KR102266508B1 - 전지 급속 충전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지 급속 충전 시스템을 개시한다. 시스템은 기공도가 25 내지 35%이고 음극 로딩량이 x0인 리튬 이차 전지를 포함한다. 또한, 시스템은 2차 함수로 표현되는 충전 전류 씨레이트에 관한 상한 경계 조건의 제1계수 정보를 맵핑할 수 있는 데이터를 포함하는 룩업 테이블과 상기 음극 로딩량(x0)에 관한 정보가 저장된 저장 유닛을 포함한다. 또한, 시스템은 리튬 이차 전지의 충전이 개시되면 상기 저장 유닛으로부터 상기 음극 로딩량(x0)에 관한 정보를 독출하고, 상기 룩업 테이블로부터 상기 상한 경계 조건을 나타내는 2차 함수의 제1계수 정보를 결정하고, 상기 제1계수 정보를 이용하여 충전전류의 씨레이트 범위를 결정하고, 상기 결정된 씨레이트 범위를 충족하는 충전전류를 상기 리튬 이차 전지에 공급하는 충전 제어 장치;를 포함한다.

Description

전지 급속 충전 시스템{Battery Rapid Charging System}
본 발명은 리튬 이차 전지의 급속 충전 시스템에 관한 것으로서, 최대 에너지 밀도 및 최대 급속 충전 성능을 얻어낼 수 있도록 설계된 리튬 이차 전지를 급속으로 충전하는 시스템에 관한 것이다.
리튬 이차 전지는 휴대폰, 랩탑 컴퓨터, 스마트 폰, 스마트 패드 등의 모바일 디바이스뿐만 아니라 전기로 구동되는 자동차(EV, HEV, PHEV)나 대용량 전력 저장 장치(ESS) 등의 분야로까지 그 용도가 급속도로 확산되고 있다.
리튬 이차 전지가 자동차, 정보통신 디바이스 등에 적용됨에 있어서 급속 충전이 중요한 기술로 여겨지고 있다.
급속 충전 시 발생하는 가장 큰 문제는 음극 표면에서 리튬 덴드라이트가 형성(석출)되는 것이다. 여기서, 음극의 재질은 통상적으로 흑연이다. 리튬 덴드라이트는 음극의 표면을 막아서 충방전 시 리튬의 이동을 방해한다. 또한 리튬 덴드라이트는 전해액과의 부반응을 수반하여 리튬 이차 전지의 수명 성능에도 악영향을 미친다.
급속충전에 유리한 음극 재료로는 하드 카본, 소프트카본, 그라핀 등이 있다. 이들 재료는 흑연을 대체할만한 재료로 여겨진다. 하지만, 상기 재료들은 비가역 용량이 크고 리튬 금속을 기준으로 전위가 낮아서 리튬 이차 전지의 평균 전압을 감소시킨다. 평균 전압이 감소되면, 리튬 이차 전지의 에너지 밀도가 떨어진다.
따라서, 음극 재료의 튜닝만으로는 리튬 이차 전지의 급속 충전 성능을 향상시키는데 한계가 있다. 즉, 음극 재료를 적절히 선택하면, 급속 충전 과정에서 리튬 덴드라이트가 석출되는 것을 완화시킬 수 있지만, 에너지 밀도의 저하가 수반되는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해서는, 리튬 이차 전지의 에너지 밀도를 떨어뜨리지 않으면서도 급속충전 성능이 발현되는 전지 자체의 적절한 디자인이 요구된다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 배경하에 창안된 것으로서, 기존 흑연계 재료를 음극 재료로서 그대로 사용하면서 동시에 높은 에너지 밀도를 확보할 수 있도록 음극 로딩량을 설계하고, 설계된 음극 로딩 조건에 따라 최적화된 조건으로 리튬 이차 전지를 급속 충전할 수 있는 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지 급속 충전 시스템은, 음극 기공도가 25 내지 35%이고 음극 로딩량이 x0인 리튬 이차 전지와, 2차 함수로 표현되는 충전전류의 씨레이트에 관한 상한 경계 조건의 제1계수 정보를 맵핑할 수 있는 룩업 테이블과 상기 음극 로딩량(x0)에 관한 정보가 저장된 저장 유닛과, 상기 저장 유닛으로부터 상기 음극 로딩량(x0)에 관한 정보를 독출하고, 상기 룩업 테이블로부터 상기 상한 경계 조건을 나타내는 2차 함수의 제1계수 정보를 결정하고, 상기 제1계수 정보를 이용하여 충전전류의 씨레이트 범위를 결정하고, 상기 결정된 씨레이트 범위를 충족하는 충전전류를 상기 리튬 이차 전지에 공급하도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 룩업 테이블은 2차 함수로 표현되는 충전전류의 씨레이트에 관한 하한 경계 조건의 제2계수 정보를 맵핑할 수 있는 데이터를 더 포함하고, 상기 충전 제어 장치는, 상기 저장 유닛으로부터 상기 음극 로딩량(x0)에 관한 정보를 독출하고, 상기 룩업 테이블로부터 상기 상한 경계 조건을 나타내는 2차 함수의 제1계수 정보와 상기 하한 경계 조건을 나타내는 2차 함수의 제2계수 정보를 결정하고, 상기 결정된 제1계수 정보 및 제2계수 정보를 이용하여 충전전류의 씨레이트 범위를 결정하고, 상기 결정된 씨레이트 범위를 충족하는 충전전류를 상기 리튬 이차 전지에 공급하는 충전 제어 장치;를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 리튬 이차 전지는 양극재 및 음극재로서 리튬 금속 산화물과 흑연을 포함하고, 상기 상한 경계 조건에 해당하는 2차 함수는 26-0.16x+0.00027x2일 수 있다. 또한, 상기 하한 경계 조건에 해당하는 2차 함수는 15-0.1x+0.00018x2일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 룩업 테이블은 상기 리튬 이차 전지의 음극재 및 양극재의 종류에 관한 정보에 따라 상기 상한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 제1계수 정보를 맵핑할 수 있는 데이터를 더 포함하고, 상기 저장 유닛은 상기 리튬 이차 전지의 양극재 및 음극재에 관한 종류 정보를 더 포함하고, 상기 충전 제어 장치는, 상기 리튬 이차 전지의 충전이 개시되면, 상기 저장 유닛으로부터 상기 리튬 이차 전지의 양극재 및 음극재에 관한 종류 정보를 식별하고, 식별된 양극재 및 음극재의 종류 정보에 대응되는 상기 상한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 제1계수 정보를 맵핑하고, 맵핑된 제1계수 정보와 상기 음극 로딩량(x0)에 