KR20200050697A - 두께 및 절연전압 측정을 연속적으로 수행할 수 있는 전지셀 검사 장치 - Google Patents

두께 및 절연전압 측정을 연속적으로 수행할 수 있는 전지셀 검사 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전지셀의 검사 장치 및 전지셀의 두께 및 절연전압 측정 방법에 관한 것으로, 전지셀을 고정할 수 있는 네스트; 두께 측정판 및 두께 측정 프로브를 포함하는 두께 측정모듈; 절연전압 측정 프로브, 전압 계측장치를 포함하는 절연전압 측정 모듈; 상기 두께 측정 모듈 및 상기 절연전압 측정 모듈의 동작을 연속적으로 제어하고, 전지셀의 두께 및 절연 전압을 산출하는 제어 모듈; 및 상기 전지셀 검사 장치를 작동시키는 스위치; 를 포함하여, 전지셀의 두께 및 절연전압을 연속적으로 측정함으로써 공정에 소모되는 시간 비용을 줄이고 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다.

Description

두께 및 절연전압 측정을 연속적으로 수행할 수 있는 전지셀 검사 장치{A Battery cell inspection device capable of continuously performing thickness and insulation voltage measurement}
본 발명은 전지셀 검사 장치에 관한 것으로, 구체적으로 전지셀의 두께 및 절연 전압의 측정을 연속적으로 수행할 수 있는 전지셀 검사 장치에 관한 것이다.
화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격이 상승하고, 환경오염에 대한 관심이 증폭되면서 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있고, 특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 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 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
일반적으로, 이차전지는 집전체의 표면에 전극활물질을 포함하는 전극 합제를 도포하여 양극과 음극을 구성하고 그 사이에 분리막을 개재하여 전극조립체를 만든 후, 원통형 또는 각형의 금속 캔이나 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 장착하고, 상기 전극조립체에 주로 액체 전해질을 주입 또는 함침시키거나 고체 전해질을 사용하여 제조된다.
또한 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 분리막 시트로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
한편, 전극은 이온의 교환을 통해서 전류를 발생시키는데, 전극을 이루는 양극 및 음극은 금속으로 이루어진 전극 집전체에 전극 활물질이 도포된 구조로 이루어진다.
일반적으로 음극은 구리 또는 알루미늄 등으로 이루어진 전극판에 탄소계 활물질이 도포된 구조로 이루어지고, 양극은 알루미늄 등으로 이루어진 전극판에 LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2 등으로 이루어진 활물질이 코팅된 구조로 이루어진다.
이렇게 양극 또는 음극을 제조하기 위해 한쪽 방향으로 긴 금속시트로 이루어진 전극 집전체에 전극 활물질을 포함하는 전극 합제를 도포한다.
분리막은 전지의 양극과 음극 사이에 위치하여 절연을 시키며, 전해액을 유지시켜 이온전도의 통로를 제공한다.
이러한 이차전지는 이차전지는 전류와 물질 사이의 산화환원과정이 다수 반복 가능한 소재를 사용하여 제조되는 재충전식 전지로서, 전류에 의해 소재에 대한 환원반응이 수행되면 전원이 충전되고, 소재에 대한 산화반응이 수행되면 전원이 방전되는데, 이와 같은 충전-방전이 반복적으로 수행되면서 전기가 생성되게 된다.
한편, 이차전지의 생산과정에서 가장 중요한 것 중의 하나는 요구되는 성능과 안전성 등을 제공하는지 여부를 확인하는 품질 관리이다. 이러한 품질관리는 전지 제조가 완료되는 시점인 엔드 오브 라인(End of Line, EOL)에서 주로 이루어지며, 상기 품질 관리란 이차전지가 제대로 충방전 성능이 있는지를 잘 판단하여 양품을 생산하는 한편, 불량품을 선별해 내는 것이다. 상기 이차 전지의 특성을 평가하는 데는 여러 가지 변수가 있으며, 일 예로 전지셀의 두께 및 절연 전압이 있다.
전지셀의 두께는 이차전지의 구조적 특성에 의해 편차가 존재하며, 이는 조립 공정에서의 작업성에 영향을 크게 미치고 제품의 일관된 고품질을 달성하기 위하여 이차전지의 중요한 관리 특성이라고 할 수 있다
또한 배터리의 절연상태가 유지되지 않을 경우 누설전류가 발생하여 예상치 못한 배터리의 방전이나 전자기기의 오작동을 일으킬 수 있으며, 고전압 배터리를 사용하는 장치의 경우 사람에게 치명적인 감전 피해를 줄 수 있으므로 배터리의 절연 상태가 잘 유지될 필요가 있고, 절연 전압 또한 이차전지 관리에 있어 중요한 파라미터이다.
상기 이차전지의 품질 관리에 있어서, 종래에는 각각의 품질 특성을 측정하기 위한 장비가 별도로 구비되어 있었다.
한국공개특허 10-2015-0092614호에서는, 배터리 제조 후 셀의 기능을 검사하는 단계를 거치는 과정이 개시되어 있다. 상기 셀의 기능을 검사하는 단계에서는 셀의 기능, 절연전압, 치수, 두께, 외관을 검사하는데, 이 때 한 가지 품질 특성 검사가 하나의 장치에서 완료될 경우 다른 품질 검사가 진행되는 별도의 장치로 셀을 반송시켜 셀을 검사하는 방법이 개시되어 있다. 예를 들어 절연 전압 및 두께를 검사할 경우, 절연 전압 측정 장치에서 전지셀의 절연 전압을 측정 후, 상기 전지셀을 두께 측정 장치로 반송하여 전지셀의 두께를 측정하는 방식이다.
상기와 같이 각각의 특성을 별도로 측정할 경우 공정에 소요되는 시간이 증가하고, 측정 설비가 대형화하여 전지셀 제조공정에 많은 비용이 소모되는 단점이 있었다.
