KR20190069596A - 전기화학 전지 품질을 평가하는 시스템 및 방법 - Google Patents

전기화학 전지 품질을 평가하는 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

전기화학 전지 내의 내부 고장을 측정하는 방법 및 시스템. 전기화학 전지 내의 내부 고장을 검출하는 방법은 제 1 전기화학 전지의 공통 단자와 제 2 전기화학 전지 사이의 전압차 또는 전압차의 변화율을 측정하는 것을 포함한다. 이러한 측정은 측정 시간이다. 제 1 전기화학 전지 또는 제 2 전기화학 전지가 이러한 측정에 기초하여 수락되거나, 제 1 전기화학 전지 또는 제 2 전기화학 전지는 전기화학 전지의 내부 고장의 측정에 기초하여 거절된다.

Description

전기화학 전지 품질을 평가하는 시스템 및 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 그 전체로서 원용에 의하여 본원에 통합되는, 2016 년 11 월 10 일에 출원된 미국 가특허출원 번호 제 62/420,053에 대한 우선권을 주장한다.
정부 후원에 대한 진술
본 명세서는 미국 미사일 방어국에 의해 수여된 계약 번호 HQ014715C8004에 따른 정부 지원을 받아 작성되었다. 정부는 본 발명에 분명한 권리를 가지고 있다.
본 발명은 일반적으로 전기화학 전지를 평가하는 것, 예컨대 하나 이상의 내부 고장의 존재 또는 부존재에 대해서 평가하는 것에 관한 것이고, 특히 전기화학 전지 내의 내부 단락 회로를 검출하기 위하여 전지를 평가하는 것에 관한 것이다.
리튬-이온 전지는 소비자 전자 제품으로부터 HEV/PHEV/EV 구동계까지의 광범위한 애플리케이션에서 전력원으로서 사용된다. 이러한 배터리 화학물질과 연관된 안전 위험에는 전지 내의 내부 단락 회로에 의해서 촉발되는 심각한 전지 고장 가능성이 있다. 이러한 안전성 문제가 발생할 가능성을 줄이기 위하여, 전지 제조사는 내부 단락과 같은 내부 고장을 나타낼 수 있는 비정상적으로 높은 자기-방전의 존재를 걸러내기 위해서, 수 일 또는 수 주의 기간 동안 전지가 안정 상태에서 유지되도록 허용되는 품질 제어 특징화(characterization) 프로토콜을 채용한다. 이러한 에이징 프로토콜은 전지가 조립된 직후에 공장에서 집행된다.
전지 품질을 평가하고 전지 성능을 감소시키는 것뿐만 아니라 드물게는 후속하는 심각한 전지 고장을 초래할 수 있는 내부 단락 회로를 걸러내기 위하여 에이징 단계가 현재 요구된다. 에이징 단계는 통상적으로, 에이징 기간 동안 단일 전지의 단자들 사이의 개방 회로 전압에서의 변화를 검사하는 것을 수반한다. 특정 레벨보다 큰 전압 강하를 보이는 셀을 거절될 수 있다. 내부 단락이 있다는 것을 표시할 수 있는 개방 회로 전압에서의 변화를 살펴보는 테스팅 방법은 상대적으로 민감하지 않고, 따라서, 내부 단락 회로를 명백하게 검출하려면 상당한 시간 기간(예를 들어, 통상적으로 7 내지 28 일)이 요구된다. 개방 회로 전압이 안정하면 전지에 큰 내부 단락 회로가 없다는 것을 나타내는 반면에, 자기-방전의 비정상적으로 높은 레이트 또는 내부 단락의 존재를 표시하기 위하여 일부 미리 결정된 임계보다 큰 개방 회로 전압의 감소가 취해진다.
검출될 수 있으려면, 내부 단락은 전지 전압 감쇄가 종래의 검출 프로세스를 사용한 검출 임계를 지나도록, 즉, 정상적인 단락이 없는 전지에서 발견되는 것보다 명백히 큰 전압 감쇄를 생성하도록 충분한 영향을 주어야 한다. 이러한 선별 프로세스는 시간이 많이 걸리고, 리튬-이온 전지의 제조의 총 사이클 시간을 대부분을 변함 없이 차지한다.
전기화학 전지 내의 내부 고장을 신속하고 효율적으로 검출하기 위한 시스템 및 선별 프로세스에 대한 필요성이 계속되고 있다. 내부 고장에 대한 선별은 테스트하는데 수 주 또는 수 개월이 걸릴 수 있고, 테스팅 프로시저는 전지의 전기 전위가 떨어지게 할 수 있다. 현재의 전기화학 전지 테스트 프로시저에 있는 문제점을 해결하기 위한 한 가지 방법은 두 개 이상의 전지들 사이의 전압차를 측정하여 내부 단락 회로, 자기-방전, 또는 다른 고장의 존재 또는 부존재를 결정하는 것이다. 본 발명의 시스템 및 방법은, 내부 단락 회로(들) 또는 배터리 내에서의 자기-방전의 수락불가능하게 높은 레이트의 존재를 식별하는 것을 포함하여 전지 품질을 평가하기 위하여 제공되고, 이들은 임의의 화학물질 및 임의의 용량의 전지에 적용가능하다. 본 발명의 시스템 및 방법은 내부 단락과 같은 전지 내의 내부 고장이 더 신속하게, 예컨대 채용된 종래의 방법의 기간의 1%가 요구되고 종래의 기법을 사용하는 것보다 더 큰 감도로 검출될 수 있게 한다.
일부 실시예들에서, 전기화학 전지 내의 하나 이상의 내부 고장을 검출하기 위한 방법은 제 1 전기화학 전지의 테스트 단자와 제 2 전기화학 전지의 테스트 단자 사이의 전압차 또는 전압차의 변화율을 측정하는 것을 포함하는데, 테스트 단자들은 동일한 극성을 가진다. 전압차 또는 전압차의 변화율은 본 명세서에서 측정 시간 또는 전압이 측정되는 시간이라고 불릴 수 있는 테스트 기간 동안 측정된다. 전압차 측정치에 기초하여, 제 1 전기화학 전지 또는 제 2 전기화학 전지가 수락된다. 전압차를 측정함으로써 전기화학 전지 내의 내부 고장이 결정되면, 그러한 전기화학 전지는 거절된다.
실시예들에서, 제 1 단자 및 제 1 반대 단자를 가지는 제 1 전기화학 전지; 제 2 단자 및 제 2 반대 단자를 가지는 제 2 전기화학 전지를 포함하는 전기화학 전지 내의 하나 이상의 내부 고장을 검출하기 위한 시스템이 제공된다. 제 1 단자 및 제 2 단자는, 제 1 단자 및 제 2 단자가 양극 또는 음극이라는 점에서 공통 극성을 가진다. 이러한 시스템은 선택적으로, 제 1 단자 및 제 2 단자가 선택적으로는 단일 버스에 공통 연결되는 전압 측정 디바이스를 더 포함한다. 제 1 반대 단자 및 제 2 반대 단자는 개방 회로를 포함하고; 전압 측정 디바이스는 제 1 반대 단자 및 제 2 반대 단자에 전기적으로 연결가능하거나 연결된다.
