KR102091431B1 - 시험용 배터리 케이스 및 시험용 배터리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시험용 배터리 케이스를 제공함으로써 정확한 내부 단락 시험이 수행될 수 있다. 이런 시험용 배터리 케이스는: 시험용 배터리 케이스가 발전 요소를 수용하는 컨테이너, 및 컨테이너에 분리가능하게 고정되는, 커버 부재를 구비하고; 컨테이너는 내부 단락 시험을 위한 개구를 갖고, 상기 개구는 커버 부재로 덮이는 것을 특징으로 한다.

Description

시험용 배터리 케이스 및 시험용 배터리{TEST BATTERY CASE AND TEST BATTERY}
본 발명은 시험용 배터리 케이스 및 시험용 배터리에 관한 것이다.
최근에, 이차 전지에 있어 사고가 발생하고 있다. 특히, 리튬-이온 이차 전지에 있어 발화 및 발연 사고가 급속히 증가하고 있다.
리튬-이온 이차 전지에서, 고온 상태에서 손쉽게 불안정하게 되는 금속 산화물은 양극 재료에 사용되고, 전해액은 유기 용매를 포함한다. 따라서, 이러한 리튬-이온 이차 전지가 고온 상태로 존재할 때, 발화 및 발연 사고가 손쉽게 발생한다. 또한, 리튬-이온 이차 전지가 고온 상태로 존재하는 것에 대한 원인으로써, 충전 동안에 이런 배터리들 안에 석출된 금속 입자들로 인한 내부 단락이 언급되고 있다. 또한, 배터리의 제조 동안에 이물질의 혼입: 문제도 존재하고 있다. 배터리의 사용 동안에 이러한 이물질에 의해 야기되는 단락의 사고의 보고서들이 존재하고 있다.
이러한 발화 및 발연 사고를 방지하기 위하여, 일본 공업 규격(JIS)은 리튬-이온 이차 전지에 대한 안전성 시험을 규정한다(예를 들어, JIS C8714 및 JIS C 8715-2). 일본 공업 규격에 따른 이러한 안전성 시험으로써, 다양한 시험 예컨대 압쇄 시험, 외부 단락 시험, 및 강제 내부 단락 시험이 언급되고 있다.
이러한 강제 내부 단락 시험은 충전된 단일 배터리에서 밀봉 포트부(sealing port portion)을 신속하게 분해하고, 케이스로부터 전극체를 제거하며, 최외측부에서 세퍼레이터(separator)와 전극 사이에 시험용 금속 조각과 같은 소정의 형상을 갖는 니켈 소형 조각(small piece)을 배치하고, 그 후에 전극체를 다시 케이스 안으로 배치하고, 양극과 음극 사이에 단락을 유발하도록, 시험용 금속 조각이 배치되는 부분을 가압하며, 발화 또는 발연 발생 여부를 결정함으로써 규정된다.
대형 배터리에서, 배터리가 강성 재료로 이루어지는 케이스, 예컨대 금속 케이스를 가질 때, 배터리는 큰 전기 용량을 갖고, 만약 케이스가 분해되고 발전 요소가 충전 상태에서 제거된다면, 위험이 따른다. 따라서, 이러한 배터리가 분해되고 발전 요소가 제거되는 것은 비현실적이다. 따라서, 충전된 상태에서조차 배터리를 손쉽게 분해하기 위하여, 강제 내부 단락 시험은 대안적인 배터리 케이스로서 라미네이트 필름으로 이루어진 파우치(pouch)를 갖는 배터리를 준비함으로써 실시되고 있다.
특허 문헌 1 : 일본특허 공개 공보 2011-198744
하지만, 강성 재료로 이루어진 케이스를 갖는 배터리, 및 대안적인 배터리 케이스로서 라미네이트 필름으로 이루어진 파우치를 갖는 배터리는 배터리의 방열 특성, 전해액에 대한 활성 물질의 액량비(amount-of-liquid), 집전 구조 등에 대하여 실제 제품과 상이하고, 강제 내부 단락 시험의 신뢰도는 악화된다. 또한, 발전 요소의 양종단에 집전체들이 용접 등에 의해 견고하게 고정되는 구조를 갖는 배터리에서, 충전 이후에, 발전 요소를 제거하고 세퍼레이터를 해제함으로써, 시험용 금속 조각을 그 안에 도입하는 것이 실제적으로 불가능하다는: 문제점이 존재한다. 한편, JIS 규격은 다음과 같은 단서를 규정한다. 즉, 배터리 케이싱으로부터, 충전된 단일 배터리에서 전극체를 분리하는 것이 현저하게 어려울 때, 제조자는 미리 방전 상태에서 또는 배터리의 가공 동안에 단일 배터리 안으로 시험용 금속 조각을 삽입할 수 있고 이어서 충전을 실시할 수 있다. 하지만, 단지 배터리에 시험용 금속 조각을 배치하는 방법은: 만약 시험용 금속 조각이 미리 가공 동안에 그 안에 위치된다면, 시험용 금속 조각은 이동될 수 있음으로써, 시험용 금속 조각의 위치를 불분명하게 만들고; 시험용 금속 조각은 가공 공정 동안에 발전 요소를 손상시킬 수 있다는 문제점을 야기한다. 이는 정확한 시험을 실시하는 것을 현저하게 어렵게 만든다. 또한, 내부 단락은 충전된 단일 배터리에서 세퍼레이터를 빼내고, 니켈 소형 조각을 위치시키며, 다시 케이스 안으로 배치시키기 위한 작업 동안에 발생한다는 것이 예상된다. 따라서, 준비 작업은 위험을 포함하고 있고, 작업을 주의깊게 수행해야 하는 필요가 존재하고 있다.
또한, 블런트 네일 시험 및 구리 못 등을 이용한 내부 단락 시험에서, 강성 재료로 이루어진 케이스를 갖는 배터리와 함께, 못이 케이스를 관통할 수 없기 때문에 이런 시험들을 실시하는 것이 때때로 불가능하다.
본 발명은 이러한 정황을 감안하여 이루어지고 있고, 내부 단락 시험의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 시험용 배터리 케이스 및 시험용 배터리를 제공한다.
본 발명은 발전 요소를 수용하는 컨테이너, 및 컨테이너에 분리가능하게 고정되는 폐쇄 부재를 포함하는 시험용 배터리 케이스를 제공하고, 컨테이너가 내부 단락 시험을 위한 개구를 갖고, 개구가 폐쇄 부재에 의해 폐쇄된다.
본 발명에 따라, 시험용 배터리 케이스는 발전 요소를 수용하는 컨테이너, 및 컨테이너에 분리가능하게 고정되는 폐쇄 부재를 포함하며, 컨테이너는 내부 단락 시험을 위한 개구를 갖고, 개구는 폐쇄 부재에 의해 폐쇄된다. 따라서, 컨테이너로부터 폐쇄 부재를 분리함으로써, 폐쇄 부재에 의해 폐쇄된 상태로부터, 개방된 상태로, 내부 단락 시험을 위한 개구를 변경하는 것이 가능하다. 이런 배터리 케이스를 이용하여 배터리를 생성함으로써, 배터리는 개구가 폐쇄 부재에 의해 폐쇄되는 상태에서 충전되고, 그 후에, 폐쇄 부재는 개구가 개방되는 상태로 상태를 변경하도록 분리되어, 내부 단락 시험은 개구를 이용하여 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 시험용 배터리 케이스를 이용함으로써, 제조되고 판매될 배터리의 상태와 실질적으로 동등한 상태에서 배터리에 대하여, 내부 단락 시험을 실시하는 것이 가능하다. 이는 시험이 더 높은 정확도로 실시되는 것을 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 구체예에 따른 시험용 배터리의 구조를 도시하는 개략 평면도이다.
도 2는 본 발명의 구체예에 따른 시험용 배터리의 구조를 도시하는 개략 측면도이다.
도 3은 도 1에서 점선 A-A을 따라 취해진, 시험용 배터리의 개략 단면도이다.
