KR102086631B1

KR102086631B1 - 이차전지의 충전방법 및 충전장치

Info

Publication number: KR102086631B1
Application number: KR1020160028402A
Authority: KR
Inventors: 이주성
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2020-03-09
Also published as: KR20170105320A

Abstract

본 발명은 이차전지를 충전하는 방법에 있어서,
만충전을 기준으로 제 1 충전상태(State of Charge; SOC) 이전의 충전 구간에서는 하기 조건 (1)을 만족하도록 충전 전류량을 점진적으로 감소시키고,
만충전을 기준으로 제 1 충전상태 이후의 충전 구간에서는 전압을 일정하게 유지하는 정전압 조건(CV condition)으로 충전 전류량을 감소시키며,
제 1 충전상태 직전의 충전 전류량 변화에 대한 제 1 충전상태 직후의 충전 전류량 변화는 연속적인 변화 기울기를 나타내는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전방법:
I_t = I_max × 10^(k·(V_max/V_t)-1) (1)
여기서, 상기 I_t는 시간(min)에 따라 인가하는 전류량으로 0C ≤ I_t≤ I_max, I_max는 설정된 최대 전류량으로 전지의 용량에 따라 1C ≤ I_max≤ 20C, V_max는 설정된 최대 전류(I_max)를 인가할 때의 전압값으로 2.5V ≤ V_max≤ 4.2V, V_t는 시간(min)에 따라 측정된 전압값으로 전지의 설계에 따라 0V < V_t ≤ 5.0V의 범위에서 작동전압의 상한과 하한이 결정되며, k는 시간(min)에 따른 전류 감소 상수로서 0.5 ≤ k≤ 3.0 만족한다.

Description

이차전지의 충전방법 및 충전장치{Charging Method of Secondary Battery and Charging Apparatus of the Same}

본 발명은 이차전지의 충전방법 및 충전장치에 관한 것으로, 전 충전 구간에서 충전 전류량을 점진적으로 감소시키는 이차전지의 충전방법 및 이를 수행하는 충전장치에 관한 것이다.

최근에는 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 카메라 등의 휴대용 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고 사이클 수명이 길며 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해져 왔고, 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이러한 이차전지는 방전 후에도 다시 재충전하여 계속 사용할 수 있어 충방전 상태에 따라 성능의 차이를 나타내므로, 충전방법을 개선하여 이차전지의 성능을 향상시키려는 노력이 진행되고 있다.

도 1은 상기 이차전지의 충전방법으로 일반적으로 사용되는 정전류(constant current mode)-정전압(constant voltage mode) 충전방식(이하 CCCV 충전방법이라 함)을 나타낸 도면이다. CC-CV 충전방법은 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 일정전지 전압에 도달할 때까지 최대 전류로 충전을 실행하고, 일정전지 전압에 도달하게 되면, 점차로 충전류를 감소시키면서 충전을 실행하는 방법이다.

그러나, 이상에서와 같이, 정전류 충전구간은 낮은 0.5C rate 이하 정전류 충전으로, 정전류 시간이 1 시간 정도 유지가 되므로, 정전압 충전 구간(단계 2)이 상대적으로 길고, 충전의 종료를 시간 혹은 전류를 감지하여 제어하기 때문에 종래의 충전방식인 CC-CV 충전방법에서는 C-레이트와 시간은 정비례하는 요소가 되는 것이다.

이와 같은 종래의 방법을 적용한 충전에서는 100분 충전시 충전률이 대략 85% 이하이며, 적어도 90%이상 충전을 하기 위해서는 130분 이상 충전을 해야 하므로, 전지를 충전하는데 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.

이에, 이와 같은 CC-CV 충전방법에 비해서 보다 더 정확한 만충전이 가능하고 또한 더 빠른 충전속도로 충전이 가능한 충전방법이 연구되고 있다.

구체적으로, 상기 종래 충전방법에서 충전 속도 향상을 위해 CC 충전 구간에서의 C-레이트를 크게 설정하였다. 그러나, 이 경우 음극의 과전위(overpotential)로 인해 리튬 덴드라이트가 형성되는 등의 문제로 특정 충전상태 이상의 급속 충전에 한계가 있었고, 이차전지의 발열량이 증가하며, 전지의 열화가 빠르게 진행되어 이차전지의 성능이 매우 나빠지는 문제가 있었다.

