KR102403450B1 - 전지 방전 방법 및 전지 방전 시스템 - Google Patents

전지 방전 방법 및 전지 방전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정전류 방전과 정전압 방전을 교대로 수행하는 전지 방전 방법 및 방전 시스템에 관한 것으로, 방전 과정에서 별도의 폐수를 발생시키지 않으면서도 효과적이고 안정적인 방전이 가능하다.

Description

전지 방전 방법 및 전지 방전 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR DISAHARGING BATTERY}
본 발명은 친환경적이면서 효과적인 전지 방전 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.
수명이 다한 전지(EOL-BATTERY)는 폐기되는 것이 일반적이다. 전지를 폐기하는 과정에서, 다양한 유해물질이 배출되고 유가 금속이 유실되는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 수명이 다한 전지를 재활용하는 기술들이 연구되고 있다. 수명이 다한 전지를 재활용하기 위해서는, 대상 전지를 방전하는 과정이 요구된다. 재활용 대상이 되는 전지를 자연 방전하거나 방전기를 이용하여 방전하는 방법은, 시간이 오래 걸리거나 공정 비용이 증가하는 한계가 있다. 이를 해소하기 위해서, 전지의 방전을 위해서 염수에 침지하는 방법이 사용되기도 한다. 그러나, 전지를 염수에 침지하게 되면, 그 과정에서 작업자가 유해한 환경에 노출되고 나아가 폐수가 발생하는 문제가 발생한다.
따라서, 수명을 다한 전지를 재활용하기 위해서는, 보다 효과적이면서도 친환경적인 방전 기술에 대한 필요성이 있다.
일본 등록특허공보 제5074454호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 정전류 방전과 정전압 방전을 교대로 수행하는 전지 방전 방법 및 방전 시스템을 제공하고자 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 방법은, 대상 전지를 일정한 전류 조건에서 방전을 수행하는 정전류 방전 단계; 및 대상 전지의 전압을 유지하면서 방전을 수행하는 정전압 방전 단계를 교대 수행한다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 방전 방법은, 정전류 방전 단계; 및 정전압 방전 단계를 n회 반복 수행한다. 또한, n은 1 내지 5 사이의 정수이다.
하나의 실시예에서, 상기 정전류 방전 단계는, 1.5A 내지 200A 조건에서 대상 전지의 방전을 수행한다.
하나의 실시예에서, 상기 정전압 방전 단계는, 0.1 내지 2V 조건에서 대상 전지의 방전을 수행한다.
구체적인 실시예에서, 상기 정전류 방전 단계는, 50A 내지 150A 조건에서 대상 전지의 방전을 수행하고, 상기 정전압 방전 단계는, 0.1 내지 0.8V 조건에서 대상 전지의 방전을 수행한다.
또 다른 하나의 실시예에서, 상기 정전압 방전 단계는, 대상 전지의 전압 변화를 5% 이하로 억제하면서 방전을 수행한다.
구체적인 예에서, 상기 대상 전지는 리튬 이차전지이다. 또한, 상기 대상 전지는 EOL(End of Life) 전지이다.
또한 본 발명은 앞서 설명한 전지 방전 방법을 수행하는 전지 방전 시스템을 제공한다. 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 방전 시스템은, 대상 전지의 전류를 유지하면서 방전을 수행하는 정전류 방전부; 대상 전지의 전압을 측정하는 전압 측정부; 대상 전지의 전압을 유지하면서 방전을 수행하는 정전압 방전부; 및 전압 측정부에서 측정된 전압을 수신하여, 대상 전지에 대한 정전류 방전부와 정전압 방전부의 전기적 연결을 제어하는 제어부를 포함한다.
구체적인 실시예에서, 상기 정전압 방전부는 서로 다른 둘 이상의 저항부를 포함한다. 여기서, 서로 다른 둘 이상의 저항부는, 대상 전지와 전기적으로 연결되되, 대상 전지의 전압 강하에 대응되어 전기적 연결이 스위칭되는 구조이다.
구체적인 예에서, 상기 서로 다른 둘 이상의 저항부는, 0.1 내지 5Ω 범위의 제1 저항부; 5 내지 13Ω 범위의 제2 저항부; 13 내지 50Ω 범위의 제3 저항부; 및 50 내지 200Ω 범위의 제4 저항부 중 둘 이상을 포함한다.
