KR20210150742A - 전지셀 두께 측정용 지그 및 전지셀 두께 측정 방법 - Google Patents

전지셀 두께 측정용 지그 및 전지셀 두께 측정 방법 Download PDF

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KR20210150742A
KR20210150742A KR1020200067538A KR20200067538A KR20210150742A KR 20210150742 A KR20210150742 A KR 20210150742A KR 1020200067538 A KR1020200067538 A KR 1020200067538A KR 20200067538 A KR20200067538 A KR 20200067538A KR 20210150742 A KR20210150742 A KR 20210150742A
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송승화
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이영환
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

전지셀 내부에 형성된 가스층에 영향을 받지 않고 전지셀의 두께를 정확히 측정할 수 있는 전지셀 두께 측정용 지그에 관한 것으로, 상기 전지셀 두께 측정용 지그는, 측정 대상 전지셀이 탑재되는 하부 평판; 측정 대상 전지셀의 상부에 위치하여, 상기 전지셀을 향하여 상하 운동하는 상부 평판을 포함하며, 상기 상부 평판의 하면에는 상부 평판보다 폭이 좁은 가압부가 형성된다.

Description

전지셀 두께 측정용 지그 및 전지셀 두께 측정 방법{JIG FOR MEASURING BATTERY CELL THICKNESS AND METHOD FOR MEASURING BATTERY CELL THICKNESS}
본 발명은 전지셀의 두께를 측정하기 위한 지그 및 전지셀의 두께를 측정하기 위한 방법에 관한 것으로, 상세하게는 스웰링된 전지셀에 있어 전지셀 내부 전극의 두께를 측정하기 위한 지그 및 전지셀의 두께를 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 애플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
이러한 이차전지는 전극과 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 하며, 그 중 전해액의 누액 가능성이 적으며, 제조가 용이한 리튬이온 폴리머 전지의 사용량이 늘어나고 있다. 일반적으로, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류되며, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막 구조로 이루어져 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.
이 중, 전지의 고용량화로 인해 케이스의 대면적화 및 얇은 소재로의 가공이 많은 관심을 모으고 있고, 이에 따라, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
이에 따라, 이차전지 생산 공정에 있어서 제조된 전지셀의 일관된 품질을 달성하기 위한 전지셀의 치수 관리가 중요해지고 있는 실정이다.
도 1은 종래의 전지셀 두께 측정용 지그를 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 전지셀 두께 측정용 지그(1)는 하부 평판(10)에 전지셀(30)을 탑재한 상태에서 상부 평판(20)을 하강시켜 전지셀(30)을 가압한 후 상부 평판(20)이 이동한 거리 또는 상부 평판(20)과 하부 평판(10) 사이의 거리를 측정하는 방식이다.
이러한 전지셀 두께 측정용 지그(1)는 충방전 전의 전지셀에 대하여는 정확한 두께를 측정할 수 있다. 그러나 전지셀이 반복적으로 사용될 경우 충방전의 반복으로 인해 전해액의 분해 반응 등으로 인하여 전지셀에 가스(32)가 형성될 경우 전지셀이 스웰링 현상이 발생하게 된다. 이와 같이 스웰링 현상이 발생한 전지셀의 경우 가스(32)의 부피로 인하여 평판이 전지셀 내부 전극 조립체(31)까지 도달할 수 없으므로 가스층의 두께를 제외하고, 전극 조립체(31)의 두께만을 반영한 전지셀의 두께를 평가하는 것이 어려울 수 있다.
따라서 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 기술 개발이 필요한 실정이다.
