KR20210150877A - 각형 이차전지 케이스의 누설감지장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각형 캔형상 이차전치 케이스의 누설을 검사하기 위한 누설감지장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 개방구를 가지는 각형 용기의 누설감지장치로서, (A) 상기 용기가 안착되었을 때, 상기 용기 입구의 내면과 긴밀하게 접하는 구조와 크기의 내면지지부; (B) 하기 탄성링부가 장착된 상태에서 상기 용기가 안착되었을 때, 상기 용기 입구의 외면이 하기 탄성링부와 소정간격 이격되는 구조와 크기의 외부지지부; (C) 상기 외부지지부의 내면 둘레를 기밀하게 감싸서 밀폐된 가변공간을 형성하는 탄성링부; (D) 상기 외부지지부를 관통하여 설치된 급기구를 통하여 상기 가변공간에 외부의 공기를 주입하거나 회수하여 상기 탄성링부가 안착된 용기 입구의 외면에 기밀밀착되도록 하거나 기밀밀착을 해제하는 공기입출부;를 포함하는 각형 용기의 누설감지장치에 관한 것이다.

Description

각형 이차전지 케이스의 누설감지장치{Leakage Sensing Device for Square Shaped Secondary Battery Case}
본 발명은 개방구를 가지는 각형 용기의 누설감지장치에 관한 것으로서, 예를 들면 각형 캔형상 이차전치 케이스의 누설을 검사하기 위한 누설감지장치에 관한 것이다.
이차전지는 전기에너지를 화학에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 출력하는 장치로서, 일차전지와 달리 반복적인 충전 및 방전할 수 있다. 이러한 이차전지의 외형은 크게 원통형, 파우치형, 각형(prismatic)으로 구분되며 각각 다음 표와 같은 장단점이 있다.
Figure pat00001
각형 이차전지는 통상 양극판-세퍼레이터-음극판을 함께 권취하고 압착한 전극부를 상부가 개방된 각형의 케이스 내부에 수납하고, 케이스의 개방된 상부에 안전 벤트(vent)와 전해액주입구가 형성된 캡 플레이트를 밀봉결합한 다음 전해액주입구를 통해 전해액을 주입한 후 전해액주입구를 밀봉하는 방식으로 제조된다.
이렇게 제조된 이차전지의 기밀성에 하자가 있는 경우 제조공정 또는 유통이나 사용과정에서 전해액이 누출되어 기능을 발휘하지 못할 뿐만 아니라, 제조장비의 오염과 이차전지가 적용된 장치(예를 들면, 스마트폰이나 전기차) 자체를 손상시키는 문제가 초래된다.
이에 이차전지의 제조공정 과정에서 기밀성(누설여부)을 검사하는 방법과 장치가 알려져 있다.
예를 들면, 케이스에 용접되어 있는 캡 플레이트의 용접부위를 X-ray 혹은 육안으로 확인하는 방법이 있는데, X-ray 검사의 경우 공정 및 설비가 복잡하여 실현성이 떨어지고, 육안 검사는 신뢰성이 낮은 문제점이 있다.
특허공개 10-2001-0011231은, 캡 플레이트가 용접된 케이스의 외부 상부를 He 가스 분위기로 조성하고 전해액주입구를 통해 감압하면서 가스 검출센서로 He 가스의 검출유무를 확인하는 방법으로 이차전지의 리크를 검사하는 방법을 제시하고 있다(도 1a 참조). 즉, 케이스와 캡 플레이트 사이가 기밀되어 있지 않다면 외부의 He 가스가 내부로 유입되고 전해액주입구를 통해 빠져나가게 되어 가스가 검출되는 원리를 이용한 것이다(가스감지식). 그러나 이러한 방법은 사용 가스나 센서의 가격이 비싸서 경제적 측면에서 불리한 점이 있고, 또 전해액이 주입되지 않은 상태에서 기밀검사를 수행하는 관계로 실제 필드에 적용되는 경우 여전히 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
특허공개 10-2003-0049130은, 캡 플레이트가 용접된 케이스의 전해액 주입구로 N2가스를 가압하여 충진한 다음 공급을 멈추고 일정시간 경과한 후 가스의 압력변화를 확인하여 누설 여부를 확인하는 장치를 제시하고 있다. 누설이 있다면 내부 압력이 감소하므로 결국 압력감소가 확인된 것을 불량으로 처리하는 것이다(압력변화감지식).
