KR20110021970A - 전지의 내부 단락 평가 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지의 내부 단락을 평가하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 전극군에 가하는 압력을 고려한 후에, 전극군에서 내부 단락이 발생했는지 여부를 평가할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 일 실시 형태에 따른 내부 단락 평가 장치는, 독립하여 작동할 수 있는, 전극군의 표면의 적어도 소정의 위치를 가압하는 가압자 및 상기 소정의 위치에 눌러대는 단락자를 적어도 구비한다. 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 내부 단락 평가 장치는 단락자가 일체화된 가압자를 구비한다.

Description

전지의 내부 단락 평가 장치{Battery Internal Short-circuit Evaluating Device}
본 발명은 전지의 내부 단락을 평가하기 위한 장치에 관한 것이다.
리튬 이온 이차 전지 등과 같은 전지의 안전성을 평가하는 항목으로는, 예컨대 내부 단락시의 발열 거동 평가를 들 수 있다. 이러한 전지의 평가 시험으로는, 예컨대 리튬 전지를 위한 UL 규격(UL1642), 전지 공업회로부터의 지침(SBA G1101-1997 리튬 이차 전지 안전성 평가 기준 가이드라인) 등을 들 수 있다. 이러한 평가 시험이 활용되고, 그 결과가 각종 전지의 개발에 반영되고 있다. 예컨대, 특허 문헌 1에는, 고출력 특성 및 사이클 특성이 양호하면서 안전성이 높은 고용량의 전지를 얻기 위해 전지의 제조 공정에 개량을 가한 것이 개시되어 있다. 특허 문헌 2에는 리튬 이차 전지에서의 높은 안전성과 높은 전지 특성을 양립시키기 위해 양극과 음극 사이에 배치된 다공질 내열층의 두께와 전지 캔의 측벽의 두께의 비를 소정의 범위로 하는 것이 제안되어 있다.
상기 평가 시험 중에서도, 예컨대 못 찌르기 시험은, 전지 측면으로부터 못을 관통 또는 깊이 찔렀을 때의 내부 단락을 알아보는 시험이다. 못을 찌름으로써 전지 내부에서 못으로 인한 양극과 음극간 단락부가 발생하고, 그 때문에 단락부에 단락 전류가 흘러 줄(Joule) 열이 발생한다. 내부 단락 시험에서는 이들 현상에 기초한 전지 온도 또는 전지 전압의 변화가 측정된다.
또한, 압괴 시험은 환봉, 각봉, 평판 등을 이용하여 전지를 물리적으로 변형시킴으로써 발생하는 내부 단락을 알아보는 시험이다. 구체적으로 설명하면, 압괴시험에서는 물리적인 변형에 의해 양극과 음극 사이에 내부 단락을 발생시켜 전지 온도 또는 전지 전압의 변화가 측정된다.
그리고, 상기 못 찌르기 시험 및 압괴 시험 이외에도 전지로부터 전극군을 꺼내고, 상기 전극군의 외측으로부터 내측 쪽으로 이물질을 압입하는 이물질 압입 시험도 전지의 내부 단락 시험으로서 행해지고 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 평 11-102729호 공보 특허 문헌 2 : 일본 특허 공개 2006-313739호 공보
전지 또는 전지 팩의 구조 차이에 따라 전지 또는 전지 팩에 포함되는 전극군에 가해지는 압력이 크게 달라진다. 그러나, 상기와 같은 못 찌르기 시험 등에 있어서, 예컨대, 전지 또는 전지 팩으로부터 꺼내진 전극군이 사용되는 경우, 꺼내진 전극군은 전지 내 또는 전지 팩 내에 있을 때와 달리 속박된 상태가 아니다. 나아가서는, 꺼내진 전극군은 전지 또는 전지 팩의 구조와 관계 없이 일정한 힘으로 못이 찔리거나 변형되거나 이물질이 압입된다. 즉, 종래의 단락 시험은 전극군에 가해지는 가압력을 고려하여 행해지고 있는 것은 아니다.
따라서, 본 발명은, 전극군에 가해지는 가압력을 고려한 후에 전극군(즉 전지)에서 내부 단락이 발생했는지 여부를 평가할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 양극과, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하는 전극군, 전해질과, 상기 전극군 및 상기 전해질을 수용하는 전지 케이스를 구비하는 전지의 내부 단락 평가 장치는,
(1) 상기 전극군의 표면의 적어도 소정의 위치를 가압하는 가압자(pressure member)와,
(2) 상기 소정의 위치에 눌려대어진 단락자와,
(3) 상기 전극군에서 상기 단락자에 의해 단락이 발생했을 때 변화하는 전지 정보를 측정하는 전지 정보 측정부와,
(4) 상기 전지 정보 측정부에 의해 측정된 전지 정보의 변화를 검지하고, 상기 전지 정보를 소정의 기준값과 비교하여 내부 단락을 판단하는 단락 검지부와,
(5) 상기 가압자에 가해지는 가압력을 측정하는 가압력 측정부와,
(6) 상기 단락 검지부 및 상기 가압력 측정부로부터 제공되는 신호에 기초하여 상기 가압자를 제어하는 가압자 제어부, 및
(7) 상기 단락 검지부 및 상기 가압력 측정부로부터 제공되는 신호에 기초하여 상기 단락자를 제어하는 단락자 제어부를 갖는다.
본 발명의 다른 관점에 있어서, 양극과, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하는 전극군, 전해질과, 상기 전극군 및 상기 전해질을 수용하는 전지 케이스를 구비하는 전지의 내부 단락 평가 장치는,
(i) 일체화된 단락자를 구비하는 가압자로서, 상기 전극군의 표면의 적어도 소정의 위치를 가압하면서 상기 소정의 위치에 상기 단락자를 압입하는 가압자와,
(ii) 상기 전극군에서 상기 단락자에 의해 단락이 발생했을 때 변화하는 전지 정보를 측정하는 전지 정보 측정부와,
(ⅲ) 상기 전지 정보 측정부에 의해 측정된 전지 정보의 변화를 검지하고, 상기 전지 정보를 소정의 기준값과 비교하여 내부 단락을 판단하는 단락 검지부와,
(iv) 상기 가압자에 가해지는 가압력을 측정하는 가압력 측정부, 및
(v) 상기 단락 검지부 및 상기 가압력 측정부로부터 제공되는 신호에 기초하여 상기 가압자를 제어하는 가압자 제어부를 갖는다.
본 발명에 따르면, 전지 또는 전지 팩의 구조 차이에 따른 압력을 전극군에 가할 수가 있다. 따라서, 본 발명의 내부 단락 평가 장치를 사용함으로써 전지 또는 전지 팩으로부터 꺼내진 전극군을 전지 또는 전지 팩에 내장된 상태와 동일한 상태로 한 후에 전극군의 내부 단락 시험을 행할 수 있다. 따라서, 본 발명의 내부 단락 평가 장치를 사용함으로써 각종 전지 또는 전지 팩의 내부 단락 시험을 정확하게 행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 내부 단락 평가 장치의 블록도이다.
도 2는 도 1의 내부 단락 평가 장치의 구성의 일례를 모식적으로 보인 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 바람직한 실시 형태에 따른 내부 단락 평가 장치의 블록도이다.
도 4는 도 3의 내부 단락 평가 장치에 포함되는, 단락자가 일체화된 가압자의 일례를 보인 종단면도이다.
도 5는 도 4의 가압자의 저면도이다.
