KR101952309B1 - 이차 전지의 활성화 공정을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이차 전지의 활성화 공정 방법은 이차 전지의 활성화 공정에 있어서, CV 충전으로 이차 전지를 1차 충전하는 단계와, 이차 전지의 전류 값과 기 설정된 기준 전류 값을 비교하는 단계와, 상기 이차 전지의 전류 값이 상기 기준 전류 값을 이하인 경우, CC 충전으로 이차 전지를 2차 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이차 전지의 활성화 공정을 위한 시스템 및 방법{A system and method for the activation process of the secondary battery}

본 발명은 이차 전지의 활성화 공정을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 이러한 이차 전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지는 리튬 이차 전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.

리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 리튬 금속 산화물이 사용되고, 음극 물질로는 리튬 금속, 리튬 합금, 결정질 또는 비정질 탄소 또는 탄소 복합체가 사용되고 있다. 상기 활물질을 적당한 두께와 길이로 집전체에 도포하거나 또는 활물질 자체를 필름 형상으로 도포하여 절연체인 세퍼레이터와 함께 감거나 적층하여 전극군을 만든 다음, 캔 또는 이와 유사한 용기에 넣은 후, 전해액을 주입하여 이차 전지를 제조한다.

이러한 이차 전지는 성능 향상을 위해 다양한 종류의 첨가제를 사용하고 있는데, 고용량, 장수명의 이차 전지를 제조하기 위해서는 과량의 첨가제가 요구된다. 그러나, 과량의 첨가제는 이차 전지의 제조 단가를 증가시키는 문제점이 있다.

또한, 이차 전지에 사용되는 주요 첨가제는 이차 전지의 초기 충전 과정에서 분해되어 SEI 막을 형성하는데, 기존 CC 충전 방식으로는 첨가제 반응량이 균일하게 조절되지 않아 이차 전지의 셀 간 편차를 야기시키는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 이차 전지의 활성화 공정 시 첨가제의 반응량을 균일하게 조절할 수 있도록 하는 기술을 제공하는데 있다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 활성화 공정 방법은 이차 전지의 활성화 공정에 있어서, CV 충전으로 이차 전지를 1차 충전하는 단계와, 이차 전지의 전류 값과 기 설정된 기준 전류 값을 비교하는 단계와, 상기 이차 전지의 전류 값이 상기 기준 전류 값을 이하인 경우, CC 충전으로 이차 전지를 2차 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 활성화 공정을 위한 시스템은 이차 전지의 전류를 측정하는 전류 측정부와, 충전 조건을 전환할 수 있는 시점의 기준 전류 값이 저장되어 있는 저장부와, 상기 전류 측정부에서 측정된 이차 전지의 전류 값과 상기 저장부에 저장된 상기 기준 전류 값을 비교하여 상기 이차 전지의 충전 조건 전환 여부를 판단하고 충전 조건을 출력하는 판단부와, CV 충전으로 상기 이차 전지를 충전하며, 상기 판단부에서 상기 이차 전지가 충전 조건을 전환해도 된다는 신호를 출력하면, CC 충전으로 상기 이차 전지의 충전을 진행하는 충전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 이차 전지의 활성화 초기 충전 시 CV 충전 방식을 도입하여 첨가제 반응량을 증가시킴으로써, SEI막의 안정성을 증가시키는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 활성화 공정을 위한 시스템을 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 활성화 공정 방법을 도시한 순서도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 활성화 공정 시 전압 및 전류의 변화를 도시한 그래프.
도 4a 및 도 4b는 각 충전 방식에 따른 전해액 첨가제 반응량을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 전해액 분해반응을 도시한 그래프이다.

본 명세서 및 특허청구범위에 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 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 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. 아울러, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 이차 전지 활성화 공정을 위한 시스템을 도시한 구성도이다.

도 1을 참조하면, 이차 전지의 활성화 공정 시스템은 전류 측정부(100), 저장부(200), 판단부(300) 및 충전부(400)로 구성된다.

먼저, 전류 측정부(100)는 이차 전지의 전류를 측정하고, 측정된 이차 전지의 전류 값을 판단부(300)로 전달한다. 이차 전지의 전류 값은 일정 주기마다 한번씩 측정할 수 있다. 예컨대 전류 측정부(100)에서는 1초마다 한번씩 이차 전지의 전류을 측정할 수 있다.

