KR100329522B1 - 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기중에서 전지의 전기화학적 특성을 정확하게 측정할 수 있고 분해 및 조립이 용이한 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치에 관한 것이다.
본 발명에 의한 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치는, 다수개의 체결턱을 구비하는 몸체부와, 상기 몸체부의 체결턱에 맞물리는 다수개의 체결홈이 형성되어 있어, 상기 몸체부를 개폐할 수 있는 덮개부로 구성되고 테프론 또는 유리로 이루어진 전해질을 담고 있는 하우징(120)과, 일단은 상기 하우징 외부의 전지의 전기화학적 특성을 측정하는 측정장치에 연결되고 또 다른 일단은 상기 하우징 내부에서 측정하고자 하는 전지의 소자와 연결되는 워킹전극(110)과, 상기 워킹전극과 일정한 간격이 유지되도록 설치된 카운터전극(112) 및 레퍼런스전극(114)을 포함하며, 상기 전극의 일단에는 전지소자를 고정시킬 수 있는 악어클립(110a,112a,114a)이 부착되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기한 구성에 의해, 전극간의 거리가 달라짐에 따른 전지의 전기화학적 특성변화를 억제할 수 있고, 셀장치의 분해 및 조립을 용이하게 할 수 있는 이점이 있다.

Description

전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치{The cell device for determination of electric battery' electrochemical characteristics}
본 발명은 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기중에서 전지의 전기화학적 특성을 정확하게 측정할 수 있고 분해 및 조립이 용이한 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치에 관한 것이다.
리튬 2차전지 등의 정극재료나 부극재료 또는 전해질의 전기화학적인 특성을 공기중에서 측정할 수 있도록 하는 셀장치가 많이 있다. 셀장치란, 일반적으로 전지소자등의 전기화학적 특성을 공기중에서 측정할 수 있도록, 테프론, 구리선 및 에폭시 등을 이용하여 전기소자등을 공기와 차단된 상태로 장착하고 전지의 전기화학적 특성을 측정할 수 있는 측정장치와 연결되는 장치를 말한다.
도 1a에는 종래의 리튬2차전지의 전기화학적 특성을 측정할 수 있는 셀장치가 도시되어 있는데, 이를 참고하면서 종래의 셀장치의 구조 및 조립방법에 대해 설명한다.
종래의 셀장치는 테프론베이스(10)와 알루미늄탑(12)사이에 전극(22a, 22b)등이 재치되고, 상기 테프론베이스(10)와 알루미늄탑(12)이 테프론베이스(10)의 외주연에 설치된 다수개의 나사(40)에 의해 조립되도록 구성되어 있다.
종래의 셀장치를 조립하기 위해서는 먼저, 상기 테프론베이스(10) 위에 집전체(current collector, 20a), 전극b(22b), 분리자(separator,24), 전극a(22a), 테프론워셔(26), 집전체(20b)를 순서대로 적층한다.
그리고, 상기 적층한 상부에 반구형의 50 PSI 프레서워셔(50 PSI PRESSURE WASHER)와 같은 압력장치(30)를 장착하는데, 상기 압력장치는 상기 전극들(22a, 22b)이 일정한 간격을 유지하도록 하는 역할을 한다.
상기와 같이 전극(22a, 22b) 및 압력장치(30) 등을 적층한 후, 그 상측에 알루미늄탑(12)을 덮는다. 이때, 상기 알루미늄탑(12)의 원주를 따라 형성되어 있는 다수개의 나사공(12a)에 상기 테프론베이스(10)에 장착되어 있는 다수개의 나사(40)가 삽입되도록 하면서, 상기 알루미늄탑(12)을 상기 테프론베이스(10)에 체결한다.
상기 나사(40)는 스와젤로카실링(swageloca sealing) 나사로서, 보통 3 ~ 5 개 장착되어 있다. 상기 나사(40)의 상단에 너트를 체결하여 셀장치를 완전히 조립하게 되는데, 이때 반구형인 압력장치(30)를 고려하여 내부에 적층된 전극들이 평행하게 되도록 셀장치 전체의 수평을 유지시키는 것이 중요하다.
상기와 같은 셀장치의 조립은 전해질이 공기와 접촉하여 변성되는 것을 방지하기 위해서 아르곤박스내에서 행한다.
도 1b는 도 1a의 평면도이다. 상기와 같이 조립된 셀장치는 도 1b에 도시된 니켈탭(50)을 통해 임피던스 등 전지의 전기화학적 특성을 측정할 수 있는 측정장치에 연결되어 공기중에서 전지의 전기화학적 특성을 측정할 수 있게 된다.
