KR20210152885A - 전지셀 부피 측정 장치 및 이를 사용한 전지셀 부피 측정 방법 - Google Patents

전지셀 부피 측정 장치 및 이를 사용한 전지셀 부피 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비파괴적으로 정확히 전지셀의 부피를 측정할 수 있는 전지셀 부피 측정 장치에 관한 것으로, 내부에 액체가 수용되는 탱크; 전지셀이 장착되는 지그; 상기 탱크의 상부에 위치하며, 상기 지그에 장착되는 전지셀의 무게를 측정하는 저울; 상기 저울의 하부에 매달린 형태로 고정되고, 전지셀 및 지그가 탑재되는 공간이 형성되되, 상기 전지셀 및 지그가 탑재되는 공간은 액체 내에 수용되는 행어; 및 상기 탱크에 연결되어 있고, 상기 전지셀 및 지그의 외주면에 가스를 분사하는 가스 퍼지 라인을 포함한다.

Description

전지셀 부피 측정 장치 및 이를 사용한 전지셀 부피 측정 방법{BATTERY CELL VOLUME MEASURING DEVICE AND BATTERY CELL VOLUME MEASURING METHOD USING SAME}
본 발명은 전지셀 부피 측정 장치 및 이를 사용한 전지셀 부피 측정 방법에 관한 것으로, 상세하게는 기포에 의한 오차를 감소시킬 수 있는 전지셀 부피 측정 장치 및 이를 사용한 전지셀 부피 측정 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.
이러한 이차전지는 거듭된 충방전 진행에 따라 전해질 분해에 의한 다량의 가스가 발생하면서 퇴화되며, 이 양상은 전지의 설계 및 사용 형태에 따라 다르게 나타난다. 전지 내부 가스가 지속적으로 발생할 경우 전지의 부피가 증가하는 스웰링 현상이 관찰되며, 전지의 내압이 임계점을 넘길 경우 전지의 폭발이 발생할 수 있다. 이에 전지의 부피 변화 관찰이 필수적으로 수행되어야 한다.
한국공개특허 제 2019-0030439호에는 종래의 이차전지 내의 가스 측정 장치에 대해 개시되어 있다. 상기 이차저전지용 가스 측정장치는 압력계가 설치된 밀폐 용기에 전지를 넣고 케이스에 구멍을 뚫었을 때 발생하는 압력 변화를 보일-샤를의 법칙을 이용하여 수행한다. 그러나 상기 가스 측정장치는 전지 내부 가스의 확산을 위해 밀폐용기 내부를 저진공 상태로 만들어야 하며, 저진공 상태에서의 가스 부피와 상압에서의 가스 부피 차이가 크기 때문에 정확하게 전지 부피 팽창에 기여한 가스 발생량을 파악하기 어렵다. 또한 전지를 타공하여야 하므로 타공된 전지를 폐기해야 한다는 문제가 있다.
따라서 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 전지셀 부피 측정 기술 개발이 필요한 실정이다.
한국공개특허 제 10-2019-0030439호
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 비파괴 방식으로 전지셀의 부피를 측정하면서도, 부피 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 전지셀 부피 측정 장치 및 이를 이용한 전지셀 부피 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
아울러, 본 발명은 전지셀의 온도에 따른 부피 변화를 측정할 수 있는 전지셀 부피 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 전지셀 부피 측정 장치는 내부에 액체가 수용되는 탱크; 전지셀이 장착되는 지그; 상기 탱크의 상부에 위치하며, 상기 지그에 장착되는 전지셀의 무게를 측정하는 저울; 상기 저울의 하부에 매달린 형태로 고정되고, 전지셀 및 지그가 탑재되는 공간이 형성되되, 상기 전지셀 및 지그가 탑재되는 공간은 액체 내에 수용되는 행어; 및 상기 탱크에 연결되어 있고, 상기 전지셀 및 지그의 외주면에 가스를 퍼지하는 가스 퍼지 라인을 포함한다.
상기 전지셀 부피 측정 장치는, 상기 저울에서 무게가 측정된 전지셀 및 전지셀이 장착된 지그를 행어로 이송하는 이송부를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가스 퍼지 라인은, 가스 공급원; 상기 가스 공급원으로부터 상기 행어에 형성되는 전지셀 및 지그 탑재 공간으로 연결되는 가스 공급 라인; 및 상기 가스 공급 라인에 형성되는 밸브를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가스 공급 라인은, 지그 표면에 가스를 퍼지하는 1개 이상의 표면 라인; 전지셀의 하부에 가스를 퍼지하는 1개 이상의 하부 라인; 및 전지셀의 측면에 가스를 퍼지하는 1개 이상의 측면 라인을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가스 공급 라인의 내경은 5 내지 10mm이다.