한편, 이러한 문제점을 해결하고자, 한국특허문헌 공개공보 2011-0024707에서는, 충전시에 씨-레이트(C-rate)특성에 계단식 변화를 주는 구성을 채택하여, 단위 시간당 충전량을 높이는 방법을 제시하였다.

그러나, 이 경우 역시 C-레이트를 변화시키는 경우, C-레이트의 급격한 변화에 의해 도 2의 비교예 1에서와 같이 순간 전압 강하가 크게 발생하고, 전극 내 국부적인 리튬 농도 편차가 생겨 활물질에 큰 부담을 주기 때문에 수명 특성에 영향을 주는 등의 문제가 있었다.

따라서, 보다 빠른 시간 안에 충전이 가능하면서도, 음극의 과전압을 최소화하고, 안정적이며 전지의 퇴화율이 적은 개선된 충전방법이 요구되고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 특정 조건을 만족하는 범위에서 초기 충전 구간동안 충전 전류량을 점진적으로 감소시키는 이차전지의 충전방법을 개발하였고, 이러한 충전방법 적용시 충전시간을 단축시키면서도, 전지의 퇴화를 방지할 수 있어 전지의 수명특성을 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지의 충전방법은,

만충전을 기준으로 제 1 충전상태(State of Charge; SOC) 이전의 충전 구간에서는 하기 조건 (1)을 만족하도록 충전 전류량을 점진적으로 감소시키고,

만충전을 기준으로 제 1 충전상태 이후의 충전 구간에서는 전압을 일정하게 유지하는 정전압 조건(CV condition)으로 충전 전류량을 감소시키며,

제 1 충전상태 직전의 충전 전류량 변화에 대한 제 1 충전상태 직후의 충전 전류량 변화는 연속적인 변화 기울기를 나타내는 것을 특징으로 한다.

I_t = I_max × 10^(k·(V_max/V_t)-1) (1)

여기서, 상기 I_t는 시간(min)에 따라 인가하는 전류량으로 0C ≤ I_t≤ I_max, I_max는 설정된 최대 전류량으로 전지의 용량에 따라 1C ≤ I_max≤ 20C, V_max는 설정된 최대 전류(I_max)를 인가할 때의 전압값으로 2.5V ≤ V_max≤ 4.2V, V_t는 시간(min)에 따라 측정된 전압값으로 전지의 설계에 따라 0V < V_t ≤ 5.0V의 범위에서 작동전압의 상한과 하한이 결정되며, k는 시간(min)에 따른 전류 감소 상수로서 0.5 ≤ k≤ 3.0 만족한다.

앞서 설명한 바와 같이, 이차전지의 충전방법으로 종래 사용되어 왔던 CC-CV 방법은 충전 속도를 증가시키기 위하여 고전류를 인가하는 경우 전지의 퇴화가 촉진되며, 충전 속도를 감소시킬 경우, 충전량이 적어지는 문제점이 있었다. 또한, 충전 C-레이트를 단계별로 계단식으로 변화시켜 CC 충전을 수행하고, 이후 CV 충전을 진행하는 SC(step current)/CV 충전방법을 사용하는 경우, 충전 C-레이트의 변화시 급격한 순간 접압 강하가 일어나며, 국부적인 리튬이온의 농도 차에 의해 활물질에 부담을 주는 바, 수명 특성을 저하시키는 문제가 있었다.