도면에 표시된 실시예들은 성질상 예시적인 것이고 청구항에 의해 규정되는 기술 요지를 한정하려는 것이 아니다. 예시적인 양태의 후속하는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 후속하는 도면과 함께 정독하면 이해될 수 있다:
도 1은 공통 연결된 음극 단자 및 개방-회로인 양극 단자를 가지는 여섯 개의 전지의 어레이의 예시이다;
도 2a는 여섯 개의 테스트 전지의 어레이 및 레퍼런스 전지를 예시하는데, 테스트 전지 1의 양극 단자의 전압이 레퍼런스 전지의 양극 단자에 대해서 측정되고, 레퍼런스 전지는 처음에는 실질적으로 내부 단락이 없는 것으로 선별된다;
도 2b는 여섯 개의 테스트 전지의 어레이 및 레퍼런스 전지를 예시하는데, 테스트 전지 2의 양극 단자의 전압이 레퍼런스 전지의 양극 단자에 대해서 측정되고, 레퍼런스 전지는 처음에는 실질적으로 내부 단락이 없는 것으로 선별된다;
도 3은 본 명세서에서 기술되는 방법 및 시스템을 활용한 그래프인데, 두 개의 상용 전지의 음극 단자가 연결되고 고-분해능 전압계가 전지의 양극 단자들 양단에 연결되며, 결과적으로 얻어지는 데이터가 시험들에 대해서 도시되고, 내부 단락을 시뮬레이션하는 부하 저항은 125kΩ, 250kΩ, 500kΩ, 및 1MΩ이고 전지들의 쌍에 대한 무단락 조건이 맨 밑의 궤적이다;
도 4는 수집되고 도 3에 도시된 바와 같은 데이터의 그래프인데, 각각의 궤적에 대한 기울기는 단락 저항의 함수로서, 그리고 log(기울기) 대 log(단락 저항)의 선형 근사로서 표시된다;
도 5는 여덟 개의 상용 전지에 대한 차분 전압을 시간의 함수로서 측정하는 그래프이고, 160 분에 100,000 옴 저항이 전지 D에 배치되어 내부 단락을 시뮬레이션한다;
도 6은 선별될 개별 전지의 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은 레퍼런스 전지에 대한 차분 전압을 측정하는 그래프이다;
도 7a는 제조사 A로부터 입수된 6 개의 전지의, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 방법을 사용하여 측정되는 차분 전압을 시간의 함수로서 예시하고, 전지 F 내에 내부 고장이 있음을 예시한다;
도 7b는 제조사 B로부터 입수된 6 개의 전지의, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 방법을 사용하여 측정되는 차분 전압을 시간의 함수로서 예시하고, 실질적으로 내부 단락이 없는 전지와 연관되면 시간이 지남에 따라서 차분 전압에 낮은 변화를 보여준다; 그리고
도 8은 시간의 함수인 전지 전압의 그래프이고, 전지 전압은 상온에서 보통 적은 요동을 가지고 증가하고 감소한다.
도면에 표시된 실시예들은 성질상 예시적인 것이고 청구항으로만 한정하려는 것이 아니다. 더욱이, 도면의 개별적인 특징들은 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 고려할 경우 더 온전하게 명백해지고 이해될 것이다.
후속하는 설명은 성질상 예시적인 것일 뿐이고, 본 발명, 그 적용예, 또는 용법의 범위를 한정하려는 것이 아니며, 이들은 당연히 변할 수 있다. 상세한 설명은 본 명세서에 포함된 비한정적인 정의 및 용어와 관련하여 제공된다. 이러한 정의 및 용어는 본 발명의 범위와 실시를 한정하는 역할을 하도록 설계된 것이 아니고, 오직 예시하고 설명하기 위해서만 제공된다. 방법 또는 시스템이 개별적인 단계들의 정렬로서 또는 특정한 재료를 사용하여 설명되지만, 시스템 내의 단계 또는 컴포넌트는 상세한 설명이 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 것처럼 많은 방식으로 정렬된 다수의 부분 또는 단계를 포함할 수 있도록 상호 교환가능하다는 것이 이해된다.
비록 "제 1", "제 2", "제 3" 등의 용어가 다양한 구성 요소, 컴포넌트, 영역, 계층 및/또는 섹션을 기술하기 위하여 본 명세서에서 사용될 수도 있지만, 이러한 구성 요소, 컴포넌트, 영역, 계층 및/또는 섹션은 이러한 용어에 의하여 한정되어서는 안 된다는 것이 이해될 것이다. 이러한 용어들은 하나의 구성 요소, 컴포넌트, 영역, 계층 또는 섹션을 다른 구성 요소, 컴포넌트, 영역, 계층 또는 섹션과 구별하기 위해서 사용되는 것 뿐이다. 따라서, 다음 문단들에서 논의되는 "제 1 구성 요소", "컴포넌트", "영역", "계층" 또는 "섹션"은 본 명세서의 교시 내용으로부터 벗어나지 않으면서 제 2(또는 다른) 구성 요소, 컴포넌트, 영역, 계층 또는 섹션이라고 불릴 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, 단수 형태인 "하나" "하나의" 및 "그것"은 문맥상 복수가 아님이 명백하게 드러나지 않는 한, "적어도 하나"를 포함하는 복수형들을 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때, "및/또는"이라는 용어는 나열된 연관 아이템들의 하나 이상 중 임의의 조합 그리고 모든 조합을 포함한다. 더 나아가, 용어 "포함한다" 및/또는 "포함하는"이 본 명세서에서 사용될 때, 이것은 진술된 피쳐, 영역, 정수(integers), 단계, 동작, 구성 요소, 및/또는 컴포넌트들의 존재를 특정하는데, 그렇지만 하나 이상의 다른 피쳐, 영역, 정수, 단계, 동작, 구성 요소, 컴포넌트, 및/또는 그것의 그룹의 존재 또는 추가를 방해하지 않는다. 용어 "또는 이들의 조합"은 앞선 원소들 중 적어도 하나를 포함하는 조합을 의미한다.
달리 정의되지 않으면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들(기술적 용어 및 과학적 용어)은 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되는 것과 같은 용어들이 관련 기술 분야와 본 발명의 문맥에서의 그들의 의미와 일관되는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하고, 본 명세서에서 그러하다고 명백하게 정의되지 않는 한 이상적이거나 너무 형식적인 의미로 해석되지는 않을 것이라는 점이 더 이해될 것이다.
본 명세서에서 사용될 때 "차분 전압"이라는 용어는 동일한 극성의 단자에서 측정된 제 1 전지와 제 2 전지 사이의 전압의 차이로서 정의된다.
전기화학 전지의 내부 고장을 측정하기 위한 시스템의 실시예가 이제 도 1을 참조하여 설명될 것이다. 하나 이상의 실시예에 따르면, 예시적인 시스템은 전기화학 전지의 하나 이상의 내부 고장을 측정하도록 구성된다. 시스템(100)은 전지들인 전지 1 내지 전지 6의 어레이(50)를 보여준다. 전지 1은 제 1 단자(41) 및 제 1 반대 단자(31)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 제 1 단자(41)는 음극이고 제 1 반대 단자(31)는 양극이다. 다른 실시예들에서, 제 1 단자(41)는 양극이고 제 1 반대 단자(31)는 음극이다.
