KR101600138B1 - 가스 검지관을 구비한 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전극조립체 및 상기 전극조립체를 수용하는 전지케이스를 포함하는 이차전지에 있어서, 상기 전극 조립체는 가스 농도에 따라 변색되는 가스 검지관이 접합되어 있고, 상기 전지케이스의 일부분에는 상기 가스 검지관을 검측할 수 있는 투명창을 구비한 이차전지를 제공한다.
Description
본 발명은 전지케이스 상에 이차전지의 퇴화 정도를 측정할 수 있는 가스 검지관을 구비한 이차 전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 갖는 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
상기 리튬 이차 전지는 크게 양극, 음극, 전해액으로 구성된다.
상기 양극의 활물질로는 자원적으로 풍부하여 가격이 저렴한 망간을 주원료로 하는 리튬 망간 복합 산화물이 주목을 받고 있다. 그러나, 상기 망간계 리튬 이차전지는 충,방전이 진행됨에 따라 전해액으로 망간이 용출됨과 동시에 음극 활물질, 예컨대 탄소재료의 표면에 망간 성분이 석출되고, 이렇게 석출된 망간은 음극 활물질로부터 받은 전자에 의해 환원되면서 전해액 분해를 촉진시켜 전지의 저항을 증가시키므로, 전지가 퇴화되는 문제점을 초래한다. 이러한 망간의 석출은 고온 보존시에 더욱 심각하게 나타난다.
또한, 상기 전해액으로는 육불화인산리튬염 (LiPF6)과 같은 리튬염을 함유하는 유기 용매가 사용되고 있는데, 이러한 리튬염은 친수성이 매우 좋기 때문에, 공기 중에 포함된 수분(H2O)과 반응하며 HF(불산) 가스를 생성한다. 이러한 HF 가스는 파우치의 두께를 증가시키거나, 전해액 누액을 발생시키는 등 전지 퇴화의 원인이 되고 있다.
이에, 고가의 측정 장비 없이도 간단히 이차전지의 퇴화도를 측정할 수 있는 방법의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 전지케이스 내부에 고가의 측정 장비 없이도 간단한 발생 반응에 의해 퇴화도를 측정할 수 있는 가스 검지관을 구비한 이차 전지를 제공한다.
본 발명은 전극조립체 및 상기 전극조립체를 수용하는 전지케이스를 포함하는 이차전지에 있어서,
상기 전극 조립체는 가스 농도에 따라 변색되는 가스 검지관이 접합되어 있고, 상기 전지케이스의 일부분에는 상기 가스 검지관을 검측할 수 있는 투명창을 구비하고 있는 이차전지를 제공한다.
상기 가스 검지관은 전지케이스 내부에서 생성된 망간 가스 또는 불산 가스의 함량을 측정할 수 있도록 가스 검지 시약, 예컨대 HF와 반응 시 색이 변하는 NaOH 등의 물질이 내부에 충전되어 있는 원통형, 사각통형 또는 다각형 구조의 유리관으로 이루어져 있다.
또한, 상기 가스 검지관은 상기 전지케이스의 일면의 일측 또는 중앙에 위치할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존의 퇴화도 측정 방법에 비하여 고가의 측정 장비 없이도 신속하고 간단하게 비전문가가 퇴화도를 측정할 수 있는 이차전지를 제조할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검지관이 장착된 전극 집전체의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검지관을 구비한 파우치형 이차전지의 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검지관을 구비한 파우치형 이차전지의 도면이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이때, 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.
한편, 현재는 이차전지의 퇴화도는 ① 충,방전 시 전지 용량을 측정하거나, 또는 ② 전기화학소자에 교류전위 (또는 교류전류)를 인가하여 검출되는 교류전류 (또는 교류전위)로부터 복소 저항인 임피던스 (impedance)를 측정 (전기화학적 임피던스 분석법, EIS)되고 있으나, 이러한 방법들은 모두 고가의 측정 장비를 이용해 퇴화도를 측정해야 한다는 번거로움이 있다.
이에, 본 발명에서는 고가의 장비를 이용하는 복잡한 방법에 의해 퇴화도를 측정하는 종래의 방법과 달리, 보다 용이하게 전지 퇴화도를 측정하기 위하여, 이차전지 내부에서 발생되는 가스 농도를 검지할 수 있는 가스 검지관을 구비한 이차전지를 제공한다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에서는
전극조립체 및 상기 전극조립체를 수용하는 전지케이스를 포함하는 이차전지에 있어서,
상기 전극 조립체는 가스 농도에 따라 변색되는 가스 검지관이 접합되어 있고, 상기 전지케이스의 일부분에는 상기 가스 검지관을 검측할 수 있는 투명창을 구비하고 있는 이차전지를 제공한다.
