KR100838164B1 - 3 전극계 전극전위 측정용 기준전극 프로브 및 그것을이용한 이차전지의 전극전위의 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 3 전극계 전극전위 측정용 기준전극 프로브는 전지 케이스의 관통구에 삽입되어 밀봉을 유지한 상태로 설치될 수 있는 전기 절연성 부재, 및 상기 절연성 부재의 중심을 수직으로 관통하여 상단면과 하단면에 돌출되어 있는 도전성의 침상부재를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

본 발명의 전극전위 프로브는 간단한 구조로 인해 제작이 용이하고, 이차전지의 실제 작동상태의 전극전위를 신속하고 정확하게 측정할 수 있으며, 다양한 실험 조건하에서의 측정도 가능하다.

Description

3 전극계 전극전위 측정용 기준전극 프로브 및 그것을 이용한 이차전지의 전극전위의 측정방법 {Reference Electrode Probe for 3 Electrode System And Method for Measurement of Electrode Potential of Secondary Battery Using The Same}

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 기준전극 프로브의 정면 모식도이다;

도 2는 도 1의 기준전극 프로브를 사용하여 각형 이차전지의 전극전위를 측정하는 하나의 예시적인 구성도이다.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

100: 기준전극 프로브

200: 전기 절연성 부재

300: 침상부재

400: 이차전지

500: 전극전위 측정용 기기

본 발명은 3 전극계 전극전위 측정용 기준전극 프로브 및 그것을 이용한 이차전지의 전극전위를 측정하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 새로운 전지의 개발, 제조된 전지의 성능 확인 등을 위해 전지의 전극전위(electrode potential)를 측정한다. 전극전위의 측정에는 기준전극(reference electrode), 작업전극(working electrode) 및 보조전극(potential electrode)으로 구성된 3 전극계 전극전위 측정방법이 주로 사용되고 있다.

기준전극은 전지를 구성하고 있는 전극이나 전기분해가 일어나고 있는 전극의 전위를 측정하기 위하여 당해 전극과 조합하여 전극전위 측정용 전지회로를 만드는데 사용하는 전극으로서, 전극전위의 상대값을 측정할 때 전위의 기준이 된다.

그러한 기준전극은, 가역적인 전극전위(가역상태에 있는 전극)로서 Nernst 평형 이론식을 따라야 하고, 항상 일정한 전위값을 유지하는 비분극 특성을 가져야 하며, 액간 전위차가 가능한 적어야 하고, 온도가 변화해도 전위변화가 적어야 하며, 일정한 온도에서 일정한 전위값을 나타내는 등의 요건을 만족하여야 한다.

이와 관련하여, 최근 급성장하고 있는 이차전지 분야에서도 새로운 전지의 개발, 기존 전지의 성능 개선 등에 전극전위의 측정이 많이 행해지고 있다. 이러한 이차전지의 전극전위 측정에는 일반적으로 종래의 방법이 그대로 사용되고 있다. 예를 들어, 새로 개발된 양극 활물질의 성능을 측정할 때에는 용기에 전해액을 담고 작업전극으로서 상기 양극 활물질이 도포되어 있는 양극과, 기준전극, 및 보조전극으로서 음극을 설치하여 전극전위를 측정한다. 그러나, 이러한 방법은 다음과 같은 문제점들을 가지고 있다.

첫째, 실제 전지에서의 전극전위와 일치하지 않는 결과가 얻어질 수 있는 문제점이 있다. 일반적으로 이차전지는 양극/분리막/음극의 구성으로 이루어진 특정한 구조의 전극 조립체가 전해액이 함침된 상태로 밀폐된 케이스(캔, 파우치 등)에 담겨 있고 기타 다양한 전지 구성요소들이 설치되어 있다. 따라서, 실제 이차전지의 내부 환경은 상기 실험을 위한 조건과 많은 차이를 나타내므로 매우 단순화된 조건으로 행해지는 상기 실험 조건에서의 전극전위와 차이를 나타낸다. 예를 들어, 실제 전지의 전위와 유사한 전위를 측정하려면 가능한 한 양극과 음극의 거리를 줄여야 하지만, 종래의 실험 조건에는 이를 실현하기가 용이하지 않다.

