KR20180070323A

KR20180070323A - 전지 관찰용 지그

Info

Publication number: KR20180070323A
Application number: KR1020160172895A
Authority: KR
Inventors: 이재한; 김호; 백그린; 송수호; 송주한; 이태경; 임종산
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2016-12-16
Filing date: 2016-12-16
Publication date: 2018-06-26
Also published as: KR102220901B1; WO2018110873A1

Abstract

본 발명의 일 실시예는 수용 공간을 구비한 외장 지그; 상기 수용 공간 내에 위치하고, 전해질 수용부를 포함하는 내부 지그; 상기 전해질 수용부에 삽입되고, 전지시편을 고정하는 고정부; 및 상기 외장 지그와 결합하여 상기 수용 공간을 밀봉하는 커버;를 포함하고, 상기 고정부는 상기 전지시편을 사이에 두고 서로 결합하는 제1 고정부와 제2 고정부를 포함하고, 상기 전지시편을 향하는 상기 제1 고정부의 제1 면과 상기 전지시편을 향하는 상기 제2 고정부의 제2 면 중 적어도 어느 하나는, 상기 전해질 수용부에 수용된 전해질을 상기 전지시편까지 안내하는 전해질 안내홈을 포함하는 전지 관찰용 지그를 개시한다.

Description

전지 관찰용 지그{Jig for battery observation}

본 발명의 실시예들은 전지 관찰용 지그에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 In-situ 충방전 가시화 시스템에 사용될 수 있는 전지 관찰용 지그에 관한 것이다.

이차 전지는 일차 전지와는 달리 반복적인 충전 및 방전이 가능한 전지로써, 산업 전반에 걸친 다양한 기술분야에 적용되고 있다. 이와 같이 이차 전지의 수요가 급증함에 따라, 이차 전지의 성능에 대한 요구도 커지고 있다.

한편, In-situ 충방전 가시화 시스템은, 이차 전지의 충전과 방전시의 전기화학적 반응을 가시화하고 기록할 수 있는 분석 시스템으로써, 이를 통해 이차 전지의 충전 및 방전 시의 거동을 관찰하고, 이차 전지의 성능 및 수명과 관계된 인자들을 분석함으로써, 이차 전지의 성능 향상을 도모할 수 있는 정보를 얻을 수 있다. 그러나, 종래의 In-situ 충방전 가시화 시스템은 실제 이차 전지와 상이한 환경에서 전지시편의 충전 및 방전 테스트를 진행하므로, 이를 통해 실제 이차 전지의 충방전시의 거동을 분석하는데 한계가 있다.