이러한 종래기술에 의하면 이차전지 제조공정 중에 누설에 의한 불량을 찾아내어 효과적인 품질관리가 가능하게 된다. 그러나 정확히 통계화된 것은 아니지만 이차전지의 누설은 케이스와 캡 플레이트의 밀봉불량에 의한 것 외에도 케이스 자체의 하자(미세 구멍이나 크랙 발생)에 기인하는 것도 적지 않은 것으로 알려져 있다. 후자에 의한 누설을 사전에 즉, [전극부의 장착-캡 플레이트 용접-2차누설체크] 과정이 이루어지기 이전에 확인할 수 있다면 비생산적인 재료와 시간의 낭비를 줄이고 이차전지의 생산효율을 극대화할 수 있을 것이다.
그런데 각형 이차전지의 케이스는 도 1c에 첨부된 것처럼 보통 일면이 열린 입구를 가지는 금속재질의 직육면체 용기로서 입구의 모서리부분(도면에 적색원으로 표시)이 미세하게 라운딩되어 있다. 보통 알루미늄판을 프레싱하여 제작되며 두께 0.2㎜ 이하로 매우 얇기 때문에 미세 구멍이나 크랙이 발생할 여지가 있다.
가스감지식이거나 압력변화감지식이거나 어떤 용기의 누설여부를 신속하고 정확하게 감지하기 위해서는 임시-단기로 용기의 내부와 외부가 기밀차단될 필요가 있다. 그러나 입구의 모서리부분(인접한 면이 각도를 이루면서 만나는 부분)의 기밀이 어려움이 있기 때문에 현재까지 각형 이차전지 케이스의 누설을 직접 감지하는 장치나 방법이 제시된 바 없다.
특허공개 10-2001-0011231 특허공개 10-2003-0049130
본 발명은 상부에 개방구를 가지는 각형 용기, 예를 들면 각진 캔형상의 이차전치 케이스의 누설감지장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은
개방구를 가지는 각형 용기의 누설감지장치로서,
(A) 상기 용기가 안착되었을 때, 상기 용기 입구의 내면과 긴밀하게 접하는 구조와 크기의 내면지지부; (B) 하기 탄성링부가 장착된 상태에서 상기 용기가 안착되었을 때, 상기 용기 입구의 외면이 하기 탄성링부와 소정간격 이격되는 구조와 크기의 외부지지부; (C) 상기 외부지지부의 내면 둘레를 기밀하게 감싸서 밀폐된 가변공간을 형성하는 탄성링부; (D) 상기 외부지지부를 관통하여 설치된 급기구를 통하여 상기 가변공간에 외부의 공기를 주입하거나 회수하여 상기 탄성링부가 안착된 용기 입구의 외면에 기밀밀착되도록 하거나 기밀밀착을 해제하는 공기입출부;를 포함하는 각형 용기의 누설감지장치인 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 예를 들면 각형 이차전지용 케이스의 하자(누설) 여부를 이차전지 제조공정이 진행되기 전에 신속하고 정확하게 판정함으로써 이차전지 제조공정의 생산성과 효율성을 증대시킬 수 있게 된다.
도 1a, 1b는 각각 종래기술에 의한 각형 이차전지의 누설감지장치의 개념도.
도 1c는 각형 이차전지의 케이스 일예 사진.
도 2a, 2b는 본 발명에 의한 누설감지장치 두 상태의 개념적 수직단면도 및 부분확대도.
도 2c는 본 발명에 의한 탄성링부의 일예 사진.
도 3a~3c는 본 발명에 의한 누설감지장치의 작동과정을 보여주는 개념도.
도 4는 본 발명에 의한 탄성링부의 팽창현상을 구조분석한 결과도면.
도 5a는 본 발명에 의한 누설감지장치의 개념적 수평단면도.
도 5b는 본 발명에 의한 누설감지장치에서 보조가압부가 작동하는 과정을 보여주는 부분확대 개념도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
본 발명은 각형 용기, 예를 들면 각형 이차전지 케이스의 누설감지장치에 관한 것이다. 이에 설명의 편의를 위해 '각형 이차전지 케이스'를 중심으로 설명하지만 본 발명의 기술적 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 다음과 같은 기본적 개념을 바탕으로 도출되었다. : 케이스의 누설을 검출하기 위해서는 ⓐ '검사장치'와 케이스의 입구가 임시로 단기간 확실하게 기밀접촉되어야 하며 ⓑ 많은 케이스를 검사해야 하므로 기밀접촉과 해제는 반복적이고 용이하게 이루어져야 하고 ⓒ 기밀접촉과 해제가 반복되는 과정에서 케이스와 검사장치에 손상이 없어야 한다.
