KR102163468B1 - 석출 금속의 정량 분석용 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분리막이 사이에 개제된 상태로 양극 및 음극이 적층된 구조의 전극조립체, 및 상기 전극조립체와 접촉된 상태에서 전극의 공명진동수(Resonance Frequency) 변화를 측정하는 검출기가 내장되어 있는 리튬 이차전지, 상기 리튬 이차전지의 충방전을 진행하는 과정에서 측정되는 검출기의 진동수 변화를 표시하는 모니터링부 및 상기 진동수 변화를 음극에서 석출되는 금속의 질량으로 환산하는 질량 환산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 석출 금속의 정량 분석 장치에 관한 것이다.

Description

석출 금속의 정량 분석용 장치 {Device for Quantitative Analysis of Deposited Metal}
본 발명은 석출 금속의 정량 분석용 장치에 대한 것이다.
최근 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
특히, 전기자동차에 사용되는 리튬 이차전지는 높은 에너지 밀도와 단시간에 큰 출력을 발휘할 수 있는 특성과 더불어, 가혹한 조건 하에서 10 년 이상 사용될 수 있어야 하므로, 기존의 소형 리튬 이차전지보다 월등히 우수한 안전성 및 장기 수명 특성이 필연적으로 요구된다.
이러한 리튬 이차전지의 활물질로는 주로 리튬 함유 코발트 산화물(LiCoO2)이 사용되고 있고, 그 외에 층상 결정구조의 LiMnO2, 스피넬 결정구조의 LiMn2O4 등의 리튬 함유 망간 산화물과, 리튬 함유 니켈 산화물(LiNiO2)의 사용도 고려되고 있다.
한편, 리튬 함유 망간 산화물 중에는 LiMnO2, LiMn2O4 이외에 Li2MnO3이 있다. Li2MnO3은 구조적 안정성이 매우 우수하지만 전기화학적으로 불활성이므로, 그 자체로는 이차전지의 양극 활물질로서 사용되지 못한다. 그러나 Li2MnO3를 함유하는 양극 활물질은 Mn을 많이 함유하고 있어서 가격이 매우 저렴하며, 고전압에서 용량이 크고 안정하다는 장점이 있다. 다만, 4.3V 내지 4.5V 이상의 고전압에서 전기화학적 활성을 나타내게 되므로 고용량을 발현하기 위해 고전압으로 작동시키는데, 초기 활성화 과정에서 활성화가 되지 못한 영역이 고전압에서 사이클이 진행되면서 지속적으로 활성화되어 양극 활물질로부터 기인한 산소가 전해액과 부반응을 초래하여 다량의 가스를 발생시키는 문제가 있다.
특히, 각형 및 원형 전지와는 달리 파우치 전지의 경우에는 전지의 외형을 일정한 힘으로 유지시켜주기 어렵기 때문에, 상기 발생된 가스로 인해 파우치가 부풀어서 벤팅(venting)되거나 전극 사이에 가스가 트랩(trap)되어 존재하면서 전극의 균일하고 원활한 반응을 방해할 수 있다. 또한, 사이클 과정에서 가스가 발생하면 전극 사이에 트랩되는 가스들이 Li 이온의 이동을 방해하고, 원활한 이동을 방해 받은 Li 이온은 음극 표면에서 석출되어 Li plating 현상을 발생시키고 이는 전지의 저항 증가 및 퇴화에 영향을 미치게 된다. 뿐만 아니라, 가역 Li 이온들이 Li plating 으로 인해 손실되기 때문에 방전과정에서 비가역 용량이 증가하게 되어 효율을 감소시킨다. 더욱이, 트랩된 가스는 초기 사이클뿐만 아니라, 사이클이 진행되면서 지속적으로 Li 이온의 이동을 방해하므로 Li plating 현상이 누적되어 전지의 수명 감소에 큰 영향을 미치는 문제가 있다.