따라서 상기와 같은 문제의 해결을 위한 기술 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서 엔드 오브 라인(EOL) 내의 절연전압 측정기와 두께 측정장치를 통합하여, 전지셀의 절연 전압과 두께를 연속적으로 측정함으로써 전지셀 제조 공정에 소요되는 시간과 비용을 감소시키고, 측정 설비의 사이즈를 줄일 수 있는 전지셀 검사 장치 및 전지셀 검사 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 전지셀의 두께 및 절연전압을 측정할 수 있는 전지셀 검사장치는,
전지셀을 고정할 수 있는 네스트;
두께 측정판 및 두께 측정 프로브를 포함하는 두께 측정모듈;
절연전압 측정 프로브, 전압 계측장치를 포함하는 절연전압 측정 모듈;
두께 측정 모듈 및 절연전압 측정 모듈의 동작을 연속적으로 제어하고, 전지셀의 두께 및 절연 전압을 산출하는 제어 모듈; 및
상기 전지셀 검사 장치를 작동시키는 스위치;
를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전지셀 검사장치에서, 상기 전지셀은 음극과 분리막, 양극이 교대로 적층된 상태로 파우치 내부에 밀봉된 파우치형 전지셀일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 네스트는 전지셀의 외면의 형상에 대응하도록 만입되어 있을 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전지셀 검사장치에서, 상기 두께 측정 프로브는 상기 네스트의 양측 상부에 이격된 상태로 위치할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전지셀 검사장치에서, 상기 두께 측정 모듈은 상기 두께 측정판 및 두께 측정 프로브가 하강하여 상기 전지셀에 접촉함으로써 상기 두께 측정 프로브가 상기 전지셀의 두께를 측정하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀 검사장치에서, 상기 절연전압 측정 프로브는 두께 측정 완료시 연속적으로 상기 제어 모듈에 의해 상기 전지셀의 테라스부로 전진하여 상기 전지셀의 전극 리드 중 어느 하나 및 파우치 내부의 금속층에 접촉할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전지셀 검사장치에서, 상기 절연전압 측정 프로브가 전지셀에 접촉하면 상기 전지셀에 전류가 인가되고 전압 계측장치가 이에 따른 전압을 측정하는 것일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전지셀 검사장치에서,
상기 제어 모듈은,
상기 두께 측정 프로브 및 절연전압 측정 프로브로부터 측정 데이터를 전송받는 데이터 입력부;
상기 전송받은 측정 데이터를 외부 모니터에 출력하는 데이터 출력부; 및
상기 두께 측정판, 상기 두께 측정 프로브 및 상기 절연전압 측정 프로브를 이동시킬 수 있는 동작 지시부; 를 포함하고,
상기 데이터 입력부, 데이터 출력부 및 동작 지시부는 상호 연동되어 있을 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전지셀 검사장치에서, 상기 제어 모듈은 측정된 값과 기준값 데이터를 비교하여 불량 여부를 판정하는 판정부 및 공정에 불량이 발생할 경우 이를 경고하는 경고부를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전지셀 검사장치에 있어서, 스위치가 작동하면, 상기 제어 모듈의 동작 지시부로부터 두께 측정을 위한 제 1 제어 신호가 두께 측정 모듈로 전송되며, 상기 두께 측정 모듈이 상기 제 1 제어 신호를 전송받는 직후에 두께 측정판 및 두께 측정 프로브가 이동하여 전지셀의 두께가 측정되고,
상기 두께 측정 프로브로부터 얻어진 전지셀의 두께 데이터는 데이터 입력부에 입력되고, 이어서 상기 데이터 출력부로 전송되는 것일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전지셀 검사장치에서, 상기 전지셀의 두께 데이터가 데이터 입력부에 입력되는 직후에 절연전압 측정 프로브의 이동을 위한 제 2 제어 신호가 동작 지시부에서 절연 전압 측정 모듈로 전송될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지셀 검사장치에서, 상기 절연 전압 측정 모듈이 제 2 제어 신호를 전송받는 직후에 절연전압 측정 프로브가 이동하여 전지셀의 절연 전압이 측정될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지셀 검사장치에서, 상기 절연전압 측정 프로브로부터 얻어진 전지셀의 절연전압 데이터는 데이터 입력부에 입력되고 이어서 데이터 출력부로 전송될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전지셀의 두께 및 절연전압 측정방법은,
전지셀을 상기 전지셀 검사 장치에 안착시키는 단계;
상기 전지셀 검사 장치를 작동시켜 상기 전지셀의 두께를 측정하는 단계; 및
상기 전지셀의 두께를 측정하는 단계에 대해 연속적으로 상기 전지셀의 절연 전압을 측정하는 단계;
를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 절연 전압 검사 장치와 두께 측정 장치를 통합하여, 전지셀의 두께와 절연 전압을 연속적으로 측정함으로써, 한 번의 조작만으로 상기 품질 특성을 검사할 수 있으므로 측정에 소모되는 시간이 단축되고, 설비의 크기 및 수가 감소되는 바 비용을 절약할 수 있다는 장점이 있다. 이로써 전체적인 전지셀 제조공정에 소모되는 시간과 비용을 절약할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 검사장치의 개념을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지셀 검사장치의 개념을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전지셀 검사 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도
도 4는 두께 측정시 유압 실린더가 사용되는 전지셀 검사 장치의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 5는 두께 측정시 전기 모터 및 이에 연동된 부품이 사용되는 전지셀 검사 장치의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전지셀 검사 장치의 네스트의 형태를 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명에 따른 단차가 형성된 네스트의 형태를 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명에 따른 전지셀의 두께 및 절연 전압을 측정하는 단계를 나타낸 순서도이다.
도 9는 본 발명에 따른 전지셀 검사장치에서 검사 대상으로 사용될 수 있는 파우치형 이차전지의 구조를 나타낸 모식도이다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시양태에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물 및 변형예가 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 「연결」되어 있다고 할 때, 이는 「직접적으로 연결되어 있는 경우」뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 「전기적으로 연결」되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 용어 「약」, 「실질적으로」 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용 오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로서 사용되고 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 「이들의 조합(들)」의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
이하 본 발명을 자세히 설명한다.
