KR20140004662A - 전기화학 전지를 충전하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

전기화학 전지를 충전하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

내부(12)에 적어도 하나의 전극 스택과 상기 스택(들)을 적어도 부분적으로 둘러싸는 케이싱을 포함하는 전기화학 전지(10)를 전해질로 충전하기 위해 전지(10)의 내부(12)에 저압이 형성된(단계 S3) 후에, 전지(10)의 내부(12)는 전해질 공급부(24)에 연결된다(단계 S5). 전해질로 전지(10)를 균일하고 완전하게 충전하기 위해, 전해질 공급부(24)가 접속되어 있는 동안 제 1 압력과 제 2 압력이 교대로 전지(10)의 외측면(14)에 인가되고, 이 경우 제 2 압력은 제 1 압력보다 낮다(단계 S6 및 S7).

Description

전기화학 전지를 충전하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR FILLING AN ELECTROCHEMICAL CELL}
본 발명은 전기화학 전지를 전해질로 충전하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 차량 드라이브에 전력을 공급하기 위한 리튬 이온 배터리와 관련하여 설명된다. 또한, 본 발명은 전기화학 전지 및 배터리의 구성 및 화학적 특성과 무관하고, 전력을 공급받는 드라이브의 종류와도 무관하게 이용될 수 있음이 참조된다.
WO 2009/117809 A1호에는 전지를 비우고 나서 압력에 의해 위에서부터 전지의 내부로 전해질을 펌핑하기 위해 전지의 충전 과정 동안 선택적으로 고압, 진공 또는 주변 압력이 인가될 수 있는 충전 헤드를 가진 배터리 전지를 전해질로 충전하기 위한 방법 및 장치가 공지되어 있다.
본 발명의 과제는 전기화학 전지를 전해질로 충전하기 위한 개선된 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라 독립 청구항의 교리에 의해 해결된다.
본 발명의 바람직한 개선예들은 종속 청구항의 대상이다.
내부에 적어도 하나의 전극 스택과 상기 스택(들)을 적어도 부분적으로 둘러싸는 케이싱을 포함하는 전기화학 전지를 전해질로 충전하기 위한 본 발명에 따른 방법은 전지의 내부에 저압을 형성하고(단계 S3), 후속해서 전지의 내부를 전해질 공급부에 연결하고(단계 S5), 전지의 외측면에 제 1 압력 및 제 1 압력보다 낮은 제 2 압력을 교대로 인가하는 단계(단계 S6 및 S7)를 포함한다.
전지의 내부에 저압을 형성함으로써 먼저 전지의 내부 및 특히 전극 스택의 간극에 존재하는 공기가 제거되므로, 후속해서 전해질로 충전 시 상기 전해질은 모든 간극을 실질적으로 완전히 채울 수 있다.
충분한 양의 전해질이 균일하게 분배되어 전극 스택 사이로 흐르는 것을 보장하기 위해, 전지의 외측면에 더 높은 제 1 압력과 더 낮은 제 2 압력이 교대로 제공됨으로써 전극 스택은 교대로 압축 및 이완된다. 이로 인해 흡인 작용이 나타나고, 상기 작용에 의해 전극 스택 사이로 전해질이 흡입된다.
본 발명에 따른 방법에 의해, 전해질은 압력이 없이도 전기화학 전지의 내부로 펌핑될 수 있는데, 그 이유는 상기 전해질은 전지의 내부에서 저압의 흡인 작용과 전지의 압축과 이완의 교대에 의한 흡인 작용으로 인해 전지의 내부로 흡입될 수 있기 때문이다. 이러한 방법은 전기화학 전지의 구성 요소들을 보호하고, 특히 케이싱의 기계적 손상을 방지한다. 그러나 본 발명과 관련해서 압력에 의해 전지를 전해질로 충전하는 것도 가능하다.
"전기화학 에너지 저장 장치"란 이 경우 전기 에너지를 빼낼 수 있고, 이때 에너지 저장 장치 내부에서 전기화학 반응이 이루어지는 모든 종류의 에너지 저장 장치이다. 에너지 저장 장치라는 용어는 특히 모든 종류의 1차 배터리와 2차 배터리를 포함한다. 전기화학 에너지 저장 장치는 적어도 하나의 전기화학 전지, 바람직하게 다수의 전기화학 전지들을 포함한다. 다수의 전기화학 전지들은 더 많은 충전량을 저장하기 위해 병렬 접속될 수 있거나 또는 소정의 작동 전압을 달성하기 위해 직렬 접속될 수 있거나 또는 병렬 및 직렬 접속의 조합을 형성할 수 있다.
