KR101111078B1 - 전지셀의 부피 변화 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지셀의 부피 변화를 측정하는 장치로서, 테스트 전지셀이 장착될 수 있는 소정 크기의 내부공간을 가진 밀폐형 용기, 테스트 전지셀이 장착된 상태에서 상기 용기의 내부공간에 채워지는 액체성분; 및 상기 내부공간과 연통된 상태에서 용기의 일측에 설치되어 있는 작은 직경의 계측관을 포함하고 있으며, 테스트 전지셀이 장착된 상태에서 상기 액체성분은 계측관의 적어도 하단에 이르도록 채워져 있어서, 테스트 전지셀의 부피 변화시 계측관에서 액체성분의 위치가 변화되는 것을 측정하는 장치를 제공한다.

Description

전지셀의 부피 변화 측정 장치 {Device for Measuring Volume Variation of Battery Cell}

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀 부피변화 측정장치의 모식도이다;

도 2는 도 1에서 전지의 온도센서와 액체의 온도를 조절하는 제어부를 포함하고 있는 측정장치의 모식도이다;

도 3은 도 1의 측정장치에서 용기의 수평 단면적 대비 계측관의 단면적 크기를 표시한 단면도이다.

본 발명은 전지셀의 부피 변화를 측정하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 테스트 전지셀이 장착될 수 있는 소정 크기의 내부공간을 가진 밀폐형 용기가 있고, 테스트 전지셀이 장착된 상태에서 상기 용기의 내부공간에 채워지는 액체성분 및 상기 내부공간과 연통된 상태에서 용기의 일측에 설치되어 있는 작은 직경의 계측관을 포함하고 있으며, 테스트 전지셀이 장착된 상태에서 상기 액체성분은 계측관의 적어도 하단에 이르도록 채워져 있어서, 테스트 전지셀의 부피 변화시 계측관에서 액체성분의 위치가 변화되는 것을 측정하는 장치에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급증하고 있고, 그러한 이차전지 중 고에너지 밀도와 높은 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

그러나, 종래의 리튬 이차전지는 고온에 노출되거나, 과충전, 외부단락, 침상(nail) 관통, 국부적 손상(local crush) 등에 의해 짧은 시간내에 큰 전류가 흐르게 될 경우, IR 발열에 의해 전지가 가열되면서 발화/폭발의 위험성이 있다. 전지의 온도가 상승하면 전해액과 전극 사이의 반응이 촉진된다. 그 결과, 반응열이 발생하여 전지의 온도는 추가적으로 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 따라서, 전지의 온도가 급격히 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 이러한 악순환에 의해, 전지의 온도가 급격히 상승하는 열폭주 현상이 일어나게 되고 온도가 일정 이상까지 상승하면 전지의 발화가 일어날 수 있다. 또한, 전해액과 전극 사이의 반응 결과, 가스가 발생하여 전지 내압이 상승하게 되며, 일정 압력 이상에서 리튬 이차전지는 폭발하게 된다. 이와 같은 발화/폭발의 위험성은 리튬 이차전지가 가지고 있는 가장 치명적인 단점이라 할 수 있다.

따라서, 리튬 이차전지의 개발에 필수적으로 고려해야 할 사항은 안전성을 확보하는 것이다. 이러한 안전성을 확보하기 위한 노력의 일환으로서, 셀 바깥쪽에 소자를 장착하여 사용하는 방법과, 셀 내부의 물질을 이용하는 방법이 있다. 온도의 변화를 이용하는 PTC 소자, CID 소자, 전압 및 전류를 제어하는 보호회로, 전지 내압의 변화를 이용하는 안전벤트(Safety Vent) 등이 전자에 해당하고, 전지 내부의 온도나 전압, 전류 등의 변화에 따라 물리적, 화학적, 전기화학적으로 변화할 수 있는 물질을 첨가하는 것이 후자에 속한다.

