KR102362879B1 - 이차전지 내부단락 시험 방법과 장치 및 이에 이용되는 내부단락 시험용 이차전지 - Google Patents

Abstract

이차전지 사용 환경 상황을 모사하여 내부단락을 시험할 수 있는 방법 및 장치, 그리고 이 방법에 이용되는 내부단락 시험용 이차전지를 제공한다. 본 발명에 따른 이차전지 내부단락 시험 방법은, 이차전지 내부에 P-N 접합 다이오드를 장착하는 단계; 상기 이차전지를 충전하는 단계; 및 상기 P-N 접합 다이오드가 스위치-온(switch-on)되면 상기 이차전지의 내부단락이 일어난 것으로 간주하여 상기 이차전지 상태를 평가하는 단계를 포함한다.

Description

이차전지 내부단락 시험 방법과 장치 및 이에 이용되는 내부단락 시험용 이차전지 {Method and apparatus for testing internal short of secondary battery and secondary battery used for the method}

본 발명은 이차전지의 안전성을 평가하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이차전지의 내부단락을 시험하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

모바일 기기, 전기 자동차, 전력 저장 장치, 무정전 전원 장치 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라, 고출력, 고용량 요구에 대응되는 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차전지에 대한 연구가 진행되고 있다. 이차전지에서 주요 연구 과제들 중 대표적인 것은 에너지 밀도 향상을 통해 이차전지 성능을 높이는 것, 그리고 이차전지의 안전성을 향상시키는 것이다.

이차전지는 양극판과 음극판 사이에 분리막을 구비한다. 이 분리막은 수축하기 쉬운 성질을 가진다. 이 때문에, 이차전지를 극도의 고온 환경에 장시간 유지했을 경우 양극판과 음극판이 물리적으로 접촉하여 내부단락이 발생하는 일이 일어날 수 있다. 그리고, 양극판이나 음극판 표면에 부착한 도체 가루나 음극판에 석출된 리튬 금속에 의해 해당 분리막이 파괴되어 양극판과 음극판이 전기적으로 도통한 결과, 내부단락이 발생하는 일도 있다. 또한, 이차전지 외부로부터의 충격에 의해서도 내부단락이 일어날 수 있다.

내부단락이 일단 발생하면, 단락 전류에 수반하는 줄열(Joule heat)에 의해 단락부가 더욱 확대되면서 이상 가열을 발생시켜, 전지가 파괴되어 버리는 경우도 일어날 수 있다. 이처럼 내부단락이 발생하면 각 전극판에 저장되어 있던 높은 전기 에너지가 순식간에 도전되므로, 과충전이나 과방전과 같은 다른 안전 사고와 달리 폭발의 위험이 매우 높다.

이 때문에, 내부단락은 안전성 측면에서 주의 깊게 관리해야 한다. 이차전지에 내부단락이 발생하지 않도록 하는 것도 중요하지만 일단 이차전지에 내부단락이 발생했을 경우에도, 상술한 것과 같은 파괴 등을 억제하고, 안전성을 확보하는 일이 중요하다. 그리고, 이차전지의 성능을 높이는 것은 내재 에너지량을 증가하는 것이고 그만큼 사고의 잠재 가능성이 높아지는 바, 이를 위해, 이차전지 내부단락시의 안전성을 높이는 기술이 더욱 필요해진다.

한편, 이차전지에서 내부단락이 발생했을 경우라도 전지의 안전성을 확보하기 위해서는, 전지 설계 단계나 전지 제조 후 내부단락시의 안전성 확보 여부를 올바르게 평가하는 것이 매우 중요하다. 현재 내부단락과 관련된 이차전지의 안전성 평가 항목에는 전지가 외부 압력에 의해 내부단락이 되었을 경우를 모사하는 압착 시험, 환봉(rod)에 의해 전지가 충격을 받았을 때 전지 내부단락으로 인해 폭발 및 발화되는 경우를 모사하는 충돌 시험, 충돌 시험과 마찬가지로 전지의 포장 운송시 못(nail)에 의해 전지가 관통되어 내부단락을 일으키는 경우를 모사한 관통 시험, 주변 온도가 비정상적으로 상승하였을 때 전지가 노출된 온도 분위기를 견디는 능력을 평가하는 열노출(가열) 시험 등이 있다.

그러나, 이러한 시험들은 외부에서 이차전지에 강한 물리력을 인가하는 방법으로서, 비정상적인 상황에 대한 모사이다. 그리고, 외부에서 에너지가 인가된다는 점에서, 실제 전지 사용 환경 상황을 모사하는 데에는 한계가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 이차전지 사용 환경 상황을 모사하여 내부단락을 시험할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 이러한 내부단락 시험 방법에 이용할 수 있는 내부단락 시험용 이차전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지 내부단락 시험 방법은, 이차전지 내부에 P-N 접합 다이오드를 장착하는 단계; 상기 이차전지를 충전하는 단계; 및 상기 P-N 접합 다이오드가 스위치-온(switch-on)되면 상기 이차전지의 내부단락이 일어난 것으로 간주하여 상기 이차전지 상태를 평가하는 단계를 포함한다.

상기 P-N 접합 다이오드는 상기 이차전지의 양극판에 일면에 접촉되고 상기 이차전지의 음극판에 타면이 접촉되도록 장착함이 바람직하다.