본 발명의 실시예들은, 전지시편이 실제 이차 전지와 동일 또는 매우 유사한 충전 및 방전 거동을 가질 수 있는 전지 관찰용 지그를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따른 전지 관찰용 지그는, 수용 공간을 구비한 외장 지그; 상기 수용 공간 내에 위치하고, 전해질 수용부를 포함하는 내부 지그; 상기 전해질 수용부에 삽입되고, 전지시편을 고정하는 고정부; 및 상기 외장 지그와 결합하여 상기 수용 공간을 밀봉하는 커버;를 포함하고, 상기 고정부는 상기 전지시편을 사이에 두고 서로 결합하는 제1 고정부와 제2 고정부를 포함하고, 상기 전지시편을 향하는 상기 제1 고정부의 제1 면과 상기 전지시편을 향하는 상기 제2 고정부의 제2 면 중 적어도 어느 하나는, 상기 전해질 수용부에 수용된 전해질을 상기 전지시편까지 안내하는 전해질 안내홈을 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 제1 면과 상기 제2 면 중 적어도 어느 하나는, 상기 전지시편이 안착하는 안착홈을 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 전해질 안내홈은 상기 고정부의 하부 표면에서 상기 안착홈까지 연장될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 제1 고정부와 상기 제2 고정부 중 적어도 어느 하나는 상기 안착홈 내에 위치하는 저장홈을 더 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 제1 고정부와 상기 제2 고정부 중 적어도 어느 하나는 상기 저장홈 내에 위치하는 배수홀을 더 포함하고, 상기 전해질 수용부에 주입된 전해질의 높이는 상기 배수홀 이하일 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 내부 지그는, 상기 전해질 수용부와 연속적으로 이루어지고, 상기 내부 지그의 상면에서 상기 전해질 수용부의 바닥까지 연장된 전해질 주입홈을 더 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 내부 지그는 폴리에테르에테르케톤을 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 내부 지그는 상기 전해질 수용부의 바닥에 단차를 포함하고, 상기 고정부는 상기 단차와 형합할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 전지 관찰용 지그는 상기 고정부의 위치를 고정하는 결합부를 더 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 제1 고정부의 상면은 상기 제2 고정부의 상면보다 높고, 상기 결합부는 상기 제2 고정부의 상면상에 위치하고 상기 내부 지그와 결합할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 전지시편은 상기 제1 고정부의 상면과 나란한 절단면을 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 절단면은 투명 코팅층에 의해 커버될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 절단면의 평균 거칠기는 200nm 이하일 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 외장 지그는 상기 수용 공간을 에워싸는 홈을 더 포함하고, 상기 홈에는 오링이 결합될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 커버는 상기 고정부와 중첩하는 위치에 광학창을 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 전지시편은 양극, 음극 및 양극과 음극 사이의 세퍼레이터를 포함하고, 상기 외장 지그는 측면에 상기 양극 및 음극과 각각 전기적으로 연결된 제1 접속부와 제2 접속부를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 전지 관찰용 지그는, 수용 공간을 구비한 외장 지그; 상기 수용 공간 내에 위치하고, 전해질 수용부를 포함하는 내부 지그; 및 상기 전해질 수용부에 삽입되고, 전지시편을 고정하는 고정부;를 포함하고, 상기 고정부는 상기 전지시편을 사이에 두고 서로 결합하는 제1 고정부와 제2 고정부를 포함하고, 상기 전지시편을 향하는 상기 제1 고정부의 제1 면과 상기 전지시편을 향하는 상기 제2 고정부의 제2 면 중 적어도 어느 하나는, 상기 전지시편이 안착하는 안착홈을 포함하고, 상기 제1 고정부와 상기 제2 고정부 중 적어도 어느 하나는 상기 안착홈 내에 위치한 저장홈을 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 제1 면 및 상기 제2 면 중 적어도 어느 하나는, 상기 고정부의 저면에서 상기 안착홈까지 연장된 전해질 안내홈을 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 외장 지그와 결합하여 상기 수용 공간을 밀봉하는 커버를 더 포함하고, 상기 커버는 상기 고정부와 중첩하는 위치에 광학창을 포함할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예들에 의하면, 전지시편이 실제 이차 전지 내에 포함된 전극 조립체와 동일한 방식으로 전해질에 함침 되므로, 전지시편의 충방전시에 실제 이차 전지와 동일 또는 매우 유사한 충전 및 방전 거동을 관찰할 수 있다. 물론, 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 관찰용 지그를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1의 전지 관찰용 지그를 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 관찰용 지그의 내부 지그를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 I-I' 단면의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 도 2의 전지 관찰용 지그의 제1 고정부를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 6은 도 2의 전지 관찰용 지그의 고정부와 전지시편의 결합 상태를 도시한 도이다.
도 7은 도 1의 전지 관찰용 지그를 사용하여 측정한 전지시편의 절단면을 도시한 단면도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 각 도면에서, 구성요소는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.

각 구성요소의 설명에 있어서, 상(on)에 또는 하(under)에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(on)과 하(under)는 직접 또는 다른 구성요소를 개재하여 형성되는 것을 모두 포함하며, 상(on) 및 하(under)에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 관찰용 지그를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 2는 도 1의 전지 관찰용 지그를 개략적으로 도시한 분해 사시도로써, 도 2에서는 편의상 커버를 생략하여 도시하고 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 관찰용 지그(10)는 수용 공간(112)을 구비한 외장 지그(110), 수용 공간(112) 내에 위치하는 내부 지그(200), 내부 지그(200)의 전해질 수용부(210)에 삽입되는 고정부(300), 및 외장 지그(110)와 결합하여 수용 공간(112)을 밀봉하는 커버(120)를 포함할 수 있다.

외장 지그(110)는 커버(120)와 함께 전지 관찰용 지그(10)의 외형을 형성하며, 내부에 수용 공간(112)을 가질 수 있다. 수용 공간(112)의 바닥에는 내부 지그(200)의 밑면 형상을 따라 형성되어, 내부 지그(200)의 위치를 정렬할 수 있는 안착홈이 형성될 수 있다. 또한, 수용 공간(112)에는 내부 지그(200)와 함께 전지시편(도 6의 E)의 충전시 필요한 전력을 전지시편(도 6의 E)으로 전달하는 배선들이 위치할 수 있다.

외장 지그(110)의 외측면에는 외부 전원과 연결되는 제1 접속부(11)와 제2 접속부(13)가 위치할 수 있다. 제1 접속부(11)와 제2 접속부(13)는 수용 공간(112) 내에 위치한 배선들과 연결될 수 있다.