(실시 형태 1)
이하, 본 실시 형태에 따른 전극군, 전해질 및 이들을 수용하는 전지 케이스를 포함하는 전지의 내부 단락 평가 장치에 대하여 설명한다. 상기 내부 단락 평가 장치는,
(1) 상기 전극군의 표면의 적어도 소정의 위치를 가압하는 가압자와,
(2) 상기 소정의 위치에 눌려대어진 단락자와,
(3) 상기 전극군에서 상기 단락자에 의해 단락이 발생했을 때 변화하는 전지 정보를 측정하는 전지 정보 측정부와,
(4) 상기 전지 정보 측정부에 의해 측정된 전지 정보의 변화를 검지하고, 상기 전지 정보를 소정의 기준값과 비교하여 내부 단락을 판단하는 단락 검지부와,
(5) 상기 가압자에 가해지는 가압력을 측정하는 가압력 측정부와,
(6) 상기 단락 검지부 및 상기 가압력 측정부로부터 제공되는 신호에 기초하여 상기 가압자를 제어하는 가압자 제어부, 및
(7) 상기 단락 검지부 및 상기 가압력 측정부로부터 제공되는 신호에 기초하여 상기 단락자를 제어하는 단락자 제어부를 구비한다.
또한, 본 실시 형태의 내부 단락 평가 장치에서는, 시험의 전처리시에 단락시킬 양극판과 음극판의 표면을 노출시키지 않고 전지를 분해하여 꺼내진 전극군을 그대로 내부 단락의 평가에 사용할 수 있다. 한편, 종래의 전지의 내부 단락의 평가에 있어서는, 예컨대 소정의 단락점에 이물질을 삽입하기 위해, 상기 단락점의 위치까지 전극군을 전개시킬 필요가 있다. 이와 같이 전극군을 전개시킨 경우, 전극 합제의 탈락, 전해질의 증발 등이 우려된다. 나아가, 폴리머 전지에 포함되는 전극군에서는 양극과 음극과 세퍼레이터가 일체화되어 있다. 따라서, 폴리머 전지에 포함되는 전극군의 전개를 행할 수가 없다. 따라서, 폴리머 전지는 종래의 내부 단락 평가 시험에 사용하는 것 자체가 불가능하다.
도 1에 본 발명의 일 실시 형태에 따른 내부 단락 평가 장치의 블록도를 나타내었다.
도 1의 내부 단락 평가 장치(10)는, 가압자(11), 가압자 제어부(12), 가압력 측정부(13), 단락자(14), 단락자 제어부(15), 전지 정보 측정부(16), 단락 검출부 (17) 및 충방전 제어부(18)를 구비한다.
도 1의 내부 단락 평가 장치의 구성의 일례를 도 2를 참조하면서 설명한다. 도 2의 내부 단락 평가 장치는, 내부 단락 시험에 사용되는 전극군(20)을 올려놓기 위한 대(table)(21)를 구비한다. 가압자(11)는 가압자용 가압장치(22)에 의해 전극군(20)의 소정의 영역을 가압한다. 가압자용 가압장치(22)는 소정의 지지체(도시 생략)에 의해 지지되어 있으며, 예컨대 가압자용 가압장치(22)가 전극군(20) 쪽 (화살표 A 방향)으로 이동함으로써 가압자(11)가 전극군(20)을 가압할 수 있다. 가압자(11)와 가압장치(22) 사이에는 가압력 측정부(13)가 배치되어 있다. 또한, 가압장치(22)가 가압력 측정부를 구비하는 경우에는 가압력 측정부를 별도로 설치할 필요가 없다. 단락자(14)는 단락자용 가압장치(23)에 의해 전극군(20)에 압입된다. 단락자용 가압장치(23)는 소정의 지지체(도시 생략)에 지지되어 있으며, 예컨대 단락자용 가압장치(23)가 전극군(20) 쪽으로 이동함으로써 단락자(14)가 전극군(20)에 압입된다. 컴퓨터(PC; 24)에는 가압자 제어부, 단락자 제어부 및 단락 검출부가 설치되어 있다. 도 2의 내부 단락 평가 장치에서, 전극군(20)에는 충방전 제어부(18)가 접속됨과 아울러, 전극군(20)의 전지 정보를 측정하는 전지 정보 측정부(16)가 설치되어 있다. 충방전 제어부(18)에는 2개의 단자가 설치되어 있고, 상기 2개의 단자는 전극군(22)의 충방전을 제어할 수 있도록 전극군(20)의 양극 및 음극에 각각 접속된다. 또한, 전지 정보 측정부(16) 및 충방전 제어부(18)는 PC(24)에 접속되어 있다. 또한, 도 2에서, 전극군(20)은 권회축에 대해 수직인 면의 최외주만을 도시하였다.
본 실시 형태의 내부 단락 평가 장치(10)에서는, 먼저, 가압자(11)에 의해 전극군(20)의 소정의 위치를 포함하는 소정의 영역이 눌린다. 가압자(11)에 의한 가압력은 가압력 측정부(13)에 의해 측정되고 있다. 상기 가압력이 소정의 값까지 도달하면, 가압자 제어부(12)에 의해 가압자(11)의 이동이 정지되고, 가압력이 상기 소정의 값으로 유지된다.
내부 단락 시험에 사용되는 전극군(20)은 권회형일 수도 있고, 적층형일 수도 있다. 권회형 전극군의 경우, 권회형 전극군은 원통형일 수도 있고, 각형 전지에 포함되는 단면이 대략 타원형인 기둥형상체(권회형이면서 각형의 전극군)일 수도 있다. 원통형 전극군에서, 상기 소정의 위치는, 예컨대, 권회축에 평행한 면 상의 소정의 위치로 할 수 있다. 적층형 전극군에서, 상기 소정의 위치는, 예컨대, 적층 방향에 수직인 면 상의 소정의 위치로 할 수 있다. 권회형이면서 각형의 전극군에서, 상기 소정의 위치는, 예컨대, 권회축에 수직인 전극군의 대략 타원형의 횡단면에서의 장축 방향에 대략 평행한 전극군의 면 상의 소정의 위치로 할 수 있다.
전극군(20)에 인가되는 가압력은, 1000N 이하, 예컨대 0 내지 1000N의 범위에 있으면 되며, 전극군(20)의 구조 등에 따라 적당히 조절된다. 예컨대, 원통형 전지에 포함되는 원통형 전극군에 인가되는 가압력은 800N 이하, 구체적으로는 0 내지 800N으로 할 수 있다. 각형 전지에 포함되는 전극군에 인가되는 가압력은, 예컨대, 400N 이하, 구체적으로는 0 내지 400N으로 할 수 있다.
또한, 원통형 전극군은 내압성이 높아 높은 압력까지 견딜 수 있다. 한편, 각형 전지에 포함되는 전극군은 원통형 전극군과 비교하여 내압성이 다소 떨어진다. 따라서, 각형 전지에 포함되는 전극군에 인가되는 가압력은 원통형 전극군에 인가되는 가압력과 비교하여 낮게 설정된다. 여기서, 각형 전지에 포함되는 전극군은 권회형일 수도 있고, 적층형일 수도 있다.
가압자(11)의 전극군(20)과의 접촉부는 고무 재료를 포함하는 것이 바람직하고, 고무 재료로만 이루어지는 것이 더욱 바람직하다. 상기 접촉부는 고무 탄성을 가지므로, 상기 접촉부는 전극군(20)을 가압할 때 전극군(20)의 표면 형상에 맞추어 변형할 수 있다. 따라서, 전극군(20)에 가압자(11)가 밀착된 상태에서, 즉 큰 접촉 면적으로 가압자(11)에 의해 전극군(20)을 가압할 수 있다.