이 때, 상기 P-N 접합 다이오드는 상기 이차전지의 분리막을 관통하여 상기 이차전지의 양극판과 음극판 사이에 장착함이 바람직하다.

상기 P-N 접합 다이오드는 상기 이차전지의 만충전 전압에 해당하는 문턱 전압(Vth)을 가진 것을 이용하여, 상기 이차전지를 상기 만충전 전압까지 충전할 수 있다.

다른 예로, 상기 P-N 접합 다이오드는 상기 이차전지의 만방전 전압과 만충전 전압 사이의 범위 내에서 선정한 실험 목표 전압에 해당하는 문턱 전압(Vth)을 가진 것을 이용하여, 상기 이차전지를 상기 실험 목표 전압까지 충전할 수도 있다.

그리고, 충전을 계속하는 동안 상기 이차전지의 전압과 온도를 측정할 수 있다. 이차전지의 전압은 충방전 전압에의 도달 여부를 체크하기 위해, 그리고 전기 화학적 작동 상태를 체크하기 위해 측정한다. 이차전지의 온도는 물리적 작동 상태를 체크하기 위해 측정한다.

상기 이차전지 내부에 P-N 접합 다이오드를 장착하는 단계는, 조립 완료된 이차전지를 해체하여 상기 P-N 접합 다이오드를 장착한 후 재조립하는 것이거나, P-N 접합 다이오드를 내부에 포함하도록 처음부터 이차전지를 조립하는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지 내부단락 시험 방법의 수행을 위해, 다음과 같은 내부단락 시험용 이차전지를 이용할 수 있다. 이 내부단락 시험용 이차전지는 양극판; 음극판; 상기 양극판 및 상기 음극판 사이에 개재된 분리막; 상기 분리막을 관통하여 상기 양극판과 음극판 사이에 장착된 P-N 접합 다이오드; 및 상기 양극판 및 상기 음극판과 연결된 전극 리드를 포함한다.

상기 내부단락 시험용 이차전지에서, 상기 P-N 접합 다이오드는 상기 이차전지의 양극판에 일면에 접촉되고 상기 이차전지의 음극판에 타면이 접촉되도록 장착되어 있는 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 P-N 접합 다이오드의 P형 반도체 영역은 상기 양극판에 접촉되고 N형 반도체 영역은 상기 음극판에 접촉된다. 상기 P형 반도체 영역과 상기 양극판 사이, 상기 N형 반도체 영역과 상기 음극판 사이에는 전기적 접촉 저항을 줄이면서 서로간을 전기적 연결시킬 수 있는 추가의 요소가 더 포함될 수도 있다. 바람직하게, 상기 P-N 접합 다이오드와 상기 양극판 사이 및 상기 P-N 접합 다이오드와 상기 음극판 사이에 개재된 콘택층을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 P-N 접합 다이오드는 상기 양극판, 상기 음극판 및 상기 분리막을 포함하는 이차전지의 만충전 전압에 해당하는 문턱 전압(Vth)을 가진 것일 수 있다.

다른 예로, 상기 P-N 접합 다이오드는 상기 양극판, 상기 음극판 및 상기 분리막을 포함하는 이차전지의 만방전 전압과 만충전 전압 사이의 범위 내에서 선정한 실험 목표 전압에 해당하는 문턱 전압(Vth)을 가진 것일 수도 있다.

본 발명에 따른 이차전지 내부단락 시험 장치는 상기와 같은 내부단락 시험용 이차전지를 로딩할 수 있는 방폭 챔버; 상기 내부단락 시험용 이차전지의 전극에 연결되어 충전 전류를 인가하기 위한 전원(Power Supply); 및 상기 내부단락 시험용 이차전지의 전극에 연결되어 전압을 측정하고, 상기 내부단락 시험용 이차전지의 온도를 측정하는 계측기를 포함한다.

본 발명의 내부단락 시험 방법은 종래의 압착 시험, 충돌 시험, 관통 시험, 열노출(가열) 시험과 같은 비정상적인 상황에 대한 모사가 아니고 충전 전류 이외에는 외부에서 에너지가 인가되는 모사도 아니다. 따라서, 본 발명에 의하면, 실제 이차전지의 사용 환경과 유사한 조건에서 내부단락을 일으켜 그 때의 이차전지 안전성을 평가할 수 있다.

본 발명의 내부단락 시험 방법은 전지 설계 단계나 조립 후 검증 단계에서 활용될 수 있다. 이차전지의 내부단락 상황을 정확히 모사한 상태에서 이차전지의 상태를 평가함으로써, 전지 설계에 대한 실질적인 안전성 평가를 진행할 수 있고, 새로운 설계 기준의 검증 및 수정에도 활용할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 단락 시험 방법의 순서도이다.
도 2는 이차전지 내부에 P-N 접합 다이오드가 장착된 상태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 P-N 접합 다이오드의 문턱 전압(V_th)을 보여주는 I-V 그래프이다.
도 4는 도 1의 방법을 수행하는 데 있어서 이용할 수 있는 내부단락 시험용 이차전지 제조 방법의 순서도이다.
도 5는 도 4의 순서도에 따른 공정 단계별 모식도이다.
도 6은 내부단락 시험용 이차전지 충전에 따른 이차전지 내부 상황 변화를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 내부단락 시험 장치의 모식도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 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 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 단락 시험 방법의 순서도이다.

