KR20220089487A - 전지셀 품질 관리 방법 및 전지셀 품질 관리 시스템 - Google Patents

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KR20220089487A
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Abstract

본 발명은 전지셀 품질 관리 방법에 관한 것으로, 전지셀을 제조하는 단계; 상기 전지셀 및 전지셀이 탑재되는 공정 설비를 스캔하여 스캔 데이터를 수득하는 스캔 단계; 스캔 데이터에 좌표값을 설정하여 좌표 데이터를 수집하는 맵핑 단계; 및 수집된 좌표 데이터를 저장하는 저장 단계; 를 포함한다.

Description

전지셀 품질 관리 방법 및 전지셀 품질 관리 시스템{METHOD FOR MANAGING QUALITY OF BATTERY CELL AND SYSTEM FOR MANAGING QUALITY OF BATTERY CELL}
본 발명은 전지셀 품질 관리 방법 및 전지셀 품질 관리 시스템에 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.
이러한 전지셀은 일반적으로 전극조립체가 전지 케이스에 수납된 상태에서 액체 상태의 전해질, 즉 전해액이 주입되고, 전지 케이스가 실링되는 과정을 통해 제조된다. 이렇게 제조된 전지셀은 일정한 충방전 과정을 반복하는 활성화 공정을 진행하게 됨으로써 전지 구조를 안정화시키고 사용가능한 상태가 되도록 한다.
다만, 이와 같이 전지셀을 제조하는 과정에서, 전지셀을 제조 및 활성화하는 공정 설비와 전지셀 사이의 접촉으로 인해, 전지셀의 표면 부분에 찍힘, 스크래치 또는 이물질에 의한 오염이 발생할 수 있다.
이와 같은 전지셀의 외관 품질을 관리하기 위해, 전지셀의 외관 불량이 발생한 지점을 정확하게 파악하고, 관리할 수 있도록, 전지셀에 맵핑 작업이 수행될 필요가 있다. 이는 전지셀의 소정의 지점에 대해 상대적인 좌표값을 설정하는 과정이다.
도 1은 종래의 전지셀을 맵핑하는 방법을 나타낸 사진이다.
도 1을 참조하면, 종래에는 전지셀을 맵핑하기 위해 좌표를 획득하고자 하는 소정의 지점과 원점 사이의 거리를 자를 사용하여 수작업으로 측정하였다. 그러나 이 경우 거리를 일일이 수작업으로 측정해야 하므로 시간에 오래 걸리고, 측정에 오차가 발생할 가능성이 큰 문제가 있다. 또한 자에 설정된 눈금의 한계로 인해, 마이크로미터 단위의 미세한 측정이 불가능하다는 문제가 있었다. 이와 같이 전지셀에 대해 정확한 맵핑 작업이 진행되지 않으면 외관 불량 조치 시간이 지연되어 전지셀의 생산성이 저하되며, 전지셀의 외관 불량률이 높아지는 문제가 발생할 수 있다.
따라서 상기와 같은 과제 해결을 위한 기술 개발이 필요한 실정이다.
한국등록특허공보 제10-1800065호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전지셀의 외관 불량 검사를 위한 맵핑 작업의 속도 및 정확성을 향상시킬 수 있는 전지셀 품질 관리 방법 및 전지셀 품질 관리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 품질 관리 방법은, 전지셀을 제조하는 단계; 상기 전지셀 및 전지셀이 탑재되는 공정 설비를 스캔하여 스캔 데이터를 수득하는 스캔 단계; 스캔 데이터에 좌표값을 설정하여 좌표 데이터를 수집하는 맵핑 단계; 및 수집된 좌표 데이터를 저장하는 저장 단계; 를 포함한다.
구체적인 예에서, 상기 전지셀을 제조하는 단계는, 전극 조립체를 전지 케이스에 수납 후, 전해액을 주입하고 실링하는 과정을 포함하며, 상기 스캔 단계는 전극 조립체가 전지 케이스에 수납된 이후 수행될 수 있다.
더욱 구체적인 예에서, 상기 스캔 단계는, 제조된 전지셀을 활성화하는 과정에서 수행될 수 있다.
