KR20190132906A - 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치 및 포집방법 - Google Patents

충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치 및 포집방법 Download PDF

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Abstract

충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치가 개시된다. 상기 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치는, 원통형 이차전지가 장착되는 원통형 형상의 지그로서: 외주면과 내주면을 갖는 지그바디부와; 상기 지그바디부의 상부에 위치하며, 상기 지그바디부와 함께 상기 원통형 전지가 장착되는 공간을 형성하는 지그상부와; 상기 지그바디부의 하부에 위치하며, 상기 지그바디부와 함께 상기 원통형 전지가 장착되는 공간을 형성하는 지그하부를 포함하는, 상기 지그; 상기 지그상부의 상부에 구비되고 상기 원통형 전지에 홈을 형성시키는 펀칭부; 및 상기 지그바디부의 측면에서 상기 원통형 전지로부터 확산된 가스를 수용가능한 매니폴드부, 포집관, 또는 가스분석장치로 연결하는 연결부; 및 상기 원통형 전지에 전기적으로 연결될 수 있는 충방전단자들을 포함하고, 상기 원통형 전지는 방전용량이 1000mAh 내지 5000mAh의 범위에 해당하는 것을 특징으로 한다.

Description

충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치 및 포집방법{APPARATUS FOR COLLECTING INNER GAS IN SECONDARY ELECTRIC CELL AND METHOD THEREOF FOR CHARGING AND DISCHARGING}
본 출원은 2018.05.21. 출원된 한국특허출원 10-2018-0057801호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치 및 포집방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지그바디부와 지그상부를 형성하여 원통형 타입의 이차전지로서, 보다 구체적으로는 방전용량이 1000mAh 내지 5000mAh의 정도의 범위에 해당하는 원통형 타입의 리튬이온전지를 수용하고, 수용된 원통형 타입의 이차전지에 원터치로 구멍을 뚫어 배출된 이차전지의 가스를 신속하게 포집하는, 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치 및 포집방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 방전과 역방향인 충전과정을 통하여 반복 사용이 가능한 전지이며, 그 종류로는 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소(Ni-MH) 전지, 리튬-금속 전지, 리튬-이온(Li-ion) 전지 및 리튬-이온 폴리머 전지(Li-ion Polymer Battery) 등이 있다. 이러한 이차전지 중 높은 에너지밀도와 전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있고, 리튬 이차전지에는 폴리머형 전지, 원형 전지, 각형 전지 등이 포함된다.
그러나, 종래의 리튬 이차전지는 고온에서 노출되었을 때 발화/폭발할 위험성이 있다. 또한, 과충전, 외부단락, 침상(nail) 관통, 국부적 손상(local crush) 등에 의해 짧은 시간 내에 큰 전류가 흐르게 될 경우에도, IR 발열에 의해 전지가 가열되면서 발화/폭발의 위험성이 있다. 한 예로서, 전해액 전극 사이의 반응 결과, 가스가 발생하여 전지 내압이 상승하게 되어, 일정 압력 이상에서 리튬 이차전지가 폭발할 수 있다.
리튬 이차전지 내에서 반응에 따라 수소, 산소, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, CnH2n-2 (n=2~5), CnH2n (n=2~5), CnH2n+2(n=1~5)인 탄화수소 및 기타 유기가스종 등의 다양한 종류의 가스가 발생할 수 있다. 이산화탄소 등과 같은 내부 발생 가스는 조건에 따라 충전되면서 다시 원래의 물질로 돌아갈 수 있는 가역적인 것도 있지만 대개는 전지 내에서 기체 상태로 남아 내압을 높이고, 전지가 부풀어 오르도록 하는 스웰링 현상을 유발시킨다. 스웰링이 일어난 전지는 두께가 커져 전지가 장착되도록 설계된 전자전기 기기에 잘 장착될 수 없거나, 불룩하게 튀어나온 외관 때문에 불량으로 판단되어 상품으로서의 가치를 잃게 된다.
따라서, 이차전지 내에서 발생하는 가스를 포집하여 정확하게 분석하는 것이 매우 중요하다. 리튬이온전지의 작동시에 다양한 가스가 발생하며 발생가스의 조성 및 함량에 대한 정보는 전지소재의 개발, 전지제조공정 최적화, 전지 불량원인의 파악 등에 있어 유용하게 이용된다.
종래의 전지발생가스 포집장치의 경우, 파우치타입의 전지의 가스포집을 위하여 공기압에 의해 작동되는 개폐 실린더, 승하강 가이드와 같은 매우 복잡한 구성을 가지고 있으며, 이에 중대형 이차전지에만 적용될 수 있다는 문제점이 있었다.
또한, 종래기술은 이차전지를 뚫기 위해, 핸들을 회전하여야 하였으므로 조작성 및 신속성이 저하되며, 지그바디의 내부공간이 협소하여 스웰링이 일어난 전지에는 적용하기 어렵다는 문제점이 있었다.