도 1을 참조하면, 이차전지 내부에 P-N 접합 다이오드를 장착한다(단계 s1).

이차전지 내부에 P-N 접합 다이오드가 장착된 상태는 도 2를 참조할 수 있다. 도 2를 참조하면, 양극판(10)과 음극판(20) 사이에 분리막(30)이 있는 이차전지 내부에서, 양극판(10)과 음극판(20) 사이에 P-N 접합 다이오드(5)가 장착되어 있다. 양극판(10)은 양극 집전체(12)에 양극 활물질층(14)이 형성된 것이다. 음극판(20)은 음극 집전체(22)에 음극 활물질층(24)이 형성된 것이다. P-N 접합 다이오드(5)는 양극판(10)에 일면에 접촉되고 음극판(20)에 타면이 접촉되도록 장착함이 바람직하다. 이 때, P-N 접합 다이오드(5)는 분리막(30)을 관통하여 양극판(10)과 음극판(20) 사이에 장착함이 바람직하다.

일반적으로, P-N 접합 다이오드는 기본적으로 P형 반도체와 N형 반도체를 접합한 것을 말하며 가장 기본적인 반도체 소자의 형태로서 P-N 접합을 한 개 가진 것이다. P-N 접합 다이오드는 문턱 전압(Threshold voltage, V_th) 이상에서만 단방향 전류 경로(path)가 형성되는 것으로 잘 알려져 있다. P-N 접합 다이오드의 대표적인 예로 저매늄 다이오드, 셀레늄 다이오드, 실리콘 다이오드, 갈륨아세나이드 다이오드가 알려져 있다.

도 3은 P-N 접합 다이오드의 문턱 전압을 보여주는 I-V 그래프로서, 흔한 상용 실리콘 다이오드의 문턱 전압을 예로써 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 상용 실리콘 다이오드는 순방향 바이어스(+V)를 인가해주면 전류가 흐르며 특히 문턱 전압(V_th)인 약 0.7V에 도달하면 순방향 전류가 급격히 증가하는 양상을 보이고 있다. 역방향 바이어스(-V)에서는 (항복이 일어나기 전까지는) 약간의 누설전류만 있을 뿐 전류가 흐르지 않는다. 다시 말해, 문턱 전압(V_th) 이상의 순방향 전압에서는 전류가 잘 흐르고 역방향 전압을 가하면 아주 작은 누설전류만 흐르다가 항복 전압에 도달하면 역방향 전류가 흐르게 되는 특성을 보여주고 있다. 문턱 전압의 크기 차이만 있을 뿐, 다른 종류의 P-N 접합 다이오드도 상용 실리콘 다이오드와 유사한 I-V 거동을 보인다.

일반적으로 P-N 접합 다이오드는 기판에 형성하는 P형, N형 반도체 영역의 도핑 농도조절을 통해 P형 반도체 영역과 N형 반도체 영역 접합시 결핍 영역(depletion region)을 조절하게 되고 이에 따라 문턱 전압(V_th)을 원하는 수준으로 제작할 수 있다. 도핑 농도가 커지면 문턱 전압이 증가하는 경향이 있다. 기판 자체의 재료 특성에 따라서도 문턱 전압이 달라진다. 예를 들어 갈륨아세나이드 다이오드는 실리콘 다이오드보다 문턱 전압이 높다.

이차전지는 물리적으로 충전될 수 있는 상한과 물리적으로 방전될 수 있는 하한을 가지고 있다. 그러나, 실제 사용 환경에서 물리적 상한 및 하한까지 충방전을 하지 않는다. 그 대신 이차전지의 물리적 상한과 하한 범위 내에서 이차전지의 안전성, 수명 및 에너지 효율성의 측면에서 사용 영역을 적절하게 설정하고, 사용 영역 내에서만 충전 및 방전을 실시한다. 즉, 물리적 한계 방전점보다 높게 사용 영역의 하한을 설정하고, 물리적 한계 충전점보다 낮게 사용 영역의 상한을 설정한다. 사용 영역의 설정은 이차전지의 특성, 사용 환경, 요구되는 충방전 용량, 에너지 출력 등에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 이차전지의 방전 과정에서 이차전지의 상태가 설정된 사용 영역의 하한점에 도달되었을 때 완전 방전 또는, 만방전이 되었다고 한다. 그리고 이차전지의 충전 과정에서 이차전지의 상태가 설정된 사용 영역의 상한점에 도달되었을 때 완전 충전 또는 만충전이 되었다고 한다. 만충전 전압이란 이와 같이 이차전지의 충전 과정에서 이차전지의 상태가 설정된 사용 영역의 상한점에 도달되었을 때의 전지 전압을 가리킨다. 이차전지의 사양에 따라 만방전 전압과 만충전 전압은 달라질 수 있으며, 이를테면 만충전 전압은 4.2V가 되도록 할 수 있다.

바람직한 실시예에서, P-N 접합 다이오드의 문턱 전압(V_th)은 시험 대상인 이차전지의 만충전 전압에 해당하는 값을 가진 것으로 할 수 있다.