이에, 본 발명에 따른 충전방법은, CC-CV 충전 방법을 채택하지 않고, 기존 CC 충전 구간 동안에 전류량을 연속적으로 감소시키되, 상기와 같은 조건을 만족하도록 충전 전류량을 점진적으로 감소시키는 AC(adaptive current)/CV의 충전을 행하는 것이다. 이러한 충전방법의 경우, 종전의 CC-CV 방법에 비하여 충전 초기 충전 전류량을 높게 가져가 충전속도를 향상함과 동시에 리튬 석출이 우려되는 높은 SOC 영역에서 충전 전류량을 낮추어 주어 전지 수명을 보장할 수 있다. 또한, 순간적인 충전 전류량의 변화가 크지 않아 급격한 순간 전압 강하도 일어나지 않고 국부적인 이온의 농도 편차도 발생시키지 아니하므로 오히려 전지의 퇴화를 줄일 수 있어 수명 특성을 향상시킬 수 있는 바, 바람직하다.

여기서, 상기 '점진적'이라는 의미는, '순차적' 또는 '연속적'이란 용어로 대체될 수도 있는 것으로서, 그 변화가 연속적인 기울기를 가지는 것을 의미한다.

이때, 본 발명에서 상기 충전을 위한 충전 전류량은 전위 레벨(level)에 의해 결정될 수 있고, 상세하게는 이차전지의 충전에 의해 전위 레벨이 상승함에 따라 점진적으로 감소하여 이에 따라 전류를 조절함으로써, 충전에 따라 전지의 전압이 상승되되, 충전이 완료되기 전까지 과전압이 걸리지 않도록 할 수 있다.

이때, 충전 전류량의 감소률은, 구체적으로는 상기 조건 (1)이 나타내는 바와 같이 전압 변화에 따른 전류의 변경, 즉, 리튬 전지 내 충전상태를 대변하는 전압의 변화에 따라 충전 전류를 조절함으로써 높은 충전상태 영역에서 급속 충전으로 인한 Li 석출을 방지하며, 충전 전류의 급격한 변화로 인한 리튬 이온의 국부적인 과전압을 발생하지 않게 하여 전지 활물질의 퇴화 등 전지 수명에 악영향을 끼치는 문제를 방지할 수 있고, 이러한 조건을 만족하는 범위가 0.5 ≤k ≤ 3.0다. 상기 범위를 벗어나 k가 0.5보다 작은 경우 충전상태(SOC)에 따라 전류량 감소가 적어 소기의 충전 시간 단축 목적에 부합하기 어려우며, k가 3.0보다 큰 경우에는 충전 과정에서의 급격한 전류 변화로 인해 장기 신뢰성 및 안전성에 우려가 있는 바 바람직하지 않다.

한편, 상기 제 1 충전상태는, 상세하게는 만충전 상태를 기준으로 50% 내지 80%의 범위내에서 가능할 수 있다. 이는 충전 전류량이 클수록 전압이 크게 상승하는 바, 충전 전류량이 점진적으로 감소하는 충전방법에서는 전 충전 구간에서 높은 충전 전류량을 갖는 충전 초반에서 중반까지 전압이 가장 많이 상승하게 되므로, 제 1 충전상태는, 과전압에 도달하기 전으로 설정되어야 하고, 이는 만충전 상태를 기준으로 50% 내지 80%의 범위에서 선택되는 충전상태, 더욱 상세하게는 60% 내지 80%의 범위에서 선택되는 충전상태일 수 있다.

상기 범위를 벗어나, 제 1 충전상태를 만충전 상태의 50% 미만으로 설정하는 경우, 제 1 충전상태 이전의 충전 구간에서 충전 전류량이 낮아 충전시간 단축 목적에 부합하지 못하는 문제가 있을 수 있고, 80%를 초과하도록 설정하는 경우에는, 과전압에 도달하는 것을 방지하기 급격히 충전 전류량을 감소시켜야 하거나, 전지의 에너지 밀도를 낮게 설계해야 하는 바, 바람직하지 않다.

더 나아가, 상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 효과, 즉, 급속 충전이 가능하여 충전 시간을 단축시키는 한편, 급격한 충전 전류량의 감소로 인해 나타날 수 있는 문제점을 해결하기 위해서는, 상기와 같이 제 1 충전상태를 기준으로 다른 조건을 만족하는 범위에서 충전 전류량을 점진적으로 감소시키지만, 제 1 충전 상태를 기준으로 충전 전류량의 변화율이 급격하게 변하는 것은 아니고, 제 1 충전상태 직전의 충전 전류량 변화에 대한 제 1 충전상태 직후의 충전 전류량 변화도, 연속적인 변화 기울기를 나타내도록 변화시키는 것이 바람직하며, 따라서, 상기 충전 전류량 변화의 미분값이, 제 1 충전상태에서 연속적일 수 있다.