관한 정보를 이용하여 충전전류의 씨레이트 범위를 결정하고, 상기 결정된 씨레이트 범위를 충족하는 충전전류를 상기 리튬 이차 전지에 공급하도록 구성될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 룩업 테이블은 상기 리튬 이차 전지의 음극재 및 양극재의 종류에 관한 정보에 따라 상기 상한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 제1계수 정보와 하한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 제2계수 정보를 맵핑할 수 있는 데이터를 포함하고, 상기 저장 유닛은 상기 리튬 이차 전지의 양극재 및 음극재에 관한 종류 정보를 더 포함하고, 상기 충전 제어 장치는, 상기 리튬 이차 전지의 충전이 개시되면, 상기 저장 유닛으로부터 상기 리튬 이차 전지의 양극재 및 음극재에 관한 종류 정보를 식별하고, 식별된 양극재 및 음극재의 종류 정보에 대응되는 상기 상한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 제1계수 정보와 상기 하한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 제2계수 정보를 맵핑하고, 맵핑된 제1계수 정보 및 제2계수 정보와 상기 음극 로딩량(x0)에 관한 정보를 이용하여 충전전류의 씨레이트 범위를 결정하고, 상기 결정된 씨레이트 범위를 충족하는 충전전류를 상기 리튬 이차 전지에 공급하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존 흑연계 재료를 그대로 사용하여 높은 에너지 밀도를 확보하면서도 동시에 고객의 적정 급속충전 성능을 만족시킬 수 있는 리튬 이차 전지의 음극 로딩량 설계가 가능하며, 또한 최적의 조건에서 리튬 이차 전지의 급속 충전이 가능하다는 장점이 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 리튬 이차 전지의 음극 로딩량에 따라 급속 충전전류의 씨레이트 범위를 설계하기 위해 복수의 샘플 전지들에 대해 실시한 수명 성능 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 충전전류의 씨레이트에 대한 상한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 피팅 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 충전전류의 씨레이트에 대한 하한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 피팅 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 2 및 도 3에서 얻은 2차 함수를 함께 표시하여 음극 로딩량에 따른 충전전류의 씨레이트에 대한 상한과 하한 경계 조건을 함께 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전지 급속 충전 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 출원을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하에서 설명되는 실시 예에 있어서, 리튬 이차 전지라 함은 충전과 방전이 이루어지는 동안 리튬 이온이 작동 이온으로 작용하여 양극과 음극에서 전기화학적 반응을 유발하는 이차 전지를 총칭한다.
한편, 리튬 이차 전지에 사용된 전해질이나 분리막의 종류, 리튬 이차 전지를 포장하는데 사용된 포장재의 종류, 리튬 이차 전지의 내부 또는 외부의 구조 등에 따라 이차 전지의 명칭이 변경되더라도 리튬 이온이 작동 이온으로 사용되는 이차 전지라면 모두 상기 리튬 이차 전지의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
본 발명은 리튬 이차 전지 이외의 다른 이차 전지에도 적용이 가능하다. 따라서 작동 이온이 리튬 이온이 아니더라도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 이차 전지라면 그 종류에 상관 없이 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
본 발명에 있어서, 리튬 이차 전지는 전극 조립체와 이를 포장하는 포장재를 포함한다. 전극 조립체는 양극/분리막/음극을 포함하는 단위 셀이 복수개 적층된 구조를 가진다. 전극 조립체는 양극 단자와 음극 단자를 가지며, 양극 단자와 음극 단자는 포장재를 통해 외부로 노출된다.
일 측면에 따르면, 양극은 금속 집전체 및 상기 금속 집전체의 적어도 한쪽 면에 코칭된 양극재 코팅층을 포함한다.
상기 금속 집전체는 화학적인 안정성이 있고 전도성이 높은 재질로 이루어진다. 일 예로, 상기 금속 집전체는, 알루미늄, 스테인레스 스틸, 니켈, 티탄, 소성 탄소 등으로 이루어질 수 있다. 바람직하게, 상기 금속 집전체는 알루미늄으로 이루어진다.
일 측면에 따르면, 상기 양극재 코팅층은 양극 활물질로서 일반 화학식 A[AxMy]O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M은 Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, 및 Cr에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; x ≥ 0, 1 ≤ x+y ≤2, -0.1 ≤ z ≤ 2; x, y, z 및 M에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 리튬 금속 산화물일 수 있다.
바람직하게, 상기 양극재 코팅층은 상기 양극재 이외에 도전제와 바인더 등의 첨가물을 더 포함할 수 있다.
상기 도전제는 혼합 양극재의 전기 전도도를 향상시킬 수 있는 물질이라면 그 종류가 특별히 제한되지 않는데, 비제한적인 예시로서 흑연, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 캐첸 블랙, 수퍼-P, 탄소 나노 튜브 등 다양한 도전성 탄소재가 사용될 수 있다.