이에, 상기와 같은 부반응이 감소된 이차전지의 제조를 위하여, 음극 표면에서 석출되는 Li 및 기타 금속 부산물들의 종류 내지 질량을 측정하는 방법이 고안되고 있으며, 예를 들어, 전지셀의 내부 관찰이 가능하도록 제조된 in-situ cell을 이용하여 전기화학 반응을 일으키는 과정에서 음극에 석출되는 부산물들의 종류만을 분석할 수 있는 실정이다.
따라서, 상기와 같은 정성분석뿐 아니라, 석출되는 Li 등의 질량을 정확하게 분석하여, 보다 안전성이 높은 이차전지를 제조할 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 음극에 석출되는 금속의 질량 증가에 따라 변화하는 공명진동수를 측정하는 검출기, 및 상기 검출기의 진동수 변화에 따라 금속의 질량 환산이 가능한 질량 환산부를 포함하는 석출 금속의 정량 분석 장치를 이용함으로써, 전기화학 반응을 일으키는 과정에서 석출된 금속의 정량분석이 실시간으로 수행될 수 있는 바, 전지의 개발단계에서 다양한 이차전지의 정성 및 정량 분석을 용이하게 함으로써 수명특성 및 안전성이 우수한 이차전지를 제공할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 석출 금속의 정량 분석 장치는, 분리막이 사이에 개제된 상태로 양극 및 음극이 적층된 구조의 전극조립체, 및 상기 전극조립체와 접촉된 상태에서 전극의 공명진동수(Resonance Frequency) 변화를 측정하는 검출기가 내장되어 있는 리튬 이차전지, 상기 리튬 이차전지의 충방전을 진행하는 과정에서 측정되는 검출기의 진동수 변화를 표시하는 모니터링부, 및 상기 진동수 변화를 음극에서 석출되는 금속의 질량으로 환산하는 질량 환산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본원발명은 압전 물질에 전압을 인가하면 압전 물질이 팽창/축소되는 기계적 변형이 생겨 진동이 발생하는 역압전 효과(Converse Piezoelectric Effect)를 이용하여, 충방전 사이클이 진행되는 동안 전극에 쌓이는 금속 부산물의 양이 증가함에 따라 변화하는 전극의 공명진동수를 측정하여 금속의 질량으로 환산하는 장치에 대한 것이다.
이와 같이, 상기 리튬 이차전지는, 내부에 전극의 공명진동수 변화를 측정하는 검출기를 내장하고 있기 때문에, 전극의 공명진동수 변화를 실시간으로 측정할 수 있다.
즉, 충방전 사이클 과정에서 발생하는 가스로 인해 이동 방해를 받은 Li 이온이 음극 표면에 석출됨에 따라 전체적인 음극의 질량이 증가하게 되는 바, 이와 같이 석출된 금속의 질량에 의한 공명진동수의 변화량을 측정할 수 있다. 또한, 상기 검출기에서 측정된 진동수 변화를 표시하는 모니터링부 및 상기 진동수 변화를 석출된 금속의 질량으로 환산하는 질량 환산부를 포함하는 바, 측정된 진동수 변화를 이용하여 신속하게 금속의 질량으로 환산이 가능하다.
따라서, 계산된 석출 금속의 질량에 따른 전기화학적인 특성을 예측할 수 있는 바, 종래에는 충방전 사이클의 진행 동안 석출되는 금속의 종류만 분석 가능하였기 때문에, 전지의 수명 특성 등을 판단하기 위하여 별도의 저항측정 내지 용량 변화율 등의 과정이 추가적으로 필요했던 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 실시간으로 석출 금속의 정량 분석이 가능하기 때문에 분석 시간이 짧아지고 분석 방법도 간이한 방법에 의해 이루어지는 바 전체적인 제조공정의 효율성이 향상되며, 전지의 개발단계에서 다양한 이차전지의 정성 및 정량 분석을 용이하게 함으로써 수명특성 및 안전성이 우수한 이차전지를 제공할 수 있다.