외장 지그(110)는 커버(120)와 결합하여 내부의 수용 공간(112)을 밀봉함으로써, 외부의 산소, 수분 등이 수용 공간(112)으로 침투하는 것을 방지하고, 전해질 수용부(210)에 채워진 전해질이 증발하는 것을 방지할 수 있다. 이를 위해, 외장 지그(110)는 수용 공간(112)을 에워싸는 홈(114)을 포함하고, 홈(114)에는 오링이 결합될 수 있다. 도 2에서는 하나의 홈(114)이 형성된 예를 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 수용 공간(112)을 에워싸는 홈(114)은 서로 이격된 위치에 복수 개가 형성될 수 있다.

내부 지그(200)는 전해질 수용부(210)를 포함할 수 있다. 전해질 수용부(210)에는 전해질이 채워지며, 고정부(300)가 삽입될 수 있다.

전해질과 집적 닿는 내부 지그(200)는 우수한 내화학성 및 기계적 강도를 가지는 폴리에테르에테르케톤을 포함하여 형성될 수 있다. 종래 In-situ 충방전 가시화 시스템에 사용된 전해질 저장부는 SUS로 형성되어 있었고, 이에 따라 SUS의 표면 부식이 발생하고, 충전 및 방전시에 불필요한 전기화학 반응이 수반되는 문제가 있었다.

그러나, 본 발명에 의하면 전해질을 수용하여 전해질과 직접 접하는 내부 지그(200)가 전해질과 반응하지 않으며, 내화학성 및 기계적 성질이 우수한 폴리에테르에테르케톤으로 형성됨으로써, 전지시편(도 6의 E)의 충방전시 불필요한 전기화학적 반응이 발생하지 않으므로, 이차 전지의 충방전시의 거동, 현상 등을 더욱 정확하게 나타낼 수 있다.

한편, 내부 지그(200)에는 전지시편(도 6의 E)과 접하는 한 쌍의 전극핀들의 위치를 고정하는 고정홀(203)들이 형성될 수 있다. 일 예로, 고정홀(203)들은 수용 공간(112)에서부터 전해질 수용부(210)까지 내부 지그(200)를 수평 방향으로 관통하도록 형성되고, 한 쌍의 전극핀들은 고정홀(203)들에 삽입되어 전지시편(도 6의 E)에 접속될 수 있다. 한 쌍의 전극핀들은 제1 접속부(11) 또는 제2 접속부(13)와 연결된 배선들과 연결될 수 있다.

고정부(300)는 서로 결합하는 제1 고정부(310)와 제2 고정부(320)를 포함할 수 있다. 제1 고정부(310)와 제2 고정부(320) 사이에는 전지시편(도 6의 E)이 위치하여, 제1 고정부(310)와 제2 고정부(320)는 전지시편(도 6의 E)의 위치를 고정시킬 수 있다.

고정부(300)는 전지시편(도 6의 E)이 직접 전해질에 담궈지는 것을 방지하고, 실제 이차 전지의 내부에서 일어나는 현상과 동일하게 모세관 현상에 의해 전지시편(도 6의 E)이 전해질에 함침되도록 할 수 있다. 이와 관련하여서는 도 3 내지 도 6에서 후술하기로 한다.

한편, 전해질과 직접 접하는 제1 고정부(310)와 제2 고정부(320)는 내부 지그(200)와 동일한 재질로 형성되어, 전지시편(도 6의 E)의 충방전시 불필요한 전기화학적 반응이 발생하지 않도록 할 수 있다. 일 예로, 제1 고정부(310)와 제2 고정부(320)는 폴리에테르에테르케톤을 포함할 수 있다.

고정부(300)는 결합부(330)에 의해 위치가 고정될 수 있다. 일 예로, 제1 고정부(310)의 상면이 제2 고정부(320)의 상면 보다 높을 때, 결합부(330)는 그 중 낮은 높이를 가지는 제2 고정부(320)의 상면상에 위치할 수 있다. 이때, 제2 고정부(320)의 상면 상에 위치하는 고정부(330)의 양측부는 수직 방향으로 절곡되어 내부 지그(200)와 결합함으로써, 고정부(300)의 위치를 고정시킬 수 있다.

또한, 결합부(330)의 상면은 제1 고정부(310)의 상면과 동일 평면 상에 위치할 수 있다. 따라서, 결합부(330)는 제1 고정부(310)와 제2 고정부(320) 간의 단차를 제거하면서, 고정부(300)의 위치를 고정시킬 수 있다.