또한, 본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 장치는, 상기 탱크의 외부에서 상기 탱크에 수용되는 액체를 소정의 온도로 가열하는 온도 조절부를 더 포함한다.
또한, 상기 전지셀 부피 측정 장치는 상기 탱크에 수용되는 액체의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함한다.
한편, 본 발명은 상기와 같은 전지셀 부피 측정 장치를 이용한 전지셀 부피 측정 방법을 제공하는바, 본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 방법은 전지셀을 지그에 장착하고, 공기 중에서 전지셀의 무게를 측정하는 단계; 상기 전지셀을 액체 내부에 수용하는 단계; 액체 내부에 수용된 전지셀의 외주면에 가스를 퍼지하여, 전지셀 외주면에 형성된 기포를 제거하는 단계; 액체 내에 수용된 전지셀의 무게를 측정하는 단계; 및 전지셀의 부피를 계산하는 단계를 포함한다.
이 때, 상기 전지셀의 부피는 하기 식 1에 의해 계산된다.
[식 1]
Figure pat00001
(식 1에서, W1: 공기 중에서 전지셀의 무게, W2: 액체 내에 수용된 전지셀의 무게, ρ: 액체의 밀도)
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가스를 퍼지하여 전지셀 외주면에 형성된 기포를 제거하는 단계는, 지그의 표면에 가스를 퍼지하는 과정; 전지셀의 측면에 가스를 퍼지하는 과정; 및 전지셀의 하부에 가스를 퍼지하는 과정을 포함한다.
구체적인 예에서, 지그의 표면에 가스를 퍼지하는 과정 및 전지셀의 하부에 가스를 퍼지하는 과정은 전지셀의 측면에 가스를 퍼지하는 과정보다 먼저 수행된다.
이 ‹š, 상기 가스는 비활성 기체이다.
또한, 본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 방법은 상기 액체를 소정의 온도로 가열하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 방법은 상기 액체의 온도에 따른 전지셀의 부피 변화를 산출하는 단계를 더 포함한다.
또한 본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 방법은, 상기 전지셀을 충방전하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 장치 및 전지셀 부피 측정 방법은 아르키메데스의 원리에 따라 비파괴적으로 전지셀의 부피 변화를 측정하면서도, 가스 퍼지를 통해 기포로 인한 오차를 줄이고 부피 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다. 또한 전지셀 외부의 온도를 적절히 조절함으로써 전지셀의 온도에 따른 부피 변화를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 부피 측정 장치의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지셀 부피 측정 장치의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 부피 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 부피 측정 장치의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, 전지셀 부피 측정 장치(100)는 내부에 액체(111)가 수용되는 탱크(110); 전지셀(120)이 장착되는 지그(130); 상기 탱크(110)의 상부에 위치하며, 상기 지그(130)에 장착되는 전지셀(120)의 무게를 측정하는 저울(140); 상기 저울(140)의 하부에 매달린 형태로 고정되고, 전지셀(120) 및 지그(130)가 탑재되는 공간이 형성되되, 상기 전지셀(120) 및 지그(130)가 탑재되는 공간은 액체 내에 수용되는 행어(150); 및 상기 탱크(110)에 연결되어 있고, 상기 전지셀(120) 및 지그(130)의 외주면에 가스를 퍼지하는 가스 퍼지 라인(160)을 포함한다.
본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 장치(100)는 아르키메데스의 원리를 이용한 것이다. 아르키메데스의 원리는 액체 안에 완전히 또는 부분적으로 잠겨있는 물체가 받는 부력은, 그 물체가 밀어낸 부피만큼의 액체의 무게와 동일한 크기로 중력의 반대방향으로 작용한다는 것이다(F=ρgV=mg, 여기서, F: 부력, ρ: 액체의 밀도, V: 액체에 잠긴 만큼의 물체의 부피, g: 중력가속도, m: 물체의 질량). 이 때 탱크 내에 수용된 액체에 담겨지기 전에 측정된 전지셀의 무게와 액체에 담겨진 후 전지셀의 무게 차이는 전지셀을 액체에 담그면서 부피가 상승된 액체의 무게일 수 있다. 이 때 전지셀을 액체에 담그면서 밀려난 액체의 무게는 부력과 동일하므로, 측정된 부력으로부터 전지셀의 부피를 알 수 있다. 즉 전지셀의 공기 중 무게와 액체 내에서의 무게를 알면 전지셀의 부피를 계산할 수 있는 것이다.