본 발명에 따른 전지 방전 방법 및 시스템은, 전지의 방전 과정에서 염수 등을 사용하지 않으므로 별도의 폐수를 발생시키지 않고, 동시에 효과적이면서 안정적인 방전이 가능하다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 방전 방법으로 방전을 수행하는 전지에 대한 전류 및 전압을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 방전 방법은, 대상 전지를 일정한 전류 조건에서 방전을 수행하는 정전류 방전 단계; 및 대상 전지의 전압을 유지하면서 방전을 수행하는 정전압 방전 단계를 교대 수행한다.
예를 들어, 상기 전지 방전 방법은, 미리 정해진 전압(Vo)까지 정전류 방전을 수행한다. 이 경우, 방전율은 1.5C 이상, 혹은 1.5C 내지 20C 조건으로 빠른 방전이 가능하다.
또한, 상기 전지 방전 방법은, 정전류 방전 단계; 및 정전압 방전 단계를 반복 수행하는 것도 가능하다. 예를 들어, 정전류 방전 단계; 및 정전압 방전 단계를 n회 반복 수행하되, n은 1 내지 5 사이의 정수이다.
본 발명에 따른 전지 방전 방법은, 정전류 방전 단계를 통해 대상 전지의 방전 효율을 높이고 전압을 급격히 낮추게 된다. 그런 다음, 정전압 방전 단계는 대상 전지를 안정화하는 과정을 수행한다. 빠른 방전을 위해서, 정전류 방전만을 수행하게 되면, 방전 후 대상 전지의 전압이 일시적으로 상승하는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 전지의 전압 상승은, 대상 전지가 안정적으로 방전되지 못하였음을 반증하는 것이며, 작업자의 작업 안전성을 저해하고, 유해 물질의 발생을 유발할 수 있다. 본 발명에서는, 정전류 방전 후 정전압 방전을 수행함으로써, 방전 공정의 효율을 크게 저해하지 않으면서도 전지의 안전성을 유지할 수 있다.
본 발명은, 정전류 방전 단계와 정전압 방전 단계를 교대 수행한다. 구체적으로는, 본 발명은 정전류 방전 단계와 정전압 방전 단계로 조합된 방전 과정을 수회 반복하거나, 정전류 방전 단계를 방전 전류의 크기에 따라 다단계로 수행한 후 정전압 방전 단계로 조합된 방전 과정을 포함한다. 하나의 예에서, 상기 정전류 방전 단계는, 제1 전류(A1)에서 방전하는 단계, 제2 전류(A2)에서 방전하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, A1은 A2 보다 크게 제어될 수 있다. 예를 들어, A1은 80 내지 150A 범위이고, A2는 20 내지 50A 범위이다.
또 다른 하나의 실시예에서, 정전류 방전 단계와 정전압 방전 단계를 수행할 때, 정전압 방전 단계를 상대적으로 짧게 수행하는 것이 가능하다. 구체적으로, 정전류 방전 단계와 정전압 방전 단계의 수행 시간은, 2:1 내지 10:1의 범위에서 제거될 수 있다. 예를 들어, 정전류 방전 단계는 60 내지 120초간 수행하고, 정전압 방전 단계는 5 내지 50초간 수행한다. 본 발명에서는 정전압 방전 단계를 수행하는 시간을 한정하는 것은 아니나, 상대적으로 짧은 공정 시간에도 불구하고 방전 후 전지의 전압 상승을 효과적으로 방지할 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 정전류 방전 단계는, 10A 내지 200A 조건에서 대상 전지의 방전을 수행한다. 예를 들어, 정전류 방전 단계에서의 방전 전류는 10 내지 150A, 50 내지 150A, 80 내지 150A, 85 내지 120A 또는 20 내지 50A 범위를 갖는다. 이러한 방전 전류의 범위는 전지의 안전성을 해치지 않으면서 공정 효율을 높이기 위한 것이다.
하나의 실시예에서, 상기 정전압 방전 단계는, 0.1V 내지 2V 조건에서 대상 전지의 방전을 수행한다. 예를 들어, 정전압 방전 단계에서의 방전 전압은 0.1 내지 1.5V, 0.1 내지 1V 또는 0.2 내지 0.7V 범위를 갖는다. 이러한 방전 전압의 범위는 방전 상태의 전지를 안정화하기 위한 것이다.
