KR102254350B1 - 가스 분석용 모노셀의 가압 지그 및 이를 포함하는 가스 분석 장치 - Google Patents

가스 분석용 모노셀의 가압 지그 및 이를 포함하는 가스 분석 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 가스 분석용 모노셀의 가압 지그는, 모노셀을 사이에 두고 서로 마주하는 제1 플레이트 및 제2 플레이트, 상기 제1 플레이트와 상기 모노셀 사이에 위치하는 제1 보조 패드, 그리고 상기 제2 플레이트와 상기 모노셀 사이에 위치하는 제2 보조 패드를 포함하고, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트가 열경화성 수지인 가스 분석용 모노셀의 가압 지그이다.
본 발명의 모노셀 가압 지그는, 1차 충전 시 모노셀에서 발생하는 가스를 분석함에 있어서, 두께가 얇은 모노셀을 가압함으로써 1차 충전에 의한 전극 사이의 들뜸 현상을 방지해 보다 신뢰성 있는 분석 결과를 도출하는 효과가 있다.

Description

가스 분석용 모노셀의 가압 지그 및 이를 포함하는 가스 분석 장치{Pressing jig of mono-cell for gas analysis and apparatus containing the same}
본 발명은 모노셀의 가압 지그에 관한 것으로, 구체적으로는 모노셀의 가스 분석 시 모노셀을 가압하여 전극 사이의 들뜸 현상을 방지하는 가압 지그 및 이를 포함하는 가스 분석 장치에 관한 것이다.
이차전지는 제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가진다. 이러한 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HV, Hybrid Vehicle) 등에 일반적으로 사용된다.
일반적으로 이차전지는 활물질, 금속판, 그리고 전해질 등의 전기 화학적 반응에 의하여 충전 또는 방전 구동되는데, 이러한 충전 또는 방전 구동이 실행되는 동안 이차전지 내부에서 전기 화학적 반응에 의하여 가스가 발생할 수 있다.
이러한 가스는 이차전지의 전기 화학적 반응에 의한 부수물로써, 이차전지의 성능 향상, 이차전지의 구조 최적화, 활물질, 전해액 등의 성분 조정을 통한 충전 또는 방전 효율의 제고, 그리고 부수물의 최소화를 위하여 정확하고 정밀하게 분석할 필요가 있다.
소형 전지셀의 경우 그 크기가 작아 가스 추출 및 성분 분석이 비교적 용이하나, 중대형 셀의 경우 크기 및 용량이 커서 내부 가스의 정량분석 및 정성분석을 수행하기가 어렵다. 그래서 그 대안으로 모노셀을 제작하여, 이를 중대형 셀로 모사하는 조건 하에서 가스 분석을 할 수 밖에 없다. 그러나, 모노셀의 경우 그 두께가 매우 얇아서 전해액이 과량으로 주액되기 때문에 전극 사이의 들뜸 현상이 발생할 수 밖에 없어, 이를 가압하지 않으면 안된다.
종래의 가스 분석 장치는 모노셀을 가압할만한 장치 구성이 없는바, 모노셀을 가압할 수 있는 가스 분석 장치의 기술 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은 모노셀의 초기 충전 시 발생하는 가스의 발생량 및 조성을 실시간으로 분석하기 위한 가스 분석 장치에서 모노셀을 가압할 수 있는 가압 지그와 이를 구비한 가스 분석 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 일 실시예에 가스 분석용 모노셀의 가압 지그는 모노셀을 사이에 두고 서로 마주하는 제1 플레이트 및 제2 플레이트, 상기 제1 플레이트와 상기 모노셀 사이에 위치하는 제1 보조 패드, 그리고 상기 제2 플레이트와 상기 모노셀 사이에 위치하는 제2 보조 패드를 포함하고, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트가 열경화성 수지를 포함하는 것이 특징이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 플레이트는 사각형상이고, 코너에 위치하는 체결 부재를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2 플레이트는 사각형상이고, 코너에 위치하는 체결 홀을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 체결 부재는 상기 체결 홀과 서로 대응한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2 플레이트는 상기 모노셀의 내부 가스가 이동할 수 있는 가스 통과부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 플레이트는 상기 모노셀의 전극 리드가 위치하는 제1홈을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2 플레이트는 상기 모노셀의 전극 리드가 위치하는 제2홈을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 열경화성 수지는 베이클라이트(Bakelite)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 보조 패드 및 상기 제2 보조 패드는 실리콘 고무일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 플레이트 및 제2 플레이트의 각 두께는 1 내지 20mm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 보조 패드 및 상기 제2 보조 패드의 각 두께는 1 내지 10mm일 수 있다.