이와 같이 본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 장치(100)는, 전지를 타공하거나 가압하는 과정 없이 전지셀의 무게 측정만으로도 상압에서 전지셀의 부피를 비파괴적인 방식으로 측정할 수 있다.
다만, 이와 같이 액체 내에서 전지셀의 무게를 측정할 경우, 전지셀을 액체에 담그게 되는데, 이 때 전지셀의 외주면 및 전지셀과 측정 장치 사이의 미세 틈에 기포가 형성된다. 이러한 기포는 전지의 부피 측정에 있어 오차 발생의 원인이 될 수 있으므로, 미세한 전지의 부피 변화를 측정하기 어렵게 된다.
이에 본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 장치는 액체 내에 잠긴 전지셀의 외주면에 가스를 분사할 수 있는 가스 퍼지 라인을 마련하여 이러한 기포들을 제거함으로써 전지셀 부피 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 장치의 구성에 대하여 자세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 상기 탱크(110)는 내부에 액체(111)를 수용할 수 있는 공간이 형성된다. 상기 액체의 종류에는 특별한 제한은 없으나, 예를 들어서 물을 사용할 수 있다. 또는 에탄올 등의 액체를 사용할 수도 있고, 실리콘 오일 등의 전기 절연성 액체를 사용할 수도 있다.
상기 지그(130)는, 전지셀이 부피 측정 중 유동하는 것을 방지하기 위해 전지셀(120)을 고정하는 역할을 하며, 내부에 전지셀(120)이 안착될 수 있는 공간이 형성된다. 상기 지그(130)의 형상에 특별한 제한은 없으나, 가급적 전지셀의 외주면과 지그가 직접 접촉하는 것은 바람직하지 않으며, 상기 전지셀의 외주면과 지그가 접촉하는 면적을 최소화하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 지그는 도 1과 같이 전지셀의 모서리 부분과 접촉함으로써 전지셀을 고정하는 방식일 수 있다. 전지셀의 외주면과 지그가 직접적으로 접촉할 경우, 지그와 전지셀 사이에 형성되는 기포로 인하여 부피 측정시 오차가 발생할 수 있다.
상기 전지셀(120)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)가 수납된 파우치형 전지 케이스로부터 전극 리드가 인출된 구조이다. 기타 전지셀의 구성과 관련된 자세한 사항은 당업자에게 이미 공지된 사항이므로 자세한 설명을 생략한다.
상기 저울(140)은 탱크(110)의 상부에 위치하며, 상기 지그(130)에 장착되는 전지셀(120)의 공기 중 무게 및 액체 내에서의 무게를 측정한다. 이를 위해, 상기 저울(140)에는 전지셀(120) 및 지그(130)가 탑재될 수 있는 공간이 형성될 수 있다. 상기 저울(140)은 전자 저울일 수 있다. 또한 상기 저울(140)은 탱크(110)의 상부에 위치하되, 탱크(110) 내에 수용된 액체(111)의 외부에 위치한다. 이는 전지셀의 공기 중에서의 무게를 측정하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 장치(100)에서, 저울(140)은 액체(111)의 외부에 위치하므로, 전지셀의 액체 내 무게를 측정하기 위하여 별도의 행어(150)를 포함한다. 행어(150)는 상기 저울(140)의 하부에 매달린(hanging) 상태로 고정되며, 전지셀(120) 및 지그(130)가 탑재되는 공간이 형성된다. 상기 행어(150)는 탱크(110) 내의 액체(111)에 그 몸체가 잠겨 있는바, 상기 전지셀(120) 및 지그(130)가 탑재되는 공간이 액체(111) 내에 수용됨으로써 액체(111) 내에서 전지셀(120)의 무게를 측정 가능하다.
