JP2024521338A - 電池セルでのリチウム析出検査装置および方法 - Google Patents

電池セルでのリチウム析出検査装置および方法 Download PDF

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Abstract

本発明の実施態様による電池セルでのリチウム析出検査装置および方法は、検査対象電池セルの周りに磁場を形成して渦電流を誘導した後、電気セルのインピーダンス測定値と標準データとを比較して、電池セル内のリチウム析出の有無を検出することにより、高い安定性と信頼性を有する。

Description

本出願は、2022年03月22日付にて韓国特許庁に提出された韓国特許出願第10-2022-0035169号および2023年03月17日付にて韓国特許庁に提出された韓国特許出願第10-2023-0034950号の出願日の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書に含まれる。
本発明は、電池セルでのリチウム析出検査装置および方法に関し、より詳しくは、渦電流を利用して二次電池セル内部にリチウム析出の有無を検査するための電池セルでのリチウム析出検査装置および方法に関する。
化石燃料の枯渇によりエネルギー源の価値が上昇し、環境汚染に対する関心が増して、環境にやさしい代替エネルギー源に対する要求が将来の生活のための必要不可欠な要因となっている。特に、モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するにつれて、エネルギー源としての二次電池に対する需要も急激に増加している。
代表的に、電池の形状面では、薄い厚さで携帯電話などのような製品に適用されることができる角型二次電池とパウチ型二次電池に対する需要が高く、材料面では、エネルギー密度、放電電圧、出力安定性の高い、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などのようなリチウム二次電池に対する需要が高い。
この中でも、パウチ型のリチウム二次電池は、電池内に局所的なリチウム析出が発生される場合、内部短絡を誘発して電池の安全性が低下されるという問題がある。
このことから、パウチ型リチウム二次電池でのリチウム析出の有無を診断する技術開発が要求されている。
上記のような問題点を解決するための本発明の目的は、信頼性の高いリチウム析出検査装置を提供することにある。
上記のような問題点を解決するための本発明の目的は、高安定および高信頼性のリチウム析出検査方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の実施態様によって、渦電流を利用して、少なくとも一つの電池セル内部のリチウム析出の有無を検出する装置は、前記電池セルに渦電流を誘導する第1センサ、および渦電流が誘導された前記電池セルのインピーダンスを測定する第2センサを含む検査部;および前記第2センサから測定されたインピーダンスの測定値を標準データと比較して、前記電池セルのリチウム析出の有無を判断する制御部を含み、前記第1センサおよび前記第2センサは、磁化部材にコイルが巻取られた形態で提供され、前記第1センサは事前に定義された特定周波数の交流電流を前記コイルに印加して磁場を形成することにより、前記電池セルに渦電流を誘導し、前記第2センサは前記電池セルに対する前記特定周波数でのインピーダンスを測定する。
また、前記リチウム析出検査装置は、外部から投入される前記電池セルを前記検査部に移送する移送部をさらに含んでもよい。
この時、前記第1センサは、前記移送部を基準として上側部に位置し、前記第2センサは、前記移送部を基準として下側部に位置し、前記第1センサおよび前記第2センサは、前記移送部を基準として同一垂直線上に位置してもよい。
また、前記特定周波数は、3190Hz以上から3210Hz以下のいずれか一つの値であってもよい。
なお、前記特定周波数は、3990Hz以上から4010Hz以下のいずれか一つの値であってもよい。
一方、前記標準データは、リチウムが析出された電池セルまたはリチウムが析出されていない電池セルを対象として、前記特定周波数でのインピーダンスを測定した予め検証されたデータであってもよい。
また、前記制御部は、複素平面上に表現される前記標準データを第1群集データおよび第2群集データに区分する区分線を基準として、前記複素平面上での前記第2センサから測定された電池セルのインピーダンスの測定値の位置と、前記第1群集データおよび前記第2群集データの位置を比較して、前記第2センサから測定された電池セルのリチウム析出の有無を判断し、前記第1群集データは、リチウムが析出された電池セルから測定された少なくとも一つのデータであり、前記第2群集データは、リチウムが析出されていない電池セルから測定された少なくとも一つのデータであってもよい。
また、前記電池セルは、パウチ型リチウム二次電池セルであってもよい。
なお、前記電池セルは、エネルギー貯蔵装置(Energy Storage System、ESS)に用いられてもよい。
上記目的を達成するための本発明の他の実施態様によって、磁化部材にコイルが巻取られた第1センサおよび第2センサを含む検査部を含んで、少なくとも一つの電池セル内部のリチウム析出の有無を検査する方法は、前記第1センサのコイルに事前に定義された特定周波数の交流電流を印加して磁場を形成させることにより、前記電池セルに渦電流を誘導させるステップ、前記第2センサを利用して、前記電池セルに対する前記特定周波数でのインピーダンスを測定するステップ、および前記第2センサによって測定されたインピーダンスの測定値を標準データと比較して、前記電池セル内のリチウム析出の有無を判断するステップ、を含む。
また、前記リチウム析出検査方法は、移送部をさらに含んで、前記電池セルを前記検査部に移送するステップをさらに含んでもよい。
この時、前記第1センサは、前記移送部を基準として上側部に位置し、前記第2センサは、前記移送部を基準として下側部に位置し、前記第1センサおよび前記第2センサは、前記移送部を基準として同一垂直線上に位置してもよい。
また、前記特定周波数は、3190Hz以上から3210Hz以下のいずれか一つの値であってもよい。
なお、前記特定周波数は、3990Hz以上から4010Hz以下のいずれか一つの値であってもよい。
一方、前記標準データは、リチウムが析出された電池セルまたはリチウムが析出されていない電池セルを対象として、前記特定周波数でのインピーダンスを測定した予め検証されたデータであってもよい。
また、前記電池セル内のリチウム析出の有無を判断するステップは、複素平面上に表現される前記標準データを第1群集データおよび第2群集データに区分する区分線を基準として、前記複素平面上での前記第2センサから測定された電池セルのインピーダンスの測定値の位置と、前記第1群集データおよび前記第2群集データの位置を比較して、前記第2センサから測定された電池セルのリチウム析出の有無を判断するステップを含み、前記第1群集データは、リチウムが析出された電池セルから測定された少なくとも一つのデータであり、前記第2群集データは、リチウムが析出されていない電池セルから測定された少なくとも一つのデータであってもよい。