본 발명은 상기 가압 지그가 장착되는 모노셀의 가스 분석 장치로써, 상기 가압 지그와 대응되는 형상을 가지며, 상기 가압 지그가 분리 가능하게 끼워지는 수용홈을 구비하는 하부 챔버; 및 모노셀의 내부에서 발생된 내부 가스가 배출될 수 있도록 형성되는 가스 홀과 상기 가스 홀과 연결되어 상기 가스 홀을 통해 배출된 상기 내부 가스를 외부로 안내하는 포집관 및 충방전부와 상기 모노셀을 전기적으로 연결하는 연결 부재가 관통되는 충방전 홀을 구비하는 상부 챔버를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 가스 분석 장치는, 상부 챔버로부터 유입된 상기 내부 가스를 분석하는 분석 모듈; 모노셀을 충방전하는 충방전 모듈; 모노셀의 온도를 측정하는 온도 측정 모듈; 모노셀의 내부 가스의 분석 결과를 영상으로 출력하는 디스플레이 모듈; 및 상기 모듈들의 구동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 온도 측정 모듈은, 모노셀의 온도를 측정하는 온도 센싱 부재; 모노셀의 온도를 상승시키는 가열부 및 모노셀의 온도를 하강시키는 냉각부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 충방전 홀은 상기 연결 부재가 관통된 상태로 실링재가 도포되어 실링될 수 있다.
본 발명의 모노셀 가압 지그는, 1차 충전 시 모노셀에서 발생하는 가스를 분석함에 있어서, 두께가 얇은 모노셀을 가압함으로써 1차 충전에 의한 전극 사이의 들뜸 현상을 방지해 보다 신뢰성 있는 분석 결과를 도출하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 가스 분석 장치는 중대형 셀을 모사한 모노셀을 이용해 가스 분석을 할 수 있으므로, 가스 분석이 현실적으로 어려운 중대형 셀의 내부 가스의 발생량, 성분, 조성, 온도에 따른 가스 발생 시기, 전압에 따른 발생 가스 발생 시기 등을 실시간으로 용이하게 분석할 수 있는 이점이 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 분석용 모노셀의 가압 지그의 평면의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 분석용 모노셀의 가압 지그에 모노셀을 배치한 일 예의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 분석용 모노셀의 가압 지그에 모노셀이 장착된 구조의 일 예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모노셀의 가스 분석 장치의 분리 사시도이다.
도 7은 본 발명의 가압 지그가 본 발명의 가스 분석 장치에 결합되어 있는 구조를 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명의 가스 분석 장치의 제어 계통을 설명하기 위한 블록도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향 쪽으로 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1 내지 도 3을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 가스 분석용 모노셀의 가압 지그에 대해 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 분석용 모노셀의 가압 지그의 평면의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 분석용 모노셀의 가압 지그에 모노셀을 배치한 일 예의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 가스 분석용 모노셀의 가압 지그는 제1 플레이트(100), 제2 플레이트(200), 제1 보조 패드(300) 및 제2 보조 패드(400)를 포함한다.
제1 플레이트(100)는 전체적으로 사각형상이며, 평면상 위쪽에 제1홈(110)이 위치한다. 또한, 제1 플레이트(100)는 코너에 위치하는 체결 부재(120)를 포함한다. 체결 부재(120)는 사각형상의 제1 플레이트(100)의 네 코너에 각각 위치할 수 있다. 체결 부재(120)는 나사 또는 클립일 수 있다.
제2 플레이트(200)는 전체적으로 사각형상이며, 평면상 위쪽에 제2홈(210)이 위치한다. 또한, 제2 플레이트(200)는 코너에 위치하는 체결 홀(220)을 포함한다. 체결 홀(220)은 사각형상의 제2 플레이트(200)의 네 코너에 각각 위치할 수 있다. 또한, 제2 플레이트(200)는 모노셀에서 발생한 가스가 이동하는 가스 통과부(230)를 포함한다.
제1 플레이트(100)와 제2 플레이트(200) 사이에 모노셀(500)이 위치할 수 있다. 여기서, 모노셀(500)은 중대형의 이차 전지 셀을 모사하기 위한 모노셀이다. 상기 중대형 이차 전지 셀이란 20Ah 이상의 용량을 가진 셀을 적어도 하나 이상 포함하고 있는 중대형 셀 또는 중대형 셀 모듈을 포함하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
이차 전지의 초기 충전 시, SEI(Solid Electrolyte Interphase)막이 형성되는데, 이 때 발생하는 가스의 분석이 필요하다. 이차 전지의 초기 충전 동안 발생하는 가스의 발생량 및 조성의 분석은 초기 충전의 종결 시점을 결정하는데 주요한 자료가 된다.
하지만, 중대형 셀의 경우, 크기 및 용량이 커서 초기 충전 시 발생하는 가스의 발생량 및 조성의 실시간 분석에 어려움이 있다. 이에, 중대형 이차 전지 셀을 모사한 모노셀(500)을 이용하여 모노셀의 초기 충전 시 발생하는 가스의 발생량 및 조성을 분석할 수 있다. 이와 같이, 모노셀을 사용하면, 실제 중대형 이차 전지 셀이 적용된 자동차의 가스 분석에 비해 상대적으로 빠른 시간 및 용이하게 분석이 가능하다.
본 실시예에 따른 가스 분석용 모노셀의 가압 지그는 상기 모노셀의 초기 충전 시 발생하는 가스의 발생량 및 조성의 실시간 분석 시에 사용할 수 있다.