일반적으로 이차 전지는, 전극조립체, 전극조립체로부터 연장되어 있는 전극탭들, 전극탭들에 용접되어 있는 전극 리드, 및 전극조립체를 수용하는 전지케이스를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
상기 전지 케이스 내부에는 금속층이 존재하는데, 상기 금속층과 전극 사이의 저항을 절연저항이라고 하며, 상기 금속층과 전극 사이에서 검출되는 전압을 절연 전압이라고 하며, 상기 금속층과 전극리드와의 절연 전압 측정을 통해 검사 대상 전지셀의 손상 없이 전지셀의 절연성 불량 여부를 확인할 수 있다. 상기 절연성에 불량이 발생하는 것은 상기 라미네이트 시트의 금속층이 상기 전극 리드와 전기적 접속 상태에 놓이거나, 전지 케이스의 내부구조가 파괴되기 때문이다. 이와 같은 상태가 지속될 경우 금속층의 부식이 커지고 누전이 발생하는 등의 문제가 야기될 수 있는바, 상기 절연 전압 측정 모듈을 통한 절연 전압 측정으로 인해 상기와 같은 문제가 발생한 불량품을 미리 판별할 수 있다.
아울러, 상기와 같이 전지셀의 내부 구조가 손상될 경우 부반응으로 인한 기체 발생 등으로 인하여 전지셀이 팽창하여 두께가 커질 수 있으므로, 두께 측정 또한 불량품 판정을 위한 기준이 될 수 있다.
이에 본 발명에서는 더욱 효율적인 전지셀 검사가 가능하도록 전지셀의 두께 및 절연전압을 연속적으로 측정할 수 있는 전지셀 검사 장치 및 방법을 개시한다.
이하 본 발명에 따른 전지셀 검사장치에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 검사장치의 개념을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀 검사장치(100)는 전지셀(110)을 고정할 수 있는 네스트(120); 두께 측정판 및 두께 측정 프로브를 포함하는 두께 측정 모듈(130); 절연전압 측정 프로브, 전압 계측장치를 포함하는 절연전압 측정 모듈(140); 상기 두께 측정 모듈(130) 및 절연전압 측정 모듈(140)의 동작을 연속적으로 제어하고 전지셀(110)의 두께 및 졀연전압을 산출하는 제어 모듈; 및 상기 전지셀 검사 장치(100)를 작동시키는 스위치(160); 를 포함한다.
구체적으로, 상기 네스트(120)는 검사 대상 전지셀(110)을 안착시키고, 검사 과정 중에 전지셀(110)이 이동하여 접촉 중인 프로브(두께 측정 프로브 및 절연 전압 측정 프로브)들이 전지셀(110)로부터 분리되지 않도록 함으로써 검사 중에 오차가 발생할 가능성을 차단시킬 수 있다. 특히 네스트(120)에 검사 대상 전지셀(110)이 지지된 후 프로브를 접촉시키게 될 경우 접촉 신뢰성과 지지력이 높아지게 되므로 두께 및 절연전압 검사를 더욱 효율적으로 수행할 수 있게 된다.
상기 두께 측정 모듈(130)은 절연전압 검사에 앞서 두께를 측정하는 두께 측정 프로브 및 전지셀의 상부에 위치하는 두께 측정판을 포함하며, 상기 두께 측정판이 네스트에 고정된 상태의 전지셀(110)을 가압하여 두께 측정 프로브가 두께 측정판과 네스트(120) 사이의 간격을 측정하는 방식으로 전지의 두께를 측정하므로, 하나의 두께 측정 모듈(130)을 이용하여 다양한 형태 및 크기를 갖는 전지셀(110)의 두께를 용이하게 측정할 수 있어 공정 효율성 및 경제성이 향상될 수 있다.
상기 절연 전압 측정 모듈(140)은 두께 측정이 완료됨과 동시에 연속적으로 검사 대상 전지셀(110)의 절연 전압을 측정한다. 두께 측정이 완료된 후 별도의 절연 전압 측정 장치로 전지셀(110)을 반송함이 없이 전지셀(110)이 검사 장치에 고정된 상태 그대로 바로 절연 전압을 측정할 수 있으므로 기존의 검사 방법에 비해 시간과 비용 면에서 효율적이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 전지셀 검사 장치(100)는 전지셀(110)의 두께와 절연전압을 연속적으로 측정하므로, 두께 측정 모듈(130)과 절연 전압 측정 모듈(140)의 유기적인 연계가 중요하다. 상기 제어 모듈(150)은 두께 측정 모듈(130) 및 절연전압 측정 모듈(140)의 동작을 연속적으로 제어하도록 신호를 송신 또는 수신하고, 전지셀(110)의 두께 및 졀연전압 데이터를 입력 및 산출하는 역할을 담당한다.
구체적으로, 상기 제어 모듈(150)은 상기 두께 측정 프로브 및 절연 전압 측정 프로브로부터 두께 데이터 및 절연전압 데이터를 전송받는 데이터 입력부(151); 상기 전송받은 데이터를 외부 모니터(154)에 출력하는 데이터 출력부(152); 및 상기 두께 측정판, 상기 두께 측정 프로브 및 상기 절연전압 측정 프로브를 이동시킬 수 있는 동작 지시부(153); 를 포함한다.
상기 제어 모듈(150)을 구성하는 데이터 입력부(151), 데이터 출력부(152) 및 동작 지시부(153)는 상호 연동되어 있는바, 상호 간에 유기적으로 작동하여 신호를 송신 또는 수신받음으로써 전지셀(110)의 두께 및 절연 전압을 측정한다.
구체적으로, 전지셀 검사 장치(100)의 스위치(160)가 작동하면, 두께 측정 모듈(130)과 제어 모듈(150)이 연결되고, 제어 모듈(150)의 동작 지시부(153)에서 두께 측정을 위한 제 1 제어 신호가 두께 측정 모듈(130)로 전송된다. 상기 두께 측정 모듈(130)이 상기 제 1 제어 신호를 전송받은 직후에 두께 측정판 및 두께 측정 프로브가 하강하여 전지셀(110)의 두께가 측정된다.