시험 대상인 이차전지는 갓 조립된 상태여서 만방전 상태의 것이거나, 시험이나 사용 중의 것이어서 일부만 방전된 상태의 것일 수도 있다. 따라서, (내부단락 시험을 위해) 충전을 시작하는 시점에서의 이차전지 전압은 만방전 전압일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 갓 조립된 상태의 전지 전압은 0V이지만 만방전 전압의 경우는 0V가 아닌, 사용 영역 설정에 따라 0V와 만방전 전압 사이에 위치하는 임의의 값, 예를 들어 2.1V일 수 있다. 어느 경우이든, P-N 접합 다이오드의 문턱 전압(V_th)은 시험 대상인 이차전지의 만충전 전압에 해당하는 값을 가진 것으로 할 수 있다.

다른 예로서, P-N 접합 다이오드의 문턱 전압(V_th)은 시험 대상인 이차전지의 만방전 전압과 만충전 전압 사이의 범위 내에서 선정한 실험 목표 전압에 해당하는 값을 가진 것으로 할 수도 있다. 예를 들어, 만충전 전압에서의 내부단락을 시험하는 용도 이외에, 이차전지의 사용 영역 내에서의 내부단락을 시험할 필요가 있을 수도 있다. 예를 들어, 만충전 전압은 4.2V이지만 사용 영역 내의 전지 전압인 3.4V 정도에서도 내부단락을 시험할 필요가 있을 수 있다. 그러한 경우, P-N 접합 다이오드의 문턱 전압(V_th)은 3.4V를 가진 것으로 할 수 있다. 이처럼 사용 영역의 하한점에서의 전지 전압이 만방전 전압이고 사용 영역의 상한점에서의 전지 전압이 만충전 전압이므로, 사용 영역 내에서의 내부단락을 시험하게 될 경우, 시험 대상인 이차전지의 만방전 전압과 만충전 전압 사이의 범위 내에서 실험 목표 전압을 선정하고, P-N 접합 다이오드의 문턱 전압(V_th)은 그에 해당하는 값을 가진 것으로 하는 것이다.

기판 재료, 불순물 종류, 도핑 농도 등을 조절해 이처럼 원하는 정도의 문턱 전압(V_th)을 가진 P-N 접합 다이오드를 제작할 수 있다. 그러한 P-N 접합 다이오드(5)로서 준비하고 이를 도 2에서와 같이 이차전지 내부에 장착하여 단계 s1을 수행한다.

바람직하게, P-N 접합 다이오드(5)의 P형 반도체 영역은 양극판(10)에 접촉되고 N형 반도체 영역은 음극판(20)에 접촉되도록 한다. P형 반도체 영역과 양극판(10) 사이, N형 반도체 영역과 음극판(20) 사이에는 전기적 접촉 저항을 줄이면서 서로간을 전기적 연결시킬 수 있는 추가의 요소가 더 포함될 수도 있다. 예를 들어 이차전지의 전지 성능에 영향을 주지 않는 요소로서 전기적 연결을 위한 오믹 콘택층이 더 포함될 수도 있다. 바람직하게, 오믹 콘택층은 Ni, Pt, Pd, Rh, W, Ti, Al, Ag 및 Au 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

이러한 단계 s1은, 조립 완료된 이차전지를 해체하여 P-N 접합 다이오드(5)를 장착한 후 재조립하는 것이거나, P-N 접합 다이오드(5)를 내부에 포함하도록 처음부터 이차전지를 조립하는 것일 수 있다. P-N 접합 다이오드(5)를 내부에 포함하는 이차전지는 본 발명에 따른 내부단락 시험용 이차전지로서, 내부단락 시험 방법을 마저 설명한 다음에 더 상세히 설명하기로 한다.

단계 s1을 수행해 이차전지가 준비되었으면, 이차전지 충전을 시작한다(단계 s2). 도 1 및 이하의 방법 설명에서는 P-N 접합 다이오드의 문턱 전압(V_th)이 이차전지의 만충전 전압에 해당하는 값을 가진 경우 위주로 설명한다. 그러나, P-N 접합 다이오드의 문턱 전압(V_th)이 이차전지의 사용 영역 내에서의 실험 목표 전압에 해당하는 값을 가진 경우에도 마찬가지의 방법으로 수행된다.

이차전지 충전은 이차전지에 충전 전원을 연결하여, 설정된 충전 프로토콜대로 진행하며, 예를 들어 CC-CV 충전을 진행할 수 있다. 이차전지는 충전이 되면 전압이 상승된다.

이후, 이차전지의 전압이 만충전 전압에 이를 때까지 충전을 계속한다(단계 s3). P-N 접합 다이오드의 문턱 전압(V_th)이 실험 목표 전압에 해당하는 값을 가진 경우라면 해당 실험 목표 전압에 이를 때까지 충전을 계속하면 된다.

충전을 계속하는 동안 이차전지의 전압과 온도를 측정할 수 있다. 이차전지의 전압은 충방전 전압에의 도달 여부를 체크하기 위해, 그리고 전기 화학적 작동 상태를 체크하기 위해 측정한다. 측정은 전류-전압 측정기를 이용할 수 있다. 이차전지의 온도는 물리적 작동 상태를 체크하기 위해 측정한다. 측정은 써모커플 등을 이용할 수 있다.