한국공개특허 제 10-2017-0041538호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 충방전이 반복되어 내부에 가스가 발생하여 스웰링된 전지셀에 대하여 가스층을 제외한 전지셀의 두께를 정확하게 측정할 수 있는 전지셀 두께 측정용 지그 및 이를 포함하는 전지셀 두께 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
아울러, 본 발명은 상기와 같은 두께 측정 장치를 이용하여 가스층을 제외한 전지셀의 두께를 정확하게 측정할 수 있는 전지셀 두께 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 전지셀 두께 측정용 지그는 측정 대상 전지셀이 탑재되는 하부 평판; 및 측정 대상 전지셀의 상부에 위치하여, 상기 전지셀을 향하여 상하 운동하는 상부 평판을 포함하며, 상기 상부 평판의 하면에는 상부 평판보다 폭이 좁은 가압부가 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가압부는 두께가 일정한 평판 형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가압부는 바 형상이다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 가압부는 가운데에서 양 측 가장자리로 갈수록 두께가 연속적으로 작아지는 형상이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가압부의 폭은 상기 전지셀 내부에 수납된 전극 조립체 길이의 20 내지 60%이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가압부의 두께는 상기 전지셀 내부에 수납된 전극 조립체 두께의 10내지 50%이다.
한편, 본 발명은 상기와 앞서 설명한 바와 같은 두께 측정용 지그를 포함하며, 전지셀의 두께를 측정하는 두께 측정 센서 및 상기 상부 평판을 이동시키는 가압 수단을 포함하는 전지셀 두께 측정 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 전지셀 두께 측정 방법을 제공하는바, 상기 전지셀 두께 측정 방법은, 앞서 설명한 바와 같은 전지셀 두께 측정 장치의 하부 평판에 전지 케이스 내부에 전극 조립체가 수납된 구조의 전지셀을 탑재하는 단계; 상부 평판을 하강시켜 가압부의 하면을 전지 케이스에 접촉시키는 단계; 상기 상부 평판을 하강시켜 상기 가압부의 하면을 전극 조립체에 접촉하도록 가압하는 단계; 및 전지셀의 두께를 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전지셀의 두께는 가압부의 하면과 하부 평판 사이의 거리이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전지셀은 파우치형 전지셀이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전지셀 두께 측정 방법은 상기 전지셀을 충방전하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가압부의 하면을 전지 케이스에 접촉시키는 단계는, 가압 전 전지셀의 두께를 측정하는 과정을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전지셀 두께 측정 방법은, 가압 전후 전지셀의 두께를 비교하여, 전지셀 내부의 가스 함량을 산출하는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 상부 평판의 하면에 상부 평판보다 폭이 좁은 가압부를 형성함으로써, 전지셀의 두께 측정을 위한 가압시 전지셀 내부에 형성된 가스층에 영향을 받지 않고 전극 조립체의 두께를 반영한 전지셀의 두께를 정확히 측정할 수 있다.
도 1은 종래의 전지셀 두께 측정용 지그를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 두께 측정용 지그를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 두께 측정용 지그의 A 방향 단면을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 두께 측정용 지그의 전지셀과 접촉하는 하면을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 두께 측정용 지그가 전지셀을 가압하는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지셀 두께 측정용 지그를 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지셀 두께 측정용 지그가 전지셀을 가압한 모습을 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 두께 측정 장치의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 9는 본 발명에 따른 전지셀 두께 측정 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.
이하 본 발명에 대해 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 두께 측정용 지그를 나타낸 모식도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 두께 측정용 지그의 A 방향 단면을 나타낸 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 두께 측정용 지그의 전지셀과 접촉하는 하면을 나타낸 모식도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 두께 측정용 지그가 전지셀을 가압하는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀 두께 측정용 지그(100)는 측정 대상 전지셀(130)이 탑재되는 하부 평판(110); 및 측정 대상 전지셀(130)의 상부에 위치하여, 상기 전지셀(130)을 향하여 상하 운동하는 상부 평판(120)을 포함하며, 상기 상부 평판(120)의 하면에는 상부 평판(120)보다 폭이 좁은 가압부(140)가 형성된다.
전술한 바와 같이, 전지셀(130)의 두께 측정을 위해서는 상부 평판(120)과 하부 평판(110) 사이에 전지셀(130)을 놓고 상부 평판(120)으로 전지셀(130)을 가압해야 했었다. 그러나 이 경우 충방전을 반복을 통해 스웰링된 전지셀의 경우 내부의 가스(132)층으로 인해 전지셀(130)의 두께로부터 전극 조립체(131)의 두께를 정확히 파악하기 어려웠다.