커버(120)는 외장 지그(110)와 결합하여, 외장 지그(110)와 함께 수용 공간(112)을 밀봉할 수 있다. 또한, 커버(120)는 전지시편(도 6의 E)의 충전 및 방전상태를 실시간으로 관찰할 수 있도록, 전지시편(도 6의 E)을 고정하는 고정부(300)와 중첩하는 위치에 투명한 광학창(122)을 포함할 수 있다.

도 3은 도 2의 전지 관찰용 지그의 내부 지그를 개략적으로 도시한 사시도, 도 4는 도 3의 I-I' 단면의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도, 도 5는 도 2의 전지 관찰용 지그의 제1 고정부를 개략적으로 도시한 사시도, 그리고, 도 6은 도 2의 전지 관찰용 지그의 고정부와 전지시편의 결합 상태를 도시한 도이다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 내부 지그(200)는 전해질 수용부(210)를 포함하고, 전해질 수용부(210) 내에는 전지시편(E)을 고정하는 고정부(300)가 위치할 수 있다.

내부 지그(200)는 전해질과 반응하지 않도록 폴리에테르에테르케톤으로 형성될 수 있다. 내부 지그(200)는 전해질 수용부(210)와 연속적으로 이루어지고, 내부 지그(200)의 상면에서 전해질 수용부(210)의 바닥(201)까지 연장된 전해질 주입홈(220)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 전해질 주입홈(220)은 수직 방향으로 형성될 수 있다. 따라서, 전해질 수용부(210)에 고정부(300)가 위치한 다음, 전해질 주입홈(220)을 통해 전해질이 전해질 수용부(210)에 주입될 수 있으므로, 과도한 양의 전해질이 전해질 수용부(210)에 채워지는 것을 방지할 수 있다.

한편, 전해질 수용부(210)의 바닥(201)은 전해질 수용부(210)에 삽입되는 고정부(300)의 하단부 형상과 대응할 수 있다. 일 예로, 내부 지그(200)는 전해질 수용부(210)의 바닥(201) 양측의 높이가 중앙부보다 높게 형성된 단차를 포함할 수 있고, 고정부(300)의 하단부는 전해질 수용부(210)의 바닥(201)의 형상과 대응하는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 고정부(300)의 하단부는 중앙부가 양측부보다 더 아래쪽으로 돌출되어 전체적으로 'T'자 형상을 가질 수 있다.

이와 같이, 전해질 수용부(210)의 바닥(201)과 고정부(300) 하단부가 형합하면, 전해질 수용부(210)에 삽입된 고정부(300)의 위치가 흔들리지 않고 안정적으로 유지될 수 있으며, 전해질 수용부(210)에 과도한 양의 전해질이 채워지는 것을 방지할 수 있다.

또한, 고정부(300)의 하단부가 전체적으로 'T'자 형상을 가짐으로써, 후술하는 바와 같이, 서로 이격되도록 방사상으로 배치된 전해질 안내홈(314)들의 길이가 서로 유사하게 형성될 수 있고, 이에 의해 코인 형상을 가지는 전지시편(E)의 함침시, 전지시편(E)의 특정 위치에서만 전해질이 공급되는 것을 방지하여, 전지시편(E)이 전해질에 균일하게 함침되도록 할 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한하지 않으며, 고정부(300)의 하단부의 형상은 전지시편(E)의 형상에 따라 다양하게 설정될 수 있다.

고정부(300)는 전지시편(E)을 사이에 두고 서로 결합하는 제1 고정부(310)와 제2 고정부(320)를 포함할 수 있다. 제1 고정부(310)와 제2 고정부(320)는 내부 지그(200)와 동일한 재질로 형성되어, 전지시편(E)의 충방전시 불필요한 전기화학 반응이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 일 예로, 제1 고정부(310)와 제2 고정부(320)는 폴리에테르에테르케톤을 포함할 수 있다.

전지시편(E)을 향하는 제1 고정부(310)의 제1 면(311)과 전지시편(E)을 향하는 제2 고정부(320)의 제2 면(321) 중 적어도 어느 하나는, 전지시편(E)이 안착하는 안착홈(312)을 포함할 수 있다. 일 예로, 도 5는 안착홈(312)이 형성된 제1 고정부(310)를 도시하고 있는데, 도 5를 참조하면, 안착홈(312)은 제1 면(311)에서 제1 고정부(310)의 두께 방향으로 인입된 형상을 가질 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한하지 않으며, 안착홈(312)은 제2 고정부(320)에 형성되거나 또는 제1 고정부(310) 및 제2 고정부(320)에 모두 형성될 수 있다. 또한, 도 5에서는 안착홈(312)의 형상이 전지시편(E)의 형상을 따라 코인 형태를 가지는 것을 예시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 안착홈(312)은 전지시편(E)의 형상에 따라 다양한 형상을 가질 수 있다.

