KR101288647B1 - 2 차 배터리 테스트기, 2 차 배터리 테스트 방법 및 2 차 배터리 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

2 차 배터리의 임피던스 특성에 기초하여서 2 차 배터리의 상태를 테스트하는 2 차 배터리 테스트기가 제공된다. 본 테스트기는 2 차 배터리의 임피던스 값을 취득하도록 구성된 임피던스 취득부; 및 임피던스 취득부에 의해서 취득된 임피던스 값에 기초하여서 2 차 배터리의 SEI (solid electrolyte interface) 층의 상태를 판정하도록 구성된 판정부를 포함한다.

Description

2 차 배터리 테스트기, 2 차 배터리 테스트 방법 및 2 차 배터리 제조 방법{SECONDARY BATTERY TESTER, SECONDARY BATTERY TESTING METHOD, AND MANUFACTURING METHOD OF SECONDARY BATTERY}
본 출원은 2011년 1월 13일자에 출원된 일본특허출원 번호 제2011-004989호 및 2011년 9월 9일자에 출원된 일본특허출원 번호 제2011-197065호를 우선권으로 주장하고 있으며, 이들의 전체 내용은 본 명세서에서 참조로서 통합된다.
본 발명은, 예를 들어, 2 차 배터리의 임피던스 특성을 기초로 하여서 2 차 배터리의 상태를 테스트하기 위한 2 차 배터리 테스트기 (secondary battery tester) 에 관한 것이다.
2 차 배터리가 정상적으로 제조되었는지의 여부를 판정하기 위해서, 자가 방전 테스트 (쉘프 테스트 (shelf test)) 가 제조 후에 즉시 수행된다. 이 테스트에서, 테스트 대상 배터리는 소정의 전압 V1으로 충전되고 소정의 시간 △t 동안에 방치된 후에 전압 V2가 측정된다. 또한, 이렇게 획득된 전압 하강 비(V1-V2)/△t를 기초로 하여서 자가 방전 양을 추정함으로써 양호/불량 판정이 수행된다. 다수의 경우에 완전 충전 전압은 전압 V1으로서 사용되지만, 완전 충전 전압보다 낮은 전압이 배터리의 특성에 따라 전압 V1으로서 사용될 수도 있다.
그러나, 상온에서, 자가 방전은 매우 느리게 진행되며 따라서 전압 변화 레이트는 매우 낮으며, 그 결과 명백한 전압 감소의 검출을 위해 약 2 주가 필요하다. 따라서, 자가 방전 테스트는 테스트 프로세스의 병목 지점이다. 때때로, 자가 방전 테스트는 SOC 0%에 대략적으로 대응하는 매우 낮은 전압 범위에서 배터리가 방치되는 방식으로 보다 짧은 시간에 수행되고, 상대적으로 신속한 전압 변화가 발생하며 자가 방전을 가속화시키도록 그것의 온도가 높게 유지된다. 그러나, 배터리를 매우 낮은 전압 범위에서 방치하는 것은 과방전 상태를 야기할 수 있으며, 높은 온도에서의 방전은 배터리의 열화를 가속화시킬 수 있다 (원래에는 결함이 없던 배터리가 손상될 수 있다). 이러한 상황에서, 개선된 자가 방전 테스트 방법, 특히, 자가 방전 성능에서 배터리가 결함이 있는지의 여부를 간단하게 짧은 시간에 판정할 수 있는 방법이 개발될 필요가 있다.
한편, 2 차 배터리의 결함을 검출하는 방법들이 예를 들어, 일본 특허 문헌들, JP-A-2003-100351, JP-A-2009-145137, JP-A-2003-317810 및 JP-A-2000-299137에 개시되어 있다. JP-A-2003-100351는 초기 제조 상태에서 행해진 충전에서의 전압 변화에 기초하여서 금속 이온의 증착을 검출하는 기술을 개시하고 있다. JP-A-2009-145137는 표준 배터리로부터의 전압 변화 차를 검출하는 기술을 개시하고 있다. JP-A-2003-317810는 반응 저항이 작으면 "비정상" 판정을 하는 기술을 개시하고 있다. JP-A-2000-299137은 니켈-수소 배터리의 임피던스에 기초하여 초기 활동 특성을 판정하는 기술을 개시하고 있다. 그러나, 이러한 종래의 기술들 중 어떠한 것도 리튬 이온 2 차 배터리의 음 전극 표면 상에 형성된 SEI (solid electrolyte interface) 층의 상태를 적합하게 평가할 수 없다. 리튬 이온 2 차 배터리에서, 자가 방전 결함과 같은 이러한 비정상들은 SEI 층의 상태에 따라서 발생한다. 그러므로, 종래의 기술들 중 어떠한 것도 리튬 이온 2 차 배터리가 양호한지 혹은 불량이지 여부를 적합하게 판정할 수 없다. 리튬 이온 2 차 배터리는 임피던스가 충전 인자에 따라 큰 규모로 변하는 특성을 갖는다. SEI 층의 상태의 인식을 위한 적합한 충전 인자가 존재하여야 하지만, 종래 기술들은 이러한 점을 언급하고 있지 않다.