상기 바인더는 혼합 양극재를 구성하는 입자들 상호 간의 긴밀한 물리적 접합과 혼합 양극재와 금속 집전체의 긴밀한 계면 접합을 가능하게 하는 물질이라면 그 종류가 특별히 제한되지 않는다. 비제한적인 예시로서, 비닐리덴플루오라이드-헥사 플루오로프로 필렌코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸 메타크릴 레이트(polymethylmethacrylate) 등의 다양한 종류의 고분자가 바인더로서 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 음극은 전도성 물질로 이루어진 얇은 판상의 금속 집전체와, 음극 활물질이 함유되고 상기 금속 집전체의 적어도 일 면에 코팅된 음극재 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 금속 집전체는 화학적인 안정성이 있고 전도성이 높은 재질로 이루어진다. 일 예로, 상기 금속 집전체는, 구리, 알루미늄, 스테인레스 스틸, 니켈, 티탄, 소성 탄소 등으로 이루어질 수 있다. 바람직하게, 상기 금속 집전체는 구리로 이루어진다.
바람직하게, 상기 음극재 코팅층은 음극재로서 흑연계 재료를 포함할 수 있다. 흑연계 재료는, 인조 흑연, 천연 흑연 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 음극재 코팅층은 음극재 이외에 도전제와 바인더 등의 첨가물을 더 포함할 수 있다. 상기 도전제와 바인더로는, 양극재 코팅층에 포함되는 도전제와 바인더로 사용될 수 있는 물질이 사용될 수 있다.
상기 분리막은 상기 양극과 음극을 전기적으로 분리하고 작동 이온의 이동을 매개하기 위한 기공 구조를 가진 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.
일 예시로서, 상기 분리막은 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 다른 예시로서, 상기 분리막은 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있다.
한편, 상기 분리막의 적어도 한 쪽 표면에는 무기물 입자의 코팅층을 포함할 수 있다. 또한 상기 분리막 자체가 무기물 입자의 코팅층으로 이루어지는 것도 가능하다. 상기 코팅층을 구성하는 입자들은 인접하는 입자 사이 사이에 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)이 존재하도록 바인더와 결합된 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조는 PCT 공개 공보 WO/2006/025662에 개시되어 있고, 상기 PCT 공개 공보는 본 명세서의 일부로서 통합될 수 있다. 상기 무기물 입자는 유전율이 5이상인 무기물로 이루어질 수 있다. 비제한적인 예시로서, 상기 무기물 입자는 Pb(Zr,Ti)O3　(PZT), Pb1 - xLaxZr1 - yTiyO3　(PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3　(PMN-PT), BaTiO3, hafnia (HfO2), SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO 및 Y2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 리튬 이차 전지는 또한 작동 이온이 포함된 전해질을 더 포함할 수 있다. 상기 전해질은 작동 이온을 포함하여 작동 이온을 매개로 양극과 음극에서 전기 화학적인 산화 또는 환원 반응을 일으킬 수 있는 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.
비제한적인 예시로서, 상기 전해질은 A+B-와 같은 구조를 갖는 염일 수 있다. 여기서, 상기 A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함한다. 그리고 B-는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, AlO4 -, AlCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AsF6 -, BF2C2O4 -, BC4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, C4F9SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- , CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -,SCN-　및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 음이온을 포함한다.
상기 전해질은 또한 유기 용매에 용해시켜 사용할 수 있다. 상기 유기 용매로는, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylenecarbonate, EC), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디프로필카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 디메틸설프옥사이드 (dimethyl sulfoxide), 아세토니트릴 (acetonitrile), 디메톡시에탄 (dimethoxyethane), 디에톡시에탄 (diethoxyethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 감마 부티로락톤(γ-butyrolactone) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
바람직한 실시예예서, 전해질의 점도는 2-5cP(centi-poise)이고, 리튬 염의 농도는 0.8-1.4M이다. 점도는 브룩필드 사(社)의 점도측정장비 VISCOMETER DV2TLV를 이용하여 측정한 값이다.
상기 전극 조립체는 적어도 양극/분리막/음극의 적층 구조를 갖는 단위 셀을 포함한다. 상기 단위 셀은 당업계에 공지된 다양한 구조를 가질 수 있는데, 일 예시로서, 최 외곽 전극의 극성이 동일한 바이 셀 또는 최 외곽 전극의 극성이 서로 반대인 풀 셀 구조를 가질 수 있다. 상기 바이 셀은, 일 예시로서, 양극/분리막/음극/분리막/양극의 구조를 가질 수 있다. 상기 풀 셀은, 일 예시로서, 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극의 구조를 가질 수 있다.
상기 전극 조립체는 당업계에 공지된 다양한 구조를 가질 수 있는데, 일 예시로서 상기 단위 셀과 분리 필름을 하부에서 상부로 가면서 반복 적층한 단순 스택 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 전극 조립체는, 다른 예시로서, 단위 셀을 분리 필름 위에 일정한 간격으로 배치한 후 분리 필름을 단위 셀들과 함께 일정한 방향으로 말아서 형성한 스택 폴딩 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 전극 조립체는, 또 다른 예시로서, 일 방향으로 연장된 시트 형상으로 제조된 단위 셀을 분리 필름 위에 놓은 후 단위 셀과 분리 필름을 롤 모양으로 말아서 형성한 젤리 롤 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 리튬 이차 전지는 전극 조립체를 전해질과 함께 밀봉하는 포장재를 더 포함할 수 있다. 상기 전극 조립체가 포장재에 의해 밀봉될 경우 상기 양극 및 음극은 각각 양극 단자 및 음극 단자와 접합될 수 있고 상기 양극 단자 및 음극 단자는 포장재 외부로 인출될 수 있다. 경우에 따라, 포장재가 전극 단자로 기능하는 경우, 상기 양극 단자 및 음극 단자 중 어느 하나를 포장재로 대체 가능하다. 일 예로, 상기 음극을 포장재의 내면과 전기적으로 연결하면, 포장재의 외면이 음극으로 기능할 수 있다. 상기 포장재는 화학적으로 안전성을 갖는 것이라면 그 재질에 특별한 제한이 없는데, 비제한적인 예시로서 금속, 폴리머, 연성 파우치 필름 등으로 이루어질 수 있다. 상기 연성 파우치 필름은 대표적으로 열융착 층, 알루미늄 층 및 외부 보호층이 적층된 구조를 가진 알루미늄 파우치 필름일 수 있다.