도 4는 도 2에서 점선 B-B을 따라 취해진, 시험용 배터리의 개략 단면도이다.
도 5는 본 발명의 구체예에 따른 시험용 배터리의 개략 단면도이다.
도 6은 본 발명의 구체예에 따른 강제 내부 단락 시험용 배터리에 포함되는 발전 요소의 설명도이다.
도 7(a)는 본 발명의 구체예에 따른 시험용 배터리에 포함되는 양극의 개략 평면도이고, 도 7(b)는 도 7(a)에서 점선 C-C을 따라 취해진, 양극의 개략 단면도이다.
도 8(a)는 본 발명의 구체예에 따른 시험용 배터리에 포함되는 음극의 개략 평면도이고, 도 8(b)는 도 8(a)에서 점선 D-D을 따라 취해진, 음극의 개략 단면도이다.
도 9는 본 발명의 구체예에 따른 시험용 배터리를 이용한 강제 내부 단락 시험의 설명도이다.
도 10은 본 발명의 구체예에 따른 시험용 배터리를 이용한 강제 내부 단락 시험의 설명도이다.
도 11은 본 발명의 구체예에 따른 시험용 배터리를 이용한 블런트 네일 시험의 설명도이다.
도 12는 본 발명의 구체예에 따른 시험용 배터리를 이용한 블런트 네일 시험의 설명도이다.
본 발명에 따른 시험용 배터리 케이스는 발전 요소를 수용하는 컨테이너, 및 컨테이너에 분리가능하게 고정되는 폐쇄 부재를 포함하며, 컨테이너는 내부 단락 시험을 위한 개구를 갖고, 개구는 폐쇄 부재에 의해 폐쇄된다.
본 발명에서, 내부 단락 시험은 강제 내부 단락 시험, 블런트 네일 시험(blunt nail test), 못 고착 시험(nail sticking test) 등을 포함한다.
본 발명에 따른 시험용 배터리 케이스는 바람직하게는 폐쇄 부재와 함께 컨테이너에 고정되는 밀봉 부재를 포함하고, 밀봉 부재는 바람직하게는 컨테이너와 폐쇄 부재 사이의 갭(gap)을 밀봉한다.
이런 구조로, 전해액이 컨테이너에서 내부 단락 시험을 위한 개구를 통해 누설되는 것을 방지할 수 있는, 밀봉 부재에 의해 시험용 배터리 케이스를 밀봉하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 시험용 배터리 케이스에서, 컨테이너는 바람직하게는 강성 재료로 이루어진다.
이런 구조로, 강성 재료로 이루어지는 컨테이너를 갖는 배터리에 대하여, 정확한 내부 단락 시험을 실시하는 것이 가능하다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 시험용 배터리 케이스, 발전 요소, 및 리튬 염을 함유하는 비수성 전해질을 포함하는 시험용 배터리를 제공한다. 발전 요소는 음극, 양극, 및 음극과 양극 사이에 개재된 세퍼레이터(separator)를 포함하고, 시험용 배터리는 발전 요소 및 유기 전해액을 수용한다.
본 발명에 따른 시험용 배터리로, 배터리는 내부 단락 시험을 위한 개구가 폐쇄 부재에 의해 폐쇄되는 상태에서 충전될 수 있고, 그 후에, 폐쇄 부재는 개구가 개방되는 상태로 상태를 변경하도록 분리되어, 내부 단락 시험은 개구를 이용하여 실시될 수 있다. 따라서, 제조되고 판매될 배터리의 상태와 실질적으로 동등한 상태에서 시험용 배터리로, 내부 단락 시험을 실시하는 것이 가능하다. 이는 시험이 더 높은 정확도로 실시되는 것을 가능하게 한다. 또한, 제조되고 판매될 배터리에서 구성요소들과 동일한 구성요소들이 본 발명에 따른 시험용 배터리의 구성요소의 대부분으로서 사용될 수 있기에, 내부 단락 시험의 비용은 감소될 수 있다.
본 발명에 따른 시험용 배터리는 금속 예컨대 니켈로 이루어진 시험용 금속 조각을 포함한다. 시험용 금속 조각은 바람직하게는 발전 요소에서, 케이스 개구에 더 근접한 최외측 위치의 세퍼레이터와, 케이스 개구에 더 근접한 최외측 위치에 위치된 전극 사이에 배치된다.
이런 구조로, 폐쇄 부재가 시험용 배터리로부터 분리되고 강제 내부 단락 시험을 위한 개구가 개방된 상태로 존재할 때, 단락 시험용 가압 지그로 개구를 통해, 시험용 금속 조각이 배치되는 발전 요소의 부분을 가압하는 것이 가능하다. 따라서, 양극과 음극 사이의 단락은 강제로 유발될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 시험용 배터리는 탄성 부재를 포함하고, 탄성 부재는 시험용 금속 조각과 폐쇄 부재 사이에 배치된다. 또한, 제 1 탄성 부재는 바람직하게는 케이스에서 강제 내부 단락 시험을 위한 개구의 두께보다 큰 두께, 즉, 개구를 구비한 케이스의 표면에서 케이스의 판 두께보다 큰 두께를 갖는다.
이런 구조로, 탄성 부재는 시험용 금속 조각의 배치에 의해 야기된 발전 요소의 팽창을, 적절한 힘으로, 덮고 억제할 수 있다. 이는 액체 주입 동안에 액체 유동, 제조 공정 동안에 진동 등에 의해 야기된 발전 요소 내에 배치되는 시험용 금속 조각의 위치의 이동을 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 시험용 배터리는 바람직하게는 시험용 금속 조각을 구비한 표면으로부터 반대편에 있는 발전 요소의 표면과 배터리 케이스 사이에 개재되도록 배치되는 클리어런스 조정 부재(clearance adjustment member)를 포함한다. 클리어런스 조정 부재는 탄성 부재를 향하여 발전 요소를 가압할 수 있어, 발전 요소는 탄성 부재에 의해 더 견고하게 가압될 수 있음으로써, 발전 요소가 액체 주입 동안에 액체 유동, 제조 공정 동안에 진동 등으로 인해 배터리 내에서 이동하는 것을 방지한다.
또한, 발전 요소는 클리어런스 조정 부재에 의해 개구를 향하여 가압될 수 있다. 따라서, 발전 요소가 강제 내부 단락 시험 동안에 단락 시험용 가압 지그에 의해 가압될 때, 장치에서 가압 거리의 한도로 인한 불충분한 가압을 방지할 수 있는, 단락 시험용 가압 지그의 스트로크(stroke)가 단축된다. 따라서, 지그로부터의 가압력은 시험용 금속 조각으로 확실히 전달됨으로써, 시험용 금속 조각이 세퍼레이터 및 전극을 통해 관통하는 것을 야기한다. 이는 강제 내부 단락 시험이 더 높은 정확도로 실시되는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 시험용 배터리는 바람직하게는 양극 접속 단자 및 음극 접속 단자를 포함하며, 양극은 바람직하게는 양극 접속 단자에 전기적으로 접속되고, 음극은 바람직하게는 음극 접속 단자에 전기적으로 접속된다.
이런 구조로, 양극 접속 단자 및 음극 접속 단자를 통해 충전 및 방전을 실시하는 것이 가능하고, 배터리 반응이 양극 및 음극에서 진행하도록 허용된다.
본 발명에 따른 시험용 배터리에서, 양극은 리튬을 함유하는 금속 산화물, 올리빈형 화합물 및 전기적 전도성 폴리머와 같은, 리튬 이온의 추출/삽입을 가능하게 하는 활성 물질을 포함하는 양극 활성 물질층을 포함하고, 음극은 탄소, Si 화합물, Sn 화합물과 같은, 리튬 이온의 추출/삽입을 가능하게 하는 활성 물질을 포함하는 음극 활성 물질층을 포함하며, 유기 전해액은 리튬 염 용질을 유기 용매로 용해시킴으로써 조제되는 용액이다. 게다가, 전해액 및 전극은 다양한 첨가제를 포함할 수 있다.
