KR101583373B1 - 이차전지 내부 발생 가스의 실시간 분석 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 이차전지 내부 발생 가스의 실시간 분석 장치는 이차전지의 전극과 전기적으로 연결되어 상기 이차전지의 충방전을 구동시키는 충방전모듈; 유도 매체의 흐름 경로를 제공하는 메인 유관; 상기 유도 매체의 흐름을 발생시키는 펌프 모듈; 일단은 상기 이차전지에 형성된 천공과 연결되고 타단은 상기 메인 유관의 일측과 연결되어, 상기 메인 유관에서의 상기 유도 매체의 흐름에 의한 압력 차이로 상기 이차전지 내부에서 발생되는 내부 가스가 이송되는 유도관; 및 상기 메인 유관과 연결되며 상기 메인 유관을 통하여 유입된 대상 객체를 분석하는 분석모듈을 포함하여 구성된다.
상기 본 발명에 의하면 이차 전지 내부에서 발생되는 가스를 소실됨없이 효율적으로 수집 내지 추출할 수 있어 더욱 정밀한 분석을 수행할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

이차전지 내부 발생 가스의 실시간 분석 장치{Apparatus for real time analyzing inner gas in secondary electric cell}

본 발명은 이차전지의 충전 또는 방전 시 내부에서 발생되는 가스를 분석하는 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 기체의 압력 차이 등을 이용하여 이차전지 내부에서 발생된 내부 가스를 효율적으로 포집 내지 추출하고 이를 통하여 내부 발생 가스의 성분, 중량 등의 분석을 포함하여 내부 가스가 발생되는 특정 전위에 대한 정밀한 분석 등이 효과적으로 수행될 수 있도록 유도할 수 있는 분석 장치에 관한 것이다.

제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HV, Hybrid Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.

이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.

이차 전지(셀)는 적용 형태나 구조 등에 따라 금속성 등의 하드 케이스 등에 의하여 내부 요소가 구성되는 캔형 전지 등을 비롯하여 다양하게 분류될 수 있는데 이들 중 예시적으로 파우치형 이차 전지 셀을 도 1에서 도시하고 있다. 기본적 원리와 구조 등은 상호 대응될 수 있으므로 도 1에 도시된 파우치형 이차 전지를 예시적인 형태로 하여 설명하도록 한다.

상기 도 1에 도시된 바와 같이 이차 전지(10)는 파우치 케이스(20) 및 전극집전체(30)(전극조립체로도 지칭된다)를 기본 구조로 포함하고 있으며, 상기 전극집전체(30)는 양극판, 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되어 상기 양극판과 음극판 사이를 전기적으로 절연시키는 세퍼레이터와 분리막 등으로 구성된다.

도 1에 도시된 바와 같이 상기 전극집전체(30)는 양극판에서 연장되어 형성되는 양극 탭(32)와 음극판에서 연장되어 형성되는 음극 탭(34)이 구비된다.

상기 양극 탭(32)과 음극 탭(34)들은 일정한 방향으로 수렴된 후 해당하는 각각의 전극 리드(36, 38)와 저항 용접, 초음파 용접, 레이저 용접 등의 방법으로 접합된다. 이와 같은 결합 구조를 가지는 상기 전극 리드(36, 38)는 이차 전지의 전극으로서 이차전지와 외부 적용 기기 등을 상호 전기적으로 연결하는 기능을 수행하게 된다.

상기 전극집전체(30)가 파우치 케이스(20)에 투입된 후, 전해액이 주입되고 밀봉 공정, 에이징 공정, 화성 공정 등의 후처리 공정을 거쳐 하나의 완성된 이차 전지 셀이 된다. 실시형태에 따라 상기 파우치 케이스(20)는 상면 케이스(21)과 하면 케이스(22)로 구분되며 상기 전극 집전체(30)가 수용되는 부분이 어디에 존재하는지 등에 따라 싱글 캡 또는 더블 캡 등으로 지칭되기도 한다.

또한, 상기 이차전지는 도 1에 도시된 바와 같이 양극 및 음극 전극 리드가 동일한 파우치 케이스 면에 형성될 수도 있으며, 실시 형태에 따라서 상기 파우치 케이스의 다른 면에 각각의 전극 리드가 형성되도록 구성할 수도 있으며, 상기 파우치 케이스의 밀봉 공정에 파우치 케이스의 상하면이 열융착될 때, 전극 리드와 겹치는 부분의 실링의 효율성을 향상시키기 위하여 앞서 상기 전극 리드(36, 38)에는 절연 테이프(33)가 부착될 수 있다.

한편, 이와 같은 구조를 가지는 이차전지는 내부 구성 요소 즉, 전극, 활물질, 전해액 등의 전기 화학적인 반응에 의하여 가스가 발생될 수 있는데 이렇게 발생되는 내부 가스는 이차전지의 전기 화학적 반응에 의한 부수물로써 이차전지의 성능 향상, 이차전지의 구조 최적화, 활물질, 전해액 등의 성분 조정을 통한 충방전 효율 제고(提高), 부수물의 최소화를 위한 방안 연구 등을 위하여 정확하고 정밀하게 분석될 필요성이 높다고 할 수 있다.

