KR102460808B1 - 전해액 이온 농도 측정부를 포함하는 전지셀 및 이를 이용한 전해액 농도 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전해액 이온 농도 측정부를 포함하는 전지셀 및 이를 이용한 전해액 농도 측정방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전지셀은 제1극판, 절연막 및 제2극판이 순차적으로 적층된 측정부를 포함하며, 상기 측정부는 전지셀의 분리막과 전극 사이에 삽입되어, 분리막과 전극 사이의 전해액 농도를 직접 측정할 수 있으며, 제조가 간단하고 안정성이 우수한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전지셀은 제1극판, 절연막 및 제2극판이 순차적으로 적층된 측정부를 포함하며, 상기 측정부는 전지셀의 분리막과 전극 사이에 삽입되어, 분리막과 전극 사이의 전해액 농도를 직접 측정할 수 있으며, 제조가 간단하고 안정성이 우수한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전지셀을 사용한 본 발명의 이차전지 전해액 농도 측정 방법은 전지 사용 중에도 실시간으로 전해액 농도 측정이 가능하며, 분리막의 전해액 농도를 종래 기술 대비 더욱 정확하고 신속하게 측정할 수 있다.

Description

전해액 이온 농도 측정부를 포함하는 전지셀 및 이를 이용한 전해액 농도 측정 방법{BATTERY CELL COMPRISING A UNIT FOR MEASURING CONCENTRATION OF ELETROLYTE AND MEASURING METHOD THEREOF}
본 발명은 전해액 이온 농도 측정부를 포함하는 전지셀 및 이를 이용한 전해액 농도 측정방법에 관한 것이다.
화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격이 상승하고, 환경오염에 대한 관심이 증폭되면서 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래 생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있고, 특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
일반적으로, 이차전지는 집전체의 표면에 전극활물질을 포함하는 전극 합제를 도포하여 양극과 음극을 구성하고 그 사이에 분리막을 개재하여 전극조립체를 만든 후, 원통형 또는 각형의 금속 캔이나 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 장착하고, 상기 전극조립체에 주로 액체 전해질을 주입 또는 함침시키거나 고체 전해질을 사용하여 제조된다.
상기 전해질 중 용매가 액체로 이루어진 액체 전해질(이하 '전해액'이라고 한다)은 통상 전해액이라고도 한다. 리튬 이차전지용 전해액은 일반적으로 비수용액계의 전해액(nonaqueous electrolyte)을 사용하며, 유기용매와 LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)3 등의 유기 또는 무기 화합물의 염으로 구성된다.
상기 리튬 이차전지용 전해액은 전지의 이온을 전달하는 매개체로서, 리튬 이온을 운반하는 역할을 한다. 따라서, 우수한 전지 성능 얻기 위해서는 양 전극 사이에서의 이온 전도도가 높고 전기화학적으로 안정적인 전해액을 선택하는 것이 중요하다.
상기 이온 전도도는 양이온 및 음이온의 합으로 나타낼 수 있는데, 리튬 이차전지에서 전기화학적으로 반응을 수행하여 이온 전도도에 기여하는 것은 리튬 양이온뿐이므로, 전체 이온 중 양이온의 분율, 즉 양이온 수율이 중요하다. 한편 양이온 수율은 일반적으로 전해액 내의 염의 농도, 온도, 이온의 반경 및 전하량에 따라 달라지며, 그 중에서도 염의 농도 및 온도에 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있다.
그런데, 리튬 이차전지의 전해액 이온 농도(이하 '전해액 농도'라고 한다)는 전지의 충방전 사이클 반복 및/또는 부반응에 의한 전지 열화가 진행됨에 따라 저하될수 있으며, 그에 따라 이온 전도도가 낮아지면 충방전 시 두 전극에서 출입하는 리튬 이온을 제대로 운반하지 못하여 전극활물질의 용량을 충분히 구현할 수 없게 된다.
따라서 전해액 농도 변화를 측정하는 것으로 충방전 사이클이나 전지 열화상태를 체크할 수 있으며 상기 전해액 농도 변화값은 이차전지 전반적인 성능을 가늠할 수 있는 전기화학적 지표가 된다.
이와 관련하여 종래에는 전해액 농도를 측정하는 방법으로, 막대 형태로 된 전도성 금속 막대를 전해액에 침지시킨 후, 막대에 부착된 와이어 사이의 저항값을 계산하고, 별도의 온도 센서를 통해 측정된 온도 데이터를 활용하여 전해액 농도를 추정하는 방식을 주로 이용하였다. 그러나, 이러한 방법은 상기 전도성 금속 막대의 크기로 인해, 실질적으로 리튬 이온 이동이 이루어지는 전지셀의 전극과 분리막 사이의 전해액 농도를 직접 측정하는 것은 불가능하였으며, 다만 전지셀 외부의 전해액에 침지시키는 간접적인 방법으로 대략적인 예측만 가능하였다. 또한, 전지의 전해액 농도 변화를 실시간으로 측정할 수 없는 문제가 있었다.