また、前記電池セルは、パウチ型リチウム二次電池セルであってもよい。
なお、前記電池セルは、エネルギー貯蔵装置(Energy Storage System、ESS)に用いられてもよい。
本発明の実施態様による電池セルでのリチウム析出検査装置および方法は、検査対象電池セルの周りに磁場を形成して渦電流を誘導した後、電気セルのインピーダンス測定値と標準データとを比較して、電池セル内のリチウム析出の有無を検出することにより、高い安定性と信頼性を有する。
本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置の平面図である。 本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置の構成図である。 本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置内の検査部の設計図である。 本発明の実施態様による検査部内の第1センサおよび第2センサの断面図である。 本発明の実施態様による電池セルの渦電流誘導原理を説明するための概念図である。 本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置内の移送部の平面図である。 本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置内の移送部のイメージである。 本発明の第1実験例による周波数が3200Hzである時の標準データのインピーダンス測定グラフである。 本発明の第2実験例による周波数が4000Hzである時の標準データのインピーダンス測定グラフである。 本発明の比較例による周波数が8000Hzである時の標準データのインピーダンス測定グラフである。 本発明の実施態様によるリチウム析出検査方法の手順図である。 本発明の第3実験例による周波数が3200Hzである時の標準データおよび実験データのインピーダンス測定グラフである。 本発明の第4実験例による周波数が4000Hzである時の標準データおよび実験データのインピーダンス測定グラフである。 本発明の第5実験例による周波数が8000Hzである時の標準データおよび実験データのインピーダンス測定グラフである。
本発明は多様な変更を加えることができ、多様な実施態様を有することができるところ、特定の実施態様を図面に例示して詳細な説明で詳細に説明する。しかしながら、これは本発明を特定の実施形態について限定しようとするものではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるすべての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。各図面の説明において、類似な構成要素に対しては同じ参照符号を用いた。
第1、第2、A、Bのような用語は、様々な構成要素を説明するために使用されることがあるが、前記構成要素は、前記用語によって限定されるものではない。前記用語は、ある構成要素を他の構成要素と区別するための目的としてのみ使用される。例えば、本発明の範囲から逸脱することなく、第1構成要素は、第2構成要素と呼ばれてもよく、同様に、第2構成要素は、第1構成要素と呼ばれてもよい。用語「および/または」は、複数の関連記載の項目の組み合わせまたは複数の関連記載の項目のいずれの一つを含む。
ある構成要素が他の構成要素に「連結されている」または「接続されている」と言及されているときは、他の構成要素に直接連結されているか、または接続されていることもできるが、その間に他の構成要素が存在してもいいことを理解すべきである。他方、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されている」または「直接接続されている」と言及されたときには、その間に他の構成要素が存在しないことと理解されるべきである。
本願に用いられる用語は、特定の実施態様を説明するためのものに過ぎず、本発明を限定するものではない。文脈により明確に述べられていない限り、単数形は、複数形を含む。本願において、「含む」または「有する」などの用語は、明細書に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせが存在することを意味するものであり、1つまたは1つ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせの存在または付加可能性を予め排除するものではない。
他に定義されない限り、技術的または科学的な用語を含めて、ここで使用されるすべての用語は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者によって一般に理解されるものと同じ意味を有している。一般的に使用される、辞書に定義されているのと同じ用語は、関連技術の文脈上に有する意味と一致する意味を有するものとして解釈されるべきであり、本出願において明確に定義されない限り、理想的または過度に形式的な意味として解釈されない。
本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置は、渦電流(Eddy Current)を利用して、電池セル内部のある一領域にリチウムが局所的に析出されたか否かを検出することができる。ここで、電池セルは、ESS用パウチ型リチウム二次電池であってもよい。
一般に、リチウム二次電池は、正極/分離膜/負極構造の電極組立体がどのような構造からなっているのかによって分類されることができる。例えば、リチウム二次電池は、長いシート形の正極と負極を分離膜が介在された状態で巻取した構造のゼリーロール(巻取型)電極組立体、所定の大きさの単位で切り取った多数の正極と負極とを、分離膜を介在した状態で順次積層したスタック型(積層型)電極組立体、所定単位の正極と負極を分離膜を介在した状態で積層したバイセル(Bi-cell)またはフルセル(Full Cell)を巻取した構造のスタック/折り畳み型電極組立体などに分類されることができる。
最近では、スタック型またはスタック/折り畳み型電極組立体をアルミニウムラミネートシートのパウチ型電池ケースに内蔵した構造のパウチ型電池が、低製造コスト、少ない重量、容易な形態変形などを理由に多くの関心を集めており、使用量もますます増加している。
一般に、パウチ型リチウム二次電池は、電極組立体、電極組立体から延長されている電極タップ、電極タップに溶接されている電極リード、及び電極組立体を収容する電池ケースを含むもので構成されている。
この時、電極組立体は、分離膜が介在された状態で、正極と負極とが順次積層されている発電素子であって、スタック型またはスタック/折り畳み型の構造からなっている。また、電極タップは、電極組立体の各極板から延長されており、電極リードは、各極板から延長された複数個の電極タップと溶接によりそれぞれ電気的に連結されることができる。