자가 방전 테스트 프로세스에서 측정된 2 차 배터리의 임피던스 값들은 큰 변화를 갖고 이러한 측정은 재현성이 낮다.
또한, 자가 방전 테스트 프로세스에서, 2 차 배터리의 전압은 예를 들어, 완전한 충전에 대응하는 전압에 가깝게 유지되어야 하는데, 그 이유는 2 차 배터리가 과잉으로 방전되면 손상되기 때문이다.
본 발명의 예시적인 실시형태들은 상기 단점 및 전술하지 않은 다른 단점들을 처리한다. 그러나, 본 발명이 전술한 단점들을 극복할 것으로 요구되지 않으며, 따라서 본 발명의 예시적인 실시형태는 임의의 단점들을 극복하지 않을 수 있다.
본 발명의 예시적인 양태는 2 차 배터리, 특히, 리튬 이온 2 차 배터리의 SEI 층의 상태를 검출할 수 있는 2 차 배터리 테스트기를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 또 다른 예시적인 양태는 2 차 배터리가 양호한지 혹은 불량이지 여부를 단시간에 판정할 수 있는 2 차 배터리 테스트기 및 2 차 배터리 테스트 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 또 따른 예시적인 목적은 결함이 있는 2 차 배터리의 발생 원인을 판정할 수 있는 2 차 배터리 테스트기 및 2 차 배터리 테스트 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나 이상의 예시적인 양태들에 따르면, 2 차 배터리의 임피던스 특성에 기초하여서 2 차 배터리의 상태를 테스트하는 2 차 배터리 테스트기가 제공된다. 테스트기는 다음을 포함한다: 2 차 배터리의 임피던스 값을 취득하도록 구성된 임피던스 취득부; 및 임피던스 취득부에 의해서 취득된 임피던스 값에 기초하여서 2 차 배터리의 SEI (solid electrolyte interface) 층의 상태를 판정하도록 구성된 판정부.
본 발명의 하나 이상의 예시적인 양태들에 따르면, 판정부는 임피던스 값의 나이퀴스트 플롯 (Nyquist plot) 의 아크 (arc) 의 형상에 기초하여서 SEI 층의 상태를 판정하도록 구성된다.
본 발명의 하나 이상의 예시적인 양태들에 따르면, 2 차 배터리는 리튬 이온 배터리이고; 또한 임피던스 취득부는 2 차 배터리의 전압이 2 차 배터리의 사용 전압 범위의 하한치에 근접할 때에 2 차 배터리의 임피던스 값을 취득하도록 구성된다.
본 발명의 하나 이상의 예시적인 양태들에 따르면, 판정부는 임피던스 값에 기초하여서, 플루오르화 수소산 (hydrofluoric acid) 으로 인해서 SEI 층이 비정상인 것을 검출하도록 구성된다.
본 발명의 하나 이상의 예시적인 양태들에 따르면, 판정부는 임피던스 값에 기초하여서, 미세 단락 (micro-short-circuiting) 으로 인해서 SEI 층이 비정상인 것을 검출하도록 구성된다.
본 발명의 하나 이상의 예시적인 양태들에 따르면, 임피던스 취득부는 복수의 주파수들의 각각에 대하여 2 차 배터리의 임피던스 값을 취득하도록 구성된다.
본 발명의 하나 이상의 예시적인 양태들에 따르면, 2 차 배터리의 임피던스 특성에 기초하여서 2 차 배터리의 상태를 테스트하는 방법이 제공된다. 본 방법은 (a) 2 차 배터리의 임피던스 값을 취득하는 단계; 및 (b) 그 임피던스 값에 기초하여서 2 차 배터리의 SEI (solid electrolyte interface) 층의 상태를 판정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 하나 이상의 예시적인 양태들에 따르면, 2 차 배터리의 임피던스 특성에 기초하여서 2 차 배터리의 상태를 테스트하는 2 차 배터리 테스트기가 제공된다. 본 테스트기는 2 차 배터리의 사용 전압 범위의 하한치에 근접한 전압으로 2 차 배터리의 전압을 설정하도록 구성된 전압 설정부; 2 차 배터리의 임피던스 값을 취득하도록 구성된 임피던스 취득부; 및 임피던스 취득부에 의해서 취득된 임피던스 값에 기초하여서 2 차 배터리의 상태를 판정하도록 구성된 판정부를 포함한다.