구체적인 예에서, 상기 정전류 방전 단계는 50A 내지 150A 조건에서 대상 전지의 방전을 수행하고, 정전압 방전 단계는 0.1 내지 0.8V 조건에서 대상 전지의 방전을 수행한다. 보다 구체적인 예에서, 상기 정전류 방전 단계는 85A 내지 120A 조건에서 대상 전지의 방전을 수행하고, 정전압 방전 단계는 0.2 내지 0.7V 조건에서 대상 전지의 방전을 수행한다.
또 다른 하나의 실시예에서, 상기 정전압 방전 단계는 대상 전지의 전압 변화를 5% 이하로 억제하면서 방전을 수행한다. 본 발명에서, 정전압 방전 단계는 대상 전지의 전압 변화를 최소화하면서 방전을 수행하는 과정이다. 구체적으로, 상기 정전압 방전 단계는 대상 전지의 전압 변화를 0.1 내지 5% 범위, 0.1 내지 3% 범위, 또는 1 내지 3% 범위로 억제하면서 방전을 수행한다.
또 다른 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 방전 방법은, 정전류 방전 단계; 및 정전압 방전 단계 중 어느 하나 이상의 단계 이후에 각각 휴식기를 갖는 것이 가능하다. 이를 통해, 대상 전지의 전기화학적 안정화를 유도하고, 빠른 방전 과정에서 전지 내 부반응 발생을 최소화한다. 예를 들어, 상기 휴식기는 1 내지 120초 범위에서 제어 가능하다.
예를 들어, 본 발명에 따른 전지 방전 방법의 대상이 되는 전지는, 리튬 이차전지이며, 구체적으로는 수명이 다한 EOL(End of Life) 전지이다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 전지 방전 방법을 수행하는 전지 방전 시스템을 제공한다. 앞서 언급한 전지 방전 방법에 관련된 설명들은, 이하 설명하는 전지 방전 시스템에도 모두 적용된다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 방전 시스템은, 대상 전지의 전류를 유지하면서 방전을 수행하는 정전류 방전부; 대상 전지의 전압을 측정하는 전압 측정부; 대상 전지의 전압을 유지하면서 방전을 수행하는 정전압 방전부; 및 전압 측정부에서 측정된 전압을 수신하여, 대상 전지에 대한 정전류 방전부와 정전압 방전부의 전기적 연결을 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따른 전지 방전 시스템은, 정전류 방전부를 통해 대상 전지를 빠른 속도로 방전시키되, 전압 측정부를 통해 대상 전지의 전압 레벨을 연속적으로 혹은 간헐적으로 측정한다. 측정된 대상 전지의 전압이 목표 전압에 도달하면, 제어부에서는 대상 전지와 연결된 정전류 방전부와의 전기적 연결을 해제하고 대상 전지를 정전압 방전부와 전기적 연결하게 된다. 정전압 방전부에서는 대상 전지의 전압을 일정 수준으로 유지하면서 방전을 수행한다.
하나의 실시예에서, 상기 정전류 방전부는, 10A 내지 200A 조건에서 대상 전지의 방전을 수행한다. 예를 들어, 정전류 방전부에서 방전 전류는 10 내지 150A, 50 내지 150A, 80 내지 150A, 85 내지 120A 또는 20 내지 50A 범위를 갖는다. 이러한 방전 전류의 범위는 전지의 안전성을 해치지 않으면서 공정 효율을 높이기 위한 것이다.
하나의 실시예에서, 상기 정전압 방전부는, 0.1V 내지 2V 조건에서 대상 전지의 방전을 수행한다. 예를 들어, 정전압 방전부에서 방전 전압은 0.1 내지 1.5V, 0.1 내지 1V 또는 0.2 내지 0.7V 범위를 갖는다. 이러한 방전 전압의 범위는 방전 상태의 전지를 안정화하기 위한 것이다.
구체적인 예에서, 상기 정전류 방전부는 50A 내지 150A 조건에서 대상 전지의 방전을 수행하고, 정전압 방전부는 0.1 내지 0.8V 조건에서 대상 전지의 방전을 수행한다.
구체적인 실시예에서, 상기 정전압 방전부는 서로 다른 둘 이상의 저항부를 포함하는 구조이다. 구체적으로, 상기 서로 다른 둘 이상의 저항부는, 대상 전지와 전기적으로 연결되되, 대상 전지의 전압 강하에 대응되어 전기적 연결이 스위칭되는 구조이다.