一方、電池ケースは一部が外部に露出されており、また、電極リードの上下面の一部には、電池ケースとのシーリング度を高め、同時に電気的絶縁状態を確保するために絶縁フィルムが付着されてもよい。
一般に、電池ケースは、アルミニウムラミネートシートからなっており、電極組立体を収容し得る収納空間を提供し、全体的にパウチの形状を有している。この時、積層型電極組立体の場合には、多数の正極タップと多数の負極タップが電極リードに一緒に結合されることができるように、電池ケース内部上端は電極組立体から離隔されている。
一方、リチウム二次電池は、電池セル内のある一領域にリチウムが析出された場合に、安全性が低下する可能性がある。この中でも、パウチ型リチウム二次電池は、上述のように、電極、電極タップ、溶接部が電池ケースの内部に収容されることから、そのリチウム析出の有無を外部で確認しにくいという短所がある。
以下では、渦電流を利用してパウチ型二次電池の内部のリチウム析出の有無を容易に判断することができるリチウム析出検出装置について、添付された図面を参照して、より具体的に説明する。
図1は、本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置の平面図であり、図2は、本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置の構成図であり、図3は、本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置内の検査部の設計図である。
図1~図3を参照すると、リチウム析出検査装置100は、検査部110、移送部120、および制御部130を含んでもよい。
検査部110は、第1センサ111および第2センサ112を含んで、渦電流が誘導された電池セル200を対象として特定周波数でのインピーダンスを測定することができる。
移送部120は、リチウム析出の有無を検査しようと外部から投入される少なくとも一つの検査対象電池セル200を前記検査部110に移送することができる。
また、制御部130は、検査部110および移送部120の動作を制御し、検査部110から獲得したインピーダンス測定値に基づいて、検査対象電池セル200のリチウム析出の有無を判断することができる。
図4は、本発明の実施態様による検査部内の第1センサおよび第2センサの断面図である。
図4を参照すると、検査部110は、第1センサ111および第2センサ112を含んでもよい。実施態様によれば、第1センサ111および第2センサ112は、磁性を有する磁化部材(図示せず)にコイルが巻かれた構造で形成されてもよい。この時、前記コイルの直径は、0.5~10mmであってもよい。例えば、前記コイルの直径が0.5mm未満の場合、後述される第2センサ112によって測定されたインピーダンス測定値が低いことがある。逆に、コイルの直径が10mmを超える場合、第2センサ112によって測定されたインピーダンス測定値はノイズが発生し、信頼度が低下されることがある。したがって、使用者は、電池セル200の内部のリチウム析出の有無を判断するために、コイルの直径を前記数値範囲内で適切に調整して、最適なコイル直径を選択することができる。
また、検査部110は、第1センサ111および第2センサ112を保護するために囲むケースCをさらに含んでもよい。例えば、ケースCは、一端が塞がれ、他端が開放されたシリンダー状に提供されてもよい。この時、一端は検査対象物体と近接するように位置された端部であってもよい。
図5は、本発明の実施態様による電池セルの渦電流誘導原理を説明するための概念図である。
図5を参照すると、第1センサ111は、検査対象である電池セル200から渦電流を誘導するためのセンサであってもよい。
実施態様によってより具体的に説明すると、後述される制御部130によってコイルに特定周波数での交流電流が加わる場合、第1センサ111のコイルの周りには磁場が形成されることができる。例えば、特定周波数は、3190Hz以上から3210Hz以下のいずれか一つの値であるか、または3990Hz以上から4010Hz以下のいずれか一つの値であってもよい。
その後、後述される移送部120によって検査対象である電池セル200が磁場領域内に位置される場合、前記電池セル200には電磁気誘導現象による誘導起電力が発生することがある。これによって、前記電池セル200には前記磁場を妨げる渦電流が流れる可能性がある。
再び図3および図4を参照すると、第2センサ112は、移送部120を基準として、第1センサ111と対応する垂直線上に位置してもよい。言い換えれば、前記第1センサ111および前記第2センサ112は、前記移送部120を基準として、同一垂直線上に位置するが、前記第1センサ111は、前記移送部120を基準として上側部に位置し、前記第2センサ112は、前記移送部120を基準として下側部に位置してもよい。これによって、第2センサ112は、第1センサ111によって渦電流が誘導された前記電池セル200からインピーダンスを測定することができる。この時、渦電流は、測定領域での抵抗によって測定値に差が発生することがある。
一方、検査部110は、第1位置調整部材113、第2位置調整部材114、第3位置調整部材117、および第4位置調整部材118をさらに含んでもよい。ここで、第1位置調整部材113、第2位置調整部材114、第3位置調整部材117、および第4位置調整部材118は、第1センサ111および第2センサ112の位置を移動させるための構成であってもよい。
より具体的に説明すると、第1位置調整部材113の一側は、前記第1センサ111と結合され、他側は、位置固定ボルト115によって下記第3位置調整部材117と結合されてもよい。
また、第2位置調整部材114の一側は前記第2センサ112と結合され、他側は位置固定ボルト116によって第3位置調整部材117と結合されてもよい。
一方、第3位置調整部材117の一側は前記第1位置調整部材113および前記第2位置調整部材114とそれぞれ結合され、他側は位置固定ボルト119によって下記第4位置調整部材118と結合されてもよい。
この時、第1位置調整部材113および第2位置調整部材114は、前記第3位置調整部材117の一側に所定距離だけ離隔して結合されてもよい。
第3位置調整部材117は、一側に第1位置調整部材113および第2位置調整部材114の位置を調節するための所定長さのスライディング溝(図示せず)を含んでもよい。
言い換えれば、前記第3位置調整部材117は、第1位置調整部材113と結合される部位に第1スライディング溝(図示せず)を含んでもよい。これによって、前記第1位置調整部材は、前記第1スライディング溝の長さ範囲内で、第1スライディング溝に沿って垂直方向に移動することができる。