전술한 바와 같이, 전지셀의 부피 측정은 전지셀의 공기 중 무게와 액체 내 무게의 차이를 이용한다. 이를 위해 전지셀(120) 및 전지셀이 장착된 지그(130)를 먼저 저울(140)에 탑재 후 공기 중에서의 전지셀의 무게를 측정하고, 상기 전지셀이 장착된 지그(130)를 행어(150)에 형성된 탑재 공간으로 이송하여 액체(111) 내에서의 전지셀의 무게를 측정한다. 이를 위해 본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 장치(100)는 상기 저울(140)에서 무게가 측정된 전지셀(120) 및 상기 전지셀이 장착된 지그(130)를 행어(150)로 이송하는 이송부(미도시)를 더 포함한다.
한편, 도 1은 상기 지그(130)는 전지셀(120)이 장착된 상태에서 전지셀(120)과 함께 저울(140)로부터 이송(화살표 방향)되어 행어(150) 상에 장착되는 것을 도시하였는데, 지그(130)를 각각 저울(140) 및 행어(150)에 두 개 설치하여 전지셀(120)을 지그(130)와 별도로 이송할 수도 있다. 이 경우 전지셀(120)은 저울(130)에 설치된 지그에 장착되어 공기 중 무게가 측정되고, 이후 이송부에 의해 전지셀만 이송되어 행어(150)에 설치된 지그에 장착될 수 있다.
행어(150)에 수용된 전지셀(120)은 케이스 사이의 틈 또는 지그(130)와 전지셀(120) 표면의 요철 등으로 인해 그 표면에 기포가 다수 형성된다. 이러한 기포는 부피 측정 과정에서 오차로 작용하는바, 본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 장치(100)는 전지셀(120) 및 지그(130)의 외주면에 가스를 분사하는 가스 퍼지 라인(160)을 포함한다.
상기 가스 퍼지 라인(160)은 탱크(110)에 연결되어 있으며, 탱크(110) 외부로부터 기체를 이송하여 분사한다. 구체적으로, 상기 가스 퍼지 라인(160)은, 가스 공급원(161); 상기 가스 공급원(161)으로부터 상기 행어(150)에 형성되는 전지셀 및 지그 탑재 공간으로 연결되는 가스 공급 라인(162); 및 상기 가스 공급 라인(162)에 형성되는 밸브(163)를 포함할 수 있다.
상기 가스 공급원(161)은 탱크(110)의 외부에 위치하며, 탱크(110)의 내부로 분사될 가스를 저장하는 봄베 형태일 수 있다.
상기 가스 공급 라인(162)은 가스 공급원(161)에 저장된 가스를 이송하며, 이송된 가스를 전지셀(120) 및 지그(130)에 분사한다. 상기 가스 공급 라인(162)은 탱크(110)의 외벽을 관통할 수 있다.
상기 밸브(163)는 가스 공급 라인(162)에서 가스 공급 유량을 조절할 수 있다.
상기 가스 공급 라인(162)은 여러 갈래로 분지되어 서로 다른 공간에 가스를 퍼지할 수 있다. 구체적으로, 가스 공급 라인(162)은 표면 라인(164), 하부 라인(165) 및 측면 라인(166)을 포함한다.
상기 표면 라인(164)은 지그(130)의 표면에 가스를 퍼지한다. 구체적으로 표면 라인(164)은 지그(130)의 측면, 지그(130)의 상부 및 지그(130)와 행어(150) 사이의 틈 또는 공간에 가스를 퍼지할 수 있다. 상기 표면 라인(164)은 1개 이상 구비될 수 있으며, 예를 들어 전지셀의 길이 20cm당 1개 이상이 되도록 배치될 수 있다.
상기 하부 라인(165)은 전지셀(120)의 하부에 가스를 퍼지한다. 구체적으로 하부 라인(165)은 전지셀(120)의 하면, 전지셀(120)의 하부와 지그(130) 사이의 공간, 전지셀(120)의 하부와 행어(150) 사이의 공간에 가스를 퍼지할 수 있다. 상기 하부 라인(165)은 1개 이상 구비될 수 있으며, 예를 들어 전지셀의 길이 20cm당 1개 이상이 되도록 배치할 수 있다.
상기 측면 라인(166)은 전지셀(120)의 측면에 가스를 퍼지한다. 구체적으로 측면 라인(166)은 전지셀(120)의 측면 및 전지셀(120)의 측면과 지그(130) 사이의 공간에 가스를 퍼지할 수 있다. 상기 측면 라인(166)은 한 면에 1개 이상의 라인이 되도록 배치할 수 있으며, 이에 따라 최소 4개 이상의 측면 라인이 전지셀의 측면에 각각 1개 이상씩 배치될 수 있다.