이에 따른 본 발명은 전술한 바와 같이, 개방구를 가지는 각형 용기(이하에서는 이를 각형 이차전지의 '케이스(C)'라 대표하여 칭하기로 함)의 누설감지장치에 관한 것으로서, 내면지지부(11), 외부지지부(12), 탄성링부(13), 공기입출부(14)를 포함하고 있다. 본 발명에 의한 누설감지장치의 개념적 단면도의 두 상태도를 도 2a, 2b에 도시하였다. 혼동을 방지하고 이해의 편의를 위해서 장차 검사대상인 케이스(C)의 개방구가 아래를 향해서 본 발명에 의한 누설감지장치에 안착되는 것으로 설명과 도시를 할 것이다. 그러나 이는 단지 위상의 차이일 뿐 케이스(C)와 누설감지장치의 공간적 방향, 양자간의 접근주체 등은 중요하지 않다. 즉, 누설감지장치가 위에 있고 케이스(C)가 아래에 있을 수도, 누설감지장치와 케이스(C)가 좌우로 배치될 수도 있으며, 누설감지장치가 고정되고 케이스(C)가 접근할 수도 있고 케이스(C)가 고정되고 누설감지장치가 접근할 수도 있을 것이다.
본 발명에서 상기 내면지지부(11)는, 케이스(C)가 거꾸로 안착되었을 때, 상기 케이스(C) 입구의 내면과 긴밀하게 접하는 구조와 크기의 일종의 돌출부이다. 전술하였듯이 이차전지의 케이스(C)는 매우 얇은 두께이기 때문에 (뒤에서 설명될) 탄성링부(13)에 의해 외면에 압력이 가해질 때 내면지지부(11)는 케이스(C)가 밀리거나 휘어지지 않도록 내면에서 받쳐주는 역할을 하게 된다.
내면지지부(11)는 '케이스(C) 내면지지' 이외에도 누설감지를 위한 소정의 도구나 기구가 장착되는 기판 역할을 할 수도 있다. 예를 들면, 내면지지부(11)에는 누설감지를 위한 소정의 가스를 공급하기 위한 가스공급구가 관통 설치될 수 있다. 또한 내면지지부(11)에는 가스유입 감지를 위한 소정의 가스센서 또는 내부 압력변화를 감지하기 위한 기압센서가 장착될 수 있다. 이렇게 설치된 도구나 기구에 대한 도시는 생략하였다. 이들 도구나 기구의 작동에 대해서는 후술한다.
본 발명에서 상기 외부지지부(12)는, 케이스(C)가 거꾸로 안착되었을 때, 입구의 외면이 탄성링부(13)와 소정간격 이격되는 구조와 크기의 일종의 돌출부이다. 외부지지부(12)는 탄성링부(13)가 고정부착되어 작동할 수 있도록 하는 지지부 역할을 한다.
상기 내면지지부(11)와 외부지지부(12)는 결국 케이스(C) 입구가 안착될 수 있는 '안착홈'을 이루게 된다.
본 발명에서 상기 탄성링부(13)는, 상기 외부지지부(12)의 내면 둘레를 감싸서 외부지지부(12)의 내면과의 사이에 밀폐된 가변공간이 형성되도록 하는 탄성체이다. 탄성링부(13)는 수직단면이 원형, 타원형 또는 다각형 등인 튜브형이거나, 수직단면이 개방된 대략 C-자형의 구조일 수 있다. 후자의 제조예 사진을 도 2c에 도시하였다. '대략 C-자형의 구조'란 반드시 C-자형인 것은 아니고 상하말단이 상기 외부지지부(12)에 밀폐결합될 때 외부지지부(12)의 내면과의 사이에 가변공간을 형성할 수 있는 수직단면을 가지는 구조를 의미한다. [이때 '대략'이란 본 발명을 모호하게 하는 것이 아니며 단지 다양한 형태를 일일이 묘사하기 어렵기 때문에 개념적 범주를 지칭하기 위한 것이므로 '불명료한 용어'가 아님은 명백하다.] 참고로 도 2a에서 탄성링부(13)의 수직단면은 대략 ㄷ-자형인 것이 도시되어 있다.