그러나, 검사의 대상이 되는 객체의 질량이나 성분 등을 분석하는 장치 등은 일반화되어 있다고 할 수 있으나, 이러한 장치는 엄격한 진공환경에만 적용되는 등의 적용상의 제한 사항 내지 한계를 가지고 있어 이차전지에 바로 적용되기 어려운 문제점이 있으며 또한, 종래 장치에 의한 성분 분석 등은 이차 전지의 내부 전해액 등이 유출되어 성분 검사의 시료를 오염시키는 등 정밀한 분석 등이 진행되지 못하여 극히 제한된 범위에서만 분석이 이루어지고 있는 실정이다.

또한, 상기 이차 전지는 과충전되거나 전기적 환경에 급격한 변화 등이 발생되면, 양극에서 전해액 분해 현상이 발생되고, 음극에서는 리튬 금속의 석출현상이 발생될 수 있는데 이러한 현상이 발생하게 되면, 이차전지의 성능 저하가 초래될 수 있음은 물론, 화학 반응에 의한 발열로 가스가 발생될 수 있다.

이와 함께, 전해액에는 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트 등의 용매를 사용하게 되는데, 이러한 용매는 고온에서 분해되어 가스 등이 발생하고 이에 의한 압력 증가로 일종의 부품현상인 스웰링(swelling) 현상이 발생하여 이차전지가 폭발하는 등 심각한 문제가 발생될 수 있다.

이와 같이 온도, 충전 또는 방전 등의 환경 조건에 따른 이차전지 내부 발생 가스의 성분, 중량 등의 변화에 대한 정확한 프로파일을 분석하여 더욱 안전하고 안정적인 이차전지를 구현하기 위한 기초 데이터를 제공할 수 있도록 장치를 고안할 필요성이 크다고 할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 배경에서 상기 문제점 내지 필요성을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이차 전지의 특성에 최적화된 구조를 통하여 이차전지 내부 발생 가스를 효과적으로 추출 및 집합하고 이를 이용하여 이차전지 내부에서 발생되는 가스 및 가스가 발생되는 특정 전위에 대한 데이터를 효율적으로 분석할 수 있는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이차전지 내부 발생 가스의 실시간 분석 장치는 이차전지의 전극과 전기적으로 연결되어 상기 이차전지의 충방전을 구동시키는 충방전모듈; 유도 매체의 흐름 경로를 제공하는 메인 유관; 상기 유도 매체의 흐름을 발생시키는 펌프 모듈; 일단은 상기 이차전지에 형성된 천공과 연결되고 타단은 상기 메인 유관의 일측과 연결되어, 상기 메인 유관에서의 상기 유도 매체의 흐름에 의한 압력 차이로 상기 이차전지 내부에서 발생되는 내부 가스가 이송되는 유도관; 및 상기 메인 유관과 연결되며 상기 메인 유관을 통하여 유입된 대상 객체를 분석하는 분석모듈을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 본 발명은 상기 이차전지에서 구동되는 충방전의 크기가 가변적으로 적용되도록 상기 충방전모듈의 구동을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있으며, 여기에서 상기 상기 제어부는 상기 유도 매체의 유속이 가변적으로 적용되도록 상기 펌프 모듈의 구동을 제어하도록 구성될 수 있다.

여기에서, 상기 본 발명의 유도 매체는 비활성 가스로 이루어지는 것이 바람직하며, 또한, 상기 본 발명의 상기 분석모듈은 상기 메인 유관을 통하여 유입된 대상 객체 중 상기 비활성 가스 성분을 분리하는 필터 모듈을 포함하도록 구성하는 것이 더욱 바람직하다.

이와 함께, 상기 본 발명은 상기 이차전지에 형성된 천공과 상기 유도관 일단의 연결 부위를 밀봉하는 탄성체 재질의 실링 수단을 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 본 발명은 상기 유도 덕트의 일단이 외부로 노출되는 형태로 상기 메인 유관 및 상기 메인 유관에 연결되는 유도 덕트가 내부에 구비되며, 상기 이차전지를 물리적으로 지지하는 지그 모듈을 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게, 상기 지그 모듈이 상기 이차전지를 지지할 때 상기 충방전 모듈이 이차전지의 전극과 전기적으로 연결될 수 있도록 상기 충방전모듈의 라인 단자가 상기 지그 모듈의 일부에 구비될 수 있다.

그리고, 본 발명의 제어부는 상기 내부 가스가 상기 분석모듈로 유입되면 유입된 시점의 상기 이차전지의 전위에 대한 값을 디스플레이 모듈로 출력하도록 구성될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 의한 이차전지 내부 발생 가스의 실시간 분석 장치는 파우치형 이차전지가 내부에 구비되는 챔버; 상기 파우치형 이차전지의 전극과 전기적으로 연결되어 상기 파우치형 이차전지의 충방전을 구동시키는 충방전모듈; 상기 챔버 내부로 유도 매체를 유입시키는 펌프 모듈; 상기 챔버 내부와 연결되며 상기 유도 매체의 흐름에 의하여 상기 파우치형 이차전지에서 유출되는 내부 가스가 이동되는 메인 유관; 및 상기 메인 유관의 일단과 연결되며 상기 메인 유관을 통하여 유입된 대상 객체를 분석하는 분석 모듈을 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 본 발명은 상기 메인 유관의 일측 및 흡입펌프와 연결되어, 상기 흡입펌프의 흡입력에 의하여 상기 분석 모듈로 유입되는 대상 객체의 일부를 분기시키는 유도관을 더 포함하여 구성되는 것이 더욱 바람직하다.