이 때, 상기 스캔 단계는, 전지셀을 충방전하는 공정, 전지셀 내 가스를 제거하는 공정, 전지셀을 이송하는 공정 및 전지셀을 에이징 또는 보관하는 공정을 포함하는 군에서 선택되는 하나 이상에서 공정 별로 각각 수행될 수 있다.
상기 스캔 데이터는, 3차원 스캐너에 의해 수득된 3차원 이미지 데이터일 수 있다.
이 때, 상기 스캔 단계에서, 전지셀은 상기 공정 설비에 탑재된 상태에서 공정 설비와 함께 스캔될 수 있다.
한편, 상기 맵핑 단계는, 상기 스캔 데이터에 대하여 원점을 설정하고, 상기 원점을 기준으로 소정 지점에 대한 좌표값을 설정하는 것일 수 있다.
이 때, 상기 맵핑 단계에서, 좌표값이 설정되는 지점은, 전지셀이 공정 설비와 접촉하는 부분일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지셀 품질 관리 방법은, 전지셀의 외관 불량이 발생한 지점을 검출하는 외관 불량 검사 단계를 더 포함할 수 있다.
구체적인 예에서, 상기 외관 불량 검사 단계는 비전 검사에 의해 수행될 수 있다.
이 때, 상기 외관 불량 검사 단계는, 전지셀의 외관 불량이 발생한 지점을 상기 좌표 데이터와 매칭하여, 외관 불량이 발생한 지점의 좌표 데이터를 획득하는 과정을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 전지셀 품질 관리 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 품질 관리 시스템은 전지셀 및 전지셀이 탑재되는 공정 설비를 스캔하는 스캔부; 스캔 데이터에 좌표값을 설정하여 좌표 데이터를 수집하는 맵핑부; 및 수집된 좌표 데이터를 저장하는 저장부; 를 포함한다.
상기 공정 설비는, 전지셀을 충방전하는 충방전 설비, 전지셀 내 가스를 제거하는 디개싱 설비, 전지셀을 이송하는 이송 설비 및 전지셀을 에이징 또는 보관하는 보관 설비를 포함하는 군에서 선택되는 적어도 하나이며, 상기 스캔부는 공정 설비 및 이에 탑재된 전지셀을 스캔하여 공정 설비 별 스캔 데이터를 수득할 수 있다.
상기 맵핑부는 상기 스캔 데이터에 대하여 원점을 설정하고, 상기 원점을 기준으로 소정 지점에 대한 좌표값을 설정할 수 있다.
이 때, 상기 원점은 전지셀 상의 소정의 지점에 설정되며, 좌표값이 설정되는 지점은, 전지셀이 공정 설비와 접촉하는 부분일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전지셀 품질 관리 시스템은 전지셀의 외관 불량이 발생한 지점을 검출하는 검사부를 더 포함한다.
상기 검사부는 전지셀의 외관을 불량을 검사하는 비전 검사부; 및 외관 불량이 발생한 지점을 좌표 데이터와 매칭시키는 연산부; 를 포함할 수 있다.
본 발명은 3차원 스캐너를 사용하여 전지셀 및 전지셀이 탑재되는 공정 설비를 스캔하고 이를 좌표로 변환함으로써 맵핑 작업의 속도 및 정확성을 향상시킬 수 있다. 또한, 전지셀 및 공정 설비를 함께 스캔하여, 이를 품질 관리에 적용함으로써, 전지셀에 외관 불량 발생 시 불량이 발생한 원인을 신속하게 파악할 수 있다.
도 1은 종래의 전지셀을 맵핑하는 방법을 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 따른 전지셀 품질 관리 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
도 3은 전지셀 및 전지셀이 탑재된 공정 설비의 일 형태를 나타낸 모식도이다.
도 4는 전지셀 및 전지셀이 탑재된 공정 설비를 스캔하는 과정을 나타낸 것이다.
도 5는 전지셀 및 공정 설비가 스캔된 스캔 데이터 및 설정된 좌표 데이터의 일례를 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예 따른 전지셀 품질 관리 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 품질 관리 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지셀 품질 관리 시스템을 나타낸 블록도이다.
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.
본 출원에서, "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.