리튬이온 전지의 충전 및 방전 시 전지 내부에 발생한 가스의 분석에 있어서, 일정한 전압으로 충전 또는 방전한 셀을 밀폐된 공간에 넣고 개방하여 가스를 채취하여 분석하는 방식에 따르면, 가스의 발생시점이나 충방전 중 가스조성의 변화 등의 관찰은 어려운 점이 있기 때문에, 이를 파악하기 위해서는 다수의 전지를 각각 다른 전압으로 충전 또는 방전 후 가스를 채취하여 분석하고 있어 비용상의 낭비가 있을 뿐만 아니라, 전지간의 편차가 생긴다는 등의 문제점이 있을 수 있다.
따라서, 단일전지를 이용하여 충전 또는 방전 중에 발생하는 가스를 실시간으로 채취하여 분석할 수 있는 장치를 제공하는 방안이 요구된다.
한편, 최근 EV 자동차 및 전동공구 등의 에너지원으로 개발되고 있는 원통형 전지로서, 방전용량이 1000mAh 내지 5000mAh의 정도의 범위에 해당하고 캔 타입으로 된 원통형의 18650, 20650, 21700 등인 전지의 경우에도 가스를 분석해야 할 필요성이 있어, 원통형 전지의 내부 단락을 피하면서 가스를 채취하는 방법에 대한 기술이 필요하다. 여기서, 18650 전지는 직경 18mm 길이 65mm의 원통형 전지라는 의미이고, 마찬가지로, 20650 전지는 직경 20mm 길이 65mm의 원통형 전지라는 의미이고, 21700 전지는 직경 21mm 길이 70mm의 원통형 전지라는 의미이다.
한편, 전술한 종래의 전지발생가스 포집장치로는 상기 원통형 전지의 발생가스 분석에 적용할 수 없는 한계가 있다. 그에 따라, 본 발명에서는 원통형 리튬이차전지를 전지의 변형에 의한 내부 단락 발생을 피하고 전지내부의 발생가스를 최대한 분석장비로 주입할 수 있는 포집장치 및 포집방법 제공을 그 목적으로 한다.
보다 구체적으로 본 발명은 전술한 종래기술의 문제점 및 한계를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 지그바디부와 지그상부를 형성하여 원통형 타입의 이차전지를 수용하고, 수용된 원통형 전지에 원터치로 구멍을 뚫어 배출된 이차전지의 가스를 신속하게 포집하며, 전지의 펀칭될 부분을 펀칭팁의 위치에 고정하기 위한 경사부를 형성하며, 펀칭팁이 완전히 전지의 펀칭될 부분을 관통하도록 하는, 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치 및 포집방법 제공을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 원통형 전지를 이용하여 충전 또는 방전 중에 발생하는 가스를 실시간으로 채취하여 분석할 수 있는 충방전 겸용 이차전지 발생 가스의 포집장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치는:
원통형 전지가 장착되는 원통형 형상의 지그로서:
외주면과 내주면을 갖는 지그바디부와;
상기 지그바디부의 상부에 위치하며, 상기 지그바디부와 함께 상기 원통형 전지가 장착되는 공간을 형성하는 지그상부와;
상기 지그바디부의 하부에 위치하며, 상기 지그바디부와 함께 상기 원통형 전지가 장착되는 공간을 형성하는 지그하부를 포함하는, 상기 지그;
상기 지그상부의 상부에 구비되고 상기 원통형 전지에 홈을 형성시키는 펀칭부;
상기 지그바디부의 측면에서 상기 원통형 전지로부터 확산된 가스를 수용가능한 매니폴드부, 포집관, 또는 가스분석장치로 연결하는 연결부; 및
상기 원통형 전지에 전기적으로 연결될 수 있는 충방전단자들을 포함하고,
상기 원통형 전지는 방전용량이 1000mAh 내지 5000mAh의 범위에 해당하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치는, 지그상부의 상면 위에 장착되되 지그상부의 일부분을 수직방향으로 지그상부의 높이 방향으로 관통하는 도전성의 지그상부 관통부재를 포함하고, 상기 충방전단자들 중 제 1 충방전단자는 상기 지그상부 관통부재에 위치하고, 상기 원통형 전지의 (+)극이 상기 지그상부 관통부재의 최하면에 접촉될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치에 있어서, 상기 충방전단자들 중 제 2 충방전단자는 상기 지그하부에 위치하고, 상기 원통형 전지의 (-)극이 상기 제 2 충방전단자의 일단부에 접촉될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치에 있어서, 상기 원통형 전지는 18650 전지, 20650 전지, 및 21700 전지로 이루어진 그룹에서 선택된 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치에 있어서,
상기 펀칭부는:
상기 지그상부 관통부재의 수용홈에서 왕복운동하는 본체;
상기 본체에 연결된 로드;
상기 로드의 왕복운동을 가이드하며, 상기 본체의 일측방향 이동을 제한하는 스탑퍼로 작용하는 가이드; 및
상기 본체에 연결된 펀칭팁을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치에 있어서,