また、前記第3位置調整部材117は、第2位置調整部材114と結合される部位に第2スライディング溝(図示せず)を含んでもよい。これによって、前記第2位置調整部材114は、前記第2スライディング溝の長さ範囲内で、第2スライディング溝に沿って垂直方向に移動することができる。
したがって、第1位置調整部材113および第2位置調整部材114は、後述される制御部130の制御によって、第3位置調整部材117の前記第1スライディング溝および第2スライディング溝に沿ってそれぞれ垂直方向に移動することができる。言い換えれば、制御部130は、第1位置調整部材113および第2位置調整部材114をそれぞれ垂直方向に移動させることにより、第1センサ111および第2センサ112を検査対象である電池セルを基準として近くなるかまたは遠くなるように調整することができる。
また、第1位置調整部材113および第2位置調整部材114は、位置固定ボルト115、116を用いて、第1センサ111および第2センサ112の垂直方向への動きを固定させることができる。実施態様によれば、使用者は第1位置調整部材113および第2位置調整部材114の位置を調節した後、第3位置調整部材117と結合された位置固定ボルト115、116を締め付けることにより、第1センサ111および第2センサ112の動きを固定させることができる。
一方、第4位置調整部材118は、位置固定ボルト119によって前記第3位置調整部材117と結合されることができる。
より具体的に説明すると、第4位置調整部材118は、第3位置調整部材117の位置調節のための所定長さの第3スライディング溝を含んでもよい。これによって、第3位置調整部材117は、第3スライディング溝の長さ範囲内で、第3スライディング溝に沿って水平方向に移動することができる。
また、第4位置調整部材118は位置固定ボルト119をさらに含んでもよい。これによって、使用者は、第3スライディング溝を介して第3位置調整部材117を所望の位置に移動させた後、前記位置固定ボルト119を操作して第3位置調整部材117を第4位置調整部材118に固定させることができる。これによって、第3位置調整部材117は、第3位置調整部材117に結合された第1センサ111および第2センサ112の水平方向への動きを固定することができる。
図6は、本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置内の移送部の平面図であり、図7は、本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置内の移送部のイメージである。
図6および図7を参照すると、移送部120は、本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置100に投入された電子セル200を、検査部110に向けて移送させることができる。また、移送部120は、検査が終わった前記電子セル200を搬出口へ移送させることができる。
検査部110で検査対象である電池セルのインピーダンスを測定する間に、移送部120は後行される電池セルを前記検査対象電池セルが直前に留まっていた位置に移送させることができる。これによって、後行される電池セルは所定の検査待機時間を有することができる。その後、前記電池セルの検査が終わって、前記電池セルが検査領域から離れると、移送部120は後行される電池セルを検査領域内に移送させることができる。それにより、前記検査部110は前記電池セルの特定周波数によるインピーダンスを測定することができる。
また、移送部120は、後述される制御部130によって、検査領域内での特定電池セルの走行速度と、検査領域外での電池セルの移送速度が異なるように制御されることができる。例えば、検査領域内で検査対象電池セルの走行速度は、検査領域ではない領域に位置した電池セルの移送速度よりも遅い場合がある。
移送部120は、電池セルの投入地点から搬出地点まで延長された移送ダイ121、および電池セルを移送する移送手段122、123、124を含んでもよい。
ここで、移送ダイ121は、一つの単位移動区間と隣接した単位移動区間との間に電池セル200が安着される複数のネスト126を含んでもよい。
前記ネスト126は、移送ダイ121上に電池セルの形状に対応するように内部に掘り下げられた形態の収容溝であって、電池セル200が安着されることができる。これによって、移送部120が移動する時に、投入地点から検査領域まで電池セルがネストに安着されて移送されることにより、電池セルが整列されることができる。
一方、移送手段122、123、124は、電池セルを前記移送ダイ121から昇降させる昇降部122、および前記昇降部122を電池セル200の移送方向へ移送させる駆動部124を含んでもよい。この時、前記駆動部124は、昇降部122を移動させる多様な形態が適用されてもよい。
昇降部122は、油圧や空気圧によって上下に往復運動するシリンダーであってもよい。
昇降部122は、電池セル200の移送方向と平行する方向に延長された幅が狭い所定長さの2つのバーの形態で提供されてもよい。実施態様によれば、昇降部122は、移送ダイ121の長さ方向(電池セルの走行方向)と平行する中央線を基準として、その上下にそれぞれ離隔して配置されてもよい。
昇降部122は電池セル200を支持し、前記駆動部124が移動するにつれて一緒に電池セル200の移送方向に移動しながら、前記電池セル200を移送することができる。
本発明の一実施態様による昇降部122は、電池セル200の吸着のための一つ以上の吸着孔123を含んでもよい。ここで、吸着孔123の個数は必要に応じて適切に調節することができる。
昇降部122は、電池セル200をピックアップ(pick-up)するために、前記駆動部124によって延長および上昇されて、電池セル200を吸着することができる。
駆動部124は、移送ダイ121を基準として下部面に位置してもよい。駆動部124は、後述される制御部130の制御信号によって、前記移送ダイ121に形成された開口部125を貫通して移送ダイ121の上部へ上昇することができる。その後、後述される制御部130は、吸着孔123に真空を印加することによって、前記昇降部122に電池セル200を固定させることができる。
本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置は、吸着孔123を含む昇降部122を提供することにより、前記リチウム析出検査装置は、前記昇降部122によって移送中の電池セル200の振動が抑制されて整列が乱れたり、または前記昇降部122から電池セル200が落下することを防止することができる。したがって、本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置は、電池セルの移送中にも信頼度の高いインピーダンス値の測定が可能になる。しかしながら、本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置は、吸着孔123を介して真空を印加して昇降部122に電池セル200を吸着させる実施形態のみに限定されず、昇降部122に電池セル200が固定されることができる多様な形態を提供することができる。