이런 구조로, 시험용 배터리에서 용액 및 활성 물질의 다양한 조합을 형성하는 것이 가능하고, 손쉽게 발화 및 발연을 야기하는 용액 및 활성 물질에 대하여 시험을 손쉽고 안전하게 실시하는 것이 가능하다.
이하에서, 본 발명의 구체예는 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 및 다음의 설명에서 도시되는 구조는 단지 예시적이며, 본 발명의 범위는 도면 및 다음의 설명에서 도시되는 것에 한정되지 않는다.
시험용 배터리 케이스 및 시험용 배터리의 구조
도 1은 본 구체예에 따른 시험용 배터리의 구조를 도시하는 개략 평면도이고, 도 2는 본 구체예에 따른 시험용 배터리의 구조를 도시하는 개략 측면도이다. 또한, 도 3은 도 1에서 점선 A-A을 따라 취해진, 시험용 배터리의 개략 단면도이고, 도 4는 도 2에서 점선 B-B을 따라 취해진, 시험용 배터리의 개략 단면도이다. 또한, 도 5는 도 2에서 점선 B-B를 따라 취해진 시험용 배터리의 개략 단면도에 상응하는, 본 구체예에 따른 시험용 배터리의 개략 단면도이다. 또한, 도 6은 본 구체예에 따른 시험용 배터리에 포함되는 발전 요소의 설명도이다. 도 7(a)는 본 구체예에 따른 시험용 배터리에 포함되는 양극의 개략 평면도이고, 도 7(b)는 도 7(a)에서 점선 C-C을 따라 취해진, 양극의 개략 단면도이다. 도 8(a)는 본 구체예에 따른 시험용 배터리에 포함되는 음극의 개략 평면도이고, 도 8(b)는 도 8(a)에서 점선 D-D을 따라 취해진, 음극의 개략 단면도이다.
본 구체예에서, 시험용 배터리 케이스(17)는 발전 요소(12)를 수용하는 컨테이너(1), 및 컨테이너(1)에 분리가능하게 고정되는 폐쇄 부재(13)를 포함하며, 컨테이너(1)는 강제 내부 단락 시험을 위한 개구(15)를 갖고, 개구(15)는 폐쇄 부재(13)에 의해 폐쇄된다.
본 구체예에서, 시험용 배터리(20)는 본 구체예에 따른 시험용 배터리 케이스(17), 발전 요소(12), 및 유기 전해액(16)을 포함한다. 발전 요소(12)는 음극, 양극, 및 음극과 양극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하고, 배터리 케이스(17)는 발전 요소 및 유기 전해액을 수용한다.
이하에서, 본 구체예에 따른 시험용 배터리 케이스(17) 및 시험용 배터리(20)가 서술될 것이다.
1. 시험용 배터리 케이스
본 구체예에 따른 시험용 배터리 케이스(17)는 발전 요소(12)를 수용하는 컨테이너(1), 및 컨테이너(1)에 분리가능하게 고정되는 폐쇄 부재(13)를 포함한다. 또한, 시험용 배터리 케이스(17)는 뚜껑 부재(2) 및 밀봉 부재(14)를 포함할 수도 있다.
컨테이너(1)는 내부에 발전 요소(12), 양극 접속 단자(3), 음극 접속 단자(4), 및 비수성 전해질(16)을 수용할 수 있고, 컨테이너(1)는 뚜껑 부재(2)에 접합될 수 있다.
컨테이너(1)의 재료는 컨테이너(1)가 발전 요소(12), 양극 접속 단자(3), 음극 접속 단자(4) 및 유기 전해액(16)을 수용할 때조차 크게 변형되지 않는 재료이기만 하면 특별하게 한정되지 않고, 예를 들어, 금속 재료, 예컨대 알루미늄, 알루미늄 합금, 철, 철 합금, 또는 스테인리스 스틸 예컨대 니켈, 주석, 크롬, 아연 등으로 도금된 금속 재료, 또는 강성 플라스틱이다.
컨테이너(1)는 직사각형 형상 또는 실린더형 형상을 가질 수 있다.
컨테이너(1)의 재료는 바람직하게는 강성 재료 예컨대 상기에 언급된 금속 재료로 이루어진다. 따라서, 본 구체예에 따른 시험용 배터리 케이스(17)에 포함된 내부 단락 시험을 위한 개구(15)를 효율적으로 이용하는 것이 가능하다.
컨테이너(1)는 발전 요소(12)를 컨테이너(1) 안으로 삽입하기 위한 개구를 갖는다. 또한, 이런 개구는 뚜껑 부재(2)에 의해 폐쇄된다. 따라서, 발전 요소(12)는 컨테이너(1) 내부에 수용될 수 있다.
컨테이너(1)는 내부 단락 시험을 위한 개구(15)를 갖는다. 개구(15)는 이후에 서술될 내부 단락 시험에 사용된다. 개구(15)가 제공되는 위치는 내부 단락 시험에 사용될 수 있는 위치이기만 하면 특별하게 한정되지 않는다. 위치는 시험용 금속 조각(18), 양극(21), 세퍼레이터(24) 및 음극(22)이 개구(15)를 통해 컨테이너(1) 안으로 단락 시험용 가압 지그를 삽입함으로써, 컨테이너(1)와 단락 시험용 가압 지그 사이에 개재될 수 있는 위치로 설정될 수 있다. 또한, 개구(15)가 제공되는 위치는 양극(21), 세퍼레이터(24) 및 음극(22)이 컨테이너(1)와 시험용 못 사이에 개재될 수 있는 위치, 또는 시험용 못이 개구(15)를 통해 컨테이너(1) 안으로 시험용 못을 삽입함으로써, 양극(21), 세퍼레이터(24) 및 음극(22)을 통해 관통하는 위치로 설정될 수 있다.
또한, 개구(15)는 폐쇄 부재(13)에 의해 폐쇄된다.
개구는 다양한 형상들, 예컨대 원형 형상, 직사각형 형상, 다각형 형상 등을 가질 수 있다. 또한, 개구는 개구의 내부를 향하여 외부측으로부터 테이퍼진 형상, 예컨대 막자사발 형상을 가질 수 있다. 개구는 바람직하게는 내부 단락 시험용 지그의 크기 이상의 크기를 갖는다.
폐쇄 부재(13)는 컨테이너(1)에 분리가능하게 고정되어 개구(15)를 폐쇄한다. 폐쇄 부재(13)가 개구(15)를 폐쇄하기에, 유기 전해액(16)은 개구(15)를 통해 누설되는 것이 방지되고, 배터리는 밀봉될 수 있다. 시험용 배터리 케이스(17)를 이용하여 시험용 배터리(20)를 가공함으로써, 시험용 배터리(20)의 충전 및 방전을 실시하는 것이 가능하다.
폐쇄 부재(13)는 본딩(bonding), 코킹(caulking), 피팅(fitting), 용접에 의해 컨테이너(1)에 직접 고정될 수 있거나, 밀봉 부재(접합 부재)(14)를 제공함으로써 컨테이너(1)에 고정될 수 있거나, 또는 스크류 구조물에 의해 고정될 수 있다.
폐쇄 부재(13)는 폐쇄 부재(13)가 배터리의 정상적인 충전/방전에 의해 개방되지 않는 정도로 개방 강도를 갖도록만 요구된다. 폐쇄 부재(13)는 바람직하게는 배터리에 제공된 안전 밸브의 개방 강도와 일반적으로 동등한 개방 강도를 갖는다.
폐쇄 부재(13)가 개구(15)를 폐쇄하고 밀봉하기 위하여 본딩, 부착(adhering), 코킹, 피팅, 용접 등에 의해 컨테이너(1)에 직접 고정될 때, 폐쇄 부재(13)의 재료는 예를 들어, 일반적으로 배터리 케이스로서 사용될 수 있는 금속, 예컨대 알루미늄 및 스테인리스 스틸, 일반적으로 사용될 수 있는 수지(resin), 예컨대 실리콘, 폴리올레핀, 플루오르카본 수지 또는 폴리에스테르, 또는 금속 및 수지의 라미네이트일 수 있다.