이하 본 발명에 대해 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 따른 전지셀 품질 관리 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 품질 관리 방법은, 전지셀을 제조하는 단계(S10); 상기 전지셀 및 전지셀이 탑재되는 공정 설비를 스캔하여 스캔 데이터를 수득하는 스캔 단계(S20); 스캔 데이터에 좌표값을 설정하여 좌표 데이터를 수집하는 맵핑 단계(S30); 및 수집된 좌표 데이터를 저장하는 저장 단계(S40); 를 포함한다.
전술한 바와 같이, 종래에는 전지셀을 맵핑하기 위해 좌표를 획득하고자 하는 소정의 지점과 원점 사이의 거리를 자를 사용하여 수작업으로 측정하였다. 그러나 이 경우 거리를 일일이 수작업으로 측정해야 하므로 시간에 오래 걸리고, 측정에 오차가 발생할 가능성이 큰 문제가 있다. 또한 자에 설정된 눈금의 한계로 인해, 마이크로미터 단위의 미세한 측정이 불가능하다는 문제가 있었다.
본 발명은 3차원 스캐너를 사용하여 전지셀 및 전지셀이 탑재되는 공정 설비를 스캔하고 이를 좌표로 변환함으로써 맵핑 작업의 속도 및 정확성을 향상시킬 수 있다. 또한, 전지셀 및 공정 설비를 함께 스캔하여, 이를 품질 관리에 적용함으로써, 전지셀에 외관 불량 발생 시 불량이 발생한 원인을 신속하게 파악할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 전지셀 품질 관리 방법의 각 단계에 대해 자세히 설명한다.
<전지셀의 제조>
본 발명에서, 양극, 분리막 및 음극이 교대로 적층된 구조의 전극 조립체가 전지 케이스 내부에 수납된 구조일 수 있다. 상기 양극 및 음극은 각각 집전체에 전극 활물질을 포함하는 전극 슬러리가 도포된 후 건조 및 압연 과정을 거쳐 활물질층이 형성된 구조이다. 전지 케이스에 전극 조립체가 수납되면 내부에 전해액을 주입하고 밀봉하여 전지셀을 제조할 수 있다.
여기서, 집전체는 양극 집전체 또는 음극 집전체일 수 있고, 상기 전극 활물질은 양극 활물질 또는 음극 활물질일 수 있다. 또한 상기 전극 슬러리는 전극 활물질 외에 도전재 및 바인더를 더 포함할 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 터폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
한편, 상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 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.
한편, 전극 조립체에서, 전극의 일측에는 전극 탭이 형성되며, 상기 전극 탭은 양극 탭 또는 음극 탭일 수 있다. 상기 양극 탭 및 음극 탭에는 각각 양극 리드와 음극 리드가 연결된다. 상기 양극 리드 및 음극 리드는 전지 케이스 외부로 인출되어 외부와 전기적으로 연결되는 단자 역할을 수행하게 된다. 이 때 상기 양극 리드 및 음극 리드는 각각 양극 탭 및 음극 탭과 용접으로 접합될 수 있다. 용접 방법으로는 공지의 것을 사용할 수 있으며, 예를 들어 초음파 용접 또는 레이저 용접을 사용할 수 있다.
이 때, 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. 파우치형 전지 케이스는 통상적으로 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있으며, 밀봉을 위한 내부 실란트층, 물질의 침투를 방지하는 금속층, 및 케이스의 최외곽을 이루는 외부 수지층으로 구성될 수 있다. 전지셀은 파우치형 전지 케이스 내부에 전극 조립체가 수납된 후 전극 리드가 인출된 상태에서 상부 케이스 및 하부 케이스를 열융착 실링함으로써 제조되는바, 전지 케이스의 단부에 열융착 실링부가 형성될 수 있다. 기타 전지 케이스에 대한 구체적인 내용은 통상의 기술자에게 공지된 사항이므로 자세한 설명을 생략한다.
한편, 전지 케이스에 전극 조립체가 수납되면, 전지 케이스의 밀봉 전 전해액이 주입된다.
상기 전해액은 유기 용매 및 리튬염을 포함하고, 선택적으로 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 유기 용매는 전지의 충방전 과정에서 산화 반응 등에 의한 분해가 최소화될 수 있는 것이라면 제한이 없고, 예를 들어 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 에스테르, 에테르 또는 케톤 등일 수 있다. 이들은 단독으로 사용될 수 있고, 2종 이상이 혼용되어 사용될 수 있다.