셀 바깥쪽에 장착하는 소자들은 온도, 전압, 전류, 전지 내압 등을 이용하기 때문에 확실한 차단을 가져올 수 있는 반면에, 추가적인 설치공정 및 설치공간이 요구되며, PTC 소자의 경우 별도의 보호회로모듈(PCM)로서 용접 등을 통해 전극단자에 결합될 수 있다는 단점이 있다. 또한, 내부 단락, 침상 관통, 국부적 손상 등과 같이 빠른 응답시간이 요구되는 경우에는 제대로 보호역할을 하지 못하는 것으로 알려져 있다.

셀 내부의 물질을 이용하는 방법의 하나로 전해액이나 전극에 안전성을 향상시키는 첨가제를 부가하는 방법이 있다. 예를 들어, 과충전시 과전압 등의 조건에서 전기화학적 중합 반응을 일으키는 물질을 전해액에 첨가하여, 과충전시 이러한 물질의 중합 생성물이 전극에 부동막에 형성하거나 전해액을 고화시켜 전지의 비정상적인 작동을 억제하는 방법, 고온 또는 과충전시 첨가제의 부피가 팽창하여 전극의 저항을 증가시킴으로써 전지의 비정상적인 작동을 억제하는 방법 등이 알려져 있다. 이러한 화학적 안전장치는 추가공정 및 공간을 필요로 하지 않으며 모든 종류의 전지에 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있으나, 신뢰성 있는 작동을 제공하 지 못하며 물질의 첨가로 인해 고온 저장특성, 사이클링 특성, 레이트 특성 등 전지의 성능이 저하되는 문제점을 가지고 있다.

상기 과충전이나 고온에의 노출과 같은 전지의 비정상적인 작동 조건하에서는, 일반적으로 전지 내부의 가스 발생으로 인하여 전지의 부피가 증가하게 된다. 또한, 이차전지는 계속적인 충방전에 의해 부피가 증가하며, 특히 단락이 발생한 경우에 부피가 급격히 증가하게 되고, 이러한 부피 증가는 주로 극성 용매가 전극의 표면에서 분해되면서 발생하는 가스에 의해 유발된다.

따라서, 이차전지의 부피 증가는 전지의 안전성 측면과 작동 성능 측면에서 중요한 측정 인자이며, 이차전지의 개발 과정에서 전지 테스트 시에 많은 관련 시험들이 행해지고 있다. 이러한 부피 변화 테스트는 설정된 조건에서 전지셀의 두께를 직접 측정하는 방식으로 수행되므로, 측정에 많은 시간이 소모되며, 전지셀의 상태에 따라 실시간으로 측정하기 용이하지 않다는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 상기 비정상적인 작동 조건에서의 전지의 부피변화를 측정하는 진일보한 측정장비로서 3차원 형상측정기를 많이 사용하고 있다. 그러나, 전지의 정확한 부피를 측정하기 위해서는 측정에 소요되는 시간이 오래 걸림으로써, 단시간에 진행되는 부피 증가율을 정확히 측정을 못하는 경우가 발생하며, 더욱이 형상이 일정하지 않은 전지나 부피가 비선형적으로 변하는 전지의 경우에는 3차원 측정방법으로 측정하는 데 있어서 문제점을 가지고 있다.

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

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전지셀의 부피 변화를 측정하는 장치에서, 밀폐형 용기에 테스트 전지셀을 장착하고, 용기의 내부 공간에 액체를 넣은 후, 용기의 일측에 설치되어 있는 계측관을 통해 액체성분의 위치 변화를 측정하는 장치를 활용하여, 제품 형태가 복잡하고 부피변화가 비선형적으로 발생하는 제품에 대한 부피변화를 실시간으로 측정할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 전지셀의 부피 변화를 측정하는 장치는,

(a) 테스트 전지셀이 장착될 수 있는 소정 크기의 내부공간을 가진 밀폐형 용기;

(b) 테스트 전지셀이 장착된 상태에서 상기 용기의 내부공간에 채워지는 액체성분; 및

(c) 상기 내부공간과 연통된 상태에서 용기의 일측에 설치되어 있는 작은 직경의 계측관; 을 포함하고 있으며,

테스트 전지셀이 장착된 상태에서, 상기 액체성분은 계측관의 적어도 하단에 이르도록 채워져 있어서, 테스트 전지셀의 부피 변화시 계측관에서 액체성분의 위치의 변화를 측정하는 것으로 구성되어 있다.

