に、圧電素子200の中空部と支持板310の貫通部とを連通するホール210と遮断膜120の透明な部分とが連通することにより、ホール210を介してケース100内部の電極組立体1を光学的に確認させることができる。
また、電極を光学的にモニタリングして電極の表面で起こる変化を測定するのが可能になる。
図４から図６に示す通り、本発明の一実施形態に係る二次電池電極の厚さ変化の測定装置を取り付けた二次電池は、電極組立体1が収容されたケース100、前記電極組立体1と連通するように前記ケース100の一側に貫通される観測ホール110、前記観測ホール110を介して前記ケース100の内部に挿入され、内側端が前記電極組立体1によって支持され、前記電極組立体1の厚さ変化に従って電圧パルスが発生し、外側端に形成された支持部材300は、前記ケース100の外部に設けられる圧電素子200を含む。
電極組立体1は、例えば、正極活物質が塗布された正極1cと、負極活物質が塗布された負極1aと、正極1cと負極1aの間に介在されたセパレータ1bとを含むことができる。
正極1cは、アルミニウム板であってよく、正極活物質が塗布された正極活物質部と、正極活物質が塗布されていない正極無地部とを含むことができる。
正極活物質は、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMnO4のようなリチウム含有遷移金属酸化物またはリチウムカルコゲニド化合物であってよい。
正極活物質は、例えば、アルミニウム板の少なくともいずれか一面の一部に正極活物質を塗布して形成し、正極活物質が塗布されていないアルミニウム板の残りの部分が正極無地部になってよい。
負極1aは、銅板であってよく、負極活物質が塗布された負極活物質部と、負極活物質が塗布されていない負極無地部とを含むことができる。
負極活物質は、結晶質炭素、非晶質炭素、炭素複合体、炭素繊維のような炭素材料、リチウム金属またはリチウム合金などであってよい。
負極活物質は、例えば、銅板の少なくともいずれか一面の一部に負極活物質を塗布して形成し、負極活物質が塗布されていない銅板の残りの部分が負極無地部になってよい。
セパレータ1bは、例えば、ポリエチレン（PE）、ポリスチレン（PS）、ポリプロピレン（PP）、及びポリエチレン（PE）とポリプロピレン（PP）の共重合体（co-polymer）でなる群より選択されるいずれか一つの基材にポリビニリデンフルオリド-ヘキサフルオロプロピレン共重合体（PVDF-HFP co-polymer）をコーティングすることで製造されてよい。
ケース100は、円筒状の二次電池において略上方が開放された形状を有する金属材質の容器であってよく、軽くて腐食への対処が容易であるアルミニウム（Al）またはニッケル（Ni）などでメッキされた鉄（Fe）が用いられてよい。
ケース100は、電極組立体1と電解液を収容するボディ部101と、ボディ部101において観測ホール110が形成された側の端部をカバーするように結合するカバー103とを含むことができる。
カバー103は、観測ホール110と連通するように中が空いた中空部を形成し、圧電素子200がカバー103の中空部を貫いて観測ホール110に挿入される。
そして、カバー103の内周、即ち、カバー103の中空部の円周は遮断膜120の円周より小さく、圧電素子200の円周より大きく形成されてよい。
それにより、圧電素子200は、カバー103の中空部を介して流動可能にするとともに、圧電素子200の内側端に形成された遮断膜120がカバー103の中空部を通過できないようにすることができる。
したがって、カバー103によって圧電素子200が観測ホール110を外れることができないよう、圧電素子200の流動距離を制限することができる。
そして、遮断膜120の円周は観測ホール110の円周と同じくしてボディ部101の内部に収容された電解液の漏れを防止することができる。
また、遮断膜120の円周と観測ホール100の円周との間にシーリング部材130が形成され、遮断膜120のシーリング機能を補うことができる。
そして、観測ホール110には電極組立体1の負極1aが収容され、負極1aとシーリング部材130の間に集電部材140が形成されてよい。
集電部材140は、負極1aを介して電子を移送させる役割を担い、集電部材140からケース100の外部に延長されるように負極接触部材105が集電部材140に連結され、外部で負極と接触可能にすることができる。
そして、ボディ部101はその内部に、観測ホール110と連通してボディ部101を貫き、電極組立体1のセパレータ1bと正極1cを収容する収容部111が形成される。
このとき、観測ホール110の円周は電極組立体1の負極1aの円周より大きく、収容部111の円周は電極組立体1の負極1aの円周より小さく形成されてよい。
それにより、負極1aが収容部111に引っ掛かって通過できなくなり、その結果、電極組立体1が収容部111を介してボディ部101から離脱しなくなり得る。
そして、正極1cは、正極1cから延長される正極接触部材107を形成する。
正極接触部材107は、正極1cから収容部111の外部に露出されるように延長して形成される。
そして、本実施形態に係る二次電池は、正極接触部材107の円周を包囲するように形成される絶縁部材109を含むことができる。
絶縁部材109は、正極接触部材107とボディ部101の間を絶縁するとともに、収容部111を介してボディ部101内部の電解液に晒されないようにシールする役割を担うことができる。