전해액 농도 측정을 위한 또다른 방법으로 한국공개특허 제10-2010-0098453호에서는 소정 부위의 전해액의 리튬 이온의 농도를 측정할 수 있는 리튬 이온 2차 전지, 이것을 사용한 조전지, 이 조전지를 탑재한 차량 및 전지 탑재 기기, 리튬 이온 2차 전지에 있어서의 농도 상관 물리량을 취득할 수 있는 전지 시스템 및 리튬 이온 2차 전지의 열화 검지 방법을 제시하고 있다. 상기 특허문헌에서는 일 실시예로서 제1전극본체부와 제2전극본체부를 각각 분리막과 전극 사이에 이격된 상태로 개재하여, 전해액 농도를 측정하는 방법이 개시되어 있다. 이는 종래에 사용되던 전도성 금속 막대 측정장치의 크기를 축소하고 박막의 형태로 제조하고, 분리막과 전극 사이에 삽입하여 그 사이의 전해액 농도를 측정하는 방법으로서, 전극과 분리막 사이의 전해액 농도를 직접 측정하기 곤란하였던 종래의 방법 대비 장점이 있다. 그러나, 상기 특허문헌의 측정방법은 2개의 측정장치를 각각 다른 위치에 삽입하여 진행하는 것인데, 삽입된 각 측정장치들이 서로 접촉하여 단락이 발생하는 경우, 측정이 불가능해질 뿐만 아니라 발열 및 발화의 원인이 될 수 있다. 따라서 상기 각 측정장치는 반드시 일정 간격 이상으로 이격시켜 삽입하여야 하며 이격된 상태를 유지시켜야 하는 제약이 있다. 또한 분리막에 별도의 절연막을 덧대어 부착시키는 별도의 공정이 요구되므로 제조방법이 까다롭고, 이에 따라 삽입 위치 및 측정장치 크기에도 제한이 있다. 게다가 이러한 방법으로 측정장치 전지셀 내에 삽입이 되더라도 외부 충격에 의해 측정장치의 위치가 변동하게 되는 경우 여전히 상기한 바와 같이 단락으로 인한 발열 및 발화의 위험이 있으므로, 안정성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
한국 공개특허 제10-2010-0098453호
본 발명은 리튬 이차전지의 전해액 농도 측정에 있어서, 전해액 농도를 측정하기 위한 측정부를 포함하는 전지셀 및 이를 이용한 전해액 농도 측정방법을 제공한다.
이와 관련하여 본 발명은 종래의 기술적 문제점들을 보완하여, 전극과 분리막 사이의 전해액 농도를 직접 측정하면서, 이차전지를 사용하는 중에도 실시간 측정이 가능하고, 제조공정이 간단하며 안정성이 우수한 이차전지 전해액 농도 측정용 전지셀 및 이를 이용한 전해액 농도 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 전지셀은, 제1극판, 절연막 및 제2극판이 순차적으로 적층된 측정부를 포함한다.
상기 측정부는 전지셀의 분리막과 전극 사이에 삽입되어, 전지셀의 전해액 농도를 측정하는 역할을 한다.
또한, 상기 제1극판 및 제2극판에는 각각 전선이 연결되어 있고, 이 전선들은 전지셀의 외측으로 인출되어 전지셀 외부의 저항 측정장치와 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1극판 및 제2극판에는 하나 또는 둘 이상의 관통구가 형성되어 있을 수 있다. 본 발명의 측정부는 제1극판과 제2극판 사이에 개재된 절연막에 전해액을 함침시킨 후 농도를 측정하기 위한 것으로서, 상기 관통구가 제1극판 및 제2극판에 형성될 경우 관통구를 통하여 전해액이 빠르게 측정부 내부로 침투하여 절연막에 흡수될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 전해액 함침 속도를 높이기 위하여, 상기 제1극판 및 제2극판에 형성된 관통구의 모양 및/또는 크기 등의 형태를 동일하게 일치시킬 수 있다. 이러한 경우 제1극판과 제2극판에 형성된 각 관통구들은 서로 대응하는 위치에 있게 되며, 측정부의 절연막 함침 속도가 더욱 향상될 수 있다.
이 때, 상기 각각의 개별 관통구들은 관통구가 형성되기 전 극판의 수평단면적에 대비하여 0.1 내지 45%일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1 내지 10%일 수 있다.
또한 상기 제1극판 및 제2극판에 관통구가 형성됨에 따라, 상기 제1극판 및 제2극판의 기공도는 30 내지 45%일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 34 내지 42% 일 수 있다.
한편 상기 측정부의 두께는 바람직하게는 25 내지 35㎛ 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 28 내지 30㎛ 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 측정부가 전지셀에 삽입될 때 삽입 부위에 따라 제1극판 또는 제2극판이 전지셀의 전극에 면접할 수 있는데, 이러한 경우에 있어서, 제1극판 또는 제2극판의 외측면에 전극과의 단락을 방지하기 위한 절연막을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1극판 및 제2극판의 소재는 알루미늄, 구리, 니켈로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속 또는 2종 이상의 합금일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 알루미늄 또는 구리일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 측정부에 개재된 절연막은 폴리올리핀계 고분자 소재의 다공막일 수 있으며, 전지셀의 분리막과 동일한 소재가 사용될 수 있다.
한편, 본 발명은 측정부를 포함하는 전지셀을 이용한 이차전지의 전해액 농도 측정방법을 제공한다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지의 전해액 농도 측정방법은,
제1극판, 절연막 및 제2극판이 순차적으로 적층된 측정부를 제조하는 단계(s1);
상기 제1극판 및 제2극판의 일측 단부에 전선을 연결하는 단계(s2);
상기 측정부를 전지셀의 전극과 분리막 사이에 삽입하는 단계(s3);
상기 전지셀의 외측으로 전선을 인출하는 단계(s4);
상기 전선에 측정장치를 연결하여 고분자막에 함유된 전해액 이온 농도를 산출하는 단계(s5)를 포함할 수 있다.
상기 s5 단계의 전해액 이온 농도 산출 방법은 상기 전선에 전류를 인가한 후 상기 제1극판과 제2극판 사이의 저항값을 측정한 후, 별도의 온도센서를 이용하여 측정한 전해액 온도를 이용하여 산출할 수 있다.
상기 단계들 중 측정부를 제조하는 s1 단계에서는, 전해액 함침속도를 향상시키기 위하여 상기 제1극판 및 제2극판에 하나 또는 둘 이상의 관통구를 형성하여 사용할 수 있다.