상기 본체의 외주면에 형성되되 상기 본체를 탄력적으로 지지하는 스프링을 더 포함하고, 상기 펀칭팁은 상기 스프링의 강성과 길이에 의해 이동거리가 제한될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치에 있어서, 상기 펀칭부는 원터치(one-touch) 식으로 작동될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치에 있어서, 상기 지그상부, 상기 지그바디부의 내주면, 및 상기 지그하부는 각각 절연성 물질로 이루어지고, 상기 지그상부 관통부재 및 상기 충방전단자들은 각각 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치에 있어서, 상기 지그상부, 상기 지그바디부의 내주면, 및 상기 지그하부는 각각 테플론(Teflon), 피크(PEEK), 또는 공업용 플라스틱(Engineering plastic)으로 이루어지고, 상기 충방전단자들, 상기 지그바디부의 내주면을 둘러싼 외부면은 스테인리스 스틸 또는 금속으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치에서 상기 원통형 전지로부터 발생되는 가스를 포집하는 방법에 있어서:
상기 원통형 전지를 지그에 장착하는 단계;
상기 지그바디부의 연결부에 매니폴드부, 포집관, 또는 가스분석장치를 연결하여 결합하는 단계;
상기 지그의 내부 공간을 진공으로 형성하는 단계;
상기 충방전단자에 충방전기를 연결하는 단계;
상기 펀칭부를 작동하는 단계; 및
상기 원통형 전지로부터 확산되는 가스를 포집하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치에서 상기 원통형 전지로부터 발생되는 가스를 포집하는 방법에 있어서, 상기 원통형 전지로부터 확산되는 가스를 포집하는 단계는, 상기 충방전단자들을 통해 상기 원통형 전지를 충방전하면서 상기 원통형 전지로부터 확산되는 가스를 포집하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, EV 자동차 및 전동공구 등의 에너지원으로 개발되고 있는 원통형 전지로서, 방전용량이 1000mAh 내지 5000mAh의 정도의 범위에 해당하고 캔 타입으로 된 원통형의 사이즈가 18650, 20650, 21700 등인 원통형 전지의 쇼트(단락)을 방지할 수 있으면서도 원터치로 펀칭부를 작동시켜 신속하게 가스를 포집할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 펀칭팁은 스프링의 강성 및 스프링의 길이에 따라 이동거리가 제한됨은 물론 수용홈에 의해 수용될 수 있어 과도한 힘의 작용에 의한 파손이 방지될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 지그바디부와 지그상부로 전지가 수용되는 공간을 형성할 수 있어, 가스 포집장치의 제조공정을 단순화 시킬 수 있으면서도 기밀성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 두께가 커져 스웰링이 일어난 전지의 가스도 신속하게 포집할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 원통형 전지를 이용하여 충전 또는 방전 중에 발생하는 가스를 실시간으로 채취하여 분석함에 따라서, 종래의 방법에 비하여 경제적일 뿐만 아니라, 분석대상인 전지간의 편차를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치가 매니폴드부에 연결된 상태를 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 도 2에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치의 변형예 및 도 3a의 장치에 사용될 수 있는 스웰링된 전지의 정면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치의 내부에 장착될 수 있는 원통형 이차전지의 일 예시를 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 이차전지 발생가스 포집방법을 나타내는 블록도이다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치가 매니폴드부에 연결된 상태를 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조할 때, 본 발명에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치(100)는 이차전지 내부의 가스분석을 위해 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치(100)를 통해 가스를 포집하고, 매니폴드부(10)와 연결된 포집관(13)에 포집하여 이를 가스분석장치에 연결하여 분석하게 된다. 또는 매니폴드부(10)에 가스분석장치를 직접 연결하여 이차전지 발생가스 포집장치(100)에서 포집되는 가스를 분석할 수도 있다. 또는, 매니폴드부(10)를 통하지 않고 이차전지 발생가스 포집장치(100)에 가스분석장치를 직접 연결하여 이차전지 발생가스 포집장치(100)에서 포집되는 가스를 분석할 수도 있다.
진공펌프(11)는 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치(100) 또는 매니폴드부(10)의 미리 설정된 위치에 연결되어, 이차전지가 장착된 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치(100)를 진공상태로 형성한다. 이후, 펀칭부를 통해 이차전지를 뚫어 가스를 포집한 후 가스분석장치를 통해 가스를 분석하게 된다.