상기 유기 용매들 중 특히 카보네이트계 유기 용매가 바람직하게 사용될 수 있는데, 환형 카보네이트로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC) 및부틸렌 카보네이트(BC)를 들 수 있고, 선형 카보네이트로는 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 메틸프로필카보네이트(MPC) 및 에틸프로필 카보네이트(EPC)가 대표적이다.
상기 리튬염은 LiPF6, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiBF4, LiBF6, LiSbF6, LiN(C2F5SO2)2, LiAlO4, LiAlCl4, LiSO3CF3 및 LiClO4 등 리튬 이차전지의 전해액에 통상적으로 사용되는 리튬염이 제한 없이 사용될 수 있으며, 이들은 단독으로 사용될 수 있고, 2종 이상이 혼용되어 사용될 수 있다.
또한, 상기 전해액에는 선택적으로 첨가제가 더 포함될 수 있으며, 예를 들어, 상기 첨가제로는 SEI 막을 안정적으로 형성하기 위하여, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트, 환형 설파이트, 포화 설톤, 불포화 설톤, 비환형 설폰, 리튬옥살릴디플루오로보레이트(LiODFB), 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 여기에 한정되지는 않는다.
기타 전해액에 대한 구체적인 내용은 통상의 기술자에게 공지된 사항이므로 자세한 설명을 생략한다.
전극 조립체가 전지 케이스에 수납 후 전해액이 주입되면 전지 케이스를 실링하여 전지셀이 제조된다.
<전지셀 및 공정 설비의 스캔>
전지셀이 제조되면, 전지셀 및 공정 설비를 스캔하여 스캔 데이터를 수득하게 된다. 본 발명에서, 공정 설비란 전지셀을 제조 또는 가공하는 공정에 사용되는 설비를 의미한다.
도 3은 전지셀 및 전지셀이 탑재된 공정 설비의 일 형태를 나타낸 모식도이다. 도 4는 전지셀 및 전지셀이 탑재된 공정 설비를 스캔하는 과정을 나타낸 것이다. 도 5는 전지셀 및 공정 설비가 스캔된 스캔 데이터 및 설정된 좌표 데이터의 일례를 나타낸 사진이다.
일반적으로 전지셀에 발생하는 외관 불량은 전지 케이스가 각종 공정 설비에 접촉함으로 인해 발생하게 되므로, 본 발명에서 상기 스캔 단계는 전극 조립체가 전지 케이스에 수납된 이후 수행될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 전지셀은 전극 조립체를 전지 케이스에 수납 후, 전해액을 주입하고 실링하여 제조되므로, 전지셀 및 공정 설비를 스캔하는 단계는 전지셀을 제조하는 단계 이후뿐만 아니라 전지셀을 제조하는 중에도 수행될 수 있다.
특히, 상기 전지셀은 전극 조립체가 전지 케이스에 수납된 이후 전지 구조를 안정화시키고 사용가능한 상태가 되도록 일정한 충방전 과정을 반복하는 활성화 공정을 진행하게 되는 활성화 공정이 수행되므로, 전지셀에서의 외관 불량은 주로 활성화 공정 및 이후의 보관 공정에서 발생하게 된다. 따라서, 본 발명에서 전지셀 및 공정 설비의 스캔은 제조된 전지셀을 활성화하는 과정에서 수행될 수 있다.
일반적으로, 활성화 공정은 전지셀을 전해액이 함침되도록 소정 시간 동안 에이징하는 프리 에이징 공정, 전지셀을 소정의 전류/전압으로 충방전하는 포메이션 공정, 충방전된 전지셀을 에이징하는 에이징 공정, 충방전으로 인해 발생한 전지셀 내부의 가스를 제거하는 디개싱 공정, 및 전지셀의 출하 전 최종적으로 충방전 과정을 반복하는 출하 공정이 진행되며, 각각의 공정 사이에 각 설비로 전지셀을 이송하는 공정이 수행된다.
