KR20200047194A - 대상물의 변형과 관련된 기계적 특성을 측정하는 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
대상물의 변형과 관련된 기계적 특성을 측정하는 장치 및 방법에 관해 개시되어 있다. 개시된 장치는 대상물의 부피 변화에 의해 상기 대상물의 두께 방향으로 발생하는 힘의 변화를 측정하도록 구성된 힘 측정수단 및 상기 대상물의 부피 변화에 의한 두께 변화를 측정하도록 구성된 두께 측정수단을 포함할 수 있고, 상기 두께 변화에 대한 상기 힘의 변화를 미분한 변형 강성(deformation stiffness)을 측정하도록 구성될 수 있다. 상기 변형 강성은 상기 대상물의 부피 팽창에 의해 발생하는 팽창 강성(expansion stiffness)을 포함할 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 대상물의 변형과 관련된 기계적 특성을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
현재까지 출시된 이차전지의 형태는 파우치(pouch), 각기둥(prism), 원기둥(cylinder), 코인형(coin-type) 등으로 다양하고, 이러한 전지가 스택(stack) 형태를 이루어 대용량의 배터리를 구성할 수 있다. 이차전지를 담는 용기의 형태 또한 각형, 캔형 등으로 다양하며, 내부의 전지들이 외부 용기에 딱 맞게 들어가는 경우 및 내부 전지들과 외부 용기 사이에 공간적인 여유(margin)를 두고 내부 전지들의 위치를 고정하는 경우가 있다.
이차전지는 양극, 분리막, 음극, 집전체 등이 적층된 구조를 이루며, 구성요소들의 원활한 접촉은 전지의 성능에 영향을 준다. 이차전지의 충방전 시에는 전기화학 반응 및 금속이온의 이동이 발생하기 때문에, 전극재료의 팽창/수축, 전해질로부터 발생하는 가스 등으로 인해 부피 변화가 발생할 수 있다. 이차전지를 연구 및 개발함에 있어서, 이차전지의 부피 변화에 의한 기계적 물성 변화를 적절히 평가할 필요가 있다.
대상물의 변형(부피 변화)과 관련된 기계적 특성 변화를 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.
비파괴 방식으로 이차전지와 같은 측정 대상물의 특성을 용이하게 평가할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르면, 대상물의 부피 변화에 의해 상기 대상물의 두께 방향으로 발생하는 힘의 변화를 측정하도록 구성된 힘 측정수단; 상기 대상물의 부피 변화에 의한 두께 변화를 측정하도록 구성된 두께 측정수단; 및 상기 두께 변화에 대한 상기 힘의 변화를 미분한 변형 강성(deformation stiffness)을 측정하도록 구성된 데이터 처리부;를 포함하는, 대상물의 변형 강성 측정 장치가 제공된다.
상기 변형 강성은 상기 대상물의 부피 팽창에 의해 발생하는 팽창 강성(expansion stiffness)을 포함할 수 있다.
상기 변형 강성 측정 장치는 상기 대상물이 놓여지는 받침대; 상기 대상물 위에 배치되어 상기 대상물의 부피 변화에 따라 이동될 수 있는 이동부재; 상기 이동부재 위에 배치된 고정부재; 상기 이동부재와 상기 고정부재 사이에 배치된 힘 검출센서; 및 상기 대상물의 두께 변화를 측정하는 두께 센서;를 포함할 수 있다.
상기 대상물과 상기 두께 센서 사이에 배치된 무게 인가 부재(weight-applying member)를 더 포함할 수 있다.
상기 대상물의 제1 영역 상에 상기 이동부재, 상기 힘 검출센서 및 상기 고정부재가 배치될 수 있고, 상기 대상물의 상기 제1 영역과 이격된 제2 영역 상에 상기 무게 인가 부재 및 상기 두께 센서가 배치될 수 있다.
상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 면적은 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있고, 상기 제1 영역에 측정 초기에 인가된 힘과 상기 제2 영역에 측정 초기에 인가된 힘은 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있다.
상기 이동부재와 상기 고정부재에 홀(hole)이 형성될 수 있고, 상기 힘 검출센서는 중앙에 개구를 갖는 도넛 형상을 가질 수 있으며, 상기 두께 센서는 상기 홀과 상기 개구를 통해 상기 대상물의 두께 변화를 측정하도록 구성될 수 있다.
상기 두께 센서는 상기 대상물에 직접 접촉하여 두께 변화를 측정할 수 있다.
상기 대상물과 상기 두께 센서 사이에 배치된 무게 인가 부재(weight-applying member)를 더 포함할 수 있다.
상기 이동부재의 가장자리 영역에 복수의 상기 힘 검출센서가 배치될 수 있고, 상기 복수의 힘 검출센서에 대응하는 복수의 상기 고정부재가 배치될 수 있으며, 상기 이동부재의 중앙부 혹은 그와 인접한 영역에 홀(hole)이 형성될 수 있고, 상기 두께 센서는 상기 홀을 통해 상기 대상물의 두께 변화를 측정하도록 구성될 수 있다.
상기 대상물은 이차전지를 포함할 수 있고, 상기 측정 장치는 상기 이차전지의 충방전을 위한 충방전 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 대상물과 상기 힘 측정수단 및 상기 두께 측정수단은 온도 조절이 가능한 챔버 내에 구비될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 대상물의 부피 변화에 의해 상기 대상물의 두께 방향으로 발생하는 힘의 변화를 측정하고, 이와 동시에, 상기 대상물의 부피 변화에 의한 두께 변화를 측정하는 단계; 및 상기 두께 변화에 대한 상기 힘의 변화를 미분한 변형 강성(deformation stiffness)을 측정하는 단계;를 포함하는, 대상물의 변형 강성 측정 방법이 제공된다.
상기 변형 강성은 상기 대상물의 부피 팽창에 의해 발생하는 팽창 강성(expansion stiffness)을 포함할 수 있다.
상기 변형 강성은 아래의 수학식과 같이 표현될 수 있다.
