KR20180082785A - 단락 방지 부재를 포함하고 있는 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 원통형 전지셀의 제 1 전극단자가 위치하는 탑 캡 어셈블리와 제 2 전극단자가 위치하는 전지케이스 사이의 비딩부(beading portion)가 분리된 상태에서, 상기 원통형 전지셀의 전극전위를 측정하기 위한 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치로서, 상기 제 1 전극단자 또는 제 2 전극단자에 대한 전극전위를 측정하도록, 상기 제 1 전극단자 또는 제 2 전극단자에 연결되는 작업전극 연결부; 상기 작업전극 연결부에 연결된 전극단자를 제외한 원통형 전지셀의 나머지 전극단자에 연결되는 상대전극 연결부; 상기 작업전극 연결부에 연결된 전극전위의 상대 값을 측정하도록, 전극전위 측정용 전지회로를 형성하는 기준전극에 연결되는 기준전극 연결부; 상기 작업전극 연결부, 상대전극 연결부 및 기준전극 연결부에 연결되어, 작업전극 연결부에 연결된 전극의 전위를 측정하는 측정부; 및 상기 원통형 전지셀의 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉에 의한 단락을 방지하도록, 비딩부가 분리된 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에서, 상기 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스에 각각 접촉된 상태로 위치하는 단락 방지 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치를 제공한다.

Description

단락 방지 부재를 포함하고 있는 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치 {Device Comprising Member for Preventing Short-Circuit for Measuring Electrode Potential by Using Three Electrode System}
본 발명은 단락 방지 부재를 포함하고 있는 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 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, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있으며, 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극조립체 및 스택형 전극조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
또한, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
도 1에는 원통형 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 원통형 전지셀을 구성하는 전극조립체의 권취 전 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 1 및 2를 함께 참조하면, 원통형 전지셀(100)은 권취형 구조의 전극조립체(120)를 원통형의 전지케이스(130)에 수납하고, 전지케이스(130) 내에 전해액을 주입한 후에, 케이스(130)의 개방 상단에 전극 단자가 형성되어 있는 캡 어셈블리(140)를 결합하여 제작한다.
전극조립체(120)는 양극(121)과 음극(122), 및 분리막(123)을 차례로 적층하여 화살표 방향으로 둥근 형태로 권취하여 제조된다.
전극조립체(120)의 양극(121)은 및 음극(122)은 각각 일면에 부착되어 있는 양극 탭(121a) 및 음극 탭(122a)을 포함하고 있으며, 양극 탭(121a)과 음극 탭(122a)은 서로 대향하는 방향으로 돌출되어 있다.
따라서, 전극조립체(120)가 전지케이스(130)에 탑재되는 경우, 양극 탭(121a)과 음극 탭(122a)은 서로 대향하는 방향으로 돌출되며, 상세하게는, 양극 탭(121a)은 전지케이스(130)의 개방된 일면 방향으로 돌출된 상태에서, 전지케이스(130)의 개방된 일면에 결합되는 캡 어셈블리(140)에 연결되며, 이에 따라, 캡 어셈블리(140)의 일부가 양극단자로서 작용한다.
음극 탭(122a)은 전지케이스(130)의 개방된 일면에 대향하는 하면 방향으로 돌출되어 전지케이스(130)의 내면에 결합되며, 이에 따라, 전지케이스(130) 자체는 음극단자로서 작용한다.
한편, 새롭게 개발, 제조된 전지셀의 성능 확인 등을 위해서는 전지셀의 전극전위(electrode potential)를 측정하는 과정을 거치게 된다.
전극전위의 측정에는 기준전극(reference electrode), 작업전극(working electrode) 및 보조전극(potential electrode)으로 구성된 3 전극계 전극전위 측정방법이 주로 사용되고 있다.
도 3에는 도 1의 원통형 전지셀의 전극전위를 측정하는 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 도 1과 함께 참조하면, 전지셀(100)은 탑 캡 어셈블리(140)와 전지케이스(130) 사이의 비딩부가 분리되어 있으며, 전지셀(100)의 탑 캡 어셈블리(140)에 위치한 양극단자(121b)와 전지케이스(130)에 위치한 음극단자(122b)에 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치(300)가 연결되어 있다.