본 발명의 하나 이상의 예시적인 양태들에 따르면, 판정부는 2 차 배터리의 자가 방전의 결함 여부를 임피던스 값에 기초하여서 판정하도록 구성된다.
본 발명의 하나 이상의 예시적인 양태들에 따르면, 2 차 배터리를 제조하는 방법이 제공된다. 본 방법은 2 차 배터리의 임피던스 특성에 기초하여서 2 차 배터리의 상태를 테스트하는 단계를 포함한다. 상기 테스트하는 단계는 (a) 2 차 배터리의 사용 전압 범위의 하한치에 근접한 전압으로 2 차 배터리의 전압을 설정하는 단계; (b) 2 차 배터리의 임피던스 값을 취득하는 단계; 및 (c) 그 임피던스 값에 기초하여서 2 차 배터리의 상태를 판정하는 단계를 포함한다.
이러한 2 차 배터리 테스트기 및 2 차 배터리 테스트 방법에 따르면, 변화가 작으며 재현성이 높은 테스트 결과를 산출할 수 있다.
본 발명의 다른 양태들 및 장점들은 다음의 상세한 설명, 도면 및 청구 범위로부터 명백해질 것이다.
도 1은 일 실시형태에 따른 테스트기의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 테스트기에 의해서 실행되는 프로세스의 흐름도이다.
도 3은 테스트 대상 배터리들의 예시적인 임피던스 나이퀴스트 플롯들의 그래프이다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 2 차 배터리 테스트기가 첨부 도면을 참조하여서 기술될 것이다.
도 1은 일 실시형태에 따른 테스트기의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 테스트기 (1) 는 리튬 이온 2 차 배터리인 테스트 대상 배터리 (2) 를 충전 또는 방전함으로써 테스트 대상 배터리 (2) 의 전압을 설정하기 위한 전압 설정부 (11) 와, 테스트 대상 배터리 (2) 의 임피던스 값들을 측정하기 위한 임피던스 측정부 (12) 와, 임피던스 측정부 (12) 의 측정 결과들에 기초하여서 테스트 대상 배터리 (2) 를 평가하기 위한 계산을 수행하는 계산부 (13) 와, 전압 설정부 (11) 및 임피던스 측정부 (12) 를 제어하기 위한 제어기 (14) 를 구비하고 있다.
테스트기 (1) 는 테스트 대상 배터리 (2) 의 양의 전극 및 음의 전극 간에 접속된다. 보다 구체적으로, 전압 설정부 (11) 와 임피던스 측정부 (12) 각각이 테스트 대상 배터리 (2) 의 양의 전극 및 음의 전극 간에 접속된다.
임피던스 측정부 (12) 의 측정 값들은 계산부 (13) 에 입력된다. 제어기의 출력들은 전압 설정부 (11) 및 임피던스 측정부 (12) 에 입력된다.
또한, 테스트기 (1) 는 임피던스 측정 값들을 저장하기 위한 저장부 (15) 를 구비하고 있다. 저장부 (15) 는 계산부 (13) 에 접속된다. 제조된 리튬 이온 2 차 배터리가 양호한 배터리일 경우에 획득되어야 하는 소정의 임피던스 값들이 저장부 (15) 에 저장된다. 임피던스 나이퀴스트 플롯에서의 아크 (arc) 의 피크 위치가 저장부 (15) 에 저장된다. 이 아크는 화학 반응에 의해서 발생된다.
또한, 저장부 (15) 에는 통과/거절 임계치 및 아크 피크 이탈 존재/부존재 임계치가 저장된다.
도 2는 도 1에 도시된 실시형태에 따른 테스트기 (1) 에 의해서 실행되는 프로세스의 흐름도이다.
도 2에 도시된 단계 (S1) 에서, 전압 설정부 (11) 는 제조된 테스트 대상 배터리 (2) 를 소정의 전압으로 충전 또는 방전시킨다.
사용된 배터리 전압이 사용 전압 범위의 하한치에 근접하고 테스트 동안에 과방전이 발생하지 않을 정도의 충전된 상태에 대응하는 것이 바람직하다. 이러한 충전된 상태에서, 음의 전극의 표면의 상태는 전체 배터리의 임피던스를 강하게 지배하며 따라서 SEI 층의 상태는 정확하게 인식될 수 있다.
전압 설정부 (11) 를 사용함으로써 사용 전압 범위의 하한치에 근접한 전압으로 테스트 대상 배터리 (2) 의 전압을 설정하는 것은 본 발명자들에 의해서 최초로 발견되었다.
단계 (S1) 에서, 테스트 대상 배터리 (2) 의 전압이 사용 전압 범위의 하한치에 도달할 때까지 전압 설정부 (11) 는 제조된 테스트 대상 배터리 (2) 를 충전 또는 방전시킨다. 테스트 대상 배터리 (2) 의 전압이 사용 전압 범위의 하한치에 도달하는 대로 프로세스는 단계 (S2) 로 이동한다.