또한, 전류 측정부(100)는 특정 시점에서 이차 전지의 전류 값을 측정할 수 있으며, 예컨대 이차 전지의 충전이 시작된 이후 2분이 지나는 시점에 이차 전지의 전류를 측정한다고 설정할 수 있다.

저장부(200)는 해당 이차 전지의 충전 조건을 전환할 수 있는 시점의 전류 값이 기준 전류 값으로 저장되어 있다.

예컨대, 이차 전지의 전류 값이 최초 인가 전류 값 대비 1/20이 되는 시점에서 충전 조건을 전환하고자 한다면 이를 기준 전류 값으로 설정할 수 있다.

판단부(300)는 전류 측정부(100)에서 측정된 이차 전지의 전류 값과 저장부(200)에 설정된 기준 전류 값을 비교하여 이차 전지의 충전 조건 전환 여부를 판단한다.

판단부(300)는 측정된 이차 전지의 전류 값이 저장부(200)에 저장된 기준 전류 값을 초과한 경우, 이차 전지의 충전 조건을 현재 상태로 유지하라는 신호를 출력한다. 한편, 판단부(300)는 측정된 이차 전지의 전류 값이 저장부(200)에 저장된 기준 전류 값 이하인 경우, 이차 전지의 충전 조건을 전환하라는 신호를 출력한다.

예컨대, 전류 측정부(100)에서 측정된 이차 전지의 전류 값이 최초 인가 전류 값 대비 1/20에 해당되는 전류 값에 도달했다고 하면, 저장부(200)에 저장된 기준 전류 값 이하가 되었으므로, 충전 조건을 전환해도 된다고 판단한다.

충전부(400)는 판단부(300)에서 출력된 신호를 전달받고, 전달받은 신호에 따른 충전 조건으로 이차 전지의 충전을 진행한다.

충전부(400)는 1차로 CV 충전을 진행한다. 그리고, 판단부(300)에서 충전 조건을 전환하라는 신호를 전달받으면 충전 조건을 전환하여 2차로 CC 충전을 진행한다.

CV 충전은 일정 전압을 유지하도록 충전 전류를 감소시키면서 충전을 진행하는 방법이며, CC 충전은 일정 전류를 유지하면서 충전을 진행하는 방법이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 활성화 공정 방법을 도시한 순서도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 활성화 공정 시 시간의 흐름에 따른 전압 및 전류의 변화를 도시한 그래프이다.

도시하지는 않았으나 이차 전지의 활성화 공정 이전 단계를 간략하게 설명하면 다음과 같다. 전해액 첨가제, 비수용매 및 리튬염을 포함하는 전해액을 제조하고, 제조된 전해액을 이용하여 전지를 제조한다. 이차 전지는 음극, 양극 및 전지의 단락을 방지하기 위해 음극와 양극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극 조립체를 케이스에 삽입하고 전해액을 주입하여 제조할 수 있다.

이후, 제조된 이차 전지에 대해 활성화 공정을 진행한다.

활성화 공정은 이차 전지의 불량 여부를 판정하고 성능, 특히 수명의 안정성을 확보하기 위해서, 제품 출하 전에 수행하는 공정이다. 활성화 공정은 충전과 방전을 되풀이하여 전지를 활성화하고 가스를 제거하는 것이다.

도 2 및 도 3을 참조하여 이차 전지의 활성화 공정을 설명하면 다음과 같다.

도 2 및 도 3을 참조하면, CV 충전으로 1차 충전을 진행한다(단계 S100). CV 충전은 일정 전압을 유지하도록 충전 전류를 감소시키면서 충전을 진행하는 방법이다.

예컨대, CV충전은 전해액의 비수용매가 분해되는 분해전압 이하의 전압으로 충전을 진행할 수 있다. CV충전은 3.0 ~ 3.2V로 진행할 수 있다. 도 3 의 그래프에서는 3.2V로 나타내고 있으나, CV 충전의 전압은 전해액 용매의 분해전압 이하의 전압이라면 그 값을 한정하지는 않는다. 분해 전압은 첨가제의 종류에 따라 상이하므로 해당 이차 전지에 사용되는 첨가제의 분해전압에 따라 CV 충전의 전압을 조절할 수 있다.

CV 충전을 진행하는 구간에서는 첨가제가 반응하여 전해액의 분해 반응이 일어난다. CV 충전 시에 반응하는 첨가제의 양은 CC 충전 시에 반응하는 첨가제의 양보다 많다.

