KR101728101B1 - 이차 전지의 충방전용 지그, 이를 이용한 이차전지용 충방전 장치 및 시스템 및, 이차 전지의 충방전용 지그의 배치 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 이차전지용 충방전 시스템은 이차 전지의 충,방전 시험을 할 수 있도록 셀을 각각 수납할 수 있는 적어도 2개 이상의 지그들; 및 셀의 길이 방향 양단들이 기준면에 대해 평행하게 배치되고, 셀의 양면들이 기준면에 대해 수직으로 배치되도록 지그들이 배열된 프레임을 구비한다.

Description

이차 전지의 충방전용 지그, 이를 이용한 이차전지용 충방전 장치 및 시스템 및, 이차 전지의 충방전용 지그의 배치 방법{Jig for charge and recharge of lithium secondary battery, system and apparatus utilizing it, and jig array method thereof}

본 발명은 이차 전지의 충방전용 지그, 및 이를 이용한 이차전지용 충방전 시스템 및 장치, 충방전용 지그의 배치 방법에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지 수요가 급격히 증가하고 있으며, 종래 이차전지로서 니켈카드뮴 전지 또는 수소이온 전지가 사용되었으나, 최근에는 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 전지 및 리튬 폴리머 전지가 많이 사용되고 있다.

이러한 이차전지는 양극 활물질로서 리튬 전이금속 산화물, 리튬 복합 산화물 등을 사용하는 중량 대비 높은 출력과 용량의 리튬 이차전지가 크게 각광받고 있다. 일반적으로, 리튬 이차전지는 양극/세퍼레이터/음극의 전극조립체가 전해질과 함께 밀폐된 용기에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다.

한편, 리튬 이차전지는 양극, 음극 및 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터 및 전해질로 이루어지며, 양극 활물질과 음극 활물질을 어떤 것을 사용하느냐에 따라 리튬 이온 전지(Lithium Ion Battery, LIB), 리튬 폴리머 전지(Polymer Lithium Ion Battery, PLIB) 등으로 나누어진다. 통상, 이들 리튬 이차전지의 전극은 알루미늄 또는 구리 시트(sheet), 메시(mesh), 필름(film), 호일(foil) 등의 집전체에 양극 또는 음극 활물질을 도포한 후 건조시킴으로써 형성된다.

이차 전지는 셀을 조립하는 공정과, 셀을 활성화시키는 공정을 거쳐 제조되며, 전지의 활성화 공정에서, 소정의 지그에 셀을 탑재시켜 활성화에 필요한 조건으로 충전을 수행하게 된다.

니켈-카드뮴 전지 및 납 축전지와 같은 종래의 이차 전지는 생산 후 곧바로 사용이 가능하기 때문에, 성능 평가용으로만 충방전 장치가 사용되었다. 그러나, 전술한 바와 같이, 최근에 널리 사용되는 리튬 이온 전지 및 리튬 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차 전지의 경우, 제조 후 소정의 충방전을 실시하는 과정, 즉, 화성 공정을 거쳐야만 전지로서의 성능이 활성화되므로 충방전을 위한 시스템이 이차 전지의 생산 라인에 필수적 설비가 되었다.

충방전 시스템은 이차 전지의 생산 공정 중 조립이 완료된 최초의 셀이 전기 에너지를 저장할 수 있도록 수 회 정도의 충전 및 방전 공정을 반복하여 이차 전지가 가져야 할 소정의 특성을 부여하는 기능을 수행한다.

이차 전지의 수요 급증에 따른 공급이 증가함에 따라, 이차 전지의 생산 단계에서 충방전 기능을 수행하는 충방전 설비도 많이 필요하게 되었으며, 제조가 완료된 이차 전지의 성능 등을 평가하기 위해서도 충방전 설비가 필수적이 되었다.