폐쇄 부재(13)는 필름 형상, 시트 형상, 호일 형상, 또는 박판 형상을 가질 수 있고, 폐쇄 부재(13)는 바람직하게는 유연성을 갖는다. 폐쇄 부재(13)는 컨테이너에서 개구(15)를 폐쇄하도록만 요구되고, 개구(15)의 크기 이상의 크기를 가질 수 있다. 폐쇄 부재(13)가 필름 형상 또는 시트 형상을 가질 때, 폐쇄 부재(13)는 개구(15)가 제공되는 컨테이너의 전체 표면을 덮도록 고정될 수 있다. 또한, 폐쇄 부재(13)는 폐쇄 부재(13)를 당기는 것을 더 손쉽게 만드는 탭(tab) 또는 핸들(handle), 예컨대 풀탭(pull tab)을 구비할 수 있다. 이런 구조로, 폐쇄 부재(13)는 손쉽게 벗겨질 수 있음으로써, 작업성을 향상시킨다.
폐쇄 부재(13)가 코킹 또는 피팅에 의해 개구(15)에 부착될 때, 개구(15) 및 폐쇄 부재(13)는 코킹 또는 피팅에 가해질 수 있는 형상들로 미리 처리될 수 있다.
폐쇄 부재(13)가 본딩 또는 부착에 의해 개구(15)에 부착될 때, 폐쇄 부재(13)는 접착제, 열 접착 재료, 땜납, 경납 재료 등을 이용함으로써 부착될 수 있다.
폐쇄 부재(13)가 용접에 의해 개구(15)에 부착될 때, 폐쇄 부재(13)는 다양한 용접 방법, 예컨대 저항 용접, 레이저 용접, 및 초음파 용접에 의해 부착될 수 있다.
또한, 개구(15) 및 폐쇄 부재(13)는 풀탭을 갖는 음료캔에서와 같이, 프레싱 등에 의해 컨테이너의 부분에 균열 그루브(fracture groove)를 형성함으로써, 또는 컨테이너의 부분에 탭을 부착시킴으로써, 벗겨질 수 있는 구조를 가질 수 있다.
폐쇄 부재(13)는 또한 밀봉 부재(접합 부재)(14)를 제공함으로써 컨테이너(1)에 고정될 수 있다. 밀봉 부재(14)는 컨테이너와 폐쇄 부재(13) 사이의 갭을 폐쇄할 수 있는 어떠한 부재, 예컨대 개스킷(gasket) 또는 패킹(packing)일 수 있다. 밀봉 부재(14)의 재료는 바람직하게는 기밀성을 갖도록 요구되기에 유연성을 갖는 재료이다. 또한, 유기 용액이 전해액으로서 사용되기에, 밀봉 부재(14)의 재료는 바람직하게는 전해액에 대하여 저항성을 갖는다. 밀봉 부재(14)에서, 일반적으로 배터리에 사용될 수 있는 수지, 예컨대 실리콘, 폴리올레핀, 플루오르카본 수지 및 폴리에스테르가, 사용될 수 있다.
밀봉 부재(14)가 사용될 때, 폐쇄 부재(13)는 액체 및 기체가 통과하는 것을 방지할 수 있는 어떠한 부재일 수 있고, 바람직하게는 수지 또는 금속으로 이루어지는 판 또는 플러그(plug)와 같은 구조를 갖는다.
예를 들어, 폐쇄 부재(13)는 도 4와 도 5에서와 같이 개구(15)를 폐쇄하도록 밀봉 부재(14)에 의해 컨테이너(1)에 고정될 수 있다. 또한, 폐쇄 부재(13)에 제공된 밀봉 부재(14)는 개구(15)를 폐쇄할수 있거나, 또는 폐쇄 부재(13) 및 밀봉 부재는 상호 간에 상호작용하여 개구(15)를 폐쇄할 수 있다. 또한, 폐쇄 부재는 폐쇄 부재(13)를 당기는 것을 보다 손쉽게 만들기 위한 탭 또는 핸들을 구비할 수 있다.
폐쇄 부재(13)가 컨테이너(1)로부터 분리될 때, 폐쇄 부재(13)만이 폐쇄 부재(13) 상에 힘을 가함으로써 분리될 수 있거나, 폐쇄 부재(13) 및 밀봉 부재는 동시에 분리될 수 있거나, 또는 폐쇄 부재(13)는 밀봉 부재(14)를 제거함으로써 분리될 수 있다. 또한, 폐쇄 부재(13)는 슬라이딩 구조 등을 갖도록 이루어질 수 있다.
폐쇄 부재(13)가 스크류 구조물에 의해 컨테이너(1)에 장착될 때, 개구(15) 및 폐쇄 부재(13)는 수나사 형상 및 암나사 형상으로 미리 처리될 수 있다. 스크류들에 의해 체결할 때, 밀봉 부재(14)는 또한 스크류와 상호작용하여 이용될 수 있다.
뚜껑 부재(2)는 컨테이너(1) 안에 발전 요소(12)를 삽입하는 데에 사용되는 개구(15)를 폐쇄한다. 또한, 컨테이너(1) 및 뚜껑 부재(2)는, 예를 들어, 컨테이너(1)를 밀봉하도록, 레이저 용접, 저항 용접, 초음파 용접, 접착제 등에 의해 상호 간에 접합된다.
또한, 양극 접속 단자(3) 및 음극 접속 단자(4)는 뚜껑 부재(2)에 고정될 수 있고, 양극(21)은 양극 접속 단자(3)에 고정될 수 있으며, 음극(22)은 음극 접속 단자(4)에 고정될 수 있다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 발전 요소(12)는 양극 접속 단자(3) 및 음극 접속 단자(4)에 고정될 수 있고, 발전 요소(12), 양극 접속 단자(3) 및 음극 접속 단자(4)는 컨테이너(1) 내에 수용될 수 있어 컨테이너(1) 안에 발전 요소(12)를 삽입하기 위한 개구는 뚜껑 부재(2)에 의해 폐쇄될 수 있다.
또한, 외부 접속 단자들(8a, 8b)은 뚜껑 부재(2)에 고정될 수 있고, 양극 접속 단자(3)는 외부 접속 단자(8a)에 전기적으로 접속될 수 있으며, 음극 접속 단자(4)는 외부 접속 단자(8b)에 전기적으로 접속될 수 있다. 따라서, 시험용 배터리(20)는 외부 접속 단자들(8a, 8b)를 통해 충전 및 방전될 수 있다.
2. 시험용 배터리
시험용 배터리(20)는 시험용 배터리 케이스(17), 발전 요소(12), 및 유기 전해액(16)을 포함하고, 발전 요소(12)는 음극(22), 양극(21), 및 음극(22)과 양극(21) 사이에 개재된 세퍼레이터(24)를 포함하며, 시험용 배터리 케이스(17)는 발전 요소(12)와 유기 전해액(16)을 수용한다. 시험용 배터리(20)는 내부 단락 시험에 사용될 수 있는 배터리이기만 하면 특별하게 한정되지 않는다. 예를 들어, 시험용 배터리(20)는 리튬-이온 이차 전지일 수 있다.
또한, 시험용 배터리(20)는 시험용 금속 조각(18), 탄성 부재(31), 및 클리어런스 조정 부재(32)를 포함할 수도 있다.
발전 요소(12)는 시험용 배터리 케이스(17) 내에서 충전된 유기 전해액(16)과 상호작용하여 배터리 반응을 수행한다. 이러한 배터리 반응으로, 시험용 배터리(20)의 충전 및 방전을 실시하는 것이 가능하다. 발전 요소(12)는 세퍼레이터(24), 및 그 사이의 세퍼레이터(24)와 배치되는 양극(21) 및 음극(22)을 포함한다. 도 4 내지 도 6에서 도시된 바와 같이, 발전 요소(12)는 아코디언 방식으로 접히는 세퍼레이터(24), 및 세퍼레이터(24)에서 그루브들 각각을 통해 배치되고 그 사이의 세퍼레이터(24)와 교대로 배치되는 양극(21) 및 음극(22)을 포함한다. 비록 상기에 언급된 구조가 여기서 서술되고 있더라도, 일반적으로 사용되는 세퍼레이터(24), 및 그 사이의 세퍼레이터(24)와 배치되는 양극(21) 및 음극(22)이 권선된 권선형 구조, 또는 그 사이의 세퍼레이터(24)와 배치되는 양극(21) 및 음극(22)이 상호 간에 라미네이팅되는(laminated) 라미네이팅-레이어형 구조(laminated-layer type structure)를 채택하는 것이 또한 가능하다.