구체적으로, 전극전위를 측정하고자 소망하는 양극단자(121b)에는 전극전위를 측정하도록, 작업전극 연결부(310)가 연결되어 있고, 전지케이스(130)의 음극단자(122b)에는 상대전극 연결부(320)가 연결되어 있다.
기준전극 연결부(330)는 전극전위 측정용 전지회로를 형성하는 기준전극(301)에 연결되어 있다.
기준전극(301)은 전지를 구성하고 있는 전극이나 전기분해가 일어나고 있는 전극의 전위를 측정하기 위하여 당해 전극과 조합하여 전극전위 측정용 전지회로를 만드는데 사용하는 전극으로서, 전극전위의 상대 값을 측정할 때 전위의 기준이 된다.
작업전극 연결부(310), 상대전극 연결부(320) 및 기준전극 연결부(330)는 측정부(340)에 연결되어 있으며, 측정부(340)는 이러한 3전극 시스템을 통해, 양극단자(121b)의 전극전위를 측정한다.
그러나, 이러한 과정에서, 탑 캡 어셈블리(140)의 단부(141a)와 전지케이스(130)의 단부(131a)가 접촉되는 경우에는, 내부 단락에 발생할 수 있으며, 이로 인해, 전극조립체(120)의 화학적 물성 내지 성능이 변화할 수 있어, 정확한 전극전위의 측정이 불가능하다.
또한, 이러한 내부 단락에 의해 발생하는 불꽃 내지 비산물은 작업자의 안전을 저하시키는 위험 요소로 작용할 수 있어, 이러한 3전극 시스템을 이용한 전극전위의 측정이 매우 용이하지 않다.
특히, 이러한 3전극 시스템을 이용해 전지셀(100)의 전극전위를 측정하는 경우, 상기 문제점으로 인해 회로의 구성이 매우 어렵고, 이러한 문제점을 예방하기 위해, 탑 캡 어셈블리(140)와 전지케이스(130)를 분리하여 고정하는데 많은 시간이 소요되므로, 상기 전지셀(100)의 전극전위 측정이 지연되는 문제점도 있음은 물론이다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 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, 비딩부가 분리된 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에서, 상기 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스에 각각 접촉된 상태로 위치하는 단락 방지 부재를 포함하도록 구성됨으로써, 서로 상이한 극성이 위치한 탑 캡 어셈블리와 전지케이스가 직접 접촉함으로써 발생할 수 있는 내부 단락 및 이로 인한 전극조립체의 물성 내지 성능 저하를 방지할 수 있으며, 이에 따라, 전지셀의 전극전위를 보다 정확하게 측정해, 측정 신뢰성을 향상시킬 수 있는 동시에, 상기 내부 단락 시에, 발생하는 불꽃 내지 비산물로 인한 작업자의 안전성 저하의 문제점을 효과적으로 예방할 수 있고, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에 단락 방지 부재만을 개재한 상태에서, 안정적으로 전지셀의 전극전위를 측정할 수 있으므로, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스를 각각 별도로 분리하여 고정하는데 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극전위 측정 장치는,
원통형 전지셀의 제 1 전극단자가 위치하는 탑 캡 어셈블리와 제 2 전극단자가 위치하는 전지케이스 사이의 비딩부(beading portion)가 분리된 상태에서, 상기 원통형 전지셀의 전극전위를 측정하기 위한 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치로서,
상기 제 1 전극단자 또는 제 2 전극단자에 대한 전극전위를 측정하도록, 상기 제 1 전극단자 또는 제 2 전극단자에 연결되는 작업전극 연결부;
상기 작업전극 연결부에 연결된 전극단자를 제외한 원통형 전지셀의 나머지 전극단자에 연결되는 상대전극 연결부;
상기 작업전극 연결부에 연결된 전극전위의 상대 값을 측정하도록, 전극전위 측정용 전지회로를 형성하는 기준전극에 연결되는 기준전극 연결부;
상기 작업전극 연결부, 상대전극 연결부 및 기준전극 연결부에 연결되어, 작업전극 연결부에 연결된 전극의 전위를 측정하는 측정부; 및
상기 원통형 전지셀의 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉에 의한 단락을 방지하도록, 비딩부가 분리된 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에서, 상기 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스에 각각 접촉된 상태로 위치하는 단락 방지 부재;
를 포함하는 구조일 수 있다.