상기 본 발명에 의한 이차전지 내부 발생 가스의 실시간 분석 장치는 이차전지의 충방전 구동 시 내부에서 발생되는 가스를 베르누이의 원리 등에 의하여 이차전지의 구조에 최적화된 상태로 추출 내지 포집하고 분석할 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 이차 전지 내부에서 발생되는 가스의 소실없이 내부 발생 가스를 용이하고 효율적으로 포집 내지 수집할 수 있어 더욱 정밀한 분석을 가능하게 하는 효과를 창출할 수 있다.

이를 기초로 이차전지에서 발생되는 내부 가스에 대한 다양하고 정밀한 프로파일을 생성하여 확보하고 이를 활용할 수 있어 활물질, 전해액 또는 첨가제 등의 성분조정, 조성 비율 등을 최적화할 수 있고 이를 통하여 이차전지의 성능 향상, 안전성 제고 등의 이차전지의 특성 개선에 더욱 효과적으로 이용할 수 있는 장점을 제공할 수 있다.

또한, 이차전지가 과충전 등이 되는 경우 안전 작동을 위한 첨가제가 발동하는 전위를 정확히 측정하고 캔형 이차전지에서의 CID(Current Interrupt Device) 단락에 의한 안전 작동 메카니즘을 확인 및 점검할 수 있으며, 이를 기초로 더욱 안전성이 향상된 이차전지의 제조를 유도할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일반적인 이차전지의 구성을 도시한 분해 결합도,
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 분석 장치의 구성을 도시한 모식도,
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 분석 장치의 결합 관계 구조를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 분석 장치의 결합된 구조를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 분석 장치의 구성을 도시한 블록도,
도 6은 본 발명의 다른 바람직한 일 실시예에 의한 분석 장치의 구성을 도시한 모식도,
도 7은 본 발명의 다른 바람직한 일 실시예에 의한 분석 장치의 구성을 도시한 블록도,
도 8은 본 발명의 분석 장치에 의한 니들 밸브의 개폐 정도를 통한 분석 비율에 대한 일 실시예를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 이차전지 내부 발생 가스의 실시간 분석 장치(이하 분석 장치로 칭한다)(100)의 구성을 도시한 모식도이다. 상기 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 분석 장치(100)는 충방전모듈(110), 메인 유관(120), 펌프 모듈(130), 유도관(140) 및 분석모듈(150)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 도 2에 도시된 실시예에서 이차전지(50)는 캔형, 즉, 원통, 각형 또는 동전형과 같이 금속 케이스 하우징에 의한 구조를 가지는 이차전지를 예시하고 있다. 상기 이차전지(50)는 활물질, 금속판, 전해질 등의 전기 화학적 반응에 의하여 충전 또는 방전이 구동되는데, 이러한 충전 또는 방전 구동이 수행되는 동안 내부 전기 화학 반응에 의하여 내부 가스가 발생될 수 있다.

이러한 내부 가스의 발생을 유도하기 위하여 우선 본 발명의 충방전모듈(110)은 상기 이차 전지(50)의 전극(51)과 전기적으로 연결되어 후술되는 제어부(180)의 제어 등에 의하여 상기 이차전지의 충방전을 구동시키는 기능을 수행한다.

상기 충방전모듈(110)의 구동 개시 또는 구동 전압 등의 크기 조정 등은 조이스틱, 휠 스위치 등과 같은 인터페이스 수단을 통하여 입력된 사용자 신호에 의하여 제어되도록 구성하여 더욱 사용자 지향적인 환경이 구현되도록 구성하는 것이 바람직하다.

앞서도 언급된 바와 같이 단위 이차 전지(50) 내부에서 발생되는 가스는 이차 전지(50) 구조상 소실됨 없이 용이하게 포집 내지 수집되기가 어려운데, 본 발명은 이러한 구조상의 문제점을 효과적으로 개선시키기 위하여 외부 유도 매체의 유체적 흐름을 이용하는 방법을 제안한다.

상술하여 설명하면, 우선, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 펌프 모듈(130)은 유도 매체가 빠르게 흘러갈 수 있는 구동력을 제공하여 상기 메인 유관(120)에서 제공하는 흐름 경로를 따라 유도 매체가 이동할 수 있도록 한다.

상기 메인 유관(120)은 본 발명의 후술되는 분석 모듈(150)과 연결되어 있으며, 상기 유도 매체는 메인 유관(120)을 경유하여 상기 분석 모듈(150)까지 이동하게 된다.