"전기화학 전지" 또는 "전기화학 에너지 저장 전지"란 전기 에너지의 공급에 이용되는 장치이고, 이때 에너지는 화학적 형태로 저장된다. 재충전 가능한 2차 배터리의 경우에 전지는 전기 에너지를 수용하고, 화학적 에너지로 변환하여 저장하도록 형성된다. 전기화학 전지의 형상(특히 크기와 디자인)은 사용 가능한 공간에 따라 선택될 수 있다. 바람직하게 전기화학 전지는 실질적으로 각기둥 또는 원통형으로 형성된다. 본 발명은 특히 파우치(pouch) 전지 또는 커피 백(coffee bag) 전지라고 하는 전기화학 전지에 바람직하게 사용될 수 있고, 본 발명의 전기화학 전지는 이러한 용도에 제한되는 것은 아니다.
바람직하게 실질적으로 직방체형 파우치 전지는 그 4개의 모서리에, 특히 바람직하게 하부 모서리에 전해질을 공급하는 적어도 하나의 개구 또는 충전 개구를 포함한다. 파우치 전지의 하부 모서리란, 배터리에 결합된 사용 위치에서 중력 방향으로 아래를 향하는 모서리이다.
"전극 스택"이란 적어도 2개의 전극과 그 사이에 배치된 전해질로 이루어진 구조이다. 전해질은 부분적으로 분리막에 의해 수용될 수 있고, 분리막은 전극들을 분리한다. 바람직하게 전극 스택은 전극과 분리막의 다수의 층들을 포함하고, 이 경우 동일한 극성의 전극들은 바람직하게 서로 전기 접속되고, 특히 병렬 접속된다. 전극들은 예를 들어 플레이트 형태로 또는 시트 형태로 형성되고, 바람직하게 실질적으로 서로 평행하게 배치된다(각기둥 형태의 에너지 축전지). 전극 스택은 와인딩될 수도 있고, 실질적으로 원통형 형상을 가질 수 있다(원통형 에너지 축전지). "전극 스택"이라는 용어는 이러한 전극 와인딩도 포함한다. 전극 스택은 리튬 또는 다른 알칼리 금속을 이온 형태로 포함할 수도 있다.
"케이싱"이란 전극 스택으로부터 주변으로 화학 물질이 배출되는 것을 저지하고 전극 스택의 부품들을 손상을 일으키는 외부 영향에 대해 보호하는데 적합한 모든 종류의 장치이다. 케이싱은 하나 또는 다수의 성형부 및/또는 시트형으로 형성될 수 있다. 또한, 케이싱은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다. 또한, 케이싱은 바람직하게 적어도 부분적으로 탄성 재료로 제조될 수 있고 또는 탄성적으로 형성된다. 케이싱은 바람직하게 기밀성 및 전기 절연 재료 또는 화합물 층으로 형성된다. 케이싱은 전극 스택을 바람직하게 가능한 한 갭 및 에어 쿠션이 생기지 않도록 둘러싸므로, 케이싱과 전기화학 전지 내부 사이의 양호한 열 전도가 가능할 수 있다.
"저압"이란 대기압보다 낮은 압력이다. 바람직하게 저압은 전기화학 전지 내부에 진공을 형성한다. 바람직하게 단계 S3에서 전기화학 전지 내부에 형성된 저압은 대략 1 내지 50 kPa, 바람직하게 대략 2 내지 30 kPa, 더 바람직하게는 대략 4 내지 10 kPa이다.
"제 1 압력"과 "제 2 압력" 이란 먼저 가장 일반적으로 제 2 압력이 제 1 압력보다 낮다는 점과 관련해서 정해진다. 다시 말해서 단계 S6과 S7에서 전기화학 전지에는 2개의 상이한 압력들이 교대로 가해지므로, 전해질을 위한 전술한 흡인 작용이 달성될 수 있다. 기본적으로 2개의 제 1 및 제 2 압력이 대기압보다 높게 선택될 수 있고, 2개의 제 1 및 제 2 압력이 대기압보다 낮게 선택될 수 있고, 제 1 압력은 대기압보다 높게 제 2 압력은 대기압보다 낮게 선택될 수 있고, 또는 제 1 및 제 2 압력 중 하나는 실질적으로 대기압과 동일하게 선택될 수 있다.