제1 고정부(310)의 제1 면(311)과 제2 고정부(320)의 제2 면(321) 중 적어도 어느 하나에는, 전해질 안내홈(314)이 형성될 수 있다. 전해질 안내홈(314)은 전해질 수용부(210)에 수용된 전해질을 전지시편(E)까지 안내하는 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 전해질 안내홈(314)은 고정부(300)의 하부 표면(301)에서 안착홈(312)까지 연장되어 형성될 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면, 전지시편(E)을 전체적으로 전해질에 직접 담그는 것이 아니라, 전해질 안내홈(314)을 따라 이동한 전해질이 안착홈(312)에 위치한 전지시편(E)의 일부에만 공급되고, 전지시편(E)의 나머지 영역들은 모세관 현상에 의해 고정부(300)의 상측으로 이동하는 전해질에 함침되게 된다. 이는 실제 이차 전지 내부에서 양극, 음극, 및 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체가 전해질에 함침되는 과정과 동일한바, 본 발명에 의하면 전지시편(E)이 실제 이차 전지의 내부 환경과 동일 또는 매우 유사한 조건에서 충전 및 방전이 이루어질 수 있음을 의미하고, 이에 따라 전지시편(E)의 충방전시에 실제 이차 전지와 동일 또는 매우 유사한 충전 및 방전 거동을 관찰할 수 있다.

한편, 전해질 안내홈(314)은 복수 개가 형성되고, 전체적으로 'T'자 형상을 가지는 제1 고정부(310) 및/또는 제2 고정부(320)의 하단부에서 서로 이격되어 방사상으로 배치될 수 있다. 따라서, 복수개의 전해질 안내홈(314)들 간의 길이가 서로 유사하게 되어, 코인 형상을 가지는 전지시편(E)의 함침시, 전지시편(E)의 특정 위치에서만 전해질이 공급되는 현상을 방지하고, 전지시편(E)이 전해질에 균일하게 함침되도록 할 수 있다.

또한, 제1 고정부(310)와 제2 고정부(320) 중 적어도 어느 하나는, 안착홈(312) 내에 위치한 저장홈(316)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 저장홈(316)이 제1 고정부(310)에 형성된 경우, 저장홈(316)은 안착홈(312)의 표면에서 제1 고정부(310)의 두께 방향으로 인입되어 형성될 수 있다. 저장홈(316)은, 전해질 안내홈(314)을 따라 전해질이 안착부(312) 내로 과도하게 유입된 경우, 초과량의 전해질을 저장함으로써 전지시편(E)이 전해질에 직접 담궈지는 현상을 방지할 수 있다.

또한, 제1 고정부(310)와 제2 고정부(320) 중 적어도 어느 하나는, 저장홈(316) 내에 위치하는 배수홀(318)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 배수홀(318)이 제1 고정부(310)에 형성된 경우, 배수홀(318)은 저장홈(316)에 저장되는 전해질을 제1 고정부(310) 외부로 배출함으로써, 전해질의 높이가 일정수준 이하로 유지되도록 할 수 있다. 즉, 안착부(312) 내에 과도한 양의 전해질이 유입되더라도, 전해질의 높이는 배수홀(318) 이하로 유지될 수 있어, 전지시편(E)이 전해질에 직접 담궈지는 현상을 방지하고, 전지시편(E)이 모세관 현상에 의해 전해질에 함침될 수 있도록 할 수 있다.

한편, 도 5에서는 저장홈(316)과 배수홀(318)이 제1 고정부(310)에 형성된 예를 도시하고 있으나, 본 발명은 이에 한하지 않으며, 저장홈(316)과 배수홀(318)은 제2 고정부(320)에 형성되거나 또는 제1 고정부(310) 및 제2 고정부(320)에 모두 형성될 수 있다.

제1 고정부(310)와 제2 고정부(320)에 의해 고정되는 전지시편(E)는 양극(P), 음극(N) 및 양극(P)과 음극(N) 사이에 개재된 세퍼레이터(S)를 포함할 수 있으며, 양극(P)과 음극(N)은 각각 외장 지그(도 1의 110)의 제1 접속부(도 1의 11)와 제2 접속부(도 1의 13)에 전기적으로 연결되어, 외부 전원으로부터 전력을 공급받을 수 있다.

