KR20170082262A - 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치 및 그것을 이용한 추정 방법 - Google Patents

전지셀의 두께 팽창량 추정 장치 및 그것을 이용한 추정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 충방전이 행해지는 전지셀의 두께 팽창량을 추정하기 위한 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치로서,
충방전을 실시하지 않은 상태의 전지셀의 보관 온도, 상기 보관 온도에서 전지셀이 보관된 시간, 충전 및/또는 방전 중 전지셀의 충전상태(SOC, state of Charge), 및 상기 충전 및/또는 방전 중에 입출력되는 누적 전기 용량(electric capacity throughput) 값을, 기존에 도출된 전지셀의 두께 변화 패턴에 대입하여, 충전 및/또는 방전 후 전지셀의 예상 두께 팽창량을 산출하는 산출부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치를 제공한다.

Description

전지셀의 두께 팽창량 추정 장치 및 그것을 이용한 추정 방법 {Device for Estimating Degree of Thickness Expansion of Battery Cell and Method for Estimation Using the Same}
본 발명은 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치 및 그것을 이용한 추정 방법에 관한 것이다.
화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
최근에는 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 카메라 등의 휴대용 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고 사이클 수명이 길며 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해져 왔고, 또한 상용화되어 널리 사용되고 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 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 환경 문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있으며, 이러한 리튬 이차전지는 이러한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로도 사용되고 있다.
또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
최근에는, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 적은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조를 나타낸 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 다수의 전극 탭들(21, 22)이 돌출되어 있는 스택형 전극조립체(20), 전극 탭들(21, 22)에 각각 연결되어 있는 두 개의 전극 리드(30, 31), 및 이러한 전극 리드(30, 31)의 일부가 외부로 노출되도록 스택형 전극조립체(20)를 수납 및 밀봉하는 구조의 전지케이스(40)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
또한, 전지케이스(40)는 스택형 전극조립체(20)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(41)를 포함하는 하부 케이스(42)와 그러한 하부 케이스(42)의 덮개로서 스택형 전극조립체(20)를 밀봉하는 상부 케이스(43)로 이루어져 있다. 이러한 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)는 스택형 전극조립체(20)를 내장한 상태에서 전지케이스(40) 외주면을 열융착하여 밀봉한다.
이때, 전극조립체(20)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(21, 22)은 전극조립체(20)의 각 극판으로부터 연장되고, 전극리드(410, 420)는 각 극판으로부터 연장된 복수개의 전극 탭들(21, 22)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(40)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(30, 31)의 상하면 일부에는 전지케이스(40)과의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(43)이 부착되어 있다.
이러한 파우치형 이차전지는 소형화 및 얇은 두께를 갖는 형태로 개발됨에 따라 스마트폰 또는 노트북 등의 모바일 기기를 소형화가 가능하게 되었다.
또한, 파우치형 이차전지는 고객 요구에 맞게 다양한 형태의 구조변경이 가능하여 제품응용력이 뛰어나고, 금속캔 형태의 전지케이스를 사용한 이차전지에 비해 다품종 소량생산에 유리하다. 이처럼, 파우치형 이차전지를 에너지 밀도가 높고 다양한 형태로 가공할 수 있는 바, 최근에는 자동차 디자인을 다양화 하기 쉬워 자동차 전지에도 사용되고 있다.
그러나, 파우치형 리튬 이온 전지는 전지 내부 전해질 분해 시 발생하는 가스에 의해 부풀어 오르는 현상이 생기게 되는데, 이러한 현상을 전해액 스웰링이라고 한다. 전해질의 분해는 고온에서 촉진되므로, 전지를 고온에서 방치할 경우, 스웰링 현상이 촉진된다. 전지의 온도가 올라가면 전해액이 분해하거나 부반응이 일어나 이산화탄소나 일산화탄소와 같은 가스가 발생하여 전지의 두께가 증가하기 때문이다.
