KR19990055238A

KR19990055238A - 전지의 충방전 방법

Info

Publication number: KR19990055238A
Application number: KR1019970075154A
Authority: KR
Inventors: 강효랑
Original assignee: 전주범; 대우전자 주식회사
Priority date: 1997-12-27
Filing date: 1997-12-27
Publication date: 1999-07-15

Abstract

전지의 성능 및 용량을 향상시킬 수 있는 리튬 전지의 충방전 방법이 개시된다. 리튬 전지의 방전 시, 특정 시간에 대한 전위의 하락폭의 절대값을 시간 별로 측정하여, 이러한 측정값과 소정의 기준값을 시간별로 비교하여 상기 측정값이 소정의 기준값 이상이 될 경우, 즉, 가 전해질의 분해 등 전지의 성능이 열화되지 않는 종지 전위인 0.2V/sec 이상이 될 경우 충전 모드로 전환되게 함으로써, 전지의 상태에 따라 방전 종지 전위를 조절하여 전해액의 분해와 같은 전지의 열화를 방지하여 전지의 성능 및 용량을 향상시킬 수 있다.

Description

전지의 충방전 방법

본 발명은 전지의 충방전 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 방전 종지 전위(cut-off voltage)의 조절을 통하여 전지의 성능 및 용량을 향상시킬 수 있는 리튬 전지의 충방전 방법에 관한 것이다.

현재 사용되고 있는 2차 전지의 대부분은 납축전지와 니켈-카드뮴 축전지가 차지하고 있다. 납축전지 또는 니켈-카드뮴 축전지는 에너지 밀도, 충방전 효율, 자기 방전율, 부하율 특성, 수명, 취급의 간편성 및 경제성 등의 전반적인 관점에서 다른 신종 전지에 비하여 우수하다고 평가되고 있다. 그러나, 더욱 우수한 2차 전지를 요구하는 강한 필요에 호응하여 새로운 2차 전지의 연구 개발이 활발히 행해지고 있다. 개발 중인 새로운 2차 전지의 용도로서는 코드리스 기기의 전원, 메모리 백업, 전기 자동차, 전력 저장, 그리고 인공 위성 등이 상정되어 있다.

코드리스 기기의 전원이나 메모리 백업용으로서는 상온형의 각종 리튬 전지나 중합체 전지가 개발되었다. 또한, 금속 수소화물을 음극 활물질로 한 저압형의 니켈-수소 전지도 상기 목적에 따라 개발되고 있다. 리튬 전지는 고에너지 밀도가 특징으로서, 5∼10 시간율의 방전 하에 중량당 에너지 밀도 90∼110Wh·㎏^-1, 부피당 에너지 밀도 250∼350Wh·ℓ^-1등을 갖는다. 이러한 특성 값은 납축전지에 비해 2 배 이상 우수하여, 코드리스 기기의 전원이나 메모리 백업용은 물론, 전기 자동차 등의 이동용 동력원으로서도 실용화될 수 있다. 상기 리튬 전지의 음극 재료로서는 리튬, 리튬 합금, 또는 리튬 인터컬레이션 재료를 사용하며, 양극 물질로는 리튬 인터컬레이션 화합물, 이산화망간, 이황화몰리브덴, 산화 바나듐, 이황화티탄, 요오드, 또는 이산화황 등 여러 가지 재료가 사용될 수 있다.

도 1은 종래의 리튬 전지의 사시도를 도시한 것이고, 도 2는 도 1에 도시한 장치의 단면도를 나타낸 것이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 리튬 전지(75)는, 케이스(45)와 케이스(45)에 내장된 와인딩 어셈블리(50)를 포함한다. 와인딩 어셈블리(50)는 이산화망간으로 이루어진 양극(5), 리튬으로 구성된 음극(10), 그리고 양극(5)과 음극(10) 사이에 형성되어 전해액이 함침된 세퍼레이터(20)로 구성된다.

상기 원통형 케이스(45)의 상부에는 양극(5)의 접점 역할을 하는 캡(55)이 형성되며, 그 하부에는 중앙부에 관통공이 형성된 커버(65)가 제공된다. 커버(65)와 캡(55) 사이에는 전해액의 온도가 반응열로 인하여 상승할 때 그 저항이 무한대가 됨으로써 전류의 흐름을 차단하는 피티씨(PTC : positive temperature coefficient of resistance)소자가 제공된다. 또한, 상기 리튬 전지(75)의 내부를 밀봉하기 위하여 가스켓(70)이 구비된다. 상기 케이스(45)는 금속재로 이루어지며, 음극(10)과 접촉되어 음극(10)의 접점 역할을 수행한다. 케이스(45)의 상단은 가스켓(70)을 고정하기 위하여 내부로 절곡된다.