상기 각각의 개별 관통구들은 관통구가 형성되기 전 극판의 수평단면적에 대비하여 0.1 내지 45%일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1 내지 10%일 수 있다. 또한, 상기 관통구 형성에 따라 결정되는 상기 제1극판 및 제2극판의 기공도는 30 내지 45%일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 34 내지 42%일 수 있다. 한편, 상기 측정부의 두께는 바람직하게는 25 내지 35㎛일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 28 내지 30㎛일 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀은 제1극판, 절연막 및 제2극판이 순차적으로 적층된 측정부를 포함하며, 상기 측정부는 전지셀의 분리막과 전극 사이에 삽입되어, 분리막과 전극 사이의 전해액 농도를 직접 측정할 수 있으며, 제조가 간단하고 안정성이 우수한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전지셀을 사용한 본 발명의 이차전지 전해액 농도 측정 방법은 전지 사용 중에도 실시간으로 전해액 농도 측정이 가능하며, 분리막의 전해액 농도를 종래 기술 대비 더욱 정확하고 신속하게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전해액 농도 측정부를 포함하는 전지셀 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 전해액 농도 측정부 및 측정부에 연결된 전선을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 전해액 농도 측정부의 구조를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 전해액 농도 측정부의 측단면을 도시한 것이다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시양태에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물 및 변형예가 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 「연결」되어 있다고 할 때, 이는 「직접적으로 연결되어 있는 경우」뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 「전기적으로 연결」되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 「포함한다」고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 용어 「약」, 「실질적으로」 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용 오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로서 사용되고 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 「이들의 조합(들)」의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서 「A 및/또는 B」의 기재는 「A 또는 B 또는 이들 모두」를 의미한다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 전해액의 이온 농도를 측정하기 위한 전지셀 및 이를 이용한 측정방법을 제공한다.
종래의 전도성 금속 막대 두 개를 이용한 전해액 농도 측정 방법은 정확도가 떨어지며, 이차전지 사용 중에 실시간으로 전해액 농도 측정을 할 수 없다는 문제가 있었다.
이와 관련하여 한국 공개특허 제10-2010-0098453호에서는 막대 형태였던 종래의 측정장치를 작은 박막의 형태로 각각 제조하여 전극과 분리막 사이에 삽입하는 기술을 개시하였으나, 측정장치의 제조가 까다롭고 제한적이며, 외부 충격 등으로 인한 단락 발생 시 발열 및 발화가 발생할 수 있는 문제를 해결하지 못하고 있다.
본 발명은 상기한 종래의 이차전지 전해액 농도 측정방법을 더욱 개선한 것으로서, 측정부의 제1극판 및 제2극판의 거리가 매우 가까우므로 저항값의 크기가 매우 작고, 그에 따라 전해액 농도 측정 변수 중의 하나인 저항에 따른 영향이 최소화되어, 상기 한국 공개특허 제10-2010-0098453호 대비 전해액 농도 변화를 보다 정밀하게 실시간으로 측정할 수 있다. 즉, 저항값의 크기가 작고 전해액 농도 변화에 따른 민감도가 높아져 측정 해상도(resolution)가 더욱 증대되며, 그로 인해 정밀한 농도 변화 측정이 가능하다.
또한, 종래 기술인 한국 공개특허 제10-2010-0098453호와 본 발명을 비교해 보면, 상기 종래 기술의 경우 전해액 농도 측정을 위해 분리막에 극판을 각각 부착하고 그 위에 단락을 방지하기 위해 추가적인 절연막을 부착하는 공정을 거친다. 따라서, 상기 방법은 종래의 전지셀 제조 공정과는 상이한 복잡하고 까다로운 추가 공정이 요구되며, 대량 생산에 적합하지 않아 산업상 이용 가능성이 높지 않다.
이에 반해, 본 발명에 의한 측정부는 종래의 전극 라미네이션 장치를 이용하여 간단히 제조가 가능하며, 삽입 또한 전지셀의 스택 공정 도중에 원하는 위치에서 공정을 일시적으로 중단한 후, 전지셀 내에 측정부를 위치시킨 다음 스택 공정을 재개하기만 하면 되므로 공정이 매우 간단하다.
효과적 측면에서도 본 발명의 측정부는 측정 시 극판을 겹쳐 쌓아 측정부의 크기를 최소화하여 외부의 간섭을 최소화하며 더 나아가 외부, 즉 배터리의 전극에도 최소한의 영향을 준다. 그에 비해 종래 기술의 경우 극판을 2개 분리시켜서 별도로 삽입하여야 하므로 분리막 사이에 이물질이 차지하는 면적이 늘어나 충방전시 저항의 증가를 야기할 수 있다
또한 종래 기술의 배터리 분리막에 부착시키는 방식을 이용하는 경우 경우, 두 집전체가 배터리의 양극 및 음극과 연결되어 단락이 될 수 있으므로, 측정을 위해 추가적인 장치나 공정을 필요로 하는 등 측정 방법 또한 까다롭다는 문제가 있다.
반면, 본 발명의 측정부는 상기한 바와 같이 미리 제조 및 테스트한 후 전지셀 스택 공정 도중에 간단히 삽입이 가능하므로, 공정성이 우수하고 사전 테스트를 통한 보정(Calibration)도 가능하다. 즉, 본 발명에 의한 측정부는 단순한 공정으로 제조가 간단할 뿐만 아니라, 설치 또한 통상적인 전지셀 제조 과정에서 분리막과 전극 사이에 삽입만 하면 되므로 설치가 단순하고, 까다로운 추가 공정 없이도 정밀한 측정이 가능하다
이하 본 발명의 전지셀 및 그 제조방법과 본 발명의 전지셀을 이용한 전해액 농도 측정방법을 구체적으로 설명한다.
본 발명은 전극과 분리막이 순차적으로 적층된 전지셀로서, 내부에 전해액 농도 측정을 위한 측정부를 포함함으로써, 전극과 분리막 사이의 전해액 농도를 정확하게 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명에 있어서, 상기 측정부는 전극과 분리막 사이에 삽입되고, 전지셀 및 완성된 이차전지의 외부로 인출되는 전선이 측정부에 연결되어 있어 전지 사용 중에도 실시간으로 전해액 농도를 측정할 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시예에 따르면, 상기 전극 조립체는 반대 극성을 갖는 두 개의 전극이 분리막을 개재하여 교번 적층된 전극 적층체를 포함하는 것으로서, 상기 전극은 음극이거나 양극일 수 있으며, 분리막은 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 이들을 전기적으로 절연시킨다.