단계 S6과 S7에서 제 1 및 제 2 압력은 전기화학 전지의 "외측면"에 인가될 수 있다. 이것은 전기화학 전지에 가능한 한 균일하게 압력이 가해질 수 있도록 하기 위해, 가능한 한 넓은 면에 걸친 가압을 의미한다. 실질적으로 각기둥형 전지의 경우에 바람직하게 적어도 전지의 메인 면들에는 실질적으로 면 전체에 상이한 제 1 및 제 2 압력들이 가해지고, 실질적으로 원통형 전지 형태의 경우에는 바람직하게 적어도 전지의 외부면에 실질적으로 면 전체에 상이한 압력들이 가해진다.
바람직한 실시예에서 단계 S6과 S7에서 전지의 외측면의 제 1 압력과 제 2 압력은 전기화학 전지를 실질적으로 완전히 둘러싸는 작동 유체에 의해 형성된다. "작동 유체"는 이 경우 기체 또는 액체이다.
이 실시예에서 제 1 및 제 2 압력은 유체에 의해 실질적으로 전지의 외측면 전체에 인가되기 때문에, 모든 위치와 모든 방향에서 전지 및 전극 스택의 가능한 한 균일한 가압이 이루어진다. 이로 인해 전지, 특히 전지의 케이싱 및 전극 스택의 손상 위험이 감소될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 단계 S6과 S7에서 제 1 압력과 제 2 압력 간의 차이는 작동 유체의 체적 -및/또는 양 변화에 의해 및/또는 작동 유체의 유동에 의해 형성된다. 바람직하게 기체 작동 유체의 경우에 체적 -및/또는 양 변화가 이용되고, 액체 작동 유체의 경우에는 유동이 이용된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서 단계 S6 및 단계 S7에서 전지의 외측면의 제 1 및 제 2 압력은 압력 플레이트에 의해 형성되고, 상기 압력 플레이트들 사이에 전지가 적어도 부분적으로 수용된다.
"압력 플레이트"란 바람직하게, 전지의 외측면에 접촉하고, 상기 전지 외측면에 대해 실질적으로 수직으로 이동될 수 있는 플레이트 형태의 부품이거나 또는 비회전 대칭으로(즉, 예컨대 편심 횡단면을 갖고) 형성되고 실질적으로 고정 축을 중심으로(즉, 전지의 외측면에 대해 일정하게 이격되고 평행한) 회전되는 롤러이다.
다른 바람직한 실시예에서 전지들은 단계 S6 및/또는 S7 동안 진동하고, 상기 진동의 빈도는 단계 S6과 S7의 빈도보다 높다. 이를 위해 전지에 단계 S6a에서 바람직하게 적어도 하나의 음향 펄스, 바람직하게 적어도 하나의 초음파 펄스가 가해진다. 전지에 가해지는 이러한 추가 진동에 의해 전지 또는 전지의 전극 스택 내에 발생 가능한 에어 포켓이 더 양호하게 제거될 수 있고, 전지의 충전은 더욱 개선될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 단계 S6과 S7에서 제 1 압력과 제 2 압력의 교대 인가는 펄스 방식으로 실시된다. 바람직하게 단계 S6과 S7이 반복 실행되는 동안 제 1 압력 인가의 펄스 지속 시간 및/또는 제 2 압력 인가의 펄스 지속 시간이 변경될 수 있다.
제 1 및 제 2 압력의 주기 즉, 실질적으로 제 1 압력의 펄스 지속 시간과 제 2 압력의 펄스 지속 시간의 합은 바람직하게 약 2 내지 20초, 더 바람직하게 약 3 내지 15초, 더 바람직하게는 약 5 내지 10초이다.
바람직하게 단계 S6과 S7에서 제 1 압력은 전지의 주변 압력(즉, 일반적으로 대기압) 또는 과압에 상응하고, 단계 S6과 S7에서 제 2 압력은 전지의 주변 압력 또는 저압에 상응한다. 바람직하게 제 1 압력은 실질적으로 전지의 주변 압력에 상응하고, 제 2 압력은 저압에 상응한다.