한편, 최근 업계의 수요가 증가되어 다양한 형태의 연구가 활발한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 중대형용 전지모듈 분야의 경우, 대단위의 충방전 전류가 필요하고, 이에 따라 전지의 테스트에 필요한 충방전용 지그가 점차 중요해지고 있다.

그런데, 종래의 이차전지의 충방전 시스템은 셀이 지면에 대해 평행하게 배치되는 지그가 사용됨으로써, 시스템의 캐비닛의 단위 체적당 배열시킬 수 있는 지그들의 수가 상대적으로 작아서, 충방전 시스템의 대량화 또는 효율성 제고에 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허 공개번호:제10-2013-0088820호(공개일자:2013년08월08일)

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하고자 착상된 것으로서, 셀을 시스템의 캐비닛의 기준면에 대해 수직으로 배치할 수 있도록 지그의 구조를 개선시킴으로써, 충방전 시스템의 공간 활용도를 배가시킬 수 있는 이차전지의 충방전용 지그, 및 이를 이용한 이차전지의 충방전 장치 및 시스템, 충방전용 지그의 배치 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 이차전지용 충방전 시스템은, 이차 전지의 충,방전 시험을 할 수 있도록 셀을 각각 수납할 수 있는 적어도 2개 이상의 지그들; 및 셀의 길이 방향 양단들이 기준면에 대해 평행하게 배치되고, 셀의 양면들이 기준면에 대해 수직으로 배치되도록 지그들이 배열된 프레임을 구비한다.

바람직하게, 각각의 지그는: 이차 전지의 셀의 길이 방향으로 연장하는 본체; 및 본체의 길이방향 일 사이드로부터 본체에 수직되게 연장하고, 본체에 평행하게 위치된 셀의 사이드의 일측이 접촉되도록 프레임에 설치된 받침 플레이트를 구비한다.

바람직하게, 본체는: 셀의 길이 방향으로 연장하는 편평한 하우징 플레이트; 및 셀의 전극 단자가 삽입될 수 있도록 하우징 플레이트의 적어도 일단에 마련된 단자 삽입부를 구비한다.

바람직하게, 지그들은 프레임에 적어도 2개 이상의 층들로 배치된다.

본 발명의 다른 측면에 따른 이차 전지의 충방전용 지그는, 이차 전지의 셀의 길이 방향으로 연장하는 본체; 및 본체의 길이방향 일 사이드로부터 본체에 수직되게 연장하고, 본체에 평행하게 위치된 셀의 사이드의 일측이 접촉되는 받침 플레이트를 구비한다.

바람직하게, 지그는 본체의 길이방향 일 사이드로부터 본체에 수직되게 연장하고, 본체에 평행하게 위치된 셀의 사이드의 일측이 접촉되도록 프레임에 설치된 받침 플레이트를 더 구비한다.

바람직하게, 본체는: 셀의 길이 방향으로 연장하는 편평한 하우징 플레이트; 및 셀의 전극 단자가 삽입될 수 있도록 하우징 플레이트의 적어도 일단에 마련된 단자 삽입부를 구비한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 이차전지용 충방전 장치는, 지그의 받침 플레이트가 프레임의 기준면에 배치된 적어도 2개 이상의 지그들을 구비한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 이차 전지의 충방전용 지그의 배치 방법은, 기준면이 마련된 프레임을 준비하는 단계; 셀의 길이 방향 양단들이 기준면에 대해 평행하게 배치되고, 셀의 양면들이 기준면에 대해 수직으로 배치되도록 적어도 2개 이상의 지그들을 프레임에 배열시키는 단계를 포함한다.

바람직하게, 프레임 준비 단계는 적어도 2개 이상의 층들을 가진 다단 프레임이다.