이와 같이 유도 매체가 이동하는 경로를 제공하는 메인 유관(120)의 중간 일측에는 유도관(140)의 일단이 상호 소통되어 연결되어 있으며, 이 유도관(140)의 타단은 상기 이차전지(50)에 형성된 천공에 끼움 결합되는 등의 방식으로 연결되게 된다.

이와 같은 구조를 가지는 본 발명은 상기 펌프모듈(130)에 의한 구동력에 의하여 강한 유도 매체의 흐름을 발생시키기 되고, 이러한 유도 매체의 강한 흐름은 메인 유관(120)의 기압을 강하시키게 된다. 이와 같이 메인 유관(120)은 내부의 강한 흐름에 의해 압력이 낮아지게 되면, 상기 메인 유관(120)과 연결된 유도관(140) 및 이차전지(50) 내부 측은 상대적으로 높은 압력이 생성되게 된다.

이와 같은 구조에 의하여, 높은 압력이 발생된 영역은 상대적으로 낮은 압력이 발생된 영역으로 매체의 이동이 유발되게 되므로 상기 이차 전지(50) 내부에서 발생된 내부 가스는 유도관(140)을 경유하여 메인 유관(120) 측으로 흡입되듯이 이동하게 된다.

이와 같은 이동 경로를 가지는 이차 전지(50) 내부의 발생 가스는 메인 유관(120)과 연결된 분석모듈(150)로 유입되게 되고, 상기 분석모듈(150)은 유입된 대상 객체를 분석하게 된다.

이와 같은 구조와 원리에 의하여 이차 전지(50) 내부에서 발생된 가스는 전혀 소실됨 없이 분석 모듈(150)로 이송될 수 있어 더욱 정밀하고 정확한 성분, 질량, 부피 등의 분석이 가능하게 된다. 참고로 상기 분석모듈(150)은 당업자 수준에서 이용 가능한 분석 모듈을 이용할 수 있으며, 상기 분석 모듈에 대한 기술 내용은 본 발명의 핵심 사항이 아니며, 또한, 당업자에게 자명한 기술이므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

상기에서 설명된 바와 같이 본 발명은 이차 전지(50) 내부에서 발생된 가스를 직접 분석 모듈로 이송하는 것이 아니라, 이를 매개하는 유도 매체에 의하여 이송되는 형태를 가지므로 상기 유도 매체와 내부 발생 가스가 상호 반응되지 않도록 구성하여 내부 발생 가스의 순수 상태가 지속될 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.

이를 위한 본 발명의 상기 유도 매체는 헬륨, 질소, 아르곤 등과 같은 비활성 가스로 구성하는 것이 바람직하며, 상기 비활성 가스 등은 검출하고자 하는 내부 발생 가스의 성분에 따라 적절하게 선택될 수도 있음은 물론이다.

또한, 상기와 같이 비활성 가스에 의한 유도 매체의 이송에 의하여 내부 발생 가스가 본 발명의 분석모듈(150)로 이송되게 되므로 더욱 정밀한 내부 발생 가스의 분석을 위하여 상기 분석모듈(150)에 필터 모듈(155)을 포함시켜, 상기 메인 유관(1200을 통하여 유입된 대상 객체 중 상기 비활성 가스 성분을 분리할 수 있도록 구성하는 것이 더욱 바람직하다.

이하에서는 도 3 및 도 4를 통하여 상기 본 발명의 분석 장치(100)의 결합 구조 및 추가 세부 구성 등을 상세히 설명하도록 한다.

상기 도 3은 검출의 대상이 되는 이차 전지(50)와 본 발명의 분석 장치(100)가 결합되는 관계를 도시한 도면이다. 우선, 천공이 형성된 이차 전지(50)가 본 발명의 분석 장치(100) 영역으로 진입하게 되면, 천공의 위치와 앞서 설명된 유도관(140)과의 위치를 서로 매칭(matching)시키는 프로세싱이 진행될 수 있다.

위치가 정렬되면, 본 발명의 지그 모듈(175)이 하방 또는 상방으로 이동하여 상기 이차 전지(50)와 맞닿아 상기 이차 전지(50)를 물리적으로 지지하게 된다. 물리적 지지를 유연하고 효과적으로 수행하기 위하여 물리적으로 상호 맞닿는 부위에 소정의 탄성체(176)를 개재시킬 수 있음은 물론이다.

상기 지그 모듈(175)(도 3에서는 상부에 도시된 지그 모듈)에는 앞서 설명된 메인 유관(120)과 유도관(140)이 내부에 구비되도록 구성되는데, 이 때, 상기 유도 덕트(140)의 일단, 즉, 이차전지에 형성된 천공(55)과 결합되는 부분은 외부로 노출된 형태가 되도록 구성한다.

상기 도 3에서는 상기 메인 유관(120)과 상기 유도관(140)이 T자 형태로 예시하고 있으나, 실시형태에 따라 상기 메인 유관(120)과 상기 유도관(140)은 직각 형태를 이루지 않고 소정 방향 내지 소정 각도로 경사지도록 구성할 수 있음은 물론이다.