상기 고무 재료는 고무 탄성을 갖는 한 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 상기 고무 재료로는 니트릴 고무, 스티렌부타디엔 고무, 천연 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 클로로프렌 고무, 실리콘 고무, 우레탄 고무, 불소 고무, 하이파론 (Hypalon) 등을 들 수 있다.
가압자(11)는, 상기와 같이 가압자용 가압장치(22)를 포함할 수 있고, 상기 가압장치(22)에 의해 가압자(11)는 전극군(20)의 소정의 위치를 포함하는 소정의 영역을 가압할 수 있다. 가압 장치의 형식으로는, 예컨대, 서보 모터를 사용하는 스크류식, 포스트 가이드 스크류식(post guide screw type), 진자식(pendulum type), 지레식(lever type), 클랭크식, 메카니컬 프레스식, 유압 프레스식, 에어 프레스식 등을 들 수 있다.
가압력 측정부(13)로는, 예컨대 압력 센서를 사용할 수 있다.
다음에, 가압력 측정부(13)로부터 제공되는 신호에 기초하여 단락자 제어부 (15)에 의해 단락자(14)가 전극군(20)의 소정의 위치에 전극군(20)의 외측으로부터 내측 쪽으로 눌려대어진다.
도 2에는 전극군(20)이 가압자(11)에 의해 가압됨과 아울러, 전극군(20)의 소정의 위치에 단락자(14)가 눌려대어져 있는 모습도 도시되어 있다. 도 2에 도시되는 가압자(11)는, 기재부(11a)와, 기재부(11a)의 전극군(20) 측에 설치된 접촉부 (11b)를 갖는다. 접촉부(11b)는 고무 재료로 이루어진다. 가압자(11)에는 관통홀 (11c)이 형성되어 있고, 관통홀(11c)을 통해 단락자(14)가 전극군(20)의 소정의 위치에 찔려들어가 있다.
기재부(11a)를 구성하는 재료는 전극군(20)에 1000N 이하의 가압력을 가할 수 있다면 특별히 한정되지 않는다. 이러한 재료로는, 예컨대, 스테인리스강을 들 수 있다.
가압력을 인가하는 방향(화살표 A의 방향)에 수직인 단면(두께 방향에 수직인 단면)에서의 접촉부(11b)의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 접촉부 (11b)의 상기 단면의 형상은 원형일 수도 있고, 타원형일 수도 있고, 직사각형일 수도 있다.
관통홀(11c)은 접촉부(11b)의 중심축을 지나도록 형성하는 것이 바람직하다. 전극군(20)이 원통형인 경우, 가압자(11)는 관통홀(11c)이 전극군(20)의 권회축에 대해 수직인 직경 방향에 평행해지도록 전극군(20)에 접촉시키는 것이 바람직하다. 전극군(20)이 각형 전지에 포함되는 적층형 또는 권회형의 전극군인 경우, 관통홀 (11c)이 전극판의 적층 방향과 평행해지도록 전극군(20)에 가압자(11)를 접촉시키는 것이 바람직하다. 이에 따라, 전극군(20)의 소정의 위치를 포함하는 영역에 균일하게 가압력을 가할 수 있다. 여기서, 접촉부(11b)의 중심축이란, 그 두께 방향에 수직인 단면의 형상의 중심점을 지나며, 가압력을 인가하는 방향에 평행한 축을 말한다.
단락자(14)의 전극군(20)에 접촉하는 부분은, 예리한 돌기 형상 또는 예리한 칼끝 형상인 것이 바람직하다. 이러한 단락자(14)를 전극군(20)의 소정의 위치에 압입함으로써 가압자(11)의 선단 근방에 존재하는 양극과 음극을 확실하게 단락시킬 수 있다. 이 때, 양극과 음극이 직접 접촉하여 단락이 발생해도 좋고, 단락자 (14)를 통해 양극과 음극이 단락되어도 좋다.
단락자(14)의 재질로는, 예컨대, 철, 니켈, 스테인리스강과 같은 금속, 절연성 세라믹, 수지와 같은 부도체 및 반도체, 도전제 함유 수지와 같은 고저항 재료를 사용할 수 있다. 또한, 소정의 재료(예컨대, 상기 금속 및 부도체)를 상기 고저항 재료로 피복한 단락자를 사용할 수도 있다.
단락자(14)의 재질이 금속인 경우, 단락자(14)의 수명을 연장시킬 수 있다. 고저항 재료로 이루어지는 단락자(14) 또는 표면부가 고저항 재료로 이루어지는 단락자(14)를 사용함으로써 단락점의 저항을 제어할 수 있다.
예컨대, 단락자(14)로는 전극군(20)에 접촉하는 부분이 예리한 돌기 형상 또는 예리한 칼끝 형상인 못을 사용할 수 있다.
단락자(14)를 전극군(20)에 압입할 때의 속도는 0.1mm/s 내지 180mm/s인 것이 바람직하다. 단락자(14)를 전극군(20)에 압입할 때의 가압력은 50N 이하인 것이 바람직하다. 이러한 조건으로 단락자(14)를 전극군(20)에 압입함으로써 전극군 (20)의 소정의 위치에서 단락을 유효하게 발생시키는 것이 가능해진다.
또한, 단락자(14)는, 상기와 같이 단락자용 가압장치(23)를 포함하고 있을 수도 있다. 단락자용 가압장치(23)로는 가압자용 가압장치와 동일한 장치를 사용할 수 있다.
본 실시 형태의 내부 단락 평가 장치(10)에서는, 전극군(20)에서 단락자(14)에 의해 단락을 발생시킬 때, 전극군(20)의 전지 정보가 전지 정보 측정부(16)에 의해 측정된다. 단락 검출부(17)는 전지 정보 측정부(16)에서 측정된 전지 정보를 받는다. 단락 검출부(17)에서는 전지 정보 측정부(16)에서 측정된 전지 정보가 변화했을 때 변화후의 전지 정보를 소정의 기준값과 비교하여 내부 단락이 발생했는지 여부가 판단된다. 내부 단락이 발생했다고 판단된 경우에는, 단락 검출부(17)로부터 가압자 제어부(12) 및 단락자 제어부(15)로 신호가 전송된다. 가압자 제어부(12) 및 단락자 제어부(15)는 단락 검출부(17)로부터 제공되는 신호에 기초하여 가압자용 가압장치(22) 및 단락자용 가압장치(23)를 제어하여 가압자(11) 및 단락자(14)를 원래의 위치로 되돌린다. 이와 같이 하여 전극군(20)의 가압 및 내부 단락을 정지시킨다.
단락 검출부(17)로는, 예컨대, 전극군(20)의 전지 정보의 변화를 검지하고, 변화후의 전지 정보와 소정의 기준값을 비교하여 내부 단락이 발생한 것을 판단함과 아울러, 내부 단락이 발생했다고 판단된 경우에는 가압자 제어부(12) 및 단락자 제어부(15)로 신호를 발신할 수 있는 소정의 회로를 사용할 수 있다.