이러한 조건을 만족하는 본 발명에 따른 이차전지 충전방법은, 각 충전 구간에서도 충전 전류량이 점진적으로 감소함을 정의하고 있으므로, 충전 전류량 변화의 미분값은 전 충전 구간에서 연속적일 수 있고, 상세하게는,

전 충전 구간에서 상기 충전 전류량 변화의 미분값이 일차 함수식 또는 이차 함수식을 나타낼 수 있다.

구체적으로, 본 발명에 따른 충전 전류량 변화에 있어서, 도 3과 같이 변화하는 경우, 그 미분값은 일차 함수식을 나타내고, 도 4와 같이 변화하는 경우에는 그 미분값이 이차 함수식을 나타내게 된다.

한편, 본 발명에 따른 이차전지의 충전방법에서, 급속 충전에 따른 충전 시간 감축이라는 효과를 발휘하기 위해서는, 충전 개시의 C-레이트 값은 2.0C 내지 10.0C 범위, 상세하게는 3.0C 내지 5.0C 의 값일 수 있다. 즉, 일반적인 충전 전류량보다 높은 충전 전류량으로 충전을 개시하여야 충전에 따라 점진적으로 감소시키는 경우에도 충분한 충전 시간 단축 효과를 볼 수 있다.

여기서, 상기 C-레이트(rate)는 커런트 레이트(Current rate)로, 전지의 충ㅇ방전시 다양한 사용 조건 하에서의 전류값 설정 및 전지의 가능 사용시간을 예측하거나 표기하기 위한 단위로서, 충·방전율에 따른 전류값의 산출은 충전 또는 방전전류를 전지 정격용량으로 나누어 충ㅇ방전 전류값을 산출한다. 씨-레이트의 단위는 C를 사용하며, 하기 식 2와 같이 정의될 수 있다.

C-레이트 (C-rate : C) = 충·방전 전류 / 전지의 정격용량 (2)

상기 충전 개시의 C-레이트 값의 설정은, 전지의 용량이나, 로딩(loading) 등 여러 가지 요인에 따라 결정될 수 있고, 상기 범위의 C-레이트 값은 2.5-100 Ah급 전지에서 보다 바람직하다.

상기 범위를 벗어나, 충전 개시 C-레이트 값이 지나치게 작을 경우, 종래 충전 방법과 별다른 차이 없이 충전시간이 길어지므로 바람직하지 않고, 지나치게 클 경우, 급격하게 전압이 증가하고, 저항이 커져 충전이 완료되기 전에 과전압에 도달하여, 충전량이 감소하고 전지의 퇴화를 가속화 할 수 있는 바, 바람직하지 않다.

다만, 동일한 C-레이트를 가지더라도, 고용량 전지에서는 전류량이 훨씬 늘어날 수 있고, 로딩(loading) 값이 높은 전지에서는 사이클 특성이 나빠질 수 있으므로, 상기와 같은 전지일수록 C-레이트를 낮게 설정할 수 있다.

이러한 충전 개시의 C-레이트 값이 설정되면, 상기에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따라 충전 전류량을 점진적으로 변화시켜 충전을 수행하게 되고, 이러한 충전의 종료 직전의 C-레이트 값은 상세하게는, 0.01C 내지 0.2C, 상세하게는, 0.05C 내지 0.1C일 수 있다.

