KR100449366B1 - 짧은 구간의 고율 방전특성을 이용한 전지의 용량 선별방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬이온, 리튬폴리머, Ni-Cd, NiMH등의 2차 전지에 대한 효과적인 용량 선별에 관한 것으로서, 짧은 구간내의 2.0C 이상의 전지의 고율 방전특성을 이용하여 방전특성이 상이한 전지를 선택적으로 분리하는 기술이다.

본 발명의 짧은 고율 방전특성을 이용하여 전지를 선별하는 방법은, 동일 제조 조건으로 생산된 동일 그룹의 전지들을 동일충전조건으로 충전하는 단계와, 상기 전지를 동일 조건으로 충전한 후 중간 단락과정을 포함하는 일정시간 고율 방전을 실시하는 단계와, 초기 특정 SOC상태의 개방회로 전압과 최종 전지의 순간 고율 방전 프로파일을 비교하여 전지의 용량을 선별하는 단계로 구성되어진다.

Description

짧은 구간의 고율 방전특성을 이용한 전지의 용량 선별 방법{METHOD FOR EVALUATING THEIR CAPACITIES USING SHORT-TIME HIGH RATE DISCHARGE CHARACTERISTIC OF BATTERIES}

본 발명은 전지의 용량 선별방법에 관한 것으로서, 특히 짧은 구간내의 2.0C 이상의 전지의 순간 고율 방전특성을 이용하여 방전특성이 상이한 전력원을 선택적으로 분리 할 수 있는 전지용량 선별방법에 관한 것이다.

최근 들어 가전제품, 사무용품, 정보통신기기들이 포터블(portable)화, 코드리스(cordless)화 되어 감에 따라 이들의 구동 전원으로 사용되는 2차 전지도 소형화, 경량화 및 고에너지 밀도화가 요구되고 있다.

특히, 2차 전지 중에서도 리튬이온이 가역적으로 삽입/방출되며, 전지전압이 3∼4V로 높고, 100Wh/kg의 고에너지 밀도를 갖는 리튬이온 2차 전지에 관한 연구개발이 활발히 진행되고 있는 추세이다.

90년대초 일본의 소니사가 원통형 리튬이온전지 18650 타입을 양산을 개시한 이래로 전극재료의 개선, 전지 조립 부품의 경량화, 전지 조립공정의 정밀 규격화 등을 통해 최근에는 전지 용량이 0.6Ah급에서 2Ah급까지 다양한 형태의 각형, 원통형 전지가 양산되어 시판되고 있다. 이러한 고용량 전지는 최근 이동식 정보 단말기의 멀티미디어화 추세에 편승하여 그 수요가 증가되고 있으며, 고품질 영상정보 전달의 주요한 에너지원으로 자리 잡아 가고 있다. 한편 이러한 전지는 단전지의 수요(전지 1개를 전력원으로 하는 디바이스)와 함께 조전지화(전지팩 : 전지를 복수 개 사용하는 것으로 직렬 혹은 병렬 연결하여 팩 형태로 사용) 형태로 사용되는데, 이때 전지의 용량 선별의 중요성이 대두되게 된다. 따라서 전지 제조업체는 나름대로의 전지 출하전에 용량 선별을 위해 특정 주파수의 임피던스 측정값 비교나 일정 횟수의 충방전 시험비교 등을 실시하는 것으로 알려져 있다.

그러나 이와 같은 초기상태의 전지 평가는 단순히 전지의 불량 여부를 판정하는 기준에 불과하며 전자의 경우 측정온도, 측정방법 등 측정 환경에 민감하며 후자의 경우 수많은 전지에 대한 충방전 설비를 이용 평가하기에는 시간적, 경제적 문제점을 안고 있다.