따라서, 서로 상이한 극성이 위치한 탑 캡 어셈블리와 전지케이스가 직접 접촉함으로써 발생할 수 있는 내부 단락 및 이로 인한 전극조립체의 물성 내지 성능 저하를 방지할 수 있으며, 이에 따라, 전지셀의 전극전위를 보다 정확하게 측정해, 측정 신뢰성을 향상시킬 수 있는 동시에, 상기 내부 단락 시에, 발생하는 불꽃 내지 비산물로 인한 작업자의 안전성 저하의 문제점을 효과적으로 예방할 수 있고, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에 단락 방지 부재만을 개재한 상태에서, 안정적으로 전지셀의 전극전위를 측정할 수 있으므로, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스를 각각 별도로 분리하여 고정하는데 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지케이스 내부에는 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 수납되어 있고;
상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스는 각각 제 1 전극단자와 제 2 전극단자를 형성하도록, 제 1 전극 탭 및 제 2 전극 탭에 의해, 전극조립체의 제 1 전극 및 제 2 전극과 각각 전기적으로 연결되어 있는 구조일 수 있다.
즉, 상기 전지셀은 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이의 비딩부만 분리된 상태로서, 상기 전지케이스 내에 위치한 전극조립체와 탑 캡 어셈블리 사이 및 상기 전극조립체와 전지케이스 사이의 전극 탭에 의한 전기적 연결은 분리되지 않은 상태이므로, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 전극단자에 작업전극 연결부 내지 상대전극 연결부를 각각 연결하는 경우, 상기 전극조립체와 전기적으로 연결됨으로써, 회로를 구성할 수 있으며, 이에 따라 전지셀의 전극전위를 보다 용이하고 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 상기 단락 방지 부재는 전해액에 대한 반응성이 없는 소재로 이루어진 구조일 수 있다.
앞서 설명한 바와 마찬가지로, 상기 단락 방지 부재는 원통형 전지셀의 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉에 의한 단락을 방지하도록, 비딩부가 분리된 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에서, 상기 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스에 각각 접촉된 상태로 위치할 수 있다.
만일, 상기 단락 방지 부재가 전해액에 대한 반응성이 있는 경우, 상기 비딩부가 분리된 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에 단락 방지 부재를 개재하더라도, 상기 전지케이스 내의 전해액에 의해 변형 내지 손상됨으로써,상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스가 직접 접촉해, 내부 단락을 유발할 수 있으므로, 소망하는 효과를 발휘하지 못할 수 있다.
따라서, 상기 단락 방지 부재는 전해액에 대한 반응성이 없는 소재로 이루어짐으로써, 상기 전해액에 의한 변형 내지 손상을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 전극전위 측정 과정에서 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉에 의해 발생하는 내부 단락을 효과적으로 방지할 수 있다.
이때, 상기 단락 방지 부재는 전해액에 대한 반응성이 없는 소재로서, 소망하는 구조적 안정성을 발휘할 수 있는 소재라면, 그 소재가 특별히 제한되는 것은 아니며, 상세하게는, 경제성, 취급의 용이성 등을 고려하였을 때, 테프론(teflon) 소재로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 단락 방지 부재는 평면상으로 비연속적인 원형 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 단락 방지 부재는 평면상 형상이 원통형 전지셀의 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스의 수평 단면 형상에 대응하는 구조로 이루어짐으로써, 일면 및 타면이 각각 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이의 단부에 최대로 접촉할 수 있으며, 이에 따라, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉에 의한 내부 단락의 발생을 용이하게 예방할 수 있다.
이러한 경우에, 상기 단락 방지 부재의 직경은 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스의 수평 단면상 직경을 기준으로 110% 내지 150%의 크기로 이루어진 구조일 수 있다.
만일, 상기 단락 방지 부재의 직경이 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스의 수평 단면상 직경을 기준으로 110% 미만의 크기로 이루어질 경우에는, 상기 단락 방지 부재의 평면상 크기가 지나치게 작아, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이의 절연 상태를 안정적으로 유지하지 못할 수 있다.
이와 반대로, 상기 단락 방지 부재의 직경이 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스의 수평 단면상 직경을 기준으로 150%를 초과하는 크기로 이루어질 경우에는, 상기 단락 방지 부재의 평면상 크기가 지나치게 커져, 취급이 용이하지 않고, 상기 단락 방지 부재의 불필요한 부위가 증가함으로써, 이를 포함하는 전극전위 측정 장치의 제조에 소요되는 비용이 증가할 수 있다.