둘째, 실제 충방전시의 양극과 음극의 전위 변화를 동시에 측정할 수 없는 문제점을 가지고 있다.

셋째, 전극전위를 측정하기 위해서는 제작된 전지를 완전히 분해하여야 하는 문제점이 있다. 대량 생산되는 전지의 품질평가 등을 목적으로 주기적인 테스트를 행하는 경우에 전지의 완전한 분해는 시간 소모적이고 앞서 설명한 바와 같은 전지의 실제 조건의 변경을 초래하므로 정확한 결과를 얻기 어려울 수 있다.

넷째, 전지에 요구되는 다양한 물성을 측정하기 위한 여러 실험조건을 설정한 상태에서 전극전위의 측정이 용이하지 않다는 문제점을 가지고 있다. 이차전지는 고온 안전성, 침상 관통시의 안전성 등 다양한 요건을 만족하여야 하는데, 이러한 요건의 충족 여부를 확인하기 위한 실험조건에서의 전극전위 측정이 요구된다.

따라서, 이차전지와 관련하여 3 전극계 전극전위 측정을 위한 종래의 방법은 많은 문제점을 가지고 있으므로, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 이차전지의 전극전위를 3 전극계 측정법으로 측정함에 있어서, 전지를 분해하지 않고 간단히 장착함으로써 전지의 실제 작동 조건에서의 전극전위를 정확히 측정하는데 사용될 수 있는 기준전극 프로브를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 상기 기준전극 프로브를 사용하여 손쉽게 이차전지의 전극전위를 측정하는 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 기준전극 프로브는 3 전극계 전위 측정용 기준전극으로서, 전지 케이스의 관통구에 삽입되어 밀봉을 유지한 상태로 설치될 수 있는 전기 절연성 부재, 및 상기 절연성 부재의 중심을 수직으로 관통하여 상단면과 하단면에 돌출되어 있는 도전성의 침상부재를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

본 발명에 따른 기준전극 프로브는 이차전지의 케이스에 형성되어 있는 관통구 또는 전극전위의 측정을 위해 인위적으로 형성한 관통구에 삽입하여 설치함으로써 전지의 구성 상태를 그대로 유지하면서 소망하는 전극의 전위를 측정할 수 있다. 따라서, 이차전지의 실제 작동상태의 전극전위를 신속하고 정확하게 측정할 수 있으며, 다양한 실험 조건하에서의 측정도 가능하다.

상기 전기 절연성 부재는 전지 케이스에 대해 절연성이 있으면서 그것의 관통구에 밀착될 수 있는 탄력적인 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니고, 예를 들어, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리부타디엔 수지, 폴리스티렌 수지, 고무(천연고무, 각종 합성고무) 등이 사용될 수 있다.

전기 절연성 부재의 형상은 다양할 수 있으며, 바람직하게는 관통구에 삽입이 용이하도록 하단부가 테이퍼되어 있고 전지 케이스와 접하는 부위가 만입되어 있는 형상으로 이루어져 있다.

상기 침상부재는 앞서 설명한 바와 같이 전기 절연성 부재를 수직으로 관통한 상태에서 상단부와 하단부가 전기 절연성 부재로부터 돌출되어 있어서, 전극전위의 측정을 위해 프로브를 전기 케이스에 설치할 때, 돌출 하단부가 전해액에 접하게 되고 돌출 상단부는 측정기기와의 전기적 접속을 위한 단자의 역할을 한다.

침상부재의 소재는 전해액과 반응성이 없거나 또는 반응성이 매우 낮으며 전도성을 가진 물질이라면 특별히 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 침상부재는 전지의 작동 전위인 -2 V ~ 5 V의 범위에서 전해액과 반응성이 없어야 한다.