전지 정보 측정부(16)에 의해 측정되는 전지 정보로는, 예컨대, 전지 전압, 전극군의 온도 등을 들 수 있다. 그 중에서도 내부 단락에 민감하게 의존하기 때문에, 전지 전압을 전지 정보로서 측정하는 것이 바람직하다. 예컨대, 전극군(20)에 단락자(14)를 압입할 때, 전지 전압을 측정해 두었다가, 내부 단락에 따라 전지 전압이 소정 값 이상 저하했을 때 내부 단락이 발생했다고 단락 검출부(17)로 하여금 판단하게 해도 좋다.
전지 정보로서 전지 전압을 측정하는 경우, 전지 정보 측정부(16)로는, 예컨대, 전압계를 사용할 수 있다. 또한, 도 2의 내부 단락 평가 장치에서는 전지 전압을 측정하는 경우를 도시하였으며, 전지 정보 측정부(16)와 전극군(20)이 병렬로 접속되도록 전지 정보 측정부(16)가 예컨대, 전극군(20)에 설치된 양극단자(도시 생략) 및 음극단자(도시 생략)에 접속된다.
전지 정보로서 전극군(20)의 온도를 측정하는 경우에는, 예컨대, 전지 정보 측정부(16)로는, 열전대, 서모 뷰어(thermoviewer) 등을 사용할 수 있다. 혹은, 전지 정보로서 단락에 의해 발생하는 열량을 측정하여도 좋다. 이 경우, 전지 정보 측정부(16)로는 열량계 등을 사용할 수 있다.
단락 검출부(17)에 마련되는 상기 기준값은 요구되는 전지의 안전성의 레벨에 따라 적당히 선택된다.
또한, 내부 단락이 발생했다고 판단되었을 때의 단락 검출부(17)로부터 가압자 제어부(12) 및 단락자 제어부(15)로의 신호의 발신은 내부 단락이 발생했다고 판단된 시점에서 행해져도 좋다. 또는, 타이머 등을 이용하여 소정 시간 시간을 지연시켜 발신하도록 해도 좋다.
본 실시 형태의 내부 단락 평가 장치(10)는, 도 1에 도시되는 바와 같이, 단락 검출부(17)로부터 제공되는 신호에 기초하여 전극군(20)의 충방전을 제어하는 충방전 제어부(18)를 더 구비하고 있는 것이 바람직하다. 압력을 가한 상태에서 전극군(20)에 단락을 발생시킴과 동시에 충방전 제어부(18)를 이용하여 전극군(20)에 전류의 입출력을 행하고, 그 때의 전지 정보의 변화를 측정한다. 이에 따라, 하나의 전극군(시험 셀)을 이용하여 병렬 접속된 전지 팩을 상정한 시험, 혹은 사용한 시험 셀보다 출력이 큰 전지 또는 출력이 작은 전지를 상정한 시험을 행할 수 있다.
또한, 상기에서 설명한 다양한 제어부는, 예컨대, 다른 구성 요소로부터 제공되는 명령을 받는 수신부와, 상기 명령에 기초한 추가 명령을 발신할 수 있는 발신부를 구비할 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같은 내부 단락 평가 장치(10)를 사용함으로써, 전지 또는 전지 팩의 구조 차이에 따른 압력을 전극군(20)에 가한 상태에서 전극군(20)에 단락자(14)를 압입할 수 있다. 예컨대, 본 실시 형태의 내부 단락 평가 장치 (10)를 사용함으로써 제어된 압력 하에서 양극과 음극간 단락을 발생시킬 수 있다.
(실시 형태 2)
다른 실시 형태에 따른 전극군, 전해질 및 이들을 수용하는 전지 케이스를 포함하는 전지의 내부 단락 평가 장치에 대해 설명한다. 본 실시 형태의 내부 단락 평가 장치는,
(i) 일체화된 단락자를 구비하는 가압자로서, 상기 전극군의 표면의 적어도 소정의 위치를 가압하면서 상기 소정의 위치에 상기 단락자를 압입하는 가압자와,
(ii) 상기 전극군에서 상기 단락자에 단락이 발생했을 때 변화하는 전지 정보를 측정하는 전지 정보 측정부와,
(ⅲ) 상기 전지 정보 측정부에 의해 측정된 전지 정보의 변화를 검지하고, 상기 전지 정보를 소정의 기준값과 비교하여 내부 단락을 판단하는 단락 검지부와,
(iv) 상기 가압자에 가해지는 가압력을 측정하는 가압력 측정부와, 및
(v) 상기 단락 검지부 및 상기 가압력 측정부로부터 제공되는 신호에 기초하여 상기 가압자를 제어하는 가압자 제어부를 구비한다.
도 3에 본 실시 형태에 따른 내부 단락 평가 장치의 일례의 블록도를 도시하였다.
도 3의 내부 단락 평가 장치(30)는, 단락자(도시 생략)가 일체화된 가압자 (31), 가압자 제어부(32), 가압력 측정부(33), 전지 정보 측정부(36), 단락 검출부 (37) 및 충방전 제어부(38)를 포함한다.
도 3의 내부 단락 평가 장치(30)에서는, 가압자(31)에 의해 전극군(40)의 소정의 위치를 포함하는 소정의 영역이 소정의 압력이 될 때까지 일정한 속도로 가압된다. 구체적으로는, 가압자(31)에 의한 가압력은 가압력 측정부(33)에 의해 측정되고 있다. 가압자 제어부(32)는 가압력 측정부(33)로부터 제공되는 신호에 기초하여 가압자(31)를 전극군(40)의 소정의 위치가 소정의 가압력으로 압압될 때까지 일정한 속도로 이동시킨다. 이 때, 상기 소정의 위치가 단락자에 의해 눌려, 상기 위치에서 단락자에 의해 단락을 발생시킬 수 있다.
실시 형태 1과 마찬가지로, 전극군(40)이 원통형인 경우, 가압자(31)는 단락자의 돌출 방향이 전극군(40)의 권회축에 대해 수직인 직경 방향에 평행해지도록 전극군(40)에 접촉시키는 것이 바람직하다. 전극군(40)이 각형 전지에 포함되는 적층형 또는 권회형의 전극군인 경우, 가압자(31)는 단락자의 돌출 방향이 전극판의 적층 방향과 평행해지도록 전극군(40)에 접촉시키는 것이 바람직하다.
본 실시 형태에서도, 실시 형태 1과 마찬가지로, 전극군(40)에 가해지는 가압력은 0 내지 1000N의 범위에 있으면 된다. 예컨대, 원통형 전극군에 인가되는 가압력은 0 내지 800N의 범위에 있는 것이 바람직하다. 각형 전지에 포함되는 적층형 또는 권회형의 전극군에 인가되는 가압력은 0 내지 400N의 범위에 있는 것이 바람직하다.
가압자(31)의 이동 속도는 0.1 내지 5mm/s인 것이 바람직하다. 내부 단락은 충방전에 의한 양극 및/또는 음극의 팽창 및 수축에 의해 야기된다고 생각된다. 따라서, 내부 단락 시험을 실시할 때에는 가능한 범위 내의 가능한 한 느린 속도로 양극과 음극을 단락시키는 것이 바람직하다.