또한, 상기 단락 방지 수단의 두께는 탑 캡 어셈블리의 높이를 기준으로 50% 내지 150%의 크기일 수 있다.
만일, 상기 단락 방지 수단의 두께가 상기 범위를 벗어나, 지나치게 얇을 경우에는, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이의 절연 상태를 안정적으로 유지하지 못할 수 있으며, 이와 반대로, 상기 단락 방지 수단의 두께가 상기 범위를 벗어나, 지나치게 두꺼울 경우에는, 상기 단락 방지 부재의 크기가 지나치게 커져, 취급이 용이하지 않고, 상기 탑 캡 어셈블리와 전극조립체 사이에 연결된 전극 탭이 분리 내지 절단됨으로써, 전극전위 측정을 위한 회로를 구성하지 못할 수 있는 문제점이 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 단락 방지 부재는,
전극조립체와 탑 캡 어셈블리를 전기적으로 연결하는 제 1 전극 탭이 위치하도록, 평면상 중앙 부위에 관통 구조로 천공된 전극 탭 관통공; 및
상기 전극 탭 관통공에 제 1 전극 탭이 삽입 및 위치하도록, 비연속 부위에 형성된 전극 탭 삽입부;
를 포함하는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 단락 방지 부재는 전극조립체와 탑 캡 어셈블리를 전기적으로 연결하는 제 1 전극 탭의 분리 내지 절단 없이, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에 용이하게 위치할 수 있다.
이때, 상기 전극 탭 관통공의 직경은 단락 방지 부재의 직경을 기준으로 10% 내지 90%의 크기일 수 있다.
만일, 상기 전극 탭 관통공의 직경이 단락 방지 부재의 직경을 기준으로 10% 미만의 크기일 경우에는, 상기 전극 탭 관통공의 직경이 지나치게 작아, 전극조립체와 탑 캡 어셈블리를 전기적으로 연결하는 제 1 전극 탭이 상기 전극 탭 관통공에 용이하게 위치하지 못하거나, 상기 제 1 전극 탭이 변형 내지 손상될 수 있다.
이와 반대로, 상기 전극 탭 관통공의 직경이 단락 방지 부재의 직경을 기준으로 90%를 초과하는 크기일 경우에는, 상기 단락 방지 부재의 크기에 비해, 전극 탭 관통공의 크기가 지나치게 커져, 비딩부에서 분리된 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 단부가 접촉하기 위한 단락 방지 부재의 일면 및 타면의 면적이 충분한 넓이로 형성되지 못할 수 있으며, 이로 인해, 비딩부에서 분리된 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 단부 사이에, 단락 방지 부재의 일면 및 타면이 아닌, 전극 탭 관통공이 위치하는 구조로 형성됨으로써, 상기 단락 방지 부재의 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 단부 사이의 직접적인 접촉을 안정적으로 방지하지 못할 수 있다.
또한, 평면상으로 상기 전극 탭 삽입부의 넓이는 단락 방지 수단의 넓이를 기준으로 10% 내지 50%의 크기일 수 있다.
여기서, 상기 전극 탭 삽입부의 넓이와 단락 방지 수단의 넓이는 평면상 넓이를 의미한다.
만일, 상기 전극 탭 삽입부의 넓이가 단락 방지 수단의 넓이를 기준으로 10% 미만의 크기일 경우에는, 상기 전극 탭 삽입부의 넓이가 지나치게 좁아, 전극조립체와 탑 캡 어셈블리를 전기적으로 연결하는 제 1 전극 탭이 용이하게 삽입될 수 없다.
이와 반대로, 상기 전극 탭 삽입부의 넓이가 단락 방지 수단의 넓이를 기준으로 50%를 초과하는 크기일 경우에는, 상기 전극 탭 삽입부의 넓이가 지나치게 넓어, 상기 제 1 전극 탭이 상기 전극 탭 삽이부를 통해 용이하게 이탈될 수 있으며, 이에 따라 상기 단락 방지 부재가 전극 탭 관통공 내에 위치한 제 1 전극 탭에 의해 안정적으로 고정될 수 없으므로, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에서 이탈됨으로써, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉을 방지할 수 없어, 이로 인한 내부 단락을 안정적으로 예방하지 못할 수 있다.