전지의 충전/방전 상태와 관련된 특성에 대하여, 일반적으로 전지의 개방회로전압(Open circuit voltage), 동작상태에서의 전지의 전압 및 변화, 전지에 인가되는 입력 전압 또는 전류에 대한 출력신호의 특성 및 이로부터 유도되는 내부저항 함수 또는 임피던스 함수 등의 측정에 관한 방법 등이 잘 알려져 있다. 이러한 여러 가지의 방법을 사용할 경우에 전지의 실시간 방전법에 소요되는 시간보다 짧은 시간내에 전지용량의 측정이 가능하다. 이를 위하여 많은 연구가 진행되어 왔는데, 그 일예로는, 미국특허 US 4,952,862에서는 전지의 방전특성을 푸커트 매개인자(Peukert parameter)로 구성되는 전압-시간함수로 나타내고, 전지의 전압 측정값과 상기 전압-시간함수로부터 전지의 잔존용량을 산출하는 방법을 제시하고있다. 또한 유럽특허 EP 119,547은 방전중인 전지의 방전전압을 시간의 함수로 측정하고, 일정구간에서의 방전전압의 평균변화율로부터 전지의 방전상태를 측정하는 방법을 제시하고 있다. 미국특허 US 3,984,762에서는 전지에 인가된 교류전류와 측정된 교류전압과의 위상차 측정방법을 언급하였다. 이러한 방전과정에서 전압 또는 전압의 변화량을 측정하여 용량을 산출할 경우에 측정값과 전지의 용량과의 상관관계가 나타나는 정확도는 전지의 방전특성에 대하여 민감한 의존성을 보인다. 예를 들면 전압의 평탄성이 매우 우수한 리튬이온 2차 전지의 경우에 방전상태의 변화에 대한 전압의 변화가 매우 적다. 한편, 또 다른 연구자들은 일본특허 P2000-39471A에서 펄스전류에 대한 충전 전압 과도현상 구간을 이용한 전지의 열화 판정방법을 제시하였다. 이 경우 100msec 이내의 과도현상 구간내에서 1.0C 이하의 연속적인 펄스전류에 대한 충전 전압의 기울기에 대한 산술적 연산 비교방법으로 이는 이미 측정 전의 전지의 내부저항의 차이가 뚜렷하게 존재할 경우에 해당하므로 내부저항 차이가 거의 없는 동일 제조 조건에 의해 생산된 전지의 경우에는 적용하기가 힘들다.

따라서 본 발명의 목적은 동일 제조 조건하에서 생산된 2차 전지들 중 짧은 구간내의 2.0C 이상의 전지의 고율 방전특성을 이용하여 방전 특성이 상이한 전지를 선택적으로 분리하는 전지 용량 선별방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 방전특성이 상이한 전지를 분리하여 직렬 혹은 병렬조합으로 조전지화 하여 조합전지의 에너지 효율을 극대화할 수 있는 전지용량 선별방법을 제공함에 있다.

도 1은 동일 전지그룹의 초기용량 분포 및 방전율 변화에 따른 방전특성을 나타낸 그래프

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 용량분포도를 나타낸 그래프

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 스펙트럼을 나타낸 그래프

도 4a는 본 발명의 일 실시 예의 인가된 전류의 시간별 패턴을 나타낸 그래프

도 4b는 본 발명의 실시 예에 따른 리튬이온 2차 전지의 3회째의 고율 방전 프로파일을 나타낸 그래프

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 용량분포도를 나타낸 그래프

도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 임피던스 스펙트럼을 나타낸 그래프

도 7a는 본 발명의 다른 실시 예의 인가된 전류의 시간별 패턴을 나타낸 그래프

도 7b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 리튬이온 2차 전지의 3회째의 고율방전 프로파일을 나타낸 그래프

도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 리튬이온 2차 전지의 3회째의 고율 방전 프로파일로부터 구한 전압응답변화와 용량과의 상관성을 나타내는 그래프

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 2차 전지의 용량 선별 방법은 동일 제조 조건으로 생산된 동일 그룹의 전지들을 동일충전조건으로 충전하는 단계와, 상기 전지를 동일 조건으로 충전한 후 중간 단락과정을 포함하는 일정시간 고율 방전을 실시하는 단계와, 초기 특정 SOC상태의 개방회로전압과 최종 전지의 순간 고율 방전 프로파일을 비교하여 전지의 용량을 선별하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예의 동작을 상세히 설명한다.

도 1은 동일 전지그룹의 초기용량 분포 및 방전율 변화에 따른 방전특성을 나타낸 그래프이고,

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 용량분포도를 나타낸 그래프이고,

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 스펙트럼을 나타낸 그래프이고,

도 4a는 본 발명의 일 실시 예의 인가된 전류의 시간별 패턴을 나타낸 그래프이고,

도 4b는 본 발명의 실시 예에 따른 리튬이온 2차 전지의 3회째의 고율 방전프로파일을 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 용량분포도를 나타낸 그래프이고,

도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 임피던스 스펙트럼을 나타낸 그래프이고,

도 7a는 본 발명의 다른 실시 예의 인가된 전류의 시간별 패턴을 나타낸 그래프이고,

도 7b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 리튬이온 2차 전지의 3회째의 고율방전 프로파일을 나타낸 그래프이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 리튬이온 2차 전지의 3회째의 고율 방전 프로파일로부터 구한 전압응답변화와 용량과의 상관성을 나타내는 그래프이다.