상기 리튬 이차 전지의 외형은 포장재의 구조에 의해 결정된다. 포장재의 구조는 당업계에서 사용되는 것이 채택될 수 있고, 전지의 용도에 따른 외형에 특별한 제한이 없다. 비제한적인 예시로서, 상기 포장재의 외형은 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치형, 코인형 등의 구조를 가질 수 있다.
본 발명에 있어서, 리튬 이차 전지의 양극재 및 음극재가 LiCoO2 및 인조흑연일 때, 리튬 이차 전지의 충전 씨레이트(c-rate)와 리튬 이차 전지의 음극 로딩량은 하기 조건식을 만족하도록 설계될 수 있다.
물론, 리튬 이차 전지의 양극재 및 음극재의 종류가 달라지면, 2차 함수의 계수가 달라질 수 있음은 자명하다.
[조건식]
c1 - b1x + a1x2 < y < c2-b2x + a2x2
상기 조건 식에 있어서, c2>c1, b2>b1 및 a2>a1이 성립된다.
바람직한 실시예에서, 상기 리튬 이차 전지에 포함된 양극재 및 음극재가각각 LiCoO2 및 흑연일 때, 상기 조건식의 구체적인 예는 다음과 같다.
[조건식]
15 - 0.1x + 0.00018x2 < y < 26-0.16x + 0.00027x2
상기 조건식들에 있어서, y는 리튬 이차 전지에 공급되는 충전전류의 씨레이트이고, x는 음극 로딩량이다. 음극 로딩량은 25cm2의 음극 면적에 포함되어 있는 음극재의 중량으로 정의된다.
상기 바람직한 실시예의 상한 경계 조건과 하한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 계수 결정을 구체적인 예를 들어 설명한다. 여기서, 상한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 계수 a1, b1 및 c1은 제1계수라고 명명하고, 하한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 계수 a2, b2 및 c2는 제2계수라고 명명한다.
먼저, 하기 표1과 같은 다양한 설계 조건으로 리튬 이차 전지의 샘플들을 제작한다.
　 로딩량(mg/25cm 2 ) 기공도( % ) 에너지 밀도(Wh/L) 씨레이트 (c-rate) 사이클 성능
실시예1 -1 154 26 650 0.5 O
실시예1 -2 154 28 630 1.0 O
실시예1 -3 154 30 610 1.5 O
실시예1 -4 154 32 595 3.0 O
실시예1 -5 154 34 580 6.0 O
실시예2 -1 200 25 690 0.5 O
실시예2 -2 200 27 670 0.7 O
실시예2 -3 200 29 650 1.0 O
실시예2 -4 200 31 630 1.3 O
실시예2 -5 200 33 610 2.0 O
실시예2 -6 200 35 600 3.0 X
실시예3 -1 240 25 740 0.5 O
실시예3 -2 240 27 715 0.7 O
실시예3 -3 240 29 690 1.0 O
실시예3 -4 240 31 675 1.2 O
실시예3 -5 240 33 650 1.5 X
실시예3 -6 240 34 630 2.0 X
실시예3 -7 240 35 610 3.0 X
실시예4 -1 275 25 760 0.5 O
실시예4 -2 275 27 740 0.7 O
실시예4 -3 275 29 720 1.0 O
실시예4 -4 275 31 690 1.3 X
실시예4 -5 275 33 665 1.5 X
실시예4 -6 275 35 640 2.0 X
실시예5 -1 285 25 770 0.5 O
실시예5 -2 285 27 745 0.8 O
실시예5 -3 285 29 720 1.0 O
실시예5 -4 285 31 695 1.2 X
실시예5 -5 285 33 660 1.5 X
실시예5 -6 285 35 640 2.0 X
실시예6 -1 300 25 780 0.5 O
실시예6 -2 300 30 740 0.7 O
실시예6 -3 300 35 700 1.0 X
상기 실시예1 내지 6에 따른 리튬 이차 전지는, 양극재 및 음극재로서 각각 LiCoO2와 인조 흑연을 포함한다. 또한, 전해질은 EC(에틸렌카보네이트)/EMC(에틸메틸카보네이트)/DMC(디메틸카보네이트)가 3:3:4(부피비)로 혼합된 용매에 리튬염 LiF가 1.0몰 첨가된 것을 사용하였다.
상기 샘플들을 제작함에 있어서, 리튬 이차 전지의 음극 로딩량 별로 음극의 기공도를 다양하게 변화시킨다. 리튬 이차 전지의 에너지 밀도는 음극의 기공도에 따라서 종속적으로 결정된다. 기공도는 음극의 단위 부피당 포함되어 있는 pore의 체적을 측정하여 결정한다. 구체적으로. 기공도는 활물질층의 밀도, 압연 후 전극 두께 및 전극 로딩 무게를 산출하여 수학적 계산에 의하여 구하였다.
제1계수 및 제2계수를 결정하기 위한 데이터를 취합하기 위해, 각 실시예 별로 미리 지정한 씨레이트 조건을 적용하여 충전 사이클 실험을 반복적으로 진행한다. 그리고, 각 실시예 별로 수명 성능을 평가하여 합격/불합격 여부를 결정한다. 수명 성능의 합격 기준은 300 사이클 기준 용량 유지율(retention rate)이 80%이다. 따라서, 용량 유지율이 80% 이상이면 합격이고, 용량 유지율이 80% 미만이면 불합격이다.
도 1은, 상기 표1에 기재된 각각의 실시예들에 대해서 충전 사이클 실험에서 얻은 수명 성능 평가 결과를 그래프에 나타낸 것이다. 그래프에서, ■ 마크는 수명 성능이 불합격으로 평가된 실시예를 나타내고, * 마크는 수명 성능이 합격으로 평가된 실시예를 표시한 것이다. 각 마크를 표시함에 있어서는, 각 실시예의 음극 로딩량을 x좌표로, 충전전류의 씨레이트를 y좌표로 지정하였다.