본 실시 형태에서도, 실시 형태 1과 마찬가지로, 단락자에 의해 단락이 발생했을 때 변화하는 전지 정보가 전지 정보 측정부(36)에 의해 측정되고 있다. 전지 정보 측정부(36)에 의해 측정된 전지 정보는 단락 검출부(37)로 전송된다. 단락 검출부(37)에서는 전지 정보 측정부(36)에서 측정된 전지 정보가 변화했을 때 변화후의 전지 정보를 소정의 기준값과 비교하여 내부 단락이 발생했는지 여부가 판단된다. 내부 단락이 발생했다고 판단된 경우에는, 단락 검출부(37)로부터 가압자 제어부(32)로 신호가 전송된다. 가압자(31)가 가압장치를 구비하는 경우, 가압자 제어부(32)는 단락 검출부(37)로부터 제공되는 신호에 기초하여 상기 가압장치를 제어하여 가압자(31)를 원래의 위치로 되돌린다. 이와 같이 하여 전극군(40)의 가압 및 내부 단락을 정지시킨다.
도 4 및 도 5에 본 실시 형태에서 사용되는 가압자(31)의 일례를 도시하였다. 도 4는 가압자의 일례를 보인 종단면도이고, 도 5는 도 4의 가압자의 저면도이다.
도 4의 가압자(31)는 기재부(31a)와, 기재부(31a)의 전극군(40)과 접촉하는 측에 설치된 접촉부(31b) 및 단락자(31c)를 구비한다. 접촉부(31b)는, 실시 형태 1과 마찬가지로, 고무 재료를 포함하는 것이 바람직하며, 고무 재료로만 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.
단락자(31c)의 재질은 실시 형태 1과 동일하여도 좋다. 또한, 단락자(31c)의 전극군(40)과 접촉하는 부분은 예리한 돌기 형상이어도 좋고, 예리한 칼끝 형상이어도 좋다.
본 실시 형태에서도, 단락자(31c)로는, 예컨대, 전극군(40)에 접촉하는 부분이 예리한 돌기 형상 또는 예리한 칼끝 형상인 못을 사용할 수 있다.
기재부(31a)를 구성하는 재료는 가압자(31)가 전극군(40)에 0 내지 1000N의 가압력을 가할 수 있다면 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 상기 재료로서 스테인리스강을 사용할 수 있다.
가압자(31)에서, 고무 재료를 포함하는 접촉부(31b)와 단락자(31c)의 배치는 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 가압자는, 도 5에 도시되는 바와 같이, 단면이 도너츠 형상인 접촉부(31b)와, 접촉부(31b)의 중심부(공극 부분)에 배치된 단락자 (31c)를 포함할 수도 있다. 혹은, 가압자는 2개의 접촉부와, 그 사이에 배치된 단락자를 포함할 수도 있다. 혹은, 가압자는, 단락자와, 단락자가 배치된 기재부 상의 점을 중심으로 한 원 위에 등간격으로 나란한 3개 이상의 접촉부를 포함할 수도 있다.
접촉부(31b)에 포함되는 고무 재료의 탄성률 및 접촉부(31b)의 높이(H)와 단락자(31c)의 높이(h)의 비는 전극군(40)에 인가되는 가압력에 따라 적당히 선택된다.
예컨대, 전극군(40)에 인가되는 가압력을 높게 하는 경우에는, 단락자(31c)의 높이(h)에 대한 접촉부(31b)의 높이(h)의 비(H/h)가 커진다. 전극군(40)에 인가되는 가압력이 낮은 경우에는, 비(H/h)는 전극군(40)에 인가되는 가압력이 높은 경우와 비교하여 작아진다.
구체적으로는, 접촉부(31b)에 포함되는 고무 재료의 탄성률은 0.1 내지 10GPa인 것이 바람직하다. 비(H/h)의 범위는 1 내지 20인 것이 바람직하다.
실시 형태 1과 마찬가지로, 가압자(31)는 가압장치를 구비하고 있을 수도 있다. 상기 가압장치를 가압자 제어부(32)에 의해 제어하여 가압자의 가압력 및 이동속도를 제어할 수 있다.
본 실시 형태에서도, 내부 단락 평가 장치(30)는 충방전 제어부(38)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 이는 상기와 동일한 이유에 따른다.
가압력 측정부(33), 전지 정보 측정부(36), 단락 검출부(37), 각종 제어부 등으로는 실시 형태 1과 동일한 것을 사용할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서, 가압자 제어부 및 단락 검출부는 하나의 PC 내에 설치하여도 좋다.
본 실시 형태에서도, 전지 정보 측정부(36)에 의해 측정되는 전지 정보로는 전지 전압, 전극군의 온도 등을 들 수 있다. 그 중에서도 내부 단락에 민감하게 의존하기 때문에 전지 전압을 전지 정보로서 측정하는 것이 바람직하다.
또한, 단락 검출부(37)에 마련되는 상기 기준값은 요구되는 전지의 안전성의 레벨에 따라 적당히 선택된다.
나아가서는, 실시 형태 1과 마찬가지로, 내부 단락이 발생했다고 판단되었을 때의 단락 검출부(37)로부터 가압자 제어부(32)로의 신호의 발신은 내부 단락이 발생했다고 판단된 시점에서 행해져도 좋고, 타이머 등을 이용하여 소정 시간 시간을 늦추어 발신시켜도 좋다.
본 실시 형태의 내부 단락 평가 장치(30)는 단락자가 일체화된 가압자(31)를 구비한다. 따라서, 본 실시 형태의 내부 단락 평가 장치(30)를 사용함으로써, 예컨대, 전극군(40)을 소정의 가압력까지 일정 속도로 가압하면서 전극군(40)에 이물질을 압입하는 이물질 압입 시험을 행할 수 있다.
또한, 실시 형태 1의 내부 단락 평가 장치(10)에서는, 가압자(11)에 의한 가압 및 단락자(14)에 의한 가압을 행하기 위해, 예컨대 가압자용 및 단락자용의 2대의 가압장치가 설치될 필요가 있다. 한편, 본 실시 형태의 내부 단락 평가 장치 (30)에서는, H/h비를 조절하면 1대의 가압장치로 가압자(31)에 의한 가압을 행하고, 단락시에 전극군(40)에 인가되는 가압력을 제어할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태의 내부 단락 평가 장치(30)는, 실시 형태 1의 내부 단락 평가 장치(10)와 비교하여 간략화할 수 있다.
상기 실시 형태 1 및 2의 내부 단락 평가 장치는 각각 평가되는 전극군, 가압자 및 단락자를 적어도 수용하는 항온조를 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 실시 형태 1의 내부 단락 평가 장치(10)는 평가되는 전극군, 가압자 및 단락자를 적어도 수용하는 항온조를 구비하는 것이 바람직하다. 실시 형태 2의 내부 단락 평가 장치(30)는 평가되는 전극군 및 단락자를 구비하는 가압자를 적어도 수용하는 항온조를 구비하는 것이 바람직하다.
전지의 안전성은 단락점에서의 줄열에 의존한다. 상기 줄열은 전지의 출력에 의존하고, 상기 출력은 전지 온도에 의존한다. 즉, 전지 온도는 내부 단락 시험의 결과에 영향을 미친다. 따라서, 전극군, 가압자 및 단락자를 적어도 수용하는 항온조를 설치함으로써 전지의 내부 단락 평가를 더욱 정확하게 행할 수 있다.
본 발명의 내부 단락 평가 장치를 이용하여 평가되는 전지의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 본 발명의 내부 단락 평가 장치에 의해, 예컨대, 양극과, 음극 및 그들 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하는 전극군, 전해질 및 전극군 및 전해질을 수용하는 전지 케이스를 구비하는 전지를 평가할 수 있다. 이러한 전지로는 망간 건전지, 알칼리 건전지, 리튬 일차 전지와 같은 일차 전지 및 납축전지, 니켈·카드뮴 축전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차 전지 등의 이차 전지를 들 수 있다. 또한, 상기 전지 케이스는, 예컨대, 금속제의 케이스일 수도 있고, 라미네이트 필름으로 이루어지는 케이스일 수도 있다.