한편, 최근 들어 자동차 분야 이외에도 자가 발전 시스템에 적용하여 개별 전력 공급원으로서 그 이용 분야가 확대되고 있다. 특히, 고출력을 발휘하는 자동차 전지의 경우, 전지의 고온에서 노출되는 시간이 상대적으로 길어, 사용 조건 및 사용 환경에 따른 이차전지의 전지셀의 두께 증가는 자동차 전지의 안정성 및 수명을 고려하기 위한 중요한 인자로 고려되고 있다. 예를 들어, 하이브리드 자동차에 사용되는 이차전지의 경우, 높은 속도로 장시간 자동차를 운전할 경우, 전지의 온도가 매우 높게 올라가고 긴 시간 유지되므로 전지의 안전성의 문제가 대두되고 있다.
이에 따라, 자동차용 이차전지의 잦은 충방전 및 고온에서 장시간 보관 내지 사용에 따른 전지셀의 두께 변화를 예측하여 전지의 건강상태(SOH)를 사용자에게 알림으로써, 위험환경에서 벗어나 안전하게 에너지를 공급할 수 있는 기술 개발이 시급한 상황이다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 있는 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치의 개발 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 충방전이 행해지는 전지셀의 두께 팽창량을 추정하기 위한 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치가 충방전을 실시하지 않은 상태의 전지셀의 보관 온도, 상기 보관 온도에서 전지셀이 보관된 시간, 충전 및/또는 방전 중 전지셀의 충전상태(SOC, state of Charge), 및 상기 충전 및/또는 방전 중에 입출력되는 누적 전기 용량(electric capacity throughput) 값을, 기존에 도출된 전지셀의 두께 변화 패턴에 대입하여, 충전 및/또는 방전 후 전지셀의 예상 두께 팽창량을 산출하는 산출부를 포함하고 있을 경우, 전지셀의 두께 팽창량을 높은 신뢰성으로 추정이 가능한 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 충방전이 행해지는 전지셀의 두께 팽창량을 추정하기 위한 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치는,
충방전을 실시하지 않은 상태의 전지셀의 보관 온도, 상기 보관 온도에서 전지셀이 보관된 시간, 충전 및/또는 방전 중 전지셀의 충전상태(SOC, state of Charge), 및 상기 충전 및/또는 방전 중에 입출력되는 누적 전기 용량(electric capacity throughput) 값을, 기존에 도출된 전지셀의 두께 변화 패턴에 대입하여, 충전 및/또는 방전 후 전지셀의 예상 두께 팽창량을 산출하는 산출부를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
여기서, '누적 전기 용량'은 전지셀이 일정 범위의 충전상태(SOC)에서 충전 및/또는 방전 중에 입출력되는 전력량을 누적 계산한 량을 의미한다.
일반적으로, 이차전지는 고온에서 사용할 경우, 전지 내부 온도의 상승으로 전지 내부 전해질 분해 시 발생하는 가스에 의해 부풀어 오르는 현상이 생기게 되는데, 이는 전지의 온도가 올라가면 전해액이 분해하거나 부반응이 일어나 이산화탄소나 일산화탄소와 같은 가스가 발생하여 전지의 두께가 증가하기 때문이다. 특히, 전지를 고온에서 사용할 경우, 스웰링 현상을 촉진하게 된다. 따라서, 이차전지의 사용시 주변 온도는 전지셀의 두께 팽창률을 결정하는 중요한 요소 중 하나이다.
그 외에도, 자동차에 사용되는 이차전지는 자동차의 정차환경의 온도에 따라 사용되는 전지셀의 두께 팽창량이 차이를 가진다. 예를 들어, 날씨 매우 더운 열대 지방에서 전기 자동차의 이차전지는 섭씨 10도 내지 섭씨 30도에서 사용되는 전지셀과 비교하여 동일한 시간의 정차에도 전지의 충방전 효율 및 열화 정도가 매우 달라지기 때문에 두께 팽창량에 커다란 영향을 줄 수 있다.
따라서, 자동차에 사용되는 이차전지의 전지셀의 두께 팽창량을 추정하기 위해서는 이차전지가 사용되지 않고 보관되는 온도 및 보관 시간을 고려할 필요가 있다.