침상부재 자체가 기준전극으로 사용될 수 있는 물질로서 이루어질 수도 있 고, 경우에 따라서는 돌출 하단부에 그러한 기준전극 물질을 부착하거나 도포하는 등의 방법으로 별도로 설치할 수도 있다. 또는, 침상부재의 하단부 만을 기준전극 물질로 제조할 수도 있다. 그러한 기준전극 물질은, 다음의 것으로 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 백금, 금, 유리질 탄소, 리튬 등이 사용될 수 있다. 그 중, 백금, 금, 유리질 탄소 등은 침상부재의 성형체로 만들기 용이하므로 별도의 부가물없이 그 자체로 침상부재로 성형하여 사용할 수 있으며, 백금, 금 등은 코팅도 용이하므로 침상부재 소재의 하단에 코팅하여 사용할 수도 있다.

본 발명은 또한 상기 기준전극 프로브를 사용하여 이차전지의 전극전위를 측정하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 전극전위 측정방법은, 전지의 케이스에 기형성되어 있는 관통구나 전지 케이스에 천공하여 형성된 관통구에 상기 기준전극 프로브를 삽입하여 상기 프로브의 침상부재의 돌출 하단부를 전해액에 접촉시키는 단계, 및 상기 프로브의 돌출 상단부를 외부 측정기기와 전기적으로 접속시키는 단계를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

경우에 따라서는, 상기 관통구를 통해 전해액을 보충하여 침상부재 하단부와의 접촉을 용이하게 하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

일반적으로 전해액은 증발이 잘 되므로, 하나의 바람직한 예로는, 기준전극 프로브를 전지의 관통구에 삽입한 후 해당 부위를 별도의 밀봉부재로 도포할 수 있다. 예를 들어, 전극 프로브의 절연성 부재와 관통구의 접촉 부위에 자외선 경화성 에폭시 수지를 도포한 후 이를 경화시켜 밀봉 상태를 담보할 수 있다.

본 발명에 따른 기준전극 프로브는 특히 각형 이차전지의 전극전위 측정에 바람직하게 사용될 수 있다. 각형 이차전지는 일반적으로 전해액 주입구가 형성되어 있으므로, 이를 상기 프로브의 설치를 위한 관통구로 사용할 수 있는 잇점도 있다.

이하에서는, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 기준전극 프로브의 정면 모식도가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 기준전극 프로브(100)는 전기 절연성 부재(200)와 도전성의 침상부재(300)로 이루어져 있다. 침상부재(300)는 절연성 부재(200)를 관통한 상태에서 절연성 부재(200)로부터 상하로 각각 돌출되어있는 상단부(310)과 하단부(320)를 포함하고 있다. 침상부재 하단부(320)는 전극전위 측정시 전지(도시하지 않음)의 전해액에 접촉하게 되고, 상단부(310)는 전위 측정을 위한 외부기기(도시하지 않음)에 전기적으로 접속하게 된다.

절연성 부재(200)는 전극전위의 측정을 위해 전지 케이스(410)의 관통구에 삽입하였을 때 그것에 밀착되는 오목부(210)가 중간에 형성되어 있고, 전지 케이스(410) 안으로 삽입되는 하부(220)는 하향 테이퍼되어 있다. 반면에, 상부(230)는 전지 케이스(410) 상에 밀착될 수 있도록 하부(220)보다 상대적으로 큰 구조로 형성되어 있다. 또한, 오목부(210)와 하부(220)의 연결부(240)는 완만한 곡선을 이루고 있어서, 기준전극 프로브(100)를 전지 케이스(410)에 삽입하였을 때 밀봉성이 우수하면서 동시에 측정후 분리가 용이하다.

그러나, 본 발명의 기준전극 프로브(100)는 다양한 형상이 가능하며, 이들은 모두 본 발명의 범주가 속하는 것으로 해석되어야 한다.