어레이(50) 내의 전기화학 전지 각각은 양극 및 음극 단자를 가진다. 음극 단자는 총괄하여 음극 단자(41, 42, 43, 44, 45, 및 46)라고 불릴 수 있다. 또는 단자(예를 들어, 음극 단자)는 제 1 단자(41), 제 2 단자(42), 제 3 단자(43), 제 4 단자(44), 제 5 단자(46), 및 제 6 단자(46)라고 불릴 수 있다. 양극 단자는 총괄하여 양극 단자(31, 32, 33, 34, 35, 및 36)라고 불릴 수 있다. 또는, 반대 극성(예를 들어, 양극 단자)을 가지는 단자는 제 1 반대 단자(31), 제 2 반대 단자(32), 제 3 반대 단자(33), 제 4 반대 단자(34), 제 5 반대 단자(36), 및 제 6 반대 단자(36)라고 불릴 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 시스템(100)은 공통(102) 연결되는 음극 단자(41, 42, 43, 44, 45, 및 46) 및 개방-회로(101) 상태인 양극 단자(31, 32, 33, 34, 35, 및 36)를 포함한다. 전압 측정 디바이스(20)는 회로(10)를 통해 제 1 단자(31) 및 제 2 단자(32)에 전기적으로 연결가능하거나 연결된다. 제 1 단자(31) 및 제 2 단자(32)는, 단자들이 양극 또는 음극이라는 점에서 동일한 극성을 가진다. 시스템(100)은 전압 측정 디바이스(20)를 통해 전압차를 검출한다. 이러한 전압차가 시간 기간에 걸쳐서 추적될 수 있다. 일부 실시예들에서, 어레이(50) 중 임의의 두 개의 전지는 회로(10)를 통해서 전기적으로 연결되거나 연결가능할 수 있다. 예를 들어, 전지 2는, 제 2 단자(42) 및 제 5 단자(45)가 회로(10)를 통해서 전기적으로 연결된다는 점에서 전지 5에 연결될 수 있다. 전압차 또는 전압의 변화율은 테스트 어레이(50) 내의 임의의 두 개의 전지들 사이에서 얻어질 수 있고 인접한 전지들로 한정되지 않는다.
일부 실시예들에서, 본 발명에 따른 시스템 및 방법은 레퍼런스 전지를 활용한다. 레퍼런스 전지를 선택적으로 사용함으로써, 시스템은 125,000 옴 부하(선택적으로 시뮬레이션된 내부 단락 또는 실제 내부 단락의 측정임)에 기인한 이례적인 자기-방전을, 종래의 방법을 사용하는 경우의 약 14 일과 비교하여 약 15 분 내에 검출할 수 있다. 선별하기 전에, 레퍼런스 전지는 선택적으로 테스트되고, 실질적으로 내부 단락이 없다고 결정되거나, 또는 알려진 레벨의 내부 단락을 가진다고 결정된다. 더 나아가, 이러한 방법에서 표준 레퍼런스 전지를 사용하면 1,000,000 옴의 시뮬레이션된 단락을 한 시간 이내에 검출할 수 있었다. 이러한 높은 저항의 셀 내부 고장은 종래의 방법에 의해서는 검출되지 않는다.
전기화학 전지의 하나 이상의 내부 고장의 존재 또는 부존재를 측정하기 위한 시스템의 실시예들이 이제 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명될 것이다. 하나 이상의 실시예에 따르면, 시스템의 예시적인 실시예는 전기화학 전지의 내부 고장을 측정하도록 구성될 수 있다. 시스템(200)은 레퍼런스 전지 및 전지 1 내지 전지 6을 포함하는 전지들의 어레이(50)를 보여주는데, 음극 단자(41, 42, 43, 44, 45, 및 46)는 공통 연결되고(102), 양극 단자(31, 32, 33, 34, 35, 및 36)는 개방-회로(101)와 전압 측정 디바이스(20)에 연결된다. 도 2a에서, 전압 측정 디바이스(20)는 레퍼런스 전지의 레퍼런스 단자(30) 및 제 1 단자(31)에 회로(10)를 통하여 전기적으로 연결되거나 전기적으로 연결가능하다. 도 2b에서, 전압 측정 디바이스(20)는 레퍼런스 전지의 레퍼런스 단자(30) 및 제 2 단자(32)에 회로(10)를 통하여 전기적으로 연결되거나 전기적으로 연결가능하다. 도 2a는 회로(10)가 레퍼런스 전지 및 전지 1을 연결하는 것을 예시하고, 도 2b는 회로(10)가 레퍼런스 전지 및 전지 2를 연결하는 것을 예시하지만, 각각의 개별 전지도 회로(10)를 통해 레퍼런스 전지에 연결될 수 있다. 도 2a 및 도 2b에서, 시스템(200)은 전지 1 내지 전지 6의 양극 단자(31, 32, 33, 34, 35, 및 36) 중 하나와 레퍼런스 전지의 양극 단자(30) 사이의 전압차를 테스트한다. 도 2a 및 도 2b에서 레퍼런스 전지를 사용하는 것은 오직 예시의 목적을 위한 것이라는 것이 이해된다. 이러한 프로세스가 어떠한 전지도 레퍼런스 전지가 아닌 두 개의 전지들 사이에서 수행될 수 있기 때문에, 레퍼런스 전지는 선택적이고 필수적이지 않다.
다른 실시예들에서, 전지 1 내지 전지 6의 양극 단자(31, 32, 33, 34, 35, 및 36)는 함께 버스에 연결되거나 공통(102)으로 연결될 수 있고, 음극 단자(41, 42, 43, 44, 45, 및 46)가 개방 회로(101) 상태일 수 있다. 전압 측정 디바이스(20)는 음극 단자(41, 42, 43, 44, 45, 및 46) 중 두 개 양단에 회로(10)를 통해서 연결되어 전술된 바와 같이 내부 단락 회로의 존재를 검출한다.
하나 이상의 실시예에서, 시스템(200)은 공지된 상태인, 예컨대 내부 고장이 없다고 알려지거나 특정 타입 또는 크기의 내부 고장을 포함하는 것으로 알려진 적어도 하나의 레퍼런스 전지를 포함한다. 시스템(200)에서, 어레이(50) 내의 전지 1 내지 전지 6 중 하나 또는 두 개 이상이 레퍼런스 전지와 비교된다. 일부 실시예들에서, 필수적인 것은 아니지만, 레퍼런스 전지 및, 전지 1 내지 전지 6 중 하나인 테스트 전지는 테스트 이전에 실질적으로 동일한 용량, 화학물질, 및 실질적으로 동일한 단자 전압을 가진다. 일부 실시예들에서, 레퍼런스 전지는, 예를 들어 전지의 안정한 개방 회로 전압을 연장된 시간 기간, 예컨대 6 달 동안 관찰함으로써, 하나 이상의 방법을 사용한 종래의 결정에 의해서, 임의의 검출가능한 단락 또는 다른 내부 고장이 없다고 알려지게 된다.