상기 음극(10)은 리튬 인터컬레이션 재료를 음극 집전체에 도포함으로써 제작된다. 리튬은 물과 격렬하게 반응하여 수소 가스를 발생시키기 때문에 전해액으로는 비프로톤성 유기 용매가 사용된다. 양극(5)은 리튬 인터컬레이션 화합물에 탄소 분말 등의 전도제와 플루오르 수지 등의 결착제를 혼합한 합제에 점성제를 가하여 슬러리 상태로 만든 후, 이를 금속제 심체(心體)에 발라 건조시킨 페이스트식 전극을 사용한다. 전해액은 프로필렌카보네이트와 디메톡시에탄의 유기 혼합 용매에 리튬 플루오르화인(LiPF₆)을 용해하여 제조되며, 세퍼레이터(20)는 고분자 재료로 이루어진 미공성 막을 사용한다.

도 3은 종래의 리튬 전지의 방전 전압 프로필(profile)이다. 도 3에 있어서, 횡축은 방전 시간을 나타내며 종축은 전압을 나타낸다. 통상 전지의 방전시에 2.5V 또는 2.7V와 같이 일정한 전위를 기준으로 하여 전지의 방전을 종료한다.

그러나, 리튬 전지의 경우 약 3V 부근에서 전위가 급격히 변화하고 이 때 전해질의 분해와 같은 반응이 일어나 전지의 성능이 열화되는 문제가 발생한다. 즉, 전지의 충방전이 진행됨에 따라 전지의 상태가 달라지는 점을 고려하지 않고 일정한 전위, 예를 들면, 2.5V를 기준으로 방전을 종료함으로써, 컷-오프 직전의 영역인 도 3의 'A' 부분에서 전지의 열화, 특히 전지 내의 전해액의 열화가 촉진되어 전지의 성능의 저하 및 전지 수명의 감소를 야기하게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은, 리튬 전지의 방전 종지 전위(cut-off voltage)의 조절을 통하여 전지의 성능 및 용량을 향상시킬 수 있는 리튬 전지의 충방전 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 리튬 전지의 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시한 장치의 단면도이다.

도 3은 종래의 리튬 전지의 방전 전위 프로필이다.

도 4는 본 발명에 따른 리튬 전지의 사시도이다.

도 5는 도 4에 도시한 장치의 단면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 리튬 전지 방전 전위 프로필이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

100 : 리튬 전지 105 : 양극

110 : 음극 120 : 세퍼레이터

145 : 케이스 150 : 와인딩 어셈블리

155 : 캡 165 : 커버

170 : 가스켓

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 음극, 양극 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 개재된 세퍼레이터를 갖는 와인딩 어셈블리 및 상기 와인딩 어셈블리가 내장된 케이스를 포함하는 리튬 전지의 충방전 방법에 있어서, 특정 시간에 대한 전위의 하락폭(방전 전압 곡선에 있어서, 특정 시간에서의 시간에 대한 전위의 미분값)의 절대값을 시간별로 측정하는 단계; 상기 측정값과 기준값을 시간별로 비교하는 단계; 그리고 상기 측정값이 상기 기준값 이상이 될 경우에는 리튬 전지의 방전을 종료하고 충전 모드(mode)로 전환하는 단계를 포함하는 리튬 전지의 충방전 방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 리튬 전지의 방전 시, 특정 시간에 대한 전위의 하락폭의 절대값을 시간 별로 측정하여, 이러한 측정값과 소정의 기준값을 시간별로 비교하여 상기 측정값이 소정의 기준값 이상이 될 경우, 즉, 가 전해질의 분해 등 전지의 성능이 열화되지 않는 종지 전위인 0.2V/sec 이상이 될 경우 충전 모드로 전환되게 함으로써, 전지의 상태에 따라 방전 종지 전위를 조절하여 전해액의 분해와 같은 전지의 열화를 방지하여 전지의 성능 및 용량을 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬 전지의 충방전 방법을 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 리튬 전지의 사시도를 도시한 것이며, 도 5는 도 4의 장치의 단면도를 도시한 것이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 리튬 전지(100)는 케이스(145) 및 와인딩 어셈블리(150)를 포함한다.

상부에 절곡부가 형성되고 절곡부의 아래로 전해액이 충전되어 있는 상기 케이스(145)의 내부에는 와인딩 어셈블리(150)가 장착된다. 상기 와인딩 어셈블리(150)는 양극(105), 세퍼레이터(120) 및 음극(110)으로 구성되어 외측으로 와인딩한 나선 또는 원형의 형태를 갖는다.