본 발명의 바람직한 예시적 실시예들에 따른 충방전용 지그, 이를 이용한 충방전 시스템 및 장치, 지그 배치 방법은, 프레임(예, 캐비닛, 다단 캐비닛)의 어느 하나의 단에 셀을 수납하는 지그를 수직으로 배치할 수 있으므로 종래의 배치 방식 또는 시스템과 비교하여 적어도 2배의 공간을 활용할 수 있는 효과를 가진다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 충방전용 지그들이 배치된 다단 캐비닛의 정면도이다.
도 2는 도 1의 충방전용 지그를 발췌 도시한 정면도이다.
도 3은 도 2의 좌측면도이다.
도 4는 도 2의 지그에 셀이 장착된 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 3의 지그에 셀이 장착된 상태를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 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 기재된 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 충방전용 지그들이 배치된 다단 캐비닛의 정면도이다.

도 1을 참조하면, 이차 전지용 충방전 시스템(100)은, 이차 전지의 충,방전 시험을 하기 위한 것으로서, 적어도 하나 또는 그 이상의 파티션들(12)로 구획되는 캐비닛 구조를 가진 프레임(10)과 각각의 셀(2 : 도 4 및 도 5 참조)을 수납할 수 있고 프레임(10)의 각각의 파티션(12)에 배열되는 다수의 지그들(20)을 구비한다. 또한, 지그들(20)은 각각의 셀(2)의 길이 방향 양단들(4)(6)이 기준면(1)에 대해 평행하게 배치되고, 셀(2)의 양면들(3)(5)이 기준면(1)에 대해 수직으로 배치되도록 프레임(10)에 배열된다. 여기서, '기준면'은 도 1의 지면과 평행한 면을 의미한다.

프레임(10)은 실질적으로 직육면체 형상을 가지며, 전술한 바와 같이, 프레임(10)의 내부 공간을 다수의 층들로 구획하기 위한 다수의 파티션들(12)을 구비한다. 파티션들(12) 사이의 간격은 지그(20)와 셀(2)이 각각 수직으로 프레임(10) 내부 공간으로 인출이 가능할 정도임을 당업자는 충분히 이해 할 것이다.

도 2는 도 1의 충방전용 지그를 발췌 도시한 정면도이고, 도 3은 도 2의 좌측면도이고, 도 4는 도 2의 지그에 셀이 장착된 상태를 나타내는 도면이고, 도 5는 도 3의 지그에 셀이 장착된 상태를 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 각각의 지그(20) 이차 전지의 셀(2)의 길이 방향으로 연장하는 본체(22), 및 본체(22)의 길이방향 일 사이드로부터 본체(22)에 수직되게 연장하고, 본체(22)에 평행하게 위치된 셀(2)의 어느 하나의 사이드가 접촉되도록 프레임(10)의 파티션(12)에 설치된 받침 플레이트(24)를 구비한다.

본체(22)는 셀(2)의 길이 방향으로 연장하는 편평한 하우징 플레이트(26), 및 셀(2)의 전극 단자들(2a)(2b)가 삽입될 수 있도록 하우징 플레이트(26)의 적어도 일단에 마련된 단자 삽입부(28)를 구비한다. 본 실시예에서, 사용되는 셀(2)은 양극 및 음극에 상응하는 한 쌍의 전극 단자들(2a)(2b)이 셀(2)의 길이방향 양단에 배치되는 구조를 가지기 때문에, 지그(20)의 단자 삽입부(28) 역시 지그(20)의 길이 방향 양단에 한 쌍으로 배치되어 있다. 변형예에 따르면, 셀(2)의 양극 및 음극에 상응하는 한 쌍의 전극 단자들(2a)(2b)이 셀(2)의 길이방향 어느 일단에 배치되거나 사이드에 배치되는 경우, 그에 상응하게 지그(20)의 단자 삽입부(28)도 변형될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.

