KR101994346B1 - 전지셀의 두께 측정이 가능한 충방전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지셀의 두께 측정이 가능한 충방전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착되어 있는 전지셀을 충방전하는 장치로서, 전지셀이 상면에 탑재되는 하부 플레이트; 상기 하부 플레이트에 장착되어 있는 전지셀의 상부 위치에서 전지셀에 대해 상하 이동하는 상부 플레이트; 상기 상부 플레이트의 하면에서 전지셀을 향해 돌출되어 있는 구조로 장착되어 있고 전지셀의 두께를 측정하는 둘 이상의 두께 측정 프로브들; 및 전지셀의 전극단자들에 전류를 인가하여 전지셀의 활성화 과정을 수행하는 전극핀들을 포함하고 있는 충방전기; 를 포함하고 있는 전지셀 충방전 장치를 제공한다.

Description

전지셀의 두께 측정이 가능한 충방전 장치 {Charging-Discharging Apparatus Capable of Measuring Thickness of Battery Cell}
본 발명은 전지셀의 두께 측정이 가능한 충방전 장치에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있고, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 애플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
이러한 이차전지는 전극과 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 하며, 그 중 전해액의 누액 가능성이 적으며, 제조가 용이한 리튬이온 폴리머 전지의 사용량이 늘어나고 있다.
일반적으로, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류되며, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막 구조로 이루어져 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.
이차전지는 전지케이스 내부에 전극조립체를 수납하고 활성화하는 과정을 거쳐 제조된다. 전지 활성화 공정은 통상 양극, 음극핀을 보유하고 있는 충방전기가 전지셀에 충전과 방전을 되풀이하여 전지셀을 활성화하고 가스를 제거함으로써 이루어진다.
도 1에는 종래의 전지셀 두께 검사의 일부 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 도 1의 (a)에서 단차부(13)가 형성되어 있는 전지셀의 두께 측정은 전지셀(11)에 대응하는 형상의 평판기(12)를 장착해서 측정한다.
도 1의 (b)를 참조하면, 만곡부(14)가 형성되어 있는 전지셀(21)의 두께 측정은 전지셀(21)에 대응하는 형상을 가지고 있는 평판기(22)를 장착해서 측정한다.
종래에는 활성화 과정 동안 두께 측정을 할 수 없을 뿐만 아니라, 두께 측정 과정에서 전지셀의 전체 폭 또는 단차부의 폭이 다르면 평판기를 교체해야 하는 문제가 있다.
또한, 만곡형 전지셀의 두께를 측정하기 위해서는 만곡면의 곡률에 대응하는 평판기를 장착해야 하므로 평판 제작비가 증가하고 두께 검사가 비효율적으로 이루어지는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 전지셀을 충방전하는 과정에서 두께를 측정하여 안정성 및 생산성을 향상시키기 위한 것으로, 전지셀의 두께를 측정하는 둘 이상의 두께 측정 프로브들 및 전지셀의 활성화 과정을 수행하는 전극핀들이 장착되어 있는 충방전기를 포함하고 있는 전지셀 충방전 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀의 두께 측정이 가능한 충방전 장치는,
양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착되어 있는 전지셀을 충방전하는 장치로서,
전지셀이 상면에 탑재되는 하부 플레이트;
상기 하부 플레이트에 장착되어 있는 전지셀의 상부 위치에서 전지셀에 대해 상하 이동하는 상부 플레이트;
상기 상부 플레이트의 하면에서 전지셀을 향해 돌출되어 있는 구조로 장착되어 있고 전지셀의 두께를 측정하는 둘 이상의 두께 측정 프로브들; 및
전지셀의 전극단자들에 전류를 인가하여 전지셀의 활성화 과정을 수행하는 전극핀들을 포함하고 있는 충방전기;
를 포함하고 있는 구조로 구성되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀의 두께 측정이 가능한 충방전 장치는, 전지셀을 충방전하는 과정에서 단차부 또는 만곡면을 가지고 있는 다양한 형태의 전지셀의 두께를 실시간으로 측정하여 안정성 및 생산성을 향상시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 권취형, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 전극조립체는 수평면을 기준으로 양극 단자와 음극 단자가 상단 밀봉 잉여부에 함께 위치할 수 있다.