하나 이상의 실시예에서, 레퍼런스 전지는 레퍼런스 전지가 안정한 전압 레퍼런스를 제공하는 정도까지 정량화될 수 있다. 예를 들어, 레퍼런스 전지가 6 달의 기간 동안 1 mV의 개방 회로 전압의 강하를 보여주고, 레퍼런스 전지가 1 mV의 전압 변화가, 예를 들어 0.1%의 충전 상태의 변화에 대응한다고 결정하도록 특징지어진 경우, 용량이 2.6 Ah인 전지에 대하여 1 mV의 손실은 6 달 기간 내의 0.026 Ah의 방전, 또는 0.026 Ah/4320 h=6 μA의 전류에 대응한다. 따라서, 레퍼런스 전지는 평균 값으로 6 μA의 내부 단락을 가지는 것으로 결정될 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 프로세스는 전압차 또는 전압차의 변화율을 측정하여 전기화학 전지의 내부 고장을 결정하기 위해서, 도 1의 시스템(100)에 의해 예시되는 것처럼 어레이(50)에 수행된다. 하나의 극성의 전지 단자 중 전부 또는 일부(예를 들어, 음극 단자(41, 42, 43, 44, 45, 및 46))는 공통(102)으로 연결되는 반면에 반대 극성의 단자들 전부인 양극 단자(31, 32, 33, 34, 35, 및 36)는 연결되지 않거나 개방 회로(101) 상태이다. 전압 측정 디바이스(20)는, 전압차 또는 전압차의 변화율이 측정되는 측정 시간 동안에 회로(10)를 통해서 전지 1의 양극 단자(31)와 전지 2의 양극 단자(32) 사이에 전기적으로 연결되거나 전기적으로 연결가능하다. 일 예로서, 이러한 측정 시간 동안, 전지 1의 양극 단자(31)와 전지 2의 양극 단자(32) 사이의 전압차가 모니터링되고, 그러한 전압차의 변화율에 대해서 결정된다. 일부 실시예들에서, 프로세스는 전압 측정 디바이스가 전지 2의 양극 단자(32)와 전지 3의 양극 단자(33)에 연결된 상태로 반복되고, 그 뒤에는 전지 3의 양극 단자(33)와 전지 4의 양극 단자(34)에 연결되는 식으로 전지들의 각각의 인접한 쌍이 측정될 때까지 반복된다. 내부 단락이 있다는 것은 전지가 그룹 내의 다른 전지에 비하여 더 크게 음의 값이 되는 것을 나타냄으로써 표시된다. 측정은 전지 2 내지 전지 6의 각각의 양극 단자와 전지 1 사이의 전압을 측정함으로써(즉, 전지 2의 양극 단자 대 전지 1을 측정한 후, 전지 3 대 전지 1을 측정하고, 그 후에 전지 4 대 전지 1을 측정하는 식으로 측정함) 수행될 수도 있다.
다른 실시예들에서, 전지 1 내지 전지 6의 모든 음극 단자(41, 42, 43, 44, 45, 및 46)를 연결하거나 버스연결(bussing)하고 양극 단자들 사이의 전압차를 측정하는 대신에, 전지 1 내지 전지 6의 양극 단자(31, 32, 33, 34, 35, 및 36) 모두가 공통(102)에 연결되고 버스연결되며 전지 1 내지 전지 6의 음극 단자(41, 42, 43, 44, 45, 및 46) 사이에 회로(10)를 형성함으로써 전압이 다르게 측정될 수 있다면, 이러한 시스템 및 방법이 동일하게 적용가능하다는 것이 이해될 수 있다. 측정된 전압의 전기 응답은, 내부 단락이 있는 테스트 전지의 음극 단자가 단락이 없는 전지의 음극 단자에 비하여 점점 큰 양의 값이 될 것이라는 점에서 상보적일 것이다.
하나 이상의 실시예에서, 테스트 어레이(50)는 적어도 두 개의 전지를 포함한다. 전지의 최대 개수는 구체적으로 한정되지 않는다. 일부 실시예들에서, 전지의 개수는 2 내지 1000 개이거나, 그 사이의 임의의 개수 또는 범위이다. 테스트 어레이는 2 개, 3 개, 4 개, 5 개, 6 개, 7 개, 8 개, 9 개, 10 개, 또는 10 개 보다 많은 전지를 선택적으로 포함한다. 도 1은 여섯 개의 전지를 가지는 어레이를 예시하고, 도 2a 및 도 2b는 일곱 개의 전지를 가지는 어레이를 예시한다.
본 명세서에서는 전기화학 전지, 예컨대 배터리 또는 배터리 시스템 내에 채용된 전지 내의 내부 결함을 검출하기 위한 방법이 설명된다. 이러한 방법은, 공통으로 연결된 각각의 전지의 동일한 전기적 극성의 제 1 단자 및 개방-회로 상태인 각각의 전지의 반대 전기적 극성의 제 2 단자를 가지는, 테스트 어레이 내에 배열된 두 개 이상의 전지를 활용한다. 이러한 방법은 전압 측정 디바이스를 제 2 단자의 쌍들 사이에 연결하는 것과 측정 시간 동안 개방-회로 단자들 사이의 전압차 또는 전압차의 변화율을 측정하는 것을 포함한다. 전압차가 시간이 지남에 따라서, 선택적으로 제 2 전지에 대한 제 1 전지의 미리 결정된 임계보다 크게 증가하면 제 1 전지 내에 고장이 있다는 것을 표시한다.
실시예들에서, 이러한 방법은 측정 시간 동안 적어도 두 개의 전지의 전압 또는 전압의 변화율을 측정하는 것을 포함한다. 측정 시간은 선택적으로는 1 분 내지 5 일이다. 일부 실시예들에서, 측정 시간은 24 시간 이하, 선택적으로는 12 시간 이하, 선택적으로는 10 시간 이하, 선택적으로는 9 시간 이하, 선택적으로는 8 시간 이하, 선택적으로는 7 시간 이하, 선택적으로는 6 시간 이하, 선택적으로는 5 시간 이하, 선택적으로는 4 시간 이하, 선택적으로는 3 시간 이하, 선택적으로는 2 시간 이하, 선택적으로 한 시간 이하이다. 일부 실시예들에서, 측정 시간은 1 분 내지 60 분, 선택적으로는 10 분 내지 60 분, 선택적으로는 20 분 내지 60 분, 선택적으로는 30 분 내지 60 분이다. 측정 시간이 수 일, 예를 들어 5 일 이하이면, 테스트 쓰루풋에 있어서 종래의 방법보다 현저한 개선이 이루어진다.
하나 이상의 실시예에서, 임의의 두 개의 전지들 사이의 측정은 다수의 전압 측정 디바이스를 사용하여 동시에 수행될 수 있고, 또는 다수의 전지 단자들 사이에서 다중화된 하나의 전압 측정 디바이스를 활용하여 고속으로 연속 수행된다. 본 명세서에서 사용될 때 "고속"이라는 용어는 하나의 측정의 시작으로부터 제 2 측정의 시작까지의 시간이 5 초 이하인 것을 기술하도록 사용된다. 일부 실시예들에서, 하나의 측정의 시작으로부터 연속 측정의 시작까지의 시간은 1 초보다 짧고, 선택적으로는 1초 이하이다.
본 명세서에 있는 실시예 중 임의의 하나에 따른 방법을 구현하면, 6 μA(예를 들어)보다 적은 내부 단락을 가진 전지는 그 양극 단자 대 레퍼런스 전지의 양극 단자 사이의 전압차가 시간에 따라 증가하는 것을 나타낼 수 있다. 테스트 전지가 존재한다고 해도 레퍼런스 전지보다 더 낮은 크기의 내부 단락을 가지기 때문에, 테스트 전지와 레퍼런스 전지 사이의 전압차는 시간에 따라 증가한다. 테스트 전지가 6 μA보다 큰 내부 단락을 가진다면, 테스트 전지의 양극 단자와 레퍼런스 전지의 양극 단자 사이의 전압은 레퍼런스 전지의 양극 단자가 테스트 전지에 비해 점점 큰 양수가 되도록 변할 것이다.