본 발명에서는, 상기 각 공정에서 발생할 수 있는 외관 불량 문제를 검출하기 위해, 각 공정마다 스캔을 수행하여 스캔 데이터를 수득한다. 즉, 상기 스캔 단계는, 전지셀을 충방전하는 공정, 전지셀 내 가스를 제거하는 공정, 전지셀을 이송하는 공정 및 전지셀을 에이징 또는 보관하는 공정을 포함하는 군에서 선택되는 하나 이상에서 공정 별로 각각 수행된다. 여기서 스캔이 공정 별로 수행된다는 것은, 각 공정 별로 공정 설비에 전지셀이 탑재된 상태에서 스캔이 수행되며, 각 공정 설비 별 스캔 데이터를 각각 수득하는 것을 의미한다. 이와 같이 각 공정 별로 스캔 데이터를 수득하게 되면, 후술하는 바와 같이 전지셀에 외관 불량이 발생했을 때 외관 불량이 발생한 지점을 스캔 데이터와 비교하여 어느 공정에서 외관 불량이 발생하였는지 용이하게 파악할 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀 품질 관리 방법에서, 상기 스캔 단계는 3차원 스캐너(3)에 의해 수행될 수 있다. 상기 3차원 스캐너(3)로는 통상의 것을 적절히 선택할 수 있으며, 비접촉식인 것이 바람직하다. 상기 비접촉식 3차원 스캐너로는, 레이저 방식, 광학 방식 등이 있으며, 상기 광학 방식 3차원 스캐너로는, 백색광을 이용한 것과 변조광을 이용한 것 등이 있다. 본 발명에서는, 예를 들어, 3차원 레이저 스캐너를 사용할 수 있으나 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 3 및 도 4를 참조하면, 전지셀(1)은 앞서 설명한 바와 같은 공정 설비(2)들 중 어느 하나에 탑재된다. 이 때, 3차원 스캐너(3)는 전지셀(1)의 상부에 위치하여, 전지셀(1) 및 공정 설비(2)를 스캔한다. 상기 스캔 단계에서, 전지셀(1)은 상기 공정 설비(2)에 탑재된 상태에서 공정 설비(2)와 함께 스캔된다. 이와 같이 전지셀(1)을 공정 설비(2)와 함께 스캔함으로써 후술하는 바와 같이 전지셀과 공정 설비(2)가 접촉하는 부분에 대한 좌표 데이터를 획득할 수 있고, 이러한 데이터를 전지셀의 외관 관리에 활용할 수 있다. 이 때, 공정 설비 전체를 모두 스캔할 필요는 없으며, 도 5와 같이 전지셀 및 상기 전지셀이 공정 설비와 접촉하는 부분이 식별될 수 있는 정도이면 족하다.
이와 같이 스캔 단계에서 전지셀 및 전지셀이 탑재된 공정 설비가 3차원 스캐너에 의해 스캔되면 3차원 이미지 데이터 형식의 스캔 데이터가 수득되며, 이는 후술하는 맵핑 과정에 활용된다.
<좌표 데이터 수집 및 저장>
각 공정 설비에 대하여 전지셀 및 전지셀이 탑재된 공정 설비가 스캔된 스캔 데이터가 생성되면, 상기 스캔 데이터에 좌표값을 설정하여 좌표 데이터를 수집하는 맵핑 단계가 수행된다. 상기 스캔 데이터에 대하여 좌표값을 설정함으로써 마이크로미터 단위의 정밀한 맵핑이 가능하다.
본 발명에서, 상기 맵핑 단계는, 상기 스캔 데이터에 대하여 원점을 설정하고, 상기 원점을 기준으로 소정 지점에 대한 좌표값을 설정하는 것일 수 있다.
이 때, 상기 원점은 스캔 데이터 상의 임의의 지점으로 설정될 수 있다. 구체적으로, 상기 원점을 스캔 데이터에 나타난 전지셀 상의 임의의 지점에 설정함으로써 좌표값 설정 및 외관 검사 데이터와 좌표 데이터를 매칭시키는 과정을 용이하게 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 원점은 도 5와 같이 전지셀을 구성하는 전지 케이스의 일측 모서리 부분에 설정할 수 있다.