시험용 배터리(20)가 블런트 네일 시험(blunt nail test) 또는 못 고착 시험(nail sticking test)에 사용될 때, 도 4에서와 같이, 시험용 배터리 케이스(17)에 내부 단락을 위한 부재를 병합할 필요가 전혀 존재하지 않는다.
시험용 배터리(20)가 강제 내부 단락 시험에 사용될 때, 강제 내부 단락 시험을 위한 금속 조각(18)은 발전 요소(12) 내에 배치될 수 있다. 도 5와 도 6에서와 같이, 시험용 금속 조각(18)은 최외부측에서의 양극(21) 또는 음극(22)과 이의 외부측 상의 세퍼레이터(24) 사이에 배치될 수 있다. 시험용 금속 조각(18)이 제공되는 부분에서 외부로부터 발전 요소(12)를 가압함으로써, 시험용 금속 조각(18)이 세퍼레이터(24)를 통해 관통하는 것을 야기하는 것이 가능함으로써, 양극(21)과 음극(22) 사이의 단락을 강제로 유발한다.
시험용 금속 조각(18)의 재료는 강제 내부 단락 시험에 사용될 수 있기만 하면 특별하게 한정되지 않는다. 예를 들어, 시험용 금속 조각(18)의 재료는 금속 니켈일 수 있다.
또한, 시험용 금속 조각(18)은 컨테이너(1)에서 강제 내부 단락 시험을 위한 개구(15) 또는 폐쇄 부재(13)와 양극(21) 또는 음극(22) 사이에 배치될 수 있다. 이는 시험용 금속 조각(18)이 제공되는 발전 요소(12)의 부분의 가압을 가능하게 함으로써, 개구(15)를 통해 컨테이너(1) 안으로 단락 시험용 가압 지그를 삽입함으로써, 시험용 금속 조각(18)에 의해 양극(21)과 음극(22) 사이에 단락을 야기한다.
시험용 금속 조각(18)은 시험용 배터리(20)가 충전된 이후에 시험용 배터리( 20)를 개방함으로써 발전 요소(12) 안으로 삽입될 수 있다는 것을 주목한다. 또한, 시험용 금속 조각(18)은 시험용 배터리(20)의 가공 동안에 발전 요소(12) 내에 배치될 수 있다.
시험용 배터리(20)는 또한 시험용 금속 조각(18)과 폐쇄 부재(13) 사이에 배치되는 탄성 부재(31)를 포함할 수 있다. 탄성 부재(31)를 제공함으로써, 탄성 부재(31)는 발전 요소(12)와 폐쇄 부재(13) 사이에 개재된다. 또한, 시험용 금속 조각(18)이 제조 동안에 발전 요소(12) 내에 배치될 때, 탄성 부재(31)는 시험용 금속 조각(18)의 배치에 의해 야기된 발전 요소(12)의 팽창을, 적절한 힘으로, 덮고 억제할 수 있다. 이는 액체 주입, 제조 공정 동안에 진동 등에 의해 야기된 발전 요소 내에 배치되는 시험용 금속 조각(18)의 위치의 이동을 억제할 수 있다. 따라서, 강제 내부 단락 시험은 정확하게 실시될 수 있고, 또한, 시험용 금속 조각(18)의 위치의 이동에 의해 야기된 양극(21) 및 음극(22)의 손상은 억제될 수 있다. 예를 들어, 탄성 부재(31)는 도 5에서와 같이 제공될 수 있다.
탄성 부재(31)는 바람직하게는 개구(15)의 크기 이하의 크기를 갖는다. 따라서, 탄성 부재(31)는 개구(15)를 통해 제거될 수 있고, 또한, 발전 요소(12)는 강제 내부 단락 시험 동안에, 단락 시험용 가압 지그로 견고하게 가압될 수 있다. 또한, 탄성 부재(31)의 크기는 바람직하게는 개구(15)의 면적의 80%이상이다. 탄성 부재(31)의 크기가 개구(15)의 면적의 80%이상일 때, 탄성 부재(31)가 개구(15) 내에서 다소 이동되더라도 시험용 금속 조각(18)을 탄성 부재(31)로 가압하는 것이 가능하다.
탄성 부재(31)는 바람직하게는 케이스(17)에서 강제 내부 단락 시험을 위한 개구(15)의 두께보다 큰 두께, 즉 개구(15)가 제공되는 케이스(17)의 표면에서 케이스(17)의 판 두께보다 큰 두께를 갖는다.
탄성 부재(31)가 케이스(17)의 판 두께보다 큰 두께를 가질 때, 탄성 부재(31)는 확실하게 시험용 금속 조각(18)을 덮을 수 있고, 이에 따라, 시험용 금속 조각(18)의 이동을 억제할 수 있다.
탄성 부재(31)는 탄성 재료로 이루어지고, 바람직하게는 유기 전해액에 대한 저항성을 갖는 재료로 이루어진다.
탄성 부재(31)는 바람직하게는 20 내지 90 ㎪(압축 응력 25 %)의 강도를 갖는다. 탄성 부재(31)의 강도가 이런 범위에 포함될 때, 탄성 부재(31)는 전극을 손상시키지 않고 시험용 금속 조각(18)을 가압할 수 있다. 탄성 부재(31)는 바람직하게는 0.8 내지 5㎜의 두께를 갖는다. 두께가 이런 범위에 포함될 때, 두께가 너무 클 때 발전 요소(12)에 의해 가압되고 파쇄되는 초과 두께를 감소시키고, 과도한 힘이 시험용 금속 조각(18)에 가해지는 것을 방지하도록, 탄성 부재(31)는 시험용 금속 조각(18)의 돌출부를 효율적으로 가압할 수 있다.
탄성 부재(31)의 재료는 특별하게 한정되지 않으나, 폴리올레핀, 우레탄, 실리콘 러버, EPDM 러버, 플루오르러버 등으로 이루어지는 스펀지, 또는 실리콘 러버, EPDM, 플루오르러버일 수 있다.
시험용 배터리(20)는 바람직하게는 배터리 케이스(17)와 발전 요소(12) 사이에 배치되는 클리어런스 조정 부재(32)를 포함한다. 클리어런스 조정 부재(32)는 발전 요소(12)를 탄성 부재(31)를 향하여 가압할 수 있고, 발전 요소(12)가 탄성 부재(31)에 의해 더 견고하게 홀딩되는 것을 야기할 수 있음으로써, 발전 요소(12)는 액체 주입 동안에 액체 유동 및 제조 공정 동안에 진동으로 인해 배터리 내에서 이동하는 것이 방지될 수 있다. 또한, 클리어런스 조정 부재(32)는 개구 및 발전 요소(12)를 가로지르는 반대측에 위치된 클리어런스를 충진할 수 있다. 따라서, 단락 시험용 가압 지그에 의해 가압하자마자, 기능 불량, 예컨대 시험용 장치로부터 시험용 금속 조각(18)으로 가압력의 전달의 실패를 방지할 수 있는, 지그에 의한 가압의 스트로크가 감소될 수 있다. 즉, 힘은 시험용 금속 조각(18)이 세퍼레이터(24) 및 전극들(21, 22)를 통해 관통하는 것을 야기하도록 시험용 금속 조각(18)에 확실하게 전달됨으로써, 강제 내부 단락 시험은 더 높은 정확도로 실시될 수 있다. 예를 들어, 클리어런스 조정 부재(32)는 도 5에서와 같이 제공될 수 있다.