내부 고장, 선택적으로는 단락 또는 자기-방전의 존재 또는 부존재를 검출하는 단계는, 두 개의 전기화학 전지 사이의 차분 전압의 존재 또는 부존재 또는 차분 전압의 변화율을 검출함으로써 수행되는데, 여기에서 차분 전압은 선택적으로는 1 밀리볼트(mV) 미만이거나 차분 전압의 변화율이 시간 당 0.1 마이크로볼트(V/hr)이다. 측정 시간의 끝에서 전압차를 측정할 때, 전압차는 선택적으로는 900 마이크로볼트(V) 미만, 선택적으로는 800 V 미만, 선택적으로는 700 V 미만, 선택적으로는 600 V 미만, 선택적으로는 500 V 미만, 선택적으로는 400 V 미만, 선택적으로는 300 V 미만, 선택적으로는 200 V 미만, 선택적으로는 100 V 미만, 선택적으로는 50 V 미만, 선택적으로는 10 V 미만, 선택적으로는 1 V 미만이다. 차분 전압의 변화율을 측정할 때, 측정 시간 동안의 검출 기울기가 결정될 수 있는데, 여기에서 검출 기울기는 선택적으로는 0.1 V/hr 미만, 선택적으로는 0.05 V/hr 미만, 선택적으로는 0.04 V/hr 미만, 선택적으로는 0.03 V/hr 미만, 선택적으로는 0.02 V/hr 미만, 선택적으로는 0.01 V/hr 미만이다. 차분 전압의 변화율을 검출하기 위한 측정 시간은 선택적으로는 2 시간 이하, 선택적으로는 1 시간 이하, 선택적으로는 30 분 이하, 선택적으로는 20 분 이하, 선택적으로는 10 분 이하이다.
실시예들에서, 전압차 또는 전압차의 변화율 측정은 전압 측정 디바이스(20)를 사용하여 이루어진다. 임의의 적합한 전압 측정 디바이스가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전압 측정 디바이스(20)는 당업계에서 인식되는 바와 같은 고분해능 전압 측정 디바이스이다. 고분해능 전압 측정 디바이스의 예에는 선택적으로는 서브-마이크로볼트 범위, 선택적으로는 서브-나노볼트 범위에서의 전압 분해능이 가능한 디바이스가 있다. 하나 이상의 실시예에서, 전압 측정 디바이스(20)는 1 마이크로볼트 또는 1 마이크로볼트 미만의 분해능을 가지는 고분해능 전압 측정 디바이스이다. 이러한 전압 측정 디바이스의 예에는 휴렛-패커드(Hewlett-Packard) HP34401A 멀티미터(1 마이크로볼트 분해능) 및 케이슬리(Keithley) DMM7510 멀티미터(10 나노볼트 분해능)가 있다.
전술된 바와 같은 프로세스로부터 극히 높은 감도를 초래하는 여러 중요한 속성들이 생긴다. 전압 측정 디바이스(20)는 상대적으로 작은 전압, 수 mV 이하만을 측정한다. 일부 실시예들에서, 본 발명의 방법은 선택적으로 모든 전지가 동일하거나 실질적으로 동일한 충전 상태에 있는 상태로 수행되고, 따라서 테스트 어레이(50) 내의 각각의 전지는 유사한 전압 출력을 제공한다. 전압 측정 디바이스의 분해능 수준과 무관하게, 전압 측정 디바이스는 전체적으로 그러한 작은 측정 범위에 집중될 수 있다. 두 개의 전지의 두 개의 전기적으로 공통인(예컨대 양극 또는 음극) 단자들 사이의 전압차의 측정은 단순한 전지 전압, 즉 동일한 전지의 양극-음극 전압의 측정보다 훨씬 더 높은 감도를 제공할 수 있다. 고성능 전압계는 1 밀리볼트(mV) 풀 스케일에서 두 배 내지 네 배 더 큰 전압 측정 분해능을 제공할 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 전압 측정 디바이스(20)는, 나노볼트(nV) 미만의 범위인 전압 측정 분해능을 전달할 수 있는, 1 내지 2 mV의 최대 풀-스케일 눈금을 위해 설계된 전압 측정 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 2 mV 풀 스케일 측정에서의 16 비트의 유효 측정 데이터(업계에서 "노이즈"라고 간주되는 것보다 높음)는 31 피코볼트(pV) 분해능에 대응한다. 개별 전지의 전압에 있는 매우 작은 변화는 매우 높은 저항과 연관되고, 저전류 단락은 높은-분해능 장비의 측정 분해능보다도 높다. 이에 반해, 전체 개별 전지 전압을 측정하려면, 예를 들어 5-10 볼트(V) 풀 스케일이 요구된다. 이러한 목적에 맞도록 설계된 전압 측정 시스템은 1 mV의 최대 전압을 측정하고, 4.2 V까지의 풀 전지 전압을 수용해야 하는 시스템의 4200 배까지의 분해능을 제공할 수 있다. 그러나, 본 발명에서 설명된 바와 같은 방법을 활용하면, 높은 저항에서도, 저전류 단락이 검출되고 정량화될 수 있다.
본 발명에서 설명된 바와 같은 방법의 추가적인 속성은, 온도에 따른 전지 전압의 변동이 실질적으로 공통-모드 파라미터로서 나타난다는 것이다(측정에 의해서 실질적으로 배제된다는 것을 의미함). 따라서, 개시된 방법을 사용하면, 그렇지 않으면 온도에 기인한 전지 전압 변화에 의해서 가려졌을, 내부 단락과 같은 내부 고장으로부터 초래된 전지의 전압 변화를 구별할 수 있게 된다. 각각의 테스트 전지가 온도에 따라 실질적으로 동일한 양극-음극 단자 전압 변화를 경험하기 때문에, 음극 단자가 연결된 전지의 양극 단자들 사이에서 측정된 전압은 전지 온도 변동에 따른 감소된(또는 대략적으로 제로인) 변화를 가진다. 하지만, 한정하려는 것은 아니지만, 본 발명의 시스템 및 방법을 사용하면, 제어된 열적 환경에서 저장되고 테스트되는 전지들은 통상적으로 광범위한 온도 요동(들)을 경험하지 않는다. 이러한 방법은 종래 기술의 방법에서는 감춰졌을 내부 고장에 기인한 전압 변화에 대한 감도를 제공하는데, 이러한 변화는, 온도 변화에 기인한 전지의 전압 변화에 비해 작은 전압 변화를 초래하는 고장이 가려지기 때문에 감춰진다. 본 발명의 시스템 및 방법은 이러한 결점을, 반대 극성 단자가 공통으로 연결된 상이한 전지의 동일한 극성의 단자들 사이에서 전압이 측정됨으로써, 전지 전압이 온도에 따라 변할 때 이러한 변화가 측정 구조체에 의해 실질적으로 배제되는 공통-모드 신호가 되게 하는 측정 구조체를 활용함으로써 극복한다.
본 명세서에서 설명된 바와 같은 시스템 및 방법은 비한정적으로: 리튬-이온 전지 제조 시의 형성 또는 에이징 프로세스의 일부로서의 내부 단락에 대해서 전지를 선별하는 것; 전지들을 배터리 팩 내에 조립하기 전에 내부 단락에 대해서 전지를 선별하는 것; 실험실에서의 연구 중에 내부 단락의 존재에 대해서 전지를 테스트하는 것; 전지의 동작-상태(state-of-health)를 안전성에 대해서 측정하는 것; 또는 리튬-이온, 납-산, 니켈-금속 수소화물, 및 니켈-카드뮴 화학물질의 전지를 포함하는 전지 내에서 내부 단락을 검출하는 것 및/또는 자기-방전을 측정하는 것을 포함하는 다양한 응용예에서 활용될 수 있다. 본 발명의 설명이 주로 리튬-이온 전지를 주로 다루지만, 임의의 화학물질의 전지가 본 명세서에서 제공되는 방법 또는 시스템에 채용될 수 있다는 것이 이해된다.