충전을 계속한 결과 P-N 접합 다이오드(5)가 스위치-온(switch-on)되면 이차전지의 내부단락이 일어난 것으로 간주하여 이차전지 상태를 평가한다(단계 s4).

이차전지 충전에 따라 이차전지 전압이 P-N 접합 다이오드의 문턱 전압(V_th)과 같아지면 도 3에서 본 바와 같이 P-N 접합 다이오드(5)를 통해 순간적으로 큰 순방향 전류가 흐르게 된다. 이른바 P-N 접합 다이오드(5)의 스위치-온 상태가 되어 큰 전류가 흐르게 되는 결과, 양극판(10)과 음극판(20) 사이에 전기적 도통이 된 내부단락 상황과 동일해진다.

이처럼 본 발명에 의하면, 외부에서 충격이나 열과 같은 에너지를 인가할 필요없이, 단지 실제 전지 사용 상황과 같은 충전만 하여도 내부단락 상황을 모사할 수 있는 것이다. 즉, 외부에서 이차전지에 강한 물리력이 인가되지도 않고 충전 전류 이외의 에너지가 인가되는 것도 아니며, 충전에 따라 자연스럽게 내부단락 상황을 일으킬 수 있는 것이다. 이와 같이, 본 발명에 따르면, 외부에서 물리적 충격을 가하는 등의 비정상적인 상황 모사도 아니고 실제 전지 사용 환경 상황을 모사하여 내부단락을 일으킬 수가 있다.

도 4는 도 1의 방법을 수행하는 데 있어서 이용할 수 있는 내부단락 시험용 이차전지 제조 방법의 순서도이다. 도 5는 도 4의 순서도에 따른 공정 단계별 모식도이다.

도 4 및 도 5를 참조하여 내부단락 시험용 이차전지 및 그 제조 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 P-N 접합 다이오드(5)를 준비한다(도 4의 단계 s10).

P-N 접합 다이오드(5)에 관해서는 앞의 실시예 설명 부분을 참고할 수 있다.

다음으로 P-N 접합 다이오드(5)가 장착된 내부단락 시험용 이차전지(60)를 제조한다(도 4의 단계 s20). 이 단계는 아래와 같은 세부 단계들을 포함할 수 있다.

이차전지는 본래 양극판과 음극판 사이에 분리막을 배치하여 제조한 전극조립체를 기본으로 한다. 따라서 양극판 준비 단계(도 4의 s21), 음극판 준비 단계(도 4의 s22) 및 분리막 준비 단계(도 4의 s23)가 필요하다.

도 5의 (a)도 함께 참조해, 먼저 양극판 준비 단계(s21)에서, 양극판(10)은 예를 들어 알루미늄과 같은 양극 집전체(12)에 Ni, Co, Mn을 함유하는 리튬금속 산화물인 NCM을 양극 활물질로 포함하는 양극 활물질층(14)을 도포하고 건조 및 압연하여 제조한 것을 이용할 수 있다.

다음으로 음극판 준비 단계(s22)에서, 음극판(20)은 예를 들어 구리와 같은 음극 집전체(22)에 흑연을 음극 활물질로 포함하는 음극 활물질층(24)을 도포하고 건조 및 압연하여 제조한 것을 이용할 수 있다.

양극 집전체(12)와 음극 집전체(22)에는 활물질층이 도포되지 않은 부분(무지부)이 포함되어 있고, 여기에 전극탭(미도시)이 형성된다. 각 전극탭은 서로 마주보도록 양방향으로 돌출될 수도 있고, 나란히 형성되도록 단방향으로 돌출될 수도 있다.

분리막(30)은 다공성 절연 필름으로서, 리튬 이온의 이동을 허용하면서 각각의 전극판(10, 20)을 전기적으로 절연하기 위한 것이다. 분리막 준비 단계(s23)에서, 분리막(30)은 예를 들어 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머, 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용될 수 있으나 여기에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게, 상기 분리막(30)의 표면에는 무기물 입자가 코팅되어 있을 수 있다.

이 때 특히 분리막(30)에 인위적으로 구멍(32)을 만든다. 구멍(32)은 P-N 접합 다이오드(5)를 장착하기 위하여 만드는 것으로, P-N 접합 다이오드(5)의 크기와 장착 위치를 고려하여 만든다. 구멍(32)을 만드는 데에는 펀칭기를 이용할 수 있다.

다음으로 도 5의 (b)처럼 구멍(32) 내부에 P-N 접합 다이오드(5)를 장착한 후, 분리막(30)의 위 아래에 각 전극판(10, 20)이 놓이도록 배치하여(도 4의 단계 s24), P-N 접합 다이오드(5)의 양면이 각 전극판(10, 20)과 접촉되도록 한다. 구멍(32)을 통해 이후 전극판(10, 20)끼리 직접 접촉하는 일이 없도록, 구멍(32)과 P-N 접합 다이오드(5) 주변과의 밀봉도 중요하다.

이후 원하는 설계에 따라 스택형, 폴딩형, 스택-폴딩형, 젤리롤(jelly-roll)형 등 전극조립체(40)의 형태를 갖춰 제조하고(도 4의 단계 s25, 도 5의 (c) 참조), 각 전극탭(52)에 실링 테이프(54)가 부착된 전극 리드(56)를 연결한 다음, 적절한 전지 케이스(50) 안에 전극조립체(40)를 수납한 후 전해액을 주입하고 밀봉하여, 내부단락 시험용 이차전지(60) 제조를 완료한다(도 4의 단계 s26, 도 5의 (d) 참조).