즉, 본 발명에 따른 측정 장치는, 상기 테스트 전지셀을 밀폐형 용기에 장착한 후 액체성분을 상기 계측관의 적어도 하단에 이르도록 용기 내부공간에 빈틈없이 가득 주입하거나, 상기와 반대로 액체성분이 채워져 있는 밀폐형 용기에 전지셀을 삽입하는 간단한 공정에 의해, 테스트 전지셀의 부피 변화를 정확하게 측정할 수 있다.

예를 들어, 전지셀에 과전류를 인가하면, 전지셀은 과충전이 되면서 전지셀 내부의 온도가 증가하고, 전해액의 분해로 인한 다량의 가스가 발생하면서 전지케이스가 부풀어 오르게 되는 이른바 스웰링 현상이 발생하게 된다. 이러한 스웰링 현상은 전지케이스의 부피를 팽창시키고 이에 따른 전지셀이 함침되어 있는 액체의 부피도 증가하게 되며, 이러한 증가된 부피량은 용기 상단부에 설치되어 있는 계측관에서 액체의 위치를 상부로 이동시킴으로써 전지셀의 부피변화에 따른 용액의 부피변화를 측정할 수 있다.

상기 밀폐형 용기는 전지셀이 장착될 수 있는 최소한의 내부 공간을 가진 구조라면 그것의 형태 및 소재가 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 내부의 전지셀 변화를 육안으로도 관측할 수 있는 투명 소재가 바람직할 수 있다.

소정의 테스트를 수행하기 위해서는 전지셀을 밀폐형 용기에 장착할 때 배선이 필요하므로, 상기 배선과 함께 전지셀을 용기에 장착한 후 필요한 밀봉을 행할 수 있다.

상기 액체성분으로는, 바람직하게는, 전지의 자가방전을 방지할 수 있는 절연 액체 및/또는 낮은 휘발성의 액체를 사용하며, 예를 들어, 순수한 물, 실리콘 오일, 석유계 절연유, 염소화 유 등의 물질이 사용될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

테스트 과정에서 용기 내 액체성분의 온도가 상승할 때, 액체성분이 쉽게 기화되면 정확한 부피 측정이 어려울 수 있으므로, 앞서의 설명과 같이, 휘발성이 낮은 액체성분을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 용기 내 액체성분이 절연특성이 없는 상태에서 양극 단자와 음극 단자가 모두 액체성분과 접촉하게 되면, 액체성분 내로 전자의 흐름이 발생하여 일종의 도선을 구성함으로써 자가방전이 발생하여 측정하고자 하는 특성을 정확히 파악할 수 없게 되므로, 절연특성의 액체를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 계측관은, 앞서의 설명과 같이, 밀폐형 용기보다 작은 직경을 가짐으로써, 밀폐형 용기에서 액체성분의 변화 상태를 크게 증폭시켜 높이차로서 나타낼 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 계측관은 밀폐 용기의 수평 단면적 대비 20% 이하의 단면적에 대응하는 직경을 가지는 바, 계측관의 직경이 용기의 수평 단면적 대비 20%를 초과하면 전지셀의 미세한 부피 변화에 따른 액체의 부피 변화를 정밀하게 측정하기 어려울 수 있다. 특히 바람직하게는, 상기 계측관의 직경은 모세관 현상이 일어날 수 있는 정도의 작은 직경을 가짐으로써, 전지셀의 미세한 부피 변화를 매우 증폭시켜 나타낼 수 있다. 즉, 계측관은 모세관 구조로 이루어져 있을 때 특히 바람직하다.

계측관의 설치 위치는 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 용기의 상 단부에 설치되고, 테스트 전지셀의 부피변화에 따라 액체성분은 계측관을 따라 상하로 움직이도록 구성할 수 있다.

경우에 따라서는, 상기 계측관의 내부에 액체성분의 상단 위치를 가리키는 표시용 부표를 설치하여, 측정자는 계측관 내부의 부표가 위치한 곳의 표시 눈금을 쉽게 측정할 수 있도록 구성할 수도 있다.