단계 (S2) 에서, 임피던스 측정부 (12) 는 소정의 전압으로 충전 또는 방전된 테스트 대상 배터리 (2) 의 임피던스 값들을 측정한다.
단계 (S2) 에서, 테스트기 (1) 및 테스트 대상 배터리 (2) 가 소정의 환경적 조건들을 만족시키면 임피던스 측정 값들은 안정적으로 되며 높은 재현성이 획득된다. 테스트 대상 배터리 (2) 의 임피던스 값들은 AC 측정에 의해서 복수의 주파수들 (저 주파수에서 고 주파수) 로 측정된다.
단계 (S2) 에서, 계산부 (13) 는 테스트 대상 배터리 (2) 의 임피던스 나이퀴스트 플롯에서의 아크의 피크 위치를 계산한다.
임피던스 측정부 (12) 에 의한 측정의 완료시에 프로세스는 단계 (S3) 로 이동한다.
단계 (S3) 에서, 계산부 (13) 는 임피던스 측정부 (12) 의 임피던스 측정 값들을, 제조된 리튬 이온 2 차 배터리가 양호한 배터리일 경우에 획득되어야 하는 저장부 (15) 에 저장된 각각의 소정의 임피던스 값들과 비교한다.
계산부 (13) 에 의한 비교의 완료시에, 프로세스는 단계 (S4) 로 이동한다.
단계 (S4) 에서, 계산부 (13) 는 단계 (S3) 의 비교 결과들에 기초하여서 테스트 대상 배터리 (2) 가 테스트를 통과한 것인지 여부를 판정한다. 판정 결과가 긍정적이면 프로세스가 완료된다. 이 경우에, 테스트 대상 배터리 (2) 는 양호한 것이기 때문에, 선적 프로세스 (shipment process) 로의 전환이 이루어진다. 반면, 판정 결과가 부정적이면, 프로세스는 단계 (S5) 로 이동한다.
예를 들어, 단계 (S4) 에서, 임피던스 측정부 (12) 의 측정 값들과 저장부 (15) 에 저장된 각각의 임피던스 값들 간의 차가 소정의 값 (저장부 (15) 에 저장된 통과/거절 임계치) 보다 작은 경우, 테스트 대상 배터리 (2) 가 테스트를 통과해야한다고 계산부 (13) 가 판정한다. 임피던스 측정부 (12) 의 측정 값들과 저장부 (15) 에 저장된 각각의 임피던스 값들 간의 차가 소정의 값보다 큰 경우, 계산부 (13) 는 테스트 대상 배터리 (2) 가 거절되어야 한다고 판정한다.
다르게는, 단계 (S4) 에서, 임피던스 측정부 (12) 의 측정 값들의 저장부 (15) 에 저장된 각각의 임피던스 값들에 대한 비들이 소정의 값 (저장부 (15) 에 저장된 통과/거절 임계치) 보다 작은 경우, 계산부 (13) 는 테스트 대상 배터리 (2) 가 테스트를 통과해야한다고 판정한다. 임피던스 측정부 (12) 의 측정 값들의 저장부 (15) 에 저장된 각각의 임피던스 값들에 대한 비들이 소정의 값보다 큰 경우, 계산부 (13) 는 테스트 대상 배터리 (2) 가 거절되어야 한다고 (단계 (S4): 아니오) 판정한다.
테스트 대상 배터리 (2) 가 테스트를 통과해야한다고 계산부 (13) 가 판정한 경우, 프로세스는 완료된다. 반면, 테스트 대상 배터리 (2) 가 거절되어야 한다고 (단계 (S4): 아니오) 계산부 (13) 가 판정하는 경우, 프로세스는 단계 (S5) 로 이동한다.
단계 (S5) 에서, 계산부 (13) 는 임피던스 측정부 (12) 의 임피던스 측정에 의해서 획득된 테스트 대상 배터리 (2) 의 임피던스 특성의 피크 위치 (실수 부분: real part) 를 저장부 (15) 에 저장된 소정의 임피던스 특성 (대표적인 특성) 의 피크 위치 (실수 부분) 와 비교하고, 2 개의 아크들의 피크들의 위치들이 서로 이탈되었는지의 여부를 판정한다. 단계 (S5) 에서 수행되는 판정 방식의 상세가 이하 기술될 것이다.
테스트 대상 배터리 (2) 의 임피던스 특성의 아크의 피크 값의 실수 부분과 저장부 (15) 에 저장된 임피던스 특성의 피크 값의 실수 부분 간의 차 (또는 비) 가 소정의 값 (아크 피크 이탈 존재/부존재 임계치) 보다 작은 경우, 프로세스는 단계 (S6) 로 이동한다.