예시적인 양태
이제, 배터리 내의 내부 고장을 검출하는 방법 및 배터리 내의 내부 고장을 검출하기 위한 시스템의 다양한 양태가 설명되며, 이러한 양태들이 다른 다양한 양태와 함께 활용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
제 1 양태에서, 본 발명은 전기화학 전지 내의 하나 이상의 내부 고장, 선택적으로 단락 또는 자기-방전을 검출하기 위한 방법으로서,
측정 시간 동안, 제 1 전기화학 전지의 테스트 단자와 제 2 전기화학 전지의 테스트 단자 사이의 전압차 또는 전압차의 변화율을 측정하는 단계 - 상기 테스트 단자는 동일한 극성을 가지고, 이러한 측정은 측정 시간 동안에 이루어짐 -; 및
측정에 기초하여 상기 제 1 전기화학 전지 또는 제 2 전기화학 전지를 수락하는 단계; 또는
상기 제 1 또는 제 2 전기화학 전지 내의 하나 이상의 내부 고장을 식별하는 상기 측정하는 단계에 기초하여, 상기 제 1 전기화학 전지 또는 제 2 전기화학 전지를 폐기하는 단계를 포함하는, 내부 고장 검출 방법을 제공한다.
제 2 양태에서, 본 발명은 제 1 양태의 방법으로서, (A) 제 1 전기화학 전지 또는 제 2 전기화학 전지의 테스트 단자, 및(B) 제 3 전기화학 전지의 동일한 극성의 테스트 단자 사이의 전압차 또는 전압차의 변화율을 제 2 측정 시간 동안 측정하는 단계를 더 포함하는 내부 고장 검출 방법을 제공한다.
제 3 양태에서, 본 발명은 제 1 양태 또는 제 2 양태의 방법으로서, 측정 시간이 1 초 내지 24 시간, 선택적으로는 2 내지 3 시간인 내부 고장 검출 방법을 제공한다.
제 4 양태에서, 본 발명은 제 1 양태 내지 제 3 양태 및 제 5 양태 내지 제 15 양태 중 하나의 방법으로서, 제 1 전기화학 전지 및 제 2 전기화학 전지 각각이 리튬-이온 전지인 내부 고장 검출 방법을 제공한다.
제 5 양태에서, 본 발명은 제 1 양태 내지 제 4 양태 중 임의의 것의 방법으로서, 내부 고장이 단락인 내부 고장 검출 방법을 제공한다.
제 6 양태에서, 본 발명은 제 1 양태 내지 제 4 양태 중 임의의 것의 방법으로서, 내부 고장이 단락 이외의 것인 내부 고장 검출 방법을 제공한다.
제 7 양태에서, 본 발명은 제 1 양태 내지 제 6 양태 중 임의의 것의 방법으로서, 제 1 전기화학 전지 또는 제 2 전기화학 전지가 알려지고 선택적으로 측정되는 내부 고장을 포함하거나 내부 고장이 없다고 알려진 레퍼런스 전지인 내부 고장 검출 방법을 제공한다.
제 8 양태에서, 본 발명은 제 1 양태 내지 제 7 양태 중 임의의 것의 방법으로서, 제 1 전기화학 전지 및 제 2 전기화학 전지가 동일한 온도, 충전 상태, 또는 동일한 온도 및 충전 상태 양자 모두인 내부 고장 검출 방법을 제공한다.
제 9 양태에서, 본 발명은 제 1 양태 내지 제 8 양태 중 임의의 것의 방법으로서, 공통 단자가 양극인 내부 고장 검출 방법을 제공한다.
제 10 양태에서, 본 발명은 제 1 양태 내지 제 8 양태 중 임의의 것의 방법으로서, 공통 단자가 음극인 내부 고장 검출 방법을 제공한다.
제 11 양태에서, 본 발명은 전기화학 전지 내의 내부 고장을 검출하는 시스템으로서, 제 1 단자 및 제 1 반대 단자를 가지는 제 1 전기화학 전지, 제 2 단자 및 제 2 반대 단자를 가지는 제 2 전기화학 전지, 및 전압 측정 디바이스를 포함하는, 시스템을 제공한다. 제 1 단자 및 제 2 단자는 동일한 극성을 가진다. 제 1 단자 및 제 2 단자는 공통으로 연결되며, 선택적으로 단일 버스에 연결된다. 제 1 반대 단자 및 제 2 반대 단자는 각각 개방 회로 상태이다. 전압 측정 디바이스는 제 1 반대 단자 및 제 2 반대 단자에 전기적으로 연결가능하거나 연결된다.
제 12 양태에서, 본 발명은 제 11 양태의 시스템으로서, 어레이가 두 개 내지 열 개의 전기화학 전지를 포함하는 시스템을 제공한다.
제 13 양태에서, 본 발명은 제 11 양태 또는 제 12 양태의 시스템으로서, 어레이가 레퍼런스 단자 및 반대 레퍼런스 단자를 가지는 레퍼런스 전지를 더 포함하는 시스템을 제공한다.
제 14 양태에서, 본 발명은 제 13 양태의 시스템으로서, 상기 제 1 단자, 상기 제 2 단자, 및 상기 레퍼런스 단자는 공통으로 연결되고, 상기 전압 측정 디바이스는 상기 제 1 단자 및 상기 레퍼런스 단자에 전기적으로 연결가능하거나 연결되며, 또는 상기 전압 측정 디바이스는 상기 제 2 단자 및 상기 레퍼런스 단자에 전기적으로 연결가능하거나 연결되는, 시스템을 제공한다.
제 15 양태에서, 본 발명은 제 11 양태 내지 제 14 양태의 시스템으로서, 상기 전압 측정 디바이스는 1 마이크로볼트 또는 1 마이크로볼트 미만의 분해능을 가지는 고분해능 전압 측정 디바이스를 포함하는, 시스템을 제공한다.
본 발명의 다양한 실시예는 후속하는 비한정적인 예들에 의해 예시된다. 이러한 예들은 예시를 위해 제공되며, 본 발명의 임의의 실시를 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않으면서 변형과 변경이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
실험예
앞선 상세한 설명에서 설명된 어떤 실시예들이 다음의 예들에 의해서 더 명료해질 것이다. 다음의 예들이 상세한 설명에서 설명되거나 청구항에 인용된 실시예들의 범위를 한정하려는 것이 아님이 이해되어야 한다.
예 1
예 1에서, 데이터가 예시적인 시스템 및 방법을 사용하여 획득되었는데, 여기서 두 개의 상용 2.6Ah 18650 전지가 음극 단자들이 공통으로 연결되어 2-전지 테스트 어레이를 형성하고 양극 단자는 개방-회로 상태로 남도록 연결된다. 전지의 양극 단자들 사이의 전압은 케이슬리 DMM7510 멀티미터를 사용하여 측정되고 약 두 시간까지의 기간에 걸쳐서 추적되었다.
내부 단락 회로는 전지 중 하나 양단에 부하 저항을 배치함으로써 시뮬레이션되었고, 해당 전지의 양극 단자들 사이의 전압이 시간 기간 동안에 추적되었다. 결과적으로 얻어지는 데이터가 내부 단락을 시뮬레이션하는 부하 저항이 125 킬로옴(kΩ), 250kΩ, 500kΩ, 및 1 메가옴(MΩ)인 시험에 대해서 표시되었다. 전지들의 쌍에 대해서 단락 조건이 없는 것이 맨 밑의 궤적이다. 도 3의 그래프에 기록된 데이터는, "무단락"이라고 명명된 평평한 선인 무단락 조건에 대한 응답, 및 저레벨이고 검출하기 어려운 내부 단락 회로에 대응하는 저항의 범위에 대한 응답을 보여준다.