또한, 전지셀의 두께 팽창에 영향을 주는 인자로 이차전지가 사용되는 전지셀의 충전상태(SOC)의 범위를 들 수 있다. 예를 들어,
하이브리드 전기자동차(HEV)는 전지가 충전상태 SOC 50% 정도를 중심으로 ±20% 정도의 좁은 범위에서 얕은 충방전이 격렬하게 반복되는 방식으로 사용된다. 반면에 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV)는 EV 주행거리가 길기 때문에 전지를 SOC 20% 내지 90% 정도의 넓은 범위에서 사용하게 된다.
이처럼, 전기 자동차의 종류 및 사용 용도에 따라 충방전 사이클이 이루어지는 SOC의 범위는 매우 다를 수 있으므로, 자동차에 사용되는 이차전지의 전지셀의 두께 팽창량을 추정하기 위해서는 전지셀이 충방전되는 SOC의 범위를 고려할 필요가 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치는, 충방전이 행해지는 전지셀의 두께 팽창량을 추정하기 위한 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치가 충방전을 실시하지 않은 상태의 전지셀의 보관 온도, 상기 보관 온도에서 전지셀이 보관된 시간, 충전 및/또는 방전 중 전지셀의 충전상태(SOC, state of Charge), 및 상기 충전 및/또는 방전 중에 입출력되는 누적 전기 용량(electric capacity throughput) 값을, 기존에 도출된 전지셀의 두께 변화 패턴에 대입하여, 충전 및/또는 방전 후 전지셀의 예상 두께 팽창량을 산출하는 산출부를 포함하고 있을 경우, 전지셀의 두께 팽창량을 높은 신뢰성으로 추정하는 것이 가능한 효과를 발휘한다.
일반적으로, 충전상태(SOC)는 이차전지의 전지용량을 의미한다. 단위는 퍼세트(%)를 사용하며, 0% 내지 100%로 그 양을 나타낸다. 이러한 SOC는 사용중인 이차전지의 현재 충전 상태를 나타낼 시 사용되고, SOC는 직접적으로 측정이 불가능하기 때문에 간접적인 방법으로 계산할 수 있다. 이러한 SOC를 측정하는 방법은, 예를 들어 화학적방법, 전압측정 방법, 전류 적분 방법, 압력측정 방법 등을 들 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치는 전압측정 방법 또는 전류 적분 방법을 사용할 수 있고, 상세하게는, 전지셀의 SOC를 전지셀의 입출력되는 전류 값 및 전압 값으로부터 산출할 수 있다.
또한, 보다 정확한 전지셀의 두께 변화 예측을 위해 일정 SOC 범위에서 전지셀에 충전 및/또는 방전되는 전기 용량을 누적 계산할 수 있고, 여기서 누적 전기 용량은 일정 SOC 범위에서 전지셀에 충전 및/또는 방전되는 전기 용량을 의미한다.
한편, 상기 기존에 도출된 전지셀의 두께 변화 패턴은, 비교군의 전지셀들에 대해, 충방전을 실시하지 않은 상태에서 보관된 온도, 상기 보관 온도에서 보관된 시간, 일정 SOC 범위에서 충전 및/또는 방전되면서 입출력되는 누적 전기 용량, 일정 SOC 범위에서 충전 및/또는 방전된 후 전지셀의 두께 변화량을 측정하여 도출된 것일 수 있다.