수학식:
여기서, F는 상기 대상물의 두께 방향으로 발생하는 힘이고, h는 상기 대상물의 두께이다.
상기 대상물은 이차전지를 포함할 수 있고, 상기 측정 방법은 상기 이차전지를 충전 또는 방전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 측정 방법은 상기 대상물의 온도를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
대상물의 변형(부피 변화)과 관련된 기계적 특성 변화를 측정할 수 있는 장치를 구현할 수 있다. 비파괴 방식으로 이차전지와 같은 측정 대상물의 특성을 용이하게 평가할 수 있는 장치를 구현할 수 있다. 이러한 장치 및 관련 방법은 이차전지의 연구/개발 및 평가에 유용하게 적용될 수 있다. 또한, 형태 변형이 가능한 다양한 재료의 연구/개발 및 평가에 적용될 수 있다.
도 1은 선형 재료와 비선형 재료의 두께 변화에 대한 힘의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 2는 배터리의 충전시 배터리에 인가되는 전기적 포텐셜(V)에 따른 두께 및 힘의 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 3은 도 2의 결과로부터 얻어진 것으로, 두께 변화에 대한 힘의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 4는 도 2 및 도 3의 결과로부터 얻어진 것으로, 두께 변화에 대한 힘의 변화를 미분한 변형 강성(deformation stiffness)(DS)을 계산한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 것으로, 대상물의 변형 강성(deformation stiffness)을 측정하기 위한 장치를 보여주는 모식도이다.
도 6a는 일 실시예에 따른 변형 강성 측정 장치에 사용될 수 있는 힘 측정수단을 보다 구체적으로 보여주는 도면이다.
도 6b는 일 실시예에 따른 변형 강성 측정 장치에 사용될 수 있는 두께 측정수단을 보다 구체적으로 보여주는 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 변형 강성 측정 장치를 보여주는 모식도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 변형 강성 측정 장치를 보여주는 모식도이다.
도 9는 실시예에 따른 변형 강성 측정 장치를 보여주는 사진 이미지이다.
도 10은 다른 실시예의 변형 강성 측정 장치를 보여주는 사진 이미지이다.
도 11은 다른 실시예의 변형 강성 측정 장치를 보여주는 사진 이미지이다.
도 12는 이차전지의 충전시 부피 팽창을 보여주는 모식도이다.
도 13은 이차전지의 화성(formation) 및 충방전 사이클(cycle)에서 시간에 따른 두께(thickness) 및 힘(force)의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 14는 이차전지의 화성(formation) 단계에서 두께 변화에 대한 힘의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 15는 이차전지의 사이클(cycle) 단계에서 두께 변화에 대한 힘의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 16은 이차전지의 화성(formation) 및 사이클(cycle) 단계에서 두께 변화에 대한 힘의 변화를 미분한 팽창 강성(expansion stiffness)(ES)을 계산한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 17a는 이차전지의 화성(formation) 구간에서의 팽창 강성(ES) 특성을 보여주는 그래프이다.
도 17b는 화성 이후 사이클(cycle) 구간에서의 팽창 강성(ES) 특성을 보여주는 그래프이다.
도 17c는 이차전지의 용량이 80% 이하로 감소된 EOL(end-of-life) 이후의 팽창 강성(ES) 특성을 보여주는 그래프이다.
도 18a는 이차전지의 충방전 사이클 초기 상태에서의 팽창 강성(ES) 특성을 보여주는 그래프이다.
도 18b는 이차전지의 열화 상태에서 사이클 구간에서의 팽창 강성(ES) 특성을 보여주는 그래프이다.
도 2는 배터리의 충전시 배터리에 인가되는 전기적 포텐셜(V)에 따른 두께 및 힘의 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 3은 도 2의 결과로부터 얻어진 것으로, 두께 변화에 대한 힘의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 4는 도 2 및 도 3의 결과로부터 얻어진 것으로, 두께 변화에 대한 힘의 변화를 미분한 변형 강성(deformation stiffness)(DS)을 계산한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 것으로, 대상물의 변형 강성(deformation stiffness)을 측정하기 위한 장치를 보여주는 모식도이다.
도 6a는 일 실시예에 따른 변형 강성 측정 장치에 사용될 수 있는 힘 측정수단을 보다 구체적으로 보여주는 도면이다.
도 6b는 일 실시예에 따른 변형 강성 측정 장치에 사용될 수 있는 두께 측정수단을 보다 구체적으로 보여주는 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 변형 강성 측정 장치를 보여주는 모식도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 변형 강성 측정 장치를 보여주는 모식도이다.
도 9는 실시예에 따른 변형 강성 측정 장치를 보여주는 사진 이미지이다.
도 10은 다른 실시예의 변형 강성 측정 장치를 보여주는 사진 이미지이다.
도 11은 다른 실시예의 변형 강성 측정 장치를 보여주는 사진 이미지이다.
도 12는 이차전지의 충전시 부피 팽창을 보여주는 모식도이다.
도 13은 이차전지의 화성(formation) 및 충방전 사이클(cycle)에서 시간에 따른 두께(thickness) 및 힘(force)의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 14는 이차전지의 화성(formation) 단계에서 두께 변화에 대한 힘의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 15는 이차전지의 사이클(cycle) 단계에서 두께 변화에 대한 힘의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 16은 이차전지의 화성(formation) 및 사이클(cycle) 단계에서 두께 변화에 대한 힘의 변화를 미분한 팽창 강성(expansion stiffness)(ES)을 계산한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 17a는 이차전지의 화성(formation) 구간에서의 팽창 강성(ES) 특성을 보여주는 그래프이다.
도 17b는 화성 이후 사이클(cycle) 구간에서의 팽창 강성(ES) 특성을 보여주는 그래프이다.
도 17c는 이차전지의 용량이 80% 이하로 감소된 EOL(end-of-life) 이후의 팽창 강성(ES) 특성을 보여주는 그래프이다.
도 18a는 이차전지의 충방전 사이클 초기 상태에서의 팽창 강성(ES) 특성을 보여주는 그래프이다.
