KR20080023375A - 전지셀의 부피 변화 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지셀의 부피 변화를 측정하는 장치로서, 테스트 전지셀이 장착될 수 있는 소정 크기의 내부공간을 가진 밀폐형 용기, 테스트 전지셀이 장착된 상태에서 상기 용기의 내부공간에 채워지는 기체성분, 및 상기 내부공간과 연통된 상태에서 용기의 일측에 설치되어 있는 압력계를 포함하는 것으로 구성되어 있으며, 테스트 전지셀이 장착된 상태에서 상기 기체성분은 소정의 압력으로 채워져 있어서, 테스트 전지셀의 부피 변화시 기체성분의 압력이 변화되는 것을 측정하는 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 부피 측정장치는 전지의 부피 및 부피변화를 측정하고자 할 때 밀폐형 용기에 테스트 전지셀을 삽입하고 압력측정장비를 부착함으로써, 전지의 부피 변화를 간단하게 실시간으로 측정할 수 있다.

Description

전지셀의 부피 변화 측정 장치 {Device for Measuring Volume Variation of Battery Cell}

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀 부피 측정장치의 모식도이고, 도 2는 도 1의 측정장치에서 전지셀의 팽창시 나타나는 압력의 변화 상태를 보여주는 모식도이다.

본 발명은 전지셀의 부피 변화를 측정하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 테스트 전지셀이 장착될 수 있는 소정 크기의 내부공간을 가진 밀폐형 용기와 테스트 전지셀이 장착된 상태에서 상기 용기의 내부공간에 채워지는 기체성분 및 상기 내부공간과 연통된 상태에서 용기의 일측에 설치되어 있는 압력계를 포함하는 것으로 구성되어 있으며, 테스트 전지셀이 장착된 상태에서 상기 기체성분은 소정의 압력으로 채워져 있어서, 테스트 전지셀의 부피 변화시 기체성분의 압력이 변화되는 것을 측정하는 장치에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

그러나, 종래의 리튬 이차전지는 고온에 노출되거나, 과충전, 외부단락, 침상(nail) 관통, 국부적 손상(local crush) 등에 의해 짧은 시간내에 큰 전류가 흐르게 될 경우, IR 발열에 의해 전지가 가열되면서 발화/폭발의 위험성이 있다. 전지의 온도가 상승하면 전해액과 전극 사이의 반응이 촉진된다. 그 결과, 반응열이 발생하여 전지의 온도는 추가적으로 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 따라서, 전지의 온도가 급격히 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 이러한 악순환에 의해, 전지의 온도가 급격히 상승하는 열폭주 현상이 일어나게 되고 온도가 일정 이상까지 상승하면 전지의 발화가 일어날 수 있다. 또한, 전해액과 전극 사이의 반응 결과, 가스가 발생하여 전지 내압이 상승하게 되며, 일정 압력 이상에서 리튬 이차전지는 폭발하게 된다. 이와 같은 발화/폭발의 위험성은 리튬 이차전지가 가지고 있는 가장 치명적인 단점이라 할 수 있다.

따라서, 리튬 이차전지의 개발에 필수적으로 고려해야 할 사항은 안전성을 확보하는 것이다. 이러한 안전성을 확보하기 위한 노력의 일환으로서, 셀 바깥쪽에 소자를 장착하여 사용하는 방법과, 셀 내부의 물질을 이용하는 방법이 있다. 온도의 변화를 이용하는 PTC 소자, CID 소자, 전압 및 전류를 제어하는 보호회로, 전지 내압의 변화를 이용하는 안전벤트(Safety Vent) 등이 전자에 해당하고, 전지 내부의 온도나 전압, 전류 등의 변화에 따라 물리적, 화학적, 전기화학적으로 변화할 수 있는 물질을 첨가하는 것이 후자에 속한다.