본 발명에서 상기 공기입출부(14)는, 상기 가변공간에 외부의 공기를 주입하거나 회수하여 상기 탄성링부(13)가 부풀어 오르게 하거나(팽창; 도 2b 참조) 원상태(수축; 도 2a 참조)가 되도록 하여, 안착된 용기 입구의 외면에 탄성링부(13)가 기밀밀착되도록 하거나 기밀밀착을 해제하는 역할을 한다. 이때 공기이송을 위해, 도 2a, 2b에 도시된 바와 같이, 외부지지부(12)를 관통하여 하나 또는 복수개의 급기구를 설치할 수 있다. 도시되지는 않았지만 공기 공급이나 회수를 위한 공기펌프, 공기 유출입 통제를 위한 밸브 등이 추가될 수 있을 것이다.
본 발명에 의한 누설감지장치의 개념적 단면도인 도 2a는 탄성링부(13)에 공기가 공급되지 않은 상태(수축)이고, 도 2b는 공기가 공급되어 탄성링부(13)가 부풀어 오른 상태(팽창)를 보여준다.
이상과 같은 본 발명에 의한 누설감지장치의 작동과정을 도 3a~3c에 개념적으로 도시하였다. 누설감지장치가 아래에 고정되어 있고 케이스(C)가 뒤집힌 채로 위에서 아래로 누설감지장치에 안착되는 것으로 가정하였다.
먼저, 케이스(C)의 입구가 아래를 향하도록 '안착홈'에 접근시킨다. 이때 누설감지장치에서 탄성링부(13)는 '수축' 상태이다(도 3a). 케이스(C)의 입구가 안착홈에 삽입되면(도 3b) 공기입출부(14)가 작동하여 공기를 가변공간에 주입하여 탄성링부(13)가 팽창되면서 용기 입구의 외면에 기밀밀착하게 된다(도 3c). 그러면 케이스(C)의 내부와 외부가 기밀밀폐된 상태가 되며, 이 상태에서 누설감지 여부를 확인하게 된다.
예를 들어 가스감지식이라면, 내면지지부(11)를 관통하여 설치된 가스공급구를 통해 소정의 가스를 케이스(C)의 내부로 주입하고 케이스(C)의 외부에 설치된 상기 가스감지센서로 상기 가스의 누출여부를 감지한다. 반대로 케이스(C) 내부에 가스감지센서를 두고 외부에 소정의 가스환경을 조성하는 방법도 가능할 것이다.
예를 들어 압력변화감지식이라면, 내면지지부(11)를 관통하여 설치된 가스공급구를 통해 임의의 가스를 케이스(C)의 내부로 가압하여 주입하고 밸브를 잠근 다음 역시 내면지지부(11)를 통해 케이스(C) 내부에 설치된 압력센서로 압력의 변화를 검사한다. 압력이 감소한다면 어딘가에 누설이 있는 것으로 판단할 수 있다.
이렇게 누설검사가 완료되면 케이스(C) 내부의 압력을 해제하고, 상기 가변공간의 공기를 배출하여 탄성링부(13)가 원상태(수축; 도 3b)가 되도록 한 다음 케이스(C)를 분리(도 3a)하여 소정의 처리(불량이라면 불량처리 등)를 한다. 누설검사장치는 다시 새로운 검사를 시작한다.
검사과정에서 케이스(C)가 자연스럽게 '안착홈'에 유도될 수 있도록 상기 내면지지부(11)의 상부는 내부(중심)를 향하여 경사진 형상인 것이 바람직하다.
이상과 같은 검사공정을 원활하게 수행하기 위해 본 발명에 의한 누설감지장치는 검사대상 케이스(C)를 자동으로 이송하는 이송부, 누설감지장치 각 구성부분의 작동을 제어하고 조절하는 제어부, 전원을 공급하는 전원부 등을 추가로 가지는 것이 바람직하다. 이러한 구성부분들은 일반적인 제조장치에 일반화 되어 있는 것이므로 이에 대한 추가 설명이나 도시를 생략한다.
한편, 본 발명에서 상기 탄성링부(13)가 튜브형인 경우는 물론이고 수직단면이 대략 C-자형의 구조인 경우라도 각이진 모서리 영역에서는 굽힘에 의한 저항이 발생하여 공기가 주입되더라도 부분적으로 팽창율이 달라져 기밀밀폐가 이루어지지 않을 가능성이 있다. 도 4에 본 발명에 의한 탄성링부(13) 예(도 2b)에 공기를 가하여 팽창시켰을 때 각 부분의 팽창정도를 구조분석한 결과를 도시하였다. 도에서 청색일수록 팽창이 없는 영역이고 적색일수록 팽창이 잘 일어난 영역이다. 도면에서 볼 수 있듯이 네 군데 모서리(적색원으로 표시)에서는 팽창이 상대적으로 적어서 밀폐가 불완전할 수 있음을 확인할 수 있다. 이렇게 기밀밀봉이 불가능하게 되면 결국 케이스(C)의 누설검사에 오류가 발생하게 된다.