테스트 대상 배터리 (2) 의 임피던스 특성의 아크의 피크 값의 실수 부분과 저장부 (15) 에 저장된 임피던스 특성의 피크 값의 실수 부분 간의 차 (또는 비) 가 소정의 값 (아크 피크 이탈 존재/부존재 임계치) 보다 큰 경우, 프로세스는 단계 (S7) 로 이동한다.
단계 (S6) 에서, 계산부 (13) 는 테스트 대상 배터리 (2) 의 SEI 층이 미세 단락에 의해서 야기된 비정상 (abnormality) 을 갖는다고 판정한다. 그러면, 프로스세스가 완료된다. 한편, 단계 (S7) 에서, 계산부 (13) 는 테스트 대상 배터리 (2) 의 SEI 층이 플루오르화 수소산 (hydrofluoric acid) 에 의해서 야기된 비정상을 갖는다고 판정한다. 그러면, 프로세스가 완료된다.
일반적으로, 리튬 이온 2 차 배터리의 자가 방전은, 음의 전극에 삽입된 리튬 이온들이 의도하지 않게 방출되어서 밖에서 볼 때에 배터리 전압이 떨어지는 것으로 나타나는 현상을 말한다. 리튬 이온들은 침투하지만 전자들은 침투하지 않는 SEI (solid electrolyte interface) 층으로 칭해지는 층은, 리튬 이온 2 차 배터리의 음의 전극 표면상에 존재한다. SEI 층의 특성이 자가 방전에 큰 영향을 주는 것으로 고려된다. SEI 층의 전자에 대한 절연이 어떤 결함 유발 요인으로 인해서 몇몇 부분에서 낮아지는 경우, 이들 결함이 있는 부분들을 통해 음의 전극으로부터 전자들이 방출되고 리튬 이온들이 또한 동일한 수로 방출됨으로써 자가 방전을 야기한다.
자가 방전 실패를 야기함에 있어서의 제 1 요인은 제조 동안에 불순물로서 혼합된 물이 리튬 염과 반응하여서 플루오르화 수소산을 발생시키고 이 플루오르화 수소산은 SEI 층의 유기 성분들을 파괴함으로써 전자에 대한 절연이 낮아지게 되는 결함있는 부분들을 발생시키는 현상이다. 이 경우에, 결함있는 부분들을 통해서 방출된 전자들 및 리튬 이온들은 SEI 층의 절연을 회복시키기 위한 시도로서 SEI 층의 용매 또는 유기 성분들과 반응한다 (부반응).
자가 방전 실패를 야기함에 있어서의 제 2 요인은 미세 단락 (micro-short-circuiting) 이다. 일반적으로, 이질적인 금속 물질로 인한 미세 단락은 다수의 경우에 있어서 자가 방전의 원인으로서 생각된다. 그러나, 전자 도전성이 높은 물질로 인한 미세 단락의 경우에, 리튬 이온들은 전극으로 삽입된 후에 즉시 방출되고 따라서 용량 역시 낮아지는 것으로 나타난다. 다수의 배터리 공장의 제조/테스트 프로세스에서, 자가 방전 테스트는 마지막에 수행되고 용량 테스트가 그 이전에 수행된다. 따라서, 이질적인 금속 물질로 인한 미세 단락이 발생한 배터리는 용량 테스트 단계에서 결함이 있는 것으로 판정되며 자가 방전 테스트를 받지 않는다. 즉, 본 실시형태에서, 자가 방전 테스트에서 결함이 있는 것으로 판정된 배터리는 용량 테스트를 통과한 배터리이다. 결과적으로, 본 실시형태에서, 자가 방전 테스트에서 결함이 있는 것으로 판정된 배터리는 전자 도전성이 낮은 물질로 인해 미세 단락이 발생한 배터리이며, 전자 및 리튬 이온들은 충전 이후에 긴 시간에서 점차 방출된다. 전자 전도성이 낮으며 배터리에 혼합될 수 있는 물질의 예들로는 양의 전극으로부터 떨어져 나온 물질들이 있다.
도 1 및 도 2의 실시형태에서, 결함이 있는 2 차 배터리의 원인은 상기 이해들에 기초하여서 판정된다. 본 실시형태는 변화가 작으며 재현성이 높은 테스트 결과들을 산출할 수 있는 2 차 배터리 테스트기 및 2 차 배터리 테스트 방법을 제공한다.
도 3은 임피던스 측정부 (12) 의 측정 결과들인 테스트 대상 배터리 (2) 의 예시적인 임피던스 나이퀴스트 플롯들 (임피던스 특성, 또한 Cole-Cole 플롯 (plot) 으로 지칭됨) 을 나타내는 그래프이다.