셀 바깥쪽에 장착하는 소자들은 온도, 전압, 전류, 전지 내압 등을 이용하기 때문에 확실한 차단을 가져올 수 있는 반면에, 추가적인 설치공정 및 설치공간이 요구되며, PTC 소자의 경우 별도의 보호회로모듈(PCM)로서 용접 등을 통해 전극단자에 결합될 수 있다는 단점이 있다. 또한, 내부 단락, 침상 관통, 국부적 손상 등과 같이 빠른 응답시간이 요구되는 경우에는 제대로 보호역할을 하지 못하는 것으로 알려져 있다.

셀 내부의 물질을 이용하는 방법의 하나로 전해액이나 전극에 안전성을 향상시키는 첨가제를 부가하는 방법이 있다. 예를 들어, 과충전시 과전압 등의 조건에서 전기화학적 중합 반응을 일으키는 물질을 전해액에 첨가하여, 과충전시 이러한 물질의 중합 생성물이 전극에 부동막에 형성하거나 전해액을 고화시켜 전지의 비정상적인 작동을 억제하는 방법, 고온 또는 과충전시 첨가제의 부피가 팽창하여 전극의 저항을 증가시킴으로써 전지의 비정상적인 작동을 억제하는 방법 등이 알려져 있다. 이러한 화학적 안전장치는 추가공정 및 공간을 필요로 하지 않으며 모든 종류의 전지에 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있으나, 신뢰성 있는 작동을 제공하지 못하며 물질의 첨가로 인해 고온 저장특성, 사이클링 특성, 레이트 특성 등 전지의 성능이 저하되는 문제점을 가지고 있다.

상기 과충전이나 고온에의 노출과 같은 전지의 비정상적인 작동 조건하에서 는, 일반적으로 전지 내부의 가스 발생으로 인하여 전지의 부피가 증가하게 된다. 또한, 이차전지는 계속적인 충방전에 의해 부피가 증가하며, 특히 단락이 발생한 경우에 부피가 급격히 증가하게 되고, 이러한 부피 증가는 주로 극성 용매가 전극의 표면에서 분해되면서 발생하는 가스에 의해 유발된다.

따라서, 이차전지의 부피 증가는 전지의 안전성 측면과 작동 성능 측면에서 중요한 측정 인자이며, 이차전지의 개발 과정에서 전지 테스트 시에 많은 관련 시험들이 행해지고 있다. 이러한 부피 변화 테스트는 설정된 조건에서 전지셀의 두께를 직접 측정하는 방식으로 수행되므로, 측정에 많은 시간이 소모되며, 전지셀의 상태에 따라 실시간으로 측정하기 용이하지 않다는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 상기 비정상적인 작동 조건에서의 전지의 부피변화를 측정하는 진일보한 측정장비로서 3차원 형상측정기를 많이 사용하고 있다. 그러나, 전지의 정확한 부피를 측정하기 위해서는 측정에 소요되는 시간이 오래 걸림으로써, 단시간에 진행되는 부피 증가율을 정확히 측정을 못하는 경우가 발생하며, 더욱이 형상이 일정하지 않은 전지나 부피가 비선형적으로 변하는 전지의 경우에는 3차원 측정방법으로 측정하는 데 있어서 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명의 목적은 과충전, 과방전, 과전류 등 전지의 비정상적인 작동이 나 장기간의 충방전 따른 열화로 전지가 팽창할 때 그에 따른 전지의 부피 및 부피 변화량을 압력계를 이용하여 용이하게 측정할 수 있는 부피 측정장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀의 부피 변화를 측정하는 장치는,

(a) 테스트 전지셀이 장착될 수 있는 소정 크기의 내부공간을 가진 밀폐형 용기;

(b) 테스트 전지셀이 장착된 상태에서 상기 용기의 내부공간에 채워지는 기체성분; 및

(c) 상기 내부공간과 연통된 상태에서 용기의 일측에 설치되어 있는 압력계;를 포함하고 있으며,

테스트 전지셀이 장착된 상태에서, 상기 기체성분은 소정의 압력으로 채워져 있어서, 테스트 전지셀의 부피 변화시 기체성분의 압력이 변화되는 것을 상기 압력계를 이용하여 측정하는 것으로 구성되어 있다.