도 18b는 이차전지의 열화 상태에서 사이클 구간에서의 팽창 강성(ES) 특성을 보여주는 그래프이다.
이하, 실시예들에 따른 대상물의 변형과 관련된 기계적 특성을 측정하는 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 선형 재료와 비선형 재료의 두께 변화에 대한 힘의 변화를 보여주는 그래프이다. 여기서, 힘은 재료(대상물)의 두께 변화에 따라 두께 방향으로 발생하는 힘을 의미한다.
도 1을 참조하면, 선형 재료는 두께(H) 변화와 그에 따른 힘(F)의 변화가 선형적인 관계를 갖는다. 따라서, 탄성계수(k)는 일정한 값을 갖는다. 비선형 재료는 두께 변화와 그에 따른 힘의 변화가 비선형적인 관계를 갖기 때문에, 탄성계수(k)는 일정하지 않고, 힘과 두께의 기울기 변화의 함수(F/H=slope, (s))로 표현된다.
이차전지와 같은 배터리는 비선형 재료의 특성을 가질 수 있다. 배터리 셀은 탄성체로서 충전 및 방전시에 전기적 포텐셜(potential)에 따라, 전극과 SEI(solid-electrolyte interphase) 및 전해질의 물질 변화 및 상태 변화가 일어나면서, 외부로 표출되는 배터리 셀의 강성 또는 탄성계수가 달라질 수 있다. 충전과 방전시에 금속(ex, 리튬) 이온의 이동에 따라, 배터리 셀은 비선형 재료의 특성을 나타낼 수 있다.
도 2는 배터리의 충전시 배터리에 인가되는 전기적 포텐셜(V)에 따른 두께 및 힘의 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다. 여기서, 상기 배터리는 리튬 이차전지였다. 도 2를 참조하면, 포텐셜이 증가함에 따라, 배터리의 두께가 증가하고, 이와 유사하게, 힘도 증가하는 경향을 보인다. 소정 수준의 포텐셜에 도달하면, 두께 및 힘이 크게 변화될 수 있다. 두께 변화와 힘의 변화는 일치하지 않고, 차이를 나타낸다.
도 3은 도 2의 결과로부터 얻어진 것으로, 두께 변화에 대한 힘의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 3을 참조하면, 두께 변화와 힘의 변화가 비선형적인 관계를 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 도 2 및 도 3의 결과로부터 얻어진 것으로, 두께 변화에 대한 힘의 변화를 미분한 변형 강성(deformation stiffness)(DS)을 계산한 결과를 보여주는 그래프이다. 변형 강성(DS)은 포텐셜의 함수로 표현될 수 있다.
도 4를 참조하면, 포텐셜이 증가함에 따라, 변형 강성(DS)이 변화되는 것을 알 수 있다. 배터리(대상물)의 충전에 의해, 그 부피가 증가함에 따라, 두께 변화에 대한 힘의 변화를 미분한 값(순간 변화율), 즉, 변형 강성(DS)은 변화될 수 있다. 여기서, 변형 강성(DS)은 배터리(대상물)의 부피 증가(팽창)와 관련된 값이기 때문에, "팽창 강성(expansion stiffness)(ES)"이라고 할 수 있다. 팽창 강성(ES)은 물체의 팽창시 부피 변화에 저항하는 힘이라 할 수 있다. 팽창 강성(ES)은 "팽창 강도(expansion strength)"라고 할 수도 있다.
상기 변형 강성(DS)은 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
여기서, F는 대상물(배터리)의 부피 변화에 의해 두께 방향으로 발생하는 힘이고, h는 대상물(배터리)의 두께이다.
도 4에서는 변형 강성(DS)이 포텐셜의 함수로 표현된 경우를 도시하였지만, 경우에 따라, 변형 강성(DS)은 시간이나 온도의 함수로 표현될 수도 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 것으로, 대상물의 변형 강성(deformation stiffness)을 측정하기 위한 장치를 보여주는 모식도이다.
도 5를 참조하면, 받침대(110)가 마련될 수 있고, 받침대(110) 위에 대상물(120)이 놓여질 수 있다. 대상물(120)은, 예컨대, 파우치형 배터리일 수 있다. 대상물(120) 위에 대상물(120)의 부피 변화에 따라 위치가 이동될 수 있는 이동부재(130)가 마련될 수 있다. 이동부재(130)는, 예컨대, T자 형태의 이동판이거나 그 밖에 다른 형태를 가질 수 있다. 이동부재(130) 위에, 위치가 고정된 고정부재(140)가 배치될 수 있다. 여기서는, 편의상, 고정부재(140)의 위치를 고정하기 위한 부재는 도시하지 않았다. 고정부재(140)는 판형일 수 있다. 이동부재(130)와 고정부재(140) 사이에 힘 검출센서(150)가 배치될 수 있다. 이동부재(130)의 상면부에 홈(groove)이 마련되고, 상기 홈에 힘 검출센서(150)가 배치될 수 있다. 상기 홈은 힘 검출센서(150)를 이동부재(130)의 상면 중앙부에 위치시킴과 동시에 위치 이동을 방지하는 역할을 할 수 있다. 힘 검출센서(150)는 대상물(120)의 부피 변화에 따라, 두께 방향으로 작용하는 힘의 변화를 측정하는 역할을 할 수 있다. 힘 검출센서(150)는 일종의 로드셀(load cell)일 수 있다.