도 3의 그래프의 결과는, 검출하기 어려운 저항 레벨, 예컨대 1 MΩ, 500 kΩ, 250 kΩ, 및 125 kΩ이 전술된 시스템 및 방법을 사용하면 용이하고 신속하게 검출된다는 것을 나타냈다. 수집되고 도 3의 그래프에 표시된 데이터는 두 개의 전지 내의 자기-방전의 레벨의 상대적인 측정으로서 인식된다. 예 1에 따른 방법이 감도가 좋기 때문에, 전지 내의 매우 작은 레벨의 자기-방전도 검출될 수 있다.
비교하자면, 예 1의 이러한 방법은 분리막에 통과하는 직접적인 전자적인 통전을 수반하지 않는 반면에 화학적 열화 프로세스는 전지 내의 전하를 소모할 수 있다. 내부 단락의 경우에서와 같이, 이러한 프로세스의 결과 전지의 개방 회로 전압이 감소되었다. 비교적 정상인 자기-방전 레벨을 가지는 전지는 상대적으로 평평한 응답인 무단락 궤적을 도 3의 그래프에 제공했다. 분리막 사이의 전자적인 통전이 내부 단락에서 일어나거나, 다른 메커니즘에 의해 전하를 소모하는 전기화학적 프로세스를 통해서 일어나는 임의의 소스로부터 얻어진, 더 큰 자기-방전을 가지는 전지는 예 1의 시스템 및 방법을 사용하여 식별될 것이고, 따라서 배제될 수 있다.
동일한 전지의 반대 단자들 양단의 개방 회로 전압을 측정하는 것으로 이루어진, 내부 단락 회로를 모니터링하기 위한 종래의 접근법은 도 3의 그래프에 표시된 측정 시간 기간에 걸쳐서 임의의 변화를 기록하지 않는다. 도 3의 그래프에 있는 결과는, 리튬-이온 전지 내의 내부 단락 회로의 신속하고 정확한 검출이라는 예 1의 방법의 하나의 장점을 강조한다.
도 4의 그래프에 기록된 각각의 데이터 포인트는 단락 저항에 대해서 표시된 각각의 궤적에 대한 기울기 및, log(단락 저항)의 함수인 log(기울기)의 선형 근사였다. 데이터는 도 3에 표시된 응답으로부터 유도되었다. 이러한 데이터는 기울기 정도가 저항의 크기에 의존한다는 것을 보여줬다. 기울기가 단락 저항의 크기에 대한 양호한 의존성을 보여줬기 때문에, 이러한 기울기가 도 4에 도시된 바와 같이, 주어진 전지 타입에 대한 내부 단락의 크기를 정량화하기 위해서 사용되었다.
예 2
예 2에서, 데이터가 예시적인 시스템 및 방법을 사용하여 획득되었는데, 여기서 도 1에 도시된 시스템과 유사하게, 여덟 개의 상용 2.6Ah 18650 전지가 음극 단자들이 공통으로 연결되어 8-전지 테스트 어레이를 형성하고 양극 단자는 개방-회로 상태로 남도록 연결된다. 전지의 양극 단자들 사이의 전압은 케이슬리 DMM7510 멀티미터를 사용하여 측정되고 약 네 시간 반의 기간에 걸쳐서 추적되었다.
예 2에서, 각각의 전지와 그 전지 바로 옆의 전지 사이의 차분 전압(전압차)이 모니터링되었고, 결과가 기록되고 도 5의 그래프에서 표시된다. 대략적으로 테스트의 처음 160 분 동안, 전지들은 100,000 옴 저항이 없이 테스트되었다. 도 5의 그래프에서 발생된 차분 전압(전압차)의 요동은 도 8의 그래프에 표시된 바와 같은 주변 온도의 작은 요동이 있을 때에 통상적으로 나타나는 것이었다.
도 5의 그래프에서, 약 160 분에, 100,000 옴 저항이 전지 D 양단에 배치되었다. 100,000 옴 저항은 내부 단락을 시뮬레이션하기 위해서 시스템에 포함되었다. 전술된 바와 같이, 내부 단락이 있다는 것은 전지가 그룹 내의 다른 전지에 비하여 더 크게 음의 값이 되는 것을 나타냄으로써 표시되었다. 도 5의 그래프에서, 전지 D의 전압이 전지 E와 비교하여 측정되면(셀 D 대 전지 E), 차분 전압(전압차)이 시간의 함수로서 점점 큰 음수가 되는데, 그 이유는 전지 D 전압이 전지 E와 비교할 때 낮거나 감소되었기 때문이다. 비교하자면, 전지 C가 전지 D와 비교하여 측정되면, 차분 전압은 시간 기간에 걸쳐서 점점 큰 양의 값이 되었다. 전지 C 전압이 전지 D와 비교하여 증가되었기 때문에, 차분 전압은 증가되었다.
인접한 전지에 대해서 테스트될 때, 전지 A, B, C, E, F, G, 및 H(전지 D는 포함하지 않음)는 내부 단락의 존재를 표시하지 않았는데, 그 이유는 차분 전압의 증가 또는 감소가 없었기 때문이다.
예 3
예 3에서, 다섯 개의 상업적 리튬-이온 전지가 도 2a 및 도 2b에 도시되는 구성을 사용하여 테스트되었다. 각각의 전지의 차분 전압은 레퍼런스 전지에 대해서 측정되었다. 전지 5는, 시간이 지남에 따라서 레퍼런스 전지에 대한 전지 5 차분 전압의 기울기가 음수인 것에 의하여, 이례적인 자기-방전을 가지고 있는 것으로 식별되었다. 열 달의 기간 동안 전지 5는 휴지 상태에서(at rest) 측정되었다(실온 보관됨). 테스트는, 전지가 3.78 볼트(V)의 초기 전압으로부터 1.5 V 미만의 전압으로 열 달의 기간 동안 서서히 방전된다는 것을 표시했고, 고저항 내부 단락이 있다는 것을 확정했다. 이러한 전지는 아마도 판매되기 전에 제조사 품질 통제 테스트를 통과했을 것이다. 그러나, 전지 5는 본 명세서에서 설명된 방법 중 하나를 사용하여 내부 단락을 포함하고 있는 것으로 신속하게 진단되었다.
예 4
도 7a 및 도 7b의 막대 그래프에서, 상이한 제조사로부터 구입한 전지의 두 그룹이 본 발명의 시스템 및 방법에 따라 테스트되었다. 제조사 A의 전지가 제조사 B의 전지의 차분 전압의 기울기보다 시간의 함수로서 차분 전압의 기울기가 더 컸다. 비교하자면, 제조사 A의 전지는 제조사 B의 전지의 차분 기울기보다 1000 배 큰 차분 전압의 기울기를 가졌다. 차분 전압의 기울기가 증가한다는 것은 제조사 A의 일부 전지 내에 소프트 단락(soft short)이 존재한다는 것을 표시했다. 제조사 A의 전지 내에 소프트 단락이 존재하는 것, 그리고 제조사 B의 전지 내에는 이러한 단락이 없는 것은, 10 개월의 기간에 걸쳐 전지 전압을 추적함으로써 확정되었다. 예를 들어, 테스트 위치 F인 제조사 A의 전지는 열 달 동안 3.78 V에서 1.3 V로 방전했다(약 25,000 옴의 추정된 단락 저항에 대응함). 대조적으로, 제조사 B의 전지 F는 열 두 달 동안 1 mV 미만만 손실되었다.