상기 가스 퍼지 라인(160)의 형태에는 특별한 제한은 없으며, 예를 들어 상기 표면 라인(164), 측면 라인(166) 및 하부 라인(165)에 별도의 가스 공급원이 하나씩 마련될 수 있다. 또는 하나의 가스 공급원에 표면 라인, 측면 라인 및 하부 라인이 모두 연결될 수도 있다. 또는 도 1과 같이 하나의 가스 공급원에 하나의 가스 공급 라인이 연결되어 있고, 상기 가스 공급 라인이 각각 표면 라인, 측면 라인 및 하부 라인으로 분지된 형태일 수 있다.
상기 밸브(163)는 표면 라인(164), 측면 라인(166) 및 하부 라인(165)에 각각 한 개 이상 설치될 수 있다. 아울러 상기 밸브(163)는 각 라인에서 서로 독립적으로 작동함으로써 각 라인으로부터 공급되는 가스의 유량을 독립적으로 조절할 수 있다.
상기 가스 공급 라인(160)의 내경은 5 내지 10mm의 범위일 수 있으며, 상세하게는 7 내지 8mm의 범위일 수 있다. 가스 공급 라인의 내경이 상기 범위 미만일 경우 단위 시간당 가스 퍼지량이 적어 기포 제거가 원활하지 않을 수 있으며, 가스 공급 라인의 내경이 상기 범위를 초과할 경우 내경이 지나치게 커져 전지셀과 지그 또는 전지셀과 행어 사이의 미세한 틈에 가스를 퍼지하기 어려울 수 있다.
또한, 상기 가스 공급원은 가스 공급 유량을 조절할 수 있는 레귤레이터를 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지셀 부피 측정 장치의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지셀 부피 측정 장치(200) 내부에 액체(211)가 수용되는 탱크(210); 전지셀(220)이 장착되는 지그(230); 상기 탱크(210)의 상부에 위치하며, 상기 지그(230)에 장착되는 전지셀(220)의 무게를 측정하는 저울(240); 상기 저울(240)의 하부에 매달린 형태로 고정되고, 전지셀(220) 및 지그(230)가 탑재되는 공간이 형성되되, 상기 전지셀(230) 및 지그(220)가 탑재되는 공간은 액체 내에 수용되는 행어(250); 및 상기 탱크(210)에 연결되어 있고, 상기 전지셀(220) 및 지그(230)의 외주면에 가스를 퍼지하는 가스 퍼지 라인(260)을 포함한다.
상기 가스 퍼지 라인(260)은 가스 공급원(261); 상기 가스 공급원(261)으로부터 상기 행어(250)에 형성되는 전지셀(220) 및 지그(230) 탑재 공간으로 연결되는 가스 공급 라인(262); 및 상기 가스 공급 라인(262)에 형성되는 밸브(263)를 포함한다.
아울러 상기 가스 공급 라인(262)은, 지그 표면에 가스를 퍼지하는 1개 이상의 표면 라인(264); 전지셀의 하부에 가스를 퍼지하는 1개 이상의 하부 라인(265); 및 전지셀의 측면에 가스를 퍼지하는 1개 이상의 측면 라인(266)을 포함한다.
이 때, 상기 전지셀 부피 측정 장치(200)는, 탱크(210)의 외부에서 상기 탱크(210)에 수용되는 액체(211)를 소정의 온도로 가열하는 온도 조절부(270)를 더 포함한다.
온도 조절부(270)는 탱크(210)의 온도를 조절할 있는 것이면 그 형태에 특별한 제한은 없다. 예를 들어, 상기 온도 조절부(270)는 탱크의 적어도 일 면 내지는 탱크의 외주면 전부를 둘러싸는 철판 및 상기 철판을 가열하는 열원으로 구성될 수 있다. 또한 상기 온도 조절부(270)는 상기 철판을 냉각시키는 냉각 장치를 더 포함할 수 있다.