제1 보조 패드(300)는 제1 플레이트(100) 및 모노셀(500) 사이에 위치한다. 제2 보조 패드(400)는 제2 플레이트(200) 및 모노셀(500) 사이에 위치한다. 제1 보조 패드(300) 및 제2 보조 패드(400)는 사각형상일 수 있다.
제1 플레이트(100)에 위치하는 체결 부재(120)는 제2 플레이트(200)에 위치하는 체결 홀(220)에 각각 대응한다. 모노셀(500)의 내부에서 발생하는 가스 성분의 분석 시, 각 체결 부재(120)가 체결 홀(220)에 체결될 수 있다.
모노셀(500)의 경우, 중대형 셀을 모사한 모노셀로서, 두께가 얇고 전해액이 과량으로 주입되므로, 전극 사이의 들뜸으로 인하여 초기 충전 및 방전 시, 일정 이상의 압력으로 가압이 필요하게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 플레이트(100)에 위치하는 체결 부재(120)는 제2 플레이트(200)에 위치하는 체결 홀(220)에 각각 대응한다. 각 체결 부재(120)가 체결 홀(220)에 체결될 수 있다. 제2 플레이트(200)에 위치하는 체결 홀(220)은, 제1 플레이트(100)에 위치하는 체결 부재(120)의 설치 공간을 제공한다. 상기 체결 홀(220)은, 제2 플레이트의 4개의 코너에 형성되고, 체결 홀(120)의 내주면에는 상기 체결 부재(120)와 나사 결합 가능한 나사산이 형성된다. 이때, 모노셀(500)의 전극 리드는 제1 플레이트(100)의 제1홈(110) 및 제2 플레이트(200)의 제2홈(210) 내에 위치한다. 모노셀(500)의 전극 리드는 후술하는 충방전 모듈에 연결되어 모노셀(500)이 충전 또는 방전될 수 있다.
본 실시예에서는 제1 플레이트(100)에 위치하는 체결 부재(120)가 제2 플레이트(200)에 위치하는 체결 홀(220)에 체결됨에 따라, 제1 플레이트(100)와 제2 플레이트(200) 사이에 위치하는 모노셀(500)를 일정 이상의 압력으로 가압할 수 있다. 즉, 제1 플레이트(100)에 위치하는 체결 부재(120)를 제2 플레이트(200)에 위치하는 체결 홀(220)에 체결하여 제1 플레이트(100) 및 제2 플레이트(200)로 모노셀(500)를 가압할 수 있다.
이 때, 제1 플레이트(100) 및 제2 플레이트(200)는 전극 사이의 들뜸 현상을 방지하기 위해 모노셀을 가압해야 하므로, 일정 강도에서도 휘어지지 않는 소재가 바람직하다. 또한, 고온에서도 모노셀(500)의 초기 충전 시 발생하는 가스의 발생량 및 조성의 분석이 진행되어야 하므로, 내열성이 강한 소재가 바람직하다. 따라서 제1 플레이트(100) 및 제2 플레이트(200)는 열경화성 수지로 이루어질 수 있다.
열경화성 수지는 열을 가하면 우선 유동하지만, 다음에 3차원적으로 가지 구조가 생성되면서 경화한다. 이것은 재가열해도 빨리 용융되지 않는다. 열경화성 수지의 성형재료는 비교적 저분자량이며 가열에 의해 유동성을 나타내지만 첨가하는 경화제, 촉매, 가교 반응에 따라 이음매 상의 3차원 구조가 되면서 고분자화되어 분자의 자연스러운 움직임을 속박하여 용융하지 않게 된다. 이 때문에, 재가열해도 연화되지 않는다. 열경화성 수지는 경도가 높아 기계적 성질이나 전기적 절연성이 우수하며, 여러 종류가 있고 각각의 특성이 있다. 이 같은 열경화성 수지로는 페놀 수지, 멜라민 수지 및 실리콘 수지를 예시할 수 있다.
본 발명의 제1 플레이트 및 제2 플레이트는 상기 열경화성 수지 중에서도 페놀계 수지인 베이클라이트(Bakelite)가 가장 바람직하다. 상기 베이클라이트는 벤젠 및 포름 알데하이드를 사용하여 합성한 유기 중합체로써, 그 화학명이 polyoxybenzylmethylenglycolanhydride이다. 베이클라이트는, 압력에 대해 변형되지 않는 충분한 강성을 가지면서도, 내열성이 좋아 150~180℃로 가열하여도 연화되지 않는 특성을 가지고 있어, 고온의 가스에 의해서도 변형이 일어나지 않아 본 발명의 제1 플레이트 및 제2 플레이트의 소재로서 가장 바람직한 것이다.
제1 플레이트 및 제2 플레이트의 각 두께는 1 내지 20mm일 수 있으며, 바람직하게는 3 내지 15mm일 수 있으며, 가장 바람직하게는 5 내지 12mm일 수 있다. 제1 플레이트 및 제2 플레이트의 각 두께가 1mm 미만이면 모노셀을 충분한 압력으로 가압할 수 없고, 20mm를 초과하면 가스 분석 장치의 내부에 장착하기 어려울 수 있어 바람직하지 않다.