구체적인 실시예에서, 상기 서로 다른 둘 이상의 저항부는, 0.1 내지 5Ω 범위의 제1 저항부; 5 내지 13Ω 범위의 제2 저항부; 13 내지 50Ω 범위의 제3 저항부; 및 50 내지 200Ω 범위의 제4 저항부 중 둘 이상을 포함하는 구조일 수 있다. 본 발명에 따른 전지 방전 시스템은, 다수의 서로 다른 저항값을 갖는 저항부들을 구비함으로써, 전지의 전압 변화에 대응하여 방전시 적용되는 저항부를 스위칭하게 된다. 구체적으로는, 본 발명은, 대상 전지의 전압이 변하지 않는 경우에는 높은 저항값을 갖는 저항부를 이용하여 방전을 수행하고, 대상 전지의 전압 변화가 발생되면 상대적으로 낮은 저항값을 갖는 저항부로 스위칭하여 방전을 수행한다. 예를 들어, 상기 서로 다른 둘 이상의 저항부는 각각 1Ω, 10Ω, 15Ω 및 100Ω의 저항값을 갖는 4개의 저항부로 형성될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
대상 전지에 대하여, 전압이 2.7V에서 0.5V가 되는 지점까지 100A 조건에서 정전류 방전을 수행하였다. 정전류 방전은 85초 지점부터 158초 지점까지 수행하였다. 그런 다음, 0.5V 조건에서 정전압 방전을 약 20초간 수행하였다.
대상 전지의 테스트 시간에 따른 방전 전류 및 방전 전압은 도 1에 도시한 바와 같다.
본 발명에 따른 방전 방법은, 높은 방전 씨-레이트 조건에서 정전류 방전을 수행함으로써, 공정 효율을 높일 수 있다. 더불어, 정전류 방전 이후에 정전압 방전을 수행함으로써, 방전 상태의 전지를 안정화하고, 방전 후 다시 전류가 상승하는 회생 전압의 발생을 억제할 수 있다.
이상에서는 본 발명 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.

Claims (10)

  1. 리튬 이차전지이며, EOL(End of Life) 전지인 대상 전지를 방전하는 방법에 있어서,
    대상 전지를 일정한 전류 조건에서 방전을 수행하는 정전류 방전 단계; 및
    대상 전지의 전압을 유지하면서 방전을 수행하는 정전압 방전 단계를 교대 수행하는 전지 방전 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    정전류 방전 단계는, 10 내지 200A 조건에서 대상 전지의 방전을 수행하는 전지 방전 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    정전압 방전 단계는, 0.1 내지 2V 조건에서 대상 전지의 방전을 수행하는 전지 방전 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    정전류 방전 단계는, 50A 내지 150A 조건에서 대상 전지의 방전을 수행하고,
    정전압 방전 단계는, 0.1 내지 0.8V 조건에서 대상 전지의 방전을 수행하는 전지 방전 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    정전압 방전 단계는,
    대상 전지의 전압 변화를 5% 이하로 억제하면서 방전을 수행하는 것을 특징으로 하는 전지 방전 방법.
  7. 삭제
  8. 리튬 이차전지이며, EOL(End of Life) 전지인 대상 전지를 방전하는 시스템에 있어서,
    대상 전지의 전류를 유지하면서 방전을 수행하는 정전류 방전부;
    대상 전지의 전압을 측정하는 전압 측정부;
    대상 전지의 전압을 유지하면서 방전을 수행하는 정전압 방전부; 및
    전압 측정부에서 측정된 전압을 수신하여, 대상 전지에 대한 정전류 방전부와 정전압 방전부의 전기적 연결을 제어하는 제어부를 포함하는 전지 방전 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 정전압 방전부는 서로 다른 둘 이상의 저항부를 포함하며,
    서로 다른 둘 이상의 저항부는, 대상 전지와 전기적으로 연결되되, 대상 전지의 전압 강하에 대응되어 전기적 연결이 스위칭되는 구조인 전지 방전 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 서로 다른 둘 이상의 저항부는,
    0.1 내지 5Ω 범위의 제1 저항부;
    5 내지 13Ω 범위의 제2 저항부;
    13 내지 50Ω 범위의 제3 저항부; 및
    50 내지 200Ω 범위의 제4 저항부 중 둘 이상을 포함하는 전지 방전 시스템.
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