도 2는 도 1에 나타낸 수명 성능 평가에서 불합격 판정이 된 실시예들 중에서 실시예 2-6, 실시예 3-6, 실시예4-4, 실시예 5-4 및 실시예 6-3을 선택하여 각 실시예에 해당하는 좌표 마크를 표시한 것이다.
5개의 좌표는 수명 성능이 불합격으로 판정된 실시예들 중에서 리튬 이차전지에 공급된 충전전류의 씨레이트가 가장 낮은 실시예들에 대응된다.
도 2에 나타낸 5개의 좌표는 2차 함수 y= 26-0.16x + 0.00027x2로 피팅 가능하며, 피팅된 해당 함수가 상기 조건식의 상한 경계 조건에 해당하고, 계수 26, -0.16 및 0.00027이 제1계수 정보에 해당한다.
상기 상한 경계 조건에 해당하는 2차 함수가 나타내는 그래프의 아래에 있는 실시예들은 공통적으로 기공도가 35% 미만이고 에너지 밀도는 600Wh/L 이상이다. 기공도가 35%보다 커지면 에너지 밀도가 600Wh/L보다 낮아지므로 바람직하지 않다.
한편, 상기 조건식의 하한 경계 조건은 임의로 설정 가능하지만, 본 발명에서는 기공도는 25% 이상, 에너지 밀도는 750Wh/L를 넘지 않도록 선택한다.
이러한 조건에 상응하는 실시예들은 실시예 1-4, 실시예 2-5, 실시예 3-4,실시예 4-3, 실시예 5-2, 실시예 6-2이며, 이들 실시예에 대응되는 마크 좌표를 그래프에 나타내면 도 3과 같다.
도 3에 나타낸 6개의 좌표는 2차 함수 15 - 0.1x + 0.00018x2 로 피팅 가능하며, 피팅된 해당 함수가 상기 조건식의 하한 경계 조건에 해당하는 2차 함수이다. 또한, 계수 15, -0.1 및 0.00018이 제2계수 정보에 해당한다.
도 4는 리튬 이차 전지의 양극재 및 음극재가 각각 LiCoO2 및 인조 흑연일 때 산출된 것으로서, 상한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 그래프와 하한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 그래프를 함께 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 리튬 이차 전지의 음극 기공도가 25 내지 35% 사이에서 설계되면, 리튬 이차 전지에 인가되는 충전전류의 씨레이트 범위는 음극 로딩량에 따라 종속적으로 결정될 수 있다.
예를 들어, 리튬 이차 전지의 음극에 포함된 인조 흑연의 로딩량이 200mg/25cm2이면서 음극 기공도가 25 내지 35%이면, 화살표로 표시된 구간 A, 즉 2 내지 4 씨레이트 범위 내에서 충전전류의 씨레이트를 조절하여 리튬 이차 전지를 급속으로 충전할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 대부분의 음극 로딩량에 대응되는 충전전류의 씨레이트 범위가 1 씨레이트 이상이다. 따라서, 리튬 이차 전지의 음극 로딩량만 결정되면 도 4에 도시된 상한 경계 조건 및 하한 경계 조건 사이의 범위 내에서 리튬 이차 전지를 급속으로 충전할 수 있다.
또한, 상한 경계 조건과 하한 경계 조건에 대응되는 2차 함수는 리튬 이차 전지의 수명 성능을 평가하여 결정된 것이다. 따라서, 충전전류의 씨레이트가 상기 조건식을 만족하도록 리튬 이차 전지를 설계하면, 리튬 이차 전지의 수명 성능이 보장되며, 음극 로딩량에 따라 리튬 이차 전지의 충전 씨레이트 범위를 자동으로 결정할 수 있다.
또한, 위와 같이 리튬 이차 전지의 음극 로딩량과 충전전류의 씨레이트 간의 관계에 대한 상한 경계 조건과 하한 경계 조건을 미리 결정해 놓으면, 실제 전지를 제작하지 않더라도 적정 수준의 에너지 밀도와 급속 충전 성능을 가진 전지를 용이하게 제작할 수 있다.
한편, 상기 조건식에 있어서, 제1계수 정보 및 제2계수 정보는 리튬 이차 전지에 포함된 양극재 및 음극재의 종류에 따라 변경 가능하다.
하지만, 양극재 및 음극재의 종류가 변경되더라도 상한 경계 조건과 하한 경계 조건에 대응되는 2차 함수의 제1계수 정보 및 제2계수 정보를 산출하는 원리는 상기한 설명과 실질적으로 동일하다.
즉, 음극 로딩량과 음극 기공도를 다양하게 변화시킨 복수의 샘플 전지를 제작한 후(표 1 참조) 각 실시예마다 지정된 씨레이트 조건에서 충전 사이클 실험을 반복적으로 진행하여 수명 성능을 평가한다. 그리고 수명 성능에서 불합격이 발생된 실시예들 중에서 기공도가 가장 낮은 실시예들을 선별한다. 그리고 선별된 실시예들의 음극 로딩량과 씨레이트를 좌표로 표시하여 2차 함수로 피팅함으로써 상한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 제1계수 정보를 산출할 수 있다. 또한, 수명 성능 평가에서 합격으로 평가된 실시예들 중에서 기공도가 25%에 대응되는 실시예들을 선별한다. 그리고 선별된 실시예들의 음극 로딩량과 씨레이트를 좌표로 표시하여 2차 함수로 피팅함으로써 하한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 제2계수 정보를 산출할 수 있다.