구체적으로, 비교군의 전지셀들을 충방전을 실시하지 않은 상태에서 일정 온도에서 장시간 보관한 후, 일정 SOC 범위에서 전지셀들을 충전 및/또는 방전하고, 그에 따른 누적 전지용량, 및 양극 및 음극의 두께 변화량을 측정하게 된다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 두께 팽창량 추정 장치는,
전지셀의 주변 온도를 감지하는 온도 센서;
충방전을 실시하지 않은 상태의 전지셀의 보관 시간을 계측하는 타이머;
전지셀의 충방전 중에 입출력되는 전류를 감지하는 전류 센서;
전지셀의 충방전 중에 입출력되는 전압을 감지하는 전압 센서;
상기 전류 센서 및 전압 센서로부터 입력 받은 정보를 기초로 전지셀의 SOC를 추정하는 SOC 추정부;
상기 SOC 추정부, 온도센서 및 타이머로부터 전송된 정보를 누적 계산하는 누적계수기;
상기 누적계수기로부터 누적 계산된 정보를 저장하는 메모리부;
상기 메모리부로터 전송된 기존의 전지셀의 두께 변화 패턴에 상기 누적계수기로부터 누적 계산된 정보를 대입하여 전지셀의 두께 팽창량을 추정하는 산출부; 및
상기 산출부로 산출된 전지셀의 두께 팽창량 값을 메모리부로 회송하는 추정치 회송부;
를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 누적계수기는 SOC 추정부로부터 일정 SOC 범위에서 입출력된 전지셀의 전지 용량을 누적 계산할 수 있고, 더욱 구체적으로, 상기 일정 SOC 범위는 예를 들면, 0% 이상 내지 10% 이하, 10% 이상 내지 20% 이하, 20% 이상 내지 30% 이하, 30% 이상 내지 40% 이하, 40% 이상 내지 50% 이하, 50% 이상 내지 60% 이하, 60% 이상 내지 70% 이하, 70% 이상 내지 80% 이하, 80% 이상 내지 90% 이하, 및 90% 이상 내지 100% 이하로 분류되어 있을 수 있다.
또한, 상기 누적 전기 용량은 전지셀이 일정 온도에서 충방전되면서 누적 계산될 수 있으며, 상기 일정 온도는 섭씨 10도 내지 섭씨 60도 중 어느 하나일 수 있고, 더욱 상세하게는 일정 온도는 섭씨 10도, 섭씨 20도, 섭씨 30도, 섭씨 40도, 섭씨 50도, 및 섭씨 60도로 분류되어 있을 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀은, 파우치형 전지케이스에 음극, 양극, 상기 음극과 양극 사이에 개재된 분리막을 포함한 전극조립체가 비수 전해액과 함께 내장되어 있는 구조를 포함할 수 있다.
또한, 상기 파우치형 전지케이스는 내후성을 가진 고분자 수지로 이루어진 외부 수지층, 기체와 액체에 대해 차단성을 가진 금속층, 및 열융착성을 가진 고분자 수지로 이루어진 내부 수지층을 포함하고 있는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있고, 상기 전지셀은 전체적으로 폭 대비 두께가 얇은 전체적으로 직육면체 구조인 판상형일 수 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 마이크로미터 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2, Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2 등과 같이 Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1 임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li1+xM1-yM'yPO4-zXz(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트일 수 있고, 또는, 상기 양극의 양극 활물질은 하기 화학식 1로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
Li1+x(NiyM1-y)O2 (1)
상기 식에서, M은 Mn, Co, Cr, Fe, V 및 Zr로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상이고, -0.3≤x≤+0.3; 및 0.4≤y≤0.9이다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 마이크로미터 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 음극의 음극 활물질은 흑연계 탄소, 코크스계 탄소 및 하드 카본으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 마이크로미터 내지 10 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 마이크로미터 내지 300 마이크로미터이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
본 발명은 또한, 상기 두께 팽창량 추정 장치를 사용하여 전지셀의 두께 팽창량을 추정하는 방법을 제공한다.