일반적으로, 이차전지의 제조과정에서 충전 및 방전이 반복됨에 따라 이산화탄소 등의 가스가 발생하는데, 이와 같은 가스에 의해 리튬 이온이 음극 표면에 석출되어 Li plating 현상이 발생하게 된다. 이에, 상기 정량 분석 장치는, 음극 표면에 석출된 Li 등 금속이 쌓임에 따라 변화하는 공명진동수를 이용하여 음극에서 석출되는 금속의 양을 측정할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 리튬 이차전지는, 분리막과 양극이 각각 상하로 위치하도록 적층되어 수납된 하부 케이스, 및 상기 검출기 및 음극이 일체형으로 부착되어 있는 상부 케이스를 포함하는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 하부 케이스에 분리막과 양극의 적층체를 수납한 후 검출기 및 음극이 부착되어 있는 상부 케이스를 하부 케이스의 개방면에 위치하는 경우, 케이스 내부에서, 음극, 분리막 및 양극이 순차적으로 적층되는 전극조립체가 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 리튬 이차전지는 양극, 분리막 및 음극이 순차적으로 적층된 전극조립체와 전해액을 포함하는 구조의 코인형 풀셀(coin-typed full cell)일 수 있고, 바람직하게는 양극, 분리막 및 음극이 각각 1개씩 적층되어 구성되는 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 수납되는 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 검출기는, 상부 케이스의 내측면에 부착되는 수정판(quartz crystal plate), 및 상기 상부 케이스에 대향하는 수정판의 타면에 부착되어 있는 금속 박막으로 구성될 수 있다.
평면상 원형 구조로 이루어진 상기 수정판 및 금속 박막에 있어서, 상기 수정판의 중심과 금속 박막의 중심은 수직방향으로 동일한 위치에 있고, 금속 박막의 반지름은 수정판의 반지름보다 작게 형성될 수 있다.
한편, 상기 금속 박막의 표면에 음극이 부가되어 검출기와 음극이 일체형 구조를 형성할 수 있는 바, 음극 표면에 석출되는 금속 부산물의 질량을 정확하게 측정할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 수정판 또는 금속 박막에는 진동 발생을 위한 전류를 인가하거나, 또는 측정된 공명진동수를 모니터링부로 전송하는 시그널 라인(Signal Line)이 연결된 구조일 수 있는 바, 상기 시그널 라인을 통해 인가된 전류에 의해 수정판 또는 금속 박막에 진동이 발생되고, 금속 박막 표면에 쌓이는 금속의 양이 증가하는 과정에서 측정된 공명진동수는 상기 시그널 라인을 통해 모니터링부로 전송된다.
다른 하나의 구체적인 예에서, 상기 수정판 및 금속 박막 각각에는 진동 발생을 위한 전류를 인가하거나, 또는 측정된 공명진동수를 모니터링부로 전송하는 시그널 라인이 1개씩 연결된 구조일 수 있다.
이와 같이, 시그널 라인이 수정판 및 금속 박막 각각에 연결되는 경우에는, 수정판 및 금속 박막 각각에 전류가 인가되어 각각의 진동수 변화를 측정하게 되는 바, 진동수 변화를 측정하는 센서의 개수가 많아지기 때문에 더욱 정확성과 신뢰성이 높은 정량분석이 가능할 수 있다.
또한, 상기 시스널 라인은 진동 발생을 위한 전류의 인가 또는 측정된 공명진동수를 모니터링부로 전송하는 기능 이외에, 전지셀의 제어를 위한 추가적인 기능을 수행할 수 있음은 물론이다.
한편, 상기 모니터링부는 음극의 표면에 쌓이는 금속 석출물의 질량에 따른 공명진동수 변화를 표시할 수 있으며, 상기 공명진동수 변화에 의해 산출된 금속의 질량, 인가되는 전류의 크기 및 충방전 전위 등도 표시될 수 있다.