바람직하게 제 1 압력의 크기 및/또는 제 2 압력의 크기는 단계 S6과 S7이 반복 실행되는 동안 변경될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 전해질은 단계 S5 내지 S7에서 전기화학 전지에 아래에서부터 공급된다. 이러한 과정에서 전해질로 전지가 충전될 때 바람직하게 모세관 효과가 이용될 수 있다. 다른 바람직한 실시예에서 전해질은 측면에서 또는 위에서부터 전기화학 전지 내부로 충전될 수 있다. 본 발명의 다른 바람직한 실시예에서 충전 전에 전기화학 전지는, 충전 개구가 위로 및 지구의 인력과 반대로 향하도록 배치된다. 본 발명에 따른 방법에 상응하는 충전은 이로써 바람직하게 중력의 지원으로 이루어지므로, 전해질은 지구의 인력을 따라 아래로 유동한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서 본 발명에 따른 방법은 전해질로 충전되는 전지의 충전 레벨 값을 검출하는 단계 S8을 포함하고, 단계 S8에서 검출된 충전 레벨 값이 사전 설정된 임계값에 도달하거나 또는 초과할 때까지 단계 S6과 S7이 반복해서 실행된다(단계 S9). 이로 인해 전기화학 전지는 전해질 충전 과정이 종료된 후에 정해진 충전 레벨을 갖는 것이 보장될 수 있다.
바람직하게 충전 레벨 값의 다음 검출까지 단계 S6과 단계 S7의 반복 횟수는 단계 S7에서 검출된 충전 레벨 값에 의존하여 선택될 수 있다(단계 S11). 따라서 예컨대 충전 과정의 시작 시 충전 레벨 값은 충전 과정의 종료로 갈수록 빈번하게 체크되지 않아도 된다. 따라서 이로 인해 단계 S6와 S7에서 압력 변동 과정 이후마다 전지의 전해질 충전 레벨 값이 검출되지 않기 때문에, 전지의 충전 과정이 전체적으로 단축될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 바람직한 실시예에서 방법은 단계 S3 이전에, 단계 S3에서 저압을 형성하기 위한 적어도 하나의 개구와 단계 S5에서 전해질을 공급하기 위한 적어도 하나의 개구를 제외하고 전기화학 전지를 밀봉하는 단계 S1를 포함한다. 상기 2개의 개구들은 선택적으로 상이한 개구들이거나 또는 동일한 개구들일 수 있다.
바람직하게 케이싱은 충전 과정을 실시하기 위한 하나의 개구만을 갖는다.
"밀봉"이란 본 발명과 관련해서 제 1 케이싱 부분과 다른 구성 요소(특히 예를 들어 다른 케이싱 부분 또는 메인 리드)의 유체 밀봉 방식(즉, 액밀 및 기밀)의 결합이다. 바람직하게 케이싱은 연결측에 적어도 부분적으로 용융될 수 있고 압력 하에 결합될 수 있는(소위 열 밀봉) 재료 또는 재료층을 포함한다.
내부에 적어도 하나의 전극 스택과 상기 스택(들)을 적어도 부분적으로 둘러싸는 케이싱을 포함하는 전기화학 전지를 전해질로 충전하기 위한 본 발명에 따른 장치는 하기 부품들을 포함한다:전기화학 전지를 고정하기 위한 고정 장치; 고정 장치에 의해 고정되는 전지의 내부에 저압을 형성하기 위한 저압 수단; 고정 장치에 의해 고정된 전지의 내부로 전해질을 공급하기 위한 공급 장치; 및 고정 장치에 의해 고정된 전지의 외측면에 적어도 2개의 상이한 압력들을 인가하기 위한 압력 수단.
바람직하게 저압 수단과 공급 장치는 공통의 충전 장치의 형태로 형성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 압력 수단은 유체로 채워진 압력 챔버를 포함하고, 상기 압력 챔버 내에 전지가 배치된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서 압력 수단은 적어도 2개의 압력 플레이트를 포함하고, 상기 압력 플레이트들 사이에 전지가 적어도 부분적으로 수용된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 진동 발생기가 제공되고, 상기 진동 발생기는 전지를 진동시킬 수 있고, 상기 진동의 빈도는 적어도 2개의 상이한 압력에 의한 가압 빈도보다 높다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서 전지를 충전하기 위한 장치는 진공 챔버 내에 배치된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 다수의 전기화학 전지를 전해질로 동시에 충전하기 위한 장치가 형성된다. 이러한 조치에 의해 다수의 전기화학 전지의 제조 공정이 가속화될 수 있다.
장점 및 사용된 용어들에 대해서 본 발명에 따른 방법에 관한 전술한 실시예들이 상응하게 적용된다. 전해질로 전기화학 전지를 충전하기 위한 본 발명에 따른 장치는 특히 본 발명에 따른 방법을 실시하는데 적합하다.