또한, 본 발명의 내부 단락 평가 장치에 의해 안전성의 레벨이 특정된 전지의 제조 방법을 이용하여, 그와 동일한 안전성의 레벨을 갖는 전지 또는 전지 팩을 제조할 수 있다. 구체적으로, 소정의 제조 방법으로 전지를 제조하고, 얻어진 전지를 본 발명의 내부 단락 평가 장치로 평가한다. 상기 전지가 원하는 안전성의 레벨을 갖는다는 것을 안다면, 상기 전지의 제조 방법을 이용하여 그와 동일한 안전성의 레벨을 갖는 전지 또는 상기 전지를 포함하는 전지 팩을 제조할 수 있다.
이와 같이 안전성의 레벨이 특정된 전지의 제조 방법과 동일한 제조 방법을 이용함으로써 전지 또는 전지 팩의 내부 단락에 대한 안전성 레벨을 보장할 수 있다.
나아가서는, 본 발명에 의해 전지의 안전성 레벨을 특정할 수 있기 때문에, 그 전지의 최적의 사용 용도의 선정, 어플리케이션 기기의 설계 등을 용이하게 행하는 것이 가능해진다.
이하, 본 발명을 실시예를 참조하면서 상세하게 설명한다.
[실시예]
《전지 A의 제조》
이하와 같이 하여 폴리머 전지(비수 전해질 이차 전지)를 제조했다.
(양극의 제조)
양극 활물질로서 코발트산리튬을 사용했다. 양극 활물질 85중량부와, 결착제인 폴리불화비닐리덴(PVDF) 5중량부와, 도전제인 아세틸렌블랙 10중량부와, 적당량의 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)을 혼합하여 양극 합제 페이스트를 조제했다.
얻어진 양극 합제 페이스트를 알루미늄제 양극 집전체(두께:15㎛)의 양면에 도포하고, 건조하고, 압연하여 두께 160㎛의 양극을 얻었다.
(음극의 제조)
음극 활물질로서 인조 흑연을 사용했다. 음극 활물질 95중량부와, 결착제인 PVDF 5중량부와, 적당량의 NMP를 혼합하여 음극 합제 페이스트를 조제했다.
얻어진 음극 합제 페이스트를 구리제 음극 집전체(두께:10㎛)의 양면에 도포하고, 건조하고, 압연하여 두께 165㎛의 음극을 얻었다.
(세퍼레이터의 제조)
불화비닐리덴과 헥사플루오로프로필렌과의 공중합체(P(VDF-HFP)) 100중량부와, 디부틸프탈레이트(DBP) 100중량부와, 소정량의 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)을 혼합하여 페이스트를 얻었다. 얻어진 페이스트를 막형상으로 성형하고, NMP를 증발시켰다. 다음에, 얻어진 막을 디에틸에테르 중에 침지하고, DBP를 추출시켜 P(VDF-HFP)로 이루어지는 미다공성 필름을 얻었다. 얻어진 미다공성 필름을 세퍼레이터로 사용했다.
(전지의 조립)
상기와 같이 하여 얻어진 양극과 세퍼레이터와 음극을 열 용착하여 적층형의 전극군을 얻었다. 양극 전체에는 알루미늄제 양극 리드의 일단을 접속하고, 음극 집전체에는 구리제 음극 리드의 일단을 접속해 두었다.
알루미늄 라미네이트 필름으로 이루어지는 파우치 형태의 전지 케이스를 준비했다. 이 라미네이트 필름은 Al 호일과, Al 호일의 내측에 배열된 폴리프로필렌으로 이루어지는 필름과, Al 호일의 외측에 배열된 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 나일론으로 이루어지는 필름으로 구성된다.
전지 케이스의 내부에 전극군을 수용했다. 전지 케이스의 개구부로부터 외부로 양극 리드의 타단 및 음극 리드의 타단을 인출했다.
다음에, 전지 케이스 내에 비수 전해질을 주입하고, 비수 전해질을 전극군에 합침시켰다. 이와 같이 하여 세퍼레이터에 비수 전해질을 유지시켰다. 비수 전해질은 에틸렌카보네이트와 에틸메틸카보네이트를 1:3의 체적비로 포함하는 비수용매에 6불화인산리튬(LiPF6)을 1.0mol/L의 농도로 용해함으로써 조제했다.
이어서, 양극 리드와 음극 리드간 전기적 절연 및 전지 케이스의 기밀성을 확보하면서 전지 케이스의 개구부를 밀봉하여 폴리머 전지를 얻었다. 얻어진 전지를 전지 A라 했다.
《전지 B의 제조》
이하와 같이 하여 전극에 포함되는 결착제의 양이 통상보다 적은 권회형 비수 전해질 이차전지를 제조했다.
(양극의 제조)
양극 활물질로서 코발트산리튬을 사용했다. 양극 활물질 88중량부와, 결착제인 PVDF 2중량부와, 도전제인 아세틸렌블랙 10중량부와, 적당량의 NMP를 혼합하여 양극 합제 페이스트를 조제했다.
얻어진 양극 합제 페이스트를 알루미늄제의 양극 집전체(두께:15㎛)의 양면에 도포하고, 건조하고, 압연하여 두께 156㎛의 양극을 얻었다.
(음극의 제조)
음극 활물질로서 인조 흑연을 사용했다. 음극 활물질 98중량부와, 결착제인 PVDF 2중량부와, 적당량의 NMP를 혼합하여 음극 합제 페이스트를 조제했다.
얻어진 음극 합제 페이스트를 구리제 음극 집전체(두께:10㎛)의 양면에 도포하고, 건조하고, 압연하여 두께 161㎛의 음극을 얻었다.
(전지의 조립)
양극과, 폴리에틸렌제 세퍼레이터와 음극을 적층했다. 얻어진 적층체를 소용돌이 형태로 권회하여 원통형의 전극군을 얻었다.
얻어진 전극군을 니켈 도금한 철제의 원통형 전지 케이스에 수용했다. 알루미늄제 양극 리드의 일단을 양극 집전체에 접속하고, 양극 리드의 타단을 봉구판 (sealing plate)에 접속했다. 구리제 음극 리드의 일단을 음극 집전체에 접속하고, 음극 리드의 타단은 전지 케이스의 안쪽 바닥면에 접속했다.
이어서, 전지 케이스 내에 비수전해질을 주입했다. 비수전해질에는 실시예 1과 동일한 것을 사용했다.
다음에, 전지 케이스의 개구부를 봉구판으로 밀봉하여 비수전해질 이차 전지를 얻었다. 얻어진 전지를 전지 B라 했다.
《전지 C의 제조》
이하와 같이 하여 활물질층의 두께가 통상보다 두꺼운 권회형 비수전해질 이차 전지를 제조했다.
(양극의 제조)
양극 활물질로서 코발트산리튬을 사용했다. 양극 활물질 85중량부와, 결착제인 PVDF 5중량부와, 도전제인 아세틸렌블랙 10중량부와, 적당량의 NMP를 혼합하여 양극 합제 페이스트를 조제했다.
얻어진 양극 합제 페이스트를 알루미늄제의 양극 집전체(두께:15㎛)의 양면에 도포하고, 건조하고, 압연하여 두께 200㎛의 양극을 얻었다.