가스분석장치는 질량분석기나 크로마토그래피에 의해 분석되는 것으로, 이에 한정되지 않고 가스분석의 정확성 또는 정밀성을 높이기 위해 다른 분석장치나 방법들이 사용될 수 있음은 물론이다.
도 2는 본 발명에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치(100)의 단면도이다.
도 2를 참조할 때, 본 발명에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치(100)는, 원통형 전지(200)가 장착되는 원통형 형상의 지그로서: 외주면과 내주면을 갖는 지그바디부(110)와; 상기 지그바디부(110)의 상부에 위치하며, 상기 지그바디부(110)와 함께 상기 전지(200)가 장착되는 공간을 형성하는 지그상부(120)와; 상기 지그바디부의 하부에 위치하며, 상기 지그바디부와 함께 상기 전지(200)가 장착되는 공간을 형성하는 지그하부(130)를 포함하는, 상기 지그; 상기 지그상부(120)의 상부에 구비되고 상기 전지(200)에 홈을 형성시키는 펀칭부(140); 상기 지그바디부(110)의 측면에서 상기 전지(200)로부터 확산된 가스를 수용가능한 매니폴드부(10), 포집관, 또는 가스분석장치로 연결하는 연결부(150); 및 상기 전지를 충방전할 수 있는 충방전단자들(160a, 160b)을 포함한다.
우선, 본 발명에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치(100)는, 방전용량이 1000mAh 내지 5000mAh의 정도의 범위에 해당하고 캔 타입으로 된 원통형의 18650, 20650, 21700 등인 원통형 전지(200)로서(도 5 참조), 최근 EV 자동차 및 전동공구 등의 에너지원으로 개발되고 있는 상기 원통형 전지(200)를 내부에 장착할 수 있다. 여기서, 18650 전지는 직경 18mm 길이 65mm의 원통형 전지라는 의미이고, 마찬가지로, 20650 전지는 직경 20mm 길이 65mm의 원통형 전지라는 의미이고, 21700 전지는 직경 21mm 길이 70mm의 원통형 전지라는 의미이다.
지그바디부(110)의 상부에 지그상부(120)가 탈착가능하게 결합되고 지그바디부(110)의 하부에 지그하부(130)가 일체로 형성되도록 결합되어 지그를 형성할 수 있다. 또는, 지그바디부(110)의 상부에 지그상부(120)가 일체로 형성되도록 결합되고 지그바디부(110)의 하부에 지그하부(130)가 탈착가능하게 결합되어 지그를 형성할 수도 있다. 또는, 지그바디부(110)의 상부에 지그상부(120)가 탈착가능하게 결합되고 지그바디부(110)의 하부에 지그하부(130)가 탈착가능하게 결합되어 지그를 형성할 수도 있다. 지그의 내부는 원통형 형상으로 형성된다. 지그바디부(110)와 지그하부(130)가 결합되어 내부에 오목하게 형성되는 부분에 전지가 장착된다.
도 2에서는 지그바디부(110)의 외경은 지그상부(120)의 외경과는 동일하고 지그하부(130)의 외경보다는 작은 것으로 도시하고 있지만, 본 발명은 도시된 바에 한정되지 않고, 지그바디부(110)의 외경, 지그상부(120)의 외경, 지그하부(130)의 외경이 모두 동일한 것으로 구현될 수도 있고, 지그바디부(110), 지그상부(120), 및 지그하부(130)가 결합되어 형성되는 지그의 내부에 전지를 장착할 수 있는 한, 지그바디부(110), 지그상부(120), 및 지그하부(130)의 형상 및 크기는 다양하게 변형, 변경하여 구현할 수 있다. 또한, 전지의 크기를 고려하여 다양한 크기로 지그 내부의 형상 및 크기, 즉 지그바디부(110), 지그상부(120), 및 지그하부(130)의 형상 및 크기를 조절할 수 있음은 물론이다.
한편, 지그상부(120)는 테플론(Teflon), 피크(PEEK) 등의 공업용 플라스틱(engineering plastics)으로 이루어질 수 있다. 원통형의 지그바디부(110)는 안정성을 확보할 수 있도록 금속 재질로 이루어 질 수 있고 예를 들면, 스테인리스 스틸(SUS), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 또는 이들의 합금 등의 재질로 제작될 수 있되, 지그바디부(110)의 내주면인 내부표면(111)은 절연성 물질로 이루어질 수 있고 예를 들어 테플론(Teflon), 피크(PEEK) 등의 공업용 플라스틱(engineering plastics)으로 이루어질 수 있다. 즉, 원통형의 지그바디부(110)는, 내부표면(111)은 절연성 물질로 이루어질 수 있고 예를 들어 테플론(Teflon), 피크(PEEK) 등의 공업용 플라스틱(engineering plastics)로 이루어지고 내부표면(111)을 둘러싼 외부면은 SUS 등의 금속 재질로 이루어진 이중구조(미도시)로 될 수 있다. 지그하부(130)는 절연성 물질로 이루어질 수 있고 예를 들어 테플론(Teflon), 피크(PEEK) 등의 공업용 플라스틱(engineering plastics)으로 이루어질 수 있다.