아울러, 전지셀 부피 측정 장치(200)는 상기 탱크(210)에 수용되는 액체(211)의 온도를 측정하는 온도 측정부(280)를 더 포함한다. 상기 온도 측정부(280)는 온도를 측정할 수 있는 것이면 그 종류에 크게 제한은 없으나, 예를 들어 써모커플일 수 있다. 상기 온도 측정부(280)는 탱크(210) 내에 수용된 액체(211)의 수면에 설치되거나, 상기 탱크(210)를 관통하여 탱크(210)의 바닥면에 설치될 수 있다.
또한, 본 발명은 전지셀 부피 측정 장치(100, 200)의 동작을 제어하기 위한 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제어부는 상기 부피 측정 장치를 사용한 부피 측정 과정을 자동화할 수 있다. 구체적으로 제어부는 상기 전지셀을 이송하는 이송부와 연결되어 공기 중에서의 무게 측정 후 바로 전지셀을 행어(150, 250)로 이송한다. 제어부는 전지셀이 행어(150, 250) 상에 탑재되는 것을 감지하고 밸브(163, 263)의 개폐를 제어하여 전지셀에 가스를 퍼지한다. 가스 퍼지가 완료되면 전지셀 또는 지그의 외주면에 기포가 남아있는지 여부를 검사한 후, 기포가 없는 것이 확인되면 전지셀의 액체 내에서의 무게를 측정한다. 전지셀의 무게 측정값은 제어부에 저장된 후, 제어부 내에서 전지셀의 부피로 변환된다. 또한 전지셀은 액체의 온도 또는 전지셀의 충방전량을 조절함으로써, 액체의 온도 또는 전지셀의 충방전량에 따른 전지셀의 부피 변화를 도출할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기와 같은 전지셀 부피 측정 장치를 이용한 전지셀 부피 측정 방법을 제공한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 부피 측정 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명은 상기와 같은 전지셀 부피 측정 장치를 이용한 전지셀 부피 측정 방법을 제공하는바, 본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 방법은 전지셀을 지그에 장착하고, 공기 중에서 전지셀의 무게를 측정하는 단계(S10); 상기 전지셀을 액체 내부에 수용하는 단계(S20); 액체 내부에 수용된 전지셀의 외주면에 가스를 퍼지하여, 전지셀 외주면에 형성된 기포를 제거하는 단계(S30); 액체 내에 수용된 전지셀의 무게를 측정하는 단계(S40); 및 전지셀의 부피를 계산하는 단계(S50)를 포함한다.
이 때, 상기 전지셀의 부피는 하기 식 1에 의해 계산된다.
[식 1]
Figure pat00002
(식 1에서, W1: 공기 중에서 전지셀의 무게, W2: 액체 내에 수용된 전지셀의 무게, ρ: 액체의 밀도)
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 방법은 아르키메데스의 원리를 이용한 것이다. 구체적으로 탱크 내에 수용된 액체에 담겨지기 전에 측정된 전지셀의 무게와 액체에 담긴 후 전지셀의 무게 차이는 전지셀을 액체에 담그면서 부피가 상승된 액체의 무게일 수 있다. 이 때 전지셀을 액체에 담그면서 밀려난 액체의 무게는 부력과 동일하므로, 측정된 부력으로부터 전지셀의 부피를 알 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 방법은, 전지를 타공하거나 가압하는 과정 없이 전지셀의 무게 측정만으로도 상압에서 전지셀의 부피를 비파괴방식으로 측정할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 방법의 각 단계에 대하여 자세히 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 가장 먼저 전지셀(120)이 지그(130)에 장착되고, 공기 중에서 전지셀의 무게를 측정한다. 전지셀이 장착되는 지그(130)는 저울(140) 상에 탑재된 후 무게가 측정된다(S10).
다음으로, 상기 전지셀(120)을 액체(111) 내부에 수용한다(S20). 구체적으로 전지셀(120)이 장착된 지그(130)를 행어(150) 상의 탑재 공간으로 이송(화살표 방향)할 수 있다. 또한, 행어(150) 상에 지그가 미리 설치되어 있고, 저울 상의 지그에서 전지셀을 취출한 후 행어(150) 상의 지그에 전지셀을 장착할 수도 있다.
이와 같이 전지셀을 액체 내부에 수용할 경우 전지셀 또는 지그의 표면에 기포가 형성된다. 따라서 전지셀을 액체 내부에 수용한 후에 전지셀의 외주면에 가스를 퍼지하여, 전지셀 외주면에 형성된 기포를 제거한다(S30).