이에 본 발명의 발명자들은 상기 상부 평판의 하면에 상부 평판보다 폭이 좁은 가압부를 형성함으로써 가스층의 두께를 배제하고 전극 조립체만의 두께를 반영한 전지셀의 두께를 측정할 수 있다.
상기 전지셀(130)은, 양극, 음극 및 분리막이 교대로 적층된 전극 조립체가 전지 케이스 안에 수납되고, 전해액을 주입함으로써 제조될 수 있다. 상기 전지 케이스는 전지의 포장을 위한 외장재로 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 원통형, 각형 또는 파우치형이 사용될 수 있으나, 상세하게는 파우치형 전지 케이스가 사용될 수 있다. 이러한 파우치형 전지셀은 내부에 전극 조립체(131)가 수납된 파우치형 전지 케이스(133)로부터 전극 리드(134)가 인출된 구조이다. 기타 전지셀의 구성과 관련된 자세한 사항은 당업자에게 이미 공지된 사항이므로 자세한 설명을 생략한다.
도 5를 참조하면, 상기 가압부(140)는 상부 평판(120)보다 폭이 좁으므로, 상부 평판(120)이 전지셀(130)을 가압할 가압부(140)가 전지셀(130)의 상면을 국소적으로 가압하면서 전지셀(130)의 상부에 형성된 가스(132)층을 밀어낸다. 즉 가압부(140)가 전지 케이스(133)를 사이에 둔 채로 전극 조립체(131)에 직접 닿을 수 있고, 가스(132)층을 제외한 전지셀의 두께를 정확히 측정할 수 있는 것이다. 이를 통해 실제 사용시나 보관시의 전지셀의 두께 변화나 거동을 측정하고 예측할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지셀 두께 측정용 지그(100)에 있어서, 하부 평판(110)은 전지셀(130)이 탑재되는 곳으로, 전지셀의 두께를 정확히 측정하기 위하여 전지셀(130)과 접촉하는 부분이 평평한 형상일 수 있다. 또한, 상기 하부 평판(110)은 전지셀(130)의 외주면 형상에 대응하도록 만입된 형상일 수 있으며, 이 경우 두께 측정시 전지셀이 유동하지 않도록 고정할 수 있다.
상기 가압부(140)는 상부 평판(120)보다 폭이 좁되, 두께가 일정한 평판 형상일 수 있다. 이 때 가압부(140)의 폭은 두께 측정 대상 전지셀(130)과의 관계에서 정의될 수 있다. 이와 관련하여, 가압부(140)의 폭 방향은 전지셀(130) 내에 수납된 전극 조립체(131)의 길이 방향과 동일한 방향이다. 상기 전극 조립체(131)의 길이 방향이란 측정 대상 전지셀(130)에 있어 전극 리드(134)가 인출된 방향으로 정의될 수 있다. 또한 본 발명에서 가압부(140)의 길이 방향 및 전극 조립체(132)의 폭 방향은 전극 조립체(131)의 길이 방향(전극 리드의 인출 방향)에 수직하는 방향을 의미한다. 즉 본 발명에서 가압부(140)의 폭 방향은 전극 조립체의(131)의 길이 방향(전극 리드의 인출 방향)에 대응하는 것으로 정의되며, 가압부(140)의 길이 방향은 전극 조립체(131)의 폭 방향에 대응하는 것으로 정의된다.
구체적으로, 상기 가압부(140)의 폭(w1)은 전지셀(130) 내부에 수납된 전극 조립체(131) 길이(l2)의 20 내지 60%일 수 있다. 상세하게는 상기 가압부(140)의 폭(w1)은 전지셀(130) 내부에 수납된 전극 조립체(131) 길이(l2)의 30 내지 50%일 수 있다. 가압부(140)의 폭이 상기 범위를 넘어서 지나치게 작을 경우 전지셀(130)과 가압부(140)의 접촉 부위에 큰 압력이 가해질 수 있으며, 가압부(140)의 폭이 상기 범위보다 클 경우 가압부(140)의 면적이 지나치게 커져서 전지셀 가압시 전지셀(130)의 상부에 형성된 가스(132)층을 밀어내기 어려울 수 있다.