상기 두께 측정 프로브로부터 얻어진 전지셀의 두께 데이터는 전기적인 신호 형태로 데이터 입력부(151)에 전송되고, 데이터 입력부(151)에서 상기 두께 데이터를 데이터 출력부(152)로 전송한다. 상기 전기적인 신호 형태의 두께 데이터는 데이터 출력부(152)에서 디지털 형태의 데이터로 환산되어 외부 모니터(154)로 출력된다.
동시에, 상기 두께 데이터가 데이터 입력부(151)에 입력되는 직후에, 데이터 입력부(151)에서는 이에 대응하는 신호를 동작 지시부(153)로 전송하고, 이를 전송받은 상기 동작 지시부(153)에서는 절연전압 측정 프로브의 이동을 위한 제 2 제어 신호를 절연전압 측정 모듈(140)로 전송한다.
두께 측정 과정과 마찬가지로, 상기 절연전압 측정 모듈(140)이 제 2 제어 신호를 전송받은 직후에 절연 전압 측정 프로브가 이동하여 전지셀의 절연 전압이 측정되며, 상기 절연전압 측정 프로브로부터 얻어진 전지셀의 절연전압 데이터는 데이터 입력부(151)에 입력되고 이어서 데이터 출력부(152)로 전송된다.
상기 데이터 출력부와 연결된 외부 모니터는 상기 두께 데이터 및 절연 전압 데이터를 표시한다.
또한 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지셀 검사장치(200)의 개념을 개략적으로 나타낸 블록도로서, 도 2를 참조하면, 상기 제어 모듈(250)은 판정부(255)를 더 포함할 수 있다. 상기 판정부(255)에서는 두께 및 절연 전압에 대한 기준값 데이터를 미리 데이터베이스화하여 저장하고, 측정된 값을 입력받아 상기 기준값 데이터와 비교함으로써 전지셀(210)의 불량 여부를 판단할 수 있게 된다.
또한 상기 제어 모듈(250)은 공정에 불량이 발생할 경우 이를 경고하는 경고부(256)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로브와 전지셀(210) 사이에 접촉 불량이 발생하여 상기 두께 측정 프로브 또는 절연전압 측정 프로브로부터 일정 시간 이상 데이터 전송이 되지 않은 경우 데이터 입력부(251)는 다시 동작 지시부에(253) 신호를 전송하고, 상기 동작 지시부(253)는 상기 제어 신호(제 1 제어 신호 또는 제 2 제어 신호)를 두께 측정 모듈(230) 또는 절연전압 측정 모듈(240)로 전송한다. 상기 과정이 반복되었음에도 불구하고 접촉 불량 문제가 해결되지 않을 경우 데이터 입력부(251)는 데이터 출력부(252)로 경고 신호를 전송하고 이는 경고부(256)로 전달되어 문제 사실을 시각적 또는 청각적으로 경고할 수 있도록 할 수 있다.
마찬가지로, 전지셀(210) 내부에 구조적인 결함이 발생하여 두께 또는 절연전압 측정값이 기준값 데이터에 미치지 못하여 불량 판정을 받은 경우에도 상기 경고부(256)는 판정부(255)로부터 신호를 받아 경고 알람을 발생시킬 수 있다. 이 때 절연전압 측정에 앞서 전지셀(210)의 두께를 측정하는 단계에서, 두께 데이터가 기준값에 미달할 경우 절연전압 측정에 앞서 상기 경고부(256)가 판정부(255)로부터 신호를 받아 경고를 함으로써 미리 불량품을 판정할 수 있다.
예를 들어 절연 전압의 경우, 검사 대상 전지셀이 양품이라면 상기 전지셀의 저항값은 이상적인 무한대의 값이 되므로, 상기 저항값은 수백MΩ 이상의 큰 값이 얻어지며, 이에 따라 검출되는 절연 전압은 매우 작을 것이며, 반대로 전지 케이스의 금속층과 전극 리드가 통전되어 절연성이 파괴된 경우에는 큰 전압이 검출될 것이다. 상기 절연 전압의 기준값 데이터는 각 제품에 따라 변동될 수 있으며, 예를 들어 1V 미만, 또는 0.5V 미만의 절연전압 검출시 양품으로 판정되도록 기준값 데이터를 설정할 수 있다.
상기 경고부(256)는 LED, LCD, 알람 경보기 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 경고부(256)는 LED를 점멸하거나 LCD에 경고 메시지를 출력하거나 알람 부저음을 발생시켜 사용자에게 공정 불량이 발생한 사실을 경고할 수 있다. 또한, 상기 경고부(256)는 상기 제어 모듈(250)과 연결된 외부 디바이스에 포함될 수 있다. 하지만 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다. 또한, 상기 LED, LCD 및 알람 경보기는 상기 경고부(256)의 일 예시에 불과하며, 여러 가지 변형된 형태의 시각적 또는 청각적 알람 장치가 경고부(256)로 채용될 수 있다는 것은 통상의 기술자에게 자명하다.
상기 판정부(255) 및 경고부(256)는 상기 데이터 입력부(251), 데이터 출력부(252) 및 동작 지시부(253)와 상호 연동되어 있다.
다음으로 본 발명에 따른 전지셀 검사 장치의 두께 측정 모듈, 절연전압 측정 모듈 및 네스트의 구조에 대해 자세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 전지셀 검사 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이며, 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 전지셀 검사장치의 두께 측정 모듈 및 절연전압 측정 모듈의 구조를 더욱 상세하게 나타낸 모식도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀 검사 장치(300)에서, 두께 측정 모듈(330)은 두께 측정판(331) 및 두께 측정 프로브(332)를 포함하며, 절연 전압 측정 모듈(340)은 절연 전압 측정 프로브(341, 342) 및 전압 계측기(343)를 포함한다. 상기 두께 측정판(331), 두께 측정 프로브(332) 및 절연 전압 측정 프로브(341, 342)는 각각 두께 및 절연 전압 측정시 전지셀(310)에 접근하도록 이동할 수 있으며, 이러한 이동은 유압 실린더 또는 기타 전기 모터 등 여러 방법을 통해 가능하다.