양극(P)은 양극 필름과 양극 필름 상에 도포된 양극 활물질층을 포함할 수 있다. 양극 활물질층은 양극 필름의 일면 또는 양면에 도포될 수 있다.

양극 필름은 알루미늄, 스테인레스강, 티탄, 은 또는 이들로부터 선택된 물질의 조합으로 형성된 금속일 수 있으며, 양극 활물질층은 양극 활물질, 바인더 및 도전제를 포함할 수 있다.

양극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 흡장 및 방출할 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 양극 활물질은 코발트산 리튬, 니켈산 리튬, 니켈 코발트산 리튬, 니켈 코발트 알루미늄산 리튬, 니켈 코발트 망간산 리튬, 망간산 리튬 및 인산철 리튬과 같은 리튬 전이금속 산화물, 황화 니켈, 황화 구리, 황, 산화철 및 산화 바나듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.

바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드, 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 비닐리덴플루오라이드/테트라플루로에틸린 코폴리머 등의 폴리비닐리덴플루오라이드계 바인더, 나트륨-카르복시메틸셀룰로오스, 리튬-카르복시메틸셀룰로오스 등의 카르복시메틸셀룰로오스계 바인더, 폴리아크릴산, 리튬-폴리아크릴산, 아크릴, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리부틸아크릴레이트 등의 아크릴레이트계 바인더, 폴리아미드이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리피롤, 리튬-나피온 및 스티렌 부타디엔 고무계 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.

도전제는 카본블랙, 탄소섬유 및 흑연과 같은 탄소계 도전제, 금속섬유와 같은 도전성 섬유, 불화카본 분말, 알루미늄 분말 및 니켈 분말과 같은 금속 분말, 산화아연 및 티탄산칼륨과 같은 도전성 휘스커, 산화티탄과 같은 도전성 금속 산화물 및 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.

음극(N)은 양극 필름과 양극 필름 상에 도포된 음극 활물질층을 포함할 수 있다. 음극 활물질층은 음극 필름의 일면 또는 양면에 도포될 수 있다.

음극 필름은 구리, 스테인레스강, 니켈, 티탄 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 음극 활물질층는 음극 활물질, 바인더 및 도전제를 포함할 수 있다.

음극 활물질은 리튬과의 합금화 또는 리튬의 가역적인 흡장 및 방출이 가능한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 음극 활물질은 금속, 탄소계 재료, 금속산화물 및 리튬금속질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.

금속은 리튬, 규소, 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 게르마늄, 주석, 납, 비소, 안티몬, 비스무트, 은, 금, 아연, 카드뮴, 수은, 구리, 철, 니켈, 코발트 및 인듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.

탄소계 재료는 흑연, 흑연 탄소섬유, 코크스, 메소카본 마이크로비즈(MCMB), 폴리아센, 피치계 탄소섬유 및 난흑연화성 탄소(hard carbon)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.

금속산화물은 리튬티탄산화물, 산화티탄, 산화몰리브덴, 산화니오븀, 산화철, 산화텅스텐, 산화주석, 비정질 주석복합산화물, 실리콘 모노옥사이드, 산화코발트 및 산화니켈로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.

바인더 및 도전제는 각각 양극 활물질층에 포함된 바인더 및 도전제와 동일한 것을 사용할 수 있다.

세퍼레이터(S)는 양극(P)과 음극(N)을 분리시켜 단락이 발생하는 것을 방지한다. 세퍼레이터(S)는 예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 폴리스틸렌(PS), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)의 공중합체(co-polymer)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 기재에 폴리비닐리덴 플로우라이드-헥사플로로프로필렌 공중합체(PVDF-HFP co-polymer)를 코팅함으로써 제조될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이와 같은 양극(P), 세퍼레이터(S) 및 음극(N)은 각각 코인 형상을 가질 수 있으며, 제1 고정부(310)와 제2 고정부(320)에 의해 위치가 고정된 다음에는, 고정부(300)의 외부로 돌출된 부분을 절단하여 절단면(C)을 형성할 수 있다. 절단면(C)은 제1 고정부(310)의 상면과 나란하게 형성되고, 커버(도 1의 120)의 광학창(도 1의 122)을 통해 외부에서 관찰될 수 있다.

한편, 절단면(C)은 전지시편(E)을 고정부(300)에 고정한 상태에서, 고정부(300) 외부로 돌출된 부분을 1차적으로 블레이드 커팅 한 후, 이온 빔으로 절단면(C)을 연마하여 형성할 수 있다.