(음극의 제조)
음극 활물질로서 인조 흑연을 사용했다. 음극 활물질 95중량부와, 결착제인 PVDF 5중량부와, 적당량의 NMP를 혼합하여 음극 합제 페이스트를 조제했다.
얻어진 음극 합제 페이스트를 구리제 음극 집전체(두께:10㎛)의 양면에 도포하고, 건조하고, 압연하여 두께 208㎛의 음극을 얻었다.
(전지의 조립)
양극과, 폴리에틸렌제의 세퍼레이터와, 음극을 적층했다. 얻어진 적층체를 소용돌이 형태로 권회하여 원통형의 전극군을 얻었다.
얻어진 전극군을 니켈 도금한 철제의 원통형 전지 케이스에 수용했다. 알루미늄제 양극 리드의 일단을 양극 집전체에 접속하고, 양극 리드의 타단을 봉구판에 접속했다. 구리제 음극 리드의 일단을 음극 집전체에 접속하고, 음극 리드의 타단은 전지 케이스의 안쪽 바닥면에 접속했다.
이어서, 전지 케이스 내에 비수전해질을 주입했다. 비수전해질에는 실시예 1과 동일한 것을 사용했다.
다음에, 전지 케이스의 개구부를 봉구판으로 밀봉하여 비수전해질 이차전지를 얻었다. 얻어진 전지를 전지 C라 했다.
《전지 D의 제조》
이하에서는 일반적인 권회형 비수전해질 이차전지를 제조했다.
(양극의 제조)
양극 활물질로서 코발트산리튬을 사용했다. 양극 활물질 85중량부와, 결착제인 PVDF 5중량부와, 도전제인 아세틸렌블랙 10중량부와, 적당량의 NMP를 혼합하여 양극 합제 페이스트를 조제했다.
얻어진 양극 합제 페이스트를 알루미늄제의 양극 집전체(두께:15㎛)의 양면에 도포하고, 건조하고, 압연하여 두께 160㎛의 양극을 얻었다.
(음극의 제조)
음극 활물질로서 인조 흑연을 사용했다. 음극 활물질 95중량부와, 결착제인 PVDF 5중량부와, 적당량의 NMP를 혼합하여 음극 합제 페이스트를 조제했다.
얻어진 음극 합제 페이스트를 구리제의 음극 집전체(두께:10㎛)의 양면에 도포하고, 건조하고, 압연하여 두께 165㎛의 음극을 얻었다.
(전지의 조립)
양극과, 폴리에틸렌제의 세퍼레이터와, 음극을 적층했다. 얻어진 적층체를 소용돌이 형태로 권회하여 원통형의 전극군을 얻었다.
얻어진 전극군을 니켈 도금한 철제의 원통형 전지 케이스에 수용했다. 알루미늄제 양극 리드의 일단을 양극 집전체에 접속하고, 양극 리드의 타단을 봉구판에 접속했다. 구리제 음극 리드의 일단을 음극 집전체에 접속하고, 음극 리드의 타단은 전지 케이스의 안쪽 바닥면에 접속했다.
이어서, 전지 케이스 내에 비수전해질을 주입했다. 비수전해질에는 실시예 1과 동일한 것을 사용했다.
다음, 전지 케이스의 개구부를 봉구판으로 밀봉하여 비수전해질 이차전지를 얻었다. 얻어진 전지를 전지 D로 했다.
전지 A 내지 D의 설계 용량은 각각 2400mAh로 했다.
[평가]
전지 A 내지 D를 순응(break-in) 충방전에 2번 사용했다. 이어서, 이들 전지를 400mA의 전류로 전지 전압이 4.1V에 도달할 때까지 충전하고, 충전후의 전지를 45℃ 환경하에서 7일간 보존했다.
이어서, 보존후의 전지 A 내지 D를 방전하고, 이어서 이하의 조건으로 충전했다.
정전류 충전:전류값 1500mA/충전 종지 전압 4.45V
정전압 충전:충전전압 4.45V/충전 종지 전류 100mA
충전후의 전지 A 내지 D로부터 각각 전극군 A 내지 D를 꺼내고, 이들 전극군 A 내지 D에 대해 이하와 같은 평가장치를 이용하여 내부 단락 평가를 행하였다.
《실시예 1》
본 실시예에서는 도 1의 블록도에 도시되는 바와 같은 내부 단락 평가 장치를 사용했다. 또한, 도 2에 도시되는 바와 같은 가압자 및 단락자를 사용했다. 구체적으로는, 기재부가 SUS304제이고, 접촉부가 니트릴 고무로 이루어지는 가압자를 사용했다. 접촉부는 직경 10mm, 높이 50mm인 원기둥 형상으로 했다.
단락자로는 직경이 1.0mm이고, 전극군과의 접촉부가 예리한 돌기 형상으로 가공된 못을 사용했다.
가압자를 구성하는 기재부 및 접촉부에는 연통하는 관통홀을 형성해 두고, 그 관통홀을 통해 단락자가 전극군의 소정의 위치를 누를 수 있도록 했다. 상기 관통홀은 접촉부의 중심축을 지나도록 형성했다.
적층형의 전극군 A에 대해서는 전극판의 적층방향에 수직인 면 상의 소정의 위치를 포함하는 소정의 영역에 접촉부가 접촉하도록 전극군 A에 가압자를 접촉시켰다. 이 때, 전극군 A와 가압자는 전극판의 적층방향과 상기 접촉부의 중심축이 평행해지도록 접촉시켰다.
권회형의 전극군 B 내지 D에 대해서는, 전극군의 권회축에 평행한 표면 상의 소정의 위치를 포함하는 소정의 영역에 접촉부가 접촉하도록 전극군에 가압자를 접촉시켰다. 이 때, 전극군과 가압자는 전극군의 권회축과 상기 접촉부의 중심축이 직교하도록 접촉시켰다.
전극군 A 내지 D를 가압할 때의 가압력은 50N, 400N 및 800N으로 했다. 단락자의 이동 속도는 0.1mm/s로 하고, 단락자의 가압력은 최대 50N으로 했다.
전지 정보로는 전극군의 전지 전압을 측정했다. 전극군에 단락자를 압입했을 때 전지 전압이 50mV 이상 저하한 경우에 내부 단락이 발생했다고 판단했다.
전극군 A 내지 D에 대해 각각 2개씩 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타내었다.
《실시예 2》
본 실시예에서는 도 3의 블록도에 도시되는 바와 같은 내부 단락 평가 장치를 사용했다. 사용한 가압자의 종단면도 및 저면도를 각각 도 4 및 도 5에 나타내었다.
구체적으로는, 가압자에서, 기재부는 SUS304제로 하고, 접촉부는 니트릴 고무(탄성률:0.1 내지 10GPa)제로 했다. 또한, 접촉부에는 중심축을 따라 직경 2mm의 원기둥 형상의 공극부를 형성해 두었다.
단락자로는 직경이 1.0mm이고, 전극군과의 접촉부가 예리한 돌기 형상으로 가공된 못을 사용했다.
단락자의 높이(h)에 대한 접촉부의 높이 비(H/h)는 10/2로 했다.
적층형의 전극군 A에 대해서는 전극판의 적층방향에 수직인 면 상의 소정의 위치를 포함하는 소정의 영역에 접촉부가 접촉하도록 전극군 A에 가압자를 접촉시켰다. 이 때, 전극군 A와 가압자는 전극판의 적층방향과 단락자의 돌출방향이 평행해지도록 접촉시켰다.