클리어런스 조정 부재(32)는 바람직하게는 개구(15)를 마주하는 위치에 배치된다. 만약 클리어런스 조정 부재(32)가 개구(15)를 마주하는 위치에 배치되지 않는다면, 시험용 금속 조각(18)은 후면측으로부터 확실하게 가압될 수 없다.
클리어런스 조정 부재(32)는 바람직하게는 컨테이너(1)에 제공된 단락 시험용 가압 지그의 면적보다 큰 크기를 갖는다. 만약 클리어런스 조정 부재(32)가 단락 시험용 가압 지그의 크기보다 작은 크기를 갖는다면, 클리어런스 조정 부재(32)를 구비하지 않는 발전 요소(12)의 부분은 가압되고 함몰될 수 있다. 만약 시험용 금속 조각(18)이 이러한 함몰된 위치에 위치된다면, 시험용 금속 조각(18)은 세퍼레이터(24) 및 전극들(21, 22) 안으로 적절하게 관통할 수 없고, 시험이 적절하게 실시될 수 없다. 또한, 클리어런스 조정 부재(32)는 바람직하게는 컨테이너에 제공된 개구(15)보다 큰 면적을 갖는다. 클리어런스 조정 부재(32)가 개구(15)보다 클 때, 비록 클리어런스 조정 부재(32)의 위치가 다소 이동되더라도, 시험용 금속 조각(18)은 후면측으로부터 확실하게 가압될 수 있다. 따라서, 시험용 금속 조각(18)은 세퍼레이터(24) 및 전극들(21, 22)을 통해 확실하게 관통하는 것이 야기될 수 있다.
클리어런 조정 부재(32)의 판 두께는 배터리에서 발전 요소(12)와 컨테이너 사이의 클리어런스에 기초하여 적절하게 결정될 수 있고, 바람직하게는 클리어런스의 약 50 내지 80%의 두께로 설정된다.
클리어런스 조정 부재(32)는 경질 재료로 이루어지고 비수성 전해질(16)에 대한 저항성을 갖는 재료로 이루어지기만 하면 특별하게 한정되지 않는다. 예를 들어, 이는 폴리올레핀, 폴리페닐렌술파이드 등으로 이루어진 수지판으로 형성될 수 있다.
세퍼레이터(24)는 시트 형상을 갖고, 양극(21)과 음극(22) 사이에 배치된다. 세퍼레이터(24)는 단락 전류가 양극(21)과 음극(22) 사이에서 흐르는 것을 방지할 수 있기만 하면 특별하게 한정되지 않고, 전해질이 통과하는 것을 허용한다. 예를 들어, 세퍼레이터(24)는 폴리올레핀으로 이루어진 미세다공성 필름으로 형성될 수 있다.
또한, 강제 내부 단락 시험 동안에, 시험용 금속 조각(18)은 세퍼레이터(24)를 통해 관통한다. 이는 단락 전류가 시험용 금속 조각(18)을 통해 양극(21)과 음극(22) 사이에 흐르는 것을 야기한다.
양극(21)들 각각은 양극 집전체(27), 및 양극 집전체(27)의 반대편 표면들 각각에 제공되는 양극 활성 물질층(25)을 포함한다. 예를 들어, 양극(21)은 도 7(a)와 도 7(b)에서와 같이 형성될 수 있고 직사각형 형상을 갖는 양극 집전체(27)의 반대편 표면 상에 양극 활성 물질층(25)을 형성함으로써 형성될 수 있다. 또한, 양극(21)들의 각각은 접속부(23)를 가질 수 있어 양극 접속 단자(3)에서 접속부에 접속될 수 있고, 도 7(a)에서 접속부(23)는 양극(21)의 종단부에서 양극 집전체(27)의 반대편 표면들 상에 양극 활성 물질층(25)을 형성하지 않음으로써 제공될 수 있다. 또한 접속부는 양극 집전체(27)의 일종단부에 러그부(lug portion)를 형성하고, 러그부 상에 양극 활성 물질층(25)을 형성하지 않음으로써 제공될 수 있다.
양극 집전체(27)는 전기 전도성을 갖고 표면 상에 양극 활성 물질층(25)을 구비할 수 있기만 하면 특별하게 한정되지 않는다. 예를 들어, 양극 집전체(27)는 금속 호일로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 양극 집전체(27)는 알루미늄 호일로 형성될 수 있다.
양극 활성 물질층(25)은 양극 활성 물질, 및 양극 활성 물질에 첨가되는 도전제, 결착제 등으로부터, 코팅 방법 등에 의해 양극 집전체(27) 상에 형성될 수 있다. 양극 활성 물질로서, 예를 들어, 리튬 이온들의 가역 추출/삽입을 가능하게 하는 리튬-전이 금속 복합 산화물, 즉 LiCoO2, LiNiO2, LiNixCo1 - xO2 (x = 0.01 내지 0.99), LiMnO2, LiMn2O4, LiCoxMnyNizO2 (x + y + z = 1) 또는 올리빈형 LiFePO4 및 LixFe1-yMyPO4 (여기서 0.05 ≤ x ≤ 1.2, 0 ≤ y ≤ 0.8이며, M은 Mn, Cr, Co, Cu , Ni, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B 및 Nb 중 적어도 1 종이다)가 단독으로 또는 둘 이상의 혼합물로서 사용될 수 있다.
음극(22)들 각각은 음극 집전체(28), 및 음극 집전체(28)의 반대편 표면들 각각에 제공되는 음극 활성 물질층(26)을 포함한다. 예를 들어, 음극(22)은 도 8(a)와 도 8(b)에서와 같이 형성될 수 있고, 직사각형 형상을 갖는 음극 집전체(28)의 반대편 표면 상에 음극 활성 물질층(26)을 형성함으로써 형성될 수 있다. 또한, 음극(22)들의 각각은 접속부(23)를 가질 수 있어 음극 접속 단자(4)에 접속되고, 도 8(a)에서 접속부(23)는 음극(22)의 종단부에서 음극 집전체(28)의 반대편 표면들 상에 음극 활성 물질층(26)을 형성하지 않음으로써 제공될 수 있다. 또한 접속부는 음극 집전체의 일종단부에 러그부를 형성하고, 러그부 상에 음극 활성 물질층(26)을 형성하지 않음으로써 제공될 수 있다.
음극 집전체(28)는 전기 전도성을 갖고 표면 상에 음극 활성 물질층(26)을 구비할 수 있기만 하면 특별하게 한정되지 않는다. 예를 들어, 음극 집전체(28)는 금속 호일로 형성된다. 바람직하게는, 음극 집전체(28)는 구리 호일로 형성된다.
음극 활성 물질층(26)은 음극 활성 물질, 및 음극 활성 물질에 첨가되는 도전제, 결착제 등으로부터, 코팅 방법 등에 의해 음극 집전체(28) 상에 형성될 수 있다. 리튬 이차 전지에서, 음극 활성 물질로서, 예를 들어, 흑연, 부분적으로 흑연화된 탄소, LiTiO4, Sn 합금 등이 단독으로 또는 둘 이상의 혼합물로서 사용될 수 있다.
리튬 염을 함유하는 비수성 전해질은 비수성 전해질 및 리튬 염을 포함한다. 이러한 비수성 전해질로서, 비수성 전해액, 유기 고체 전해질, 또는 무기 고체 전해질이 사용된다. 이러한 비수성 전해액에서, 카보네이트, 락톤, 에테르, 에스테르 등이 용매로서 사용될 수 있고, 이의 둘 이상의 조합이 용매로서 사용될 수도 있다. 이들 중에서, 환상 카보네이트 및 선형 카보네이트가 혼합되고 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 유기 전해액은 전해질로서 리튬 염 용질, 예컨대 LiCF3SO3, LiAsF6, LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiBOB, LiN(CF3SO2)2, 또는 LiN(C2F5SO2)가 유기 용매로 용해된 용액이다. 또한, 필요에 따라, 첨가제, 예컨대 VC(비닐렌 카보네이트), PS(프로판 술톤), VEC(비닐 에틸렌 카보네이트), PRS(프로펜 술톤), 난연제가 단독으로 또는 둘 이상의 혼합물로서 사용될 수 있다.