전극조립체(40)는 복수의 단위 셀을 포함한다. 단위 셀은 양극판, 분리막 및 음극판이 적층된 구조를 가진다. 바람직하게, 복수의 단위 셀 중 적어도 하나는 상기에서 설명된 구조(즉, 도 5의 (b))를 가진다. 전극조립체(40)가 젤리롤 형태로 제조될 경우 P-N 접합 반도체 소자가 장착된 단위 셀은 당업계에 알려진 젤리롤 구조를 가지도록 일 방향으로 연속적으로 폴딩된다. 여러 가지 타입으로 전극조립체(40)를 제조하는 방법은 널리 알려져 있으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도면들에서는 알루미늄 라미네이트 시트의 전지 케이스를 이용하고 전지 케이스 테두리를 열융착한 파우치형으로 내부단락 시험용 이차전지(60)를 제조하는 예를 들어 설명하고 있지만 본 발명이 여기에만 한정되는 것은 아니다.

한편, 내부단락 시험용 이차전지(60)에는 내부단락이 일어나도 전지의 파괴를 억제할 수 있는 전류차단수단(예컨대, 전극 탭과 전극 리드 사이에 연결된 퓨즈나 가스 벤트 구조) 등이 미리 구비되어 있을 수 있고, 본 발명에 따른 내부단락 시험 방법은 이 전류차단수단 등의 적절성에 대한 시험이 될 수도 있다.

다른 한편, 내부단락 시험용 이차전지(60)는 상술한 단계 s21 내지 s26에서 P-N 접합 다이오드(5)와 관련된 단계를 제외한 단계들을 수행해 일반적인 방법대로 이차전지를 조립 완료한 후, 이를 해체하고 분리막(30)에 구멍(32)을 내어 P-N 접합 다이오드(5)를 장착한 후 재조립하여 제조할 수도 있는 것이다. 즉, P-N 접합 다이오드(5)는 완성된 이차전지에 사후 장착하거나 처음부터 조립에 포함시켜 할 수 있는 것이다.

어느 방법에 의하든지, 이와 같이 제조된 내부단락 시험용 이차전지(60)는, 양극판(10), 음극판(20), 양극판(10) 및 음극판(20) 사이에 개재된 분리막(30), 분리막(30)을 관통하여 양극판(10)과 음극판(20) 사이에 장착된 P-N 접합 다이오드(5), 및 양극판(10) 및 음극판(20)과 연결된 전극 리드(56)를 포함한다. 다시 말해, 양극판(10)과 음극판(20) 사이에 각각의 전극판(10, 20)을 전기적으로 절연하고 전해액을 유지하는 역할을 가지는 분리막(30)이 구비되어 있으며, 양극판(10)과 음극판(20) 사이에 P-N 접합 다이오드(5)가 장착되어 있는 것이다. 그리고, 내부단락 시험용 이차전지(60)의 양극판(10)과 음극판(20)에는 각각 전극 리드(56)가 전극탭(52)을 통해 연결되어 있고, 전극 리드(56)는 전지 케이스(50) 바깥으로 인출되어 있다.

앞에서도 언급한 바와 같이, P-N 접합 다이오드(5)의 문턱 전압(V_th)은 예를 들어 내부단락 상황을 일으켜 평가하고 싶은 이차전지에서의 만충전 전압에 해당하는 값으로 할 수 있다. 그리고, P-N 접합 다이오드(5)의 문턱 전압(V_th)은 예를 들어 내부단락 상황을 일으켜 평가하고 싶은 이차전지의 사용 영역 내에서 선정한 목표 실험 전압에 해당하는 값으로 할 수도 있다. P-N 접합 다이오드(5)의 문턱 전압(V_th)을 이처럼 원하는 수준이 되도록 제작하여 이를 포함하는 내부단락 시험용 이차전지(60)를 제작하면, 내부단락 시험용 이차전지(60) 충전을 통해 전지 전압 상승시 P-N 접합 다이오드(5)가 스위치-온되는 순간 내부단락 발생 상황을 모사할 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지 내부단락 시험 방법에서는, 이와 같이 제조한 내부단락 시험용 이차전지(60)에 대해 충전을 시키는 단계를 포함하게 된다. 충전으로 인한 내부단락 시험용 이차전지(60)의 전압이 P-N 접합 다이오드(5)의 문턱 전압(V_th)에 해당하게 되면 내부단락이 일어난 것으로 간주하여 내부단락 시험용 이차전지(60)의 상태를 평가할 수 있다.

도 6은 내부단락 시험용 이차전지 충전에 따른 이차전지 내부 상황을 보여주는 도면이다.

예를 들어, 이차전지의 만충전 전압이 4.2V인 경우, 만충전 전압에서의 내부단락 시험을 위해, P-N 접합 다이오드(5)의 문턱 전압(V_th)은 4.2V가 되게 내부단락 시험용 이차전지(60)를 준비한다.