상기 양극(105)은 리튬 인터컬레이션 화합물, 이산화망간 복합 산화물, 크롬 산화물, 또는 바나듐 산화물 등으로 구성되며, 상기 음극(110)은 리튬 인터컬레이션 재료 또는 리튬/알루미늄(Li/Al) 합금과 같은 리튬/금속 합금으로 이루어진다. 세퍼레이터(120)로는 폴리프로필렌과 같은 고분자 재료로 이루어진 미공성 막을 사용하며, 세퍼레이터(120)에 함침되는 전해액으로는 프로필렌카보네이트 및 디메톡시에탄 등의 유기 혼합 용매에 리튬 플루오르화인 등을 용해하여 사용한다.

리튬 전지(100)의 원통형 케이스(145)의 상부에는 양극(105)의 접점 역할을 하며, 중앙에 벤트홀이 형성되어 있는 돌출부가 중심에 형성된 캡(155)이 제공된다. 캡(155)의 하부에는 그 중앙부에 관통공(160)이 형성된 커버(165)가 형성된다. 상기 캡(155)과 커버(165) 사이에는 전해액의 온도가 반응열로 인하여 소정의 온도(예를 들면, 80℃) 이상으로 상승할 때 그 저항이 무한대가 됨으로써 전류의 흐름을 차단하는 피티씨(PTC) 소자(도시되지 않음)가 제공된다. 상기 피티씨 소자의 중앙에는 커버(165)의 관통공(160)에 대응하는 개구부가 형성된다.

상기 캡(155), 피티씨 소자 및 커버(165)와 케이스(145)의 내벽 사이에는 내부를 밀봉하기 위하여 가스켓(170)이 구비되며, 케이스(145)의 상단은 가스켓(170)을 고정하기 위하여 내부로 절곡된다.

이하 본 발명에 따른 리튬 전지의 충방전 방법을 도면을 참조하여 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 리튬 전지(100)의 방전 전압 프로필을 도시한 것이다. 도 6을 참조하면, 횡축은 방전 시간(sec)을 나타내며 종축은 전위(V)를 나타낸다. 본 발명에서는 리튬 전지(100)를 방전시키는 동안 특정 시간에 대한 전위의 하락폭(즉, 방전 전압 곡선에 있어서 특정 시간에서의 시간에 대한 전압의 미분값)의 절대값(absolute value)을 시간 별로 측정하여, 이러한 측정값과 소엊의 기준값을 시간별로 비교하여 상기 측정값이 소정의 기준값 이상이 될 경우에는 리튬 전지(100)의 방전을 종료하고 충전 모드(mode)로 가도록 한다, 즉, 가 전해질의 분해 등 전지의 성능이 열화되지 않는 종지 전위인 0.2V/sec 이상이 될 경우, 방전을 중단하고 리륨 전지(100)를 충전 모드로 전환하도록 한다. 종래에는 전지의 방전시에 2.5V 또는 2.7V와 같이 일정한 전위를 기준으로 하여 방전 종료를 실시함으로써 컷-오프 직전의 전위가 급격히 변화하는 구간에서 전해질의 분해와 같은 반응이 일어나서 전지의 성능이 열화되는 단점이 있었다. 이에 비하여, 본 발명에서는 상술한 바와 같이, 전지의 방전 시 특정 시간 동안 방전 전압 곡선서 특정 시간에서의 시간에 대한 전압의 미분값이 소정의 기준값 이상이 될 때는 충전 모드로 전환되게 함으로써, 전지의 상태에 따라 방전 종지 전위(cut-off voltage)를 조절하여 전해액의 분해와 같은 전지의 열화를 방지하여 전지의 성능 및 용량을 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 리튬 전지의 충방전 방법에 의하면, 리튬 전지의 방전 시, 특정 시간에 대한 전위의 하락폭의 절대값을 시간 별로 측정하여, 이러한 측정값과 소정의 기준값을 시간별로 비교하여 상기 측정값이 소정의 기준값 이상이 될 경우, 즉, 가 전해질의 분해 등 전지의 성능이 열화되지 않는 종지 전위인 0.2V/sec 이상이 될 경우 충전 모드로 전환되게 함으로써, 전지의 상태에 따라 방전 종지 전위를 조절하여 전해액의 분해와 같은 전지의 열화를 방지하여 전지의 성능 및 용량을 향상시킬 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

음극, 양극 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 개재된 세퍼레이터를 갖는 와인딩 어셈블리 및 상기 와인딩 어셈블리가 내장된 케이스를 포함하는 리튬 전지의 충방전 방법에 있어서,

특정 시간에 대한 전위의 하락폭(방전 전압 곡선에 있어서, 특정 시간에서의 시간에 대한 전위의 미분값)의 절대값을 시간별로 측정하는 단계;

상기 측정값과 기준값을 시간별로 비교하는 단계; 그리고

상기 측정값이 상기 기준값 이상이 될 경우에는 리튬 전지의 방전을 종료하고 충전 모드(mode)로 전환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 전지의 충방전 방법.
제1항에 있어서, 상기 기준값은 0.2V/sec인 것을 특징으로 하는 리튬 전지의 충방전 방법.