또한, 상기 가압부의 두께(h1)는 전지셀(130) 내부에 수납된 전극 조립체(131) 두께(h2)의 10 내지 50%일 수 있으며, 상세하게는 전지셀(130) 내부에 수납된 전극 조립체(131) 두께의 20 내지 40%일 수 있다. 여기서 두께 방향은 전극 조립체(131)의 적층 방향 또는 중력이 작용하는 방향을 의미한다. 가압부(140)의 두께가 상기 범위보다 작을 경우 전지셀(130)의 상부에 형성된 가스(132)층을 밀어내기 충분하지 않을 수 있으며, 반대로 가압부(140)의 두께가 상기 범위보다 클 경우 가압부(140)와 전지셀(130)이 접촉하는 부분 외의 접촉이 충분하지 않을 수 있다.
이와 같이 가압부의 폭 및 두께가 측정 대상 전지셀과의 관게에서 정의되는 것은, 가압부가 전지셀을 효과적으로 가압하기 위해서는 가압부의 치수가 전지셀의 치수에 따라 결정될 수밖에 없기 때문이다.
더욱 구체적으로, 상기 가압부(140)는 바 형상일 수 있다. 이 경우, 도 2 내지 도 5를 참조하면, 가압부의 폭(w1)은 가압부의 길이(l1)보다 작은 구조이다. 나아가 전지셀 상부의 공기층을 가압부의 양측으로 밀어내기 용이하도록, 가압부(140)의 길이(l1)는 전지셀 내부에 수납된 전극 조립체의 폭(w2)보다 큰 것이 바람직하다. 전지셀의 폭 등에 대한 설명은 전술한 바와 같다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지셀 두께 측정용 지그를 나타낸 모식도이며, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지셀 두께 측정용 지그가 전지셀을 가압한 모습을 나타낸 모식도이다.
도 6를 참조하면, 전지셀 두께 측정용 지그(200)는 측정 대상 전지셀(230)이 탑재되는 하부 평판(210); 측정 대상 전지셀(230)의 상부에 위치하여, 상기 전지셀(230)을 향하여 상하 운동하는 상부 평판(220)을 포함하며, 상기 상부 평판의 하면에는 상부 평판보다 폭이 좁은 가압부(240)가 형성된다. 상기 전지셀은 전극 조립체(231)가 수납된 파우치형 전지 케이스(233)로부터 전극 리드(234)가 인출된 구조이다.
도 7을 참조하면, 상기 가압부(240)는 상부 평판(220)보다 폭이 좁으므로, 상부 평판(220)이 전지셀(240)을 가압할 가압부(240)가 전지셀(220)의 상면을 국소적으로 가압하면서 전지셀(240)의 상부에 형성된 가스(232)층을 밀어낸다. 즉 가압부(240)가 전극 조립체(231)에 직접 닿을 수 있고, 가스(232)층을 제외한 전지셀(230)의 두께를 정확히 측정할 수다. 이를 통해 실제 사용시나 보관시의 두께 변화나 전지셀의 거동을 측정하고 예측할 수 있다.
이 때 상기 가압부(240)는 가운데에서 양측 가장자리로 갈수록 두께가 연속적으로 작아지는 형상일 수 있다. 예를 들어, 가압부(240)는 하면이 라운드형이거나, 삼각형 등의 다각형 형상일 수 있다. 또한 가압부(240)의 단면이 반원형 또는 삼각형 등의 다각형 형상일 수도 있다. 이와 같이 가압부(240)의 가운데 부분의 두께를 가장자리보다 크게 할 경우, 가압부(240) 끝단의 좁은 단면적으로 인하여 전지셀(230)에 압력을 효과적으로 가할 수 있고, 가스층(232)을 가압부의 양 측으로 밀어내기 용이할 수 있다.
이 때, 상기 가압부(240)의 폭(w1)은 전지셀(230) 내부에 수납된 전극 조립체(231) 길이(l2)의 20 내지 60%일 수 있으며, 상세하게는 상기 가압부의 폭(w1)은 전지셀(230) 내부에 수납된 전극 조립체(231) 길이(l2)의 30 내지 50%일 수 있다.