상기 두께 측정판(331)은 자유롭게 상승 또는 하강하여 전지셀(310)에 접촉하여 전지셀(310)을 일정 압력으로 가압할 수 있다. 상기 두께 측정판(331)은 각각 두께 측정 과정에서 휘어지지 않는 강성을 갖는 판으로 형성될 수 있다. 또한 상기 두께 측정판(331)은 전지셀의 일 측면을 고르게 가압할 수 있도록 평평한 구조이며, 전지셀(310)의 면적보다 넓게 구성되어 있다.
상기 두께 측정 프로브(332)는 두께 측정판(331)의 양측부에 설치됨으로써, 전지셀(310) 양단부의 두께를 측정할 수 있도록 네스트(320)의 양측 상부에 이격된 상태로 위치하게 된다.
구체적으로, 도 4는 두께 측정시 유압 실린더가 사용되는 전지셀 검사 장치의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 4를 참조하면, 상기 유압 실린더(433)는 외부로부터 공압을 공급받아 상하 방향으로 이동하며, 상기 실린더(433)로 공급되는 공압을 조절하기 위하여 상기 제어 모듈(250)의 동작 지시부(253)와 연동될 수 있다. 유압 실린더(433)는 두께 측정판(431)의 위쪽에 장착되며, 그 로드(434)는 전지셀(410) 방향을 향하도록 유압 실린더(433)와 두께 측정판(431) 사이에 장착된다. 또한 상기 유압 실린더(433)의 로드(434)에는 상기 두께 측정판(431)이 바로 장착될 수 있으나, 압력을 정밀하게 조정하고 전지셀 가압시 전지셀에 가해지는 충격을 완만하게 전달하기 위하여 추가로 가압판(435)이 장착되어 있을 수 있다. 또한 상기 가압판(435)과 두께 측정판(431)은 압력 전달 부재(436)를 통해 연결될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 압력 전달 부재(436)로서 코일 스프링과 같은 탄성 부재를 복수 개 사용할 수 있는데, 이 경우 압력 전달 부재(436)의 일측은 가압판(435)에 접촉하고, 타측은 두께 측정판(431)에 접촉한다. 이 때 가압판(435)이 유압 실린더(433) 및 로드(434)의 이동에 의해 하강하게 되면 압력 전달 부재(436)로 사용되는 탄성 부재를 압축시키고, 이로 인한 탄성력이 두께 측정판(431)으로 전달될 수 있다.
또한 상기 두께 측정 모듈(430)에는 로드 셀(437)이 추가적으로 탑재될 수 있는데, 로드셀(437)은 상기 두께 측정 모듈(430)에 의해 전지셀(410)에 가해지는 압력을 감지하는 장비이다. 구체적으로 로드셀(437)은 유압 실린더(433)에 의해 전지셀(410)에 압력이 가해질 때의 압력을 측정하여 적절한 수준의 압력을 가할 수 있도록 하여, 전지셀(410)이 물리적으로 손상되지 않는 압력을 선정할 수 있도록 한다. 가압력이 지나치게 높은 경우 전지셀(410) 내의 전극이 탈리되거나 전지셀 용기의 외관이 손상되는 등 물리적 손상이 발생할 수 있기 때문이다. 상기 로드셀(437)은 상기 가압판(435) 및 두께 측정판(431) 사이에 위치하여 가압판(435)으로부터 가해지는 압력의 세기를 측정할 수 있다.
두께 측정 모듈(430)이 제어 모듈로부터 제 1 제어 신호를 받으면, 상기 유압 실린더(433)는 공압을 공급받아 로드(434)를 전지셀 방향으로 이동시키고, 궁극적으로 상기 두께 측정판(431) 또한 전지셀(410)을 향해 중력 방향(A방향)으로 하강을 시작하여, 전지셀(410)에 접촉하고, 일정 크기 압력을 가하게 되면 하강을 중지한다. 상기 압력은 전지셀(410)이 측정 과정에서 이탈하지 않도록 고정할 수 있는 정도면 충분하다. 상기 두께 측정판(431)이 하강을 종료하면, 두께 측정 프로브(432)가 두께 측정판(431)의 변위를 측정하여 두께 데이터를 얻게 된다.
도 5는 전기 모터 및 이에 연동된 부품이 사용되는 전지셀 검사 장치의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 5를 참조하면, 전지셀 검사 장치(500)의 두께 측정 모듈(530)에서 상기 두께 측정판(531)은 전기 모터 및 이에 연동된 부품의 기계적인 구동에 의해 상하로 이동할 수 있다. 구체적으로, 상기 가압판(533)의 상부에 가압 유도판(534)이 설치되어 있고, 상기 가압 유도판(534)에는 나사못 형태의 가압 부재(535)가 통과할 수 있도록 관통공이 형성되어 있다. 상기 관통공에는 나선형의 홈이 형성되어 있으므로, 가압 부재(535)가 나선형의 홈을 따라 회전할 경우에만 가압 부재(535)가 상부 또는 하부로 이동하게 된다. 상기 가압부재(535)가 회전하여 하부로 이동하면 가압 부재(535)가 가압판(533)에 대해 압력을 가하고, 상기 압력이 압력 전달 부재(536)를 통해 두께 측정판(531)으로 전달될 수 있다.
아울러 상기 두께 측정 모듈(530)에는 회전 구동력을 가압 부재(535)에 전달하기 위한 서브 모터가 설치되어 있어, 상기 나사못 형태의 가압 부재(535)가 상기 서브 모터로부터 전달받은 회전 구동력을 직진 구동력으로 전환하여 하부로 이동할 수 있다. 상기 서브 모터는 제어 모듈(250)의 동작 지시부(253)와 연동되어 있어 동작 지시부(253)에서 전송되는 신호에 따라 구동할 수 있다. 상기 가압 부재(535)가 하부로 이동할 경우 두께 측정판(531) 또한 전지셀(510)을 향해 중력 방향(A방향)으로 하강을 시작하여, 전지셀(510)에 접촉하고, 일정 크기 압력을 가하게 되면 하강을 중지한다. 상기 두께 측정판(531)이 하강을 종료하면, 두께 측정 프로브(532)가 두께 측정판(531)의 변위를 측정하여 두께 데이터를 얻게 된다. 상기 모터로부터 전달받은 회전 구동력을 직진 구동력으로 전환하는 방법은 상기 서술한 바에 구애받지 않으며, 통상의 기술자에 의해 기존 방법에서 자유롭게 채택될 수 있다.