그런데, 상술한 구조의 종래의 셀장치는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 상술한 바와 같이, 종래의 셀장치는 전극사이의 분리자를 사용하며 압력을 가하는 시스템이므로, 별도의 압력장치가 필요하고, 전극사이의 거리가 셀 조립시의 압력에 따라서 변화하여 정확한 측정이 어려울 뿐만 아니라 과중한 압력시 정극과 부극의 단락이 발생할 위험도 있다.
둘째, 공기중에서 전지의 전기화학적 특성을 측정할 때 전해질에 공기가 침투하는 것을 방지하기 위한 실링을 해야 하는데, 종래의 셀장치는 금속으로 이루어져 금속실링을 해야 한다. 그런데, 이러한 금속실링을 이용하면, 셀의 조립 및 분해가 용이하지 않고, 금속실링은 부식되기 쉬우며, 작은 아르곤 박스내에서의 작업에 한계가 있다는 단점을 가지고 있다.
세째, 종래의 셀장치는 알루미늄탑과 테프론베이스를 다수개의 나사에 의해 체결하여 조립하는데, 이때 셀장치 내부의 전극이 평행을 유지하도록 하기 위해서는 고도의 숙련이 필요하다. 따라서, 정확한 전지의 특성을 측정하기 위해서는 고도로 숙련된 전문가가 필요한 단점이 있다.
네째, 종래의 셀장치는 미국 및 일본 등에서의 수입에 의존하므로, 100원대의 고가이다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다음과 같다.
본 발명의 첫째번 목적은, 셀장치 조립시 전극사이의 거리가 일정하게 유지되고, 전극의 단락을 방지하여 전지의 전기화학적 특성을 정확하게 측정할 수 있는 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치를 제공하는 것이다.
둘째번 목적은, 압력장치가 불필요한 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치를 제공하는 것이다.
세째번 목적은, 조립과 분해가 용이한 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치를 제공하는 것이다.
네째번 목적은, 금속실링에 의하지 않고 전해질내로의 공기침투를 효과적으로 방지할 수 있는 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치를 제공하는 것이다.
다섯째, 제작단가가 저렴한 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치를 제공하는 것이다.
도 1a는 종래의 2차전지의 전기화학적 특성을 측정하는 셀장치의 개략적 단면도.
도 1b는 도 1a의 평면도
도 2는 본 발명에 의한 전지의 전기화학적 특성을 측정하는 셀장치의 개략적 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 테프론베이스 12 : 알루미늄탑
12a : 나사공 20a,20b : 집전체
22a,22b : 전극 24 : 분리자
26 : 테프론워셔 30 : 압력워셔
40 : 나사 50 : 니켈탭
110 : 워킹전극 110a,112a,114a : 악어클립
110b : 전지소자 112 : 카운터전극
112b : 리튬금속 114 : 레퍼런스전극
120 : 하우징 121 : 몸체부
122 : 덮개부 122a : 체결턱
124a : 체결홈 124 : 체결부
126 : LiClO4-PC 130 : 에폭시
132 : O-링
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 의한 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치는, 측정하고자 하는 전지소자를 외부 공기와 격리하는 하우징과, 일단은 상기 하우징 외부의 전지의 전기화학적 특성을 측정하는 측정장치에 연결되고 또 다른 일단은 상기 하우징 내부에서 측정하고자 하는 전지의 소자를 고정할 수 있는 워킹전극과, 상기 워킹전극과 일정한 간격이 유지되도록 설치되는 카운터전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 의하면, 셀장치 조립시 전극사이의 거리가 일정하게 유지되고, 전극의 단락을 방지하여 전지의 전기화학적 특성을 안전하고 정확하게 측정할수 있는 이점이 있다. 또한 별도의 압력장치가 불필요하며, 전지의 전기화학적 특성을 측정하기 위해 고도로 숙련된 전문가를 필요하지 않게 되는 이점도 있다.
본 발명에 의한 보다 구체적인 실시예에 의하면, 본 발명에 의한 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치는, 상기 워킹전극 및 카운터전극의 일단에 전지소자를 고정시킬 수 있는 악어클립을 부착하는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 의하면, 셀장치에 전지소자를 용이하게 조립 또는 분해할 수 있고, 셀장치를 반복적으로 사용할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 다른 구체적인 실시예에 의하면, 본 발명에 의한 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치는, 상기 하우징이, 다수개의 체결턱을 구비하는 몸체부와, 상기 몸체부의 체결턱에 맞물리는 다수개의 체결홈이 형성되어 있어, 상기 몸체부를 개폐할 수 있는 덮개부를 포함하고, 상기 몸체부와 상기 덮개부는 테프론 또는 유리로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 의하면, 금속용접 및 나사체결이 필요없어 좁은 아르곤 박스내에서도 용이하게 셀장치의 조립과 분해를 할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 보다 구체적인 실시예에 의하면, 본 발명에 의한 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치는, 상기 하우징의 몸체부와 상기 덮개부가 접하는 부분에 하나의 이상의 O-링을 설치하는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 의하면, 금속실링에 의하지 않고 전해질내로의 공기침투를 효과적으로 방지할 수 있고, 셀장치의 조립 및 분해를 용이하게 하는 이점이 있다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 바람직한 실시예에 대해서 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 리튬2차전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 셀장치는, 측정하고자 하는 전지소자를 외부 공기와 격리하는 하우징(120)과, 일단은 상기 하우징(120) 외부의 전지의 전기화학적 특성을 측정하는 측정장치에 연결되고 또 다른 일단은 상기 하우징(120) 내부에서 측정하고자 하는 전지의 소자와 연결되는 워킹전극(110)과, 상기 워킹전극(110)과 일정한 간격이 유지되도록 설치된 카운터전극(112)과, 상기 워킹전극(110) 및 상기 카운터전극(112)과 일정한 간격이 유지되도록 설치된 레퍼런스전극(114)을 포함하여 구성된다.