지그상부(120)와 지그바디부(110)는 너트, 볼트와 같은 체결부재(미도시)에 의해 고정될 수 있으며, 결합면인 지그바디부(110)의 상면과 지그상부(120)의 하면에는 결합 시 기밀성을 유지하기 위한 기밀부(123)가 형성될 수 있다.
기밀부(123)는 지그바디부(110)의 상면에 형성된 기밀부 결합홈(113)과 결합하여 기밀성을 가질 수 있다. 기밀부(123)는 예를 들어 고무재질의 O-ring으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 기밀부 결합홈(113)이 형성되지 않고 미리 설정된 두께를 가진 기밀부(123)가 지그상부(120)의 하면이나 지그바디부(110)의 상면에 형성되고 너트, 볼트와 같은 체결부재(미도시)를 통해 지그바디부(110)와 지그상부(120)를 체결함으로써 기밀성이 더욱 향상되도록 하는 것도 물론 가능하다.
마찬가지로, 지그하부(130)와 지그바디부(110)는 너트, 볼트와 같은 체결부재(미도시)에 의해 고정될 수 있으며, 결합면인 지그하부(130)의 상면과 지그바디부(110)의 하면에는 결합 시 기밀성을 유지하기 위한 기밀부(112)가 형성될 수 있다.
기밀부(112)는 지그하부(130)의 상면에 형성된 기밀부 결합홈(132)과 결합하여 기밀성을 가질 수 있다. 기밀부(112)는 예를 들어 고무재질의 O-ring으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 기밀부 결합홈(132)이 형성되지 않고 미리 설정된 두께를 가진 기밀부(112)가 지그바디부(110)의 하면이나 지그하부(130)의 상면에 형성되고 너트, 볼트와 같은 체결부재(미도시)를 통해 지그바디부(110)와 지그하부(130)를 체결함으로써 기밀성이 더욱 향상되도록 하는 것도 물론 가능하다.
지그상부(120)의 일부분(예를 들어, 지그상부(120)의 중앙 부분)은 지그상부 관통부재(121)에 의하여 지그상부(120)의 높이방향(즉, 후술할 펀칭부(140)의 본체(141)의 이동방향)으로 관통되어 있다. 지그상부 관통부재(121)는 지그상부(120)의 상면 위에 장착되되 일부가 지그상부(120)를 관통하여 장착될 수 있다. 지그상부 관통부재(121)는 도전성의 물질로 되어 있으며, 후술할 펀칭부(140) 및 충방전단자(160a)가 위치할 수 있다.
지그상부 관통부재(121)는, 지그상부(120)의 상면 위에 장착되되 일부가 지그상부(120)를 관통하여 장착될 수 있도록, 지그상부(120)의 상면 위에 위치한 부분의 직경은 지그상부(120)를 관통하는 부분의 직경보다 클 수 있다. 지그상부 관통부재(121)의 하면은 지그상부(120)의 하면보다 지그 내부로 돌출되어 있어, 후술하는 바와 같이 전지(200)의 (+)극이 지그상부 관통부재(121)의 하면에 접촉될 수 있다.
또한, 지그상부 관통부재(121)와 지그상부(120)는 고정핀, 너트, 볼트와 같은 체결부재(미도시)에 의해 고정될 수 있으며, 결합면인 지그상부(120)의 상면과 지그상부 관통부재(121)의 하면에는 지그상부(120)와의 결합 시 기밀성을 유지하기 위한 기밀부(121b)가 형성될 수 있다.
기밀부(121b)는 지그상부(120)의 상면에 형성된 기밀부 결합홈(122)과 결합하여 기밀성을 가질 수 있다. 기밀부(121b)는 예를 들어 고무재질의 O-ring으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 기밀부 결합홈(122)이 형성되지 않고 미리 설정된 두께를 가진 기밀부(121b)가 지그상부 관통부재(121)의 하면이나 지그상부(120)의 상면에 형성되고 너트, 볼트와 같은 체결부재(미도시)를 통해 지그상부 관통부재(121)와 지그상부(120)를 체결함으로써 기밀성이 더욱 향상되도록 하는 것도 물론 가능하다.
펀칭부(140)는 상술한 바와 같이 지그상부 관통부재(121)에 위치한다. 또한, 펀칭부(140)는, 지그상부 관통부재(121)의 수용홈(121a)에서 왕복운동하는 본체(141); 상기 본체(141)에 연결된 로드(142); 상기 로드(142)의 왕복운동을 가이드하며, 상기 본체(141)의 일측방향 이동을 제한하는 스탑퍼로 작용하는 가이드(144); 상기 본체(141)에 연결된 펀칭팁(146)을 포함한다.