도 4a 및 도 4b는 각 충전 방식에 따른 이차 전지의 첨가제 반응량을 도시한 그래프로서, X축은 시간(sec)을 나타내고, Y축은 전압(V)을 나타낸다.

먼저 도 4a는 이차 전지에CC 충전을 진행하는 경우, 첨가제가 반응하는 정도를 도시한 것이다.

도 4a를 참조하면, CC충전 시 시간이 흐름에 따라 이차 전지의 전압이 계단식으로 증가한다. 이때, 첨가제가 반응하는 구간을 나타낸 A, B, C, D가 일정하지 않음을 알 수 있다. 즉, CC 충전으로 이차 전지를 충전하면, 첨가제의 반응량이 균일하게 조절되지 않는 것을 알 수 있다.

반면, 도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 이차 전지의 활성화 공정 초기의 이차 전지에CV 충전을 진행하는 경우, 첨가제가 반응하는 정도를 도시한 것이다.

도 4b를 참조하면, CV 충전 시 시간이 흐름에 따라 이차 전지의 전압이 일정하게 유지된다. 이때, 첨가제가 반응하는 구간을 나타낸 A, B, C, D가 일정한 것을 알 수 있다. 즉, CV 충전으로 이차 전지를 충전하면, 첨가제의 반응량이 균일하게 조절된 것을 알 수 있다.

도 4a 및 도 4b를 비교하면, CV 충전을 진행하는 경우의 단위 시간당 첨가제의 반응량이 CC 충전을 진행하는 경우의 단위 시간당 첨가제의 반응량에 비해 증가된 것을 알 수 있다.

그 다음, 이차 전지의 전류 값과 저장부(도 1의 '200')에 저장된 기준 전류 값을 비교하여 이차전지의 충전 조건 전환 여부를 판단한다.(단계 S200)

이차 전지의 전류 값은 일정 주기마다 한번씩 측정할 수 있으며, 예컨대 이차 전지의 전류 값을 1초마다 한번씩 측정할 수 있다.

또한, 특정 시점에서 이차 전지의 전류 값을 측정할 수 있으며, 예컨대 이차 전지의 1차 충전인 CV 충전이 시작된 이후 약 2분이 지나는 시점에 이차 전지의 전류를 측정할 수 있다. 일반적으로, 설계 용량 기준 1C(약 1000mA)를 기준으로 2분이면 1/20C(약 50mA)에 도달할 수 있다. 여기서는 CV충전이 시작된 후 2분 후에 이차 전지의 전류 값을 측정한다고 한정하였으나, 이차 전지의 전류 값을 측정하는 시간은 이에 한정하지 않는다.

저장부는 해당 이차 전지의 충전 조건을 전환할 수 있는 시점의 전류 기준 값이 저장되어 있다. 예컨대, 해당 이차 전지의 전류 값이 충전 초기 인가 전류 값의 1/20만큼 감소하는 시점에서 충전 조건을 전환할 수 있다. 예컨대, 이차 전지의 초기 전류 값이 1000mA라고 하면, 이차 전지의 전류 값이 50mA가 되는 시점에서 충전 조건을 전환한다. 여기서는, 충전 조건을 전환할 수 있는 시점의 전류 값을 충전 초기 인가 전류 값의 1/20에 해당되는 전류 값으로 나타내고 있으나, 이차 전지의 물질 및 상태에 따라 이차 전지의 기준 전류 값을 다르게 설정할 수 있다.

다음으로, 측정된 이차 전지의 전류 값과 저장부(도 1의 '200')에 저장된 기준 전류 값을 비교하여 이차 전지의 전류 값이 기준 전류 값 이하가 되는 시점에서 이차 전지의 충전 조건을 전환한다. 즉, 이차 전지의 전류 값이 기준 전류 값이 되면, 충전 조건을 전환하여CC 충전으로 이차 전지를 2차 충전한다(단계 S300)

그러나, 이차 전지의 전류 값과 저장부에 저장된 기준 전류 값을 비교하여 이차 전지의 전류 값이 기준 전류 값을 초과한 경우에는 이차 전지의 충전 조건을CV 충전으로 유지한다(단계 S100).

도 5는 이차 전지의 전해액 분해 반응 정도를 도시한 그래프로서, X축은 전압(V)을 나타내는 것이고, Y축은 쿨롱 효율(dQ/dV)를 나타낸 것이다. 여기서, A는 이차 전지의 활성화 공정 시CC 충전만으로 이차 전지를 충전하는 경우의 쿨롱 효율의 변화를 도시한 것이고, B는 이차 전지의 활성화 공정 초기에 CV 충전을 추가한 경우의 쿨롱 효율의 변화를 도시한 것이다.