電極組立体1は、圧電素子200側に負極が位置し、反対側に正極が位置するように形成されてよい。
前述したところのように、本発明によれば、二次電池電極の電気化学反応による電極の厚さ変化を測定するという効果がある。
本発明によれば、二次電池電極の厚さ変化をリアルタイムで測定するという効果がある。
本発明によれば、二次電池電極の厚さ測定を、光学的測定とともに電気化学反応によって測定することができるという効果がある。
以上のように、本発明に係る二次電池電極の厚さ変化の測定装置、及びそれを取り付けた二次電池を例示された図面を参考にして説明したが、本発明は、以上で説明された実施例と図面によって限定されず、特許請求の範囲内で、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者によって多様な実施が可能である。
Claims (19)
- 電極組立体1が収容されたケース100に形成された観測ホール110を貫いて前記ケース100の内部に挿入され、内側端が前記電極組立体1によって支持される圧電素子200；及び、
前記圧電素子200の外側端を支持するように前記ケース100の外部に設けられる支持部材300；を含んでなり、
前記電極組立体1に含まれている電極の厚さ増加により前記圧電素子200で発生する電圧信号を利用して前記電極の厚さ変化を測定することを特徴とする、
二次電池電極の厚さ変化の測定装置。 - 前記電極組立体1と前記圧電素子200の間に形成される遮断膜120をさらに含み、
前記圧電素子200の内側端は、前記遮断膜120に接触された状態で前記電極組立体1の支持を受けることを特徴とする、
請求項１に記載の二次電池電極の厚さ変化の測定装置。 - 前記遮断膜120と前記ケース100の間をシールするように形成されるシーリング部材130を含むことを特徴とする、
請求項２に記載の二次電池電極の厚さ変化の測定装置。 - 前記遮断膜120には透明な部分が形成され、
前記圧電素子200と前記支持部材300には前記透明な部分と通じるホール210が形成されることを特徴とする、
請求項２に記載の二次電池電極の厚さ変化の測定装置。 - 前記支持部材300は、
前記圧電素子200の外側端を支持する支持板310と、
前記支持板310を前記ケース100に締結する固定部材320と
を含むことを特徴とする、
請求項１に記載の二次電池電極の厚さ変化の測定装置。 - 前記支持部材300は、
前記固定部材320を取り巻きながら、前記支持部材300が前記ケース100に復元力を有して流動可能となるように締結させる弾性部材330を含むことを特徴とする、
請求項５に記載の二次電池電極の厚さ変化の測定装置。 - 電極組立体1が収容されたケース100；
前記電極組立体1と連通するように前記ケース3の一側に貫通される観測ホール110；
前記観測ホール110を介して前記ケース100の内部に挿入され、内側端が前記電極組立体1によって支持され、前記電極組立体1の厚さ変化に従って電圧パルスが発生し、外側端に形成された支持部材300は、前記ケース100の外部に設けられる圧電素子200；
を含むことを特徴とする、
二次電池。 - 前記電極組立体1の負極1aは、前記観測ホール110に収容されることを特徴とする、
請求項７に記載の二次電池。 - 前記電極組立体1と前記圧電素子200の間に形成される遮断膜120をさらに含み、
前記圧電素子200の内側端は、前記遮断膜120に接触された状態で前記電極組立体1の支持を受けることを特徴とする、
請求項７に記載の二次電池。 - 前記遮断膜120と前記ケース100の間をシールするように形成されるシーリング部材130を含むことを特徴とする、
請求項９に記載の二次電池。 - 前記ケース100は、
前記電極組立体1を収容するボディ部101と、
前記ボディ部101において観測ホール110が形成された側に前記圧電素子200によって貫通されるように設けられ、前記遮断膜120を外側で支持するカバー103とを含むことを特徴とする、
請求項９に記載の二次電池。 - 前記電極組立体1と前記シーリング部材130の間に形成され、前記電極組立体1の電子を移送させる集電部材140を含むことを特徴とする、
請求項１０に記載の電極の厚さ変化の測定装置が取り付けられた
二次電池。 - 前記集電部材140から前記ボディ部101の外部に延長される負極接触部材105を含むことを特徴とする、
請求項１２に記載の二次電池。 - 前記カバー103の内周は前記遮断膜120の円周より小さく、前記圧電素子200の円周より大きいことを特徴とする、
請求項１１に記載の二次電池。 - 前記電極組立体1のセパレータ1bと正極1cは、前記観測ホール110と連通するように前記ボディ部101の内部に形成された収容部111に収容されることを特徴とする、
請求項１１に記載の二次電池。 - 前記観測ホール110の円周は前記電極組立体1の負極1aの円周より大きく、前記収容部111の円周は前記電極組立体1の負極1aの円周より小さいことを特徴とする、
請求項１５に記載の二次電池。 - 前記電極組立体1の正極1cから前記ボディ部101の外部に延長される正極接触部材107を含むことを特徴とする、
請求項１１に記載の二次電池。 - 前記正極接触部材107の円周を包囲する絶縁部材109を含むことを特徴とする、
請求項１７に記載の二次電池。 - 前記電極組立体1は、前記圧電素子200側に負極が形成され、反対側に正極が形成されることを特徴とする、
請求項７に記載の二次電池。
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