도 6의 (a)는 내부단락 시험용 이차전지(60)의 충전 초기 상태를 도시한다. 예를 들어 충전이 일부만 진행되어 내부단락 시험용 이차전지(60) 전압이 3.0V까지 상승한 경우, P-N 접합 다이오드(5)의 문턱 전압(V_th)인 4.2V보다 낮은 상태이다. 따라서, P-N 접합 다이오드(5)는 스위치-온되지 않고, P-N 접합 다이오드(5)를 통해 전류가 통전되지 않고 있다.

도 6의 (b)는 충전이 계속되어 내부단락 시험용 이차전지(60)의 전압이 만충전 전압인 4.2V에 도달한 경우이다. 이 때 P-N 접합 다이오드(5)의 문턱 전압(V_th)인 4.2V에 도달하여 P-N 접합 다이오드(5)가 스위치-온되므로, 양극판(10)에서 음극판(20) 방향으로 단방향 전류 경로가 형성되고, 이는 곧 내부단락 상황인 것으로 간주될 수 있다. 이와 같이, 실제 전지 사용 환경 상황을 모사하여 내부단락을 일으킬 수가 있다.

이와 같은 이차전지 내부단락 시험 방법을 더욱 적절히 수행하기 위해 도 7에 도시한 것과 같은 이차전지 내부단락 시험 장치가 이용될 수 있다.

도 7을 참조하면, 이차전지 내부단락 시험 장치(100)는 방폭 챔버(70), 전원(Power Supply)(80) 및 계측기(90)를 포함한다.

방폭 챔버(70)는 내부단락 시험용 이차전지(60)를 내부 공간에 로딩할 수 있는 것이다. 방폭 챔버(70)는 안전도어를 구비한 시료실로 볼 수 있다. 방폭 챔버(70)는 외부와 내부를 차단하여, 혹시 모를 이차전지의 발화나 폭발시 작업자와 그 주변을 보호하도록 하기 위해 구비된다. 만일, 방폭 챔버(70) 내에서 이차전지의 내부단락 시험에 따라 이차전지가 폭발되거나 유독가스가 발생할 경우, 방폭 챔버(70)의 외부로 유독가스가 누출되지 않도록 방폭 챔버(70) 내부를 밀폐시킬 수 있는 것이면 바람직하다. 유독가스의 배출 및 정화를 위한 구성도 더 구비되면 좋다. 내부 관찰이 용이하도록 관찰창을 별도로 구비하거나 방폭 챔버(70) 일부 혹은 전체를 투명 케이스화할 수도 있다. 이차전지 내부단락 시험 장치(100)의 풋 프린트(foot print)를 고려하여 방폭 챔버(70) 크기를 설계할 수 있다.

전원(80)은 내부단락 시험용 이차전지(60)의 전극 리드(56)에 연결되어 충전 전류를 인가하기 위한 것이다. 계측기(90)는 내부단락 시험용 이차전지(60)의 전극 리드(56)에 연결되어 전압을 측정하고, 내부단락 시험용 이차전지(60)의 온도도 측정하기 위하여 마련한 것이다.

한편, 전원(80), 계측기(90) 등의 편리하고도 효과적인 구동을 위해 적절한 제어부(미도시)가 각 구성 부분에 대하여 별도로 혹은 통합적으로 더 포함될 수 있다. 제어부는 통상 컴퓨터로서, 이들을 구동 및 제어하는 소프트웨어를 내장하고, 각종 데이터값을 설정 및 메모리시키기 위한 것이다. 모니터와 같은 디스플레이 수단, 키보드와 같은 사용자 입력수단 등, 각종 인터페이스 장치도 이차전지 내부단락 시험 장치(100)에 더 포함될 수 있다. 이들은 통상의 상용제품을 가지고 구현할 수 있으며, 예를 들어, 모니터를 통하여 현재 시험 상황, 시험 수량 등의 정보를 살펴볼 수 있도록 할 수 있고, 계측기(90)는 측정한 결과값을 제어부에 보내 모니터에 출력하도록 할 수도 있다.

이러한 이차전지 내부단락 평가 장치(100)를 이용한 내부단락 평가 방법에서는, 내부단락 시험용 이차전지(60)를 방폭 챔버(70)에 로딩한다. 내부단락 시험용 이차전지(60)의 전극 리드(56)에 전원(80)을 연결하여 충전을 시작한다. 충전하는 동안 계측기(90)를 이용해 내부단락 시험용 이차전지(60)의 전압(V)과 온도(T)를 측정한다. 충전이 계속된 결과 내부단락 시험용 이차전지(60)의 전압이 P-N 접합 다이오드(5)의 문턱 전압(V_th)에 해당하게 되면 내부단락 상황이 모사된다. 이 때의 내부단락 시험용 이차전지(60)의 폭발이나 발화 여부 등을 체크한다. 시험 후 내부단락 시험용 이차전지(60)가 안정화되면, 이를 방폭 챔버(70)로부터 수거하여 해체해 그 내부 구성요소들을 분석한다.

P-N 접합 다이오드(5)를 이용해 내부단락을 모사한 결과, 내부단락 시험용 이차전지(60)의 폭발이나 발화가 되지 않았다면 이 내부단락 시험용 이차전지(60)를 구성하는 양극판(10), 음극판(20), 분리막(30) 및 전해액을 포함하여 제조되는 이차전지가 적합한 것으로 판정한다. 만약 내부단락 시험용 이차전지(60)에 내부단락이 일어나도 전지의 파괴를 억제할 수 있는 전류차단수단 등이 구비되어 있었던 경우라면, 이 전류차단수단 등은 적절히 동작한 것으로 판정이 된다.