한편, 지그 모듈(175)의 일면에는 이차 전지(50)의 전극(51)과 전기적으로 연결되는 충방전 모듈(110)의 라인 단자(111)가 구비되어 상기와 같이 지그 모듈(150)이 상방 또는 하방으로 이동 시 동시에 이차 전지(50)의 전극과 전기적으로 연결될 수 있도록 구성하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 내부 발생 가스의 손실을 막고, 앞서 설명된 메인 유관(120)의 흐름에 의한 압력 차를 효과적으로 유지하기 위하여 본 발명의 상기 유도관(140)과 상기 이차전지에 형성된 천공(55)의 연결되는 부위에는 탄성체 재질의 실링 수단(sealing member)(145)이 구비된다.

상기 실링 수단(145)은 상기 유도관(140)의 끝 부위에 체결되어 있는데, 앞서 설명된 바와 같이 지그 모듈(175)이 상기 이차 전지(50)와 결합될 때, 상기 유도관(140)은 상기 이차전지의 천공(55)의 내부로 끼움 결합되며, 상기 지그 모듈(175)의 몸체 하부와 상기 이차전지(50)의 상부면 사이에 상기 실링 수단(145)이 위치하게 되어 가압되는 형태가 되므로 유도관(140)과 이차전지 천공(55) 부위가 자연스럽게 밀봉되게 된다.

앞서 설명된 실시예 및 도면은 본 발명의 기술 사상을 명확히 표현하기 위하여 다소 상징적이고 형태로 표현되었을 수 있으나, 당업자 수준에서 본 발명의 기술 사상을 실제 이차전지 및 이차전지 내부 발생 가스 분석 장치 등에 적용함에 있어 필요한 적절한 변형이나 수정 등이 가해질 수 있음은 자명하다고 해석되어야 한다.

하나의 예로서, 본 발명의 설명에 언급되는 이차전지의 형태, 이차전지 전극의 구조, 이차전지에 형성되는 천공의 직경 내지 형상을 비롯하여, 본 발명의 지그 모듈에 대한 형상 등은 하나의 예시적인 형태로 상징적으로 표현되고 있으며, 당업자 수준에서 다양한 변형예와 적용예가 가능함은 자명하다.

이하에서는 도 4를 통하여 본 발명의 분석 장치(100)의 제어부를 중심으로 장치의 내부 구동을 위한 메커니즘 내지 알고리즘을 설명하도록 한다.

본 발명은 앞서 간략히 언급된 바와 같이 충방전에 따라 이차전지 내부에서 발생되는 가스를 분석하는 기술에 관한 것으로서, 이차전지는 과충전, 과방전 등의 환경에도 노출될 수 있으므로 충방전 크기에 따른 내부 발생 가스의 프로파일을 분석할 필요가 있다.

이를 위하여 본 발명의 제어부(180)는 상기 이차 전지(50)에서 구동되는 충전 또는 방전의 크기가 가변적으로 적용될 수 있도록 상기 충방전 모듈(110)의 구동을 제어한다. 또한, 활성화 공정 등의 최적화를 위한 실험 등을 위하여, 충방전 모듈의 구동 주기, 구동 회수 등을 사용자로부터 입력받아 입력된 파라미터에 기초하여 상기 충방전모듈(110)의 구동을 제어할 수 있도록 구성하는 것이 더욱 바람직하다.

한편, 본 발명은 기압 차에 의한 이동력을 이용하는 것이므로 메인 유관(120)을 통하여 너무 과도하게 빠른 흐름이 생성되면, 이차 전지(50) 내부의 가스를 비롯하여 내부의 전해액이 유출될 수 있으며 또한, 실시 형태 또는 분석 모듈(150)의 스펙 등에 기초하여 단위 시간당 허용되는 시료에 대한 유량의 한계 조건이 설정되어 있을 수도 있다.

이와 같이 실시 형태에 따른 다양한 변수가 고려될 수 있도록 상기 본 발명의 제어부(180)는 유도 매체(비활성 가스)의 유속이 적절히 조정되도록 상기 펌프 모듈(130)의 구동을 제어하도록 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 제어부(180)는 앞서 설명된 지그 모듈(175)의 위치 또는 이동 등을 스템 모터, 기어 등을 이용하여 구동하는 지그 구동모듈(160)을 제어하여 상기 지그 모듈(175)의 상하, 좌우 방향 등 자세 내지 위치 등을 제어하도록 구성된다.

또한, 본 발명의 제어부(180)는 본 발명의 분석모듈(150) 등으로부터 결과 데이터를 입력받아 이를 소정의 디스플레이모듈(170)로 출력하도록 구성하는 것이 바람직하며, 분석 결과값이 기준값을 초과하는 등의 상태가 발생하는 경우, 시각 또는 청각적 매체를 이용하여 사용자에게 알람될 수 있도록 구성할 수도 있다.

관련하여, 본 발명의 분석 장치(100)는 이차전지 내부에서 가스가 발생되는 정확한 전위에 대한 값을 모니터링하여, 예상된 전위에서 내부 발생 가스가 발생되는지 여부를 확인할 수 있다.