또한, 가압부의 두께(h1)는 전지셀(230) 내부에 수납된 전극 조립체(231) 두께(h2)의 10 내지 50%일 수 있으며, 상세하게는 전지셀(230) 내부에 수납된 전극 조립체(231) 두께(h2)의 20 내지 40%일 수 있다. 도 5와 같이 가압부의 가운데 부분의 두께가 가장자리보다 큰 형상일 경우 가압부의 두께는 가압부의 최대 두께로서, 가운데 부분의 두께를 의미한다.
또한, 상기 가압부는 바 형상일 수 있다. 이와 관련된 내용은 앞서 설명한 바와 동일하다.
한편, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 전지셀 두께 측정용 지그를 포함하는 전지셀 두께 측정 장치를 제공한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 두께 측정 장치의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 8을 참조하면, 전지셀 두께 측정 장치(300)는, 앞서 설명한 바와 같은 전지셀 두께 측정용 지그(100)를 포함하며, 전지셀(130)의 두께를 측정하는 두께 측정 센서(310) 및 상부 평판(120)을 이동시키는 가압 수단(320)을 포함한다.
구체적으로, 상기 가압 수단(320)은 상부 평판(120)을 하부로 이동시킬 수 있는 압력을 제공하는 구동 유닛(321), 상기 구동 유닛(321)을 지지하는 지지판(322) 및 구동 유닛(321)으로부터 생성된 압력을 전달하는 압력 전달 부재(323)를 구비할 수 있다. 상기 구동 유닛(321)은 유압 실린더 또는 스크류일 수 있다.
예를 들어, 유압 실린더는 외부로부터 공압을 공급받아 상하 방향으로 이동한다. 유압 실린더는 지지판의 위쪽에 장착되며, 실린더로부터 연결된 로드는 전지셀 방향을 향하도록 유압 실린더와 지지판 사이에 장착된다. 또한 상기 유압 실린더의 로드에는 상기 지지판이 바로 장착될 수 있으나, 압력을 정밀하게 조정하고 전지셀 가압시 전지셀에 가해지는 충격을 완만하게 전달하기 위하여 추가적인 지지판이 장착되어 있을 수 있다. 상기 지지판(322)과 상부 평판(120)은 압력 전달 부재(323)를 통해 연결될 수 있는데, 상기 압력 전달 부재(323)로서 코일 스프링과 같은 탄성 부재를 복수 개 사용할 수 있다. 이 경우 압력 전달 부재(323)의 일측은 상부 평판(120)에 접촉하고, 타측은 지지판(322)에 접촉한다. 이 때 지지판(322)이 유압 실린더 및 로드의 이동에 의해 하강하게 되면 압력 전달 부재(323)로 사용되는 탄성 부재를 압축시키고, 이로 인한 탄성력이 상부 평판(120)으로 전달될 수 있다.
상기 구동 유닛이 스크류일 경우, 스크류는 예를 들어 나사산이 형성된 볼트 형상일 수 있다. 스크류는 회전에 의해 하강하여 압력 전달 부재에 압력을 가하고, 이에 따라 압력 전달 부재가 상부 평판에 압력을 전달할 수 있다.
또한 상기 전지셀 두께 측정 장치(300)에는 로드 셀(330)이 추가적으로 탑재될 수 있는데, 로드 셀(330)은 상기 가압 수단(320)에 의해 전지셀(130)에 가해지는 압력을 감지하는 장비이다. 구체적으로 로드 셀(330)은 유압 실린더에 의해 전지셀에 압력이 가해질 때의 압력을 측정하여 적절한 수준의 압력을 가할 수 있도록 하여, 전지셀이 물리적으로 손상되지 않는 압력을 선정할 수 있도록 한다. 가압력이 지나치게 높은 경우 전지셀 내의 전극이 탈리되거나 전지셀 용기의 외관이 손상되는 등 물리적 손상이 발생할 수 있기 때문이다. 상기 로드 셀(330)은 상기 지지판(322) 및 상부 평판(120) 사이에 위치하여 지지판으로부터 가해지는 압력의 세기를 측정할 수 있다.