단자 삽입부(28)는 셀(2)의 전극 단자(2a)(2b)를 고정하여 충,방전 시스템(100)과 통전할 수 있는 구조를 가진다. 이를 위해, 각각의 단자 삽입부(28)는 본체(22)에 회전 가능하게 마련된 가압부(21), 가압부(21)의 일단에 설치되어 전극 단자(2a)(2b)를 밀착시켜 지그(20)의 도전부(23)에 밀착시킬 수 있는 밀착 패드(25)를 구비한다. 따라서, 충,방전 시스템이 작동되면 도전부(23)와 전극 단자(2a)(2b) 사이에 통전이 발생되어 충,방전이 수행될 수 있다. 즉, 충,방전용 지그(20)를 통한 이차전지의 활성화 및 테스트 공정은 지그(20)에 탑재된 셀(2)의 전극 단자(2a)(2b)와 지그(20)의 도전부(23) 사이에 완전 밀착이 전제되어야 한다. 따라서, 단자 삽입부(28)의 밀착 패드(25)는 절연 탄성 재질(예, 실리콘 고무)로 구성되거나 별도의 절연 패드를 부착시킴으로써 전극 단자(2a)(2b)와 도전부(23) 사이의 완전한 밀착을 구현하는 것이 바람직하다.

본 실시예에 따른 충방전용 지그(20)는 이차전지를 위한 장치로서, 특히 두께 대비 큰 폭을 가진 판상형 셀로서 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장된 파우치형 리튬 이차전지 셀의 활성화 및 테스트에 적합하다. 여기서, 파우치형 이차전지의 전극 단자는 전술한 바와 같이, 단방향은 물론 쌍방향으로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지의 충,방전용 지그는 중대형 전지 모듈의 단위 셀에 특히 바람직하게 사용될 수 있다. 중대형 전지 모듈의 단위 셀로 사용되기 위해서는 고출력 및 대용량이 필수적으로 요구되며, 이에 따라 제조된 이차전지의 활성화 및 성능 테스트의 정확성 또한 소형 전지의 경부보다 더욱 중요하므로, 본 실시예에 따른 충방전용 지그의 이용이 더욱 요구된다.

한편, 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 단자 접속부를 포함하는 충방전용 지그 및 지그와 전기적으로 연결된 충방전기를 포함하는 충,방전 시스템을 제공한다. 본 실시예에 따르면, 충방전용 지그의 특징으로 인해, 다양한 이차전지들의 활성화 내지 성능 테스트를 위한 충방전에 사용될 수 있다. 이차전지용 충방전 시스템을 구성하는 충,방전기(미도시)는 당업자가 충분히 구현할 수 있으므로 그 구체적인 설명은 생략한다.

전술한 바와 같이, 지그들(20)은 프레임(10)에 마련된 다수의 파티션들(12) 위에 일정한 간격을 유지하면서 수직으로 배치된다. 여기서, "수직배치"의 의미는 지그(20)의 본체(22)의 하우징 플레이트(26)가 파티션(12) 또는 프레임(10)에 접촉됨으로써, 셀(2)이 기준면에 대해 수평으로 위치되었던 종래의 "수평배치"에 대응되는 의미로서, 본체(22)의 하우징 플레이트(26)에 수직으로 배치된 받침 플레이트(24)가 파티션(12) 및/또는 프레임(10)에 수평으로 배치됨으로써, 본체(22)가 프레임(10) 및/또는 파티션(12)에 수직으로 배치되고 따라서, 셀(2)이 기준면에 대해 수직으로 배치되는 것을 말한다. 따라서, 프레임(10)의 내부 공간에 대해 더 많은 셀들(2)이 배열될 수 있으므로, 동일한 사이즈의 프레임(10)의 내부 공간에 동시에 더 많은 셀들(2)의 충,방전 테스트를 실시할 수 있는 효과를 가진다.

본 발명의 다른 바람직한 예시적 실시예에 따르면 이차 전지의 충방전용 지그들의 배치 방법이 개시된다.