또한 도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 절연전압 측정 모듈은 절연전압 측정 프로브(341, 342) 및 전압 계측장치(343)를 포함하고 있다(각 구성을 지시하는 부호는 도 3을 참조하여 표시).
상기 절연전압 측정 프로브(341, 342)는 전지케이스의 측면부분과 전극리드 중 어느 하나에 접촉할 수 있도록 두 개가 존재하며, 그 중 하나는 상기 전지케이스의 측면 부분에 수직한 방향으로 인접해 있고, 다른 하나는 전극리드(311)가 돌출된 방향에 나란한 방향으로 전극 리드(311)에 인접해 있다.
또한 두께 측정 이후 두께 측정판(331)은 절연 전압 측정 과정에서 상부로 되돌아가지 않고 전지셀(310)을 계속 고정하는데, 이는 전지셀(310)에 대한 안정적 지지력을 확보하여 절연전압 측정 중에 절연전압 측정 프로브(341, 342)가 전지셀로부터 떨어지는 것을 방지하기 위함이다.
아울러, 일반적인 절연전압 측정 프로브(341, 342)는 끝단이 뾰족한 형상을 취하고 있으나, 이 경우 파우치형 전지케이스 측면의 금속층과 점 형태로 접촉하게 되어 접촉 안정성이 떨어진다. 따라서 상기 프로브(341, 342)의 형태를 파우치 측면의 길이 방향에 대응하는 형상으로 구성하여, 상기 금속층과 절연전압 측정 프로브(341, 342)가 선접촉 또는 면접촉이 이루어지도록 하는 구조가 사용될 수도 있다.
상기 절연전압 측정 프로브(341, 342)가 이동하여 각각 전지케이스 측면의 금속층과 전극리드에 접촉하면, 절연전압 데이터를 제어 모듈(250)로 전달하게 된다.
구체적으로, 상술한 바와 같이 두께 측정 모듈(330)에서 두께가 측정되고 두께 데이터가 제어 모듈로 전송되면, 동작 지시부에서 제 2 제어 신호가 전송된다(상기 과정은 전술함). 그 결과 절연 전압 측정 프로브(341, 342)가 전지셀(310)의 테라스부로 전진(B방향)하여 전지케이스 측면의 금속층 및 전극 리드(311)에 접촉하고, 절연전압 측정 모듈(340)의 전압 계측기(343)가 상기 금속층과 전극 리드(311) 사이에서의 전압을 측정하고 절연 전압 데이터를 얻을 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 전지셀 검사장치의 네스트와 관련하여, 도 6 를 참조하면, 상기 네스트(600)는 전지셀의 외면의 형상에 대응하도록 만입되어 있는 구조일 수 있다. 즉 상기 만입된 부분의 단면은 전지셀의 단면의 형상과 일치할 수 있다.
추가적으로, 상기 네스트의 만입된 부분은 다양한 구조의 전지셀의 외면 형상에 대응하도록 계단 형상의 단차가 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 네스트(700)에서, 상기 계단 형상의 단차는 상기 네스트(700)의 만입 방향으로 형성될 수 있다. 이 때 상기 단차는 예를 들어 전지셀의 하부와 접촉되는 면의 중심 또는 그 꼭지점, 또는 일측변 모서리를 기준으로 다양하게 형성이 가능하며, 단차의 폭과 높이를 조합하여 다양한 형태의 전지셀의 두께 및 절연 전압을 측정할 수 있다. 특히, 전지셀의 모서리가 곡면으로 형성되어 있는 경우 이에 대응하여 단차의 모서리 또한 곡면으로 형성할 수도 있다.
또한 도 6 및 도 7과 같이, 상기 네스트(600, 700)에서 전지셀의 전극 리드가 돌출되어 있는 방향(A-A', 도 7에만 표시)은 절연전압 프로브의 이동 공간을 확보하기 위하여 단차 형상의 벽이 형성되기 않는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명에 따른 전지셀의 두께 및 절연전압을 측정하는 방법에 대해서 설명한다.
도 8은 본 발명에 따른 전지셀의 두께 및 절연 전압을 측정하는 단계를 나타낸 순서도이다.
도 8을 참조하면, 상기 전지셀의 두께 및 절연 전압을 측정하는 방법(800)은,
상기 전지셀을 본 발명에 따른 전지셀 검사 장치에 탑재하는 단계(S810);
상기 전지셀 검사 장치의 스위치를 작동하는 단계(S820);
상기 전지셀 검사 장치를 작동시켜 전지셀의 두께를 측정하는 단계(S830); 및
상기 전지셀의 두께를 측정하는 단계에 대해 연속적으로 상기 전지셀의 절연 전압을 측정하는 단계(S850); 를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전지셀의 두께 및 절연 전압을 측정하는 방법은, 전지셀의 두께 데이터 평가 단계(S840) 및 절연전압 평가 단계(S860)를 더 포함할 수 있다. 상기 전지셀의 두께 데이터 평가(S840) 단계 및 절연전압 평가 단계(S860)는 각각 두께 측정 단계(S830) 및 절연전압 측정 단계(S850) 직후에 시행될 수 있다.
또한 상기 전지셀 검사 장치를 작동시켜 전지셀의 두께를 측정하는 단계(S830); 는 두께 측정판 및 두께 측정 프로브를 하강시키는 단계; 및 두께 측정 프로브로부터 두께 데이터를 수득하는 단계;를 포함하고,
상기 연속적으로 전지셀의 절연전압을 측정하는 단계는 전지셀의 두께를 측정하는 단계에 대해 연속적으로 상기 전지셀의 절연 전압을 측정하는 단계; 는 절연전압 측정 프로브를 전지셀의 테라스부로 전진시켜 전극 리드 및 전지케이스의 금속층에 접촉시키는 단계; 및 전압 계측기로부터 절연전압 데이터를 수득하는 단계; 를 포함할 수 있다.