이온 빔으로 절단면(C)을 연마하면 절단면(C)의 평균 거칠기가 200nm 이하로 형성될 수 있고, 양극(P)과 음극(N)의 단면이 형태학적으로 변형이 없는 균일한 단면을 얻을 수 있다. 따라서, 종래의 공초점형 현미경 대신 광학 현미경으로 전지시편(E)의 단면(C)을 관찰하더라도, 양극과 음극의 입자 형태, grain boundary, 크랙 등을 명확하게 구분할 수 있으며, 광학 현미경을 사용함에 따라 전지시편(E)에 전압 인가시 양극(P)과 음극(N)에 발생하는 변화 등을 시간 딜레이 없이 실시간으로 관찰할 수 있다.

이온 빔 연마는 저온에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 이온 빔 연마는 영하 150℃ 내지 0℃ 온도에서 수행될 수 있으며, 사용되는 이온은 아르곤, 산소, 갈륨, 네온, 크세논 등일 수 있다.

또한, 절단면(C)은 투명 코팅층에 의해 커버되어 보호될 수 있다. 투명 코팅층은 폴리우레탄, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리비닐부티랄, 실리카겔 및 폴리프로필렌 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이와 같은 투명 코팅층은 양극(P), 세퍼레이터(S) 및 음극(N)을 손상시키지 않는 온도에서 용융된 후, 절단면(C) 상에 도포됨으로써 형성될 수 있다.

도 7은 도 1의 전지 관찰용 지그를 사용하여 측정한 전지시편의 절단면을 도시한 단면도이다.

도 7은 전지시편(E)의 단면을 도시한 도로써, 전지시편(E)에 가해지는 전압에 따라 양극(P), 세퍼레이터(S) 및 음극(N)의 상태 변화를 가시화하여 도시하고 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 실제 이차 전지 내부에서 양극, 음극, 및 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체가 전해질에 함침되는 과정과 동일한 방식에 의해 전지시편(E)이 전해질에 함침되므로, 전지시편(E)은 실제 이차 전지의 내부 환경과 동일 또는 매우 유사한 조건에서 충전 및 방전이 이루어지고, 이에 따라 전지시편(E)은 실제 이차 전지와 동일 또는 매우 유사한 충전 및 방전 거동을 가질 수 있다.

또한, 전지시편(E)의 단면은 이온빔으로 연마됨에 따라 형태학적으로 왜곡 없는 균일한 단면을 가짐으로써, 도 7에 도시된 바와 같이 양극과 음극의 입자 형태를 명확하게 인지할 수 있고, 인가되는 전압에 따른 리튬 이온의 이동 등을 천연 색상의 변화를 통해 실시간으로 확인할 수 있다.

즉, 본 발명에 의하면 전지시편(E)의 충전 및 방전을 통해, 실제 이차 전지의 충전 및 방전시 이차 전지 내부에서 발생하는 리튬 덴드라이트, 스웰링 등과 같은 이차 전지의 성능에 직접적으로 관계를 가지는 인자들을 실시간으로 확인할 수 있으므로, 이들의 발생 시기, 발생 과정 등을 분석하고 이를 통해 이차 전지의 성능 향상을 도모할 수 있다.

이상에서는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 전지 관찰용 지그
110: 외장 지그
120: 커버
122: 광학창
112: 수용 공간
200: 내부 지그
210: 전해질 수용부
220: 전해질 주입홈
300: 고정부
310: 제1 고정부
312: 안착홈
314: 전해질 안내홈
316: 저장홈
318: 배수홀
320: 제2 고정부
E: 전극 시편