구체적으로, 상기 전지셀의 두께 팽창량을 추정하는 방법은,
비교군의 전지셀들에 대해, 충방전을 실시하지 않은 상태의 전지셀의 보관 온도, 상기 보관 온도에서 보관된 시간, 일정 온도에서 전지셀의 일정 범위의 SOC에서 입출력된 누적 전기 용량, 및 상기 누적 전기 용량에 따른 전지셀의 두께 변화량을 측정하여 전지셀의 두께 변화 패턴을 생성하는 과정;
시험군의 전지셀들이 일정 주변 온도에서 충전 및/또는 방전되는 동안 시험군의 전지셀들 각각에 구비되어 있는 전류 센서 및 전압 센서로부터, 상기 SOC 추정부가 전지셀의 각각의 전류 및 전압 정보를 수신하여 SOC를 추정하는 과정;
상기 누적계수기가 SOC 추정부, 온도 센서 및 타이머로부터 측정된 정보들을 수신하여 누적 계산하는 과정;
상기 메모리부가 누적계수기로부터 누적 계산된 정보를 저장하는 과정;
상기 산출부가 메모리부로터 전송된 기존의 저장된 전지셀의 두께 변화 패턴에 상기 누적계수기로부터 누적 계산된 정보를 대입하여 전지셀의 두께 팽창량을 추정하는 과정; 및
상기 추정치 회송부가 추정된 전지셀의 두께 팽창량을 메모리부로 회송하여 저장시키는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한, 상기 두께 팽창량 추정 장치를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.
본 발명은 또한, 두께 팽창량 추정 장치를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 포함한다.
이러한 전지팩의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 두께 팽창량 추정 장치는, 충방전이 행해지는 전지셀의 두께 팽창량을 추정하기 위한 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치가 충방전을 실시하지 않은 상태의 전지셀의 보관 온도, 상기 보관 온도에서 전지셀이 보관된 시간, 충전 및/또는 방전 중 전지셀의 충전상태(SOC, state of Charge), 및 상기 충전 및/또는 방전 중에 입출력되는 누적 전기 용량(electric capacity throughput) 값을, 기존에 도출된 전지셀의 두께 변화 패턴에 대입하여, 충전 및/또는 방전 후 전지셀의 예상 두께 팽창량을 산출하는 산출부를 포함함으로써, 전지셀의 두께 팽창량을 높은 신뢰성으로 추정하는 것이 가능한 효과를 발휘한다.
도 1은 종래기술에 따른 파우치형 전지셀의 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 두께 팽창량 추정 장치의 구성을 나타낸 블록도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 두께 팽창량을 추정하는 방법을 나타낸 순서도이다.
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 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 두께 팽창량 추정 장치의 구성을 나타낸 블록도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 두께 팽창량 추정 장치(100)는, 전지셀(도시되지 않음)의 주변 온도를 감지하는 온도 센서(110); 충방전을 실시하지 않은 상태의 전지셀의 보관 시간을 계측하는 타이머(120); 전지셀의 충방전 중에 입출력되는 전류를 감지하는 전류 센서(130); 전지셀의 충방전 중에 입출력되는 전압을 감지하는 전압 센서(140); 이러한 전류 센서(130) 및 전압 센서(140)로부터 입력 받은 정보를 기초로 전지셀의 SOC를 추정하는 SOC 추정부(150); 이러한 SOC 추정부(150), 온도센서(110) 및 타이머(120)로부터 전송된 정보를 누적 계산하는 누적계수기(160); 이러한 누적계수기(160)로부터 누적 계산된 정보를 저장하는 메모리부(170); 이러한 메모리부(170)로터 전송된 기존의 전지셀의 두께 변화 패턴에 누적계수기(160)로부터 누적 계산된 정보를 대입하여 전지셀의 두께 팽창량을 추정하는 산출부(180); 및 이러한 산출부(180)로 산출된 전지셀의 두께 팽창량을 메모리부(170)로 회송하는 추정치 회송부(190);를 포함하고 있다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 두께 팽창량을 추정하는 방법을 나타낸 순서도가 도시되어 있다.