만약 반대의 결과로, 내부단락을 모사한 결과 내부단락 시험용 이차전지(60)의 폭발이나 발화가 있었다면, 이 내부단락 시험용 이차전지(60)를 구성하는 양극판(10), 음극판(20), 분리막(30) 및 전해액을 포함하여 제조되는 이차전지는 부적합한 것이다. 그리고, 만약 내부단락 시험용 이차전지(60)에 내부단락이 일어나도 전지의 파괴를 억제할 수 있는 전류차단수단 등이 구비되어 있었던 경우라면, 이 전류차단수단 등은 적절하지 않은 것으로 판정이 된다. 이에 따라, 이차전지를 구성하는 요소들의 변경, 혹은 전류차단수단 등의 설계 조건 변경이 필요하다고 판단하여 조치한다.

그밖에 여기에 설명하지 않은 다양한 안전성 평가 활용 형태가 전지 설계 단계 혹은 전지 제조 이후 안정성 평가 항목 검증에서 가능할 것이며, 본 발명 내부단락 시험 방법에 따라 얻어지는 각종 정보를 활용하는 것이라면 본 발명의 범주에 포함되는 것이라고 보아야 할 것이다.

이상과 같이, 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 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

5 : P-N 접합 다이오드 10 : 양극판
12 : 양극 집전체 14 : 양극 활물질층
20 : 음극판 22 : 음극 집전체
24 : 음극 활물질층 30 : 분리막
32 : 구멍 40 : 전극조립체
50 : 전지 케이스 52 : 전극탭
54 : 실링 테이프 56 : 전극 리드
60 : 내부단락 시험용 이차전지 70 : 방폭 챔버
80 : 전원 90 : 계측기
100 : 이차전지 내부단락 시험 장치

Claims (11)

1. 이차전지 내부에 P-N 접합 다이오드를 장착하는 단계;
   상기 이차전지를 충전하는 단계; 및
   상기 P-N 접합 다이오드가 스위치-온(switch-on)되면 상기 이차전지의 내부단락이 일어난 것으로 간주하여 상기 이차전지 상태를 평가하는 단계를 포함하고,
   상기 P-N 접합 다이오드는 상기 이차전지의 양극판에 일면에 접촉되고 상기 이차전지의 음극판에 타면이 접촉되도록 상기 이차전지의 분리막을 관통하여 상기 이차전지의 양극판과 음극판 사이에 장착하는 것을 특징으로 하는 이차전지 내부단락 시험 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 P-N 접합 다이오드는 상기 이차전지의 만충전 전압에 해당하는 문턱 전압(Vth)을 가진 것을 이용하여, 상기 이차전지를 상기 만충전 전압까지 충전하는 것을 특징으로 하는 이차전지 내부단락 시험 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 P-N 접합 다이오드는 상기 이차전지의 만방전 전압과 만충전 전압 사이의 범위 내에서 선정한 실험 목표 전압에 해당하는 문턱 전압(Vth)을 가진 것을 이용하여, 상기 이차전지를 상기 실험 목표 전압까지 충전하는 것을 특징으로 하는 이차전지 내부단락 시험 방법.
6. 양극판;
   음극판;
   상기 양극판 및 상기 음극판 사이에 개재된 분리막;
   상기 분리막을 관통하여 상기 양극판과 음극판 사이에 장착된 P-N 접합 다이오드; 및
   상기 양극판 및 상기 음극판과 연결된 전극 리드를 포함하고,
   상기 P-N 접합 다이오드는 상기 양극판에 일면에 접촉되고 상기 음극판에 타면이 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 내부단락 시험용 이차전지.
7. 삭제
8. 제6항에 있어서, 상기 P-N 접합 다이오드와 상기 양극판 사이 및 상기 P-N 접합 다이오드와 상기 음극판 사이에 개재된 콘택층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내부단락 시험용 이차전지.
9. 제6항에 있어서, 상기 P-N 접합 다이오드는 상기 양극판, 상기 음극판 및 상기 분리막을 포함하는 이차전지의 만충전 전압에 해당하는 문턱 전압(Vth)을 가진 것임을 특징으로 하는 내부단락 시험용 이차전지.
10. 제6항에 있어서, 상기 P-N 접합 다이오드는 상기 양극판, 상기 음극판 및 상기 분리막을 포함하는 이차전지의 만방전 전압과 만충전 전압 사이의 범위 내에서 선정한 실험 목표 전압에 해당하는 문턱 전압(Vth)을 가진 것임을 특징으로 하는 내부단락 시험용 이차전지.
11. 제6항 기재에 따른 내부단락 시험용 이차전지를 로딩할 수 있는 방폭 챔버;
    상기 내부단락 시험용 이차전지의 전극에 연결되어 충전 전류를 인가하기 위한 전원(Power Supply); 및
    상기 내부단락 시험용 이차전지의 전극에 연결되어 전압을 측정하고, 상기 내부단락 시험용 이차전지의 온도를 측정하는 계측기를 포함하는 이차전지 내부단락 시험 장치.

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