Claims

수용 공간을 구비한 외장 지그;
상기 수용 공간 내에 위치하고, 전해질 수용부를 포함하는 내부 지그;
상기 전해질 수용부에 삽입되고, 전지시편을 고정하는 고정부; 및
상기 외장 지그와 결합하여 상기 수용 공간을 밀봉하는 커버;를 포함하고,
상기 고정부는 상기 전지시편을 사이에 두고 서로 결합하는 제1 고정부와 제2 고정부를 포함하고,
상기 전지시편을 향하는 상기 제1 고정부의 제1 면과 상기 전지시편을 향하는 상기 제2 고정부의 제2 면 중 적어도 어느 하나는, 상기 전해질 수용부에 수용된 전해질을 상기 전지시편까지 안내하는 전해질 안내홈을 포함하는 전지 관찰용 지그.
제1항에 있어서,
상기 제1 면과 상기 제2 면 중 적어도 어느 하나는, 상기 전지시편이 안착하는 안착홈을 포함하는 전지 관찰용 지그.
제2항에 있어서,
상기 전해질 안내홈은, 상기 고정부의 하부 표면에서 상기 안착홈까지 연장된 전지 관찰용 지그.
제2항에 있어서,
상기 제1 고정부와 상기 제2 고정부 중 적어도 어느 하나는, 상기 안착홈 내에 위치한 저장홈을 더 포함하는 전지 관찰용 지그.
제4항에 있어서,
상기 제1 고정부와 상기 제2 고정부 중 적어도 어느 하나는, 상기 저장홈 내에 위치하는 배수홀을 더 포함하고,
상기 전해질 수용부에 주입된 전해질의 높이는 상기 배수홀 이하인 전지 관찰용 지그.
제1항에 있어서,
상기 내부 지그는, 상기 전해질 수용부와 연속적으로 이루어지고, 상기 내부 지그의 상면에서 상기 전해질 수용부의 바닥까지 연장된 전해질 주입홈을 더 포함하는 전지 관찰용 지그.
제1항에 있어서,
상기 내부 지그는, 폴리에테르에테르케톤을 포함하는 전지 관찰용 지그.
제1항에 있어서,
상기 내부 지그는, 상기 전해질 수용부의 바닥에 단차를 포함하고,
상기 고정부의 하단부는 상기 단차와 형합하는 전지 관찰용 지그.
제1항에 있어서,
상기 전지 관찰용 지그는, 상기 고정부의 위치를 고정하는 결합부를 더 포함하는 전지 관찰용 지그.
제9항에 있어서,
상기 제1 고정부의 상면은 상기 제2 고정부의 상면보다 높고,
상기 결합부는 상기 제2 고정부의 상면상에 위치하고 상기 내부 지그와 결합하는 전지 관찰용 지그.
제1항에 있어서,
상기 전지시편은 상기 제1 고정부의 상면과 나란한 절단면을 포함하는 전지 관찰용 지그.
제11항에 있어서,
상기 절단면은 투명 코팅층에 의해 커버된 전지 관찰용 지그.
제11항에 있어서,
상기 절단면의 평균 거칠기는 200nm 이하인 전지 관찰용 지그.
제1항에 있어서,
상기 외장 지그는 상기 수용 공간을 에워싸는 홈을 더 포함하고, 상기 홈에는 오링이 결합되는 전지 관찰용 지그.
제1항에 있어서,
상기 커버는 상기 고정부와 중첩하는 위치에 광학창을 포함하는 전지 관찰용 지그.
제1항에 있어서,
상기 전지시편은 양극, 음극 및 양극과 음극 사이의 세퍼레이터를 포함하고,
상기 외장 지그는 측면에 상기 양극 및 음극과 각각 전기적으로 연결된 제1 접속부와 제2 접속부를 포함하는 전지 관찰용 지그.
수용 공간을 구비한 외장 지그;
상기 수용 공간 내에 위치하고, 전해질 수용부를 포함하는 내부 지그; 및
상기 전해질 수용부에 삽입되고, 전지시편을 고정하는 고정부;를 포함하고,
상기 고정부는 상기 전지시편을 사이에 두고 서로 결합하는 제1 고정부와 제2 고정부를 포함하고,
상기 전지시편을 향하는 상기 제1 고정부의 제1 면과 상기 전지시편을 향하는 상기 제2 고정부의 제2 면 중 적어도 어느 하나는, 상기 전지시편이 안착하는 안착홈을 포함하고,
상기 제1 고정부와 상기 제2 고정부 중 적어도 어느 하나는 상기 안착홈 내에 위치한 저장홈을 포함하는 전지 관찰용 지그.
제17항에 있어서,
상기 제1 고정부와 상기 제2 고정부 중 적어도 어느 하나는 상기 저장홈 내에 위치하는 배수홀을 더 포함하고,
상기 전해질 수용부에 주입된 전해질의 높이는 상기 배수홀 이하인 전지 관찰용 지그.
제17항에 있어서,
상기 제1 면 및 상기 제2 면 중 적어도 어느 하나는, 상기 고정부의 저면에서 상기 안착홈까지 연장된 전해질 안내홈을 포함하는 전지 관찰용 지그.
제17항에 있어서,
상기 외장 지그와 결합하여 상기 수용 공간을 밀봉하는 커버를 더 포함하고,
상기 커버는 상기 고정부와 중첩하는 위치에 광학창을 포함하는 전지 관찰용 지그.