구체적으로, 상기 가스를 퍼지하여 전지셀 외주면에 형성된 기포를 제거하는 단계(S30)는, 지그의 표면에 가스를 퍼지하는 과정; 전지셀의 측면에 가스를 퍼지하는 과정; 및 전지셀의 하부에 가스를 퍼지하는 과정을 포함한다.
지그 표면에 가스를 퍼지하는 과정은 표면 라인(164)과 연결된 밸브(163)를 개방하여 지그의 측면, 지그의 상부 및 지그와 행어 사이의 틈 또는 공간에 가스를 퍼지하는 과정이다.
전지셀의 측면에 가스를 퍼지하는 과정은 측면 라인(166)과 연결된 밸브(163)를 개방하여 전지셀의 측면 및 전지셀의 측면과 지그 사이의 공간에 가스를 퍼지하는 과정이다.
전지셀의 하부에 가스를 퍼지하는 과정은 하부 라인(165)과 연결된 밸브(163)를 개방하여 전지셀의 하면, 전지셀의 하부와 지그 사이의 공간, 전지셀의 하부와 행어 사이의 공간에 가스를 퍼지하는 과정이다.
구체적인 예에서, 지그의 표면에 가스를 퍼지하는 과정 및 전지셀의 하부에 가스를 퍼지하는 과정은 전지셀의 측면에 가스를 퍼지하는 과정보다 먼저 수행된다. 이는 가스 퍼지 과정에서 전지셀 및 지그의 측면 또는 하면에 기포가 남는 것을 방지하기 위함이다.
상기 가스를 퍼지하는 과정은 각 라인마다 1분 정도 수행될 수 있다. 이후 하부 밸브를 닫고, 소정의 시간 이후에 측면과 표면의 밸브를 닫는데, 이는 전지셀 또는 지그의 하부에 기포가 남게 되는 것을 방지하기 위한 것이다. 밸브를 닫은 후에, 기포가 제거되지 않은 것이 확인되면 다시 위와 같은 과정을 순차적으로 반복할 수 있다.
한편, 상기 가스는 비활성 기체이다. 이는 퍼지된 가스가 전지 케이스 등을 변성시키는 것을 방지하기 위함이다. 구체적으로, 상기 가스는 He, Ne, N2, Ar 등을 사용할 수 있다.
상기 가스를 퍼지하여 전지셀 외주면에 형성된 기포를 제거하는 단계에서, 가스의 유량은 100 내지 300mL/min의 범위일 수 있으며, 상세하게는 150 내지 250mL/min의 범위일 수 있다. 가스의 유량이 상기 범위 미만일 경우 가스의 분사량이 작아 기포 제거가 원활하지 않을 수 있으며, 반대로 가스의 유량이 상기 범위를 초과할 경우 기포 제거에 사용되는 가스가 지나치게 많아 가스의 낭비가 심하고, 효율성이 떨어질 수 있다.
기포의 제거가 완료되면, 저울의 값이 안정화되도록 기다린 이후에 액체 내에 수용된 전지셀의 무게를 측정(S40)하고, 이로부터 전지셀의 부피를 계산한다(S50). 이러한 일련의 단계는 제어부에 의해 제어될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 방법은 상기 액체를 소정의 온도로 가열하는 단계를 더 포함한다. 이러한 과정은 온도 조절부(270)에 의해 수행될 수 있으며, 가열 단계는 예를 들어 탱크를 둘러싸고 있는 철판을 가열하는 방식으로 수행될 수 있다. 상기 가열 단계는 액체 내에 수용된 전지셀의 무게를 측정하는 단계 이전에 수행되어야 한다. 액체는 써모커플과 같은 온도 측정부(280)에 의해 그 온도가 측정될 수 있으며, 이를 통해 액체의 온도를 설정된 온도까지 가열할 수 있다.
이에 따라 본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 방법은 상기 액체의 온도에 따른 전지셀의 부피 변화를 산출하는 단계를 더 포함한다. 예를 들어, 액체의 온도를 상온, 45℃, 60℃, 80℃로 설정하고 이 때의 전지셀의 부피를 각각 측정한 후, 온도에 따른 전지셀의 부피 변화 양상을 도출할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 방법은, 상기 전지셀을 충방전하는 단계를 더 포함한다. 전지셀을 충방전하는 단계는 전지셀의 공기 중 무게 측정 전에 수행될 수 있다. 전지셀은 거듭된 충방전 진행에 따라 전해질 분해에 의한 다량의 가스가 발생하므로, 충방전 정도를 다르게 조절하면서 충방전 정도에 따른 전지셀의 부피 변화 양상을 도출할 수 있다.