3. 내부 단락 시험
(강제 내부 단락 시험)
본 구체예에 따른 시험용 배터리(20)는 강제 내부 단락 시험에 사용될 수 있다. 강제 내부 단락 시험은 시험용 배터리 케이스(17) 내에 배치된 시험용 금속 조각(18)을 통해 양극(21)과 음극(22) 사이의 단락을 야기함으로써, 발화 및 발연 발생 여부를 결정하기 위한 시험이다.
절차는 다음과 같다. 도 9와 도 10은 강제 내부 단락 시험의 설명도이다.
우선, 가공된 시험용 배터리(20)는 충전되어, 시험용 배터리(20)는 축전되는 상태에 이르게 된다. 시험용 금속 조각(18)은 가공된 시험용 배터리(20)에 도입될 수 있으나, 그 안에 도입될 수 없다는 것이 주목된다.
다음으로, 도 9에서와 같이, 폐쇄 부재(13)는 시험용 배터리 케이스(17)로부터 분리됨으로써, 컨테이너(1)에서 개구(15)를 개방한다. 만약 제 1 탄성 부재(31)가 그 안에 제공된다면, 제 1 탄성 부재(31)는 시험용 배터리(20)로부터 제거된다. 이때, 유기 전해액(16)이 개구(15)를 누출되는 것을 방지하기 위하여, 폐쇄 부재(13)는 개구(15)가 상측부에 위치된 상태에서 분리될 수 있다. 또한, 만약 시험용 금속 조각(18)이 제조 동안에 발전 요소(12)에 삽입되지 않고 있다면, 이 시점에서 시험용 금속 조각(18)을 발전 요소(12) 안으로 삽입하는 것이 가능하다. 특히, 세퍼레이터(24)는 시험용 금속 조각(18)을 삽입하기 위한 컷아웃(cutout)을 미리 구비하고, 시험용 금속 조각(18)은 이런 컷아웃을 통해 발전 요소(12) 안으로 삽입된다.
다음으로, 단락 시험용 가압 지그(35)는 개구(15)를 통해 시험용 배터리(20) 안으로 삽입됨으로써, 시험용 금속 조각(18)이 삽입되는 발전 요소(12)의 부분을 가압한다. 따라서, 도 10에서와 같이, 시험용 금속 조각(18)은 양극(21) 또는 음극(22) 및 세퍼레이터(24)를 관통하고, 시험용 금속 조각(18)을 통해 양극(21)과 음극(22) 사이에 단락을 강제로 유발한다. 따라서 내부 단락으로 인해 발연 또는 발화 발생 여부가 결정될 수 있다.
(블런트 네일 시험, 못 고착 시험)
또한, 본 구체예에 따른 시험용 배터리(20)는 블런트 네일 시험 및 못 고착 시험에 사용될 수 있다.
블런트 네일 시험 및 못 고착 시험은 제조 동안에 전기 전도성 이물질의 혼입의 경우, 및 날카로운 금속 예컨대 못의 고착의 경우에, 내부 단락으로 인해, 파열, 발화 등 발생 여부를 결정하기 위한 시험이다. 못 고착 시험은 날카로운 팁 종단을 갖는 못을 이용한 시험인 반면에, 블런트 네일 시험은 둥근 팁 종단을 갖는 못(블런트 네일)을 이용한 시험이다.
절차는 다음과 같다. 도 11과 도 12는 블런트 네일 시험의 설명도이다. 못 고착 시험에서, 날카로운 팁 종단을 갖는 못은 도 11과 도 12에 도시된 시험용 못(37)으로서 채택된다.
우선, 가공된 시험용 배터리(20)는 충전되어, 시험용 배터리(20)는 축전되는 상태에 이르게 된다.
다음으로, 도 11에서와 같이, 폐쇄 부재(13)는 시험용 배터리 케이스(17)로부터 분리됨으로써, 컨테이너(1)에서 개구(15)를 개방한다. 이때, 유기 전해액(16)이 개구(15)로부터 누출되는 것을 방지하기 위하여, 폐쇄 부재(13)는 개구(15)가 상측부에 위치되는 상태에서 분리될 수 있다.
다음으로, 내부 단락 시험용 못(37)은 개구(15)를 통해 시험용 배터리(20) 안으로 삽입됨으로써, 못(37)을 발전 요소(12)에 고착시킨다. 따라서, 도 12에서와 같이, 못(37)은 양극(21) 또는 음극(22) 및 세퍼레이터(24)를 통해 관통하고, 못(37)을 통해 양극(21)과 음극(22) 사이에서 단락을 강제로 유발한다. 따라서, 내부 단락으로 인해 발연, 발화 및 파열 발생 여부가 결정될 수 있다.
실시예들
활성 물질로서 흑연, 및 바인더(binder)로서 SBR 및 CMC을 함유하는 음극 활성 물질층 슬러리는 구리 호일에 도포되었고 이어서 건조되어 음극(22)을 형성하였다. 활성 물질로서 올리빈형 리튬 철 포스페이트, 전기적 전도성 재료로서 탄소, 및 바인더로서 PVdF을 함유하는 양극 활성 물질층 슬러리는 알루미늄 호일에 도포되었고, 이어서 건조되어 양극(21)을 형성하였다. 시트 형상을 갖는 세퍼레이터(24)는 양극(21)과 음극(22) 사이에 위치되었고 도 6에서와 같이 발전 요소를 조립하여, 최외측 전극은 음극에 상응한다. 또한, 시험용 금속 조각(18)은 최외측 음극(22) 상에 위치되었다. 세퍼레이터(24)는 종단에서 폴리이미드 테이프에 의해 고정됨으로써, 발전 요소(12)를 생산하였다.
양극 접속 단자(3) 및 음극 접속 단자(4)는 각각, 발전 요소(12)에서 양극(21)들의 종단부 및 음극(22)들의 종단부에 장착되었고, 도 3에서와 같은 구조를 형성한다. 이런 구조는 시험용 배터리 케이스(17) 내에서 탄성 부재(31) 및 클리어런스 조정 부재(32)와 함께 수용되었고, 비수성 전해액은 주입되어, 160Wh 시험용 배터리를 가공하였다.
컨테이너(1)는 98㎜의 세로 길이, 165.5㎜의 가로 길이 및 43.5㎜의 두께를 갖는 (0.8 mm의 판 두께를 갖는) 스테인리스 스틸로 이루어진 직사각형 형상 케이스에 의해 형성되었고, 컨테이너(1)에서 개구는 1.9㎜φ의 원형 형상을 가졌다. 컨테이너(1)와 발전 요소(12) 사이에서 두께 방향으로의 내부 클리어런스는 약 4.5㎜였다.
폐쇄 부재(13)는 탭을 갖는 30㎜φ의 크기 및 0.1㎜의 두께를 갖는 스테인리스 스틸로 이루어진 박판에 의해 형성되었다. 폐쇄 부재(13)는 주위에 초음파 용접을 수행함으로써 컨테이너(1)에 부착되었다.
탄성 부재(31)로서, 시험용 배터리 케이스(17)에서 개구(15)와 동일한 형상 및 크기를 갖고 3㎜의 두께를 갖는 폴리에틸렌 폼(압축 응력 25% : 50㎪)이 사용되었다. 클리어런스 조정 부재(32)로서, 3㎜ 폴리프로필렌 판이 사용되었다.
시험용 배터리가 충전되었고, 폐쇄 부재(13) 및 탄성 부재(31)가 시험용 배터리로부터 분리되었다. 또한, 시험용 금속 조각(18)이 원래 설치되었던 위치에서 고정되었다는 것을 보여주었던, 시험용 금속 조각(18)이 이동되고 있었는지 여부가 결정되었다.