상기 이차전지는 파우치형 이차전지일 수 있다.
이때, 상기 가스란, 충,방전을 실시하는 동안 이차전지 내부에서 발생되는 망간 또는 불산 가스를 포함한다.
또한, 상기 가스 검지관은 검지관의 내부 관찰이 용이하도록 투명한 유리 또는 고분자 소재를 사용해 원통형, 사각통형 또는 다각형 구조로 이루어진 것이 바람직하며, 구체적으로 RAE system, Inc 사의 가스 검지 튜브 (No. 10-105-10)를 사용할 수 있다.
상기 가스 검지관은 사용 전까지 외부 공기의 유입 없이 검지관 내부의 시약을 보존하기 위하여 밀봉 수단을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 이차전지에 있어서, 상기 가스 검지관 내부에는 전지케이스 내부에서 발생하는 망간 가스 또는 불산 가스 등의 가스와 반응하면 변색 반응이 일어날 수 있는 검지 시약이 충전되어 있는 것이 바람직하다. 예컨대 상기 가스 검지관은 이차전지 내부에서 발생되는 불산 가스와 반응하면, pH가 변하면서 변색 반응이 일어날 수 있는 NaOH 등의 검지 시약이 내부에 충전되어 있는 것이 바람직하다.
이하, 도 1은 가스 검지관이 접합된 전극 조립체의 사시도이다. 또한, 도 2는 본 발명에 따른 가스 검지관을 구비한 파우치형 이차전지의 구조를 도시한 도면이다.
먼저, 도 1을 살펴보면 본 발명의 전극 집전체(100)는 분리막(120)이 개재된 상태에서 양극판(110)과 음극판(130)이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 상기 전극조립체(100)의 각 극판으로부터는 전극 탭들(미도시)이 연장되어 있고, 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(미도시)에는 용접에 의해 전극 리드(150)가 각각 전기적으로 연결되어 있다. 상기 전극 리드는 전지케이스의 외부로 일부가 노출된다.
또한, 상기 본 발명의 전극 집전체(100)는 전극 리드의 돌출 방향과 동일한 방향으로 가스 검지관(170)이 접합되어 있다.
상기 가스 검지관(170)은 투명한 관으로 형성되어 있으며, 관체 내부에는 이차전지 내부에서 발생되는 가스의 주요 성분인 불산과 반응하여 변색될 수 있는 검지시약 (미도시)이 충전되어 있다.
따라서, 충,방전 시 전극집전체 내부에서 가스가 발생하여 검지관 내부로 유입되면 화학적 발색 반응에 따른 검지 시약의 변색 정도에 따라 가스 농도를 측정할 수 있다. 이때, 상기 가스 검지관의 내부에 충전되는 검지 시약은 불산 가스와 접촉하면서 pH 변화에 따라 베이지 색에서 보라색 (purple)으로 변색되는 NaOH 등을 사용할 수 있다 (하기 반응식 1 참조).
[반응식 1]
HF + NaOH → NaF + H2O
그 다음으로, 도 2에 도시한 바와 같이, 가스 검지관이 상태를 용이하게 검측할 수 있도록 투명창(미도시)을 구비한 전지 케이스 내부에 가스 검지관(220)이 접합된 전극 집전체(210)를 장착하고, 육불화인산리튬염 (LiPF6)과 같은 리튬염을 함유하는 전해액(미도시)을 주입하여 이차전지를 제조한다.
이때, 상기 전극 집전체(210)로부터 연장된 양극 및 음극 리드(410, 420)는 전지케이스의 외부로 일부가 노출되어 있으며, 절연 부재(411, 412)를 이용해 각각 전기적으로 절연되어 있다.
또한, 상기 전지 케이스 내부에는 상기 가스 검지관을 고정시키기 위해 고정 부재 (미도시)를 포함하고 있다.
본 발명의 이차전지에 있어서, 상기 전지케이스(300)는 상부 라미네이트 시트(301)와 하부 라미네이트 시트(302)로 이루어져 있고, 일반적으로 파우치 형상으로 열융착되어 있다.