계측관에서 액체성분의 위치 변화를 쉽게 측정할 수 있는 또 다른 방법으로는 유색의 액체성분을 사용하는 경우를 들 수 있다.

앞서의 설명과 같이, 전지셀의 부피 변화는 온도 조건에 따라 크게 영향을 받을 수 있으므로, 이를 최소화하는 것이 바람직하다. 예들 들어, 테스트 전지셀의 온도가 전지셀을 함침하고 있는 용기 내의 액체성분의 온도보다 높을 경우, 그러한 온도 차이만큼 전지셀의 열이 액체성분으로 전도되면서 전지셀의 온도가 낮아지는 현상이 발생하게 되고, 이는 전지셀의 부피 팽창 정도를 감소시켜 전지셀의 부피변화를 정확히 측정할 수 없게 된다.

따라서, 하나의 바람직한 예에서, 전지셀의 온도와 전지셀을 함침하고 있는 용기 내부의 액체성분의 온도를 일치시킬 수 있도록, 전지셀과 용기 내 액체성분의 온도를 측정하는 센서부와 상기 온도센서의 측정값을 바탕으로 액체성분의 온도를 조절하는 제어부를 추가로 포함하는 구성이 가능하다. 즉, 전지셀의 온도와 액체성분의 온도를 센서부를 통해 실시간으로 측정하여, 이들 온도가 서로 일치할 수 있도록 제어부에서 액체성분의 온도를 조절하도록 할 수 있다.

본 발명에서 상기 테스트 전지셀은 다양한 전지들이 가능할 수 있으며, 특히 안전성이 문제가 되는 리튬 이차전지일 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 부피변화를 측정하는 장치의 모식도가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 부피변화 측정장치(100)는 테스트 전지셀(130)이 내장되어 있는 밀폐형 용기(150), 밀폐형 용기(150)의 내부 공간을 채우고 있는 낮은 비열 및 휘발성의 액체(120), 전지셀(130)의 부피변화에 따른 액체(120)의 부피변화를 측정하기 위하여 용기(150) 내부와 연통되어 있는 계측관(110), 전지의 양극단자(132)와 음극단자(134)에 전기적으로 연결되어 있는 충방전기(140)로 구성되어 있다.

액체(120)는 밀폐형 용기(150)의 내부를 가득 채운 상태에서 계측관(110)의 적어도 하단에 이르도록 주입된다. 따라서, 과충전 테스트 등과 같은 소정의 테스트를 위한 조건이 충방전기(140)를 통해 테스트 전지셀(130)에 설정되면, 전지셀(130)의 부피 변화는 액체(120)의 부피 변화를 야기시키고, 계측관(110)에서 액체(120)의 위치가 변화된다.

이러한 부피 변화를 측정하는 테스트 과정을 더욱 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

우선, 액체(120)가 일부 채워져 있는 용기(150) 내부에 테스트 전지셀(130)을 삽입하고, 충방전기(140)에서 전지셀(130)의 전극 단자(132, 134)를 통해 과전류를 인가하면, 전지셀(134)의 부피가 팽창을 하게 된다. 전지셀(130)의 부피가 팽창함으로써 용기내의 액체(120)의 부피가 증가하게 되고, 이와 같이 부피가 증가된 액체(120)의 상단부는 모세관 구조의 계측관(110)에서 상부로 이동하므로, 계측관(110)을 통해 전지셀(130)의 부피 증가에 따른 액체(120)의 부피증가를 측정할 수 있다.

테스트 전지셀(130)의 전극 단자(132, 134)와 충방전기(140)의 접속 부위를 액체(120)로부터 보호하기 위하여, 테스트 전지셀(130)의 상부 소정의 밀봉부재(160)가 부가될 수도 있다.

도 2에는 도 1에서 테스트 전지셀의 온도와 액체성분의 온도를 상호간 조절하는 제어부를 포함하고 측정장치의 모식도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 전지셀(130)과 용기 내 액체(120)의 온도를 측정하기 위한 센서들(210, 230)이 전지셀(130)의 표면과 용기(150) 내에 설치되어 있고, 전지셀(130)의 온도 변화에 따른 액체(120)의 온도를 일치시키기 위하여 액체(120)를 가열하는 히터(220)가 용기(150)에 설치된 상태에서 충방전기(140)에 연결되어 있다.