도 5를 참조하면, 3.2V 내지 3.3V의 범위에서 큰 피크(peak)가 관찰된다. 이것은 음극 표면에서의 피막 형성이 이루어지지 않기 때문에, 전해액과 음극이 직접적으로 접촉하고, 충전 전압의 증가에 의해 음극 표면에서 전해액의 분해가 일어났기 때문이다. 즉, 큰 피크 부분에서 이차 전지의 전해액 분해반응이 일어난 것이다.

도 5'B'의 경우는 도 5 'A'의 경우에 비해 피크점이 낮게 나타난 것을 알 수 있다. 도 5 'B'의 경우는 이차 전지의 활성화 공정 초기에 추가된 CV 충전 시 전해액의 분해반응이 일어나 CC 충전으로 인한 dQ/dV값이 감소한 것이다.

상술한 바와 같이, 이차 전지의 활성화 공정 초기에 CV 충전을 추가함에 따라 이차 전지의 첨가제 반응량을 증가시키고 균일하게 조절할 수 있다.

또한, CV 충전은 CC 충전 대비 첨가제 반응량이 많기 때문에 SEI막의 안정성이 증가되며, 이는 이차 전지의 셀의 성능을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

이상의 설명은 본 출원의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 출원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 출원의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 출원에 개시된 실시예들은 본 출원의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 출원의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 출원의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 전류 측정부 200 : 저장부
300 : 판단부 400 : 충전부

Claims (12)

1. 이차 전지의 활성화 공정에 있어서,
   CV 충전으로 이차 전지를 1차 충전하는 단계;
   이차 전지의 전류 값과 기 설정된 기준 전류 값을 비교하는 단계; 및
   상기 이차 전지의 전류 값이 상기 기준 전류 값을 이하인 경우, CC 충전으로 이차 전지를 2차 충전하는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 활성화 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 CV 충전은 3.0 ~ 3.2V 의 전압으로 진행하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 활성화 방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 기준 전류 값은 상기 이차 전지의 초기 인가 전류 값 대비 1/20에 해당하는 전류 값인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 활성화 방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 이차 전지의 전류 값은 일정 주기 마다 한번씩 또는 특정 시점에서 측정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 활성화 방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 이차 전지의 전류 값이 상기 기준 전류 값을 초과한 경우, 상기 이차 전지의 충전 조건을CV 충전으로 유지하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 활성화 방법.
6. 이차 전지의 전류를 측정하는 전류 측정부;
   충전 조건을 전환할 수 있는 시점의 기준 전류 값이 저장되어 있는 저장부;
   상기 전류 측정부에서 측정된 이차 전지의 전류 값과 상기 저장부에 저장된 상기 기준 전류 값을 비교하여 상기 이차 전지의 충전 조건 전환 여부를 판단하고 충전 조건을 출력하는 판단부; 및
   CV 충전으로 상기 이차 전지를 충전하며, 상기 판단부에서 상기 이차 전지가 충전 조건을 전환해도 된다는 신호를 출력하면, CC 충전으로 상기 이차 전지의 충전을 진행하는 충전부
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 활성화 시스템.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 전류 측정부는 일정 주기 마다 한번씩 또는 특정 시점에서 상기 이차 전지의 전류을 측정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 활성화 시스템.
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 저장부는 이차 전지의 충전 조건을 전환할 수 있는 시점의 전류 값이 기준 전류 값으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 활성화 시스템..
9. 청구항 6에 있어서,
   상기 기준 전류 값은 상기 이차 전지의 초기 인가 전류 값 대비 1/20에 해당하는 전류 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 활성화 시스템.
10. 청구항 6에 있어서,
    상기 판단부는 상기 이차 전지의 전류 값이 상기 기준 전류 값을 초과한 경우, 이차 전지의 충전 조건을 현재 상태로 유지하라는 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 활성화 시스템.
11. 청구항 6에 있어서,
    상기 판단부는 상기 이차 전지의 전류 값이 상기 기준 전류 값 이하인 경우, 상기 이차 전지의 충전 조건을 전환하라는 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 활성화 시스템.
12. 청구항 6에 있어서,
    상기 CV충전은 3.0 ~ 3.2V로 진행하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 활성화 시스템.

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