본 발명의 전술한 방법 및 장치는 바람직하게 차량 드라이브에 전력을 공급하는 리튬 이온 2차 배터리 형태의 전기화학 에너지 저장 장치의 제조 시 사용될 수 있다. 그러나 본 발명은 물론 다른 용도에도 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 장점들, 특징들 및 적용 가능성은 도면과 관련한 하기 설명에 제시된다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전기화학 전지를 충전하기 위한 장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따라 전해질로 전기화학 전지를 충전하기 위한 방법의 순서를 설명하는 흐름도.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전기화학 전지를 충전하기 위한 장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 1은 전해질로 전기화학 전지(10)를 충전하기 위한 장치를 매우 간단하게 도시한다. 전지(10)의 내부(12)에 전극 스택이 배치되고, 상기 전극 스택은 전해질로 충전되어야 한다. 케이싱은 전지의 상기 내부(12)를 전지 주변으로부터 제한하고, 전지(10)의 외측면(14)을 규정한다.
전지(10)는 충전 과정을 실시할 수 있는 적어도 하나의 개구(16)를 갖는다. 충전 과정 동안 전지(10)는 적절한 고정 장치(18)에 고정된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이 실시예에서 전지(10)는 높은 위치에 고정되므로, 전해질은 모세관 작용에 의해 아래에서부터 전지(10)의 내부(12)로 유동한다.
전지(10)의 개구(16)는 충전 헤드(20)에 결합되고, 상기 충전 헤드는 진공 원(22) 및 전해질 저장소(24)에 연결된다. 따라서 상기 충전 헤드(20)에 의해 선택적으로 전지(10)의 내부(12)에 저압, 예컨대 약 5 kPa의 진공이 형성되거나, 또는 전지(10)의 내부(12)는 전해질 공급부에 연결될 수 있다. 전해질 저장소(24)로부터 배출된 전해질은 모세관 작용 및 흡인 작용에 의해서만 전지(10)의 내부(12)로 흡입될 수 있거나 또는 추가로 약간의 압력에 의해 전지(10) 내로 펌핑될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전지(10)는 압력 챔버(26)로 둘러싸이고, 상기 압력 챔버는 전지(10)의 외측면(14)을 가능한 한 완전히 둘러싼다. 상기 압력 챔버(26)는 유체(28) 즉, 기체 또는 액체로 채워지고, 상기 유체는 가능한 한 모든 측면으로부터 균일하게 전지(10의 외측면(14)에 인가하고, 따라서 모든 방향으로부터 균일한 압력을 전지(10) 및 전지(10)의 내부(12)의 전극 스택에 가한다.
압력 챔버(26)는 제 1 압력원(30)원 및 제 2 압력원(32)에 연결된다. 이 실시예에서 제 1 압력원(30)은 실질적으로 주변 압력 또는 대기압에 상응하는 압력 챔버(26) 내부의 유체 압력을 형성하고, 제 2 압력원(32)은 제 1 압력원(30)에 의해 형성된 주변 압력보다 낮은 압력, 즉 저압에 상응하는 압력 챔버 내부의 유체 압력을 형성한다.
2개의 압력원들(30, 32)은 선택적으로 공통의 장치로서 형성될 수도 있다. 또한, 제 1 압력원(30)은 과압원으로서 형성될 수 있고, 제 2 압력원(32)은 주변 압력원으로서 형성될 수 있다.
전해질로 전지(10)를 충전하는 과정 동안 압력 챔버(26)는 교대하는 제 1 및 제 2 압력원(30, 32)에 의해 작동될 수 있다.
도 2는 전술한 장치에 의해 실시될 수 있는, 전해질로 전기화학 전지를 본 발명에 따라 충전하는 과정의 바람직한 순서를 흐름도로서 도시한다.
제 1 단계 S1에서 전기화학 전지(10)는 충전 개구(16)를 제외하고 밀봉된다. 밀봉된 상기 전지(10)는 높은 위치에서 고정 장치(18)에 수용되고 충전 헤드(20)에 연결된다(단계 S2).
단계 S3에서 전지(10)의 내부(12)에 충전 헤드(20)에 접속된 저압원(22)에 의해 저압 또는 진공이 형성되고 즉, 전지(10)에서 기체를 제거하기 위해, 전지(10)는 진공화된다. 단계 S3에서 진공화의 실시 중에 또는 후에 (선택적인) 단계 S4에서 압력 챔버(26) 내의 유체(28)에 제 1 압력원(30)에 의해 주변 압력이 형성된다.