대상물(120)의 두께 변화를 측정하기 위한 두께 센서(180)가 마련될 수 있다. 대상물(120) 상에 지지체(160)가 배치될 수 있고, 지지체(160) 상에 무게추(170)가 배치될 수 있으며, 무게추(170) 상에 두께 센서(180)가 접촉될 수 있다. 지지체(160)는, 예컨대, T자형 구조를 가질 수 있고, 열에 의한 변형이 적고 비교적 가벼운 소재로 형성될 수 있다. 지지체(160)는 대상물(120)에 직접 접촉될 수 있다. 무게추(170)는 상대적으로 무거운 소재로 형성될 수 있고, 판형 구조를 가질 수 있다. 무게추(170)의 무게를 다양하게 변화시켜 대상물(120)에 가해지는 힘(초기 힘)을 변화시킬 수 있다. 지지체(160)의 무게와 무게추(170)의 무게를 합한 값에 의해 대상물(120)에 가해지는 초기 힘이 결정될 수 있다. 이런 점에서, 지지체(160)와 무게추(170)는 하나의 "무게 인가 부재(weight-applying member)"를 구성한다고 할 수 있다. 두께 센서(180)는, 예컨대, 선형 거리 차이를 측정하는 전기적 변환기인 LVDT(linear variable differential transformer) 방식의 센서일 수 있다. 그러나, 두께 센서(180)의 종류는 이에 한정되지 않고, 달라질 수 있다. 도시하지는 않았지만, 두께 센서(180)의 위치를 고정하기 위한 부재가 더 구비될 수 있다.
대상물(120)의 제1 영역 상에 이동부재(130), 힘 검출센서(150) 및 고정부재(140)가 배치될 수 있다. 대상물(120)의 상기 제1 영역과 이격된 제2 영역 상에 지지체(160)와 무게추(170) 및 두께 센서(180)가 배치될 수 있다. 여기서, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 면적은 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 영역에 측정 초기에 인가된 힘과 상기 제2 영역에 측정 초기에 인가된 힘은 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 영역에 초기에 인가되는 힘과 상기 제2 영역에 초기에 인가되는 힘을 실질적으로 동일한 상태로 만든 후에, 상기 제1 영역에서 부피 변화에 의한 힘의 변화를 측정하고, 상기 제2 영역에서 부피 변화에 의한 두께 변화를 측정할 수 있다. 즉, 동일한 조건에서 힘의 변화 및 두께 변화를 측정할 수 있다. 그러나, 경우에 따라서는, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 면적이 서로 다를 수 있고, 상기 제1 영역에 초기에 인가되는 힘과 상기 제2 영역에 초기에 인가되는 힘의 크기가 서로 다를 수 있다. 이 경우, 이러한 차이를 반영하여, 변형 강성(DS) 값을 계산할 수 있다.
실시예에 따른 측정 장치는 대상물(120)의 두께 변화에 대한 힘의 변화를 미분한 값을 측정(계산)하는 데이터 처리부(data processor)(300)를 더 포함할 수 있다. 두께 변화에 대한 힘의 변화를 미분한 값은, 앞서 설명한 바와 같은, 변형 강성(deformation stiffness)을 의미할 수 있다. 데이터 처리부(300)는 힘 검출센서(150)와 두께 센서(180)에 연결될 수 있다.
실시예에 따른 측정 장치는 대상물(120)의 부피 변화에 의해 두께 방향으로 발생하는 힘의 변화를 측정하도록 구성된 "힘 측정수단", 대상물(120)의 부피 변화에 의한 두께 변화를 측정하도록 구성된 "두께 측정수단" 및 상기 데이터 처리부(300)를 포함한다고 할 수 있다. 여기서, 상기 힘 측정수단은 이동부재(130), 힘 검출센서(150) 및 고정부재(140) 등을 포함한다고 할 수 있고, 상기 두께 측정수단은 지지체(160), 무게추(170) 및 두께 센서(180) 등을 포함한다고 할 수 있다. 그러나, 힘 측정수단과 두께 측정수단의 의미는 넓게 해석될 수 있고, 이들의 구성은 다양하게 변화될 수 있다. 실시예에 따른 측정 장치는 대상물의 부피 변화에 의해 발생하는 힘과 두께 변화를 동시에 측정하는 FTMS(force and thickness measurement system)라고 할 수 있다.
도 6a는 일 실시예에 따른 변형 강성 측정 장치에 사용될 수 있는 힘 측정수단을 보다 구체적으로 보여주는 도면이다. 즉, 도 6a는 도 5에서 이동부재(130), 힘 검출센서(150) 및 고정부재(140)를 포함하는 부분을 보다 구체적으로 보여준다.
도 6a를 참조하면, 베이스부(100) 상에 받침대(110)가 마련되고, 그 위에 대상물(120)이 놓여지며, 그 위에 이동부재(130), 힘 검출센서(150) 및 고정부재(140)가 마련될 수 있다. 이동부재(130)의 상면부에 홈(G10)이 형성될 수 있고, 힘 검출센서(150)는 홈(G10)에 부분적으로 삽입되도록 배치될 수 있다.
베이스부(100)에 복수의 지지 기둥(P10)이 마련될 수 있고, 이동부재(130)와 고정부재(140)가 지지 기둥(P10)에 끼워져 설치될 수 있다. 지지 기둥(P10)은 나선형의 나사산을 포함할 수 있고, 너트(N10)를 이용해서 고정부재(140)의 상면을 눌러 고정부재(140)의 위치를 고정할 수 있다. 너트(N10)를 돌려 조여주는 힘을 이용해서 대상물(120)에 인가되는 초기 힘을 조절할 수 있다.
도 6b는 일 실시예에 따른 변형 강성 측정 장치에 사용될 수 있는 두께 측정수단을 보다 구체적으로 보여주는 도면이다. 즉, 도 6b는 도 5에서 지지체(160), 무게추(170) 및 두께 센서(180)를 포함하는 부분을 보다 구체적으로 보여준다.
도 6b를 참조하면, 베이스부(100) 상에 받침대(110)가 마련되고, 그 위에 대상물(120)이 놓여지며, 그 위에 지지체(160), 무게추(170) 및 두께 센서(180)가 마련될 수 있다. 베이스부(100)에 지지 기둥(P20)이 마련될 수 있고, 지지 기둥(P20)에 클램프(clamp)(C10)가 마련될 수 있으며, 클램프(C10)를 이용해서 두께 센서(180)를 잡아줄 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 변형 강성 측정 장치를 보여주는 모식도이다.