다른 일 예에서, 상기 전극조립체는 적어도 일면에 계단형 단차가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
이러한 구조에서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.
또, 상기 전지케이스는 상기 전극조립체의 형상에 대응하여 계단형 단차가 외면에 형성되어 있는 구조일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 전지케이스는 평면상으로 직사각형 또는 수직 단면상으로 만곡형일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 두께 측정 프로브들은 전지셀에 접촉하여 길이가 서로 다르게 설정될 수 있도록 상부 플레이트에 장착되어 있을 수 있다.
이러한 경우에, 상기 두께 측정 프로브들은 등간격 또는 비등간격으로 상부 플레이트의 하면에 일직선 상으로 장착되어 있을 수 있다.
다른 경우에, 상기 두께 측정 프로브들은 상부 플레이트의 전지셀에 접촉하는 위치에서 m × n 개 (여기서, m 및 n은 1 내지 10의 정수이다)가 장착되어 있을 수 있다.
상기 경우에, 전지셀의 외면이 계단형 단차 구조로 이루어져 있을 때, 상기 두께 측정 프로브들은 전지셀의 단차부에 각각 하나 이상 접촉하도록 상부 플레이트에 장착되어 있는 구조일 수 있다.
이 때, 상기 두께 측정 프로브들은 전자 감응식 또는 압력 반응식 프로브들일 수 있다.
본 발명에 따른 충방전 장치를 사용하여 전지셀의 두께를 측정하는 방법으로서,
(a) 전지셀을 하부 플레이트 상에 탑재하는 과정;
(b) 전지셀의 전극단자에 충방전기의 전극핀들을 연결하는 과정;
(c) 상부 플레이트를 전지셀 쪽으로 하향 이동시켜, 측정 프로브들을 전지셀의 외면에 접촉시키는 과정;
(d) 전지셀에 대해 활성화를 위한 충방전을 수행하면서 전지셀에 두께 변화를 측정하는 과정;
(e) 상부 플레이트를 상향 이동시키고, 전지셀을 하부 플레이트로부터 탈리하여 외관을 검사하는 과정;
을 포함하고 있는 두께 측정 방법을 제공한다.
이와 같은 경우에, 상기 전지셀의 형상에 대응하는 각각의 위치에서 두께 측정 프로브의 정상 신장 또는 수축 범위를 설정하고 정상 범위를 벗어나면 비정상으로 판정하는 과정을 더 포함할 수 있다.
다른 경우에, 상기 전지셀의 외형에 대응하여 두께 측정 프로브의 장착 높이를 조절하는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 충방전 장치를 사용하여 제조된 이차전지 및 전지팩을 제공한다.
본 발명은 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 웨어러블 전자기기, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀의 두께 측정이 가능한 충방전 장치는, 전지셀의 활성화 과정에서 전지케이스 또는 전극 표면의 굴곡을 검사하여 안전성을 향상시키는 효과를 제공할 수 있고, 또한 전지셀의 두께를 측정하는 둘 이상의 두께 측정 프로브들을 사용하여 종래의 평판형 검사에 비해 상대적으로 정밀한 결과를 제공한다.
도 1은 종래의 전지셀 두께 검사 장치의 일부 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 두께 측정이 가능한 충방전 장치의 일부 모식도이다;
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단차부가 형성되어 있는 전지셀의 두께 측정이 가능한 충방전 장치의 일부 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 두께 측정 프로브들이 행과 열을 이루며 배열되어 전지셀의 두께 측정이 가능한 충방전 장치의 일부 모식도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 만곡면이 형성되어 있는 전지셀의 두께 측정 프로브들이 행과 열을 이루며 배열되어 전지셀의 두께 측정이 가능한 충방전 장치의 일부 모식도이다;
도 6은 충방전 장치를 사용하여 전지셀의 두께를 측정하는 흐름도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 두께 측정이 가능한 충방전 장치의 일부 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지셀 충방전 장치(100)는 전지셀(101)이 상면에 탑재되는 하부 플레이트(120), 전지셀(101)에 대해 상하 이동하는 상부 플레이트(110), 전지셀(101)의 두께를 측정하는 둘 이상의 두께 측정 프로브들(130, 131, 132), 및 전극핀들(141)을 포함하고 있는 충방전기(140)를 포함하여 구성되어 있다.