그러면, 이하에서는, 상술한 설명을 바탕으로 본 발명에 따라 음극 로딩량과 기공도가 설계된 리튬 이차 전지와 충전 제어 장치를 포함하는 전지 급속 충전 시스템에 대해서 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 전지 시스템에 대한 개략적인 구성도를 나타낸 블록 다이어그램이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전지 급속 충전 시스템은 리튬 이차 전지(B)와 충전 제어 장치(100)를 포함한다.
리튬 이차 전지(B)는 양극재 및 음극재로서 리튬 금속 산화물(예를 들어, LiCoO2)과 흑연을 포함한다. 흑연은 인조 흑연, 천연 흑연 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 또한, 전해질로서 비수 전해질을 포함하고, 전해질의 점도는 2 내지 5cP이고, 리튬 염의 농도는 0.8 내지 1.4M일 수 있다.
바람직하게, 충전 제어 장치(100)에서 리튬 이차 전지(B) 측에 제공하는 충전전류의 씨레이트와 리튬 이차 전지(B)의 음극 로딩량은 하기의 조건식을 만족하도록 선택된다.
[조건식]
c1 - b1x + a1x2 < y < c2-b2x + a2x2
상기 조건 식에 있어서, c2>c1, b2>b1 및 a2>a1이 성립된다.
또한, 바람직하게, 리튬 이차 전지(B)의 음극 기공도는 25 내지 35%이다.
일 실시예에서, 리튬 이차 전지(B)의 음극 로딩량이 x0의 값을 가지면, 충전 제어 장치(100)는 리튬 이차 전지(B) 측에 인가하는 충전전류의 씨레이트(y) 크기를 하기의 범위 1을 충족하도록 제어할 수 있다. 즉, 씨레이트의 크기가 c2-b2x0 + a2x0 2을 초과하지 않도록 충전전류의 크기를 조절한다.
[범위 1]
y < c2-b2x0 + a2x0 2
다른 실시예에서, 리튬 이차 전지(B)의 음극 로딩량이 x0의 값을 가지면, 충전 제어 장치(100)는 리튬 이차 전지(B) 측에 인가하는 충전전류의 씨레이트(y) 크기를 하기의 범위 2를 충족하도록 제어할 수 있다. 즉, 충전전류의 씨레이트 크기가 c1-b1x0 + a1x0 2 보다 크고 c2-b2x0 + a2x0 2 보다 작게 조절한다.
[범위 2]
c1-b1x0 + a1x0 2 < y < c2-b2x0 + a2x0 2
상기 범위 1 및 2에 있어서, 계수 a1, a2, b1, b2, c1 및 c2는 리튬 이차 전지(B)에 포함된 양극재 및 음극재의 종류에 따라 달라질 수 있다.
일 예시로서, 양극재가 LiCoO2 및 인조 흑연일 경우, 상기 계수들 a1, a2, b1, b2, c1 및 c2는 각각 0.00018, 0.00027, -0.1, -0.16, 15, 26일 수 있다.
바람직하게, 상기 충전 제어 장치(100)는, 양극재 및 음극재의 종류에 관한 정보와 상기 양극재 및 음극재의 종류에 따라 상기 계수들(제1계수 및 제2계수)을 가변시키기 위해 양극재 및 음극재의 종류에 따라 상기 계수들을 맵핑할 수 있는 룩업 테이블이 저장된 저장 유닛(120)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 저장 유닛(120)은 RAM, ROM, 레지스터 또는 플래쉬 메모리일 수 있는데, 본 발명에 이에 한하는 것은 아니다.
또한, 상기 저장 유닛(120)은 리튬 이차 전지(B)의 음극 로딩량에 관한 정보를 더 포함할 수 있다. 따라서, 충전 제어 장치(100)는 리튬 이차 전지(B)의 충전이 개시되면 저장 유닛(120)에 저장된 음극 로딩량 정보를 독출하여 리튬 이차 전지(B)에 공급하는 충전전류의 씨레이트 범위를 상술한 범위에서 결정하고 적용할 수 있다.
바람직하게, 상기 충전 제어 장치(100)는 제어 유닛(110); 충전 유닛(160); 및 통신 유닛(150)을 포함한다.
상기 제어 유닛(110)은 충전 유닛(160) 및 통신 유닛(150)을 전반적으로 제어한다. 상기 제어 유닛(110)은 통신 유닛(150)을 통해 외부 다바이스로부터 리튬 이차 전지(B)에 포함된 양극재 및 음극재의 종류 및/또는 음극 로딩량 및/또는 음극 기공도에 관한 정보를 수신할 수 있다.
상기 통신 유닛(160)은 일종의 통신 인터페이스로서 CNN 통신 인터페이스 또는 데이지 체인 인터페이스 또는 공지된 무선 통신 인터페이스 또는 RS-232 인터페이스 등을 일컫는다.
상기 외부 디바이스는 전지 시스템이 탑재되는 부하 장치(예컨대, 전기 자동차나 하이브리드 자동차)의 제어 컴퓨터일 수 있다. 다른 예에서, 상기 외부 디바이스는 전지 시스템이 제조되는 과정에서 전지 시스템의 제어 유닛에 구동 프로그램을 설치하는 스테이션 컴퓨터일 수 있다. 상기 제어 컴퓨터 또는 상기 스테이션 컴퓨터는 오퍼레이터의 요청에 따라 상기 통신 유닛(150)을 통해 리튬 이차 전지(B)의 포함된 양극재 및 음극재의 종류 및/또는 음극 로딩량 및/또는 음극 기공도에 관한 정보를 제어 유닛(110) 측으로 전송한다.
상기 제어 유닛(110)은 통신 유닛(150)을 통해 리튬 이차 전지(B)에 포함된 양극재 및 음극재의 종류 및/또는 음극 로딩량 및/또는 음극 기공도에 관한 정보를 수신하면 해당 정보를 저장 유닛(120)에 수록하고 유지한다.
상기 제어 유닛(110)은 리튬 이차 전지(B)의 충전을 전반적으로 제어한다. 즉, 상기 제어 유닛(110)은 리튬 이차 전지(B)의 충전 상태를 모니터 한다. 이를 위해, 본 발명에 따른 전지 급속 충전 시스템은 전압 센서(130)와 전류 센서(140)를 포함한다.