제1 보조 패드(300) 및 제2 보조 패드(400)는 각각 제1 플레이트(100)와 모노셀(500) 사이 및 제2 플레이트(200)와 모노셀(500) 사이에 위치하여 가압 시의 충격을 완화할 수 있고, 모노셀(500)의 표면 손상을 방지하는 기능을 한다.
상기 제1 보조 패드(300) 및 제2 보조 패드(400)는 그 목적상 탄성을 가지고 있어야 하고, 절연성을 가지고 있어야 하며, 가스 분석용 지그에 사용되므로 고온에도 변형되지 않는 소재여야 한다. 이 같은 특성을 만족시키는 소재로써 실리콘 고무가 바람직하다. 실리콘 고무는 실리콘 원자 주위에 탄소 유기체가 결합한 폴리머로, 섭씨 마이너스 100도에서 300도까지 극한 환경에서도 물성 변화가 거의 없고, 내열성, 내화성, 고압 절연성을 가지고 있어 본 발명의 보조 패드 소재로써 가장 바람직하다.
제1 보조 패드 및 상기 제2 보조 패드의 각 두께는 1 내지 10mm일 수 있으며, 바람직하게는 2 내지 8mm, 더욱 바람직하게는 3 내지 7mm일 수 있다. 보조 패드의 두께가 1mm 미만이면 완충 효과가 거의 없어 바람직하지 않고, 10mm를 초과하면 모노셀에 적절한 압력을 가하기에 적합하지 않은 문제가 있다.
한편, 본 실시예에서는 제1 플레이트(100), 제2 플레이트(200), 제1 보조 패드(300) 및 제2 보조 패드(400)가 사각형상인 것을 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 다양한 형상일 수 있다.
그러면, 도 4 및 도 5를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 분석용 모노셀의 가압 지그에 모노셀(500)이 장착된 구조에 대하여 설명한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 분석용 모노셀의 가압 지그에 모노셀이 장착된 구조의 일 예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 모노셀(500)은 제1 플레이트(100) 및 제2 플레이트(200) 사이에 위치한다. 제1 보조 패드(미도시)는 제1 플레이트(100) 및 모노셀(500) 사이에 위치하고, 제2 보조 패드(미도시)는 제2 플레이트(200) 및 모노셀(500) 사이에 위치한다. 여기서, 모노셀(500)은 중대형 용량의 이차 전지 셀을 모사한 모노셀일 수 있다.
모노셀(500)의 전극 리드는 제1 플레이트(100)의 제1홈(110) 및 제2 플레이트(200)의 제2홈(210) 내에 위치한다. 모노셀(500)의 전극 리드는 후술하는 충방전 모듈에 연결되어 모노셀(500)이 충전 또는 방전될 수 있다.
제2 플레이트(200)는 가스 통과부(230)를 포함한다. 가스 통과부(230)는 모노셀(500)의 초기 충전 시 발생하는 가스의 발생량 및 조성을 분석할 수 있도록 기체가 이동하는 역할을 한다.
외부 전원으로부터 모노셀(500)의 전극 리드에 전압이나 전류를 인가하여 모노셀(500)이 충전 및 방전하게 되면 모노셀(500)의 전극 사이의 들뜸 현상이 발생하고, 이를 방지하기 위하여 체결 부재(120)와 체결 홀(220)을 체결하여 제1 플레이트(100) 및 제2 플레이트(200)로 모노셀(500)을 가압한다.
모노셀(500)의 초기 충전 시 발생하는 가스의 발생량 및 조성을 분석하기 위하여 가스 통과부(230)를 통하여 기체가 통과한다.
이와 같은 모노셀의 가압 지그는 이차 전지 셀의 가스 분석 장치 내부에 장착되어 모노셀을 가압함으로써, 모노셀의 초기 충전 시 들뜸 현상을 방지하여 보다 신뢰성 높은 분석을 수행할 수 있게 한다.
이하, 상기 모노셀의 가압 지그가 장착되는 모노셀의 가스 분석 장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모노셀의 가스 분석 장치의 분리 사시도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모노셀의 가스 분석 장치는, 본 발명의 가압 지그와 대응되는 형상을 가지며, 상기 가압 지그가 분리 가능하게 끼워지는 수용홈을 구비하는 하부 챔버(10); 및 모노셀(500)의 내부에서 발생된 내부 가스가 배출될 수 있도록 형성되는 가스 홀(21)과 상기 가스 홀과 연결되어 상기 가스 홀을 통해 배출된 상기 내부 가스를 외부로 안내하는 포집관(22) 및 충방전부와 상기 이차 전지 셀을 전기적으로 연결하는 연결 부재(54)가 관통되는 충방전 홀(23)을 구비하는 상부 챔버(20)를 포함한다.