도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 본 발명의 따른 전지셀의 두께 팽창량을 추정하는 방법(300)은,
비교군의 전지셀들(도시하지 않음)에 대해, 충방전을 실시하지 않은 상태의 전지셀의 보관 온도, 보관 온도에서 보관된 시간, 일정 온도에서 전지셀의 일정 범위의 SOC에서 입출력된 누적 전기 용량, 및 이러한 누적 전기 용량에 따른 전지셀의 두께 변화량을 측정하여 전지셀의 두께 변화 패턴을 생성하는 과정(310),
시험군의 전지셀들이 일정 주변 온도에서 충전 및/또는 방전되는 동안 시험군의 전지셀들 각각에 구비되어 있는 전류 센서(130) 및 전압 센서(140)로부터, SOC 추정부(150)가 전지셀의 각각의 전류 및 전압 정보를 수신하여 SOC를 추정하는 과정(320),
누적계수기(160)가 SOC 추정부(150), 온도 센서(110) 및 타이머(120)로부터 측정된 정보들을 수신하여 누적 계산하는 과정(330),
메모리부(170)가 누적계수기(160)로부터 누적 계산된 정보를 저장하는 과정(340),
산출부(180)가 메모리부(170)로터 전송된 기존의 저장된 전지셀의 두께 변화 패턴에 누적계수기(160)로부터 누적 계산된 정보를 대입하여 전지셀의 두께 팽창량을 추정하는 과정(350), 및
추정치 회송부(190)가 추정된 전지셀의 두께 팽창량을 메모리부(170)로 회송하여 저장시키는 과정(360)을 포함하고 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지셀의 두께 팽창량을 추정하기 위한 알고리즘은 하기와 같은 과정을 통해 도출해 낼 수 있다.
<전지셀의 보관 온도 및 보관 시간에 따른 전지셀의 두께 변화량 측정>
먼저, 비교군의 전지셀들을 하기 표 1과 같이, 섭씨 10도, 섭씨 20도, 섭씨 30도, 섭씨 40도, 섭씨 50도, 및 섭씨 60도 각각의 보관 온도에서 설정된 시간 동안 보관한다. 그리고, 초기 전지셀들의 양극 및 음극의 두께와 비교하여 보관이 완료된 전지셀의 전체 두께 변화량(1)을 측정한다.
보관 온도
(섭씨)		 전지셀의
누적 보관 시간 (hour)
10 2000
20 5000
30 10000
40 2000
50 1000
60 10
<전지셀의 충방전되는 주변 온도 및 일정 범위의 SOC에 따른 전지셀의 두께 변화량 측정>
비교군의 전지셀들을 하기 표 2와 같이, 일정 범위의 SOC에서 섭씨 10도의 조건으로 하기 표 2의 누적 전지용량에 도달할 때까지 충방전 사이클 테스트(cycle test)를 실시한다. 이와 마찬가지로, 온도 조건을 각각의 섭씨 20도, 섭씨 30도, 섭씨 40도, 섭씨 50도 및 섭씨 60도로 설정한 뒤, 하기 표 2의 일정 범위의 SOC와 누적 전기 용량과 동일하게 충방전을 실시한다. 마지막으로, 초기 전지셀들의 양극 및 음극의 두께와 비교하여 충방전이 완료된 전지셀의 전체 두께 변화량(2)을 측정한다.
충방전 SOC 범위
(섭씨 10도)		 누적 전기 용량
SOC 0% ~ 10% 10kAh
SOC 10% ~ 20% 10kAh
SOC 20% ~ 30% 50kAh
SOC 30% ~ 40% 50kAh
SOC 40% ~ 50% 50kAh
SOC 50% ~ 60% 80kAh
SOC 60% ~ 70% 80kAh
SOC 70% ~ 80% 80kAh
SOC 80% ~ 90% 100kAh
SOC 90% ~ 100% 100kAh
상기 표 1 및 표 2의 시험 조건으로부터 측정된 전지셀의 보관 온도, 보관된 시간, 일정 온도에서 전지셀의 일정 범위의 SOC에서 입출력된 누적 전기 용량, 및 전지셀의 두께 변화량 (1) 및 (2)의 데이터 값들을 분석하여, 하기와 같은 함수식을 도출하고, 이러한 과정을 통해 비교군의 전지셀의 두께 변화 패턴을 생성하게 된다.