상기 두께 측정 센서(310)는 공지된 것을 적절히 선택할 수 있으며, 예를 들어 가압부(140)와 하부 평판(110) 사이의 거리를 측정하는 프로브 형상일 수 있다. 이 경우 두께 측정 센서(310)는 직접 가압부(140)와 하부 평판(110) 사이를 이동하면서 이동 거리를 측정할 수 있다. 또는 신호, 초음파, 적외선 등을 조사하여 가압부(140)와 하부 평판 사이(110)를 왕복하는데 걸리는 시간을 측정하고 이로부터 가압부(140)와 하부 평판 사이(110)의 거리를 산출할 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 두께 측정 장치(300)는 상기 전지셀을 충방전하는 충방전부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 충방전은 측정 대상 전지셀을 반복하여 충방전함으로써 전지셀을 일정 수준 이상으로 스웰링시킬 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 두께 측정 장치(300)는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는 전지셀의 충전 또는 방전 정도를 제어하고, 전지셀에 인가되는 가압력을 제어할 수 있다. 또한 제어부는 두께 측정 센서로부터 측정 데이터를 전달받아 메모리에 저장할 수도 있다.
구체적으로, 구동 유닛(321)이 제어부로부터 제어 신호를 받으면, 상기 유압 실린더는 공압을 공급받아 로드를 전지셀 방향으로 이동시킨다. 궁극적으로 상기 상부 평판(120) 또한 전지셀(130)을 향해 중력 방향으로 하강을 시작하여, 전지셀에 접촉하고, 가압부(140)가 일정 크기 압력을 가하게 되면 하강을 중지한다. 상기 압력은 가압부(140)가 전지셀 내부의 가스층을 밀어낼 수 있는 정도면 충분하다. 상기 상부 평판(120)이 하강을 종료하면, 두께 측정 센서가 두께를 측정하여 데이터를 제어부로 전송한다.
한편, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 전지셀 두께 측정 장치를 사용한 전지셀 두께 측정 방법을 제공한다.
도 9는 본 발명에 따른 전지셀 두께 측정 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀 두께 측정 방법은, 앞서 설명한 바와 같은 전지셀 두께 측정 장치의 하부 평판에 전지 케이스 내부에 전극 조립체가 수납된 구조의 전지셀을 탑재하는 단계(S10); 상부 평판을 하강시켜 가압부의 하면을 전지 케이스에 접촉시키는 단계(S20); 상기 상부 평판을 하강시켜 상기 가압부의 하면을 전극 조립체에 접촉하도록 가압하는 단계(S30); 및 전지셀의 두께를 산출하는 단계(S40)를 포함한다.
본 발명에 따른 전지셀 두께 측정 방법은 상부 평판의 하면에 상부 평판보다 폭이 좁은 가압부를 형성함으로써, 스웰링된 전지셀의 두께를 측정하는 경우에도 가스층의 두께를 배제하고 전극 조립체만의 두께를 반영한 전지셀의 두께를 정확하게 측정할 수 있다.
이 때, 상기 전지셀의 두께는 가압부의 하면과 하부 평판 사이의 거리이다. 더욱 구체적으로, 전지셀의 두께는 가압부의 하면과 하부 평판의 상면 사이의 거리일 수 있다. 전지셀의 두께는 전술한 바와 같이 두께 측정 센서가 직접 가압부와 하부 평판 사이를 이동하면서 이동 거리를 측정하거나, 두께 측정 센서로부터 초음파 등의 펄스 신호를 방출하여 이로부터 전지셀의 두게를 산출할 수 있다.
상기 전지셀은 예를 들어 파우치형 전지셀일 수 있다. 이와 관련된 내용은 앞서 설명한 바와 같다.
본 발명에 따른 전지셀 두께 측정 방법은, 전지셀을 충방전하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는 전지셀을 스웰링하 전극의 두께를 증가시키고, 전지셀의 내부에 가스를 형성시키기 위함이다. 이를 위해 전지셀을 충방전하는 단계는 전지셀을 가압하기 전, 즉 상부 평판을 이동시키기 전에 수행될 수 있으며, 구체적으로 전지셀 두께 측정 장치의 하부 평판에 전지셀을 탑재하는 단계(S10) 전 또는 후에 수행될 수 있다.