도 7은 본 발명의 모노셀 가압 지그가 장착된 상태를 나타내는 하부 챔버의 평면도다. 하부 챔버(10)는 분석 대상인 모노셀(500)을 장착한 가압 지그가 수용되는 부재이다. 하부 챔버는 금속 재질로 형성되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
하부 챔버(10)는, 도 6,7에 도시된 바와 같이, 모노셀 가압 지그와 대응되는 형상을 가지며, 모노셀 가압 지그가 분리 가능하게 끼워지는 수용홈(11), 수용홈(11)의 둘레를 따라 형성되는 실링홈(13), 실링홈(13)에 마련되는 수용홈(11)과 상부 챔버(20) 사이를 실링하는 실링 부재(15), 테두리부에 형성되며, 후술할 결합 볼트(32)가 나사와 결합되는 하부 결합 홀(17)을 포함한다.
수용홈(11)은, 모노셀 가압 지그의 수용 공간을 제공한다. 수용홈(11)은 도 6,7에 도시된 바와 같이, 모노셀 가압 지그가 분리 가능하게 끼워질 수 있도록 모노셀 가압 지그와 대응되는 형상을 갖는다.
하부 결합홀(17)은, 후술할 결합 부재(30)와의 결합 볼트(32)의 설치 공간을 제공한다. 하부 결합홀(17)은, 실링홈(13)의 둘레를 따라 마련된 하부 챔버(10)의 테두리부에 미리 정해진 간격으로 복수 개가 형성된다. 하부 결합홀(17)의 내주면에는 결합 볼트(32)와 나사 결합 가능한 나사산이 형성된다.
실링홈(13)은, 후술할 실링 부재(15)의 설치 공간을 제공한다. 실링홈(13)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 상부 챔버(30)와 하부 챔버(10)가 결합되었을 때 상부 챔버(20)의 저면과 대면하도록 수용홈(11)의 둘레를 따라 형성된다.
실링 부재(15)는, 상부 챔버(20)와 수용홈(11) 사이를 실링하기 위한 부재이다. 실링 부재(15)는 도 6에 도시된 바와 같이, 수용홈(11)을 둘러싸도록 실링홈(13)에 설치된다. 실링 부재의 설치 방법은 특별히 한정되지 않는다.
한편 실링 부재(15)는, 실링홈(13)에 설치되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉 실링 부재(15)는, 상부 챔버(20)의 저면과 수용홈(11) 사이를 실링하도록 상부 챔버(20)의 저면에 설치될 수도 있다.
하부 결합홀(17)은, 후술할 결합 부재(30)와의 결합 볼트(32)의 설치 공간을 제공한다. 하부 결합홀(17)은, 실링홈(13)의 둘레를 따라 마련된 하부 챔버(10)의 테두리부에 미리 정해진 간격으로 복수 개가 형성된다. 하부 결합홀(17)의 내주면에는 결합 볼트(32)와 나사 결합 가능한 나사산이 형성된다.
상부 챔버(20)는 모노셀 가압 지그가 수용된 수용홈(11)의 개구부를 폐쇄하기 위한 부재이다. 상부 챔버(20)는 도 6에 도시된 바와 같이, 수용홈(11)의 개구부를 폐쇄하도록 하부 챔버(10)의 상부에 결합된다.
상부 챔버(20)는 도 6에 도시된 바와 같이, 모노셀(500)의 내부에서 발생된 내부 가스가 배출될 수 있도록 형성되는 가스 홀(21), 가스 홀(21)을 통해 배출된 상기 내부 가스를 외부로 안내하는 포집관(22), 후술할 충방전 모듈(50)의 연결 부재(54)를 설치하기 위한 충방전 홀(23) 및 후술할 결합 부재(30)의 결합 볼트(32)가 나사 결합되는 상부 결합홀(25)을 포함한다.
가스홀(21)은, 모노셀(500)의 내부에서 발생된 내부 가스를 수용홈(11)으로부터 배출시키기 위한 배출구를 제공한다. 가스홀(21)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 수용함과 연통되도록 상부 챔버(20)가 관통되어 형성된다. 따라서 모노셀의 내부에서 발생되어 수용홈(11)으로 방출된 모노셀의 내부 가스는 가스홀(21)을 통해 배출될 수 있다.
포집관(22)은, 상부 챔버(20)의 가스홀(21)을 통해 배출된 내부 가스를 포집하기 위한 부재이다. 포집관(22)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 일단이 가스홀(21)과 연통되도록 상부 챔버(20)의 상면에 결합되며, 타단이 후술할 분석 모듈(40)의 가스관(42)의 일단과 결합된다. 여기서 포집관(22)의 타단과 가스관(42)의 일단은 너트(22a)에 의하여 나사 결합될 수 있다. 이와 같이, 포집관(22)이 마련됨에 따라, 가스홀(21)을 통해 배출된 내부 가스는 포집관(22)에 의해 포집되어 분석 모듈(40)의 가스관(42)으로 안내될 수 있다.