도 7을 참조하면, 베이스부(102) 상에 받침대(112)가 마련되고, 그 위에 대상물(122)이 놓여지며, 그 위에 이동부재(132), 힘 검출센서(152) 및 고정부재(142)가 마련될 수 있다. 이동부재(132)의 상면부에 홈(G12)이 형성될 수 있고, 힘 검출센서(152)는 홈(G12)에 부분적으로 삽입되도록 배치될 수 있다. 힘 검출센서(152)는 중앙에 개구를 갖는 도넛 형상을 가질 수 있고, 홈(G12)도 힘 검출센서(152)에 맞게 링(ring) 형상을 가질 수 있다. 이동부재(132)에 대상물(122)을 노출시키는 홀(hole)(H12)이 형성되고, 고정부재(142)에도 홀(H22)에 형성될 수 있다.
베이스부(102)에 복수의 지지 기둥(P12)이 마련될 수 있고, 이동부재(132)와 고정부재(142)가 지지 기둥(P12)에 끼워져 설치될 수 있다. 지지 기둥(P12)은 나선형의 나사산을 포함할 수 있고, 너트(N12)를 이용해서 고정부재(142)의 상면을 눌러 고정부재(142)의 위치를 고정할 수 있다. 너트(N12)를 돌려 조여주는 힘을 이용해서 대상물(122)에 인가되는 초기 힘을 조절할 수 있다.
이동부재(132)의 홀(H12), 고정부재(142)의 홀(H22) 및 이들 사이의 힘 검출센서(152)의 개구를 통해서, 대상물(122)의 두께 변화를 측정하기 위한 두께 센서(182)가 마련될 수 있다. 두께 센서(182)의 팁(tip) 부분이 대상물(122)에 직접 접촉하도록 하여 두께 변화를 측정할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 클램프를 이용해서 두께 센서(182)를 잡아줄 수 있다.
이동부재(132)의 홀(H12)의 사이즈가 작고, 대상물(122)에서 두께가 측정되는 영역(두께 측정부)의 사이즈가 작으며, 상기 두께 측정부 주위의 대상물(122) 영역(힘 측정부)이 이동부재(132)에 의해 힘을 받는 경우, 상기 두께 측정부는 상기 힘 측정부와 유사하게 프리-로드(pre-load)를 인가받을 수 있다. 따라서, 두께 센서(182)를 대상물(122)에 직접 접촉하도록 하여 두께 변화를 측정할 수 있다.
그러나, 경우에 따라서는, 대상물(122)과 두께 센서(182) 사이에 소정의 무게 인가 부재(weight-applying member)를 구비시킨 후에, 상기 무게 인가 부재에 두께 센서(182)를 접촉하도록 하여 대상물(122)의 두께 변화를 측정할 수도 있다. 이 경우, 홀(H12, H22) 내에 폴(pole) 구조를 삽입한 후에, 폴 구조 상에 판형의 무게추를 구비시킬 수 있고, 무게추 상에 두께 센서(182)를 설치할 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 변형 강성 측정 장치를 보여주는 모식도이다.
도 8을 참조하면, 받침대(114) 상에 대상물(124)이 놓여지고, 그 위에 이동부재(134)가 구비될 수 있다. 받침대(114)에 복수의 지지 기둥(P14)이 마련될 수 있고, 이동부재(134)는 지지 기둥(P14)에 끼워져 설치될 수 있다. 이동부재(134)의 가장자리 영역에 복수의 힘 검출센서(154)가 배치될 수 있고, 복수의 힘 검출센서(154)에 대응하는 복수의 고정부재(N14)가 배치될 수 있다. 복수의 힘 검출센서(154) 및 복수의 고정부재(N14)는 복수의 지지 기둥(P14)에 끼워져 설치될 수 있다. 복수의 고정부재(N14)는 너트 구조를 가질 수 있고, 고정부재(N14)를 돌려 조여주는 힘을 이용해서 대상물(124)에 인가되는 초기 힘을 조절할 수 있다. 힘 검출센서(154)는 두 개이거나 네 개일 수 있지만, 개수는 달라질 수 있다.
이동부재(134)의 중앙부 혹은 그와 인접한 영역에 홀(hole)(H14)이 형성될 수 있고, 홀(H14)을 통해서 대상물(124)의 두께 변화를 측정하도록 구성된 두께 센서(184)가 마련될 수 있다. 두께 센서(184)의 팁(tip) 부분이 대상물(124)에 직접 접촉하도록 하여 두께 변화를 측정할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 클램프를 이용해서 두께 센서(184)를 잡아줄 수 있다. 또한, 경우에 따라서는, 대상물(124)과 두께 센서(184) 사이에 무게 인가 부재를 구비시킨 후에, 상기 무게 인가 부재에 두께 센서(184)를 접촉하도록 하여 대상물(124)의 두께 변화를 측정할 수도 있다.
도시하지는 않았지만, 도 7 및 도 8의 실시예에서도 도 5에서 설명한 바와 같은 데이터 처리부(300)가 구비될 수 있다.
도 9는 실시예에 따른 변형 강성 측정 장치를 보여주는 사진 이미지이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예의 변형 강성 측정 장치는 도 5, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 설명한 측정 장치와 유사할 수 있다. 여기서, 로드셀(load cell)은 힘 검출센서를, LVDT(linear variable differential transformer)는 두께 센서를 나타낸다. "Force control"은 너트를 이용해서 초기 힘을 설정하는 것을 의미하고, "Weight control"은 무게 인가 부재를 이용한 무게 조절을 의미한다.
도 10 및 도 11은 다른 실시예에 따른 변형 강성 측정 장치를 보여주는 사진 이미지이다. 도 10의 측정 장치는 도 5, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 설명한 측정 장치와 유사할 수 있고, 도 11의 측정 장치는 도 8을 참조하여 설명한 측정 장치와 유사할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 대상물이 이차전지를 포함하는 경우, 상기 측정 장치는 이차전지의 충방전을 위한 충방전 장치를 더 포함할 수 있다. 또한, 대상물과 힘 측정수단 및 두께 측정수단은 온도 조절이 가능한 챔버(chamber) 내에 구비될 수 있다. 상기한 충방전 장치와 온도 조절이 가능한 챔버는 본 기술 분야에서 자명한 것이므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 12는 이차전지의 충전시 부피 팽창을 보여주는 모식도이다.