전지셀이 하부 평판 상에 탑재되면, 상부 평판을 하강시킨다. 이에 따라 상부 평판 하면에 형성된 가압부가 전지 케이스 상에 접촉하게 된다(S20). 이 때 가압 전 전지셀의 두께가 측정될 수 있다. 이 때의 전지셀의 두께는 전지셀의 상부에 형성된 가스층을 포함하는 두께이다.
가압부가 전지 케이스에 접촉하면, 상부 평판을 더 하강시켜, 상기 가압부의 하면을 전지 케이스를 사이에 둔 상태로 전극 조립체에 접촉할 때까지 가압시킨다(S30). 이 과정에서 전지셀의 상부에 형성된 가스는 가압부의 주변으로 밀려나게 된다. 예를 들어, 가압부는 상부 평판이 하강함에 따라 가스가 형성된 부분을 먼저 가압하게 되고, 가스가 가압부의 주면으로 밀려나게 되면 전지셀에 가해지는 압력이 급격히 상승할 수 있는데, 이 시점을 가압부가 전극 조립체와 접촉하는 시점으로 판단할 수 있다. 이후 전지셀의 두께를 산출하게 되며(S40), 이 때의 전지셀의 두께는 가스층을 배제한 전지 케이스와 전극 조립체의 두께만을 포함한 두께이다.
아울러, 상기 가압부의 하면을 전지 케이스에 접촉시키는 단계(S20)에서 측정한 가압 전 전지셀의 두께 및 상기 가압부의 하면을 전극 조립체에 접촉하도록 가압하는 단계(S30)에서 측정한 가압 후 전지셀의 두께를 비교하여 전지셀 내부의 가스 함량, 예를 들어 가스의 부피를 산출할 수 있다. 나아가 가스의 함량 및 전극 조립체의 두께 변화로부터 충방전 과정이 전지셀에 미친 영향을 파악할 수 있다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
제조예
양극 활물질로서 기능하는 Li[Ni0.6Mn0.2Co0.2]O2 96.7중량부, 도전재로서 기능하는 그래파이트를 1.3중량부, 결합제로서 기능하는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 2.0중량부 혼합해서, 양극 합제를 제조했다. 얻어진 양극 합제를 용매로서 기능하는 1-메틸-2-피롤리돈에 분산시키는 것에 의해, 양극 합제 슬러리를 조제했다. 이 슬러리를 두께 20 ㎛의 알루미늄 호일의 양면에 각각 코팅, 건조, 및 압착하여 양극을 제조하였다.
음극 활물질로서 기능하는 인조흑연과 천연흑연(중량비: 90:10)를 97.6중량부, 결합제로서 기능하는 스티렌-부타디엔 고무(SBR)를 1.2중량부, 카르복시메틸 셀룰로스(CMC)를 1.2중량부 혼합해서, 음극 합제를 조제했다. 이 음극 합제를 용매로서 기능하는 이온 교환수에 분산시키는 것에 의해, 음극 합제 슬러리를 제조했다. 이 슬러리를 두께 20 ㎛의 구리 호일의 양면에 코팅, 건조 및 압착하여 음극을 제조하였다.
에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC) 및 디에틸 카보네이트(DEC)를 3:3:4(부피비)의 조성으로 혼합된 유기 용매에 LiPF6를 1.0M의 농도가 되도록 용해시켜 비수성 전해액을 제조하였다.
상기에서 제조된 양극과 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 세퍼레이터가 개재되도록 적층하고 이를 파우치에 수납한 후, 상기 전해액을 주입하여 리튬 이차전지를 제조하였다.
비교예 1 내지 비교예 9
상기 제조예에서 제조된 전지셀을 9개 준비한 후, 각각의 전지셀에 대하여 20회 충방전을 반복하였다. 충방전된 전지셀을 도 1에 따른 두께 측정용 지그를 포함하는 두께 측정 장치를 사용하여 그 두께를 측정하였다. 그 결과는 표 1에 도시하였다.
실시예1 내지 실시예 9
상기 비교예 1 내지 비교예 9에 따른 충방전이 반복된 전지셀을 도 2에 따른 두께 측정용 지그를 포함하는 두께 측정 장치를 사용하여 그 두께를 측정하였다. 그 결과는 표 1에 도시하였다. 또한 실시예와 비교예에서 측정된 전지셀 두께에 대하여 그 차이를 표 1에 도시하였다.