즉, 본 발명에 따른 측정 장치는, 상기 테스트 전지셀을 용기에 장착하고 기체성분을 소정의 압력으로 주입한 후 밀봉하는 간단한 공정에 의해, 테스트 전지셀의 부피 변화를 정확하게 측정할 수 있다.

예를 들어, 전지셀에 과전류를 인가하면, 전지셀은 과충전이 되면서 전지셀 내부의 온도가 증가하고, 전해액의 분해로 인한 다량의 가스가 발생하면서 전지케이스가 부풀어 오르게 되는 이른바 스웰링 현상이 발생하게 된다. 이러한 스웰링 현상은 전지케이스의 부피를 팽창시키고 이에 따른 전지셀이 내장되어 있는 밀폐형 용기내의 기체의 부피도 증가하게 되며, 이러한 증가된 부피는 폐쇄된 공간에서 기체의 압력 증가를 유발하므로, 전지셀의 부피변화에 따른 압력 변화를 측정할 수 있다.

상기 밀폐형 용기는 전지셀이 장착될 수 있는 최소한의 내부 공간을 가지고 내부의 공기를 밀봉한 상태로 유지할 수 있는 구조라면 그것의 형태 및 소재가 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 내부의 전지셀 변화를 육안으로도 관측할 수 있는 투명 소재가 바람직할 수 있다.

소정의 테스트를 수행하기 위해서는 전지셀을 밀폐형 용기에 장착할 때 배선이 필요하므로, 상기 배선과 함께 전지셀을 용기에 장착한 후 필요한 밀봉을 행할 수 있다.

상기 기체성분은 전지셀의 테스트 조건하에서 반응성을 나타내지 않으며 온도 변화에 따른 부피 변화율이 작은 기체성분이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직한 예로는 공기 또는 불활성 기체를 들 수 있다.

밀폐형 용기에 기체성분을 채울 때에는, 바람직하게는 대기압 이상으로 가압하여 주입함으로써, 테스트 전지셀의 부피 변화에 따른 기체성분의 압력 변화를 더욱 정밀하게 측정할 수 있다.

이러한 기체성분의 압력 변화량을 압력계를 이용하여 측정하게 되는데, 밀폐 형 용기의 전체 부피 대비로 전지셀의 부피 변화량이 상대적으로 매우 작으므로, 상기 압력계는 용기 내부의 기체 압력의 미세한 변화도 정확하게 측정 가능하도록 정밀한 압력계를 사용하는 것이 바람직하다.

경우에 따라서는, 테스트 전지셀의 부피 변화가 주변 기체성분의 온도로부터 영향을 받는 것을 최소화하고, 소정의 테스트 조건에서 실제 전지셀의 부피 변화량을 더욱 정밀하게 측정할 수 있도록, 테스트 전지셀의 온도를 측정하는 온도 센서와, 상기 온도 센서의 측정값을 바탕으로 기체성분의 온도를 조절하는 제어부를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 테스트 전지셀은 다양한 전지들이 가능할 수 있으며, 특히 안전성이 문제가 되는 리튬 이차전지일 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀 부피 측정장치가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 전지셀의 팽창시 나타나는 압력의 변화 상태를 보여주는 모식도가 도시되어 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 전지셀 부피 측정장치(100)는 테스트 전지셀셀(200, 201), 기체의 누수 현상이 없는 밀봉성을 나타내며 테스트 전지셀(200, 201)을 내장할 수 있는 밀폐형 용기(130), 기체의 압력 변화를 감지할 수 있는 압 력계(150), 테스트 전지셀(200, 201)의 온도를 측정하는 셀 온도센서(160)와, 밀폐형 용기(130) 내부 기체의 온도를 측정하는 기체 온도센서(124), 기체의 온도를 조절하는 히터(122), 및 소정의 테스트 조건으로 전지셀(200, 201)을 작동시키며 전지 온도센서(160)의 측정값을 바탕으로 밀폐형 용기(130) 내부 기체의 온도를 조절하는 제어부(도시하지 않음)를 포함하고 있는 충방전기(120)로 구성되어 있다.