상기 공명진동수는 금속 석출물의 질량 변화에 따라 증가하거나 감소할 수 있는 바, 구체적으로, 석출물의 질량은 조화진동자 미분 방정식의 감쇄항과 같은 원리로 동작하며, 금속 석출물의 질량이 증가함에 따라 공명진동수가 감소하는 효과가 있다.
상기 검출기는 수정판 및/또는 금속 박막에 전류가 흐르면 일정하게 진동이 발생하는 구조일 수 있으며, 수정판에 전류가 흐르면 상기 수정판에 진동이 발생하고, 금속 박막 표면에 부가된 음극에 금속이 석출됨에 따라 상기 수정판의 공명진동수 크기가 작아지게 되는 바, 예를 들어, 상기 검출기는 수정 미세저울(Quartz Crystal Microbalance: QCM)일 수 있다.
상기 질량환산부는, 석출된 금속의 종류별로 분류되어 공명진동수의 변화량에 따라 입력된 질량을 표시해주는 구조일 수 있는 바, 이미 금속의 종류별로 진동수 감소량과 대응되는 질량이 입력되어 있기 때문에, 석출된 금속의 종류와 공명진동수 변화량이 입력되는 경우, 해당 금속의 진동수 감소량에 따른 질량을 모니터링부에 표시하게 된다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 석출 금속의 정량 분석 장치는 석출된 금속의 정성분석 장치를 더 포함될 수 있으며, 상기 정량 분석 장치로는 이차전지 내부에서 석출된 금속의 종류를 구별할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어, 현미경, 라만 분광기(Raman spectrograph) 등을 이용할 수 있다.
한편, 상기 상부 케이스 및/또는 하부 케이스는 이차전지 내부를 관찰하여 석출된 금속의 종류를 관찰 및 구별할 수 있도록 투명한 소재로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 적어도 상부 케이스는 투명한 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 투명한 소재는 내전해액성이 뛰어난 물질로서 유리, 고분자 수지 또는 사파이어 등으로 이루어질 수 있다.
또한, 음극이 표면에 형성된 검출기가 상부 케이스에 부착된 상태에서, 상기 상부 케이스는 분리막 및 양극이 수납된 하부 케이스와 결합되는 구조인 바, 전지 내부의 저항을 최소화하기 위하여 음극은 분리막과 밀착된 구조인 것이 바람직하다. 따라서, 상기 하부 케이스의 높이는 검출기 및 전극조립체가 평면상 수직으로 적층된 높이와 상응하는 높이일 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 석출 금속의 정량 분석 장치를 사용하여 제조된 안전성이 향상된 리튬 이차전지를 포함하는 전지팩을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 웨어러블 전자기기, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 등으로부터 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 석출 금속의 정량 분석 장치는, 석출되는 금속의 질량 증가에 따라 변화하는 공명진동수를 측정하는 검출기가 내장된 리튬 이차전지, 상기 검출기의 진동수 변화를 표시하는 모니터링부, 및 상기 검출기의 진동수 변화에 따라 금속의 질량 환산이 가능한 질량 환산부를 포함하는 석출 금속의 정량 분석 장치를 포함하도록 구성되는 바, 전기화학 반응 과정에서 실시간으로 석출된 금속의 양을 분석할 수 있다.
또한, 전지의 개발단계에서 상기와 같은 장치를 사용함에 따라 제조과정의 효율성이 향상될 수 있으며, 전극 활물질 및 전해액의 종류에 따른 Li 등의 금속 부산물의 종류 및 생성량을 용이하게 분석하여 수명특성 및 안전성이 우수한 이차전지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 석출 금속의 정량 분석 장치의 구성을 나타낸 모식도이다;
도 2는 하나의 실시예에 따른 검출기 및 상부 케이스의 사시도이다;
도 3은 다른 하나의 실시예에 따른 검출기 및 상부 케이스의 사시도이다;
도 4는 분리막과 양극의 적층체 및 하부 케이스의 측면도이다; 및
도 5는 하나의 실시예에 따른 리튬 이차전지의 단면 모식도이다;
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 1은 본원의 석출 금속의 정량 분석 장치의 구성을 모식적으로 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 석출 금속의 정량 분석 장치(10)는 코인형 전지셀(100), 음극의 질량 변화에 따라 달라지는 진동수를 표시하는 모니터링부(200) 및 측정된 진동수를 금속의 질량으로 변환하는 질량 환산부(300)로 구성되어 있다. 코인형 전지셀(100) 내부에는 양극, 분리막 및 음극이 순차적으로 적층된 풀셀 전극조립체 및 전극의 공명진동수 변화를 측정하는 검출기가 내장되어 있다.