상기 양극은 예를 들어 알루미늄(Al) 재질의 양극 집전체 및 이의 일측 표면 또는 양측 표면에 양극 활물질이 도포되어 형성된 양극 활물질층을 포함할 수 있다. 마찬가지로 음극은 구리 재질의 집전체 및 이의 일측 표면에 음극 활물질이 도포되어 형성된 음극 활물질층을 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질로는 예를 들어, 들어, LiCoO2, LiNiO2, LiNi1-yCoyO2(0<y<1), LiMO2(M=Mn, Fe 등), Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1-yMnyO2(O≤y<1) 등의 층상형 양극 활물질; LiMn2O4, LiMn2-zCozO4 (0<z<2), LiMn2-zNizO4(0<z<2), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2) 등의 스피넬형 양극 활물질; LiCoPO4, LiFePO4 등의 올리빈형 양극 활물질 등이 이용될 수 있다.
또한, 상기 음극 활물질로는 예를 들어, 석유코크(petroleum coke), 활성화 탄소(activated carbon), 그라파이트(graphite), 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소계 물질; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2 (0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8)의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등이 이용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 음극과 양극은 각각 음극탭 또는 양극탭의 전극탭이 형성될 수 있다. 상기 전극 탭은 예를 들어 상기 음극 집전체 및/또는 양극 집전체와 일체로 형성될 수 있는 것으로서, 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부 영역에 해당한다. 즉, 상기 전극 탭(T)은 집전체의 표면 중 전극 활물질이 도포되지 않은 영역에 해당하는 영역이 적절한 형상으로 타발되어 형성될 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 분리막은 음극과 양극 사이의 전기적 접촉을 차단하면서 이온을 통과시키는 이온 전도성 배리어의 역할을 수행하는 것이다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 분리막은 복수의 미세 기공을 갖는 다공성 고분자 기재를 포함할 수 있다. 더 나아가 분리막은 상기 다공성 고분자 기재의 표면에 복수의 무기물 입자와 고분자 바인더 수지를 포함하는 다공성 코팅층이 형성될 수 있다. 상기 다공성 코팅층은 코팅층 내에 무기물 입자들이 바인더 수지를 매개로 하여 점결착 및/또는 면결착 되어 집적된 층으로서 상기 코팅층은 무기 입자들 사이의 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)에 기인한 다공성 구조를 갖는다.
상기 다공성 고분자 기재로는 예를 들어, 폴리올레핀, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴레페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈렌과 같은 고분자 수지 중 적어도 어느 하나로 형성된 다공성 고분자 기재 등이 있으나 특별히 여기에 한정되는 것이 아니다. 또한, 상기 다공성 고분자 기재로는 고분자 수지를 용융하여 성막한 시트 형태의 필름이나 고분자 수지를 용융방사하여 얻은 필라멘트를 집적시킨 부직포 형태를 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 상기 고분자 수지를 용융/성형하여 시트 형태로 제조된 다공성 고분자 기재인 것이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 전지셀(100)은 양극(121)과 분리막, 또는 음극(122)과 분리막(110) 사이에 전해액 농도 측정을 위한 측정부(130)을 포함할 수 있다. 상기 측정부(130)는 전지셀(100)의 외부로 인출되는 전선(140)이 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 측정부(130)는 제1극판(131)과 제2극판(132) 사이에 절연막(133)이 개재되어 있으며, 순차적으로 적층된 것을 특징으로 한다. 한편, 상기 측정부에 연결된 전선(140)은 각각 제1극판(131)에 연결된 전선(141)과 제2극판(132)에 연결된 전선(142)으로 이루어지며, 상기 전선(140)은 도 1에 도시된 바와 같이 전지셀의 외부로 인출되게 된다.
상기 측정부는 전지셀(100)의 전극과 분리막(110) 사이에 삽입되어 분리막과 전극사이의 전해액 농도를 측정하게 된다. 도 1의 일 실시예에 의하면, 상기 측정부는 음극(122)와 분리막(110) 사이에 삽입된 것으로 도시되어 있으나, 양극(121)과 분리막(110) 사이에 삽입되는 것도 가능하다. 이 때 상기 측정부는 반드시 전지셀의 전극과 분리막 사이에 삽입될 필요는 없으며, 전지셀의 크기, 형태, 구조에 따라 삽입이 가능한 다른 위치에 삽입하는 것도 가능하다.
도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 측정부의 절연막(133)은 제1극판(131)과 제2극판(132) 사이에 개재되어 전지셀의 양극(121) 또는 음극(122)과 분리막(110) 사이의 전해액을 흡수하게 되며, 제1극판(131)과 제2판(132)에 연결된 전선(140)에 전류를 인가하면 저항값이 측정되어 전해액의 농도를 계산할 수 있다. 한편, 상기 전선들은 이차전지를 조립한 후에도 외부로 인출되어 전지를 사용하는 중에도 언제든지 실시간 전해액 농도 측정이 가능하다.
상기 절연막(133)은 제1극판(131)과 제2극판(132)을 전기적으로 절연시키면서 전해액 흡수가 용이하고, 리튬 이온 이동이 원활하도록 폴리올레핀계 고분자 소재의 다공막으로 이루어질 수 있으며, 상기한 분리막과 동일한 소재일 수 있다. 또한, 측정부의 삽입 부위에 따라 단락이 예상되는 경우에는 전지적으로 절연이 필요한 극판의 외측면에 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 추가적인 절연막(134)를 부착하는 것도 가능하다.
한편 상기 제1극판 및/또는 제2극판은 도 2 내지 4의 일 실시예에 도시된 바와 같이, 기둥 형태의 관통구가 형성될 수 있다. 이 때 도 3에 도시된 바와 같이 제1극판과 제2극판에 형성된 관통구가 극판에 수직하는 방향으로 형태 및 위치가 서로 대응하도록 위치하는 경우, 상기 관통구를 통해 측정부의 외부에 있는 전해액이 내부로 침투하기 더욱 용이하며, 이에 따라 전해액이 절연막에 빠르게 흡수됨으로써 전해액의 농도 변화를 실시간으로 더욱 신속하게 측정하는 것이 가능해진다.