예를 들어, 본 발명은 정상적인 이차전지에서 발생되는 내부 가스 중 H₂의 경우, 1.0V, 2.7V, 3.3V등에서 단계적으로 발생되며, C₂H₄의 경우, 3.3V에서 발생되는데, 이와 같은 각 전위별 해당 가스의 단계별 발생 여부에 대한 모니터링을 수행하도록 구성될 수 있다.

또한, 4.8V에서 150% 과충전되는 경우 CO₂기체가 과량 발생하게 되는데, 캔형 이차전지의 경우 이와 같이 CO₂기체가 다량 발생하는 경우 CID가 정상적으로 작동하는지 여부도 모니터링할 수 있도록 구성된다.

즉, 본 발명의 분석모듈(150)로 내부 발생 가스가 유입되면, 유입된 내부 발생 가스가 무엇인지 성분 분석에 대한 데이터를 생성하여, 본 발명의 제어부(180)로 전송하고 본 발명의 제어부(180)는 상기 데이터와 연계하여 해당 가스가 발생된 시점(상기 데이터가 전송된 시점)에서의 현재 이차전지의 전위에 대한 데이터 값을 저장 및 디스플레이모듈(170)로 출력하도록 구성할 수 있다.

이러한 구성을 통하여 각 내부 가스마다의 발생 전위 여부를 정확하고 정밀하게 파악 및 분석할 수 있고 이를 기초로 이차전지의 안전 성능여부에 대한 검증 과정을 수행할 수 있음은 물론, 더욱 개선된 성분과 구조 등을 가지는 이차전지를 유도할 수 있는 인프라 데이터를 제공할 수 있게 된다.

종래에는 실제 내부 가스가 발생하여도 효과적으로 분석 모듈로 유도되지 않아 실제 내부 가스가 발생된 정확한 전위 데이터를 확보하는데 어려움이 많았으나, 본 발명은 상기에서 상술된 본 발명의 내부 발생 가스 포집을 위한 구성을 통하여 실제 이차전지 내부에서 가스가 발생되는 경우, 발생된 가스를 소실없이 정확히 분석 모듈로 유도시킬 수 있고, 이를 통해 실제 내부 가스가 발생되는 그 시점의 정확한 전위 데이터를 확보할 수 있다.

이하에서는 도 6 내지 도 8을 통하여 본 발명의 다른 형태에 의한 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

도 6은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 의한 분석 장치(200)(이하 분석 장치로 칭한다)의 구성을 도시한 모식도이다. 상기 도 6 등에 도시된 도면 및 이하 설명은 파우치형 이차전지의 내부 발생 가스를 분석하는 장치에 대한 실시예이다.

도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 분석 장치(200)는 챔버(210), 충방전모듈(220), 펌프모듈(230), 메인 유관(240), 유도관(245), 분석 모듈(250) 및 흡입 모듈(260)을 포함하여 구성될 수 있다. 이하 설명에서는, 앞서 설명된 실시예의 구성과 동일성 범주에서 적용될 수 있는 구성 등에 대한 설명은 중복될 수 있으므로 앞선 설명으로 대체하도록 한다.

우선, 파우치형 이차전지의 경우, 금속형 하우징 등에 의한 캔형 이차전지와는 달리 하우징 케이스가 물리적으로 강하게 지지 내지 지탱될 수 없는 알루미늄 박막 형태로 구현되므로 이러한 물리적 특징을 반영하여 내부 발생 가스를 수집 내지 추출할 수 있도록 구성한다.

이를 위하여 본 발명의 챔버(210)는 내부에 밀봉 가능한 공간이 마련되며, 상기 내부 공간에 파우치형 이차전지(60)가 구비된다. 이 때 이차전지(60)에 미세한 상당 수의 천공을 형성하거나 또는 이차전지의 상부 부분을 절개 내지 개봉하는 형태로도 이차전지를 내부에 구비시킬 수 있다.

상기 챔버(210)는 이차전지의 투입을 위한 소정의 개폐 가능한 도어(door) 수단(미도시)이 장착될 수 있으며, 발생된 가스 등이 외부로 유출되지 않도록 밀봉가능하게 구현되는 것이 바람직하다.

상기 챔버(210) 내부에 위치하는 파우치형 이차전지(60)의 전극은 충방전모듈(220)의 단자와 전기적으로 연결되며 이 때, 챔버 수단을 통한 배선 시 가스 누설 등이 발생하지 않도록 실링 처리가 이루어지는 것이 바람직하다.

파우치형 이차전지(60)는 외장재의 특성에 기초하여 특정한 직경을 가지는 천공을 형성하기가 어렵고 또한, 상기 천공에 내부 가스 이송을 위한 관이나 덕트 수단을 체결하기가 곤란하므로, 외부에서 상기 챔버(210) 공간으로 유도 매체를 강하게 불어넣고 상기 유도 매체의 이송 흐름에 의하여 파우치형 이차전지(60)에서 발생되는 내부 가스가 유출 통공(213)을 통하여 이송되도록 구성한다.

이를 위하여 본 발명이 펌프모듈(230)은 챔버에 형성된 유입공(211)을 통하여 비활성 가스 등으로 이루어지는 유도 매체를 상기 챔버(210) 내부로 강하게 유입시킨다.