소정의 테스트를 수행하려면, 우선, 충방전기(120)에 대해 배선을 행한 테스트 전지셀(200, 201)을 밀폐형 용기(130) 안에 적재하고, 일정량의 기체를 밀폐형 용기(130) 내부에 주입하면, 소정의 압력이 밀폐형 용기(130) 내부에 발생하게 된다. 이때, 밀폐형 용기(130) 내부공간과 연통된 상태에서 작은 직경의 관(152) 형태로 연결되어 설치된 압력계(150)에서 기체의 압력을 측정한다.

그런 다음, 충방전기(120)를 이용하여, 예를 들어, 과충전의 테스트 조건으로 전지셀(200)의 전극 단자에 과전류를 인가하면 테스트 전지셀(201)은 부피가 증가하고, 그와 같이 증가된 부피는 밀폐형 용기(130)의 내부에 밀봉되어 있는 기체를 가압하여 압력 증가를 초래한다. 따라서, 압력계(150)에 의해 그러한 압력 증가차를 확인하여 테스트 전지셀(201)의 부피 증가를 확인할 수 있다.

경우에 따라서는, 소정의 테스트 조건하에서 테스트 전지셀(201)의 실질적인 부피 변화량을 정밀하게 측정할 수 있도록, 온도센서(160, 124)와 히터(122)를 사용하여 테스트 전지셀(201)과 주변 기체의 온도를 동일하게 유지시킬 수도 있다.

예를 들어, 실제 사용되는 이차전지는 전지셀을 팩 케이스에 장착한 상태에서 전지팩의 형태로 디바이스의 내부에 장착하므로, 전지셀의 온도는 실질적으로 단열 상태에 놓일 수 있다. 이러한 단열 상태는 전지셀의 온도와 그것의 주변에 존재하는 기체의 온도를 동일하게 설정할 때, 실험적으로 달성될 수 있다. 따라서, 도 1 및 2에서 테스트 전지셀(200, 201)의 온도를 온도센서(160)를 통해 검출하고, 동시에 밀폐형 용기(130) 내부의 기체 온도를 온도센서(124)를 통해 검출한 후, 테스트 전지셀(200, 201)의 온도 상승에 맞추어 밀폐형 용기(130) 내부의 기체를 히터(122)에 의해 가열하는 과정을 거칠 수 있다.

이때, 온도변화에 따른 기체 분자운동의 활성화로 내부기체의 압력이 높아지는 정도는, 이상기체상태방정식(V = nRT / P)을 적용하여 온도에 따른 기체 부피를 측정하여 계산함으로써, 압력계(150)에서 측정되는 압력값 중 온도 상승에 따른 증가분을 제외시켜 테스트 전지셀(200, 201)의 부피를 도출할 수 있다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 부피 측정장치는, 전지의 부피 및 부피변화를 측정하고자 할 때, 밀폐형 용기에 테스트 전지셀을 장착하고 기체를 주입한 후 압력계를 장착하는 간단한 과정에서 의해, 전지의 부피측정을 실시간으로 측정할 수 있는 장점이 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (5)

1. 전지셀의 부피 변화를 측정하는 장치로서,

   (a) 테스트 전지셀이 장착될 수 있는 소정 크기의 내부공간을 가진 밀폐형 용기;

   (b) 테스트 전지셀이 장착된 상태에서 상기 용기의 내부공간에 채워지는 기체성분; 및

   (c) 상기 내부공간과 연통된 상태에서 용기의 일측에 설치되어 있는 압력계;를 포함하는 것으로 구성되어 있으며,

   테스트 전지셀이 장착된 상태에서, 상기 기체성분은 소정의 압력으로 채워져 있어서, 테스트 전지셀의 부피 변화시 기체성분의 압력이 변화되는 것을 특징으로 하는 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기체성분은 공기 또는 비활성 기체인 것을 특징으로 하는 측정장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 기체성분은 밀폐형 용기 내에서 대기압 이상의 압력이 발생할 수 있도록 주입하는 것을 특징으로 하는 측정장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 테스트 전지셀의 온도를 측정하는 온도 센서와, 상 기 온도 센서의 측정값을 바탕으로 상기 기체성분의 온도를 조절하는 제어부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 측정장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 테스트 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 측정장치.

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