도 3의 그래프에서, 수직 축 및 수평 축은 각각 테스트 대상 배터리 (2) 의 복소수 임피던스의 허수부 Z" 및 실수부 Z' 를 나타낸다.
도 3에서, 커브 (31) 는 정상적인 테스트 대상 배터리 (2) 의 것이며 따라서 예를 들어, 전술한 대표적인 특성이다. 주파수가 저 주파수에서 고 주파수로 변함에 따라서 임피던스는 화살표로 표시된 방향으로 변한다.
도 3에 도시된 커브 (31) 의 값들은 도 1에 도시된 테스트기 (1) 의 저장부 (15) 에 저장된다.
임피던스 측정의 주파수가 증가함에 따라서, 커브 (31) 의 임피던스의 허수부 Z" 는 국부 최소치 LMin1에 도달할 때까지 단조 감소한다. 그 후에, 임피던스는 아크를 따르며 그의 허수부 Z" 는 국부 최대치 LMax1 (아크의 피크) 에 도달한다. 국부 최대치 LMax1 (허수부 Z") 에 대응하는 실수부 Z' 는 값 x1 을 갖는다.
일반적으로, 리튬 이온 2 차 배터리의 임피던스 측정은 왜곡된 아크를 갖는 나이퀴스트 플롯을 산출한다. 이것은 SEI 표면 및 세퍼레이터 (separator) 와 같은 다양한 부분들에서 발생하는 반응들에 대응하는 아크들이 양의 전극 표면 및 음의 전극 표면에서 발생하는 반응들에 대응하는 아크들 상에 중첩되기 때문이다. 다양한 부분들에서 발생하는 반응들에 대응하는 아크들 중에서, SEI 표면에서 발생하는 반응에 대응하는 아크는 고 주파수 측 상에서 나타나며, 다른 부분들에서 발생하는 반응들에 대응하는 아크들은 저 주파수 측 상에서 나타난다.
리튬 이온 2 차 배터리의 자가 방전이 음의 전극의 특성에 의해서 야기되기 되기 때문에, 음의 전극 표면에 대응하는 아크의 정보를 추출할 필요가 있다. 단계 (S1) 에서 달성된 충전된 상태에서, 음의 전극 표면에 대응하는 아크가 지배적으로 나타난다. 따라서, 저 주파수 측 아크는 일반적으로 음의 전극에서 발생하는 반응에 대응하는 것으로 간주될 수 있다.
도 3에서, 커브 (32) 는 SEI 층이 플루오르화 수소산에 의해서 파괴되고 있는 경우의 임피던스 특성을 나타낸다. 임피던스 아크는 왜곡된다; 보다 구체적으로, 아크의 저 주파수 부분의 임피던스의 허수부는 양호한 배터리의 커브 (31) 에서보다 더 크며, 아크의 저 주파수 부분은 커브 (31) 에서보다 더 왜곡되어 있다. 예를 들어, 이러한 왜곡은 실수 축 상에서의 양의 방향 (도 3에서는 우측 방향) 으로의 아크 피크의 시프트 (shift) 로서 검출될 수 있다. 도 3에서, 양호한 배터리 (커브 (31)) 의 경우의 아크의 피크 위치는 부호 "x1" 으로 표기되며, SEI 층이 플루오르화 수소산에 의해서 파괴되고 있는 경우 (커브 (32)) 의 아크의 피크 위치는 부호 "x2" 로 표기된다.
임피던스 측정의 주파수가 증가함에 따라서, 커브 (32) 의 임피던스의 허수부 Z" 는 국부 최소치 LMin2 에 도달할 때까지 단조 감소한다. 그 후에, 임피던스는 아크를 따르며 그것의 허수부 Z" 는 국부 최대치 LMax2 (아크의 피크) 에 도달한다. 국부 최대치 LMax2 (허수부 Z") 에 대응하는 실수부 Z' 는 값 x2 를 갖는다.
값 x2 는 값 x1 보다 크다. 국부 최소치 LMin2 에 대응하는 실수부 Z' 는 국부 최소치 LMin1 에 대응하는 실수부보다 더 크며, 국부 최소치 LMin2 (허수부 Z") 는 국부 최소치 LMin1 (허수부 Z") 보다 더 크다. 국부 최대치 LMax2 에 대응하는 실수부 Z' 는 국부 최대치 LMax1 에 대응하는 실수부보다 더 크며, 국부 최대치 LMax2 (허수부 Z") 는 국부 최대치 LMax1 (허수부 Z") 보다 더 크다.
도 3에서, 커브 (33) 는 전자 도전성이 낮은 물질로 인해 미세 단락이 발생하는 경우의 임피던스 특성을 나타내고 있다. 아크의 허수부 값들은 양호한 배터리의 커브 (31) 에서보다 큰 반면, 아크는 왜곡되지 않으며, 그것의 피크는 실수 축 상에서의 양의 방향 (도 3에서는 우측 방향) 으로의 거의 시프트를 갖지 않는다.