이와 같이 강한 흐름을 가지는 유도 매체는 챔버(211)의 유출공(213) 및 메인 유관(255)으로 밀려나가므로 강한 흐름과 함께 부등적인 기압이 발생하게 되며, 이러한 환경에 높여지는 유도 매체는 파우치형 이차전지(60) 내부에서 발생된 내부 가스와 함께 메인 유관(255)를 통하여 본 발명의 분석 모듈(250)로 유입된다.

분석 모듈(250)은 앞서 설명된 바와 같이 유도 매체(비활성 가스)를 필터링하는 필터 모듈(255)가 장착될 수 있음은 물론이다.

실험 데이터 및 결과에 기초할 때, 파우치형 이차전지(60)의 분석 장치(200)에서 상기 펌프 모듈(230)에 의하여 발생되는 유도 매체(비활성 가스)의 흐름은 챔버(210)의 내부 공간 등을 고려할 때, 상당히 빠른 유속으로 형성되어야 파우치형 이차전지(60)의 내부 발생 가스가 효과적으로 상기 유도 매체의 흐름에 이끌려 유출되는 것을 확인할 수 있는데, 이와 같이 상당 수준의 빠른 유속이 형성되면, 실시 형태에 따라 진공 환경 등에 의하여 작용되는 분석 모듈(250)에 오류가 발생하거나 허용치를 벗어나는 등의 문제가 발생할 수 있다. 한편, 상기 챔버(210)의 내부 공간의 크기에 따라 유입되는 유도 매체의 량이나 유속이 조정되도록 구성하는 것이 바람직하다.

이를 위하여 상기 메인 유관의 일측에 유입되는 대상 객체(유도 매체와 내부 발생 가스 포함)가 분기될 수 있는 유도관(245)을 형성하고 이 유도관(245)으로 통하여 일부 유도 매체와 내부 가스를 분기시켜 상기 분석 모듈(250)로 직접 유입되는 대상 객체의 양을 감소시키도록 구성하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 유도관(245)을 통한 대상 객체의 분기를 더욱 효과적으로 적용하기 위하여 상기 유도관(245)의 말단 부위에 팬 등에 의한 구동력으로 흡입력을 발생시키는 흡입모듈(260)을 장착시키고 상기 흡입모듈(260)의 흡입력에 의하여 더욱 효과적으로 대상 객체가 분기되도록 구성한다.

또한, 분기되는 대상 객체(유도 매체와 내부 발생 가스 포함)의 유량이 정밀하게 조정가능하도록 상기 유도관(260)에는 니들 밸브(265)가 구비되는 것이 더욱 바람직하다. 상기 흡입 모듈(260)의 흡입력은 제 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 제어부(280)의 제어에 의하여 그 구동력이 제어될 수 있으며, 또한, 니들 밸브(265)를 솔레노이드 소자 등으로 구현하여 전기적 제어에 의하여 개폐 및 개폐의 정도가 제어되도록 구성하는 것이 더욱 바람직하다.

도 8에 예시적으로 도시한 바와 같이 실제 분석 모듈로 향하는 대상 객체의 유량이 단위 시간당 100이라면, 상기 구성에 의하여 유도관(245)을 통하여 80을 분기시키고, 실제 분석 모듈(250)로는 20이 유입되도록 구성할 수 있다. 그 후 분석 모듈(250)의 분석 결과값과 상기 분기된 대상 객체의 비율 등을 함수적으로 연산함으로써 실제 파우치형 이차전지(60)의 내부에서 발생된 가스의 량 또는 부피 등을 산출할 수 있게 된다.

만약 도 8의 실시예에서 분기된 양이 90이고, 분석 모듈로 실제 유입된 양이 10 즉, 전체 대비 1/10이고 분석 결과(A)가 동일하였다면, 실제 결과는 상기 분석 결과(A)에 9를 곱셈 연산한 결과가 될 것이다.

상기 도면 8에서는 본 발명에 의하여 분기된 양에 대한 정량적인 비율을 연산하는 실시예를 예시적으로 도시하는 도면이며, 실시형태에 따라 다양한 파라미터가 적용될 수 있으므로 수치 단위를 구체적으로 언급하지는 않으나, 질량, 부피, 몰 등을 비롯하여 각 파라미터에 대한 시간당 산출량 등 다양한 형태가 가능함은 자명하다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

한편 본 발명을 설명함에 있어, 도 5 및 도 7 등에 도시된 본 발명의 분석장치(100, 200)에 대한 각 구성은 물리적으로 구분되는 구성요소라기보다는 논리적으로 구분되는 구성요소로 이해되어야 한다.

즉, 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위하여 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되어 수행되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭 상의 일치성 여부와는 무관히 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.

또한, 본 발명의 설명에 있어 상부, 하부 또는 상하 등과 같은 표현은 상호 간의 각 구성을 상대적으로 구분하기 위하여 사용되는 도구적 개념의 용어일 뿐, 특정의 순서, 우선순위, 중요성 등을 객관적이고 물리적으로 구분하기 위하여 사용되는 용어이거나 절대적인 기준에서 물리적인 구성을 구분하기 위하여 사용된 용어가 아님은 자명하다.