충방전 홀(23)은, 후술할 충방전 모듈(50)의 연결 부재(54)를 설치하기 위한 통로를 제공한다. 충방전 홀(23)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 연결 부재(54)가 관통될 수 있도록 상부 챔버(20)가 관통되어 형성된다. 또한 충방전 홀(23)을 통해 내부 가스가 누출되는 것을 방지하기 위하여, 충방전 홀(23)은 연결 부재(54)가 관통된 상태로 실링재(미도시)가 도포되어 실링된다. 실링재(미도시)는, 실리콘 고무가 사용되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 상부 챔버(20)에 추가로 온도 센싱 홀(미도시)이 형성된다. 온도 센싱 홀은 온도 측정 모듈의 온도 센싱 부재를 설치하기 위한 통로를 제공한다. 온도 센싱 홀은, 온도 센싱 부재의 전도성 와이어들이 관통될 수 있도록 상부 챔버가 관통되어 형성된다. 또한 온도 센싱 홀을 통해 내부 가스가 누출되는 것을 방지하기 위하여, 온도 센싱 홀은 전도성 와이어들이 관통된 상태로 실링재가 도포되어 실링될 수 있다. 상기 실링재는 실리콘 고무가 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 온도 센싱 홀과 충방전 홀(23)과 별도로 형성되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 온도 센싱 홀과 충방전 홀은 일체로 형성될 수 있다.
상부 결합홀(25)은, 후술할 결합 부재(30)의 결합 볼트(32)의 설치 공간을 제공한다. 상부 결합홀(25)은, 하부 결합홀(17)들과 각각 대응되도록 상부 챔버(20)의 테두리부에 미리 정해진 간격으로 복수 개가 형성된다. 상부 결합홀(25)의 내주면에는, 결합 볼트(32)의 나사 결합 가능한 나사산이 형성된다.
다음으로, 결합 부재(30)는, 수용홈(11)이 폐쇄되도록 하부 챔버(10)와 상부 챔버(20)를 밀착 결합시키기 위한 부재이다. 결합 부재(30)는 도 6에 도시된 바와 같이, 하부 결합홀(17) 및 상부 결합홀(25)과 나사 결합되는 복수의 결합 볼트(32), 결합 볼트(32)와 나사 결합되어 하부 챔버(10)와 상부 챔버(20)를 밀착시키는 너트(34)를 포함한다.
결합 볼트(32)는 볼트 머리가 상부 챔버(20)의 상면에 지지되고, 단부가 하부 결합홀(17)을 관통하도록 상부 결합홀(25) 및 이와 대응되는 하부 결합홀(17)에 나사 결합된다. 이에 대응하여, 너트(34)는 하부 결합홀(17)을 관통한 결합 볼트(32)이 단부와 나사 결합된다. 그러면, 상부 챔버(20)와 하부 챔버(10)는, 볼트 머리와 너트(34)에 의해 조여져 밀착 결합된다. 따라서, 실링 부재(15)는, 결합 부재(30)에 의해 상부 챔버(20)의 저면과 더욱 강하게 가압 접촉되므로, 상부 챔버(20)의 저면과 수용홈(11) 사이를 보다 확실하게 실링할 수 있다.
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 본 발명의 가압 지그가 본 발명의 가스 분석 장치에 수용된 형태를 도시하고 있다. 도 7을 참조하면, 상기 수용홈(11) 내부에 제2 보조 패드(미도시)가 부착된 제2 플레이트(200)가 하부 챔버로부터 분리 가능하게 끼워져 있다. 가스 분석을 위하여 제2플레이트(120)에 부착되어 있는 제2 보조 패드(미도시) 상에 분석 대상 모노셀(500)을 장착한 후, 제1 플레이트의 제1 보조 패드가 상기 모노셀(500)과 맞닿도록 위치시킨 후, 제1 플레이트의 체결 부재(미도시) 및 제2 플레이트(100)의 체결 홀(미도시)의 볼트 결합의 방법으로 제1 플레이트와 제2 플레이트를 체결한다.
한편, 가스 분석 장치의 하부 챔버(10)의 수용홈(11) 내부에 제1 플레이트(100), 모노셀(500) 및 제2 플레이트(200)를 순차적으로 위치시켜 체결하는 방식을 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니고, 먼저 본 발명의 가압 지그에 모노셀(500)을 수용한 후, 제1 플레이트의 체결 부재(120) 및 제2 플레이트(100)를 체결한 가압 지그를 하부 챔버(10)의 수용홈(11) 내부에 장착하는 것도 가능하다.
또한, 상부 챔버에 체결 부재(120)가 관통할 수 있는 별도의 가압 체결 홀(미도시)을 마련하여, 상기 체결 부재(120)가 상기 가압 체결 홀(미도시)을 통해 상부 챔버와 제1 플레이트 및 제2 플레이트를 체결하여 모노셀(500)을 가압하는 것도 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모노셀의 가스 분석 장치는, 모노셀의 내부 가스를 가스홀(21) 및 포집관(22)을 통해 포집할 수 있다. 이와 같이 포집된 내부 가스를 분석하여 안전하고 안정적인 이차 전지를 구현하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모노셀의 가스 분석 장치는, 상부 챔버(20)로부터 유입된 상기 내부 가스를 분석하는 분석 모듈(40); 모노셀을 충방전하는 충방전 모듈(50); 모노셀의 온도를 측정하는 온도 측정 모듈(60); 모노셀의 내부 가스의 분석 결과를 영상으로 출력하는 디스플레이 모듈(70); 및 상기 모듈들의 구동을 제어하는 제어부(80)를 포함한다.