한편, 이차전지의 충전 완료 시의 충전 전압은, 이차전지 제조에 사용되는 재료의 종류 등에 따라 적절히 결정될 수 있으며, 상세하게는, 활물질의 안정성을 위해 과전압에 도달하지 않는 범위에서 4.2V 내지 4.5V 범위 내일 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 이차전지의 충전방법에 의하여, 상기에서 설명한 바와 같이, 종래 충전 C-레이트를 계단식으로 감소시켜 충전을 수행하는 경우 발생할 수 있는 급격한 순간 전압 강하가 일어나지 않고, 상세하게는, 이차전지를 충전하는 전 충전 구간에서, 충전 전류량 변화에 따른 순간 전압 강하가 나타나지 않거나, 나타나더라도, 그 순간 전압 강하량은 0.01V 이하의 값을 가질 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 이차전지의 충전방법을 수행하는 충전 장치를 제공하고, 상세하게는,

전류를 인가하여 이차전지를 충전하는 장치에 있어서,

이차전지를 충전하기 위한 전류 공급부;

전류 공급에 따라 충전 중의 이차전지의 내부 전위 변화를 검출하는 전위 검출부;

상기 전위 검출부의 결과에 따라 충전 전류량을 조절하는 충전 제어부; 및

상기 충전 제어부에서의 충전 개시의 C-레이트 값 및 충전 종료 전압을 설정하는 설정부;

를 포함하고,

상기 충전 제어부는, 만충전을 기준으로 제 1 충전상태(State of Charge; SOC) 이전의 충전 구간에서는 하기 조건 (1)을 만족하도록, 만충전을 기준으로 제 1 충전상태 이후의 충전 구간에서는 전압을 일정하게 유지하는 정전압 조건(CV condition)으로, 충전 전류량을 조절하고, 제 1 충전상태 직전의 충전 전류량 변화에 대한 제 1 충전상태 직후의 충전 전류량 변화가 연속적인 변화 기울기를 나타내도록 설정하는 이차전지의 충전장치를 제공한다.

I_t = I_max × 10^(k·(V_max/V_t)-1) (1)

본 발명의 충전방법에 따르면, 상기에서 설명한 바와 같이 전지의 전위에 따라 충전 전류량을 결정하는 바, 전지의 내부 전위 레벨을 측정하는 전위 검출부가 필요하며, 이로부터 순간적인 전위의 변화를 측정할 수 있는 바, 이로부터 받은 정보를 바탕으로 상기 충전 제어부가, 제 1 충전상태 이전의 충전 구간에서 상기 조건 (1)를 만족하도록 충전 전류량을 점진적으로 변화시켜 충전을 행하는 역할을 수행할 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 이차전지의 충전방법 및 충전장치는 상세하게는 리튬 이차전지에 적용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 이차전지의 충전방법에 따르면, 만충전을 기준으로 제 1 충전상태(State of Charge; SOC) 이전의 충전 구간에서는 하기 조건 (1)을 만족하도록 충전 전류량을 점진적으로 감소시키고, 만충전을 기준으로 제 1 충전상태 이후의 충전 구간에서는 전압을 일정하게 유지하는 정전압 조건(CV condition)으로 충전 전류량을 감소시키며, 제 1 충전상태 직전의 충전 전류량 변화에 대한 제 1 충전상태 직후의 충전 전류량 변화가 연속적인 변화 기울기를 나타내도록 충전함으로써, 급격한 순간 전압 강하 없이 충전이 가능하게 하여 충전 시간을 단축시키면서도, 전지의 퇴화를 줄이고 수명 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 리튬 이차전지의 CC-CV 충전방법에 따른 충전 전류와 충전 전압의 관계를 나타낸 도면이다;
도 2는 실시예 1, 2, 및 비교예 1에 따른 이차전지의 충전방법에 따른 C-레이트와 충전 전압의 관계를 나타낸 도면이다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

<제조예>

양극 활물질인 LiCoO₂ (평균입경: 10㎛), 도전재(Bundle type CNT) 및 바인더(PVDF)를 97.5:0.5:2의 중량비로 N-메틸피롤리돈( NMP)에 첨가하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 알루미늄 호일 위에 도포하고 건조한 후 롤프레스로 압연하여 두께가 97㎛인 양극을 제조하였다.

음극 활물질인 천연흑연, 도전제(Denka black), 바인더(SB latex) 및 증점제(CMC)를 96:1:2:1의 중량비로 물에 녹여 슬러리를 제조하고, 이 슬러리를 구리 집전체에 도포하고 건조한 후 롤프레스로 압연하여 두께가 118㎛인 음극을 제조하였다.