100: 분석장치 110: 충방전모듈
120: 메인 유관 130: 펌프 모듈
140: 유도관 150: 분석모듈

Claims (17)

1. 이차전지의 전극과 전기적으로 연결되어 상기 이차전지의 충방전을 구동시키는 충방전모듈;
   유도 매체의 흐름 경로를 제공하는 메인 유관;
   상기 유도 매체의 흐름을 발생시키는 펌프 모듈;
   일단은 상기 이차전지에 형성된 천공과 연결되고 타단은 상기 메인 유관의 일측과 연결되어, 상기 메인 유관에서의 상기 유도 매체의 흐름에 의한 압력 차이로 상기 이차전지 내부에서 발생되는 내부 가스가 이송되는 유도관; 및
   상기 메인 유관과 연결되며 상기 메인 유관을 통하여 유입된 대상 객체를 분석하는 분석모듈을 포함하고,
   상기 유도 매체는 비활성 가스로 이루어지며,
   상기 분석모듈은 상기 메인 유관을 통하여 유입된 대상 객체 중 상기 비활성 가스 성분을 분리하는 필터 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 내부 발생 가스의 실시간 분석 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 이차전지에서 구동되는 충방전의 크기가 가변적으로 적용되도록 상기 충방전모듈의 구동을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 내부 발생 가스의 실시간 분석 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 유도 매체의 유속이 가변적으로 적용되도록 상기 펌프 모듈의 구동도 제어하는 것을 특징으로 하는 이차전지 내부 발생 가스의 실시간 분석 장치.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,
   상기 이차전지에 형성된 천공과 상기 유도관 일단의 연결 부위를 밀봉하는 탄성체 재질의 실링 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 내부 발생 가스의 실시간 분석 장치.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 유도 덕트의 일단이 외부로 노출되는 형태로 상기 메인 유관 및 상기 메인 유관에 연결되는 유도 덕트가 내부에 구비되며, 상기 이차전지를 물리적으로 지지하는 지그 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 내부 발생 가스의 실시간 분석 장치.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 지그 모듈이 상기 이차전지를 지지할 때 상기 충방전 모듈이 이차전지의 전극과 전기적으로 연결될 수 있도록 상기 충방전모듈의 라인 단자가 상기 지그 모듈의 일부에 구비된 것을 특징으로 하는 이차전지 내부 발생 가스의 실시간 분석 장치.
9. 제 2항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 내부 가스가 상기 분석모듈로 유입되면 유입된 시점의 상기 이차전지의 전위에 대한 값을 디스플레이 모듈로 출력도 하는 것을 특징으로 하는 이차전지 내부 발생 가스의 실시간 분석 장치.
10. 파우치형 이차전지가 내부에 구비되는 챔버;
    상기 파우치형 이차전지의 전극과 전기적으로 연결되어 상기 파우치형 이차전지의 충방전을 구동시키는 충방전모듈;
    상기 챔버 내부로 유도 매체를 유입시키는 펌프 모듈;
    상기 챔버 내부와 연결되며 상기 유도 매체의 흐름에 의하여 상기 파우치형 이차전지에서 유출되는 내부 가스가 이동되는 메인 유관; 및
    상기 메인 유관의 일단과 연결되며 상기 메인 유관을 통하여 유입된 대상 객체를 분석하는 분석 모듈을 포함하고,
    상기 유도 매체는,
    비활성 가스로 이루어지며,
    상기 분석모듈은,
    상기 메인 유관을 통하여 유입된 대상 객체 중 상기 비활성 가스 성분을 분리하는 필터 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 내부 발생 가스의 실시간 분석 장치.
11. 제 10항에 있어서,
    상기 메인 유관의 일측 및 흡입펌프와 연결되어 상기 흡입펌프의 흡입력에 의하여 상기 분석 모듈로 유입되는 대상 객체의 일부를 분기시키는 유도관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 내부 발생 가스의 실시간 분석 장치.
12. 제 11항에 있어서, 상기 유도관은,
    상기 분기되는 대상 객체의 유량을 조절하는 니들밸브가 구비된 것을 특징으로 하는 이차전지 내부 발생 가스의 실시간 분석 장치.
13. 제 10항에 있어서,
    상기 이차전지에서 구동되는 충방전의 크기가 가변적으로 적용되도록 상기 충방전모듈의 구동을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 내부 발생 가스의 실시간 분석 장치.
14. 제 13항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 유도 매체의 유속이 가변적으로 적용되도록 상기 펌프 모듈의 구동도 제어하는 것을 특징으로 하는 이차전지 내부 발생 가스의 실시간 분석 장치.
15. 삭제
16. 삭제
17. 제 13항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 내부 가스가 상기 분석모듈로 유입되면 유입된 시점의 상기 이차전지의 전위에 대한 값을 디스플레이 모듈로 출력도 하는 것을 특징으로 하는 이차전지 내부 발생 가스의 실시간 분석 장치.

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