도 12를 참조하면, 이차전지(200)는 셀(cell)과 하우징(housing)으로 구성될 수 있고, 충전시, 부피가 팽창할 수 있다. 본 실시예에서는 이차전지(200)의 충전시 발생하는 자율적인 두께 변화를 모두(혹은, 대체로) 허용한 상태에서, 이차전지(200)의 두께를 측정할 수 있다. 또한, 변화되는 모든 두께에서 힘을 측정할 수 있다. 이는 이차전지(200)의 하우징을 완전히(거의 완전히) 구속(억압)한 상태에서 충전시 하우징에서 발생되는 압력을 측정하는 것과는 다를 수 있다. 본 실시예에서 이차전지(200)의 충전시 발생하는 자율적인 두께 변화를 허용하기 위해, 하우징을 소프트한 물질로 구성할 수 있고, 두께 방향으로 이차 전지(200)를 기계적/구조적으로 구속하지 않을 수 있다.
도 13은 이차전지의 화성(formation) 및 충방전 사이클(cycle)에서 시간에 따른 두께(thickness) 및 힘(force)의 변화를 보여주는 그래프이다. 여기서, 이차전지의 양극은 Li 및 Ni를 포함할 수 있고, 음극은 Si 및 C를 포함할 수 있고, 분리막은 PE(polyester)를 포함할 수 있고, 전해액은 LiPF6을 포함할 수 있다. 이때, 이차전지의 셀 전류밀도는 3.4 A/m2 이고, 1C (C-rate)의 기준은 48 mA 이며, 전극의 면적은 30×26 mm2 이었다.
도 13을 참조하면, 화성(formation) 단계 및 사이클(cycle) 단계에서 두께 변화 및 힘 변화가 다른 특성을 나타낼 수 있다. 화성(formation) 단계에서는 주로 가스 발생에 의해 두께 및 힘의 변화가 나타날 수 있고, 사이클(cycle) 단계에서는 주로 전극 팽창에 의해 두께 및 힘의 변화가 나타날 수 있다. 화성(formation) 단계에서 가스 발생이 도미넌트(dominant)하고, 전극 팽창도 일부 발생할 수 있고, 사이클(cycle) 단계에서 전극 팽창이 도미넌트(dominant)하고, 가스 발생도 일부 발생할 수 있다.
도 14는 이차전지의 화성(formation) 단계에서 두께 변화에 대한 힘의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 15는 이차전지의 사이클(cycle) 단계에서 두께 변화에 대한 힘의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 16은 이차전지의 화성(formation) 및 사이클(cycle) 단계에서 두께 변화에 대한 힘의 변화를 미분한 팽창 강성(expansion stiffness)(ES)을 계산한 결과를 보여주는 그래프이다. 팽창 강성(ES)은 포텐셜의 함수로 표현될 수 있다.
도 16을 참조하면, 화성(formation) 단계 및 사이클(cycle) 단계에서 팽창 강성(ES)의 특성이 다르게 나타난다. 여기서, 화성(formation) 구간은 이차전지를 0.1 C의 C-rate로 포밍(forming)하는 구간이고, 사이클(cycle) 구간은 이차전지를 0.5 C의 C-rate로 충전하는 구간이다. 팽창 강성(ES) 값을 비교한 결과, 가스가 주로 발생될 경우 팽창 강성(ES) 값 감소가 나타나면서 화성 구간에서의 팽창 강성(ES) 값이 약 0.2 N/㎛ 이하에서 관찰되었다. 반면, 화성에서 많은 양의 가스가 발생된 이후의 사이클 구간에서는 화성에서와 같은 팽창 강성(ES) 값의 감소는 나타나지 않으며, 팽창 강성(ES) 값의 증가가 3.8 V 근처에서 최대값을 나타낸다. 사이클 구간에서는 팽창 강성(ES) 값이 약 0.4 N/㎛ 이상으로 나타났고, 팽창 강성(ES)의 최대값은 약 0.6 N/㎛ 이상이었다.
따라서, 이차전지의 팽창 강성(ES)을 측정함으로써, 가스 발생의 영향 및 전극 팽창의 영향을 비파괴 방식으로 평가할 수 있다. 또한, 충방전 사이클이 진행되면서 소재의 열화가 진행됨에 따라 발생하는 전극의 특성 변화 및 가스 발생의 특성 변화를 팽창 강성(ES) 특성을 통해 평가할 수 있다. 아울러, 이차전지의 팽창 강성(ES) 특성은 이차전지의 외장 케이스의 기계적 강도 등 설계 인자를 결정하는데 사용될 수도 있다.
도 17a는 이차전지의 화성(formation) 구간에서의 팽창 강성(ES) 특성을 보여주고, 도 17b는 화성 이후 사이클(cycle) 구간에서의 팽창 강성(ES) 특성을 보여주고, 도 17c는 이차전지의 용량이 80% 이하로 감소된 EOL(end-of-life) 이후의 팽창 강성(ES) 특성을 보여준다.
도 17a 및 도 17b는 각각 도 16의 화성(formation) 및 사이클(cycle) 구간에서의 그래프와 동일하다. 도 17a와 같은 화성 구간에서, 가스가 주로 발생하는 경우, 팽창 강성(ES)은 약 0 내지 0.2 N/㎛ 정도일 수 있다. 도 17b와 같은 사이클 구간에서, 전극 팽창에 의한 특정 포텐셜에서의 최대 팽창 강성(ES) 값은 약 1.0 N/㎛ 이하일 수 있다. 이와 같이, 가스 발생에 의한 팽창시 ES의 변화와 전극 팽창에 의한 ES의 변화는 확연한 차이를 보여주므로, 가스 발생과 전극 팽창을 구분할 수 있다.
