KR101738600B1 - 이차 전지의 충방전용 지그 및 이를 포함하는 이차전지용 충방전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 이차전지의 충방전용 지그는 통전부가 마련된 베이스 플레이트; 베이스 플레이트에 설치되는 하우징; 하우징 내부에 이동 가능하게 배치된 밀착 패드; 밀착 패드를 통전부 방향으로 이동시키기 위해 하우징을 각각 관통하여 일단이 밀착 패드에 부착된 한 쌍의 스크류 부재들; 및 스크류 부재들의 각각의 타단에 설치되어 서로 접촉되어 회전될 수 있는 한 쌍의 회전 부재들을 구비한다.

Description

이차 전지의 충방전용 지그 및 이를 포함하는 이차전지용 충방전 장치{Jig for charge and recharge of lithium secondary battery and apparatus utilizing it}

이차 전지의 충방전용 지그 및 이를 포함하는 이차전지용 충방전 장치{Jig for charge and recharge of lithium secondary battery and apparatus utilizing it}

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.

도 1은 일반적인 형태의 이차전지의 충방전용 지그를 나타내는 정면도이다.

도 1을 참조하면, 지그(10)의 단자 접속부(12)의 밀착 패드(14)가 하나의 스크류(16)에 의해 통전부(18) 방향으로 밀착되기 때문에, 도면에 도시된 바와 같이, 밀착 패드(14)가 최초 위치(14)와 평행하에 진행하여 통전부(18)에 완전히 밀착되지 못하고 들뜨게 되는 현상이 자주 발생되어 통전 불량이 발생되고, 이로 인해 충방전 작업을 수행하는 작업자 및 작업 환경에 따라 이차전지의 충방전 또는 성능 평가의 결과가 달라지는 문제점이 있었다. 또한, 전극 단자와 도전부의 접촉이 불량하여 전극 단자에 큰 저항 및 이로 인한 고온의 열에 의해 이차 전지가 손상될 위험이 높은 문제점이 있었다.

한편, 이차 전지의 충방전용 지그와 관련하여, 한국 실용신안등록 제225,054호, 일본 특허출원공개 제2000-223162호, 일본 특허출원공개 제1998-079263호, 일본 특허출원공개 제2006-252831호 및 한국특허공개 10-2013-0088820호에는 충방전용 지그와 그것을 포함하는 이차전지의 충방전 장치가 개시되어 있지만, 전술한 바와 같이 실제 셀의 활성화 및 테스트 과정에서 발생하고 있는 접촉 저항 증가라는 문제를 해결할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하고자 착상된 것으로서, 이차전지의 전극 단자를 누르기 위해 밀착 패드에 설치되는 스크류 및/또는 회전 부재들의 구조가 개선된 이차 전지의 충방전용 지그 및 이를 이용한 이차전지의 충방전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 이차전지의 충방전용 지그는, 통전부가 마련된 베이스 플레이트; 베이스 플레이트에 설치되는 하우징; 하우징 내부에 이동 가능하게 배치된 밀착 패드; 밀착 패드를 통전부 방향으로 이동시키기 위해 하우징을 각각 관통하여 일단이 밀착 패드에 부착된 한 쌍의 스크류 부재들; 및 스크류 부재들의 각각의 타단에 설치되어 서로 접촉되어 회전될 수 있는 한 쌍의 회전 부재들을 구비한다.

바람직하게, 상기 회전 부재들은 서로 치차결합되도록 외주면에 형성된 톱니를 구비한다.

바람직하게, 회전 부재들 각각은 회전 도구가 삽입될 수 있는 삽입 구멍이 마련된다.

바람직하게, 한 쌍의 스크류 부재들은 서로 반대 방향으로 회전하도록 나사산이 형성된다.

바람직하게, 스크류 부재들의 각각의 일단은 밀착 패드의 길이 방향으로 나란하게 설치된다.