전지셀(101)은 전지케이스(102)에 전극조립체를 수납하고 있고, 수평면을 기준으로 양극 단자와 음극 단자가 상단 밀봉 잉여부에 함께 위치하고 있으며, 전지케이스(102)는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있다.
두께 측정 프로브들(130, 131, 132)은 등간격으로 상부 플레이트(110)의 하면에 전지셀(101)의 길이방향을 따라 일직선 상으로 장착되어 있고, 상부 플레이트(110)는 상부 플레이트(110)를 Z축 방향으로 이동시키는 구동부(도시하지 않음)에 연결되어 있다. 두께 측정 프로브들(130, 131, 132)이 전지셀(101)과 접촉하면 Z축 방향으로 수축 및 신장한다.
도 3에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단차부가 형성되어 있는 전지셀의 두께 측정이 가능한 충방전 장치의 일부 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 전지셀 충방전 장치(200)는 단차부(205)가 형성되어 있는 전지셀(201)이 하부 플레이트(220)에 탑재되어 있고, 전극단자들이 충방전기(240)와 접속되어 충전을 수행한다.
전지셀(201)의 상부에는 두께 측정 프로브들(230, 231, 232)이 등간격으로 상부 플레이트(210)의 하면에 전지셀의 폭 방향을 따라 일직선 상으로 장착되어 충전을 수행하면서 두께를 측정한다.
두께 측정 프로브들(230, 231, 232)의 배열 구조 및 전지셀(201)에 단차부가 형성되어 있는 점을 제외하면 구조가 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 두께 측정 프로브들이 행과 열을 이루며 배열되어 있는 전지셀의 두께 측정이 가능한 충방전 장치의 일부 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 전지셀 충방전 장치(300)는 단차부(305)가 형성되어 있는 전지셀(301)이 하부 플레이트(320)에 탑재되어 있고, 전극단자들이 충방전기(340)와 접속되어 충전을 수행한다.
전지셀(301)의 상부에는 두께 측정 프로브들(330, 331, 332, 333, 334, 335)이 상부 플레이트(310)의 하면에 전지셀(301)의 길이 방향(Y축 방향)을 기준으로 2행 3열의 등간격으로 장착되어 있다.
두께 측정 프로브들(330, 331, 332, 333, 334, 335) 중 외측의 두께 측정 프로브들(330, 332, 333, 335)은 단차부(305)의 하단의 두께를 측정하도록 장착되어 있고, 다른 두께 측정 프로브들(331, 334)은 단차부(305)의 상단의 두께를 측정하도록 장착되어 있다.
두께 측정 프로브들(330, 331, 332, 333, 334, 335)이 전지셀(301)의 길이 방향의 두께를 2행으로 측정하므로 정확한 두께를 측정할 수 있다.
두께 측정 프로브들(330, 331, 332, 333, 334, 335)의 배열 구조 및 전지셀(301)에 단차부(305)가 형성되어 있는 점을 제외하면 구조가 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 만곡면이 형성되어 있는 전지셀의 두께 측정 프로브들이 행과 열을 이루며 배열되어 전지셀의 두께 측정이 가능한 충방전 장치의 일부 모식도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 두께 측정 프로브들(430, 431, 432, 433, 434, 435, 436, 437, 438, 439)은 만곡면(407)으로 형성되어 있는 전지셀(401)에 접촉하여 두께를 측정하고, 전극단자들이 충방전기(440)와 접속되어 충전을 수행한다.
전지셀(401)의 만곡면(407)에 대응하는 정상 두께 범위에 따라 두께 측정 프로브들(430, 431, 432, 433, 434, 435, 436, 437, 438, 439)의 신장 또는 수축 범위가 서로 다르게 설정되어 있고, 예를 들어 가운데 두께 측정 프로브들(432, 437)은 전지셀(401)의 두께가 가장 크므로 초기 이동량을 상대적으로 크게 설정하여 측정하면 만곡면(407)의 정확한 두께를 측정할 수 있다.