먼저 분석 모듈(40)은 포집관(22)에 의하여 포집된 내부 가스를 분석하기 위한 장치이다. 분석 모듈(40)은 도 6에 도시된 바와 같이, 그 일단이 포집관(22)의 타관과 연결되는 가스관(42)을 포함한다. 따라서, 분석 모듈(40)은, 포집관(22)으로부터 내부 가스를 전달 받아, 내부 가스를 정량 및 정성 분석하여 내부 가스의 성분, 질량 및 부피 등에 대한 데이터를 생성할 수 있다.
다음으로, 충방전 모듈(50)은 수용홈(11)에 장착된 모노셀을 충방전하기 위한 부재이다. 충방전 모듈은 모노셀을 충방전하는 충반전부(52), 충방전부와 모노셀을 전기적으로 연결하는 연결 부재(54) 및 모노셀에 인가되거나 모노셀이 인가하는 전압 및 전류를 측정하는 측정부(56)를 포함한다.
충방전부(52)는, 연결 부재(54)에 의하여 모노셀의 전극 리드(미도시)들과 연결되어, 모노셀을 충방전시킨다. 연결 부재(54)의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어 연결 부재(54)는 모노셀의 전극 리드들을 충방전부(52)와 전기적으로 연결하는 한쌍의 전기 배선들을 포함한다. 한 쌍의 전기 배선들은 각각 상부 챔버(20)의 충방전 홀(23)을 관통하여 수용홈(11)의 내부로 연장되며, 전기 배선들의 단부에 마련된 단자들은 모노셀의 전극 리드들과 각각 전기적으로 연결된다.
측정부(56)는, 모노셀에 인가되거나 모노셀이 인가하는 전압 및 전류를 측정하여 제어부(80)로 전달한다. 제어부(80)는 측정부(56)로부터 전달 받은 전압 및 전류 데이터와 분석 모듈(40)로부터 전달 받은 내부 가스의 정량 및 정성 분석 데이터를 종합하여, 내부 가스가 발생되는 특정 전압 또는 특정 전류에 대한 데이터를 생산할 수 있다.
온도 측정 모듈(60)은, 수용홈(11)에 장착된 모노셀의 온도를 측정하기 위한 부재이다. 온도 측정 모듈(60)은, 모노셀의 온도를 측정하는 온도 센싱 부재, 모노셀의 온도를 상승시키는 가열부(64), 모노셀의 온도를 하강시키는 냉각부(66)를 포함한다.
온도 센싱 부재의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예들 들어 상부 챔버에 형성된 온도 센싱홀을 관통하여 수용홈(11) 내부로 연장되며, 비드는 모노셀과 접촉되도록 설치된다. 그러면, 온도 측정 모듈은, 비드의 온도가 변화됨에 따라 전도성 와이어들과 연결된 온도 측정 모듈의 전기 회로에 발생되는 전압을 측정함으로써 모노셀의 온도를 측정할 수 있다.
상기 가열부(64)는 모노셀을 이용하여 중대형 셀을 모사하기 위해 필요한 필수 부재이다. 일반적으로 모노셀의 충전상태(State of charge; SOC)에 따른 전압 및 온도 프로파일은 중대형 셀과 차이가 있다. 그러나, 모노셀을 가열하게 되면 충전상태에 따른 전압 및 온도 프로파일이 중대형 셀의 그것과 유사해진다. 따라서, 중대형 셀의 내부 가스 분석을 위해 모노셀을 이용하는 본 발명에 있어서, 중대형 셀의 모사를 위해서는 모노셀을 가열할 수 있는 가열부(64)가 필수적 부재인 것이다.
가열부(64)는 상부 챔버와 하부 챔버 중 적어도 어느 하나와 접촉되도록 설치되며, 상부 챔버와 하부 챔버 중 적어도 어느 하나에 열을 인가하여 수용홈(11) 내부에 수용된 모노셀을 가열시킬 수 있다.
냉각부(66)는 상부 챔버와 하부 챔버 중 적어도 어느 하나와 접촉되도록 설치되며, 상부 챔버와 하부 챔버 중 적어도 어느 하나를 냉각시켜 수용홈(11) 내부에 수용된 모노셀을 냉각시킬 수 있다.
가열부(64)와 냉각부(66)의 구조는 특별히 한정되지 않으며, 일반적으로 사용되는 히팅 장치와 냉각 장치가 가열부(64)와 냉각부(66)로 사용될 수 있다. 가열부(64)와 냉각부(66)에 의하여 모노셀에 발생된 온도 변화는 온도 센싱 부재에 의하여 실시간으로 측정될 수 있다.
한편 온도 측정 모듈은, 온도 센싱 부재에 의하여 측정된 이차 전지의 온도를 제어부(80)로 전달한다. 제어부(80)는, 온도 측정 모듈(60)로부터 전달받은 온도 데이터와 분석 모듈로부터 전달 받은 내부 가스의 정량 및 정성 분석 데이터를 종합하여, 내부 가스가 발생되는 특정 온도에 대한 데이터를 생성할 수 있다.