한편, 상기 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스에 각각 접촉되는 단락 방지 수단의 일면 및 타면에는, 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스의 분리된 단부가 각각 안착되도록, 내측으로 만입된 구조로 이루어진 제 1 안착 홈 및 제 2 안착 홈이 형성되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스의 분리된 단부는 단락 방지 수단의 일면 및 타면에 형성된 제 1 안착 홈 및 제 2 안착 홈에 안정적으로 안착된 상태를 유지할 수 있어, 상기 단락 방지 수단의 이탈 및 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉으로 인한 내부 단락의 발생을 효과적으로 예방할 수 있다.
이러한 경우에, 상기 제 1 안착 홈 및 제 2 안착 홈의 깊이의 합은 단락 방지 부재의 두께를 기준으로 10% 내지 90%의 크기일 수 있다.
만일, 상기 제 1 안착 홈 및 제 2 안착 홈의 깊이의 합이 단락 방지 부재의 두께를 기준으로 10% 미만의 크기일 경우에는, 상기 안착 홈들의 깊이가 지나치게 낮은 경우로서, 상기 단락 방지 수단의 이탈 및 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉으로 인한 내부 단락의 발생을 효과적으로 예방하지 못할 수 있다.
이와 반대로, 상기 제 1 안착 홈 및 제 2 안착 홈의 깊이의 합이 단락 방지 부재의 두께를 기준으로 90%를 초과하는 크기일 경우에는, 상기 제 1 안착 홈과 제 2 안착 홈 사이에서, 단락 방지 부재의 두께가 지나치게 얇은 경우로서, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 단부의 접촉 및 유동으로 인해, 상기 부위가 손상될 수 있고, 이에 따라, 상기 부위에서 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 단부가 접촉됨으로써, 내부 단락이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
또한, 상기 제 1 안착 홈 및 제 2 안착 홈의 깊이는 동일하거나 또는 서로 상이한 구조일 수 있으며, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 크기 및 제 1 전극 탭의 길이와 같은 다양한 요인에 의해 적절하게 조절되어 형성될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 본 발명은 상기 전극전위 측정 장치를 사용해, 원통형 전지셀의 전극전위를 측정하는 방법을 제공하는 바, 상기 방법은,
a) 원통형 전지셀의 탑 캡 어셈블리와 전지케이스를 분리하도록, 상기 원통형 전지셀의 비딩부를 절단하는 단계;
b) 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉에 의한 단락을 방지하도록, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에, 단락 방지 부재를 위치시키는 단계;
c) 상기 탑 캡 어셈블리의 제 1 전극단자 및 전지케이스의 제 2 전극단자 중에서, 전위를 측정하고 하는 전극단자에 작업전극 연결부를 연결하는 단계;
d) 상기 작업전극 연결부가 연결된 전극단자를 제외한 나머지 전극단자에 상대전극 연결부를 연결하는 단계;
e) 기준전극에 기준전극 연결부를 연결하는 단계; 및
f) 상기 분리된 원통형 전지셀 및 기준전극을 트레이에 담긴 전해액에 함침시키고, 작업전극 연결부에 연결된 전극단자의 전위를 측정하는 단계;
를 포함할 수 있다.
즉, 상기 전극전위 측정 장치는 원통형 전지셀의 각 전극단자들과 기준전극에 연결된 상태에서, 측정부를 제외한 나머지 부위와 원통형 전지셀이 전해액에 함침된 후, 상기 작업전극 연결부에 연결된 전극단자의 전위를 측정하는 구조일 수 있다.
이때, 상기 단락 방지 부재는 전해액에 대한 반응성이 없는 소재로 이루어짐으로써, 상기 전해액과의 반응으로 인한 변형 내지 손상을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이의 절연 상태를 보다 안정적으로 유지할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극전위 측정 장치는, 비딩부가 분리된 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에서, 상기 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스에 각각 접촉된 상태로 위치하는 단락 방지 부재를 포함하도록 구성됨으로써, 서로 상이한 극성이 위치한 탑 캡 어셈블리와 전지케이스가 직접 접촉함으로써 발생할 수 있는 내부 단락 및 이로 인한 전극조립체의 물성 내지 성능 저하를 방지할 수 있으며, 이에 따라, 전지셀의 전극전위를 보다 정확하게 측정해, 측정 신뢰성을 향상시킬 수 있는 동시에, 상기 내부 단락 시에, 발생하는 불꽃 내지 비산물로 인한 작업자의 안전성 저하의 문제점을 효과적으로 예방할 수 있고, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에 단락 방지 부재만을 개재한 상태에서, 안정적으로 전지셀의 전극전위를 측정할 수 있으므로, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스를 각각 별도로 분리하여 고정하는데 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 원통형 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 2는 도 1의 원통형 전지셀을 구성하는 전극조립체의 권취 전 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3은 도 1의 원통형 전지셀의 전극전위를 측정하는 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 5는 도 4의 단락 방지 부재의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 6은 도 4의 전극전위 측정 장치를 사용한 전극전위 측정 방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치(500)는 원통형 전지셀(400)에 연결되어 있다.