상기 전압 센서(130)는 리튬 이차 전지(B)의 전압을 측정하고, 측정된 전압의 크기에 상응하는 전압 측정 신호를 제어 유닛(110)으로 출력한다. 그러면, 상기 제어 유닛(110)은 전압 측정 신호로부터 리튬 이차 전지(B)의 전압 값을 결정하고, 저장 유닛(120)에 저장 한다. 상기 전압 센서(130)는 리튬 이차 전지(B)의 양극 및 음극 사이에 형성되는 전압을 측정할 수 있는 전압 측정 회로, 예컨대 차동 증폭 회로를 포함하는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전류 센서(140)는 리튬 이차 전지(B)의 충전 전류 또는 방전 전류의 크기를 측정하고, 측정된 전류의 크기에 상응하는 전류 측정 신호를 제어 유닛(110)으로 출력한다. 그러면, 상기 제어 유닛(110)은 전류 측정 신호로부터 리튬 이차 전지(B)의 충전 전류 또는 방전 전류 값을 결정하고, 저장 유닛(120)에 저장 한다. 상기 전류 센서(140)는 홀 센서나 센스 저항일 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제어 유닛(110)은 저장 유닛(120)에 저장된 전압 측정 값 또는 전류 측정 값을 이용하여 리튬 이차 전지(B)의 충전 개시 여부를 판별할 수 있다.
일 예에서, 상기 제어 유닛(110)은 리튬 이차 전지(B)의 전압 값이 만방전 전압에 해당하면 리튬 이차 전지(B)의 충전 개시가 필요하다고 결정할 수 있다.
다른 예에서, 상기 제어 유닛(110)은 리튬 이차 전지(B)의 충전 전류 값 또는 방전 전류 값을 시간에 따라 적산하여 충전 상태를 나타내는 파라미터인 SOC(State of Charge)를 산출하고 SOC가 0%에 해당하면 리튬 이차 전지(B)의 충전 개시가 필요하다고 결정할 수 있다.
안전상의 문제를 고려하여, 상기 제어 유닛(110)은 만방전 전압 또는 SOC 0%를 기준으로 수정의 마진을 할당하여 충전 개시 여부를 조기에 결정할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
상기 제어 유닛(110)의 충전 개시 여부를 결정하는 방식에는 상술한 것 이외에도 다양한 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명은 충전 개시 여부를 판별하는 구체적인 방식에 의해 한정되지 않는 것으로 해석되어야 한다.
상기 제어 유닛(110)은 충전 개시를 결정하면, 저장 유닛(120)을 참조하여 리튬 이차 전지(B)에 포함된 양극재 및 음극재의 종류를 식별하고, 룩업 테이블을 참조하여 식별된 양극재 및 음극재의 종류에 대응되는 제1계수 정보(a1, b1, c1) 및 제2계수 정보(a2, b2, c2)를 맵핑 한다.
구체적인 예에서, 상기 양극재 및 음극재가 각각 LiCoO2 및 흑연인 경우, 상기 a1, a2, b1, b2, c1 및 c2는 각각 0.00018, 0.00027, -0.1, -0.16, 15, 26으로 결정될 수 있다.
이어서, 상기 제어 유닛(110)은 저장 유닛(120)을 참조하여 리튬 이차 전지의 음극 로딩량(예를 들어 x0)을 식별하여 리튬 이차 전지(B)에 인가될 충전 전류의 씨레이트(y)에 관한 범위 정보를 결정한다.
일 예에서, 상기 범위는 다음과 같은 조건으로 결정될 수 있다.
[범위 1]
y < c2-b2x0 + a2x0 2
다른 예에서, 상기 범위는 다음과 같은 조건으로 결정될 수 있다.
[범위 2]
c1-b1x0 + a1x0 2 < y < c2-b2x0 + a2x0 2
계속해서, 상기 제어 유닛(110)은 상기 범위 1 또는 범위 2에 따라 충전전류의 씨레이트(y)를 조절하여 리튬 이차 전지(B)에 인가할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어 유닛(110)은 충전 유닛(160)을 제어하여 상기 범위 1 또는 상기 범위 2의 상한 값에 가깝게 충전전류의 씨레이트를 조절할 수 있다.
상기 제어 유닛(110)은 충전이 진행되는 동안 전압 센서(130) 및/또는 전류 센서(140)로부터 전압 측정 신호 및/또는 전류 측정 신호를 입력 받아 리튬 이차 전지(B)의 충전 상태를 모니터 할 수 있다.
만약, 리튬 이차 전지(B)의 전압이 충전 상한 전압에 소정 마진을 두고 근접하거나 리튬 이차 전지(B)의 충전 상태가 SOC 100%에 소정 마진을 두고 근접한 경우, 상기 제어 유닛(110)은 상기 충전 유닛(160)을 제어하여 충전전류의 씨레이트 크기를 감소시키되, 바람직하게는 상기 범위 2의 하한 조건에 가깝게 충전전류의 씨레이트를 감소시킬 수 있다.
상기 충전 유닛(160)은 제어 유닛(110)의 통제하에 제어 유닛(110)이 결정한 씨레이트에 따라 리튬 이차 전지(B)에 충전전류를 공급한다. 상기 충전 유닛(160)은 DC/DC 컨버터, DC/AC 컨버터, 인버터 등을 포함한다. 씨레이트 조절이 가능한 충전 유닛(160)과 관련된 기술은 본 발명이 속한 기술분야에 널리 알려져 있으므로 여기서의 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 제어 유닛(110)은 충전 유닛(160)을 제어하여 충전 유닛(160)을 통해 리튬 이차 전지(B)에 공급되는 충전전류의 씨레이트 크기를 상기 범위 1 또는 상기 범위 2내에서 조절한다. 씨레이트의 구체적인 조절 형태에 대해서는 이미 상술하였다.