바람직하게, 스크류 부재들의 각각의 일단과 밀착 패드 사이에 개재된 베어링을 구비한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 이차전지용 충방전 장치는, 지그가 설치된 캐비닛을 구비한다.

본 발명의 바람직한 예시적 실시예들에 따른 이차전지의 충방전용 지그 및 이를 이용한 충방전 장치는, 서로 나란하게 배치되며 반대 방향으로 회전하는 스크류 및 회전 부재를 이용하여 동일한 간격 만큼 밀착 패드를 통전부 방향으로 이동시킬 수 있으므로, 전극 단자와 통전부 사이의 접촉 저항을 최소화할 수 있으며, 작업 수행자에 따라 접촉 상태가 달라지는 문제점을 해결할 수 있다. 따라서, 안전하고 신뢰성있는 이차 전지의 성능 평가 및 활성화의 수행이 가능하고, 이차전지의 전극 단자와 지그의 접촉 불량에 따른 전극 단자 및 이차 전지의 발열 현상, 이차 전지의 손상을 방지할 수 있다.

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 종래기술에 따른 이차 전지의 충방전용 지그를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지의 충방전용 지그의 주요 부위의 구성도이다.
도 3은 도 2의 사시도이다.

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 2는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지의 충방전용 지그의 주요 부위의 구성도이고, 도 3은 도 2의 사시도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 이차 전지의 충방전용 지그(100)는 통전부(112)가 마련된 베이스 플레이트(110), 베이스 플레이트(110)에 설치되는 하우징(120), 하우징(120) 내부에 이동 가능하게 배치된 밀착 패드(130), 밀착 패드(130)를 통전부(112) 방향으로 이동시키기 위해 하우징(120)을 각각 관통하여 일단이 밀착 패드(130)에 부착된 한 쌍의 스크류 부재들(140), 및 스크류 부재들(140)의 각각의 타단에 설치되어 서로 접촉되어 회전될 수 있는 한 쌍의 회전 부재들(150)을 구비한다.

베이스 플레이트(110)는 충방전 대상이 되는 셀(미도시)의 길이와 폭보다 약간 더 크게 형성된 사이즈와 편평한 형상을 가지며, 예를 들어, 직육면체 형상의 캐비닛과 같은 프레임으로 구성되는 충방전 장치(미도시)의 내부의 바닥 또는 파티션에 설치될 수 있다.

통전부(112)는 충방전 장치의 전원(미도시)에 전기적으로 연결되고, 충방전 대상이 되는 셀의 전극 단자와 전기적으로 연결될 수 있는 도전성 재질로 마련되며, 베이스 플레이트(110)에 고정되는 것이 바람직하다.

하우징(120)은 베이스 플레이트(110)에 고정되는 한 쌍의 사이드 플레이트들(122)과 사이드 플레이트들(122)의 일단에 설치되며 한 쌍의 관통공들(126)이 마련된 탑 플레이트(124)를 구비한다. 하우징(120)은 지그(100)의 단자 접속부의 기능을 하기 위한 것으로서, 하우징(120)이 형성하는 소정 공간 속으로 셀의 전극 단자를 수납하기 위한 형상과 모양을 가지는 것이 바람직하다. 한편, 탑 플레이트(124)에 마련되는 한 쌍의 관통공들(126)은 후술하게 될 스크류 부재(140)가 결합될 수 있도록 나사산이 형성된다. 한 쌍의 관통공들(126)에 마련되는 나사산은 대응되는 스크류 부재(140)가 서로 반대 방향으로 회전될 수 있도록 반대 방향으로 형성되는 것이 바람직하다.