상술한 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 2차 전지의 용량선별에 사용된 동일 전지그룹의 초기용량 분포 및 방전율 변화에 따른 방전특성을 나타낸 일례로 도 1에 나타낸 바, 1시간율(1.0C)이하의 방전율에 대하여 용량변화는 2% 이내로 매우 좁은 용량 분포를 보여주고 있음을 알 수 있다. 그러나 충방전 횟수가 증가되면서 용량분포가 상이하게 달라짐을 관찰할 수 있었다. 한편 이러한 싸이클 증가에 따른 용량 변화는 2.0C 의 고율방전 특성과 유사하게 변화한다는 것에 착안하여 전지의 순간 고율 방전 특성을 이용한 용량 선별을 시도하게 되었다.

전지 생산자는 전지 구매자가 요구하는 용량 분포에 맞게 2차 전지를 출하하게 되는데, 이때 출하 전지의 개방회로 전압은 전지의 운반 및 저장시 안정성을 고려하여 만충전 혹은 과방전 상태를 피해 부분방전 상태로 유지토록 하고 있다. 한국특허공고번호 2000-264,515에 기술된바와 같이 임피던스 스펙트럼 분석을 통한 전지 용량 측정은 전지의 각 방전도(DOD, Depth of discharge)에서 나타나는 고유의 임피던스 스펙트럼이 전지의 잔존용량과 관계 있음에 근거한다고 볼 때 동일 전지그룹에 대한 순간 방전특성을 비교하기 위해서는 동일 SOC상태를 유지토록 해야 한다. 이러한 사실을 토대로 리튬이온 2차 전지의 경우 개방회로전압을 부분 충전상태인 4.0볼트 이하로, 즉3.8볼트의 SOC(State of charge)상태를 0.5C 충전 조건으로 충전시키며, 이때 1일 자가방전에 의한 개방회로전압 변화가 20mV가 넘지 않는 충전 종결 조건으로 공칭용량의 0.5%에 해당하는 전기량까지 충전시킨다. 이때 SOC 상태는 개방회로전압이 3.0볼트 이하로 되지 않는 것이 바람직하다. 특정 SOC상태의 동일 전지 그룹에 대한 임피던스 스펙트럼 분석을 통하여 내부저항의 분포를 확인할 수도 있다.

준비된 특정 SOC상태의 동일 전지 그룹에 대한 순간 고율 방전특성 관찰은 일반적인 충방전 설비를 이용할 수도 있다. 이때 방전 패턴은 1회당 60초 이내, 바람직하게는 2초 이상, 10초 이내에 실시하고 동일 조건으로 1초 이내의 순간 단락을 연속적으로 1회 이상 실시한다. 인가되는 방전 전류값은 공칭용량 기준으로 하여 1.0C이상 10.0C 이내의 방전율로 실시한다. 바람직하게는 1.5C이상 2.0C 이내로 하는 것이 바람직하다. 동일 전지그룹에 대한 순간 고율 방전특성 비교는 특정 SOC상태의 개방회로전압으로부터 방전구간 사이의 전압 응답 프로파일로 부터 얻을 수 있다.

실시예 1

18650 원통형 타입의 리튬이온 2차 전지 5개의 동일 전지그룹에 대한 5회 충방전을 실시한 결과를 도 2에 나타내었다. 이때 측정 조건은 0.5C 충전율, 1.0C 방전율 조건으로 실시하였다. 5회 충방전이 진행된후 동일 SOC 상태를 만들기 위해 셀 전압을 충전조건으로 3.8볼트로 유지토록 한 후, 순간 고율 방전을 실시하기 전에 내부 저항 비교를 위하여 이들 전지에 대한 임피던스 스펙트럼을 측정 분석하였다. 임피던스 측정은 BPS 1000FL모델(제조사 : 금호석유화학(주))을 사용, 10kHz ~ 10mHz사이의 주파수 범위에서 실시하였으며 그 결과는 도 3에 나타내었으며 구체적 시험분석은 한국특허공고번호 2000-264,515호를 인용하였다. 3.8볼트의 동일 SOC 상태의 전지 그룹에 대한 순간 방전 실시는 3회에 걸쳐 실시하였으며 방전 패턴은 매회 순간 단락 0.5초와 함께 3회 연속 16초 간격으로 실시하였다. 이때 인가 방전전류는 3,600mA이었다. 3회의 순간 고율 방전 패턴이 끝난후 초기 SOC상태의 개방회로전압으로부터 변화는 전압응답 프로파일을 모니터링하여 도 4b와 같이 나타났다. 도 2의 용량 분포에서 나타낸 바와 같이 전지 4의 경우 가장 큰 방전 용량을 나타내고 있으며 이러한 사실은 임피던스 스펙트럼으로부터 전하 이동 저항과 연관이 있는 스펙트럼 반원의 크기 변화와 용량 상관성에서 작은 값을 나타내어야 하나 실시예의 경우 구분하지 못하였다. 한편 본 발명의 순간 고율 방전 프로파일을 비교한바 도 4b에 나타난 것처럼 뚜렷한 선별을 할 수 있었다.