예 5
예 5에서, 그리고 도 8의 그래프에서 표시된 바와 같이, 전지의 전압이 하루 동안 시간의 함수로서 연구되었다. 전지의 전압은 섭씨 22.5 ± 2.0 도(°C)의 주변 온도에서 보통의 적은 요동을 가지고 증가되고 감소되었다. 전지 전압에 있는 적은 요동은 두 전지 사이의 차분 측정이 전지의 전압에 있는 공통-모드 변동을 배제할 수 있게 하는 능력을 보여주었다. 따라서, 단락-자유 전지 내의 내부 단락의 존재를 알기 위해서는 온도에 기인한 전지 전압 강하는 피한다.
도시되고 본 명세서에서 설명되는 것들에 추가한 본 발명의 다양한 변경이 전술된 설명의 당업자에게는 명백하게 이해될 것이다. 이러한 변경은 첨부된 청구항들의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다.
그렇지 않다고 규정되지 않으면 모든 재료 및 기구들은 당업계에 공지된 소스에 의해서 획득가능하다.
명세서에서 언급된 특허, 공개 특허, 및 출원은 본 발명이 속하는 당업자들의 기술 수준을 표시한다. 이러한 특허, 공개 특허, 및 출원은 각각의 개별 특허, 공개 특허, 또는 출원이 구체적이고 개별적으로 본 명세서에서 원용에 의해 통합되는 것과 같은 정도로 본 명세서에 원용에 의해 통합된다.
첨구된 기술 요지의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서, 설명된 실시예에 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게는 명백할 것이다. 따라서, 본 명세서는 설명된 실시예의 변경과 변형을 이러한 변경과 변형이 첨부된 청구항의 범위 및 그 균등 범위 안에 속하도록 망라하는 것이 의도된다.

Claims (22)

  1. 전기화학 전지 내의 내부 고장을 검출하는 방법으로서,
    측정 시간 동안, 제 1 전기화학 전지의 테스트 단자와 제 2 전기화학 전지의 테스트 단자 사이의 전압차 또는 전압차의 변화율을 측정하는 단계 - 상기 테스트 단자들은 동일한 극성을 가짐 -; 및
    상기 측정하는 단계에 기초하여 상기 제 1 전기화학 전지 또는 제 2 전기화학 전지를 수락하는 단계; 또는
    상기 전기화학 전지 내의 내부 고장을 측정하는 단계에 기초하여 상기 제 1 전기화학 전지 또는 제 2 전기화학 전지를 폐기하는 단계를 포함하는, 내부 고장 검출 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은,
    제 2 측정 시간 동안, (A) 상기 제 1 전기화학 전지의 테스트 단자 또는 상기 제 2 전기화학 전지의 테스트 단자와 (B) 제 3 전기화학 전지의 테스트 단자 사이의 전압차 또는 전압차의 변화율을 측정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제 3 전기화학 전지의 테스트 단자는 상기 제 1 전기화학 전지 또는 상기 제 2 전기화학 전지의 테스트 단자와 동일한 극성인, 내부 고장 검출 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 측정 시간은 1 초 내지 24 시간, 선택적으로는 2시간 내지 3 시간인, 내부 고장 검출 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전기화학 전지 및 상기 제 2 전기화학 전지 각각은 리튬-이온 전지인, 내부 고장 검출 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 내부 고장은 단락인, 내부 고장 검출 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 내부 고장은 단락을 제외한 고장인, 내부 고장 검출 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전기화학 전지 또는 상기 제 2 전기화학 전지는, 알려지고 선택적으로 측정되는 내부 고장을 포함하거나 내부 고장이 없다고 알려진 레퍼런스 전지인, 내부 고장 검출 방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전기화학 전지 및 상기 제 2 전기화학 전지는 동일한 온도이거나, 동일한 충전 상태이거나, 동일한 온도 및 동일한 충전 상태 양자 모두인, 내부 고장 검출 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    공통 단자는 양의 값인(positive), 내부 고장 검출 방법.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    공통 단자는 음의 값인(negative), 내부 고장 검출 방법.
  11. 전기화학 전지 내의 내부 고장을 검출하는 방법으로서,
    제 1 전기화학 전지 단자를 제 2 전기화학 전지 단자와 공통으로 전기적으로 연결하는 단계 - 상기 제 1 전기화학 전지 단자 및 상기 제 2 전기화학 전지 단자는 각각 양극 또는 음극임 -;
    측정 시간 동안, 제 1 전기화학 전지 및 제 2 전기화학 전지의 전압을 측정하는 단계 - 상기 측정 시간은 1 분 내지 5 일임 -; 및
    상기 측정 시간에서, 상기 제 1 전기화학 전지와 상기 제 2 전기화학 전지 사이의, 1 밀리볼트 미만이고, 선택적으로는 100 마이크로볼트 미만인 차분 전압의 존재 또는 부존재, 또는 차분 전압의 변화율을 검출하는 단계를 포함하는, 내부 고장 검출 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 전기화학 전지 및 상기 제 2 전기화학 전지는 실질적으로 동일한 충전 상태인, 내부 고장 검출 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 검출하는 단계는 온도로부터 독립적인, 내부 고장 검출 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 차분 전압은 10 마이크로암페어보다 작은 내부 단락 또는 300,000 옴보다 큰 저항에 기인하는, 내부 고장 검출 방법.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 전기화학 전지 및 상기 제 2 전기화학 전지 각각은 리튬-이온 전지인, 내부 고장 검출 방법.
  16. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부 고장은 단락인, 내부 고장 검출 방법.
  17. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 전기화학 전지 또는 상기 제 2 전기화학 전지는, 알려지고 측정되는 내부 고장을 포함하거나 내부 고장이 없다고 알려진 레퍼런스 전지인, 내부 고장 검출 방법.
  18. 전기화학 전지 내의 내부 고장을 검출하는 시스템으로서,
    적어도 두 개의 전기화학 전지를 포함하는 전기화학 전지의 어레이 - 상기 어레이는 제 1 단자 및 제 1 반대 단자를 가지는 제 1 전기화학 전지; 및 제 2 단자 및 제 2 반대 단자를 가지는 제 2 전기화학 전지를 포함하고, 상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자는 공통 극성을 가짐 -; 및
    전압 측정 디바이스를 포함하고,
    상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자는 공통으로, 선택적으로 단일 버스에 연결되고,
    상기 제 1 반대 단자 및 상기 제 2 반대 단자 각각은 개방 회로 상태이며,
    상기 전압 측정 디바이스는 상기 제 1 반대 단자 및 상기 제 2 반대 단자에 전기적으로 연결가능하거나 연결되는, 내부 고장 검출 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 어레이는 두 개 내지 열 개의 전기화학 전지를 포함하는, 내부 고장 검출 시스템.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    상기 어레이는 레퍼런스 단자 및 반대 레퍼런스 단자를 가지는 레퍼런스 전지를 더 포함하는, 내부 고장 검출 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 단자, 상기 제 2 단자, 및 상기 레퍼런스 단자는 공통으로 연결되고,
    상기 전압 측정 디바이스는 상기 제 1 단자 및 상기 레퍼런스 단자에 전기적으로 연결가능하거나 연결되거나, 또는
    상기 전압 측정 디바이스는 상기 제 2 단자 및 상기 레퍼런스 단자에 전기적으로 연결가능하거나 연결되는, 내부 고장 검출 시스템.
  22. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    상기 전압 측정 디바이스는 1 마이크로볼트 분해능 또는 1 마이크로볼트 미만의 분해능을 가지는 고분해능 전압 측정 디바이스를 포함하는, 내부 고장 검출 시스템.
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