도 17c를 참조하면, 이차전지의 용량이 80% 이하로 감소된 EOL(end-of-life) 이후의 팽창 강성(ES) 특성은 화성(formation) 구간에서의 팽창 강성(ES) 특성과 유사한 경향을 보일 수 있다. 따라서, 팽창 강성(ES) 특성은 이차전지의 열화 상태를 평가하는데 활용될 수 있다. 예컨대, 이차전지의 열화시, 가스의 발생 시점을 탐지하는데 사용될 수 있다.
도 18a는 이차전지의 충방전 사이클 초기 상태에서의 팽창 강성(ES) 특성을 보여주고, 도 18b는 이차전지의 열화 상태에서 사이클 구간에서의 팽창 강성(ES) 특성을 보여준다. 초기 상태(도 18a)에서 이차전지의 용량은 31 mAh 였고, 열화 상태(도 18b)에서 이차전지의 용량은 19.4 % 감소된 25 mAh 였다. 초기 상태는 10 cycles 단계이고, 열화 상태는 150 cycles 단계였다.
도 18a의 초기 상태에서 팽창 강성(ES)의 최대값은 0.85 N/㎛로 나타났고, 도 18b의 열화 상태에서 팽창 강성(ES)의 최대값은 0.48 N/㎛로 나타났다. 팽창 강성(ES)의 최대값이 약 45 % 감소된 것을 알 수 있다. 따라서, 팽창 강성(ES) 특성은 이차전지의 열화 상태를 평가하는데 활용될 수 있다.
본원의 실시예에 따른 대상물의 변형 강성 측정 방법은 앞서 설명한 바에 기초하여 이해될 수 있다. 정리하면, 변형 강성 측정 방법은 대상물의 부피 변화에 의해 상기 대상물의 두께 방향으로 발생하는 힘의 변화를 측정하고, 이와 동시에, 상기 대상물의 부피 변화에 의한 두께 변화를 측정하는 단계 및 상기 두께 변화에 대한 상기 힘의 변화를 미분한 변형 강성(deformation stiffness)(DS)을 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 변형 강성은 상기 대상물의 부피 팽창에 의해 발생하는 팽창 강성(expansion stiffness)(ES)을 포함할 수 있다.
상기 변형 강성은 아래의 수학식과 같이 표현될 수 있다.
여기서, F는 상기 대상물의 두께 방향으로 발생하는 힘이고, h는 상기 대상물의 두께이다.
상기 대상물은 이차전지를 포함할 수 있고, 상기 측정 방법은 상기 이차전지를 충전 또는 방전하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 측정 방법은 상기 대상물의 온도를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따른 변형 강성 측정 장치 및 방법은 이차전지(배터리)가 실제 사용되는 환경에서 충방전 사이클에 따라 실시간으로 배터리의 변화하는 두께와 힘을 동시에 측정하여 얻어지는 팽창/수축 강성을 이용하는 기술일 수 있다. 팽창 강성 측정을 통해 배터리 내부의 가스 발생 및 전극 팽창/수축을 비파괴적으로 탐지하고 구분할 수 있다. 또한, 충방전 사이클 진행에 따른 전지의 열화 상태를 평가할 수 있다. 실시예에 따르면, 배터리 팽창의 원인 규명이 가능할 수 있다. 즉, 전해액이나 SEI 분해에 의한 가스 발생과 전극 팽창 기인 요소를 구별할 수 있다. 또한, 충방전 사이클 동안 발생될 수 있는 가스 탐지를 통해 셀의 스웰링(swelling) 특성을 평가할 수 있다. 예를 들어, 양극의 니켈(Ni) 함량에 따른 가스 발생 정도를 평가할 수 있고, 음극의 실리콘(Si) 함량에 따른 부피 팽창 정도를 평가할 수 있다. 또한, 배터리 열화시, 용량유지율(capacity retention ratio)(CRR) 변화보다 좀 더 확연한 차이를 보이는 전극의 팽창 강성(ES) 변화를 통한 열화 진단이 가능할 수 있다.
특히, 실시예에 따르면, 전고체(all-solid state) 전지 개발에 필요한 고탄성율 고분자 전해질의 충방전 사이클 및 온도 조건에 따른 팽창 강성 값을 측정할 수 있고, 이러한 데이터는 전기적 단락(electric short) 현상 지연과 같은 전지 안전성에 관한 지표로 사용될 수 있다.
또한, IT(information technology) 기기의 소형 이차전지뿐 아니라, 전기 자동차, 에너지 저장 시스템에 사용되는 중/대형 이차전지의 개발이 요구되고 있고, 고용량/장수명의 이차전지의 개발이 요구되고 있다. 이러한 이차전지의 연구 및 개발에 실시예에 따른 측정 장치 및 방법이 유용하게 활용될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 측정 장치 및 방법은 이차전지가 아닌 다른 대상물(재료)에도 적용될 수 있다. 주위 환경(온도 및 습도)에 따라 다양한 크기와 모양으로 변형을 일으킬 수 있는 다양한 연성 생체 재료인 형태 변형 고분자 재료가 혈관 질환의 치료 목적으로 사용될 경우, 팽창 강성 측정을 통해 혈관이 견딜 수 있는 재료의 가교도(degree of cross-linking) 및 팽윤도(degree of swelling) 등을 평가할 수 있다.
또한, 유무기 복합체 또는 적층 소자에 사용되는 무기 재료 기판과 유기 재료의 열팽창률이 상이함에서 발생하는 뒤틀림(warpage) 현상의 근본 원인을 파악하고, 이러한 현상을 제거하는데 필요한 무기/유기 재료의 요구 조건을 파악하는데, 실시예에 따른 측정 장치 및 방법을 활용할 수 있다.