한 쌍의 스크류 부재들(140)의 일단은 대응되는 관통공(126)을 통과하여 후술하는 밀착 패드(130)에 부착되고, 그 각각의 타단에는 회전 부재(150)가 마련된다. 전술한 바와 같이, 한 쌍의 스크류 부재들(140)은 각각 나사산의 방향이 반대로 형성되어 있다. 스크류 부재들(140)은 셀의 길이 방향으로 나란하게 배치된다. 이러한 배치는 전극 단자를 가압하는 밀착 패드(130)에 실질적으로 균등한 힘을 인가하여 밀착 패드(130)가 전극 단자를 균일한 힘으로 가압시킴으로써, 가압시 들뜨거가 불완전 밀착을 방지하기 위한 것이다.

밀착 패드(130)는 한 쌍의 스크류 부재들(140)의 일단에 설치되어, 회전 부재(150)의 회전에 의해 스크류 부재들(140)이 회전될 때, 통전부(112) 위에 위치된 전극 단자 방향으로 이동하여 전극 단자를 통전부(112)에 밀착시키기 위한 것이다.

변형예에 있어서, 밀착 패드(130)는 스크류 부재들(140)이 설치되는 부분은 단단한 형상의 재질로 형성되고, 전극 단자를 가압하는 부분은 예를 들어, 실리콘 고무, 니트릴부타디엔 고무, 천연 고무, 불소 고무, HBR(High cis BR), 스티렌부타디엔 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 실리콘 고무로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나일 수 있는 절연성 탄성부재로 형성될 수 있다. 절연성 탄성부재는 그 융점이 100℃ 이상인 것이 바람직하다. 밀착 패드(130)의 면적은 특별히 한정되는 것은 아니며, 반드시 전극 단자의 면적과 동일할 필요는 없으며 전극 단자의 용접 폭보다 크거나 작게 구성될 수 있다. 바람직하게 전극 단자의 면적보다 75 내지 125%의 범위로 구성되는 것이 바람직하다. 밀착 패드(130)의 면적이 75% 미만인 경우 밀착 패드(130)와 전극 단자가 완전히 밀착되기 어렵고, 밀착 패드(130)의 면적이 전극 단자의 면적보다 125%를 초과하여 너무 크게 형성되면 전극 단자와 밀착 패드(130)가 완전히 밀착되기 어렵고, 밀착 패드(130)의 일부가 전극 단자로부터 들뜨는 현상이 발생될 수 있다. 또한, 스크류 부재(140)의 일단은 베어링(142)을 통해 밀착 패드(130)에 부착되는 것이 당업자가 충분히 이해할 것이다.

한 쌍의 회전 부재들(150) 각각은 서로 접촉되어 회전될 수 있도록 그 외주면에 톱니(152)가 형성되고, 정상면의 중앙에는 예를 들어, 토크 렌치와 같은 회전 도구(미도시)가 삽입될 수 있는 삽입 구멍(154)이 마련된다.

변형된 실시예에 따르면, 이차전지의 충방전용 지그는 실제 사용 상황을 가정한 테스트를 할 경우, 충방전 시에 발생되는 열을 외부로 효과적으로 방출하기 위해 베이스 플레이트에 다수의 열방출 구멍들(미도시)을 마련할 수도 있다.

또한, 바람직한 예시적 실시예에 따르면, 이차전지의 충방전용 지그(100)는 특히, 두께 대비 큰 폭을 가진 판상형 전지로서 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극 조립체가 내장된 파우치형 리튬 이차전지의 활성화 및 테스트에 적합하다. 여기서, 파우치형 이차 전지의 전극 단자는 단방향은 물론 쌍방향으로 형성될 수도 있다. 또한, 본 실시예에 따른 이차전지의 충방전용 지그(100)는 중대형용 전지 모듈의 단위셀에 특히 바람직하게 사용될 수 있다. 중대형용 전지 모듈의 단위셀로 사용되기 위해서는 고출력 및 대용량이 필수적으로 요구되며, 이에 따라 제조된 이차전지의 활성화 및 성능 테스트의 정확성 또한 소형 전의 경우보다 더욱 중요하므로 본 실시예에 따른 충방전용 지그(100)의 이용이 더욱 요구된다는 사실은 당업자가 충분히 이해할 것이다.