권회형의 전극군 B 내지 D에 대해서는 전극군의 권회축에 평행한 표면 상의 소정의 위치를 포함하는 소정의 영역에 접촉부가 접촉하도록 전극군에 가압자를 접촉시켰다. 이 때, 전극군과 가압자는 전극군의 권회축과 단락자의 돌출방향이 직교하도록 접촉시켰다.
가압자에 설치된 단락자를 전극군 A 내지 D의 소정의 위치에 전극군 A 내지 D를 가압하는 가압력의 상한을 1000N으로 하고, 0.1mm/s의 속도로 눌러댔다.
실시예 1과 마찬가지로, 전지 정보로는 전극군의 전지 전압을 측정했다. 전극군에 단락자를 압입했을 때, 전지 전압이 50mV 이상 저하한 경우에 내부 단락이 발생했다고 판단하고 가압을 정지했다.
전극군 A 내지 D에 대해 각각 3개씩 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타내었다.
표 1에서, 내부 단락이 검출된 전극군을 ○으로 나타내고, 내부 단락이 확인되지 않은 전극군을 △, 전극군의 온도의 급격한 상승이 확인된 전극군을 ×로 나타내었다.

실시예1 실시예2
50N 400N 800N
전지A(전극군A) ○○ ○○ ×× ○○○
전지B(전극군B) ○○ ○○ ×× ○○○
전지C(전극군C) ○○ ○○ ×× ○○△
전지D(전극군D) ○○ ○○ ×× ○○○
종래의 내부 단락 시험에서는 단락점에 이물질을 삽입할 필요가 있다. 그러나, 폴리머 전지(전지 A)의 경우에는, 전극판과 세퍼레이터가 접착되어 있기 때문에 내부 단락 시험을 행하는 것 자체가 불가능하다. 또한, 결착제의 양이 적기 때문에 활물질이 탈락되기 쉬운 전지(전지 B)의 경우에도 종래의 내부 단락 시험의 실시는 어렵다. 그리고, 종래의 내부 단락 시험에서는 단락시킬 때의 전극판에의 가압력을 제어할 수가 없기 때문에 특히 합제의 두께가 두꺼운 설계의 전지(전지 C)에서는 단락이 잘 일어나지 않아 단락할 때의 압력이 불균일해진다. 그 결과, 동일한 압력으로 내부 단락 시험을 행하여도 전지의 발화가 발생하거나 발생하지 않는다.
한편, 본 발명의 내부 단락 평가 장치를 사용한 경우에는, 표 1에 나타낸 바와 같이, 어떠한 설계의 전지에서도 안정된 시험 결과를 얻을 수 있다.
[산업상 이용가능성]
본 발명에 따르면, 각종 전지 또는 각종 전지 팩으로부터 꺼내진 전극군의 내부 단락의 평가를 전지 또는 전지 팩에 내장된 상태와 동일한 상태에서 행할 수 있다. 따라서, 본 발명의 내부 단락 평가 장치를 사용함으로써 각종 전지 또는 전지 팩의 내부 단락 시험을 정확하게 행할 수 있다.
10 내부 단락 평가 장치
11 가압자
11a 기재부
11b 접촉부
11c 관통홀
12, 32 가압자 제어부
13, 33 가압력 측정부
14 단락자
15 단락자 제어부
16, 36 전지 정보 측정부
17, 37 단락 검출부
18, 38 충방전 제어부
20, 40 전극군
21 대
22 가압자용 가압장치
23 단락자용 가압장치
24 컴퓨터
31 단락자가 일체화된 가압자
31a 기재부
31b 접촉부
31c 단락자

Claims (11)

  1. 양극과, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하는 전극군, 전해질과, 상기 전극군 및 상기 전해질을 수용하는 전지 케이스를 구비하는 전지의 내부 단락 평가 장치로서,
    (1) 상기 전극군의 표면의 적어도 소정의 위치를 가압하는 가압자와,
    (2) 상기 소정의 위치에 눌려대어진 단락자와,
    (3) 상기 전극군에서 상기 단락자에 의해 단락이 발생했을 때 변화하는 전지 정보를 측정하는 전지 정보 측정부와,
    (4) 상기 전지 정보 측정부에 의해 측정된 전지 정보의 변화를 검지하고, 또한 상기 전지 정보를 소정의 기준값과 비교하여 내부 단락을 판단하는 단락 검지부와
    (5) 상기 가압자에 가해지는 가압력을 측정하는 가압력 측정부와,
    (6) 상기 단락 검지부 및 상기 가압력 측정부로부터 제공되는 신호에 기초하여 상기 가압자를 제어하는 가압자 제어부, 및
    (7) 상기 단락 검지부 및 상기 가압력 측정부로부터 제공되는 신호에 기초하여 상기 단락자를 제어하는 단락자 제어부를 갖는 내부 단락 평가 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가압자에 관통홀이 마련되어 있고, 상기 관통홀을 통하여 상기 단락자가 상기 소정의 위치에 눌러대는 내부 단락 평가 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 가압자의 상기 전극군과의 접촉부가 고무 재료를 포함하는 내부 단락 평가 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단락자의 상기 전극군에 접촉하는 부분이 예리한 돌기 형상 또는 예리한 칼끝 형상인 내부 단락 평가 장치.
  5. 양극과, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하는 전극군, 전해질과, 상기 전극군 및 상기 전해질을 수용하는 전지 케이스를 구비하는 전지의 내부 단락 평가 장치로서,
    (i) 일체화된 단락자를 구비하는 가압자로서, 상기 전극군의 표면의 적어도 소정의 위치를 가압하면서, 상기 소정의 위치에 상기 단락자를 압입하는 가압자와,
    (ⅱ) 상기 전극군에서 상기 단락자에 의해 단락이 발생했을 때 변화하는 전지 정보를 측정하는 전지 정보 측정부와,
    (ⅲ) 상기 전지 정보 측정부에 의해 측정된 전지 정보의 변화를 검지하고, 또한 상기 전지 정보를 소정의 기준값과 비교하여 내부 단락을 판단하는 단락 검지부와,
    (iv) 상기 가압자에 가해지는 가압력을 측정하는 가압력 측정부, 및
    (v) 상기 단락 검지부 및 상기 가압력 측정부로부터 제공되는 신호에 기초하여 상기 가압자를 제어하는 가압자 제어부를 갖는 내부 단락 평가 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 가압자의 상기 전극군과의 접촉부가 고무 재료를 포함하는 내부 단락 평가 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 단락자의 상기 전극군에 접촉하는 부분이 예리한 돌기 형상 또는 예리한 칼끝 형상인 내부 단락 평가 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 단락 검지부로부터 제공되는 신호에 기초하여 상기 전극군의 충방전을 제어하는 충방전 제어부를 더 구비하는 내부 단락 평가 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전극군, 상기 가압자 및 상기 단락자를 적어도 수용하는 항온조를 더 구비하는 내부 단락 평가 장치.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 단락 검지부로부터 제공되는 신호에 기초하여 상기 전극군의 충방전을 제어하는 충방전 제어부를 더 구비하는 내부 단락 평가 장치.
  11. 제 5 항에 있어서, 상기 전극군, 상기 가압자 및 상기 단락자를 적어도 수용하는 항온조를 더 구비하는 내부 단락 평가 장치.
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