원통형 전지셀(400)은 탑 캡 어셈블리(440)와 전지케이스(430) 사이의 비딩부가 분리된 상태로서, 전지케이스(430) 내에는 전극조립체(420)가 수납되어 있다.
전극조립체(420)는 양극 탭(421a) 및 음극 탭(422a)에 의해 각각 탑 캡 어셈블리(440)와 전지케이스(430)에 연결되어 있으며, 이에 따라, 탑 캡 어셈블리(440)에는 양극단자(421b)가 위치하고, 전지케이스(430)에는 음극단자(422b)가 위치한다.
전극전위 측정 장치(500)는 작업전극 연결부(510), 상대전극 연결부(520), 기준전극 연결부(530), 측정부(540) 및 단락 방지 부재(550)를 포함하고 있다.
작업전극 연결부(510)는 원통형 전지셀(400)의 양극단자(421b)에 대한 전극전위를 측정하도록, 양극단자(421b)에 연결되어 있고, 상대전극 연결부(520)는 원통형 전지셀(400)의 나머지 음극단자(422b)에 연결되어 있다.
기준전극 연결부(530)는 작업전극 연결부(510)에 연결된 양극단자(421b) 전위의 상대 값을 측정하도록, 전극전위 측정용 전지회로를 형성하는 기준전극에 연결되어 있다.
측정부(540)는 작업전극 연결부(510), 상대전극 연결부(520) 및 기준전극 연결부(530)에 연결되어, 작업전극 연결부(510)에 연결된 전극의 전위를 측정한다.
비딩부가 분리된 원통형 전지셀(400)의 탑 캡 어셈블리(440)와 전지케이스(430) 사이에는 탑 캡 어셈블리(440)와 전지케이스(430)의 접촉에 의한 단락을 방지하기 위한 단락 방지 부재(550)가 개재되어 있다.
따라서, 단락 방지 부재(550)의 상면 및 하면에는 각각 탑 캡 어셈블리(440)와 전지케이스(430)의 단부가 접촉됨으로써, 상호간에 절연되어 있으며, 이에 따라, 원통형 전지셀(400)의 탑 캡 어셈블리(440)와 전지케이스(430)는 전극전위를 측정하기 위한 3전극 시스템을 구성하는 경우, 직접적인 접촉이 방지될 수 있으며, 이에 따른 내부 단락을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 5에는 도 4의 단락 방지 부재의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 5를 도 4와 함께 참조하면, 단락 방지 부재(550)는 평면상으로 일 방향 부위가 개방된 비연속적인 원형 구조로 이루어져 있다.
단락 방지 부재(550)는 전극 탭 관통공(551) 및 전극 탭 삽입부(552)를 포함하고 있다.
전극 탭 관통공(551)은 전극조립체(420)와 탑 캡 어셈블리(440)를 전기적으로 연결하는 양극 탭(421a)이 위치하도록, 평면상 중앙 부위에 관통 구조로 천공되어 있다.
전극 탭 관통공(551)의 직경(W2)은 단락 방지 부재(550)의 직경(W1)을 기준으로 약 35%의 크기로 이루어져 있다.
전극 탭 삽입부(552)는 전극 탭 관통공(551)에 양극 탭(421a)이 삽입 및 위치하도록, 비연속 부위에 형성되어 있으며, 내측으로부터 외측 방향으로 갈수록 폭(W3)이 점차 증가하는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 양극 탭(421a)은 전극 탭 삽입부(552)를 통해 전극 탭 관통공(551)으로 용이하게 삽입될 수 있는 반면에, 전극 탭 관통공(551)으로부터 전극 탭 삽입부(552)를 통해 외부로 용이하게 이탈되지 않아, 안정적인 고정 상태를 유지할 수 있다.