전기화학 전지(10)에 전해질을 아래에서부터 공급하기 위해, 단계 S5에서 전지(10)의 내부(12)는 충전 헤드(20)를 통해 전해질 저장소(24)에 연결된다. 전해질은 전지(10)의 내부의 저압 및 모세관 작용에 의해 개구(16)를 통해 전지(10)의 내부(12)로 및 전극 스택 사이로 유동한다.
전해질로 전지(10)의 균일하고 완전한 충전이 달성될 수 있도록, 단계 S6와 단계 S7이 실시되고, 이 경우 단계들 S6과 S7은 반복 실시된다. 단계 S6에서 먼저 압력 챔버(26) 내의 전지(10)의 외측면(14)에 제 1 압력원(30)에 의해 주변 압력(제 1 압력)이 가해진다. 후속해서 단계 S7에서 압력 챔버(26) 내의 전지(10)의 외측면(14)에 제 2 압력원(32)에 의해 저압(제 2 압력)이 가해진다. 전지(10) 및 전극 스택이 교대로 압축 및 이완됨으로써, 전해질은 전해질 저장소(24)로부터 더 신속하고 균일하게 전극 스택을 통해 이동될 수 있다.
압력 챔버(26)의 유체(28) 내의 제 1 압력 및 제 2 압력의 펄스 지속 시간은 충전 과정 중에 변경될 수 있다. 예를 들어 충전 과정 중에 전지의 외측면(14)의 펄스식 가압은 점점 높은 빈도로 이루어질 수 있다. 제 1 압력 및 제 2 압력의 펄스 시퀀스의 주기는 예컨대 약 2 내지 20초이고, 예를 들어 약 5초이다.
다음 단계 S8에서 전기화학 전지(10) 내의 전해질의 충전 레벨 값이 검출된다. 단계 S9에서 검출된 충전 레벨 값은 사전 설정된 임계값과 비교된다.
검출된 충전 레벨 값이 사전 설정된 상기 임계값에 도달하거나 또는 초과하는 경우(단계 S9에서 예), 상기 전지(10)를 위한 충전 과정은 종료되고, 단계 S10에서 압력 챔버(26) 내의 전지(10)의 외측면(14)에 다시 주변 압력이 가해지고, 전지(10)의 내부(12)는 전해질 저장소(24)와 분리된다.
다른 경우에는(단계 S9에서 아니오) 단계 S8에서 검출된 충전 레벨 값에 따라서 단계 S6과 S7을 위한 반복 횟수가 정해지고, 방법은 다시 단계 S6로 되돌아 가므로, 전지(10)의 외측면(14)의 교대하는 가압이 속행될 수 있다. 단계 S6 내지 S8에 의한 충전은, 전해질의 충전 레벨 값이 사전 설정된 임계값에 도달하거나 또는 초과될 때까지 계속된다.
전해질로 전기화학 전지(10)를 충전하기 위한 장치는 바람직하게, 동시에 다수의 전지들이 도 2에 도시된 방법에 따라 전해질로 채워질 수 있도록 형성된다.
도 3 및 도 2와 관련하여 전해질로 전기화학 전지를 충전하기 위한 제 2 실시예가 설명된다. 이 경우 동일하거나 또는 동일한 기능을 하는 구성 요소들 및 방법 단계들은 전술한 제 1 실시예와 동일한 도면부호로 도시된다.
전극 스택과 케이싱을 포함하는 전지(10)는 적어도 하나의 개구(16)를 갖고, 상기 개구에 의해 충전 과정이 실시될 수 있다. 충전 과정 동안 전지(10)는 적절한 고정 장치에 고정된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전지(10)는 이 실시예에서, 충전 개구(16)가 지구의 인력과 반대로 위로 향하도록 고정되므로, 전해질은 지구의 인력의 지원으로 위에서부터 전지(10)의 내부(12)로 유동할 수 있다.
전지(10)의 개구(16)는 충전 헤드(20)에 연결되고, 상기 충전 헤드는 저압원 및 전해질 저장소에 연결된다. 이로써 상기 충전 헤드(20)에 의해 선택적으로 전지(10)의 내부에 저압, 예컨대 5 kPa의 진공이 형성될 수 있거나, 또는 전지(10)의 내부(12)가 전해질 공급부에 연결될 수 있다. 전해질 저장소에서 배출된 전해질은 모세관 작용 및 흡인 작용에 의해서만 전지(10)의 내부로 흡입될 수 있거나 또는 추가로 약간의 압력에 의해 전지(10) 내로 펌핑될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전지(10)는 2개의 압력 플레이트들(34) 사이에 수용되고, 상기 압력 플레이트들은 전지(10)의 외측면(14)의 각각의 메인 면 전체에 접촉한다. 압력 플레이트들(34)은 도시되지 않은 압력 발생 장치에 의해 전지(10)의 외측면(14)에 대해 가압된다.