충방전기(140)에는 온도 센서(210, 230)의 검출 신호를 바탕으로 히터(220)의 작동 여부를 결정하는 제어부(도시하지 않음)가 설치되어 있다.

전지셀(130)의 온도가 용기(150) 내 액체(120)의 온도보다 높으면, 그러한 온도차에 의해 전지셀(130)의 열이 액체(120)로 전도되면서 전지셀(130)의 온도는 내려가게 되고, 또한 전지셀(130)의 부피는 감소하게 된다. 이는, 소정의 테스트를 수행함에 있어서 전지셀(130)의 부피 변화를 측정하는데 오차를 유발할 수 있으므로, 충방전기(140)의 제어부에서 히터(220)에 전류를 인가하여 용기 내 액체(120)의 온도를 높여 전지셀(130)의 온도와 일치시키는 온도 조절 과정을 수행한다.

도 3에는 본 발명의 측정장치에서 밀폐형 용기의 수평 단면적 대비 계측관의 단면적 크기를 표시한 단면도가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 계측관(110)의 수평 단면적(Sa)은 밀폐형 용기(130)의 수평 단면적(Sb) 대비 20% 이하의 단면적에 대응하는 직경을 가지고 있으며, 바람직하게는 계측관(110)의 수평 단면적(Sa)은 모세관 현상을 유발할 수 있을 정도로 매우 작은 크기를 가지고 있다. 따라서, 테스트 전지셀(130)의 작은 부피 변화도 계측관(110)에서는 크게 증폭되어 나타나므로, 정밀한 측정이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀의 부피 변화 측정 장치는 전지 내부의 가스 발생으로 인한 전지의 부피 증가를 측정하게 되고 일반적인 부피변화 측정장치인 3차원 형상측정기에 비해 가격적인 측면에서 경제적이고 측정에 소요되는 시간이 짧으며, 단시간에 진행되는 부피 증가율을 정확히 측정할 수 있고, 더욱이 형상이 일정하지 않은 전지나 부피가 비선형적으로 변하는 전지의 경 우에도 측정이 가능한 장점이 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (9)

1. 전지셀의 부피 변화를 측정하는 장치로서,

   (a) 테스트 전지셀이 장착될 수 있는 소정 크기의 내부공간을 가진 밀폐형 용기;

   (b) 테스트 전지셀이 장착된 상태에서 상기 용기의 내부공간에 채워지는 액체성분; 및

   (c) 상기 내부공간과 연통된 상태에서 용기의 일측에 설치되어 있는 작은 직경의 계측관;을 포함하고 있으며,

   테스트 전지셀이 장착된 상태에서, 상기 액체성분은 계측관의 적어도 하단에 이르도록 채워져 있어서, 테스트 전지셀의 부피 변화시 계측관에서 액체성분의 위치가 변화되는 것을 특징으로 하는 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 액체성분은 (i) 전지의 자가방전을 방지할 수 있는 절연 액체, 또는 (ii) 낮은 휘발성의 액체, 또는 (iii) 전지의 자가방전을 방지할 수 있는 절연 액체 및 낮은 휘발성의 액체인 것을 특징으로 하는 측정장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 액체성분은 순수한 물, 실리콘 오일, 석유계 절연유, 또는 염소화 유인 것을 특징으로 하는 측정장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 계측관은 용기의 수평 단면적 대비 20% 이하의 단면 적에 대응하는 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 측정장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 계측관은 용기의 상단에 설치되어 있고, 테스트 전지셀의 부피 변화시 액체성분은 계측관을 따라 상하로 움직이는 것을 특징으로 하는 측정장치.
6. 제 5 항에 있어서, 액체성분이 채워져 있는 상태에서 상기 계측관의 내부에는 표시용 부표가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 측정장치.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 계측관은 모세관 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 측정장치.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 테스트 전지셀의 온도를 측정하는 온도 센서와, 상기 온도 센서의 측정값을 바탕으로 상기 액체성분의 온도를 조절하는 제어부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 측정장치
9. 제 1 항에 있어서, 상기 테스트 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 측정장치.

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