상기 하우징(120)은 테프론 또는 유리로 이루어지며, 크게 몸체부(121)와 상기 몸체부(121)를 개폐하는 덮개부(122)로 구성된다. 상기 몸체부(121)는 바닥부에 전해질을 수용할 수 있는 통형상이다. 또한, 상기 덮개부(122)는 "T" 형상으로 하부 외주연에는 다수개의 체결턱(122a)이 형성되어 있다.
한편, 중앙부에 몸체부(121)이 통과하는 통과공이 형성되어 있고 그 단면이 "" 형상인 체결부(124)는, 상기 몸체부(121)와 덮개부(122)를 결합시키는 역할을 한다. 즉, 상기 체결부(124)의 내주연에는 상기 덮개부(122)의 체결턱(122a)에 맞물리며 결합되는 다수개의 체결홈(124a)이 형성되어 있다. 따라서, 상기 몸체부(121)와 덮개부(122)를 접촉시킨 상태에서 상기 체결부(124)를 돌려 끼우면, 상기 몸체부(121)와 덮개부(122)는 결합되고, 하우징 내부는 외부 공기로부터 차단된다.
상기 실시예는 상기 몸체부(121)와 체결부(124)가 분리되어 있으나, 상기 몸체부(121)와 체결부(124)를 일체화한 실시예도 가능하다. 즉, 상기 몸체부(121)의 내주연에 상기 덮개부(122) 외주연의 체결턱(122a)에 체결되는 체결홈을 형성하여 몸체부(121)를 덮개부(122)에 바로 결합시킬 수 있다.
이때, 하우징 내부를 보다 완벽하게 실링하기 위해서, 상기 몸체부(120)와 덮개부(122)가 접하는 부분에 하나 이상의 O-링을 설치할 수 있다. 바람직하게는 3개 이상의 O-링을 설치한다.
상기 전극들(110,112,114)은 막대형상으로, 스테인레스스틸, 구리 또는 니켈로 되어 있다. 상기 전극들(110,112,114)의 일단은 상기 하우징 외부의 전기화학적 특성을 측정할 수 있는 측정장치와 연결되는 부분이고, 다른 일단은 상기 덮개부(122)에 형성된 통과공(미도시)을 통하여 하우징 내부로 투입된다. 바람직하게는, 상기 전극들(110,112,114)과 상기 하우징 덮개부(122)가 접하는 부분은 에폭시(130)에 의해 접합된다.
그리고, 상기 하우징 내부로 투입된 전극들(110,112,114)의 일단에는 악어클립(110a,112a,114a)이 고정되어 있다. 상기 악어클립(110a,112a,114a)은 스테인리스스틸등으로 된 전극에 용접이나 납땜등으로 장착된다.
이하에서는, 도 2를 참조하면서 본 발명에 의한 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치의 작용효과에 대하여 설명한다.
상기와 같은 구성의 셀장치는 다음과 같은 방법으로 조립된다.
우선, 상기 하우징의 덮개부(122)에 일정간격으로 형성된 통과공을 통하여 워킹전극(110), 카운터전극(112) 및 레퍼런스전극(114)의 일단을 하우징의 몸체부(121)로 밀어넣는다.
그런 다음, 상기 덮개부(122)의 통과공 주위 즉, 덮개부(122)와 상기 전극들(110,112,114)가 접하는 부분을 에폭시(130)로 용접하여 실링 및 고정을 한다. 상기와 같이 용접하여 전극들(110,12,114)을 일정한 위치에 고정시키면, 전극간의 거리가 항상 일정하여 전지의 전기화학적 특성을 정확하게 측정할 수 있고, 별도의 압력장치가 불필요하게 된다. 또한 상기 덮개부(122)는 테프론 또는 유리로 구성되어 있기 때문에, 금속실링인 아닌 에폭시(130) 용접이 가능하여 셀장치의 조립 및 분해가 용이하게 된다.