단락 시험용 가압 지그(35)는 그 사이에 개재된 2㎜의 두께를 갖는 니트릴 러버를 갖는 직사각형 기둥의 팁 종단에 부착되는 5㎜의 측들을 갖는 아크릴 정육면체 부재, 및 10㎜의 측들을 갖는 스테인리스 스틸로 이루어진 직사각형 기둥에 의해 형성되었다.
강제 내부 단락 시험은 단락 시험용 가압 지그(35)의 아크릴 표면(25㎟의 면적을 갖는 가압 표면)에 의해 시험용 금속 조각(18)을 가압함으로써, 실시되었다. 가압 이후에, 시험용 금속 조각(18)이 발전 요소(12) 내에 완전히 탑재되었다는 것을 보여주었던, 발전 요소(12)의 가압된 부분은 관찰되었다.
1: 컨테이너
2: 뚜껑 부재
3: 양극 접속 단자
4: 음극 접속 단자
6a, 6b: 스크류 부재
8a, 8b: 외부 접속 단자
10a, 10b: 외부 절연 부재
11a, 11b: 내부 절연 부재
12: 발전 요소
13: 폐쇄 부재
14: 밀봉 부재(접합 부재)
15: 개구
16: 유기 전해액
17: 시험용 배터리 케이스
18: 시험용 금속 조각
20: 시험용 배터리
21: 양극
22: 음극
23: 접속부
24: 세퍼레이터
25: 양극 활성 물질층
26: 음극 활성 물질층
27: 양극 집전체
28: 음극 집전체
29: 활성 물질 미코팅부
31: 탄성 부재
32: 클리어런스 조정 부재
35: 단락 시험용 가압 지그
37: 시험용 못

Claims (25)

  1. 발전 요소를 수용하는 컨테이너, 및
    컨테이너에 분리가능하게 고정되는 폐쇄 부재를 포함하되,
    컨테이너는 내부 단락 시험을 위한 개구를 갖고, 상기 개구는 상기 폐쇄 부재에 의해 폐쇄되고,
    상기 폐쇄 부재는 상기 개구를 밀봉하도록 상기 컨테이너에 분리가능하게 고정되고,
    상기 개구는 상기 내부 단락 시험을 수행하기 위해, 시험용 가압 지그 또는 시험용 못을 상기 컨테이너로 삽입하는데 사용되고, 그리고,
    상기 개구는 상기 발전 요소를 상기 컨테이너로 삽입하기 위한 개구와는 다른 것을 특징으로 하는 시험용 배터리 케이스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 시험용 배터리 케이스는,
    밀봉 부재를 더 포함하되,
    밀봉 부재는 컨테이너와 폐쇄 부재 사이의 갭을 밀봉하는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리 케이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    폐쇄 부재는 탭 또는 핸들을 포함하는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리 케이스.
  4. 제 2 항에 있어서,
    폐쇄 부재는 탭 또는 핸들을 포함하는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리 케이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    컨테이너는 강성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리 케이스.
  6. 제 2 항에 있어서,
    컨테이너는 강성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리 케이스.
  7. 제 3 항에 있어서,
    컨테이너는 강성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리 케이스.
  8. 제 4 항에 있어서,
    컨테이너는 강성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리 케이스.
  9. 제 1 항에 따른 시험용 배터리 케이스, 발전 요소, 및 비수성 전해질을 포함하되,
    발전 요소는 음극, 양극, 및 음극과 양극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고,
    시험용 배터리 케이스는 발전 요소 및 비수성 전해질을 수용하는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리.
  10. 제 2 항에 따른 시험용 배터리 케이스, 발전 요소, 및 비수성 전해질을 포함하되,
    발전 요소는 음극, 양극, 및 음극과 양극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고,
    시험용 배터리 케이스는 발전 요소 및 비수성 전해질을 수용하는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리.
  11. 제 3 항에 따른 시험용 배터리 케이스, 발전 요소, 및 비수성 전해질을 포함하되,
    발전 요소는 음극, 양극, 및 음극과 양극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고,
    시험용 배터리 케이스는 발전 요소 및 비수성 전해질을 수용하는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리.
  12. 제 4 항에 따른 시험용 배터리 케이스, 발전 요소, 및 비수성 전해질을 포함하되,
    발전 요소는 음극, 양극, 및 음극과 양극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고,
    시험용 배터리 케이스는 발전 요소 및 비수성 전해질을 수용하는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리.
  13. 제 5 항에 따른 시험용 배터리 케이스, 발전 요소, 및 비수성 전해질을 포함하되,
    발전 요소는 음극, 양극, 및 음극과 양극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고,
    시험용 배터리 케이스는 발전 요소 및 비수성 전해질을 수용하는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리.
  14. 제 6 항에 따른 시험용 배터리 케이스, 발전 요소, 및 비수성 전해질을 포함하되,
    발전 요소는 음극, 양극, 및 음극과 양극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고,
    시험용 배터리 케이스는 발전 요소 및 비수성 전해질을 수용하는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리.
  15. 제 7 항에 따른 시험용 배터리 케이스, 발전 요소, 및 비수성 전해질을 포함하되,
    발전 요소는 음극, 양극, 및 음극과 양극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고,
    시험용 배터리 케이스는 발전 요소 및 비수성 전해질을 수용하는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리.
  16. 제 8 항에 따른 시험용 배터리 케이스, 발전 요소, 및 비수성 전해질을 포함하되,
    발전 요소는 음극, 양극, 및 음극과 양극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고,
    시험용 배터리 케이스는 발전 요소 및 비수성 전해질을 수용하는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리.
  17. 제 9 항에 있어서, 상기 시험용 배터리는,
    시험용 금속 조각을 더 포함하되,
    시험용 금속 조각은 폐쇄 부재와 음극 또는 양극 사이에, 또는 세퍼레이터와 음극 또는 양극 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리.
  18. 제 13 항에 있어서, 상기 시험용 배터리는,
    시험용 금속 조각을 더 포함하되,
    시험용 금속 조각은 폐쇄 부재와 음극 또는 양극 사이에, 또는 세퍼레이터와 음극 또는 양극 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 시험용 배터리는,
    탄성 부재를 더 포함하되,
    탄성 부재는 시험용 금속 조각과 폐쇄 부재 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 시험용 배터리는,
    탄성 부재를 더 포함하되,
    탄성 부재는 시험용 금속 조각과 폐쇄 부재 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 시험용 배터리는,
    시험용 배터리 케이스와 발전 요소 사이에 배치되는 클리어런스 조정 부재를 더 포함하되,
    발전 요소는 클리어런스 조정 부재와 탄성 부재 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 시험용 배터리는,
    시험용 배터리 케이스와 발전 요소 사이에 배치되는 클리어런스 조정 부재를 더 포함하되,
    발전 요소는 클리어런스 조정 부재와 탄성 부재 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리.
  23. 제 9 항에 있어서, 상기 시험용 배터리는,
    시험용 배터리 케이스와 발전 요소 사이에 배치되는 클리어런스 조정 부재를 포함하되,
    발전 요소는 클리어런스 조정 부재에 의해 개구를 향하여 가압되는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리.
  24. 제 13 항에 있어서, 상기 시험용 배터리는,
    시험용 배터리 케이스와 발전 요소 사이에 배치되는 클리어런스 조정 부재를 포함하되,
    발전 요소는 클리어런스 조정 부재에 의해 개구를 향하여 가압되는 것을 특징으로 하는 시험용 배터리.
  25. 제 9 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시험용 배터리는,
    양극 접속 단자 및 음극 접속 단자를 더 포함하되,
    양극은 양극 접속 단자에 전기적으로 접속되고,
    음극은 음극 접속 단자에 전기적으로 접속되며,
    양극은 리튬 이온의 추출/삽입을 가능하게 하는 양극 활성 물질층을 포함하고,
    음극은 리튬 이온의 추출/삽입을 가능하게 하는 음극 활성 물질층을 포함하며,
    비수성 전해질은 리튬 염 용질을 유기 용매로 용해시킴으로써 조제된 용액인 것을 특징으로 하는 시험용 배터리.
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