로드(142)는 펀칭헤드(143)에 연결되며, 펀칭헤드(143)를 누름으로써, 로드(142) 및 본체(141)가 이동하면서, 펀칭팁(146)은 전지(200)에 홈을 형성하면서 가스를 분출시키게 된다. 이러한 펀칭부(140)는 원터치(one-touch) 식으로 작동되어(즉, 작업자가 펀칭헤드(143)를 눌러), 펀칭부(140)에 펀칭부의 원통형 전지(200)의 상단에 펀칭할 수 있도록(즉, 구멍을 낼 수 있도록) 된다.
펀칭부(140)는 고정핀, 너트, 볼트와 같은 체결부재(미도시)에 의해 지그상부(120)의 상부에 고정된다.
본체(141)는 로드(142)와 연결된 부분은 펀칭팁(146)과 연결된 부분보다 그 직경이 크도록 형성될 수 있어, 본체(141)와 연결된 펀칭팁(146)이 왕복하여 다시 돌아올 때, 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치의 외부로 본체와 로드가 돌출되지 않도록 본체(416)의 외경보다 내경이 작은 가이드(144)에 의해 멈춰지도록 될 수 있다.
본체(141)의 외주면에는 기밀성을 향상시키기 위한 기밀부(145)가 형성되며, 기밀부(145)는 예를 들어 고무재질의 O-ring으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
펀칭부(140)는 상기 본체(141)의 외주면에 형성되되, 상기 본체(141)를 탄력적으로 지지하는 스프링(147)을 더 포함한다.
스프링(147)은 미리 설정된 강성(스프링 상수)과 미리 설정된 길이에 따라 펀칭팁(146)의 이동거리를 제한하도록 하며, 이에 펀칭팁(146)은 예를 들어 1mm 내지 5mm로 이동할 수 있도록 이동거리가 제한될 수 있으나 전지(200)의 단락이 발생하지 않는다면 이에 한정되지 않는다.
이에, 펀칭팁(146)은 가이드(144)로부터의 스프링(147)의 최대 압축거리만큼 최대로 이동할 수 있다.
이 경우, 펀칭팁(146)은 도 5와 같이 전지(200)의 단자가 형성되지 않은 부분(보다 구체적으로는, 전지(200)의 상단 중 단자이외의 부분)을 펀칭하게 된다.
이에 본 발명에 따르면, 펀칭팁은 스프링의 강성 및 스프링의 길이에 따라 이동거리가 제한될 수 있어 과도한 힘의 작용에 의한 파손이 방지될 수 있다.
펀칭팁(146)의 단부의 직경은 상기 전지(200)의 커버(상부 커버)의 두께보다 작게 형성될 수 있다. 즉, 전지(200)에 구멍을 뚫을 때, 단락 방지를 위해 펀칭팁(146)의 두께는 전지커버의 두께보다 작은 2mm 이내로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 펀칭팁(146)은 강선(피아노선)등을 가공하여 사용할 수도 있으며, 스테인리스 스틸(SUS) 또는 텅스텐을 침형태로 가공하여 사용할 수도 있다.
이에, 본 발명에 따르면, 전지의 쇼트(단락)을 방지할 수 있으며, 원터치로 펀칭부를 작동시켜 신속하게 가스를 포집할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치(100)는 전지(200)를 충방전할 수 있는 충방전단자들(160a, 160b)을 더 포함한다. 충방전단자들(160a, 160b) 중 제 1 충방전단자(160a)는 전지(200)의 (+)극에 전기적으로 접속되고, 제 2 충방전단자(160b)는 전지(200)의 (-)극에 전기적으로 접속될 수 있다. 충방전단자들(160a, 160b)은 도전성 물질로서, 예를 들면, SUS, 금속, 등으로 이루어 질 수 있고, 특히 도전율이 높고 저항률이 낮은 금속을 사용할 수 있으며, 예를 들면 금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈 등의 금속성 원소 등을 사용할 수 있다.
제 1 충방전단자(160a)는 상술한 바와 같이 지그상부 관통부재(121)에 위치하여, 지그상부 관통부재(121)와 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 지그상부 관통부재(121)는 도전성 물질로서, 예를 들면, SUS, 금속, 등으로 이루어 질 수 있고, 특히 도전율이 높고 저항률이 낮은 금속을 사용할 수 있으며, 예를 들면 금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈 등의 금속성 원소 등을 사용할 수 있다. 지그상부 관통부재(121)의 최하면(121c)은 지그상부(120)의 하면보다 지그 내부로 돌출되어 있어, 전지(200)의 (+)극이 지그상부 관통부재(121)의 최하면(121c)에 접촉될 수 있다. 따라서, 충방전기(미도시)를 제 1 충방전단자(160a)에 연결하면 제 1 충방전단자(160a)가 연결된 도전성의 지그상부 관통부재(121)를 통해 지그상부 관통부재(121)에 접촉된 전지(200)의 (+)극으로 전류가 흐르게 된다.