이러한 현상을 방지하기 위하여 본 발명에서는, 안착된 용기의 모서리에 접하는 가변공간에 상기 탄성링부(13)를 모서리쪽으로 가압하여 밀착시키는 보조가압부(15)를 추가로 설치할 수 있다. 도 2a에서 A-A' 높이의 수평단면도를 도 5a에, 도 5a에서 보조가압부(15)가 작동하는 과정의 개념도를 도 5b에 도시하였다. 도 5b에서 빗금친 부분이 내면지지부(11), 적색선이 케이스(C), 진한 분홍색선이 케이스(C)와 접하게 되는 탄성링부(13)의 돌출부분, 연한 분홍색 영역이 탄성링부(13)와 외부지지부(12) 사이에 형성된 가변공간, 하늘색 영역이 외부지지부(12)를 나타낸다.
도 5b에서 볼 수 있듯이, 처음 본 발명에 의한 누설감지장치에 케이스(C)가 거꾸로 안착되면 케이스 내면은 내면지지부(11)에 밀착결합되고 케이스(C) 외면과 탄성링부 사이는 소정간격 이격되어 있으며, 보조가압부(15)는 후퇴한 상태가 된다(첫째 도면). 이어서 가변공간으로 공기를 주입하기 전에 또는 공기 주입과 동시에 상기 보조가압부(15)가 탄성링부(13)의 네 모서리를 케이스(C)의 모서리쪽으로 밀어서 모서리부분이 먼저 밀착되도록 한다(둘째 도면). 모서리부분이 먼저 강제적으로 밀착되면 탄성링부(13)의 나머지 다른 부분은 공기입출부(14)를 통해 주입된 공기압에 의해 자연스럽게 팽창하여 케이스(C) 외면을 전체적으로 완전하게 기밀밀봉하게 된다(셋째 도면). 기밀밀봉 상태에서 누설감지과정이 종료되면 공기가 공기입출부를 통해 배출되고 보조가압부(15)가 후퇴하여 케이스(C) 외면과 탄성링부(13)의 밀착이 해제되고, 누설감지 검사가 끝난 케이스(C)가 이탈되면서 한 싸이클이 종료된다.
C. 케이스
11. 내면지지부
12. 외부지지부
13. 탄성링부
14. 공기입출부
15. 보조가압부

Claims (7)

  1. 입구를 가지는 각형 용기의 누설감지장치로서,
    (A) 상기 용기가 안착되었을 때, 상기 용기 입구의 내면과 긴밀하게 접하는 구조와 크기의 내면지지부;
    (B) 하기 탄성링부가 장착된 상태에서 상기 용기가 안착되었을 때, 상기 용기 입구의 외면이 하기 탄성링부와 소정간격 이격되는 구조와 크기의 외부지지부;
    (C) 상기 외부지지부의 내면 둘레를 기밀하게 감싸서 밀폐된 가변공간을 형성하는 탄성링부;
    (D) 상기 가변공간에 외부의 공기를 주입하거나 회수하여 상기 탄성링부가 안착된 용기 입구의 외면에 기밀밀착되도록 하거나 기밀밀착을 해제하는 공기입출부;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 각형 용기의 누설감지장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄성링부는 일측이 개방된, 수직단면이 대략 C-자형의 구조이고 상하말단이 상기 외부지지부에 밀폐결합되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 용기의 누설감지장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    안착된 용기의 모서리에 접하는 가변공간에는 상기 탄성링부를 모서리쪽으로 가압하여 밀착시키는 보조가압부를 추가로 가지는 것을 특징으로 하는 각형 용기의 누설감지장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 내면지지부의 상부는 내부를 향하여 경사진 형상인 것을 특징으로 하는 각형 용기의 누설감지장치.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내면지지부에는
    누설감지를 위한 소정의 가스를 공급하기 위한 가스공급구가 관통 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 용기의 누설감지장치.
  6. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내면지지부에는
    가스유입 감지를 위한 소정의 가스센서 또는 내부 압력변화를 감지하기 위한 기압센서가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 용기의 누설감지장치.
  7. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각형 용기는
    각형 이차전지용 케이스인 것을 특징으로 하는 각형 용기의 누설감지장치.
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