본 발명에 있어서, 제어 유닛(110)은 상술한 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직(110)이 소프트웨어로 구현될 때, 제어부(25)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 컴퓨터 부품으로 프로세서와 연결될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 본 발명의 저장 유닛(120)에 포함될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관 없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
또한, 제어 유닛(110)의 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 상기 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 상기 코드 체계는 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 발명에 있어서, 리튬 이차 전지는 하나의 단위 제품일 수도 있다. 또한, 리튬 이차 전지의 단위 제품의 전지가 직렬 및/또는 병렬로 집합된 모듈일 수도 있다. 따라서, 본 발명은 리튬 이차 전지의 물리적 수량에 의해 한정되지 않음은 자명하다.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~부' 또는 '~유닛'이라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 전지 급속 충전 시스템 B: 리튬 이차 전지
110: 제어 유닛 120: 저장 유닛
130: 전압 센서 140: 전류 센서
150: 통신 유닛 160: 충전 유닛

Claims (6)

  1. 음극 기공도가 25 내지 35%이고 음극 로딩량이 x0인 리튬 이차 전지;
    2차 함수로 표현되는 충전전류의 씨레이트에 관한 상한 경계 조건의 제1계수 정보를 맵핑할 수 있는 룩업 테이블과 상기 음극 로딩량(x0)에 관한 정보가 저장된 저장 유닛; 및
    상기 저장 유닛으로부터 상기 음극 로딩량(x0)에 관한 정보를 독출하고, 상기 룩업 테이블로부터 상기 상한 경계 조건을 나타내는 2차 함수의 제1계수 정보를 결정하고, 상기 제1계수 정보 및 상기 음극 로딩량을 이용하여 상기 2차 함수로부터 상기 음극 로딩량에 대응되는 충전전류의 씨레이트 범위를 결정하고, 상기 결정된 씨레이트 범위를 충족하는 충전전류를 상기 리튬 이차 전지에 공급하는 충전 제어 장치;를 포함하고,
    상기 2차 함수는, 상기 음극 로딩량과 상기 충전전류의 씨레이트 간의 대응 관계를 나타내도록 구성된 것을 특징으로 하는 전지 급속 충전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 룩업 테이블은 2차 함수로 표현되는 충전전류의 씨레이트에 관한 하한 경계 조건의 제2계수 정보를 맵핑할 수 있는 데이터를 더 포함하고,
    상기 충전 제어 장치는, 상기 저장 유닛으로부터 상기 음극 로딩량(x0)에 관한 정보를 독출하고, 상기 룩업 테이블로부터 상기 상한 경계 조건을 나타내는 2차 함수의 제1계수 정보와 상기 하한 경계 조건을 나타내는 2차 함수의 제2계수 정보를 결정하고, 상기 제1계수 정보, 상기 제2계수 정보 및 상기 음극 로딩량을 이용하여 상기 2차 함수로부터 상기 음극 로딩량에 대응되는 충전전류의 씨레이트 범위를 결정하고, 상기 결정된 씨레이트 범위를 충족하는 충전전류를 상기 리튬 이차 전지에 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전지 급속 충전 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 리튬 이차 전지는 양극재 및 음극재로서 리튬 금속 산화물과 흑연을 포함하고,
    상기 상한 경계 조건에 해당하는 2차 함수는 26-0.16x+0.00027x2인 것을 특징으로 하는 전지 급속 충전 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 리튬 이차 전지는 양극재 및 음극재로서 리튬 금속 산화물과 흑연을 포함하고,
    상기 하한 경계 조건에 해당하는 2차 함수는 15-0.1x+0.00018x2인 것을 특징으로 하는 전지 급속 충전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 룩업 테이블은 상기 리튬 이차 전지의 음극재 및 양극재의 종류에 관한 정보에 따라 상기 상한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 제1계수 정보를 맵핑할 수 있는 데이터를 더 포함하고,
    상기 저장 유닛은 상기 리튬 이차 전지의 양극재 및 음극재에 관한 종류 정보를 더 포함하고,
    상기 충전 제어 장치는, 상기 리튬 이차 전지의 충전이 개시되면, 상기 저장 유닛으로부터 상기 리튬 이차 전지의 양극재 및 음극재에 관한 종류 정보를 식별하고, 식별된 양극재 및 음극재의 종류 정보에 대응되는 상기 상한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 제1계수 정보를 맵핑하고, 맵핑된 제1계수 정보와 상기 음극 로딩량(x0)에 관한 정보를 이용하여 충전전류의 씨레이트 범위를 결정하고, 상기 결정된 씨레이트 범위를 충족하는 충전전류를 상기 리튬 이차 전지에 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전지 급속 충전 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 룩업 테이블은 상기 리튬 이차 전지의 음극재 및 양극재의 종류에 관한 정보에 따라 상기 상한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 제1계수 정보와 하한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 제2계수 정보를 맵핑할 수 있는 데이터를 포함하고,
    상기 저장 유닛은 상기 리튬 이차 전지의 양극재 및 음극재에 관한 종류 정보를 더 포함하고,
    상기 충전 제어 장치는, 상기 리튬 이차 전지의 충전이 개시되면, 상기 저장 유닛으로부터 상기 리튬 이차 전지의 양극재 및 음극재에 관한 종류 정보를 식별하고, 식별된 양극재 및 음극재의 종류 정보에 대응되는 상기 상한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 제1계수 정보와 상기 하한 경계 조건에 해당하는 2차 함수의 제2계수 정보를 맵핑하고, 맵핑된 제1계수 정보 및 제2계수 정보와 상기 음극 로딩량(x0)에 관한 정보를 이용하여 충전전류의 씨레이트 범위를 결정하고, 상기 결정된 씨레이트 범위를 충족하는 충전전류를 상기 리튬 이차 전지에 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전지 급속 충전 시스템.
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