다음으로, 스테인레스스틸, 구리 또는 니켈봉으로 구성된 상기 전극들(110, 112,114)의 하단부에 악어클립(110a,112a,114a)을 용접 또는 납땜하여 장착한다. 그리고, 상기 워킹전극(110) 하단부의 악어클립(110a)에는 특성을 측정하고자 하는 정극, 부극 또는 전해질(110b)등의 전지소자를 고정시키고, 상기 카운터전극(112) 및 레퍼런스전극(114)의 악어클립(112a,114a)에는 리튬금속(112b)을 고정시킨다. 상기와 같이 악어클립은 측정하고자 하는 전지소자를 용이하게 고정시킬 수 있을 뿐만 아니라, 분해가 용이하고 재사용도 가능한 이점이 있다.
한편, 상기 하우징의 몸체부(121)의 바닥부에는 전해질이 넣어진다. 상기 전해질은 측정하고자 하는 전지의 소자에 종류에 따라 달라질 수 있는데, 리튬2차전지인 경우 LiClO4-PC(polycarbonate)를 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 몸체부(121)는 상기 체결부(124)의 중앙부 통과공에 끼워진다. 그런 다음, 상기 체결부(124)의 내주연에 형성된 체결홈(124a)이 상기 덮개부(122)의 외주연에 형성된 체결턱(122a)에 맞물리도록 하면서 회전시켜, 상기 체결부(124) 및 상기 몸체부(121)가 상기 덮개부(122)에 결합되도록 한다. 상기의 셀장치 조립은 전해질의 변질을 방지하기 위해 아르곤 상자안에서 실시하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 본 발명에 의한 셀장치의 조립은 나사식으로 하우징을 결합시키기 때문에, 고도의 숙련이 필요하지 않아 누구나 용이하게 전지의 전기화학적 특성을 정확하게 측정할 수 있는 이점이 있다.
상기와 같이 본 발명에 의해 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치는 구조가 간단하고 별도의 장치없이 용이하게 조립할 수 있고, 구조가 간단하여 셀장치의 제작단가를 획기적으로 낮출 수 있는 이점이 있다.
상기에서는 리튬2차전지의 전지소자를 측정하는 셀장치에 관련된 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범위내에서 1차전지를 비롯한 다양한 전지의 전기화학적 특성을 측정하기 위한 셀장치를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치는, 하우징이 테프론 또는 유리로 이루어지고, 워킹전극과 카운터전극 사이의 거리가 일정하게 유지되고, 다중 실링구조를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 첫째, 상기 전극사이의 거리가 일정하게 유지되므로 전지의 저항값의 변화를 억제하고, 전극의 단락을 방지할 수 있어 전지의 전기화학적 특성을 쉽고, 정확하게 측정할 수 있는 효과를 도모할 수 있다.
둘째, 금속실링이 불필요하므로, 셀장치를 용이하게 조립 또는 분해할 수 있는 효과를 도모할 수 있다.
세째, 전해질로의 공기침투를 효율적으로 방지하여 전해질의 변질을 억제할 수 있는 효과를 도모할 수 있다.
네째, 별도의 압력장치가 불필요하며, 셀장치를 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 효과를 도모할 수 있다.

Claims (6)

  1. 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치에 있어서,
    측정하고자 하는 전지소자를 외부 공기와 격리하는 하우징과,
    일단은 상기 하우징 외부의 전지의 전기화학적 특성을 측정하는 측정장치에 연결되고 또 다른 일단은 상기 하우징 내부에서 측정하고자 하는 전지의 소자와 연결되는 워킹전극과,
    상기 워킹전극과 일정한 간격이 유지되도록 설치되는 카운터전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 워킹전극 및 카운터전극과 일정 거리가 유지되도록 설치되는 레퍼런스전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지의 전지화학적 특성측정용 셀장치.
  3. 제 1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전극들의 일단에는 전지소자를 고정시킬 수 있는 악어클립이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 하우징은
    다수개의 체결턱을 구비하는 몸체부와,
    상기 몸체부의 체결턱에 맞물리는 다수개의 체결홈이 형성되어 있어 상기 몸체부를 개폐할 수 있는 덮개부를 포함하고,
    상기 몸체부와 상기 덮개부는 테프론 또는 유리로 구성되는 것을 특징으로 하는 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치.
  5. 제 5항에 있어서, 상기 하우징의 몸체부와 상기 덮개부가 접하는 부분에 하나 이상의 O-링을 설치하는 것을 특징으로 하는 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 하우징을 통과하는 전극들과 상기 하우징과 접하는 부분을 에폭시를 사용하여 접합하는 것을 특징으로 하는 전지의 전기화학적 특성측정용 셀장치.
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