전지셀(100)은 모니터링 장치(200)와 시그널 라인(110)을 통해 연결되어 있고, 모니터링 장치(200)는 질량 환상부(300)와도 연결되어 있는 바, 모니터링 장치는 전지셀 내부에 수납된 검출기에서 측정한 진동수를 표시할 뿐 아니라, 질량 환상부에서 계산한 금속의 질량도 표시할 수 있다. 또한, 모니터링 장치는 검출기에 인가되는 전류의 세기 내지 충방전 전압 등도 표시함으로써, 작업자가 일괄적으로 관찰 및 판단이 가능하도록 기능할 수 있다.
질량 환산부(300)는, 사전에 금속의 종류에 따라, 진동수 감소량과 대응되는 질량을 입력해 놓으면 석출된 금속의 종류와 공명진동수 변화량이 입력되는 경우, 해당 금속의 진동수 감소량에 따른 질량을 표시할 수 있다.
추가적으로, 석출 금속의 정량 분석 장치(10)는 석출된 금속의 정성분석 장치(도시하지 않음)를 더 포함하는 구조일 수 있는 바, 현미경 등의 장치를 이용하여 석출 금속의 정성분석이 이루어질 수 있다.
도 2는 하나의 실시예에 따른 리튬 이차전지의 상부 사시도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 2를 참조하면, 리튬 이차전지의 상부 케이스(120)의 하면에는 전지셀 내부에서 석출되는 금속의 질량을 측정하기 위한 검출기(130)가 부착되어 있고, 검출기(130)의 하면에는 음극(140)이 형성되어 있다. 검출기(130)는 상부케이스의 내측면에 부착되는 수정판(131)과 상부 케이스에 대향하는 수정판(131)의 타면에 부착되어 있는 금속 박막(132)으로 구성된다. 수정판(131)과 금속 박막(132)은 평면상 원형이며 각각의 중심이 중첩되도록 형성되어 있으며, 수정판(131)의 반지름은 금속 박막(132)의 반지름과 동일하거나 상대적으로 크게 형성된다.
음극(140)은 금속 박막(132) 표면에 코팅되어 있는 바, 검출기(130)와 음극(140)은 일체형 구조로 이루어져 있다. 한편, 시그널 라인(110)을 통해 전류가 인가되면 시그널 라인과 연결된 수정판(131)에 진동이 발생하게 되는 바, 수정판(131)을 포함하는 검출기(130)와 일체형 구조로 이루어진 음극(140)에도 진동이 발생하게 된다.
따라서, 충방전 사이클이 진행됨에 따라 음극에 석출되는 금속의 양이 증가할수록 음극의 진동수는 작아지게 되는 바, 음극(140)은 검출기(130)와 일체형 구조로 이루어져 있기 때문에, 음극의 공명진동수의 변화는 시그널 라인을 통해 모니터링 장치로 정확하고 신속하게 전송된다.
한편, 상부 케이스(120)는 전지셀 내부에서 석출되는 금속의 종류를 시각적으로 확인할 수 있도록 투명한 소재로 이루어질 수 있다.