본 실시예에 따른 이차 전지의 충방전용 지그들의 배치 방법은, 기준면(1)이 마련된 프레임(10)을 준비하는 단계, 셀(2)의 길이 방향 양단들(4)(6)이 기준면(1)에 대해 평행하게 배치되고, 셀(2)의 양면들(3)(4)이 기준면(1)에 대해 수직으로 배치되도록 적어도 2개 이상의 지그들(20)을 프레임(10)에 배열시키는 단계를 포함한다.

프레임 준비 단계는 적어도 2개 이상의 층들을 가진 다단 프레임 구조를 사용하는 것이 바람직하고, 이를 위해, 전술한 바와 같이, 프레임(10)의 내부 공간은 다수의 파티션들(12)에 의해 구획된다.

본 실시예에 따르면, 전술한 지그들(20)과 셀들(2)의 구조가 그대로 활용된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1...기준면 2...셀
4,6…셀의 길이 방향 양단 3,5…셀의 양면
10...프레임 12…파티션
20…지그 21…가압부
22…본체 23…도전부
24…받침 플레이트 25…밀착 패드
26…하우징 플레이트 28…단자삽입부

Claims (10)

1. 이차 전지의 충,방전 시험을 할 수 있도록 셀을 각각 수납할 수 있는 적어도 2개 이상의 지그들; 및
   셀의 길이 방향 양단들이 기준면에 대해 평행하게 배치되고, 셀의 양면들이 기준면에 대해 수직으로 배치되도록 지그들이 배열된 프레임을 구비하며,
   각각의 지그는:
   이차 전지의 셀의 길이 방향으로 연장하는 본체; 및
   본체의 길이방향 일 사이드로부터 본체에 수직되게 연장하고, 본체에 평행하게 위치된 셀의 사이드의 일측이 접촉되도록 프레임에 설치된 받침 플레이트를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 충방전 시스템.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   본체는:
   셀의 길이 방향으로 연장하는 편평한 하우징 플레이트; 및
   셀의 전극 단자가 삽입될 수 있도록 하우징 플레이트의 적어도 일단에 마련된 단자 삽입부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 충방전 시스템.
   
4. 이차 전지의 충,방전 시험을 할 수 있도록 셀을 각각 수납할 수 있는 적어도 2개 이상의 지그들; 및
   셀의 길이 방향 양단들이 기준면에 대해 평행하게 배치되고, 셀의 양면들이 기준면에 대해 수직으로 배치되도록 지그들이 배열된 프레임을 구비하며,
   지그들은 프레임에 적어도 2개 이상의 층들로 배치되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 충방전 시스템.
   
5. 이차 전지의 셀의 길이 방향으로 연장하는 본체;
   본체의 길이방향 일 사이드로부터 본체에 수직되게 연장하고, 본체에 평행하게 위치된 셀의 사이드의 일측이 접촉되는 받침 플레이트를 구비하며,
   본체는:
   셀의 길이 방향으로 연장하는 편평한 하우징 플레이트; 및
   셀의 전극 단자가 삽입될 수 있도록 하우징 플레이트의 적어도 일단에 마련된 단자 삽입부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충방전용 지그.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   본체의 길이방향 일 사이드로부터 본체에 수직되게 연장하고, 본체에 평행하게 위치된 셀의 사이드의 일측이 접촉되도록 프레임에 설치된 받침 플레이트를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충방전용 지그.
   
7. 삭제
8. 청구항 5 또는 청구항 6의 지그의 받침 플레이트가 프레임의 기준면에 배치된 적어도 2개 이상의 지그들을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전치용 충방전 장치.
   
9. 기준면이 마련된 프레임을 준비하는 단계;
   셀의 길이 방향 양단들이 기준면에 대해 평행하게 배치되고, 셀의 양면들이 기준면에 대해 수직으로 배치되도록 적어도 2개 이상의 지그들을 프레임에 배열시키는 단계를 포함하며,
   프레임 준비 단계는 적어도 2개 이상의 층들을 가진 다단 프레임인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충방전용 지그의 배치 방법.
   
10. 삭제

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