임피던스 측정의 주파수가 증가함에 따라서, 커브 (33) 의 임피던스의 허수부 Z" 는 국부 최소치 LMin3 에 도달할 때까지 단조 감소한다. 그 후에, 임피던스는 아크를 따르며 그것의 허수부 Z" 는 국부 최대치 LMax3 (아크의 피크) 에 도달한다. 국부 최대치 LMax3 (허수부 Z") 에 대응하는 실수부 Z' 는 값 x1 과 대략 동일한 값을 갖는다.
국부 최소치 LMin3 에 대응하는 실수부 Z' 는 국부 최소치 LMin1 에 대응하는 실수부보다 더 크며, 국부 최소치 LMin3 (허수부 Z") 는 국부 최소치 LMin1(허수부 Z") 보다 더 크다. 국부 최대치 LMax3 에 대응하는 실수부 Z' 는 국부 최대치 LMax1 에 대응하는 실수부보다 더 크며, 국부 최대치 LMax3 (허수부 Z") 는 국부 최대치 LMax1 (허수부 Z") 보다 더 크다.
아크의 형상이 자가 방전 실패의 존재/부존재 및 그것의 원인에 따라서 변하기 때문에, 자가 방전 실패의 존재/부존재 및 그것의 원인은 단계 (S3) 내지 단계 (S7) 에서 판정될 수 있다. 보다 구체적으로, 단계 (S3) 에서, 자가 방전 실패의 존재/부존재는, 측정된 임피던스 값들이 양호한 배터리의 임피던스 값들과 상이한지의 여부에 기초하여서 검출될 수 있다. 단계 (S5) 내지 단계 (S7) 에서, SEI 층이 플루오르화 수소산에 의해서 파괴되고 있는 경우 및 전자 도전성이 낮은 물질로 인해 미세 단락이 발생하고 있는 경우가, 측정된 임피던스 값들의 아크의 실수 축 상에서의 피크 위치가 양호한 배터리의 임피던스 값들의 아크의 피크 위치로부터 이탈되었는지의 여부에 기초하여서 서로 간에 구별될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 실시형태에 따르면, SEI 층에서의 비정상의 존재/부존재 및 그 원인은 임피던스 값들을 사용하여서 판정될 수 있다. 또한, 자가 방전 실패와 같은 비정상은 단시간에 간략하게 검출될 수 있다.
본 실시형태에서, 아크의 피크가 검출된다. 임피던스 측정 방법을 단순화시킴으로써 더 단시간에 테스트를 수행할 수 있다. SEI 층에서의 비정상의 존재/부존재 및 그 원인은 2 개 또는 3 개 또는 약간 더 많은 특정 주파수들에서 임피던스 값들을 측정함으로써 판정될 수 있다. 예를 들어, 양호한 배터리의 커브 (31)(도 3 참조) 의 아크 피크의 위치 x1 에 대응하는 주파수, SEI 층이 플루오르화 수소산에 의해서 파괴되고 있는 경우의 커브 (32) 의 위치 x2 에 대응하는 주파수 및 도 3에 도시된 위치 x3 에 대응하는 고 주파수 (및 다른 주파수들) 가 측정 주파수들로서 선택될 수 있다.
위치 (실수부) x2 에 대응하는 주파수에서 임피던스 값의 허수부를 측정함으로써 통과/거절 판정이 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 위치 (실수부) x2 에 대응하는 주파수에서 측정된 허수부가 작으면 "통과" 판정이 이루어지며, 위치 (실수부) x2 에 대응하는 주파수에서 측정된 허수부가 크면 "거절" 판정이 이루어진다 (도 3에 도시된 커브들 (32,33) 참조).
비정상의 원인 (미세 단락 또는 플루오르화 수소산) 은 위치 (실수부) x3 에 대응하는 주파수에서 임피던스 값의 허수부를 측정함으로써 판정될 수 있다. 보다 구체적으로, 위치 (실수부) x3 에 대응하는 주파수에서 측정된 허수부가 크면, 원인은 미세 단락으로 판정되고 (커브 (33) 참조), 위치 (실수부) x3 에 대응하는 주파수에서 측정된 허수부가 작으면, 원인은 플루오르화 수소산으로 판정된다 (커브 (32) 참조).
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 2 차 배터리 테스트기 등은 2 차 배터리의 SEI 층의 상태가 임피던스 값들에 기초하여서 판정되기 때문에 2 차 배터리의 SEI 층의 상태를 정확하게 알 수 있게 한다.
본 발명의 적용 범위는 상기 실시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 발명은 임피던스 특성에 기초하여서 2 차 배터리의 상태를 검사하는 2 차 배터리 테스트기들 등에 광범위하게 적용될 수 있다.