셀 예상 팽창도 = f{표 1(보관 온도), 표 2(주변 온도, SOC 범위)}
이후, 시험군의 전지셀들이 일정 온도에서 충방전되는 동안 시험군의 전지셀들 각각에 구비되어 있는 전류 센서 및 전압 센서로부터, SOC 추정부가 전지셀의 각각의 전류 및 전압 정보를 수신하여 SOC 내지는 전기 용량을 추정하고, 누적계수기가 SOC 추정부(SOC 및 전기 용량), 온도 센서(보관 온도 및 작동 주변 온도) 및 타이머(보관 시간)로부터 측정된 정보들을 수신하여 누적 계산하며, 메모리부가 누적계수기로부터 누적 계산된 정보를 저장하고, 산출부가 메모리부로터 전송된 기존의 저장된 전지셀의 두께 변화 패턴에 누적계수기로부터 누적 계산된 정보를 대입하여 전지셀의 두께 팽창량을 추정하게 된다.
따라서, 상기와 같은 과정을 통해, 본 발명에 따른 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치는 보관 온도, 보관 시간, 충방전 중 주변 온도, 및 일정 범위의 SOC에서 충방전된 전지셀의 누적 전지 용량에 따른 전지셀의 두께 변화량의 거동 경향을 예측할 수 있다.
앞서 설명하였듯이, 본 발명에 따른 두께 팽창량 추정 장치는, 충방전이 행해지는 전지셀의 두께 팽창량을 추정하기 위한 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치가 충방전을 실시하지 않은 상태의 전지셀의 보관 온도, 상기 보관 온도에서 전지셀이 보관된 시간, 충전 및/또는 방전 중 전지셀의 충전상태(SOC, state of Charge), 및 상기 충전 및/또는 방전 중에 입출력되는 누적 전기 용량(electric capacity throughput) 값을, 기존에 도출된 전지셀의 두께 변화 패턴에 대입하여, 충전 및/또는 방전 후 전지셀의 예상 두께 팽창량을 산출하는 산출부를 포함함으로써, 전지셀의 두께 팽창량을 높은 신뢰성으로 추정하는 것이 가능한 효과를 발휘한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. 충방전이 행해지는 전지셀의 두께 팽창량을 추정하기 위한 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치로서,
    충방전을 실시하지 않은 상태의 전지셀의 보관 온도, 상기 보관 온도에서 전지셀이 보관된 시간, 충전 및/또는 방전 중 전지셀의 충전상태(SOC, state of Charge), 및 상기 충전 및/또는 방전 중에 입출력되는 누적 전기 용량(electric capacity throughput) 값을, 기존에 도출된 전지셀의 두께 변화 패턴에 대입하여, 충전 및/또는 방전 후 전지셀의 예상 두께 팽창량을 산출하는 산출부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀의 SOC는 전지셀의 입출력되는 전류 값 및 전압 값으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 누적 전기 용량은 일정 SOC 범위에서 전지셀에 충전 및/또는 방전되는 전기 용량인 것을 특징으로 하는 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 기존에 도출된 전지셀의 두께 변화 패턴은, 비교군의 전지셀들에 대해, 충방전을 실시하지 않은 상태에서 보관된 온도, 상기 보관 온도에서 보관된 시간, 일정 SOC 범위에서 충전 및/또는 방전되면서 입출력되는 누적 전기 용량, 일정 SOC 범위에서 충전 및/또는 방전된 후 전지셀의 두께 변화량을 측정하여 도출된 것을 특징으로 하는 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 두께 팽창량 추정 장치는,
    전지셀의 주변 온도를 감지하는 온도 센서;
    충방전을 실시하지 않은 상태의 전지셀의 보관 시간을 계측하는 타이머;
    전지셀의 충방전 중에 입출력되는 전류를 감지하는 전류 센서;
    전지셀의 충방전 중에 입출력되는 전압을 감지하는 전압 센서;
    상기 전류 센서 및 전압 센서로부터 입력 받은 정보를 기초로 전지셀의 SOC를 추정하는 SOC 추정부;
    상기 SOC 추정부, 온도센서 및 타이머로부터 전송된 정보를 누적 계산하는 누적계수기;
    상기 누적계수기로부터 누적 계산된 정보를 저장하는 메모리부;
    상기 메모리부로터 전송된 기존의 전지셀의 두께 변화 패턴에 상기 누적계수기로부터 누적 계산된 정보를 대입하여 전지셀의 두께 팽창량을 추정하는 산출부; 및