두께 측정 프로브들(430, 431, 432, 433, 434, 435, 436, 437, 438, 439)이 비등간격으로 배열된 구조 및 전지셀(301)의 외면이 만곡면(407)이라는 점을 제외하면 구조가 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
도 6은 충방전 장치를 사용하여 전지셀의 두께를 측정하는 흐름도가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, (a) 전지셀을 활성화시키기 위해 전지셀을 하부 플레이트 상에 탑재한다(S110). (b) 전지셀의 전극단자에 충방전기의 전극핀들을 연결한다(S120). (c) 상부 플레이트를 전지셀 쪽으로 하향 이동시키고 측정 프로브들을 전지셀의 외면에 접촉시킨다(S130). (d) 전지셀에 대해 활성화를 위한 충방전을 수행하면서 전지셀에 두께 변화를 측정한다(S140). (e) 충방전을 반복해서 진행하면서 두께 검사가 이루어지면 상부 플레이트를 상향 이동시키고, 전지셀을 하부 플레이트로부터 탈리하여 외관을 검사한다(S150). 전지셀의 형상에 따라 두께 측정 프로브의 정상 신장 또는 수축 범위를 설정하고 정상 범위를 벗어나면 비정상으로 판정하는 과정을 수행할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착되어 있는 전지셀을 충방전하는 장치로서,
    전지셀이 상면에 탑재되는 하부 플레이트;
    상기 하부 플레이트에 장착되어 있는 전지셀의 상부 위치에서 전지셀에 대해 상하 이동하는 상부 플레이트;
    상기 상부 플레이트의 하면에서 전지셀을 향해 돌출되어 있는 구조로 장착되어 있고 전지셀의 두께를 측정하는 둘 이상의 두께 측정 프로브들; 및
    전지셀의 전극단자들에 전류를 인가하여 전지셀의 활성화 과정을 수행하는 전극핀들을 포함하고 있는 충방전기;를 포함하고,
    상기 두께 측정 프로브들은,
    등간격 또는 비등간격으로 상부 플레이트의 하면에 일직선 상으로 장착되어 있으며 상부 플레이트의 전지셀에 접촉하는 위치에서 m × n 개 (여기서, m 및 n은 1 내지 10의 정수이다)가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 충방전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 권취형, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀 충방전 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 수평면을 기준으로 양극 단자와 음극 단자가 상단 밀봉 잉여부에 함께 위치하는 것을 특징으로 하는 전지셀 충방전 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 적어도 일면에 계단형 단차가 형성되어 있는 특징으로 하는 전지셀 충방전 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀 충방전 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 전지케이스는 상기 전극조립체의 형상에 대응하여 계단형 단차가 외면에 형성되어 있는 특징으로 하는 전지셀 충방전 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 평면상으로 직사각형 또는 수직 단면상으로 만곡형인 것을 특징으로 하는 전지셀 충방전 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 두께 측정 프로브들은 전지셀에 접촉하여 길이가 서로 다르게 설정될 수 있도록 상부 플레이트에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 충방전 장치.
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  11. 제 1 항에 있어서, 전지셀의 외면이 계단형 단차 구조로 이루어져 있을 때, 상기 두께 측정 프로브들은 전지셀의 단차부에 각각 하나 이상 접촉하도록 상부 플레이트에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 충방전 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 두께 측정 프로브들은 전자 감응식 또는 압력 반응식 프로브들인 것을 특징으로 하는 전지셀 충방전 장치.
  13. 제 1 항에 따른 충방전 장치를 사용하여 전지셀의 두께를 측정하는 방법으로서,
    (a) 전지셀을 하부 플레이트 상에 탑재하는 과정;
    (b) 전지셀의 전극단자에 충방전기의 전극핀들을 연결하는 과정;
    (c) 상부 플레이트를 전지셀 쪽으로 하향 이동시켜, 측정 프로브들을 전지셀의 외면에 접촉시키는 과정;
    (d) 전지셀에 대해 활성화를 위한 충방전을 수행하면서 전지셀에 두께 변화를 측정하는 과정;
    (e) 상부 플레이트를 상향 이동시키고, 전지셀을 하부 플레이트로부터 탈리하여 외관을 검사하는 과정;
    (f) 전지셀의 형상에 대응하는 각각의 위치에서 두께 측정 프로브의 정상 신장 또는 수축 범위를 설정하고 정상 범위를 벗어나면 비정상으로 판정하는 과정;
    (g) 전지셀의 외형에 대응하여 두께 측정 프로브의 장착 높이를 조절하는 과정;을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 두께 측정 방법.
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