실시예 2

650mAh급 각형 타입의 리튬이온 2차 전지 9개의 동일 전지그룹에 대한 용량 분포를 도 5에 나타내었다. 이때 동일 SOC 상태를 만들기 위해 셀 전압을 충전조건으로 3.72볼트로 유지토록 한 후, 순간 고율 방전을 실시하기 전에 내부 저항 비교를 위하여 이들 전지에 대한 임피던스 스펙트럼을 측정 분석하였다. 임피던스 측정은 BPS 1000FL모델(제조사 : 금호석유화학(주))을 사용, 10kHz ~ 10mHz사이의 주파수 범위에서 실시하였으며 그 결과는 도 6에 나타내었으며 구체적 시험분석은 한국특허공고번호 2000-264,515호를 인용하였다. 3.72볼트의 동일 SOC 상태의 전지 그룹에 대한 순간 방전 실시는 3회에 걸쳐 실시하였으며 방전 패턴은 매회 순간 단락 1.0초와 함께 3회 연속 10초 간격으로 실시하였다. 이때 인가 고율 방전 전류는 1,200mA이었다. 3회의 순간 고율 방전 패턴이 끝난후 초기 SOC상태의 개방회로전압으로부터 변화는 전압응답 프로파일을 모니터링하여 도 7b와 같이 나타났다. 도 5의 용량 분포에서 나타낸 바와 같이 전지 5의 경우 가장 큰 방전 용량을 나타내고 있으며, 이러한 사실은 임피던스 스펙트럼으로부터 전하 이동 저항과 연관이 있는 스펙트럼 반원의 크기 변화와 용량 상관성에서 가장 작은 반원을 나타내고, 전지 1의 경우는 가장 큰 값을 나타내었다. 한편 본 발명의 순간 고율 방전 프로파일을 비교한바 도 6에 나타난 것처럼 임피던스 스펙트럼 분포 경향성과 동일한 결과를 얻었다. 이러한 결과는 3번째의 순간 고율 방전 프로파일로부터 구해진 종결 전압과 초기 SOC 개방회로전압과의 전압응답 변화율을 전지 용량과의 연관성과 비교한 결과 도 8과 같은 높은 상관 결과를 얻을 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 동일 제조 조건으로 생산된 동일 그룹 2차 전지의 짧은 고율 방전특성을 이용하는데 있어서, 부분 방전상태에 해당하는 특정 SOC상태의 전지를 준비하여 전지의 공칭 용량의 2.0C 이상의 고율 방전율로 2회 이상, 각 방전 단계사이에 1초이내의 단락과정을 포함하여 연속적으로 고율 방전을 실시하여 전압응답 프로파일을 비교하여 전지의 방전특성이 상이한 전지를 선택적으로 분리하여 경제적으로 출하전지의 용량 세분화 선별할 수 있는 이점이 있다.

또한 전지를 직렬 혹은 병렬 조합으로 조전지화 하여 사용하는 사용자에게는 조합전지의 에너지 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 동일 제조 조건으로 생산된 동일 그룹의 전지의 용량선별 방법에 있어서,

   동일 제조 조건으로 생산된 동일 그룹의 전지들을 동일충전조건으로 충전하는 단계와,

   상기 전지를 동일 조건으로 충전한 후 중간 단락과정을 내포하는 일정시간 고율 방전 실시하는 단계와,

   초기 특정 SOC상태의 개방회로전압과 최종 전지의 순간 고율 방전 프로파일을 비교하여 전지의 용량을 선별하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 짧은 구간의 고율 방전특성을 이용한 전지의 용량 선별 방법.
2. (정정) 제 1 항에 있어서,

   상기 고율방전은 측정전지의 공칭용량 기준으로 1.5C 이상 10.0C의 방전율로 실시함을 특징으로 하는 짧은 구간의 고율 방전특성을 이용한 전지의 용량 선별 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 고율 방전은 1회 이상, 인가시간이 2초 이상 60초 이내인 것을 특징으로 하는 짧은 구간의 고율 방전특성을 이용한 전지의 용량 선별 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 고율 방전간에 1초 이내의 순간적인 단락을 연속적으로 1회이상 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 짧은 구간의 고율 방전특성을 이용한 전지의 용량 선별 방법.
5. (정정) 제 1 항에 있어서,

   상기 충전하는 단계의 동일충전조건은, 3.8V의 전압을 인가하여 0.5C로 충전함을 특징으로 하는 짧은 구간의 고율 방전특성을 이용한 전지의 용량 선별 방법.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 전지는 리튬이온, 리튬이온폴리머, 리튬폴리머 2차전지인 것을 특징으로하는 짧은 구간의 고율 방전특성을 이용한 전지의 용량 선별 방법.