도 3은 다른 하나의 실시예에 따른 리튬 이차전지의 상부 사시도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 3을 참조하면, 리튬 이차전지의 상부 케이스(220)의 하면에는 전지셀 내부에서 석출되는 금속의 질량을 측정하기 위한 검출기(230)가 부착되어 있고, 검출기(230)의 하면에는 음극(240)이 형성되어 있다. 검출기(230)는 상부케이스의 내측면에 부착되는 수정판(231)과 상부 케이스에 대향하는 수정판(231)의 타면에 부착되어 있는 금속 박막(232)으로 구성된다. 수정판(231)과 금속 박막(232)은 평면상 원형이며 각각의 중심이 중첩되도록 형성되어 있으며, 수정판(231)의 반지름은 금속 박막(232)의 반지름과 동일하거나 상대적으로 작게 형성된다.
다만, 도 3과 도2를 비교할 때, 도 3의 검출기(230)에는 2개의 시그널 라인들(210)이 부착된 점에서 차이가 있는 바, 한 개의 시그널 라인은 도 2의 시그널 라인(110)과 마찬가지로 수정판(231)과 연결되어 있고, 다른 하나의 시그널 라인은 금속 박막(232)과 연결되어 있다.
따라서, 시그널 라인이 수정판 및 금속 박막 각각에 연결되는 경우에는, 수정판 및 금속 박막 각각에 전류가 인가되어 각각의 진동수 변화를 측정하게 되는 바, 진동수 변화를 측정하는 센서의 개수가 많아지기 때문에 더욱 정확성과 신뢰성이 높은 정량분석이 가능할 수 있다.
또한, 시스널 라인(110, 210)은 진동 발생을 위한 전류의 인가 또는 측정된 공명진동수를 모니터링부로 전송하는 기능 이외에, 전지셀의 제어를 위한 추가적인 기능을 수행할 수 있다.
한편, 상부 케이스(220)는 전지셀 내부에서 석출되는 금속의 종류를 시각적으로 확인할 수 있도록 투명한 소재로 이루어질 수 있다.
도 4는 도 2에 도시되지 않은 리튬 이차전지의 하부 측면도를 모식적으로 도시하고, 도 5는 도 2 및 도 4 각각에 도시된 리튬 이차전지 전체 구조의 측면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 하부 케이스(160)에는 전극조립체를 구성하는 분리막(151)과 양극집전체(141)상에 양극 활물질(142)이 도포된 양극(140)이 적층된 적층체가 수납된다.
도 5를 참조하면, 검출기(130)와 일체형으로 이루어진 음극(140)과 양극(140) 상에 위치하는 분리막(151)이 서로 접하도록 위치한 상태에서 하부 케이스(160)에 수납되는 상태를 도시하고 있다. 그러나, 도 4와 같이 분리막(151)과 양극(140)의 적층체가 하부 케이스(160)에 수납된 후, 일체형의 검출기(130) 및 음극(140)이 상부 케이스(120)에 부착된 상태로 하부 케이스와 결합될 수 있음은 물론이다.
이 때, 리튬 이온의 이동에 대한 저항을 감소시키기 위해 음극(140)과 분리막(151)이 밀착되는 것이 바람직한 바, 검출기(130), 음극(140), 분리막(151) 및 양극(140)이 순차적으로 적층된 높이(h1)는 하부 케이스의 높이(h2)와 상응하는 높이로 이루어질 수 있고, 상부 케이스(120)와 하부 케이스(160)의 결합력을 높이기 위해 상부 케이스와 하부 케이스 사이에 O-ring 등이 추가로 사용되는 경우, 음극과 분리막 사이가 이격되는 것을 방지하기 위해 양극집전체(141)의 두께를 조절하거나 하부 케이스의 높이(h2)를 줄여서 적절히 조절할 수 있다.