또한, 제 2 충방전단자(160b)는 지그하부(130)에 위치하고 제 2 충방전단자(160b)의 일단부는 지그하부(130)의 상면을 관통하여 지그 내부에 장착되는 전지(200)의 (-) 단자에 전기적으로 접속될 수 있다. 제 2 충방전단자(160b)와 지그하부(130) 사이에는, 즉 제 2 충방전단자(160b)의 외주면에는 기밀성을 향상시키기 위한 기밀부(미도시)가 형성될 수 있으며, 제 2 충방전단자(160b)의 외주면에 형성된 기밀부는 예를 들어 고무재질의 O-ring으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
지그하부(130)의 하면에는 지그하부(130)의 일측면으로부터 제 2 충방전단자(160b)의 타단부가 위치한 부분으로 연장되는 오목부(131)를 구비한다. 따라서, 충방전기로부터 제 2 충방전단자(160b)의 타단부까지 전선 등으로 연결하는 경우에 지그하부(130)의 하면의 오목부(131)에 전선을 위치시킬 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 지그상부(120), 지그바디부(110)의 내부표면(111), 지그하부(130)는 절연성 물질인 테플론(Teflon), 피크(PEEK) 등의 공업용 플라스틱(engineering plastics)으로 이루어진다. 따라서, 제 1 충방전단자(160a)가 연결된 도전성의 지그상부 관통부재(121) 및 제 2 충방전단자(160b)외의 전지(200)를 둘러싸는 부분은 절연성의 물질로 이루어지게 된다. 따라서, 충방전기 - 제 1 충방전단자(160a) - 도전성의 지그상부 관통부재(121) - 전지(200)의 (+) 단자로 전기적으로 연결되고, 충방전기 - 제 2 충방전단자(160b) - 전지(200)의 (-) 단자로 전기적으로 연결되지만, 전지(200)의 다른 부분으로는 전류가 통하지 않도록 하였다.
도 3a는 도 2에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치(100)를 일부 변형한 경우로서, 도 2에서는 지그 내부의 바닥면(즉, 지그하부(130)의 상면)이 평평한 경우이지만, 도 3a에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치(100')에서는 지그하부(130')의 상면에 오목부(170)를 구비할 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 스웰링으로 전지가 부푸는 경우, 오목부(170)에 스웰링이 일어난 전지가 장착되도록 할 수 있어, 전지가 원래의 형상을 온전하게 유지하는 경우는 물론 전지의 크기에 변형이 발생하는 경우라도 전지의 가스를 용이하게 포집할 수 있게 된다.
이에, 본 발명에 따르면, 스웰링이 일어난 전지의 가스도 신속하게 포집할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 지그바디부와 지그상부로 전지가 수용되는 공간을 형성할 수 있어, 가스 포집장치의 제조공정을 단순화 시킬 수 있으면서도 기밀성을 향상시킬 수 있다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 원통형 전지(200)는 원통형 전지는 방전용량이 1000mAh 내지 5000mAh일 수 있고, 본 발명에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치(100)는 이러한 원통형 전지(200)에서 발생하는 가스를 포집할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 이차전지 발생가스 포집방법을 나타내는 블록도이다.
도 5를 참조할 때, 본 발명에 따른 이차전지 발생가스 포집방법은, 원통형의 전지(200)를 지그에 장착하는 단계(S100); 지그바디부(110)의 연결부(150)에 매니폴드부(10), 포집관, 또는 가스분석장치를 연결하여 결합하는 단계(S200); 지그 내부를 진공으로 형성하는 단계(S300); 충방전단자(160a, 160b)에 충방전기를 연결하는 단계(S400); 펀칭부(140)를 작동하는 단계(S500); 및 상기 전지(200)로부터 확산되는 가스를 포집하는 단계(S600)를 포함한다.
상기 전지(200)로부터 확산되는 가스를 포집하는 단계(S600)는 충방전단자들(160a, 160b)을 통해 전지(200)를 충방전하면서 상기 전지(200)로부터 확산되는 가스를 포집하는 단계를 포함한다. 그에 따라, 원통형 전지를 이용하여 충전 또는 방전 중에 발생하는 가스를 실시간으로 채취하여 분석할 수 있다.
상기 확산된 가스를 포집하는 단계(S600)에서, 가스는 지그바디부(110)와 지그상부(120)의 사이에 형성된 수용공간으로 확산되어 상기 매니폴드부(10) , 포집관, 또는 가스분석장치로 이동된다.