탑 캡 어셈블리(440) 및 전지케이스(430)에 각각 접촉되는 단락 방지 수단의 상면 및 하면에는, 탑 캡 어셈블리(440) 및 전지케이스(430)의 분리된 단부가 각각 안착되도록, 내측으로 만입된 구조로 이루어진 제 1 안착 홈(553) 및 제 2 안착 홈(554)이 형성되어 있다.
제 1 안착 홈(553) 및 제 2 안착 홈(554)의 깊이(H1, H2)는 서로 동일하며, 제 1 안착 홈(553) 및 제 2 안착 홈(554)의 깊이(H1, H2)의 합은 단락 방지 부재(550)의 두께(H3)를 기준으로 약 26%의 크기로 이루어져 있다.
도 6에는 도 4의 전극전위 측정 장치를 사용한 전극전위 측정 방법을 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 전지셀(400)의 양극단자(421b) 및 음극단자(422b)에는 각각 전극전위 측정 장치의 작업전극 연결부(510) 및 상대전극 연결부(520)가 연결되어 있으며, 기준전극(501)에는 기준전극 연결부(530)가 연결됨으로써, 전극전위 측정용 전지회로를 형성하고 있다.
트레이(610)에는 전해액(620)이 담긴 상태로 밀폐되어 있으며, 전극전위 측정 장치(500)의 측정부(540)를 제외한 작업전극 연결부(510), 상대전극 연결부(520), 및 기준전극 연결부(530)와 전지셀(400), 및 기준전극(501)이 전해액(620)에 함침된 상태에서, 작업전극 연결부(510)에 연결된 전지셀(400)의 양극단자(421b)에 대한 전극전위를 측정한다.
이하, 본 발명의 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
전지의 제조
긴 시트 형상의 양극, 음극 사이에 분리막 시트가 개재되도록 적층한 상태에서, 일 방향으로 권취한 구조의 전극조립체를 원통형 전지케이스에 삽입하고, 전해액을 함침시킨 후, 전지케이스에 탑 캡 어셈블리를 결합해 밀폐함으로써, 원통형 전지셀을 제조하였다.
<실시예 1>
상기 원통형 전지셀의 비딩부를 절단함으로써, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스를 분리하고, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에 단락 방지 부재를 개재한 상태에서, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 전극단자 부위에 전극전위 측정 장치의 작업전극 연결부 및 상대전극 연결부를 연결하였으며, 기준전극으로서, 리튬 박막에 기준전극 연결부를 연결함으로써, 도 4와 같은 전극전위 측정용 3전극 시스템을 구성하였다.
<비교예 1>
상기 원통형 전지셀의 비딩부를 절단함으로써, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스를 분리하고, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 전극단자 부위에 전극전위 측정 장치의 작업전극 연결부 및 상대전극 연결부를 연결하였으며, 기준전극으로서, 리튬 박막에 기준전극 연결부를 연결함으로써, 도 1과 같은 전극전위 측정용 3전극 시스템을 구성하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 구성된 3전극 시스템의 전극전위 측정 장치에서, 측정부를 제외한 나머지 구성과 전지셀을 트레이에 담긴 전해액에 함침시킨 상태에서, 양극단자의 전극전위를 측정하였다. 상기 측정은 실시예 1 및 비교예 1의 3전극 시스템에 대해, 각각 10개의 시스템들을 구성하여 실시하였으며, 이들 중에서 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉에 의한 내부 단락이 발생한 횟수를 하기 표 1에 나타내었다.
내부 단락이 발생한 시스템의 수량(EA)
실시예 1 0
비교예 1 4
표 1을 참조하면, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에 단락 방지 부재를 개재함으로써, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스를 절연시킨 실시예 1의 3전극 시스템의 경우, 단락 방지 부재를 별도로 포함하지 않는 비교예 1의 3전극 시스템에 비해 내부 단락이 발생한 수량이 감소한 것을 알 수 있다.
이는 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에 개재된 단락 방지 부재가 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 직접적인 접촉을 차단함으로써, 절연 상태를 안정적으로 유지할 수 있으며, 이에 따라, 상기 전극전위 측정 시에 내부 단락에 의해 발생할 수 있는 문제점을 예방할 수 있음을 나타낸다.