이를 위해 상기 관통구는 전해액의 침투가 용이할 정도의 최소한의 크기면 되나, 지나치게 관통구가 작으면 통상적인 장비에 의한 관통구 형성이 어려울 수 있다. 따라서 제조 공정의 효율성을 고려하면, 상기 각각의 관통구들은 관통구 형성 전의 제1극판 및/또는 제2극판의 수평단면적에 대비하여 0.1% 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 관통구는 극판에 하나 또는 둘 이상 형성될 수 있는데, 이 때 관통구의 크기 및 개수에 따라 극판의 기공도가 결정된다. 극판의 기공도는 형성된 모든 관통구들의 부피의 합을 관통구 형성 전 극판의 부피로 나눈 값으로서, 상기 극판의 기공도는 전해액을 흡수하는 절연막의 기공도와 유사한 범위로 조절하는 것이 바람직하다. 구체적으로 극판의 기공도는 30 내지 45%의 기공도를 가지도록 조절하는 것이 바람직하고, 34 내지 42%의 기공도를 가지도록 조절하는 경우 더욱 바람직하다.
한편, 전해액 함침속도를 높이기 위해서는 상기 관통구 형태를 일정한 직경을 가지는 기둥 형태로 하는 것이 바람직한데, 이 때 극판의 기공도는 관통구의 수평단면적을 극판의 수평단면적으로 나눈 값으로도 계산할 수 있다.
따라서, 관통구를 한 개만 형성하는 경우에는 관통구의 수평단면적은 극판 면적 대비 45%를 넘지 않는 것이 바람직하다. 45%를 초과하더라도 그 이상 전해액 침투성의 개선은 기대하기 어려우며, 관통구가 지나치게 크게 형성될 경우에는 극판의 강성이 저하되어 측정부 제조 시 뒤틀림 등 불량이 발생할 수 있으며, 전지셀 삽입 시에도 마찬가지의 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
한편, 본 출원인이 실험한 바에 의하면 동일한 기공도를 가지는 극판의 경우, 하나의 관통구가 형성된 경우보다 관통구가 다수 형성되어 있는 경우 침투 속도가 더욱 우수하게 나타났다. 따라서, 관통구는 하나 보다는 둘 이상 형성하는 것이 좋으며, 공정의 효율성 및 침투속도의 우수성을 함께 고려할 때, 극판 면적 대비 1 내지 10%의 수평단면적을 가지는 관통구를 복수 개 형성하여, 극판의 기공도가 30 내지 45%가 되도록 하는 것이 가장 바람직하다.
상기한 바와 같이, 제1극판 및/또는 제2극판에 형성된 하나 또는 둘 이상의 관통구에 의하여, 상기 제1극판 및/또는 제2극판의 기공도는 바람직하게는 30 내지 45%, 더욱 바람직하게는 34 내지 42%가 되도록 하는 경우, 우수한 전해액 침투속도를 기대할 수 있다. 다만, 기공도가 45%를 초과하는 경우에는 제조과정에서 균일한 품질을 얻기 어려워지며 불량이 발생하는 등 제조 난이도가 급격히 올라갈 수 있으므로, 공정성 확보 측면에서 바람직하지 못하며, 유의미한 침투 속도 개선도 기대하기 어렵다. 한편 30% 미만의 기공도를 가지는 경우에는 전해액 침투 속도가 저하되어 바람직하지 않다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 본 발명의 측정부의 두께는 바람직하게는 25 내지 35㎛, 더욱 바람직하게는 28 내지 30㎛일 수 있다. 측정부의 두께는 가능한 한 얇은 것이 삽입 후에도 전지셀의 형태를 변형시키지 않아 바람직하나, 상기 범위 미만으로 지나치게 얇은 경우 측정부의 기계적 강도가 저하되어 외부의 충격에 의해 파손되거나 제조 과정에서 적층 구조가 뒤틀리는 등의 불량이 발생 수 있다.
한편, 본 발명의 측정부를 전극과 분리막 사이에 삽입하는 경우, 제1극판 또는 제2극판의 일측 외면이 전극에 면접하게 된다. 이 때 전극에 면접하는 극판의 외측면에 상기 절연막(134)을 추가로 포함하여, 절연성을 부가할 수 있다.
상기 제1극판 및 제2극판은 극판은 알루미늄, 구리, 니켈로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속 또는 2종 이상을 조합한 합금을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 알루미늄 또는 구리를 사용할 수 있다.
본 발명의 측정부를 포함한 전지셀을 이용하여 전해액 농도를 측정하는 방법은 다음과 같은 단계를 포함할 수 있다.
제1극판, 절연막 및 제2극판이 순차적으로 적층된 측정부를 제조하는 단계(s1);
상기 제1극판 및 제2극판의 일측 단부에 전선을 연결하는 단계(s2);
상기 측정부를 전지셀의 전극과 분리막 사이에 삽입하는 단계(s3);
상기 전지셀의 외측으로 전선을 인출하는 단계(s4);
상기 전선에 측정장치를 연결하여 고분자막에 함유된 전해액 이온 농도를 산출하는 단계(s5).
전해액의 농도는 통상적으로 전기 전도도의 크기에 비례하며, 저항값에는 반비례한다. 또한, 전기 전도도는 온도에 크게 영향을 받는다. 이러한 특성들을 바탕으로 전해액의 종류에 따라서 상기 전기 전도도 및 농도 특성에 따른 고유의 온도 곡선이 나타난다.
본 발명의 전해액 측정 원리는 상기한 전해액 농도 특성을 이용한 것으로, 상기 s5 단계에서 전선에 전류를 인가함으로써 제1극판 및 제2극판 사이의 저항값을 측정할 수 있는데, 이로부터 대략적인 전해액의 농도를 계산할 수 있다. 이후 전해액의 온도를 측정한 다음, 전해액 종류에 따른 고유의 온도 곡선으로 보정을 하면 정밀한 전해액 농도 측정 결과를 얻을 수 있다. 이 때 전해액 온도 측정을 위해, 온도 센서를 별도로 설치할 수 있다.