상기 양극 및 음극 사이에 상기 분리막을 각각 삽입하고 권취, 압축하여 파우치형 전지케이스에 넣은 다음, 카보네이트계 전해액을 주입하여 리튬 이차 전지를 제조하였다.

<실시예 1~2, 비교예 1~4>

상기 제조예에서와 같이 동일한 성능으로 제작된 리튬 이차전지들을 하기 표 1 과 같은 조건으로 충전을 실시하였다. 여기서, 실시예 1, 2, 및 비교예 1에 따른 충전방법에 따른 C-레이트와 충전 전압의 관계를 도 2에 도시하였다.

30℃	충전 방법
실시예 1	최대 전류량(I_max, V_max) 3.6V에서 6C, 전류 감소 상수(k)를 1로 설정
실시예 2	최대 전류량(I_max, V_max) 3.6V에서 8C 전류 감소 상수(k)를 2로 설정
비교예 1	5C(3.0V~4.0V)-3C(4.3V)-2C(4.4V)/4.4V
비교예 2	(CC mode) 5C(3.0V~4.4V)
비교예 3	(CC-CV mode) 5C(3.0V~4.4V)/4.4V
비교예 4	(CC-CV mode) 0.8C(3.0V~4.4V)/4.4V

<실험예 1>

상기 표 1의 방법으로 충전을 수행하는 경우에 SOC 50에 도달할 때까지 걸리는 충전시간 및 충전 종료시의 충전량을 하기 표 2에 나타내었다.

	충전시간 (min)	충전량 (mAh)
실시예 1	5.0	650
실시예 2	4.6	650
비교예 1	6.0	650
비교예 2	6.0	360
비교예 3	6.0	650
비교예 4	37.5	650

상기 표 2의 실험예 1에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 따른 충전방법을 사용하는 경우, 충전시간을 단축하면서도 소망하는 전지의 충전량을 향상시킬 수 있다.

반면, 0.8C로 CC-CV로 충전을 진행하는 경우에는 충전에 너무 오랜 시간이 걸리고, 5C로 계속하여 충전한 비교예 2의 전지는 충전이 잘 이루어지지 않은 것을 확인할 수 있다.

<실험예 2>

상기 표 1와 같은 조건에서 충전하고, 0.7C CC 조건에서 방전하였으며, 충전, 방전 후 rest는 각각 10분을 준 것을 기준으로, 300 cycle을 반복하여 얻은 충방전 에너지를 비교하여 실시예 1~2, 및 비교예 1~4의 전지들의 잔존용량을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

25℃	300 사이클 후 잔존용량(%)
실시예 1	85.6
실시예 2	89.1
비교예 1	71.9
비교예 2	56.1
비교예 3	50.6
비교예 4	88.6

상기 표 3에서 볼 수 있듯이, 5C로 CC 충전을 진행한 비교예 2와, 5C로 CC-CV 충전을 진행한 비교예 3의 전지가 가장 잔존용량이 낮다.

더욱이, 비교예 1과 같이 계단식 충전을 진행하더라도 잔존용량에 있어서 만족할 만한 수치를 나타내지 못하고 수명 특성이 저하된다.

한편, 실시예 1과 실시예 2의 전지는 비교예들의 전지 잔존용량에 비해 저율 충방전 조건인 비교예 4와 대등한 정도의 높은 잔존용량을 나타내므로 수명 특성이 향상됨을 확인할 수 있다.

여기서, 상기 잔존용량은 초기 용량 대비 300 사이클 후의 용량을 백분율로 나타내어 평가하였다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims

이차전지를 충전하는 방법에 있어서,
만충전을 기준으로 제 1 충전상태(State of Charge; SOC) 이전의 충전 구간에서는 하기 조건 (1)을 만족하도록 충전 전류량을 점진적으로 감소시키고,
만충전을 기준으로 제 1 충전상태 이후의 충전 구간에서는 전압을 일정하게 유지하는 정전압 조건(CV condition)으로 충전 전류량을 감소시키며,
제 1 충전상태 직전의 충전 전류량 변화에 대한 제 1 충전상태 직후의 충전 전류량 변화는 연속적인 변화 기울기를 나타내는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전방법:
I_t = I_max × 10^(k·(V_max/V_t)-1) (1)
여기서, 상기 I_t는 시간(min)에 따라 인가하는 전류량으로 0C ≤ I_t≤ I_max, I_max는 설정된 최대 전류량으로 전지의 용량에 따라 1C ≤ I_max≤ 20C, V_max는 설정된 최대 전류(I_max)를 인가할 때의 전압값으로 2.5V ≤ V_max≤ 4.2V, V_t는 시간(min)에 따라 측정된 전압값으로 전지의 설계에 따라 0V < V_t ≤ 5.0V의 범위에서 작동전압의 상한과 하한이 결정되며, k는 시간(min)에 따른 전류 감소 상수로서 0.5 ≤ k≤ 3.0 만족한다.
제 1 항에 있어서, 상기 충전을 위한 충전 전류량은 충전에 따른 전위 레벨(level)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전방법.
제 1 항에 있어서, 상기 충전 전류량은 전위 레벨이 상승함에 따라 점진적으로 감소하는 것임을 특징으로 하는 이차전지의 충전방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 충전상태는, 만충전 상태를 기준으로 50% 내지 80%의 범위에서 선택되는 충전상태인 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전방법.
제 1 항에 있어서, 상기 충전 전류량 변화의 미분값이, 제 1 충전상태에서 연속적인 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전방법.
제 5 항에 있어서, 상기 충전 전류량 변화의 미분값이 일차 함수식 또는 이차 함수식을 나타내는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전방법
제 1 항에 있어서, 충전 개시의 C-레이트 값은 2.0C 내지 10.0C 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전방법.
제 1 항에 있어서, 충전 종료 직전의 C-레이트 값은 0.01C 내지 0.2C 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전방법.
제 1 항에 있어서, 상기 이차전지를 충전하는 전 충전 구간에서, 충전 전류량 변화에 따른 순간 전압 강하가 나타나지 않는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전방법.
제 1 항에 있어서, 상기 이차전지를 충전하는 전 충전 구간에서, 충전 전류량 변화에 따라 나타나는 순간 전압 강하량은 0.01V 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전방법.
전류를 인가하여 이차전지를 충전하는 장치에 있어서,
이차전지를 충전하기 위한 전류 공급부;
전류 공급에 따라 충전 중의 이차전지의 내부 전위 변화를 검출하는 전위 검출부;
상기 전위 검출부의 결과에 따라 충전 전류량을 조절하는 충전 제어부; 및
상기 충전 제어부에서의 충전 개시의 C-레이트 값 및 충전 종료 전압을 설정하는 설정부;
를 포함하고,
상기 충전 제어부는, 만충전을 기준으로 제 1 충전상태(State of Charge; SOC) 이전의 충전 구간에서는 하기 조건 (1)을 만족하도록, 만충전을 기준으로 제 1 충전상태 이후의 충전 구간에서는 전압을 일정하게 유지하는 정전압 조건(CV condition)으로, 충전 전류량을 조절하고, 제 1 충전상태 직전의 충전 전류량 변화에 대한 제 1 충전상태 직후의 충전 전류량 변화가 연속적인 변화 기울기를 나타내도록 설정하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전장치:
I_t = I_max × 10^(k·(V_max/V_t)-1) (1)
여기서, 상기 I_t는 시간(min)에 따라 인가하는 전류량으로 0C ≤ I_t≤ I_max, I_max는 설정된 최대 전류량으로 전지의 용량에 따라 1C ≤ I_max≤ 20C, V_max는 설정된 최대 전류(I_max)를 인가할 때의 전압값으로 2.5V ≤ V_max≤ 4.2V, V_t는 시간(min)에 따라 측정된 전압값으로 전지의 설계에 따라 0V < V_t ≤ 5.0V의 범위에서 작동전압의 상한과 하한이 결정되며, k는 시간(min)에 따른 전류 감소 상수로서 0.5 ≤ k≤ 3.0 만족한다.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전방법.