또한 상기 두께 데이터 평가 단계(S840) 및 절연 전압 데이터 평가 단계(S860)는 전지셀의 두께 및 절연 전압에 대한 기준값 데이터를 저장하는 단계; 측정된 두께 데이터 및 절연 전압 데이터를 기준값 데이터와 비교하는 단계; 및 불량품을 판정하는 단계; 를 포함할 수 있으며, 추가적으로 공정 불량시 사용자에게 경고하는 단계(S845, S865)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로 두께 측정 단계(S830)에서 얻어진 두께 데이터가 기준값에 미달하는 경우, 이를 사용자에게 경고하고 전지셀의 절연 전압 측정 없이 해당 전지셀의 검사를 종료할 수 있다. 만약 두께 데이터가 기준값을 충족하는 경우 해당 전지셀의 절연 전압 측정 단계(S850)를 진행하게 된다. 절연 전압 데이터 평가 단계(S860)는 상기 두께 데이터 평가 단계(S840)와 동일한 절차를 갖는다.
상기와 같이 전지셀의 두께 및 절연 전압을 연속적으로 측정하고, 각 단계에서 전지셀의 불량 여부를 판단함으로써 공정에 사용되는 설비를 축소할 수 있으며, 소모되는 시간을 단축시킴으로써 각 공정의 효율성을 향상시킬 수 있고, 이로써 전지셀의 성능 향상에 기여할 수 있다.
이하 본 발명에서 사용되는 전지셀에 대해 자세히 설명한다.
본 발명에 따른 상기 전지셀 검사 장치에서 사용되는 전지셀(900)은 그 형태 또는 종류에 제한은 없으나, 음극과 분리막, 양극이 교대로 적층된 상태로 파우치 내부에 밀봉된 파우치형 전지셀이 바람직하다.
도 9는 본 발명에 따른 전지셀 검사장치에서 검사 대상으로 사용될 수 있는 파우치형 이차전지의 구조를 나타낸 모식도이다.
구체적으로 파우치형 이차 전지는 그리드에 전극 활물질을 충전시킨 상태의 양극판 및 음극판을 포함하는 전극, 상기 양극판과 음극판 사이에 개재된 전해액이 함침되어 있는 분리막이 교대로 적층된 전극 조립체(910)를 구비하며, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 이때, 상기 양극판의 일측에는 양극탭(921)이 형성되고, 상기 음극판의 일측에는 음극 탭(922)이 형성되며, 상기 양극 탭(921) 및 음극 탭(922)은 일정한 간격을 두고 나란하게 배치된다. 상기 탭들은 각각 양극 리드(931)와 음극 리드(932)에 용접 등에 의해 전기적으로 연결됨으로써 외부 회로와 접속된다. 상기 전극조립체(910) 및 양극 리드(931)와 음극 리드(932)는 커버가 형성된 절연성 전지케이스(940)에 의해 밀봉된다. 이때, 상기 전극조립체(910)의 외부와의 전기적인 연결을 위하여 양극 리드(931)와 음극 리드(932)의 일부는 외부로 노출된 상태에서 전지케이스(940)에 의해 밀봉된다. 또한 양극 리드(931)와 음극 리드(932)의 상하면 일부에는 파우치와의 밀봉도를 높이고 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(950)이 부착될 수 있다.
상기 전지케이스(940)는 통상적으로 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 파우치형 이차전지는 전지케이스의 수납부에 전극조립체(910)를 내장하고 전해액을 주입한 후 전지케이스의 상부 라미네이트 시트와 하부 라미네이트 시트가 접하는 외주면을 열융착시키는 과정을 통해 제조된다.
상기 라미네이트 시트 구조의 전지케이스에 대해 보다 구체적으로 살펴보면, 밀봉을 위한 내부 실란트층, 물질의 침투를 방지하는 금속층, 및 케이스의 최외곽을 이루는 외부 수지층으로 구성되어 있다. 이중, 내부 실란트층은 전극조립체를 내장한 상태에서 인가된 열과 압력에 의해 상호 열융착되어 밀봉성을 제공하는 역할을 하며, 주로 CPP(무연신 폴리프로필렌 필름)로 이루어져 있다. 금속층은 공기, 습기 등이 전지의 내부로 유입되는 것을 방지하는 역할을 하며, 주로 알루미늄(Al)이 사용되고 있다. 또한, 외부 수지층은 외부로부터 전지를 보호하는 역할을 하므로 두께 대비 우수한 인장강도와 내후성 등이 요구되며, ONy(연신 나일론 필름)이 많이 사용되고 있다.
본 발명에 따르면, 파우치형 전지셀은 원통형 전지셀과 달리 평평한 형태를 가지고 있으므로 두께 측정 용이하고, 라미네이트 시트의 외주면이 열융착되면서 형성되는 밀봉 잉여부의 끝에 금속층이 노출되어 있는바 절연구조 파괴시 누설 전류로 인한 위험성이 다른 형태의 전지셀에 비해 더 크므로, 두께 및 절연전압 측정의 용이성 및 필요성 측면에서 파우치형 전지셀이 가장 바람직하게 사용될 수 있다.
또한 본 발명에서 상기 전극 조립체는 전극 사이에 분리막이 개재된 채로 음극과 양극이 교대로 적층된 상태에서 리튬염 비수계 전해액에 함침되어 있는 구조이다. 상기 이차전지용 전극은 집전체 상에 전극 활물질을 포함하고 있는 전극 합제를 도포한 후 건조하여 제조될 수 있으며 상기 전극 합제에는 필요에 따라 바인더, 도전재, 충진재 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
본 발명에서, 양극 집전체의 경우 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
음극 집전체용 시트의 경우, 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
본 발명에서 양극 활물질은, 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2, Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2 등과 같이 Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li1+xM1-yM'yPO4-zXz(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤=+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로오즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진재는 전극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
점도 조절제, 접착 촉진제 등의 기타의 성분들이 선택적으로 또는 둘 이상의 조합으로서 더 포함될 수 있다. 점도 조절제는 전극 합제의 혼합 공정과 그것의 집전체 상의 도포 공정이 용이할 수 있도록 전극 합제의 점도를 조절하는 성분으로서, 음극 합제 전체 중량을 기준으로 30 중량%까지 첨가될 수 있다. 이러한 점도 조절제의 예로는, 카르복시 메틸셀룰로오즈, 폴리비닐리덴 플로라이드 등이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 경우에 따라서는, 앞서 설명한 용매가 점도 조절제로서의 역할을 병행할 수 있다.