한편, 상기 s1 단계에서는 전해액 침투성을 향상시키기 위하여 제1극판 및/또는 제2극판에 관통구를 형성할 수 있으며, 상술한 바와 같이 극판의 수평단면적에 대한 관통구의 수평단면적들의 총합에 따라 극판의 기공도가 결정되므로, 각각의 개별 관통구 수평단면적은 관통구 형성 전 극판의 총 면적에 대비하여 0.1 내지 45%의 범위인 것이 바람직하다.
본 발명의 측정부는 제1극판, 절연막, 제2극판이 순차적으로 적층된 것으로, 전지셀의 전극과 면접하는 극판의 외측면에는 절연막을 추가로 더 포함할 수 있는데, 이 때 측정부의 총 두께는 바람직하게는 25 내지 35㎛ 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 28 내지 30㎛ 일 수 있다.
이하. 본 발명에 의한 측정부를 포함하는 전지셀의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
제1극판 및 제2극판의 제조
먼저 제1극판과 제2극판으로 쓰일 금속 포일(foil)을 재단한다. 상기 제1극판 및 제2극판은 측정부의 크기에 대응하므로, 우선 측정부가 삽입될 전지셀의 종류 및 삽입 부위를 결정한 후, 이를 고려하여 삽입이 용이한 크기로 적절히 조절하여 재단할 수 있다. 이 때 관통구는 상기 금속 포일 소재로는 구리를 사용할 수 있으나, 알루미늄, 니켈 등 다른 금속을 사용하는 것도 가능하다.
다음으로 상기 재단된 금속 포일에 관통구를 형성한다. 관통구는 전해액 침투속도 및 극판의 안정성을 고려하여 크기를 조절할 수 있으며, 형태는 사각기둥형태가 바람직하나 원기둥, 삼각기둥 등 직경이 균일하다면 다른 기둥 형태로 제조하여도 무방하다.
절연막의 제조
측정부에 사용되는 절연막은 다공성 고분자 소재를 상기 제1극판 및 제2극판에 대응하는 크기로 재단하여 제조할 수 있으며, 전지셀의 분리막에 사용되는 것과 동일한 소재를 사용하여도 무방하다. 이 때 절연막의 양면에는 상기 제1극판 및 제2극판이 각각 부착될 수 있도록, 바인더를 각각 3 내지 5㎛의 두께로 도포한다. 이 때 바인더의 두께가 상기 범위를 벗어나 지나치게 얇으면, 측정부의 안정성이 저하될 수 있으며, 지나치게 두꺼우면 측정부의 전체의 두께에 두꺼워지므로, 전지셀에 삽입 시 전지셀 형태가 틀어지는 등 부정적인 영향을 줄 수 있다.
측정부의 제조
상기 절연막의 일면 및 타면에 각각 제1극판과 제2극판을 위치시킨다. 이 때 상기 제1극판과 제2극판에 형성된 각각의 관통구를 극판에 대하여 수직인 상하 방향으로 서로 대응하도록 위치시키면 전해액 침투 속도가 향상되어, 실시간으로 변화하는 농도를 더욱 빠르게 측정할 수 있다.
상기한 바와 같이 제1극판, 절연막, 제2극판의 순서로 된 샌드위치와 같은 적층체를 형성한 후, 가압 공정을 거친다. 이 때 압력으로 인하여 적층체가 찢어지거나 뒤틀리는 현상이 있으므로, 상기 적층체의 표면을 보호할 수 있는 필름, 바람직하게는 PET 필름으로 감싼 후에 가압 공정을 진행하는 것이 좋다. 이 때 상기 적층체에 압력을 가하는 가압 공정은 통상적인 배터리 제조의 라미네이션 공정과 동일하다. 이후 가압된 적층체의 표면을 감싸고 있는 필름을 분리하여 본 발명에 의한 측정부를 제조한다.
한편 전지셀의 삽입부위에 따라 전극 등에 측정부의 극판이 접촉하는 경우 단락이 발생할 수 있으므로, 이를 방지하기 위하여 극판 외측면에 절연막을 추가로 부착할 수 있다.
전선 연결
구리 및/또는 그 밖의 전도성 소재로 이루어진 전선을 각각 제1극판 및 제2극판에 각각 연결한다. 상기 전선은 측정부에 연결된 채 전지셀 내부에 삽입되는 것으로, 삽입 부위에 따라서는 상기 전선이 전지셀 내부에서 단락을 유발할 수도 있다. 따라서, 상기 전선에 절연성을 부여할 필요가 있는 경우에는 절연 물질로 코팅할 수 있다. 상기 전선은 외부로 인출되어 전해액의 저항을 측정하기 위한 측정장치에 연결된다.
전지셀 제조 및 측정부 삽입
전지셀의 제조는 통상적인 제조 공정과 동일하게 진행될 수 있다. 다만, 본 발명에 의한 측정부를 전지셀에 삽입할 시에는 전지셀 제조 공정 중 스택킹 공정 중에 이루어지는 것이 바람직하다. 측정부의 삽입 위치가 결정되면 스택킹 공정을 일시 중단하고, 측정부를 원하는 위치에 올려놓은 다음, 측정부를 덮도록 스택킹 공정을 재개하는 것만으로 간단하게 삽입이 가능하다.
전선의 인출 및 실링
전지셀의 분리막과 전극 사이에 측정부를 위치시킨 후 외부로 전선를 인출한다. 전선을 외부로 인출한 후에는 측정부 삽입에 의하여 벌어진 부위에 고분자막을 덧대고 열을 가하여 실링할 수 있으며, 이에 따라 외기가 내부로 유입되지 않도록 밀봉 상태를 유지할 수 있다.