一方、本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置の移送部120は、複数の単位移動区間を含み、前記移送手段122、123、124は、一つの単位移動区間または2つ以上の単位移動区間を往復移動することができる。
例えば、前記移送手段122、123、124は、単位移動区間の開始地点に置かれていた電池セルをピックアップ(pick-up)して、隣接する単位移動区間の開始地点へ移送することができる。その後に、単位移動区間での電池セル200の移送を完了した前記移送手段122、123、124は、再び単位移動区間の開始地点に戻ってくることができる。言い換えれば、移送部120は、上記過程を繰り返し行うことによって、複数の電池セル200を順次に移送することができる。
検査対象電池セル200が本発明のリチウム析出検査装置に投入されて搬出される過程について詳しく説明すると、投入口に位置したネスト126に電池セル200が投入される場合、駆動部124は昇降部122を実行することができる。これによって、昇降部122は、移送ダイ121の開口部125を貫通し、移送ダイ121の上部へと上向きに移動されることができる。
その後、移送ダイ121の上部に上昇された昇降部122は、ネスト126上に安着されている電池セル200を吸着することができる。これによって、電池セル200は、移送中に昇降部122から落下したり、整列が乱れることを防止し、検査の途中に振動による動きを最小化することができる。前記昇降部122が電池セル200を吸着する方法は、電池セル200の移送中の動きを最小化させることができる限り、上記の実施形態に限定されるものではない。
上昇部122は、前記駆動部124と結合されて、前記駆動部124の駆動によって往復移動されることができる。
そして、電池セル200を吸着した昇降部122は、上昇されたまま、前記駆動部124の駆動によって前記検査部110が設置されている方向へと水平に移動することができる。これによって、昇降部122によって支持または吸着された電池セル200が一緒に移送されることができる。
昇降部122は、前記電池セル200を隣接したネスト126に移送した後、真空を解除させることができる。その後、昇降部122は駆動部124と一緒に移送ダイ121の下部に下降して原位置に戻ることができる。これによって、一つの電池セル200が、一つの単位移動区間から隣接した移動区間へと移送されることができる。
その後、本発明の実施態様による移送部120は、前記過程を順次繰り返して、電池セル200を投入口から検査部110と最も隣接したネスト126まで移送することができる。
一方、本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置は、検査部110と最も隣接したネスト126に安着された電池セル200を整列する整列部(図示せず)をさらに含んでもよい。
整列部は、渦電流の検査を行う直前に電池セル200を整列することによって、検査の信頼度を向上させることができる。
前記整列部によって整列された電池セル200は、再び前記昇降部122に吸着されることができる。これによって、電池セル200は、前記第1センサ111および第2センサ112を含む検査部110によって、特定周波数での渦電流が誘導された状態でインピーダンスが測定されることができる。
前記検査部110による検査領域内で、電池セル200の走行速度は、検査の正確度を高めるために、一定であることが好ましい。また、電池セル200が検査領域を通過する間の走行速度は、検査領域以外に移送ダイに位置した電池セル200の移送速度とは異なるように制御されてもよい。
その後、前記検査部110によってインピーダンスの測定が完了された電池セル200は、移送手段122、123、124によって、搬出口まで移送されることができる。
また、図2を参照すると、制御部130は、前記検査部110と電気的に連結されている。これによって、制御部130は、前記検査部110から、特定周波数での渦電流が誘導された検査対象電池セル200のインピーダンス測定値を受信して、前記電池セル200のリチウム析出の有無を判断することができる。より具体的に説明すると、制御部130は、検査部110から受信された検査対象である電池セル200の渦電流インピーダンス測定値を標準データと比較することによって、検査対象電池セルのリチウム析出の有無を判断することができる。ここで、標準データは、リチウムが析出された電池セルまたはリチウムが析出されていない電池セルを対象として、特定周波数でのインピーダンスをそれぞれ測定した予め検証されたデータであってもよい。標準データを用いて、検査対象である電池セルのリチウム析出の有無を判断する方法は、以下でより詳しく説明する。
本発明の実験例による標準データ獲得実験
バッテリー容量が60Ahである、両方向Tab形態のパウチ型リチウムイオン電池セルを対象として、CT測定によってリチウムが析出されていないことが確認された新規製作された電池セル4つと、CT測定によってリチウム析出が確認された電池セル4つと、を用意した。
その後、前記電池セルを対象として、渦電流センサを用いて、電池セルの周波数別にインピーダンスを個別測定した。
この時、電池セルの正極タップと電極板との間の境界部が渦電流センサの中央に位置されるように配置させ、電池セルが渦電流センサから1mm間隔を維持するように固定させた後、電池セルの個別インピーダンスを測定した。
図8は、本発明の第1実験例による周波数が3200Hzである時の標準データのインピーダンス測定グラフであり、図9は、本発明の第2実験例による周波数が4000Hzである時の標準データのインピーダンス測定グラフであり、図10は、本発明の比較例による周波数が8000Hzである時の標準データのインピーダンス測定グラフである。
図8を参照すると、周波数が3200Hzの場合、リチウムが析出された電池セルのインピーダンス測定値は、複素平面グラフ上で1、2象限に群集して位置し、リチウムが析出されていない電池セルのインピーダンス測定値は3、4象限に群集して位置することを確認することができる。言い換えれば、周波数が3200Hzの場合、リチウムが析出された電池セルのインピーダンス測定値は、直線状の第1区分線L1を基準として、上側に群集されて位置されることができ、リチウムが析出されていない電池セルのインピーダンス測定値は、前記第1区分線L1を基準として、下側に群集して位置されることができる。
また、図9を参照すると、周波数が4000Hzの場合、リチウムが析出された電池セルのインピーダンス測定値は、複素平面グラフ上で3象限に集合して位置し、リチウムが析出されていない電池セルのインピーダンス測定値は、1象限に集合して位置することを確認することができる。言い換えれば、周波数が4000Hzの場合、リチウムが析出された電池セルのインピーダンス測定値は、直線状の第2区分線L2を基準として、上側に集合して位置されることができ、リチウムが析出されていない電池セルのインピーダンス測定値は、前記第2区分線L2を基準として下側に集合して位置されることができる。