    상기 산출부로 산출된 전지셀의 두께 팽창량 값을 메모리부로 회송하는 추정치 회송부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 누적계수기는 SOC 추정부로부터 일정 SOC 범위에서 입출력된 전지셀의 전지 용량을 누적 계산하는 것을 특징으로 하는 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 일정 SOC 범위는 0% 이상 내지 10% 이하, 10% 이상 내지 20% 이하, 20% 이상 내지 30% 이하, 30% 이상 내지 40% 이하, 40% 이상 내지 50% 이하, 50% 이상 내지 60% 이하, 60% 이상 내지 70% 이하, 70% 이상 내지 80% 이하, 80% 이상 내지 90% 이하, 및 90% 이상 내지 100% 이하로 분류되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 누적 전기 용량은 일정 온도에서 누적 계산되는 것을 특징으로 하는 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 일정 온도는 섭씨 10도 내지 섭씨 60도 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은, 파우치형 전지케이스에 음극, 양극, 상기 음극과 양극 사이에 개재된 분리막을 포함한 전극조립체가 비수 전해액과 함께 내장되어 있는 구조를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 파우치형 전지케이스는 내후성을 가진 고분자 수지로 이루어진 외부 수지층, 기체와 액체에 대해 차단성을 가진 금속층, 및 열융착성을 가진 고분자 수지로 이루어진 내부 수지층을 포함하고 있는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 전체적으로 폭 대비 두께가 얇은 전체적으로 직육면체 구조인 판상형인 것을 특징으로 하는 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 양극의 양극 활물질은 하기 화학식 1로부터 선택되는 하나 이상인 특징으로 하는 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치:
    Li1+x(NiyM1-y)O2 (1)
    상기 식에서, M은 Mn, Co, Cr, Fe, V 및 Zr로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상이고, -0.3≤x≤+0.3; 및 0.4≤y≤0.9이다.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 음극의 음극 활물질은 흑연계 탄소, 코크스계 탄소 및 하드 카본으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지셀의 두께 팽창량 추정 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 하나에 따른 두께 팽창량 추정 장치를 사용하여 전지셀의 두께 팽창량을 추정하는 방법에 관한 것으로,
    비교군의 전지셀들에 대해, 충방전을 실시하지 않은 상태의 전지셀의 보관 온도, 상기 보관 온도에서 보관된 시간, 일정 온도에서 전지셀의 일정 범위의 SOC에서 입출력된 누적 전기 용량, 및 상기 누적 전기 용량에 따른 전지셀의 두께 변화량을 측정하여 전지셀의 두께 변화 패턴을 생성하는 과정;
    시험군의 전지셀들이 일정 주변 온도에서 충전 및/또는 방전되는 동안 시험군의 전지셀들 각각에 구비되어 있는 전류 센서 및 전압 센서로부터, 상기 SOC 추정부가 전지셀의 각각의 전류 및 전압 정보를 수신하여 SOC를 추정하는 과정;
    상기 누적계수기가 SOC 추정부, 온도 센서 및 타이머로부터 측정된 정보들을 수신하여 누적 계산하는 과정;
    상기 메모리부가 누적계수기로부터 누적 계산된 정보를 저장하는 과정;
    상기 산출부가 메모리부로터 전송된 기존의 저장된 전지셀의 두께 변화 패턴에 상기 누적계수기로부터 누적 계산된 정보를 대입하여 전지셀의 두께 팽창량을 추정하는 과정; 및
    상기 추정치 회송부가 추정된 전지셀의 두께 팽창량을 메모리부로 회송하여 저장시키는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 추정 방법.
  16. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 하나에 따른 두께 팽창량 추정 장치를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  17. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 하나에 따른 두께 팽창량 추정 장치를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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