대상물(배터리 셀)에 대한 가압력(applied pressure) 조건 하에서, 일정하게 고정된 두께(간격)에서 측정되는 압력 변화는 배터리 셀이 맞닿게 되는 카트리지 프레임이나 외장 케이스, 파우치에 필요한 물리적 강도 데이터를 결정하는 용도로만 사용될 수 있다. 이러한 고정된 두께(간격)의 억압 조건 하에서 측정된 힘의 변화는 배터리 셀의 자율적인 팽창/수축에 대한 기본 데이터는 제공할 수 없다. 즉, 배터리 셀을 구성하고 있는 재료가 충방전 사이클이 진행됨에 따라 변화하는 물성을 평가하는 것은 불가능하다. 그러나, 본원의 실시예에 따르면, 대상물(배터리 셀)의 두께 변화를 비교적 자유롭게 허용하면서, 대상물의 힘과 두께의 변화를 동시에 측정하고, 이로부터 변형 강성(DS)을 측정하므로, 대상물(배터리 셀)의 대체로 자율적인 팽창/수축에 대한 데이터를 얻을 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 5 내지 도 11을 참조하여 설명한 변형 강성 측정 장치 및 관련 방법은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 대상물로서 이차전지뿐 아니라 다양한 재료 및 소자를 적용할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
100, 102 : 베이스부 110, 112 : 받침대
120, 122 : 대상물 130, 132 : 이동부재
140, 142 : 고정부재 150, 152 : 힘 검출센서
160 : 지지체 170 : 무게추
180, 182 : 두께 센서 300 : 데이터 처리부
N10, N12 : 너트 P10, P12, P20 : 지지 기둥
100, 102 : 베이스부 110, 112 : 받침대
120, 122 : 대상물 130, 132 : 이동부재
140, 142 : 고정부재 150, 152 : 힘 검출센서
160 : 지지체 170 : 무게추
180, 182 : 두께 센서 300 : 데이터 처리부
N10, N12 : 너트 P10, P12, P20 : 지지 기둥
Claims (17)
- 대상물의 부피 변화에 의해 상기 대상물의 두께 방향으로 발생하는 힘의 변화를 측정하도록 구성된 힘 측정수단;
상기 대상물의 부피 변화에 의한 두께 변화를 측정하도록 구성된 두께 측정수단; 및
상기 두께 변화에 대한 상기 힘의 변화를 미분한 변형 강성(deformation stiffness)을 측정하도록 구성된 데이터 처리부;를 포함하는,
대상물의 변형 강성 측정 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 변형 강성은 상기 대상물의 부피 팽창에 의해 발생하는 팽창 강성(expansion stiffness)을 포함하는, 대상물의 변형 강성 측정 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 대상물이 놓여지는 받침대;
상기 대상물 위에 배치되어 상기 대상물의 부피 변화에 따라 이동될 수 있는 이동부재;
상기 이동부재 위에 배치된 고정부재;
상기 이동부재와 상기 고정부재 사이에 배치된 힘 검출센서; 및
상기 대상물의 두께 변화를 측정하는 두께 센서;를 포함하는, 대상물의 변형 강성 측정 장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 대상물과 상기 두께 센서 사이에 배치된 무게 인가 부재(weight-applying member)를 더 포함하는, 대상물의 변형 강성 측정 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 대상물의 제1 영역 상에 상기 이동부재, 상기 힘 검출센서 및 상기 고정부재가 배치되고,
상기 대상물의 상기 제1 영역과 이격된 제2 영역 상에 상기 무게 인가 부재 및 상기 두께 센서가 배치되는, 대상물의 변형 강성 측정 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 면적은 동일하거나 실질적으로 동일하고,
상기 제1 영역에 측정 초기에 인가된 힘과 상기 제2 영역에 측정 초기에 인가된 힘은 동일하거나 실질적으로 동일한, 대상물의 변형 강성 측정 장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 이동부재와 상기 고정부재에 홀(hole)이 형성되고,
상기 힘 검출센서는 중앙에 개구를 갖는 도넛 형상을 가지며,
상기 두께 센서는 상기 홀과 상기 개구를 통해 상기 대상물의 두께 변화를 측정하도록 구성된, 대상물의 변형 강성 측정 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 두께 센서는 상기 대상물에 직접 접촉하여 두께 변화를 측정하는, 대상물의 변형 강성 측정 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 대상물과 상기 두께 센서 사이에 배치된 무게 인가 부재(weight-applying member)를 더 포함하는, 대상물의 변형 강성 측정 장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 이동부재의 가장자리 영역에 복수의 상기 힘 검출센서가 배치되고,
상기 복수의 힘 검출센서에 대응하는 복수의 상기 고정부재가 배치되며,
상기 이동부재의 중앙부 혹은 그와 인접한 영역에 홀(hole)이 형성되고,
상기 두께 센서는 상기 홀을 통해 상기 대상물의 두께 변화를 측정하도록 구성된, 대상물의 변형 강성 측정 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 대상물은 이차전지를 포함하고, 상기 측정 장치는 상기 이차전지의 충방전을 위한 충방전 장치를 더 포함하는, 대상물의 변형 강성 측정 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 대상물과 상기 힘 측정수단 및 상기 두께 측정수단은 온도 조절이 가능한 챔버 내에 구비되는, 대상물의 변형 강성 측정 장치. - 대상물의 부피 변화에 의해 상기 대상물의 두께 방향으로 발생하는 힘의 변화를 측정하고, 이와 동시에, 상기 대상물의 부피 변화에 의한 두께 변화를 측정하는 단계; 및
상기 두께 변화에 대한 상기 힘의 변화를 미분한 변형 강성(deformation stiffness)을 측정하는 단계;를 포함하는, 대상물의 변형 강성 측정 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 변형 강성은 상기 대상물의 부피 팽창에 의해 발생하는 팽창 강성(expansion stiffness)을 포함하는, 대상물의 변형 강성 측정 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 변형 강성은 아래의 수학식과 같이 표현되는, 대상물의 변형 강성 측정 방법.
수학식:
여기서, F는 상기 대상물의 두께 방향으로 발생하는 힘이고, h는 상기 대상물의 두께이다. - 제 13 항에 있어서,
상기 대상물은 이차전지를 포함하고, 상기 측정 방법은 상기 이차전지를 충전 또는 방전하는 단계를 더 포함하는, 대상물의 변형 강성 측정 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 측정 방법은 상기 대상물의 온도를 조절하는 단계를 더 포함하는, 대상물의 변형 강성 측정 방법.
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