한편, 상부 케이스(120) 및 하부 케이스(160)는 전지셀 내부에서 석출되는 금속의 종류를 시각적으로 확인할 수 있도록 투명한 소재로 이루어질 수 있는 바, 전지셀 내부의 관찰이 가능하기 때문에 현미경 또는 분광기 등을 사용하여 금속의 종류를 분석할 수 있다. 또는 상기와 같이 전지셀 내부를 관찰 및 분석하기 위하여, 전지셀에 구멍을 뚫거나 전지셀을 분해한 후 분석이 이루어질 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 석출 금속의 정량 분석 장치를 사용하는 경우, 전지셀 내부에서 발생하는 금속 석출량을 신속하고 용이하게 측정이 가능한 바, 수명이 향상되고 안전성이 높은 리튬 이차전지를 제조할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. 분리막이 사이에 개제된 상태로 양극 및 음극이 적층된 구조의 전극조립체, 및 상기 전극조립체와 접촉된 상태에서 전극의 공명진동수(Resonance Frequency) 변화를 측정하는 검출기가 내장되어 있는 리튬 이차전지;
    상기 리튬 이차전지의 충방전을 진행하는 과정에서 측정되는 검출기의 진동수 변화를 표시하는 모니터링부; 및
    상기 진동수 변화를 음극에서 석출되는 금속의 질량으로 환산하는 질량 환산부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 석출 금속의 정량 분석 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 정량 분석 장치는 공명진동수를 이용하여 음극에서 석출되는 금속의 양을 측정하는 것을 특징으로 하는 석출 금속의 정량 분석 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 리튬 이차전지는,
    분리막과 양극이 각각 상하로 위치하도록 적층되어 수납된 하부 케이스; 및
    상기 검출기 및 음극이 일체형으로 부착되어 있는 상부 케이스;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 석출 금속의 정량 분석 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 리튬 이차전지는 양극, 분리막 및 음극이 순차적으로 적층된 전극조립체와 전해액을 포함하는 구조의 코인형 풀셀(coin-typed full cell)인 것을 특징으로 하는 석출 금속의 정량 분석 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 검출기는, 상부 케이스의 내측면에 부착되는 수정판(quartz crystal plate), 및 상기 상부 케이스에 대향하는 수정판의 타면에 부착되어 있는 금속 박막으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 석출 금속의 정량 분석 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 금속 박막의 표면에 음극이 부가되어 검출기와 음극이 일체형 구조를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 석출 금속의 정량 분석 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 수정판 또는 금속 박막에는 진동 발생을 위한 전류를 인가하거나, 또는 측정된 공명진동수를 모니터링부로 전송하는 시그널 라인(Signal Line)이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 석출 금속의 정량 분석 장치.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 수정판 및 금속 박막 각각에는 진동 발생을 위한 전류를 인가하거나, 또는 측정된 공명진동수를 모니터링부로 전송하는 시그널 라인이 1개씩 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 석출 금속의 정량 분석 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 모니터링부는 음극의 표면에 쌓이는 금속 석출물의 질량에 따른 공명진동수 변화를 표시하는 것을 특징으로 하는 석출 금속의 정량 분석 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 공명진동수는 금속 석출물의 질량 증가에 반비례하여 감소하는 것을 특징으로 하는 석출 금속의 정량 분석 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 검출기는 전류가 흐르면 일정하게 진동이 발생하는 것을 특징으로 하는 석출 금속의 정량 분석 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 검출기는 수정 미세저울(Quartz Crystal Microbalance: QCM)인 것을 특징으로 하는 석출 금속의 정량 분석 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 질량환산부는, 석출된 금속의 종류별로 분류되어 공명진동수의 변화량에 따라 입력된 질량을 표시해주는 것을 특징으로 하는 석출 금속의 정량 분석 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 석출 금속의 정량 분석 장치는 석출된 금속의 정성분석 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 석출 금속의 정량 분석 장치.
  15. 제 3 항에 있어서, 상기 상부 케이스 및/또는 하부 케이스는 석출된 금속을 관찰할 수 있도록 투명한 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 석출 금속의 정량 분석 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 투명한 소재는 유리, 고분자 수지 또는 사파이어인 것을 특징으로 하는 석출 금속의 정량 분석 장치.
  17. 제 3 항에 있어서, 상기 하부 케이스의 높이는 검출기 및 전극조립체가 평면상 수직으로 적층된 높이와 상응하는 높이인 것을 특징으로 하는 석출 금속의 정량 분석 장치.
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