전술한 구성의 이차전지의 충방전용 지그(100)의 작동을 설명하면 다음과 같다.

우선 충방전 대상이 되는 이차 전지의 전극 단자를 하우징(120)에 삽입하여 전극 단자가 통전부(112) 위에 놓여진 상태에서, 회전 도구를 삽입 구멍(154)에 삽입하여 회전 부재(150)를 회전시키게 되면, 한 쌍의 회전 부재들(150)이 서로 반대 방향으로 회전하게 되고, 그러한 회전력은 한 쌍의 스크류 부재들(140)을 서로 반대 방향으로 회전시켜서 밀착 패드(130)를 이동시키게 된다. 이동되는 밀착 패드(130)는 스크류 부재들(140)에 의해 동일한 힘으로 이동되면서 전극 단자를 통전부(112)에 밀착시키게 된다. 그러면, 지그(100)에 전기적으로 연결된 충방전기(미도시)의 작동에 의해 통전부(112)와 셀의 전극 단자 사이에 통전이 발생되어 충방전을 행할 수 있다. 이 과정에서, 밀착 패드(130)의 길이 방향으로 나란하게 배치된 스크류 부재들(140)의 밀착력에 의해 밀착 패드(130)가 통전부(112)를 향해 진행하는 과정에서 들뜨거나 하는 현상이 방지되어 전극 단자를 통전부에 완전하게 밀착시키게 된다. 따라서, 전술한 들뜨는 현상에 의한 접촉 면적의 감소를 줄일 수 있으므로, 접촉 불량에 따른 저항 증가에 의해 발생되는 불완전한 충방전을 예방할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 바람직한 예시적 실시예는 전술한 실시예의 지그를 포함하고, 그러한 지그들(100)이 다양한 패턴으로 배열되고 각각의 지그에 전기적으로 연결된 충방전기를 포함하는 이차 전지의 충방전 장치를 제공한다. 이러한 충방전 장치는 전술한 지그(100)의 특성 내지 특징으로 인해, 다양한 이차전지들의 활성화 내지 성능 테스트를 위한 충방전에 활용될 수 있다. 전술한 충방전기는 당업자가 충분히 이해할 수 있으므로 그 자세한 설명은 생략한다.

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.

Claims (7)

1. 통전부가 마련된 베이스 플레이트;
   베이스 플레이트에 설치되는 하우징;
   하우징 내부에 이동 가능하게 배치된 밀착 패드;
   밀착 패드를 통전부 방향으로 이동시키기 위해 하우징을 각각 관통하여 일단이 밀착 패드에 부착된 한 쌍의 스크류 부재들; 및
   스크류 부재들의 각각의 타단에 설치되어 서로 접촉되어 회전될 수 있는 한 쌍의 회전 부재들을 구비하며,
   상기 한 쌍의 회전 부재들은 서로 치차결합되도록 외주면에 각각 톱니가 구비되고, 상기 톱니들이 서로 맞물려 회전하되, 상기 한 쌍의 회전 부재들이 서로 반대 방향으로 회전하여 상기 밀착 패드에 균등한 힘을 인가하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충방전용 지그.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   회전 부재들 각각은 회전 도구가 삽입될 수 있는 삽입 구멍이 마련된 것을 특징으로 하는 이차전지의 충방전용 지그.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   한 쌍의 스크류 부재들은 서로 반대 방향으로 회전하도록 나사산이 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지의 충방전용 지그.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   스크류 부재들의 각각의 일단은 밀착 패드의 길이 방향으로 나란하게 설치된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충방전용 지그.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   스크류 부재들의 각각의 일단과 밀착 패드 사이에 개재된 베어링을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충방전용 지그.
   
7. 청구항 1, 청구항 3 내지 청구항 6 중 어느 한 항의 지그가 설치된 캐비닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전치용 충방전 장치.
   

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