一方、図10を参照すると、周波数が8000Hzの場合、リチウムが析出された電池セルのインピーダンス測定値、およびリチウムが析出されていない電池セルのインピーダンス測定値が互いに集合しないで散在されていることを確認することができる。これによって、周波数が8000Hzの場合、リチウムが析出された電池セルのインピーダンス測定値とリチウムが析出されていない電池セルのインピーダンス測定値を区分する直線状の区分線を獲得することができない。
この他、図面には図示しなかったが、8000Hz以外にも、3190Hz~3210Hz、および3990Hz~4010Hzの範囲を逸脱した周波数では、リチウムが析出された電池セルのインピーダンス測定値、およびリチウムが析出されていない電池セルのインピーダンス測定値が互いに集合しないで散在されており、区分線を利用した相互区別が難しい。
これによって、本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置は、特定周波数での予め測定された電池セルのインピーダンス標準データに基づいて獲得した区分線を基準として、同一周波数で測定された、検査対象である電池セルのインピーダンス測定値の位置を確認して、当該電池セルのリチウム析出の有無を判断することができる。実施態様によれば、特定周波数は、3190Hz~3210Hz、または3990Hz~4010Hz範囲内のいずれか一つの値であってもよい。
一方、制御部130は、検査部110および移送手段122、123、124を制御することができる。前記制御部130は、複数の電池セル200の移送とその速度とを制御するためのメモリーと結合される従来のプログラム可能な電子コンピュータで構成されてもよい。実施態様によれば、制御部130はメモリーに格納された少なくとも一つのプログラム命令(program command)を実行するプロセッサで提供されてもよい。ここで、プロセッサは、中央処理装置(central processing unit、CPU)、グラフィック処理装置(graphics processing unit、GPU)、または本発明の実施態様による方法が実行される専用プロセッサを意味してもよい。
以上、本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置について説明した。以下では、前記リチウム析出検査装置内の制御部の動作による本発明の実施態様によるリチウム析出検査方法について説明する。
図11は、本発明の実施態様によるリチウム析出検査方法の手順図である。
図11を参照すると、リチウム析出検査装置内の制御部130は、移送部120によって外部から投入される検査対象電池セルを検査部110に移送することができる(S100)。移送部120を利用して、検査対象電池セルを検査部110に移送する詳細な方法は、上記の前記リチウム析出検査装置の説明と重複するので、省略することにする。
その後、制御部130は、前記検査部110の第1センサ111を動作させて、前記電池セル200に渦電流を誘導させることができる(S200)。
実施態様によってより詳しく説明すると、制御部130は、前記第1センサ111内のコイルに特定周波数での交流電流を加えることができる。これによって、前記電池セル200の周りには磁場が形成されることができる。この時、特定周波数は、3190Hz以上から3210Hz以下のいずれか一つの値または3990Hz以上から4010Hz以下のいずれか一つの値であってもよい。
その後、制御部130は、前記第1センサ111を前記電池セル200に近接するように位置させることができる。これによって、前記電池セル200の周りには電磁誘導現象によって誘導起電力が発生して、前記電池セル200には前記磁場を妨げる方向に渦電流が流れることができる。
制御部130は、前記第1センサ111とともに前記電池セル200に近接するように位置された第2センサ112を利用して、渦電流が誘導された前記電池セル200のインピーダンスを測定することができる(S300)。
その後、制御部130は、前記第2センサ112による前記電池セル200のインピーダンスの測定が完了されると、近接するように位置された第1センサ111および第2センサ112を前記電池セル200から所定距離を保持するように初期位置に移動させることができる。
また、制御部130は、前記第2センサ112から獲得した前記電池セルのインピーダンス測定値を標準データと比較することができる(S400)。ここで、標準データは、リチウムが析出された電池セルまたはリチウムが析出されていない電池セルを対象として、前記特定周波数でのインピーダンスを測定した予め検証されたデータであってもよい。この時、前記特定周波数は、前記第1センサ内のコイルに印加された特定周波数と同じ値であってもよい。
これによって、制御部130は、前記電池セル内のリチウムが析出されたか否かを判断することができる(S500)。
一実施態様によれば、制御部130は、前記第2センサ112から獲得された前記電池セルのインピーダンス測定値を前記標準データとリアルタイムで比較して、当該電池セルのリチウム析出の有無をリアルタイムで判断することができる。
他の実施態様によれば、制御部130は、前記第2センサ112から獲得された前記電池セルのインピーダンス測定値を使用者によって予め設定された所定基準によって収集することができる。その後、制御部130は、収集された複数の電池セルのインピーダンス測定値と前記標準データとを比較して、電池セルそれぞれのリチウム析出の有無を判断することができる。例えば、前記所定基準は、時間または第2センサによってインピーダンスが測定された電池セルの個数であってもよい。
電池セルのリチウム析出の有無を判断する方法についてより詳しく説明すると、本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置は、予め測定された周波数別標準データから獲得した、当該周波数での区分線を予め獲得することができる。例えば、区分線は、特定周波数での標準データのうち、リチウムが析出された電池セルの第1群集データ、およびリチウムが析出されていない電池セルの第2群集データを区分する、直線状の基準線であってもよい。
その後、前記リチウム析出検査装置は、特定周波数で測定された電池セルのインピーダンス測定値と、当該周波数で予め獲得された区分線と、を利用して、電池セルのリチウム析出の有無を判断することができる。
一実施態様によれば、前記リチウム析出検査装置は、特定周波数での渦電流によるインピーダンス測定値をリアルタイムで複素平面上に表示することができる。また、前記リチウム検査装置は、当該周波数に対応する標準データから獲得した前記区分線を前記複素平面上に一緒に表示することができる。