전지(10)에는 압력 플레이트(34)에 의해 실질적으로 주변 압력 또는 대기압에 상응하는 제 1 압력과 저압, 즉 주변 압력보다 낮은 압력에 상응하는 제 2 압력이 교대로 가해진다.
추가 조치로서 2개의 압력 플레이트들(34), 또한 선택적으로 이들 중 하나만 초음파 발생 장치의 소노트로드(36)에 결합된다. 이로 인해, 전지(10)에 더 높은 제 1 압력이 가해지면, 압력 플레이트(34)에 초음파 펄스가 가해질 수 있다. 이렇게 발생되어 전지에 전달되는 더 높은 빈도의 추가 진동에 의해, 전지(10)의 규정된 압축 동안 전지(10)로부터 작은 에어 포켓도 제거되고, 따라서 전극 스택의 모든 웨팅면들은 충분히 전해질로 적셔지는 것 즉, 전극과 분리막에 "건조" 지점이 방지되는 것이 보장된다.
또한, 전해질로 전지(10)를 충전하기 위한 장치 전체는 바람직하게 진공 챔버(38) 내에 배치된다. 즉, 충전 과정은 바람직하게 진공 상태에서 이루어진다.
제 2 실시예의 이러한 장치에 의한 전해질로 전지(10)의 충전 과정은 마찬가지로 도 2의 흐름도에 따라 이루어진다.
단계 S1 내지 S4 후에 단계 S5에서 전지(10)의 내부(12)는 충전 헤드(20)를 통해 전해질 저장소에 연결되므로, 전기화학 전지(10)에 전해질이 위에서부터 공급될 수 있다. 이로써, 전해질은 전지(10) 내부의 저압 및 모세관 작용에 의해 개구(16)를 통해 전지(10)의 내부로 및 전극 스택 사이로 유동한다.
전해질로 전지(10)의 균일하고 완전한 충전이 달성될 수 있도록, 단계 S6, S6a 및 S7이 실시되고, 이 경우 상기 단계들은 반복 실시된다. 단계 S6에서 먼저 전지(10)의 외측면(14)에는 압력 플레이트(34)에 의해 더 높은 제 1 압력이 가해진다. 2개의 압력 플레이트들(34) 중 적어도 하나에 추가로 초음파 펄스가 가해지므로(단계 6a), 가능한 모든 에어 포켓들이 전지(10)의 내부로부터 제거될 수 있다. 후속해서 단계 S7에서 전지(10)에 압력 플레이트(34)에 의해 전지(10)에 더 낮은 제 2 압력이 가해진다. 전지(10) 및 전극 스택이 교대로 압축 및 이완됨으로써, 전해질은 전해질 저장소로부터 더 신속하고 더 균일하게 전극 스택을 통해 이동될 수 있다.
제 1 압력과 제 2 압력에 의해 가압이 펄스 지속 시간은 전술한 제 1 실시예와 같은 충전 과정 중에 변경될 수 있다. 또한, 바람직하게 전지(10)의 충전 상태는 전술한 제 1 실시예에서처럼 모니터링 된다(단계 S8, S9, S11).
검출된 충전 레벨 값이 사전 설정된 임계값에 도달하거나 또는 초과하는 경우에(단계 9에서 예), 상기 전지(10)를 위한 충전 과정은 종료되고, 단계 S10에서 전지(10)의 외측면(14)에 다시 주변 압력이 가해지고, 전지(10)의 내부는 전해질 저장소와 분리된다.
도 1 내지 도 3에 도시된 실시예는 서로 조합될 수 있다. 따라서 예컨대 제 1 실시예에서 전지(10)에는 유체(28)에 의한 가압 중에 추가로 음향 펄스, 바람직하게 초음파 펄스가 제공될 수 있으므로, 전지(10)의 충전은 더 개선될 수 있다.