상기 펀칭부(140)를 작동하는 단계(S500)는, 펀칭부(140)의 펀칭 헤드(121)가 눌려지는 단계; 펀칭부(140)의 펀칭팁(146)이 미리 설정된 거리만큼 이동되어 상기 전지, 예를 들면 상기 전지의 상단 중 단자를 제외한 부분에 홈을 형성시키는 단계; 및 상기 펀칭부의 펀칭팁(146)이 원 위치로 복귀하는 단계를 포함한다.
앞서 살펴본 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '당업자'라 한다)가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시예일 뿐, 전술한 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.
10: 매니폴드부
100: 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치
110: 지그바디부
120: 지그상부
130: 지그하부
140: 펀칭부
150: 연결부
160a, 160b: 충방전단자들
170: 오목부

Claims (11)

  1. 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치에 있어서:
    원통형 전지가 장착되는 원통형 형상의 지그로서:
    외주면과 내주면을 갖는 지그바디부와;
    상기 지그바디부의 상부에 위치하며, 상기 지그바디부와 함께 상기 원통형 전지가 장착되는 공간을 형성하는 지그상부와;
    상기 지그바디부의 하부에 위치하며, 상기 지그바디부와 함께 상기 원통형 전지가 장착되는 공간을 형성하는 지그하부를 포함하는, 상기 지그;
    상기 지그상부의 상부에 구비되고 상기 원통형 전지에 홈을 형성시키는 펀칭부;
    상기 지그바디부의 측면에서 상기 원통형 전지로부터 확산된 가스를 수용가능한 매니폴드부, 포집관, 또는 가스분석장치로 연결하는 연결부; 및
    상기 원통형 전지에 전기적으로 연결될 수 있는 충방전단자들을 포함하고,
    상기 원통형 전지는 방전용량이 1000mAh 내지 5000mAh의 범위에 해당하는 것을 특징으로 하는, 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치.
  2. 제1항에 있어서,
    지그상부의 상면 위에 장착되되 지그상부의 일부분을 수직방향으로 지그상부의 높이 방향으로 관통하는 도전성의 지그상부 관통부재를 포함하고,
    상기 충방전단자들 중 제 1 충방전단자는 상기 지그상부 관통부재에 위치하고, 상기 원통형 전지의 (+)극이 상기 지그상부 관통부재의 최하면에 접촉될 수 있는, 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충방전단자들 중 제 2 충방전단자는 상기 지그하부에 위치하고,
    상기 원통형 전지의 (-)극이 상기 제 2 충방전단자의 일단부에 접촉될 수 있는, 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 원통형 전지는 18650 전지, 20650 전지, 및 21700 전지로 이루어진 그룹에서 선택된 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 펀칭부는:
    상기 지그상부 관통부재의 수용홈에서 왕복운동하는 본체;
    상기 본체에 연결된 로드;
    상기 로드의 왕복운동을 가이드하며, 상기 본체의 일측방향 이동을 제한하는 스탑퍼로 작용하는 가이드; 및
    상기 본체에 연결된 펀칭팁을 포함하는, 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 본체의 외주면에 형성되되 상기 본체를 탄력적으로 지지하는 스프링을 더 포함하고, 상기 펀칭팁은 상기 스프링의 강성과 길이에 의해 이동거리가 제한되는, 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 펀칭부는 원터치(one-touch) 식으로 작동되는, 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 지그상부, 상기 지그바디부의 내주면, 및 상기 지그하부는 각각 절연성 물질로 이루어지고,
    상기 지그상부 관통부재 및 상기 충방전단자들은 각각 도전성 물질로 이루어진, 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 지그상부, 상기 지그바디부의 내주면, 및 상기 지그하부는 각각 테플론(Teflon), 피크(PEEK), 또는 공업용 플라스틱(Engineering plastic)으로 이루어지고,
    상기 충방전단자들, 상기 지그바디부의 내주면을 둘러싼 외부면은 스테인리스 스틸 또는 금속으로 이루어진, 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 충방전 겸용 이차전지 발생가스 포집장치에서 상기 원통형 전지로부터 발생되는 가스를 포집하는 방법에 있어서:
    상기 원통형 전지를 지그에 장착하는 단계;
    상기 지그바디부의 연결부에 매니폴드부, 포집관, 또는 가스분석장치를 연결하여 결합하는 단계
    상기 지그의 내부 공간을 진공으로 형성하는 단계;
    상기 충방전단자에 충방전기를 연결하는 단계
    상기 펀칭부를 작동하는 단계; 및
    상기 원통형 전지로부터 확산되는 가스를 포집하는 단계를 포함하는, 이차전지 발생가스 포집방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 원통형 전지로부터 확산되는 가스를 포집하는 단계는, 상기 충방전단자들을 통해 상기 원통형 전지를 충방전하면서 상기 원통형 전지로부터 확산되는 가스를 포집하는 단계를 포함하는, 이차전지 발생가스 포집방법.
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