その後、前記リチウム析出検査装置は、前記区分線を基準として、前記複素平面上に位置された電池セルのリアルタイムインピーダンス測定値の位置を、前記第1群集データおよび第2群集データの位置と比較することができる。
この時、前記区分線を基準として、複素平面上での前記電池セルのインピーダンス測定値が前記第1群集データが位置した地点に存在する場合、前記リチウム析出検査装置は、前記電池セルにリチウムが析出されたことを判断することができる。
一方、前記区分線を基準として、複素平面上での前記電池セルのインピーダンス測定値が前記第2群集データが位置した地点に存在する場合、前記リチウム析出検査装置は、前記電池セルにリチウムが析出されなかったことを判断することができる。
他の実施態様によれば、前記リチウム析出検査装置は、所定基準に応じて収集された、特定周波数での渦電流による複数のインピーダンス測定値を複素平面上に表示することができる。また、前記リチウム検査装置は、当該周波数に対応する標準データから獲得した前記区分線を前記複素平面上に一緒に表示することができる。
その後、前記リチウム析出検査装置は、前記複素平面上に位置された複数の電池セルのインピーダンス測定データの位置を分析することができる。例えば、前記リチウム析出検査装置は、前記測定データが群集化されたか否か確認することができる。その後、前記リチウム析出検査装置は、前記区分線または前記区分線と同じ傾斜度を有する任意の基準線に基づいて、複素平面上での前記群集化された測定データが前記標準データの第1群集データおよび第2群集データと類似する位置に存在するか否かを確認することができる。この時、前記区分線を基準として、複素平面上での前記電池セルのインピーダンス測定値が前記第1群集データが位置した地点に存在する場合、前記リチウム析出検査装置は、前記電池セルにリチウムが析出されたことを判断することができる。
以上、本発明の実施態様によるリチウム析出検査方法について説明した。以下では、本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置を利用して行った、電池セルのリチウム析出検査実験についてより詳しく説明する。
本発明の実験例によるリチウム析出検査実験
第1センサとしてコイル型磁気センサ、および第2センサとして渦電流センサを含む本発明の実施態様によるリチウム析出検査装置を利用して、バッテリー容量が60Ahである、両方向Tab形態のパウチ型リチウムイオン電池セルを対象としてリチウム析出の有無を検査した。
この時、電池セルの正極タップと電極板との間の境界部が渦電流センサの中央に位置されるように配置させ、電池セルの境界部と渦電流センサとの距離が1mmの間隔を保持するように固定させて、第1センサの周波数を3200Hz、4000Hz、および8000Hzに調整しながら、電池セルの周波数別インピーダンスを個別に測定した。
その後、検査結果、リチウムが析出されていないことと判断された電池セル4つと、リチウムが析出されたことと判断された電池セル4つと、を対象として獲得した実験データと、当該周波数での標準データを一つの複素平面上に表現して比較した。
図12は、本発明の第3実施態様による周波数が3200Hzの場合の標準データ、および実験データのインピーダンス測定グラフであり、図13は、本発明の第4実施態様による周波数が4000Hzの場合の標準データ、および実験データのインピーダンス測定グラフであり、図14は、本発明の第5実施態様による周波数が8000Hzの場合の標準データ、および実験データのインピーダンス測定グラフである。
図12を参照すると、周波数が3200Hzの場合、複素平面上での第2センサによって測定された実験データが、予め獲得された第1区分線L1を基準として、第1実験データおよび第2実験データの群集形態に分けられて位置されることを確認した。
この時、第1実験データは、リチウムが析出されたことが判定された4つの電池セルのインピーダンス測定データであり、第2実験データは、リチウムが析出されなかったことが判定された4つの電池セルのインピーダンス測定データであった。
言い換えれば、リチウム析出の有無によって電池セルのインピーダンス測定データが群集形態を有することを確認した。
その後、周波数が3200Hzである場合の予め獲得された標準データを前記複素平面上に示して、前記第1実験データおよび第2実験データの群集位置を比較した。
比較結果、前記第1実験データおよび第1標準データが、前記第1区分線L1を基準として、上側に位置した1、2象限に群集して位置されることを確認し、前記第2実験データおよび第2標準データが前記第1区分線L1を基準として、下側に位置した3、4象限に群集して位置されることを確認した。
また、図13を参照すると、周波数が4000Hzの場合の予め獲得された標準データを同一複素平面上に示して、前記第1実験データおよび第2実験データを比較した。
比較の結果、前記第1実験データおよび第1標準データが、前記第2区分線L2を基準として、左側に位置した3象限に群集して位置されることを確認し、前記第2実験データおよび第2標準データが前記第2区分線L2を基準として、右側に位置した1象限に群集して位置されることを確認した。
一方、図14を参照すると、周波数が8000Hzの場合の複素平面上の第1実験データおよび第2実験データは群集性を有しないことを確認した。
これによって、本発明の実施態様および実験例によるリチウム析出検査装置は、特定の周波数範囲内で、リチウム析出の有無に対する電池セルの非破壊検査が可能であることを確認することができる。
以上、本発明の実施態様による電池セルでのリチウム析出検査装置および方法について説明した。
本発明の実施態様による電池セルでのリチウム析出検査装置および方法は、検査対象電池セルの周りに磁場を形成して渦電流を誘導した後、電池セルのインピーダンス測定値と標準データとを比較して、電池セル内のリチウム析出の有無を検出することにより、高い安定性と信頼性を有する。
本発明の実施態様による方法の動作は、コンピュータ読み取り可能記録媒体にコンピュータ読み取り可能プログラムまたはコードとして実現することが可能である。コンピュータ読み取り可能記録媒体はコンピュータシステムによって読み込まれ得るデータが格納されるすべての種類の記録装置を含む。また、コンピュータ読み取り可能記録媒体は、ネットワークに連結されたコンピュータシステムに分散されて分散方式でコンピュータ読み取り可能プログラムまたはコードが格納されて実行され得る。
また、コンピュータ読み取り可能記録媒体は、ロム(rom)、ラム(ram)、フラッシュメモリ(flash memory)などのように、プログラム命令を格納して実行するように特別に構成されたハードウェア装置を含んでもよい。プログラム命令は、コンパイラ(compiler)によって作られるような機械語コードだけでなく、インタープリタ(interpreter)などを使ってコンピュータによって実行され得る高級言語コードを含むことができる。