한편, 본 명세서에서 상술하지 않은 전지 소자들, 예를 들어 바인더 등에 대해서는 전지 분야, 특히 리튬 이차 전지 분야에서 통상적으로 사용되는 소자들에 대한 내용을 참조할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가지 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
실시예 1
제1극판 및 제2극판의 준비
가로 30mm, 세로 30mm의 정사각형 형태인 제1극판 및 제2극판을 준비하였다. 상기 제1극판 및 제2극판은 모두 6㎛ 두께의 구리 소재의 포일을 재단하여 사용하였다.
상기 제1극판 및 제2극판에, 가압 펀칭 장비를 이용하여 동일한 간격으로 정사각기둥 형태의 동일한 관통구를 9개 생성하였다. 상기 각각의 개별 관통구들의 수평단면적은 모두 가로 6mm, 세로 6mm의 정사각형 형태며, 상기 각각의 관통구들은 상기 가로 및 세로 방향으로 서로 4mm의 동일한 간격으로 이격되도록 하였다.
절연막의 준비
절연막은 가로 35mm, 세로 35mm의 정사각형 형태로서, 기공도가 41%인 다공성 폴리에틸렌 소재를 사용하였다. 상기 절연막의 두께는 9㎛이며, 절연막의 양면에는 각각 4㎛의 두께로 바인더층이 형성되도록 바인더를 도포하였다.
측정부의 제조
상기 절연막이 제1극판과 제2극판의 사이에 개재되도록 적층하면서, 상기 제1극판 및 제2극판에 형성된 관통구들이 극판에 대하여 수직인 방향으로 서로 대응하도록 위치를 조정하여 적층체를 형성하였다.
상기 적층체를 PET 필름으로 감싼 후, 전극 라미네이션 장치를 이용하여 가압하고, 상기 제1극판 및 제2극판에 각각 구리 소재의 전선을 연결하여 본 발명에 의한 측정부를 제조하였다. 제조된 측정부의 두께는 29㎛이며, 각 극판의 기공도는 36%였다(관통구의 수평단면적(6mm*6mm) * 9개 / 극판의 수평단면적(30mm*30mm)).
실시예 2
각각의 개별 관통구의 수평단면적이 가로 2mm, 세로 2mm의 정사각형 형태가 되도록 제1극판 및 제2극판에 동일한 관통구를 9개씩 생성하고, 각 관통구들이 상기 가로 및 세로 방향으로 8mm 이격된 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 측정부를 제조하였다. 제조된 측정부의 두께는 29㎛이며, 극판의 기공도는 4%였다.
실시예 3
각각의 개별 관통구의 수평단면적이 가로 18mm, 세로 18mm의 정사각형 형태가 되도록 제1극판 및 제2극판의 중앙에 각각 동일한 관통구를 1개씩 생성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 측정부를 제조하였다. 제조된 측정부의 두께는 29㎛이며, 각 극판의 기공도는 36%였다.
비교예 1
제1극판 및 제2극판 모두 관통구를 형성하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 측정부를 제조하였다. 제조된 측정부의 두께는 29㎛이며, 각 극판의 기공도는 0%였다.
상기 각 실시예 및 비교예에 의하여 제조된 측정부의 차이를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 관통구
형성여부		 관통구 크기 관통구 개수 기공도
실시예 1 O 가로, 세로 6mm 9 36%
실시예 2 O 가로, 세로 2mm 9 4%
실시예 3 O 가로, 세로 18mm 1 36%
비교예 1 X - 0 0%
실험예 1 전해액 침투 용이성 측정
상기 각 실시예 및 비교예에 의하여 제조된 측정부의 전해액 함침 성능을 비교하기 위하여, 전해액 침투 용이성에 대한 비교 실험을 진행하였다.
먼저 상기 각 실시예 및 비교예에 의한 측정부를 제조하고 상온에서 충분히 건조시킨 후, 측정부에 연결된 전선에 저항 측정장치를 연결하여 저항 측정을 시작하였다.
이후 상기 각 측정장치를 에틸카보네이트(EC)와 에틸메틸카보네이트(EMC)를 1:1로 혼합한 공용매에 LiPF6를 용해하여 제조한 0.5M의 이온농도를 가지는 전해액에 측정부를 함침시켰다.
측정부를 함침시킨 직후부터 상기 0.5M 농도 전해액의 저항값인 1.98Ω으로 저항값이 표시될 때까지의 시간을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 관통구
형성여부		 관통구 크기 관통구 개수 기공도 최대
침투거리		 침투시간
실시예 1 O 가로, 세로 6mm 9 36% 2mm 0.8초
실시예 2 O 가로, 세로 2mm 9 4% 4mm 3.4초
실시예 3 O 가로, 세로 18mm 1 36% 6mm 7.1초
비교예 1 X - 0 0% 15mm 62초
상기 표 2에서 최대침투거리는 극판에 의해 절연막이 가려진 부분의 최소 길이를 반으로 나눈 값이다. 예를 들어 실시예 1의 경우 관통구가 서로 4mm 이격되어 있으므로, 극판에 의해 절연막이 가려진 최소 길이는 4mm가 되고 이를 1/2로 나눈 최대침투거리는 2mm가 된다. 통상 전해액 침투 속도는 최대침투거리가 짧을수록 우수하게 나타난다.
상기 측정 결과를 보면, 실시예 1의 경우, 침투시간이 0.8초로 가장 우수한 결과가 나타났다. 이에 비해 실시예 2의 경우는 관통구가 실시예 1과 동일하게 9개임에도 3.4초로서, 최대 침투거리의 차이를 감안하더라도 실시예 1에 의해 현저히 속도가 느리게 나타난다. 이는 실시예 2의 경우 기공도가 4%에 불과하여 전해액 이동이 저해되기 때문인 것으로 판단된다.
그런데, 실시예 1과 동일한 기공도를 가지는 실시예 3의 경우 침투시간이 7.1초로서, 실시예 2보다도 느리게 나타난다. 이를 통해 동일한 기공도를 가지는 경우라도 균일한 패턴의 관통구를 다수 생성할 수록 침투 속도가 우수다는 것을 알 수 있다.