구분 비교예(mm) 실시예(mm) 두께 차이(mm)
1 22.129 17.386 4.743
2 20.465 16.974 3.491
3 17.521 16.671 0.85
4 20.554 17.201 3.353
5 19.937 16.931 2.976
6 17.446 16.842 0.604
7 17.446 16.687 0.759
8 17.049 16.541 0.508
9 18.789 16.525 2.264
상기 표 1에 도시된 바와 같이, 비교예에 따른 전지셀의 두께 값이 실시예에 따른 전지셀의 두께 값보다 큼을 알 수 있다. 이는 충방전 과정에서 전지셀 내부에 가스가 발생하였고, 비교예에 따른 전지셀 두께 측정 장치를 사용할 경우 이러한 가스로 인하여 전지셀의 두께가 정확히 측정되지 못했음을 의미한다. 반면에 실시예의 경우 상부 평판의 하면에 폭이 작은 가압부를 더 형성함으로써, 전지셀 내부의 가스층의 두께를 배제한 전지셀만의 두께를 측정할 수 있는 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.
1, 100, 200: 전지셀 두께 측정용 지그
10, 110, 210: 하부 평판
20, 120, 220: 상부 평판
30, 130, 230: 전지셀
31, 131, 231전극 조립체
32, 132, 232: 가스
140, 240: 가압부
133, 233: 전지 케이스
134, 234: 전극 리드
300: 두께 측정 장치
310: 두께 측정 센서
320: 가압 수단
321: 구동 유닛
322: 지지판
323: 압력 전달 부재
330: 로드 셀

Claims (13)

  1. 측정 대상 전지셀이 탑재되는 하부 평판; 및
    측정 대상 전지셀의 상부에 위치하여, 상기 전지셀을 향하여 상하 운동하는 상부 평판을 포함하며,
    상기 상부 평판의 하면에는 상부 평판보다 폭이 좁은 가압부가 형성된 전지셀 두께 측정용 지그.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가압부는 두께가 일정한 평판 형상인 전지셀 두께 측정용 지그.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가압부는 바(bar) 형상인 전지셀 두께 측정용 지그.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가압부는 가운데에서 양 측 가장자리로 갈수록 두께가 연속적으로 작아지는 형상인 전지셀 두께 측정용 지그.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가압부의 폭은 상기 전지셀 내부에 수납된 전극 조립체 길이의 20 내지 60%인 전지셀 두께 측정용 지그.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가압부의 두께는 상기 전지셀 내부에 수납된 전극 조립체 두께의 10내지 50%인 전지셀 두께 측정용 지그.
  7. 제1항에 따른 전지셀 두께 측정용 지그를 포함하며,
    전지셀의 두께를 측정하는 두께 측정 센서 및 상기 상부 평판을 이동시키는 가압 수단을 포함하는 전지셀 두께 측정 장치.
  8. 제7항에 따른 전지셀 두께 측정 장치의 하부 평판에, 전지 케이스 내부에 전극 조립체가 수납된 구조의 전지셀을 탑재하는 단계;
    상부 평판을 하강시켜 가압부의 하면을 전지 케이스에 접촉시키는 단계;
    상기 상부 평판을 하강시켜 상기 가압부의 하면을 전극 조립체에 접촉하도록 가압하는 단계; 및
    전지셀의 두께를 산출하는 단계를 포함하는 전지셀 두께 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전지셀의 두께는 가압부의 하면과 하부 평판 사이의 거리인 전지셀 두께 측정 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전지셀은 파우치형 전지셀인 전지셀 두께 측정 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 전지셀을 충방전하는 단계를 더 포함하는 전지셀 두께 측정 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 가압부의 하면을 전지 케이스에 접촉시키는 단계는,
    가압 전 전지셀의 두께를 측정하는 과정을 포함하는 전지셀 두께 측정 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    가압 전후 전지셀의 두께를 비교하여, 전지셀 내부의 가스 함량을 산출하는 단계를 더 포함하는 전지셀 두께 측정 방법.
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