本発明の一部の側面は装置の文脈で説明されたが、それは対応する方法に係る説明も示すことができ、ここでブロックまたは装置は、方法段階または方法段階の特徴に対応する。同様に、方法の文脈で説明された側面も対応するブロックまたはアイテムまたは対応する装置の特徴で示すことができる。方法段階のいくつかまたは全部は、例えば、マイクロプロセッサ、プログラム可能なコンピュータまたは電子回路のようなハードウェア装置によって(または利用して)実行され得る。いくつかの実施態様において、最も重要な方法段階の一つ以上はこのような装置によって実行され得る。
以上、本発明の好ましい実施態様を参照して説明したが、当該技術分野における当業者は特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正および変更できることが理解できるはずである。
100 ・・・リチウム析出検査装置
110 ・・・検査部
111 ・・・第1センサ
112 ・・・第2センサ
120 ・・・移送部
121 ・・・移送ダイ
122 ・・・昇降部
123 ・・・吸着孔
124 ・・・駆動部
125 ・・・開口部
126 ・・・ネスト
130 ・・・制御部

Claims (18)

  1. 渦電流を利用して少なくとも一つの電池セル内部のリチウム析出の有無を検出する装置であって、
    前記電池セルに渦電流を誘導する第1センサ、および渦電流が誘導された前記電池セルのインピーダンスを測定する第2センサを含む検査部;および
    前記第2センサから測定されたインピーダンスの測定値を標準データと比較して、前記電池セルのリチウム析出の有無を判断する制御部、
    を含み、
    前記第1センサおよび前記第2センサは、磁化部材にコイルが巻取られた形態で提供され、
    前記第1センサは、事前に定義された特定周波数の交流電流を前記コイルに印加して磁場を形成させることにより、前記電池セルに渦電流を誘導し、
    前記第2センサは、前記電池セルに対する前記特定周波数でのインピーダンスを測定する、リチウム析出検査装置。
  2. 外部から投入される前記電池セルを前記検査部に移送する移送部をさらに含む、請求項1に記載のリチウム析出検査装置。
  3. 前記第1センサは、前記移送部を基準として上側部に位置し、
    前記第2センサは、前記移送部を基準として下側部に位置し、
    前記第1センサおよび前記第2センサは、前記移送部を基準として同一垂直線上に位置する、請求項2に記載のリチウム析出検査装置。
  4. 前記特定周波数は、
    3190Hz以上から3210Hz以下のいずれか一つの値である、請求項1に記載のリチウム析出検査装置。
  5. 前記特定周波数は、
    3990Hz以上から4010Hz以下のいずれか一つの値である、請求項1に記載のリチウム析出検査装置。
  6. 前記標準データは、
    リチウムが析出された前記電池セルまたはリチウムが析出されていない前記電池セルを対象として、前記特定周波数でのインピーダンスを測定した予め検証されたデータである、請求項1から5のいずれか一項に記載のリチウム析出検査装置。
  7. 前記制御部は、
    複素平面上に表現される前記標準データを第1群集データおよび第2群集データに区分する区分線を基準として、前記複素平面上での前記第2センサから測定された前記電池セルのインピーダンスの測定値の位置と、前記第1群集データおよび前記第2群集データの位置と、を比較して、前記第2センサから測定された前記電池セルのリチウム析出の有無を判断し、
    前記第1群集データは、リチウムが析出された前記電池セルから測定された少なくとも一つのデータであり、
    前記第2群集データは、リチウムが析出されていない前記電池セルから測定された少なくとも一つのデータである、請求項6に記載のリチウム析出検査装置。
  8. 前記電池セルは、
    パウチ型リチウム二次電池セルである、請求項1に記載のリチウム析出検査装置。
  9. 前記電池セルは、
    エネルギー貯蔵装置(Energy Storage System、ESS)に用いられる、請求項1に記載のリチウム析出検査装置。
  10. 磁化部材にコイルが巻取された第1センサおよび第2センサを含む検査部を含んで、少なくとも一つの電池セル内部のリチウム析出の有無を検査する方法であって、
    前記第1センサのコイルに事前に定義された特定周波数の交流電流を印加して磁場を形成させることにより、前記電池セルに渦電流を誘導させるステップ;
    前記第2センサを利用して前記電池セルに対する前記特定周波数でのインピーダンスを測定するステップ;および
    前記第2センサによって測定されたインピーダンスの測定値を標準データと比較して、前記電池セル内のリチウム析出の有無を判断するステップ、
    を含む、リチウム析出検査方法。
  11. 移送部をさらに含んで、前記電池セルを前記検査部に移送するステップをさらに含む、請求項10に記載のリチウム析出検査方法。
  12. 前記第1センサは、前記移送部を基準として上側部に位置し、
    前記第2センサは、前記移送部を基準として下側部に位置し、
    前記第1センサおよび前記第2センサは、前記移送部を基準として同一垂直線上に位置する、請求項11に記載のリチウム析出検査方法。
  13. 前記特定周波数は、
    3190Hz以上から3210Hz以下のいずれか一つの値である、請求項10に記載のリチウム析出検査方法。
  14. 前記特定周波数は、
    3990Hz以上から4010Hz以下のいずれか一つの値である、請求項10に記載のリチウム析出検査方法。
  15. 前記標準データは、
    リチウムが析出された前記電池セルまたはリチウムが析出されていない前記電池セルを対象として、前記特定周波数でのインピーダンスを測定した予め検証されたデータである、請求項10から14のいずれか一項に記載のリチウム析出検査方法。
  16. 前記電池セル内のリチウム析出の有無を判断するステップは、
    複素平面上に表現される前記標準データを第1群集データおよび第2群集データに区分する区分線を基準として、前記複素平面上での前記第2センサから測定された前記電池セルのインピーダンスの測定値の位置と、前記第1群集データおよび前記第2群集データの位置と、を比較して、前記第2センサから測定された電池セルのリチウム析出の有無を判断するステップ、
    を含み、
    前記第1群集データは、リチウムが析出された前記電池セルから測定された少なくとも一つのデータであり、
    前記第2群集データは、リチウムが析出されていない前記電池セルから測定された少なくとも一つのデータである、請求項15に記載のリチウム析出検査方法。
  17. 前記電池セルは、
    パウチ型リチウム二次電池セルである、請求項10に記載のリチウム析出検査方法。
  18. 前記電池セルは、
    エネルギー貯蔵装置(Energy Storage System、ESS)に用いられる、請求項10に記載のリチウム析出検査方法。
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