상기 상부 라미네이트 시트(301) 및 하부 라미네이트 시트(302)는 각각 내부층/접착체층/금속층/외부층으로 이루어져 있다. 구체적으로, 상기 내부층은 열접착성을 가져 실링재 역할을 하며, 무연신 폴리프로필렌, 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원 공중합체, 염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌과 아크릴산 공중합체 및 폴리프로필렌과 아크릴산의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 접착제층은 내부층과 유사한 물질로 만들어지고, 금속층과의 접착성을 향상시키기 위해 폴리에틸렌프탈레이트, 산 변성(acid modified) 폴리프로필렌 및 산 변성 폴리에틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 금속층은 기계적 강도를 유지하고, 수분과 산소의 배리어층의 역할을 하며, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni) 및 알루미늄(Al)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있고, 더욱 국체적으로 알루미늄; 철, 탄소, 크롬 및 망간의 합금; 및 철, 탄소, 크롬 및 니켈의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 외부층은 기재 및 보호층으로 작용하며, 폴리에틸렌, 폴리페닐렌에테르, 폴리이미드, 폴리프로필렌, 캐스티드 폴리프로필렌, 폴리에테르테레프탈레이트 및 폴리페닐렌설파이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 전지 케이스는 특수 용액에 내성을 갖는 투명 재질의 고분자 성분을 이용해 상부 라미네이트 시트(301)의 내부층 및 접착체층을 형성하고, 특수 용액을 이용해 일부분을 선택적으로 용이하게 제거할 수 있는 금속, 예컨대 알루미늄 등을 이용해 상부 라미네이트 시트(301)의 금속층을 형성할 수 있다.
따라서, 특수 용액을 이용하여 상부 라미네이트 시트의 금속층 및 외부층 일부분을 제거하여 전지 케이스의 상부 시트 일부분에 투명창을 형성함으로써, 전극 집전체에 접합된 가스 검지관을 노출시켜 변화 상태를 용이하게 검측할 수 있다.
전술한 바와 같이, 종래에는 이차전지의 퇴화도를 측정하기 위하여, 부피가 크고 고가인 전지 충방전 기계 또는 EIS 기계 등을 필요로 하였다. 하지만, 본 발명에서는 전지케이스 일면에 충,방전을 실시하는 동안 전지케이스 내부에서 생성된 가스의 농도를 검출할 수 있는 가스 검지관을 구비함으로써, 고가의 측정 장비 없이도 투명창을 통해 시간 및 장소에 구애 없이 용이하게 이차전지의 전지 퇴화도를 측정할 수 있다.
100, 210: 전극 조립체
110: 양극판
120: 분리막
130: 음극판
150: 리드
170, 220: 가스 검지관
300 : 전지케이스
301 : 상부 파우치 외장재
302 : 하부 파우치 외장재
410 : 양극 리드
411, 412 : 절연 부재
420 : 음극 리드
110: 양극판
120: 분리막
130: 음극판
150: 리드
170, 220: 가스 검지관
300 : 전지케이스
301 : 상부 파우치 외장재
302 : 하부 파우치 외장재
410 : 양극 리드
411, 412 : 절연 부재
420 : 음극 리드
Claims (12)
- 전극조립체 및 상기 전극조립체를 수용하는 전지케이스를 포함하는 이차전지에 있어서,
상기 전극 조립체는 가스 농도에 따라 변색되는 가스 검지관이 접합되어 있고, 상기 전지케이스의 일부분에는 상기 가스 검지관을 검측할 수 있는 투명창을 구비하며,
상기 가스 검지관은 이차전지 내부에서 발생하는 가스와 반응하면서 변색 반응이 일어날 수 있는 검지 시약을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 가스는 충,방전을 실시하는 동안 이차전지 내부에서 발생하는 불산 가스인 것을 특징으로 하는 이차전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 가스 검지관은 투명한 유리 또는 고분자 소재로 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 가스 검지관은 원통형, 사각통형 또는 다각형 구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 가스 검지관은 전지 케이스에 장착되기 전까지 검지관 내부의 시약을 보존하기 위하여 밀봉 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 검지 시약은 NaOH인 것을 특징으로 하는 이차전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 가스 검지관은 전극 집전체의 전극 리드의 돌출 방향과 동일한 방향으로 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 전지 케이스는 내부에 가스 검지관을 전지 케이스에 고정시키기 위한 고정 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 전지케이스는 상부 라미네이트 시트 및 하부 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 상기 상부 라미네이트 시트는 투명 재질의 내부층, 접착체층, 금속층 및 외부층이 순차적으로 적층되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지. - 청구항 1 또는 청구항 10에 있어서,
상기 투명창은 상기 금속층 및 외부층의 일부분을 제거하여 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 이차전지는 파우치형 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
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