이상 본 발명의 실시예 및 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (14)

  1. 원통형 전지셀의 제 1 전극단자가 위치하는 탑 캡 어셈블리와 제 2 전극단자가 위치하는 전지케이스 사이의 비딩부(beading portion)가 분리된 상태에서, 상기 원통형 전지셀의 전극전위를 측정하기 위한 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치로서,
    상기 제 1 전극단자 또는 제 2 전극단자에 대한 전극전위를 측정하도록, 상기 제 1 전극단자 또는 제 2 전극단자에 연결되는 작업전극 연결부;
    상기 작업전극 연결부에 연결된 전극단자를 제외한 원통형 전지셀의 나머지 전극단자에 연결되는 상대전극 연결부;
    상기 작업전극 연결부에 연결된 전극전위의 상대 값을 측정하도록, 전극전위 측정용 전지회로를 형성하는 기준전극에 연결되는 기준전극 연결부;
    상기 작업전극 연결부, 상대전극 연결부 및 기준전극 연결부에 연결되어, 작업전극 연결부에 연결된 전극의 전위를 측정하는 측정부; 및
    상기 원통형 전지셀의 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉에 의한 단락을 방지하도록, 비딩부가 분리된 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에서, 상기 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스에 각각 접촉된 상태로 위치하는 단락 방지 부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지케이스 내부에는 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 수납되어 있고;
    상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스는 각각 제 1 전극단자와 제 2 전극단자를 형성하도록, 제 1 전극 탭 및 제 2 전극 탭에 의해, 전극조립체의 제 1 전극 및 제 2 전극과 각각 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단락 방지 부재는 전해액에 대한 반응성이 없는 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 단락 방지 부재는 테프론(teflon) 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 단락 방지 부재는 평면상으로 비연속적인 원형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 단락 방지 부재의 직경은 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스의 수평 단면상 직경을 기준으로 110% 내지 150%의 크기로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 단락 방지 수단의 두께는 탑 캡 어셈블리의 높이를 기준으로 50% 내지 150%의 크기인 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 단락 방지 부재는,
    전극조립체와 탑 캡 어셈블리를 전기적으로 연결하는 제 1 전극 탭이 위치하도록, 평면상 중앙 부위에 관통 구조로 천공된 전극 탭 관통공; 및
    상기 전극 탭 관통공에 제 1 전극 탭이 삽입 및 위치하도록, 비연속 부위에 형성된 전극 탭 삽입부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전극 탭 관통공의 직경은 단락 방지 부재의 직경을 기준으로 10% 내지 90%의 크기인 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 평면상으로 상기 전극 탭 삽입부의 넓이는 단락 방지 수단의 넓이를 기준으로 10% 내지 50%의 크기인 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스에 각각 접촉되는 단락 방지 수단의 일면 및 타면에는, 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스의 분리된 단부가 각각 안착되도록, 내측으로 만입된 구조로 이루어진 제 1 안착 홈 및 제 2 안착 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 안착 홈 및 제 2 안착 홈의 깊이의 합은 단락 방지 부재의 두께를 기준으로 10% 내지 90%의 크기인 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 안착 홈 및 제 2 안착 홈의 깊이는 동일하거나 또는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  14. 제 1 항에 따른 전극전위 측정 장치를 사용해, 원통형 전지셀의 전극전위를 측정하는 방법으로서,
    a) 원통형 전지셀의 탑 캡 어셈블리와 전지케이스를 분리하도록, 상기 원통형 전지셀의 비딩부를 절단하는 단계;
    b) 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉에 의한 단락을 방지하도록, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에, 단락 방지 부재를 위치시키는 단계;
    c) 상기 탑 캡 어셈블리의 제 1 전극단자 및 전지케이스의 제 2 전극단자 중에서, 전위를 측정하고 하는 전극단자에 작업전극 연결부를 연결하는 단계;
    d) 상기 작업전극 연결부가 연결된 전극단자를 제외한 나머지 전극단자에 상대전극 연결부를 연결하는 단계;
    e) 기준전극에 기준전극 연결부를 연결하는 단계; 및
    f) 상기 분리된 원통형 전지셀 및 기준전극을 트레이에 담긴 전해액에 함침시키고, 작업전극 연결부에 연결된 전극단자의 전위를 측정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 방법.
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