그에 비해, 관통구를 형성하지 않은 비교예 1의 경우 실시예 1 내지 3에 비하여 침투시간이 현저하게 길다는 것을 알 수 있다.
상기 결과를 통해, 기공도 및 관통구의 형성 방법에 따라 침투 시간을 더욱 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 이 때 기공도는 바람직하게는 다공성 소재의 절연막과 유사한 범위인 30 내지 45%, 더욱 바람직하게는 34 내지 42%의 기공도를 가질 경우, 침투 속도가 우수하게 나타날 것이 예측된다.
또한, 기공도가 동일할 경우 관통구의 크기가 작고 복수 개로 형성될수록 유리하다. 다만, 관통구의 크기가 지나치게 작으면, 오히려 전해액이 관통구를 통해 이동하기 어려워지고, 통상적인 장비로 제조가 곤란할 수 있다. 따라서, 각각의 개별 관통구의 수평단면적은 극판의 면적 대비 0.1% 이상인 것이 바람직하다. 또한, 극판 면적 대비 45%를 초과하는 경우 침투 효과의 유의미한 상승이 기대되지 않으며, 오히려 측정부의 강성이 저하되어 제조 시 불량이 발생할 가능성이 있다. 따라서 45% 이내인 것이 바람직하다.
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 극판 면적 대비 4%의 관통구 수평단면적을 가지는 관통구를 9개 형성한 실시예 1의 경우, 침투 속도가 매우 우수한 것을 알 수 있다.
실험예 2
한편, 실시간으로 변화하는 전해액 농도 측정에 있어서, 본 발명에 의한 측정부의 효과를 검증하기 위하여, 다음과 같은 추가 실험을 진행하였다.
실험예 1을 진행하여 동일한 전해액에 충분히 침지되어 저항이 1.98Ω으로 표시된 상기 각 실시예 및 비교예의 측정부를 1.0M 이온 농도의 동일한 성분으로 이루어진 전해액에 침지시킨다. 이후 측정된 저항값이 1.98Ω에서 상기 1.0M 전해액의 저항값에 해당하는 1.32Ω로 변화하기까지 걸리는 시간을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
구분 관통구 형성여부 관통구 크기 관통구 개수 기공도 최대
침투거리		 반응시간
실시예 1 O 가로, 세로 6mm 9 36% 2mm 0.9초
실시예 2 O 가로, 세로 2mm 9 4% 4mm 4.5초
실시예 3 O 가로, 세로 18mm 1 36% 6mm 8.9초
비교예 1 X - 0 0% 15mm 77.3초
상기 표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 경우 전해액 농도 변화를 측정값에 반영하기까지 걸리는 시간이 불과 0.9초에 불과하여 실질적으로 실시간 전해액 농도 측정이 가능하다는 것을 알 수 있다.
100 : 전지셀
110 : 분리막
121 : 양극
122 : 음극
130 : 측정부
131 : 제1극판
132 : 제2극판
133 : 절연막
140 : 전선
141 : 제1극판에 연결된 전선
142 : 제2극판에 연결된 전선

Claims (15)

  1. 제1극판, 절연막 및 제2극판이 순차적으로 적층된 측정부를 포함하는 전지셀로서,
    상기 측정부는, 전지셀의 분리막과 전극 사이에 삽입되며,
    상기 측정부는, 상기 전극에 면접하는 제1극판 또는 제2극판의 외측면에, 절연막을 추가로 포함하고,
    상기 제1극판 및 제2극판에는 상기 전지셀의 외측으로 인출되는 전선이 각각 연결되어 있고,
    상기 제1극판 및/또는 제2극판에는 하나 또는 둘 이상의 관통구가 형성되어 있는 것인 전지셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1극판 및 제2극판에는 하나 또는 둘 이상의 관통구가 형성되어 있는 것인 전지셀.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1극판 및 제2극판에 형성된 관통구의 형태가 동일한 것인 전지셀.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 각각의 관통구의 수평단면적은 제1극판 또는 제2극판의 수평단면적에 대하여 0.1 내지 45%인 것인 전지셀.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1극판 및 제2극판의 기공도가 30 내지 45%인 것인 전지셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 측정부의 두께는 25 내지 35㎛인 것인 전지셀.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1극판 및 제2극판은 알루미늄, 구리, 니켈로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속 또는 2종 이상의 합금인 것인 전지셀.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 절연막은 전지셀의 분리막과 동일한 소재로 이루어진 것인 전지셀.
  10. 제1극판, 절연막 및 제2극판이 순차적으로 적층된 측정부를 제조하는 단계(s1);
    상기 제1극판 및 제2극판의 일측 단부에 전선을 연결하는 단계(s2);
    상기 측정부를 전지셀의 전극과 분리막 사이에 삽입하는 단계(s3);
    상기 전지셀의 외측으로 전선을 인출하는 단계(s4);
    상기 전선에 측정장치를 연결하여 고분자막에 함유된 전해액 이온 농도를 산출하는 단계(s5);를 포함하고,
    상기 s1단계의 제1극판 및/또는 제2극판에는, 하나 또는 둘 이상의 관통구가 형성되어 있고,
    상기 측정부는, 상기 전지셀의 전극에 면접하는 제1극판 또는 제2극판의 외측면에 절연막을 추가로 포함하는 이차전지의 전해액 농도 측정방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 s5 단계의 전해액 이온 농도는 상기 제1극판과 제2극판 사이의 저항값과 전해액의 온도를 이용하여 산출하는 것인 이차전지의 전해액 농도 측정방법.
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 각각의 관통구의 수평단면적은 제1극판 또는 제2극판의 수평단면적에 대하여 0.1 내지 45%인 것인 이차전지의 전해액 농도 측정방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제1극판 및 제2극판의 기공도가 30 내지 45%인 것인 이차전지의 전해액 농도 측정방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 측정부의 두께는 25 내지 35㎛인 것인 이차전지의 전해액 농도 측정방법.

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