본 발명이 본 발명의 소정의 예시적인 실시형태들을 참조하여서 도시 및 기술되었지만, 다른 실시형태들이 청구범위의 범주 내에 있다. 형태 및 상세에 있어서 다양한 변경들이 첨부된 청구범위에 의해서 규정된 본 발명의 사상 및 범주를 일탈하지 않고서 이루어질 수 있음을 본 기술 분야의 당업자는 이해할 것이다.
1: 테스트기
2: 테스트 대상 배터리
11: 전압 설정부
12: 임피던스 측정부
13: 계산부
14: 제어기
15: 저장부

Claims (10)

  1. 2 차 배터리의 임피던스 특성에 기초하여서 2 차 배터리의 비정상을 테스트하는 2 차 배터리 테스트기로서,
    상기 2 차 배터리의 전압이 상기 2 차 배터리의 사용 전압 범위의 하한치에 근접할 때에 상기 2 차 배터리의 임피던스 값을 취득하도록 구성된 임피던스 취득부; 및
    상기 임피던스 취득부에 의해서 취득된 임피던스 값에 기초하여서, 상기 2 차 배터리의 SEI (solid electrolyte interface) 층의 비정상을 판정하도록 구성된 판정부를 포함하는, 2 차 배터리 테스트기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 판정부는 상기 임피던스 값의 나이퀴스트 플롯 (Nyquist plot) 의 아크 (arc) 의 형상에 기초하여서 상기 SEI 층의 비정상을 판정하도록 구성되는, 2 차 배터리 테스트기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 2 차 배터리는 리튬 이온 2 차 배터리인, 2 차 배터리 테스트기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 판정부는 상기 임피던스 값에 기초하여서, 플루오르화 수소산 (hydrofluoric acid) 으로 인해서 상기 SEI 층이 비정상적인 것을 검출하도록 구성되는, 2 차 배터리 테스트기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 판정부는 상기 임피던스 값에 기초하여서, 미세 단락 (micro-short-circuiting) 으로 인해서 상기 SEI 층이 비정상적인 것을 검출하도록 구성되는, 2 차 배터리 테스트기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 임피던스 취득부는 복수의 주파수 각각에 대하여 상기 2 차 배터리의 임피던스 값을 취득하도록 구성되는, 2 차 배터리 테스트기.
  7. 2 차 배터리의 임피던스 특성에 기초하여서 2 차 배터리의 비정상을 테스트하는 방법으로서,
    (a) 상기 2 차 배터리의 사용 전압 범위의 하한치에 근접한 전압으로 상기 2 차 배터리의 전압을 설정하는 단계;
    (b) 상기 2 차 배터리의 임피던스 값을 취득하는 단계; 및
    (c) 상기 임피던스 값에 기초하여서 상기 2 차 배터리의 SEI (solid electrolyte interface) 층의 비정상을 판정하는 단계를 포함하는, 2 차 배터리의 비정상을 테스트하는 방법.
  8. 2 차 배터리의 임피던스 특성에 기초하여서 상기 2 차 배터리의 비정상을 테스트하는 2 차 배터리 테스트기로서,
    상기 2 차 배터리의 사용 전압 범위의 하한치에 근접한 전압으로 상기 2 차 배터리의 전압을 설정하도록 구성된 전압 설정부;
    상기 2 차 배터리의 임피던스 값을 취득하도록 구성된 임피던스 취득부; 및
    상기 임피던스 취득부에 의해서 취득된 임피던스 값에 기초하여서 상기 2 차 배터리의 비정상을 판정하도록 구성된 판정부를 포함하는, 2 차 배터리 테스트기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 판정부는 상기 2 차 배터리의 자가 방전이 결함이 있는지 여부를 임피던스 값에 기초하여서 판정하도록 구성되는, 2 차 배터리 테스트기.
  10. 2 차 배터리를 제조하는 방법으로서,
    상기 2 차 배터리의 임피던스 특성에 기초하여서 상기 2 차 배터리의 비정상을 테스트하는 단계를 포함하고,
    상기 2 차 배터리의 비정상을 테스트하는 단계는,
    (a) 상기 2 차 배터리의 사용 전압 범위의 하한치에 근접한 전압으로 상기 2 차 배터리의 전압을 설정하는 단계;
    (b) 상기 2 차 배터리의 임피던스 값을 취득하는 단계; 및
    (c) 상기 임피던스 값에 기초하여서 상기 2 차 배터리의 비정상을 판정하는 단계를 포함하는, 2 차 배터리를 제조하는 방법.
KR1020110118456A 2011-01-13 2011-11-14 2 차 배터리 테스트기, 2 차 배터리 테스트 방법 및 2 차 배터리 제조 방법 KR101288647B1 (ko)

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