도 2에는 도 1의 기준전극 프로브(100)를 사용하여 각형 이차전지의 전극전위를 측정하는 하나의 예시적인 구성이 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 양극/분리막/음극으로 이루어진 전극 조립체(도시하지 않음)에 전해액이 함침된 상태에서 케이스(410)로 밀봉되어 있는 각형 이차전지(400)에는 양극 단자(420)와 음극 단자(430)가 상단에 형성되어 있다. 일반적으로 각형 이차전지(400)는 케이스(410) 자체가 양극 단자 역할을 하므로 음극 단자(430)는 절연부재(440)에 의해 케이스(410)로부터 전기적으로 절연되어 있다.

전극전위의 측정을 위해, 우선, 전지(400)의 전해액 주입부(450)의 밀봉부재(도시하지 않음)를 제거하고 전해액(460)을 보충한 후, 기준전극 프로브(100)를 전해액 주입부(450)에 삽입한다. 기준전극 프로브(100)가 전해액 주입부(450)보다 상당히 큰 경우에는 전해액 주입부(450)의 관통구 직경을 크게 확장한 후 삽입할 수 있다.

그러한 삽입에 의해, 기준전극 프로브(100)의 침상부재 하단부(320)는 전해액(460)과 접촉하게 된다. 삽입된 상태에서 기준전극 프로브(100)는 절연성 부재(200)에 의해 전지 케이스(410)로부터 전기적으로 절연 상태를 유지하게 된다.

그런 다음, 기준전극 프로브(100)와 양극 단자(420) 및 음극 단자(430)을 전위 측정용 기기(500)에 전기적으로 접속시켜 대상 전극의 전위를 측정하게 된다. 경우에 따라서는, 고온 조건하에서의 전지 특성을 측정하거나 또는 침상 관통시의 전지 특성을 측정하는 등의 특정한 조건을 설정한 후, 전극전위를 측정할 수도 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 전극전위 프로브는 간단한 구조로 인해 제작이 용이하고, 이차전지의 실제 상태의 전극전위를 신속하고 정확하게 측정할 수 있으며, 다양한 실험 조건하에서의 측정도 가능하다.

Claims (10)

1. 3 전극계 전극전위 측정용 기준전극 프로브로서, 전지 케이스의 관통구에 삽입되어 밀봉을 유지한 상태로 설치될 수 있는 전기 절연성 부재, 및 상기 절연성 부재의 중심을 수직으로 관통하여 상단면과 하단면에 돌출되어 있는 도전성의 침상부재를 포함하는 것으로 구성되어 있는 기준전극 프로브.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 절연성 부재는 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리부타디엔 수지, 폴리스티렌 수지, 및 고무(천연고무, 각종 합성고무)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 소재로 만들어진 것을 특징으로 하는 기준전극 프로브.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 절연성 부재는 관통구에 삽입이 용이하도록 하단부가 테이퍼되어 있고 전지 케이스와 접하는 부위가 만입되어 있는 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 기준전극 프로브.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 침상부재는 백금, 금 또는 유리질 탄소로 되어 있는 것을 특징으로 하는 기준전극 프로브.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 침상부재의 돌출 하단부에 기준전극 물질을 부착 또 는 코팅하거나, 또는 침상부재의 돌출 하단부만을 기준전극 물질로 제조하는 것을 특징으로 하는 기준전극 프로브.
6. 전지의 케이스에 기형성되어 있는 관통구나 전지 케이스에 천공하여 형성된 관통구에 제 1 항에 따른 기준전극 프로브를 삽입하여 상기 프로브의 침상부재의 돌출 하단부를 전해액에 접촉시키는 단계, 및 상기 프로브의 돌출 상단부를 외부 측정기기와 전기적으로 접속시키는 단계를 포함하는 것으로 구성된 이차전지의 전극전위 측정방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 관통구를 통해 전해액을 보충하여 침상부재 하단부와의 접촉을 용이하게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 기준전극 프로브를 전지의 관통구에 삽입한 후 해당 부위를 별도의 밀봉부재로 도포하여 밀봉 상태를 담보하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 이차전지가 각형 이차전지인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 6 항에 있어서, 상기 관통구가 전해액 주입구인 것을 특징으로 하는 방 법.

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