상기 접착 촉진제는 집전체에 대한 활물질의 접착력을 향상시키기 위해 첨가되는 보조성분으로서, 바인더 대비 10 중량% 이하로 첨가될 수 있으며, 예를 들어 옥살산 (oxalic acid), 아디프산(adipic acid), 포름산(formic acid), 아크릴산(acrylic acid) 유도체, 이타콘산(itaconic acid) 유도체 등을 들 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 극박이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110, 210: 전지셀
120, 220: 네스트
130, 230: 두께 측정 모듈
140, 240: 절연 전압 측정 모듈
150, 250: 제어 모듈
151, 251: 데이터 입력부
152, 252: 데이터 출력부
153, 253: 동작 지시부
154: 외부 모니터
160, 260: 스위치
255: 판정부
256: 경고부
331: 두께 측정판
332: 두께 측정 프로브
341, 342: 절연전압 측정 프로브
343: 전압 계측기

Claims (14)

  1. 전지셀의 두께 및 절연전압을 측정할 수 있는 전지셀 검사장치에 있어서,
    전지셀을 고정할 수 있는 네스트;
    두께 측정판 및 두께 측정 프로브를 포함하는 두께 측정모듈;
    절연전압 측정 프로브, 전압 계측장치를 포함하는 절연전압 측정 모듈;
    상기 두께 측정 모듈 및 상기 절연전압 측정 모듈의 동작을 연속적으로 제어하고, 전지셀의 두께 및 절연 전압을 산출하는 제어 모듈; 및
    상기 전지셀 검사 장치를 작동시키는 스위치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 검사 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전지셀은 음극과 분리막, 양극이 교대로 적층된 상태로 파우치 내부에 밀봉된 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지셀 검사 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 네스트는 전지셀의 외면의 형상에 대응하도록 만입되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 검사 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 두께 측정 프로브는 전지셀 양단부의 두께를 측정할 수 있도록 상기 네스트의 양측 상부에 이격된 상태로 위치하는 것을 특징으로 하는 전지셀 검사 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 두께 측정 모듈은 상기 두께 측정판 및 두께 측정 프로브가 하강하여 상기 전지셀에 접촉함으로써 상기 두께 측정 프로브가 상기 전지셀의 두께를 측정하는 것을 특징으로 하는 전지셀 검사 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 절연전압 측정 프로브는 두께 측정 완료시 연속적으로 상기 제어 모듈에 의해 상기 전지셀의 테라스부로 전진하여 상기 전지셀의 전극 리드 중 어느 하나 및 파우치 내부의 금속층에 접촉하는 것을 특징으로 하는 전지셀 검사 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 절연전압 측정 프로브가 전지셀에 접촉하면 상기 전지셀에 전류가 인가되고 전압 계측장치가 이에 따른 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 전지셀 검사 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 두께 측정 프로브 및 절연전압 측정 프로브로부터 두께 데이터 및 절연전압 데이터를 전송받는 데이터 입력부;
    상기 전송받은 두께 데이터 및 절연전압 데이터를 외부 모니터에 출력하는 데이터 출력부; 및
    상기 두께 측정판, 상기 두께 측정 프로브 및 상기 절연전압 측정 프로브를 이동시킬 수 있는 동작 지시부; 를 포함하고,
    상기 데이터 입력부, 데이터 출력부 및 동작 지시부는 상호 연동되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 검사 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제어 모듈은 측정된 값과 기준값 데이터를 비교하여 불량 여부를 판정하는 판정부 및 공정에 불량이 발생할 경우 이를 경고하는 경고부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 검사 장치.
  10. 제 8에 있어서,
    스위치가 작동하면, 상기 제어 모듈의 동작 지시부로부터 두께 측정을 위한 제 1 제어 신호가 두께 측정 모듈로 전송되며, 상기 두께 측정 모듈이 상기 제 1 제어 신호를 전송받는 직후에 두께 측정판 및 두께 측정 프로브가 이동하여 전지셀의 두께가 측정되고,
    상기 두께 측정 프로브로부터 얻어진 전지셀의 두께 데이터는 데이터 입력부에 입력되고, 이어서 상기 데이터 출력부로 전송되는 것을 특징으로 하는 전지셀 검사 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 전지셀의 두께 데이터가 데이터 입력부에 입력되는 직후에 절연전압 측정 프로브의 이동을 위한 제 2 제어 신호가 동작 지시부에서 절연 전압 측정 모듈로 전송되는 것을 특징으로 하는 전지셀 검사 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 절연 전압 측정 모듈이 제 2 제어 신호를 전송받는 직후에 절연전압 측정 프로브가 이동하여 전지셀의 절연 전압이 측정되는 것을 특징으로 하는 전지셀 검사 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 절연전압 측정 프로브로부터 얻어진 전지셀의 절연전압 데이터는 데이터 입력부에 입력되고 이어서 데이터 출력부로 전송되는 것을 특징으로 하는 전지셀 검사 장치.
  14. 전지셀을 제 1항 내지 13항 중 어느 하나에 따른 전지셀 검사 장치에 안착시키는 단계;
    상기 전지셀 검사 장치의 스위치를 작동시키는 단계;
    상기 전지셀 검사 장치를 작동시켜 상기 전지셀의 두께를 측정하는 단계; 및
    상기 전지셀의 두께를 측정하는 단계에 대해 연속적으로 상기 전지셀의 절연 전압을 측정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀의 두께 및 절연전압 검사 방법.
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