다음으로, 디스플레이 모듈(70)은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지 셀의 가스 분석 장치가 구비하고 있는 모듈들에 의하여 수집된 데이터를 영상으로 출력하는 장치이다. 예를 들어 디스플레이 모듈(70)은 내부 가스의 정량 및 정성 분석 데이터, 내부 가스가 발생되는 특정 전압 또는 특정 전류에 대한 데이터 및 내부 가스가 발생되는 특정 온도에 대한 데이터 등을 영상으로 출력할 수 있다.
이와 같이, 모노셀의 초기 충전 시 발생하는 가스의 발생량 및 조성의 실시간 분석 시, 본 실시예에 따른 가스 분석용 모노셀의 가압 지그를 사용하여 가스의 발생량 및 조성의 실시간 분석을 용이하게 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 제1 플레이트 110: 제1홈
120: 체결 부재 200: 제2 플레이트
210: 제2홈 220: 체결 홀
230: 가스 통과부 300: 제1 보조 패드
400: 제2 보조 패드 500: 모노셀
10: 하부 챔버
11: 수용홈 13: 실링홈
15: 실링 부재 17: 하부 결합홀
20: 상부 챔버
21: 가스홀 22: 포집관
23: 충방전 홀 23a: 실링재
25: 상부 결합홀
30: 결합 부재
32: 결합 볼트 34: 너트
40: 분석 모듈
50: 충방전 모듈
52: 충방전 부 54: 측정부
60: 온도 측정 모듈
62: 온도 센싱 부재 64: 가열부
66: 냉각부
70: 디스플레이 모듈
80: 제어부

Claims (15)

  1. 모노셀의 초기 충전 시 발생하는 가스의 분석을 위한 모노셀의 가압 지그로서,
    모노셀을 사이에 두고 서로 마주하는 제1 플레이트 및 제2 플레이트,
    상기 제1 플레이트와 상기 모노셀 사이에 위치하는 제1 보조 패드, 그리고
    상기 제2 플레이트와 상기 모노셀 사이에 위치하는 제2 보조 패드를 포함하고,
    상기 제1 플레이트는 사각형상이고, 코너에 위치하는 체결 부재를 포함하고,
    상기 제2 플레이트는 사각형상이고, 코너에 위치하는 체결 홀을 포함하고,
    상기 체결 부재는 상기 체결 홀과 서로 대응하고, 상기 체결 부재와 상기 체결 홀이 체결하여 모노셀을 가압하며,
    상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트가 열경화성 수지를 포함하는 가스 분석용 모노셀의 가압 지그.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 플레이트는 상기 모노셀의 내부 가스가 이동할 수 있는 가스 통과부를 포함하는 가스 분석용 모노셀의 가압 지그.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 플레이트는 상기 모노셀의 전극 리드가 위치하는 제1홈을 포함하는 가스 분석용 모노셀의 가압 지그.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 플레이트는 상기 모노셀의 전극 리드가 위치하는 제2홈을 포함하는 가스 분석용 모노셀의 가압 지그.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 열경화성 수지는 베이클라이트(Bakelite)인 가스 분석용 모노셀의 가압 지그.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 보조 패드 및 상기 제2 보조 패드는 실리콘 고무인 것을 특징으로 한 가스 분석용 모노셀의 가압 지그.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 플레이트 및 제2 플레이트의 각 두께는 1 내지 20mm인 것을 특징으로 한 가스 분석용 모노셀의 가압 지그.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 보조 패드 및 상기 제2 보조 패드의 각 두께는 1 내지 10mm인 것을 특징으로 한 가스 분석용 모노셀의 가압 지그.
  12. 제 1 항의 가압 지그와 대응되는 형상을 가지며, 상기 가압 지그가 분리 가능하게 끼워지는 수용홈을 구비하여, 상기 가압 지그가 장착되는 하부 챔버; 및
    모노셀의 내부에서 발생된 내부 가스가 배출될 수 있도록 형성되는 가스 홀과 상기 가스 홀과 연결되어 상기 가스 홀을 통해 배출된 상기 내부 가스를 외부로 안내하는 포집관 및 충방전부와 상기 모노셀을 전기적으로 연결하는 연결 부재가 관통되는 충방전 홀을 구비하는 상부 챔버를 포함하는 모노셀의 가스 분석 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상부 챔버로부터 유입된 상기 내부 가스를 분석하는 분석 모듈;
    모노셀을 충방전하는 충방전 모듈;
    모노셀의 온도를 측정하는 온도 측정 모듈;
    모노셀의 내부 가스의 분석 결과를 영상으로 출력하는 디스플레이 모듈; 및
    상기 모듈들의 구동을 제어하는 제어부를 포함하는 모노셀의 가스 분석 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 온도 측정 모듈은, 모노셀의 온도를 측정하는 온도 센싱 부재;
    모노셀의 온도를 상승시키는 가열부 및
    모노셀의 온도를 하강시키는 냉각부를 포함하는 모노셀의 가스 분석 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 충방전 홀은 상기 연결 부재가 관통된 상태로 실링재가 도포되어 실링되는 것을 특징으로 하는 모노셀의 가스 분석 장치.
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