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.
100, 200: 전지셀 부피 측정 장치
110, 210: 탱크
111, 211: 액체
120, 220: 전지셀
130, 230: 지그
140, 240: 저울
150, 250: 행어
160, 260: 가스 퍼지 라인
161, 261: 가스 공급원
162, 262: 가스 공급 라인
163, 263: 밸브
164, 264: 표면 라인
165, 265: 하부 라인
166, 266: 측면 라인
270: 온도 조절부
280: 온도 측정부

Claims (15)

  1. 내부에 액체가 수용되는 탱크;
    전지셀이 장착되는 지그;
    상기 탱크의 상부에 위치하며, 상기 지그에 장착되는 전지셀의 무게를 측정하는 저울;
    상기 저울의 하부에 매달린 형태로 고정되고, 전지셀 및 지그가 탑재되는 공간이 형성되되, 상기 전지셀 및 지그가 탑재되는 공간은 액체 내에 수용되는 행어; 및
    상기 탱크에 연결되어 있고, 상기 전지셀 및 지그의 외주면에 가스를 퍼지하는 가스 퍼지 라인을 포함하는 전지셀 부피 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저울에서 무게가 측정된 전지셀 및 전지셀이 장착된 지그를 행어로 이송하는 이송부를 더 포함하는 전지셀 부피 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스 퍼지 라인은,
    가스 공급원;
    상기 가스 공급원으로부터 상기 행어에 형성되는 전지셀 및 지그 탑재 공간으로 연결되는 가스 공급 라인; 및
    상기 가스 공급 라인에 형성되는 밸브를 포함하는 전지셀 부피 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가스 공급 라인은,
    지그 표면에 가스를 퍼지하는 1개 이상의 표면 라인;
    전지셀의 하부에 가스를 퍼지하는 1개 이상의 하부 라인; 및
    전지셀의 측면에 가스를 퍼지하는 1개 이상의 측면 라인을 포함하는 전지셀 부피 측정 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 가스 공급 라인의 내경은 5 내지 10mm인 전지셀 부피 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탱크의 외부에서 상기 탱크에 수용되는 액체를 소정의 온도로 가열하는 온도 조절부를 더 포함하는 전지셀 부피 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 탱크에 수용되는 액체의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하는 전지셀 부피 측정 장치.
  8. 전지셀을 지그에 장착하고, 공기 중에서 전지셀의 무게를 측정하는 단계;
    상기 전지셀을 액체 내부에 수용하는 단계;
    액체 내부에 수용된 전지셀의 외주면에 가스를 퍼지하여, 전지셀 외주면에 형성된 기포를 제거하는 단계;
    액체 내에 수용된 전지셀의 무게를 측정하는 단계; 및
    전지셀의 부피를 계산하는 단계를 포함하는 전지셀 부피 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전지셀의 부피는 하기 식 1에 의해 계산되는 전지셀 부피 측정 방법.
    [식 1]
    Figure pat00003

    (식 1에서, W1: 공기 중에서 전지셀의 무게, W2: 액체 내에 수용된 전지셀의 무게, ρ: 액체의 밀도)
  10. 제8항에 있어서,
    상기 가스를 퍼지하여 전지셀 외주면에 형성된 기포를 제거하는 단계는,
    지그의 표면에 가스를 퍼지하는 과정;
    전지셀의 측면에 가스를 퍼지하는 과정;
    전지셀의 하부에 가스를 퍼지하는 과정을 포함하는 전지셀 부피 측정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    지그의 표면에 가스를 퍼지하는 과정 및 전지셀의 하부에 가스를 퍼지하는 과정은 전지셀의 측면에 가스를 퍼지하는 과정보다 먼저 수행되는 전지셀 부피 측정 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 가스는 비활성 기체인 전지셀 부피 측정 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 액체를 소정의 온도로 가열하는 단계를 더 포함하는 전지셀 부피 측정 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 액체의 온도에 따른 전지셀의 부피 변화를 산출하는 단계를 더 포함하는 전지셀 부피 측정 방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 전지셀을 충방전하는 단계를 더 포함하는 전지셀 부피 측정 방법.
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