10 전지
12 내부
14 외측면
16 개구
18 고정 장치
20 충전 헤드
24 전해질 저장소
26 압력 챔버
28 작동 유체
34 압력 플레이트

Claims (20)

  1. 내부(12)에 적어도 하나의 전극 스택과 상기 스택(들)을 적어도 부분적으로 둘러싸는 케이싱을 포함하는 전기화학 전지(10)를 전해질로 충전하기 위한 방법으로서, 하기 단계들 즉,
    - 상기 전지(10)의 상기 내부(12)에 저압을 형성하는 단계(단계 S3);
    - 상기 단계 S3후에 상기 전지(10)의 상기 내부(12)를 전해질 공급부(24)에 연결하는 단계(단계 S5) 및,
    - 상기 전지(10)의 외측면에 제 1 압력 및 상기 제 1 압력보다 낮은 제 2 압력을 교대로 인가하는 단계(단계 S6 및 S7)를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 S6과 S7에서 상기 전지(10)의 상기 외측면(14)의 상기 제 1 및 상기 제 2 압력은 상기 전기화학 전지(10)를 실질적으로 완전히 둘러싸는 작동 유체(28)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 단계 S6과 S7에서 상기 제 1 압력 및 제 2 압력 간의 차이는 상기 작동 유체(28)의 체적 및/또는 양 변화에 의해 및/또는 상기 작동 유체(28)의 유동에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 S6과 S7에서 상기 전지(10)의 상기 외측면(14)의 상기 제 1 및 제 2 압력은 압력 플레이트들(34)에 의해 형성되고, 상기 압력 플레이트들 사이에 상기 전지(10)가 적어도 부분적으로 수용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전지(10)는 상기 단계 S6 및/또는 S7 동안 진동하고(단계 S6a), 상기 진동의 빈도는 상기 단계 S6과 S7의 빈도보다 높은 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 단계 S6a에서 상기 전지(10)에 적어도 하나의 음향 펄스, 바람직하게 적어도 하나의 초음파 펄스가 가해지는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 S6과 S7에서 상기 제 1 및 제 2 압력의 교대 인가는 펄스 또는 맥동(pulsation)으로 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 단계 S6과 S7이 반복 실행되는 동안 상기 제 1 압력 인가의 펄스 지속 시간 및/또는 상기 제 2 압력 인가의 펄스 지속 시간이 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 S6과 S7에서 제 1 압력은 상기 전지(10)의 주변 압력 또는 과압에 상응하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 S6과 S7에서 상기 제 2 압력은 상기 전지(10)의 주변 압력 또는 저압에 상응하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 S6과 S7이 반복 실행되는 동안 상기 제 1 압력의 크기 및/또는 상기 제 2 압력의 크기는 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 또한 상기 전해질로 충전되는 상기 전지(10)의 충전 레벨 값을 검출하는 단계 S8을 포함하고, 상기 단계 S8에서 검출된 충전 레벨 값이 사전 설정된 임계값에 도달하거나 또는 초과할 때까지 상기 단계 S6와 S7이 실시되는(단계 S9) 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 충전 레벨 값의 다음 검출까지 상기 단계 S6 및 S7의 반복 횟수는 상기 단계 S7에서 검출된 상기 충전 레벨 값에 따라서 선택되는(단계 S11) 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 내부(12)에 적어도 하나의 전극 스택과 상기 스택(들)을 적어도 부분적으로 둘러싸는 케이싱을 포함하는 전기화학 전지(10)를 전해질로 충전하기 위한, 특히 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하기 위한 장치로서,
    - 상기 전기화학 전지(10)를 고정하기 위한 고정 장치(18);
    - 상기 고정 장치(18)에 의해 고정된 상기 전지(10)의 상기 내부(12)에 저압을 형성하기 위한 저압 수단(20, 22);
    - 상기 고정 장치(18)에 의해 고정된 상기 전지(10)의 상기 내부(12)로 전해질을 공급하기 위한 공급 장치(20, 24); 및
    - 상기 고정 장치(18)에 의해 고정된 상기 전지(10)의 외측면(14)에 적어도 2개의 상이한 압력들을 인가하기 위한 압력 수단(26-32;34)을 포함하는 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 저압 수단(20, 22)과 상기 공급 장치(20, 24)는 공통의 충전 장치(20-24)의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 압력 수단(26-32)은 유체(28)로 채워진 압력 챔버(26)를 포함하고, 상기 압력 챔버 내에 상기 전지(10)가 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 압력 수단(26-32)은 적어도 2개의 압력 플레이트(34)를 포함하고, 상기 압력 플레이트들 사이에 상기 전지(10)가 적어도 부분적으로 수용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 진동 발생기(36)가 제공되고, 상기 진동 발생기는 상기 전지(10)를 진동시킬 수 있고, 상기 진동의 빈도는 적어도 2개의 상이한 압력에 의한 가압 빈도보다 높은 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 진공 챔버(38) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 14 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 전기화학 전지(10)를 전해질로 동시에 충전하기 위해 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
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