원점이 설정되면, 원점을 기준으로 측정하고자 하는 소정의 지점에 대해 좌표값을 설정하게 된다. 이 때 상기 좌표값이 설정되는 지점은, 전지셀이 공정 설비와 접촉하는 부분일 수 있다. 전술한 바와 같이 스캔 단계는 전지셀을 충방전하는 공정, 전지셀 내 가스를 제거하는 공정, 전지셀을 이송하는 공정 및 전지셀을 에이징 또는 보관하는 공정을 포함하는 군에서 선택되는 하나 이상에서 공정 별로 각각 수행되므로, 각 공정 별 스캔 데이터에 대해 각각 전지셀과 공정 설비가 접촉하는 부분에 대한 좌표값이 설정될 수 있다.
한편, 본 발명에서 스캔 단계는 3차원 스캐너에 의해 수행되므로, 수득되는 스캔 데이터는 3차원 이미지 데이터이다. 즉 스캔 데이터에 좌표값이 설정될 경우 그 좌표 데이터는 x축, y축 및 z축에 대한 좌표로 구성된 3차원 직교 좌표계에 속한다. 그러나, 상기 전지셀이 공정 설비와 접촉하여 외관 불량이 발생하는 지점은 전지셀과 공정 설비가 접촉하는 일 면에만 형성되므로, 상기 좌표값을 상기 전지셀과 공정 설비가 접촉하는 면을 기준으로 한 2차원 좌표계 형식으로 설정할 수 있다.
예를 들어, 도 5를 참조하면, 상기 원점을 기준으로 했을 때, 좌표값을 설정하고자 하는 지점(B)의 3차원 좌표값은 (220.604, -32.634, -0.960)이다. 여기서, x축은 전극 탭이 인출된 방향이며, y축은 전지실에 설비와 접촉하는 면에서 x축과 수직인 방향의 축이고, z축은 전지셀의 두께 방향을 나타내는 축이다. 도 5에서, 전지셀이 공정 설비와 직접적으로 접촉하는 면은 xy 평면이므로, 최종적으로 설정되는 좌표값은 (220.604, -32.634)와 같이 2차원 평면 좌표 형식으로 표현될 수 있다.
각 공정 설비 별로 좌표 데이터가 수집되면, 이를 별도의 저장부에 입력하여 저장하는 저장 단계가 수행될 수 있다.
<전지셀의 외관 불량 검사>
이와 같이 스캔 데이터에 대한 좌표 데이터가 수집 및 저장되면, 좌표 데이터를 전지셀의 외관 불량 검사에 활용한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예 따른 전지셀 품질 관리 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀 품질 관리 평가 방법은 전지셀의 외관 불량이 발생한 지점을 검출하는 외관 불량 검사 단계(S50)를 더 포함할 수 있다.
상기 외관 불량 검사 단계는 전지셀의 제조 공정 중 어느 단계에서든지 수행 가능하며, 최종적으로 활성화 공정이 완료된 전지셀에 대해서도 수행 가능하다.
구체적으로, 상기 외관 불량 검사 단계는, 비전 검사에 의해 수행될 수 있다. 상기 비전 검사는 검사 대상 물체의 외관을 검사하는 방법으로 알려져 있으며, 본 발명에서 상기 비전 검사는 이미 공지된 방법대로 수행할 수 있다. 구체적으로, 전지셀의 외관을 비전 카메라 및 조명을 구비한 비전 검사부에 의해 촬영하여 화상 데이터를 얻은 후, 상기 화상 데이터로부터 외관 불량이 발생한 지점을 검출할 수 있다. 이 때, 별도의 알고리즘을 통해 불량이 발생한 부분을 검출할 수 있는데, 예를 들어 외관 불량이 발생하지 않는 양품 전지셀의 데이터와 촬영된 화상 데이터를 비교하여 외관 불량 여부를 검출할 수 있다. 또는 얻어진 화상 데이터를 회색도(gray value) 또는 L*a*b*와 같은 색 좌표계 등 수치로 나타낼 수 있는 데이터로 환산한 후 불량이 발생한 부분을 검출할 수 있다. 이하 비전 검사에 관한 구체적인 내용은 통상의 기술자에게 공지된 사항이므로 자세한 설명을 생략한다.
이와 같이 전지셀에 불량이 발생한 부분이 검출되면, 이로부터 불량이 발생한 원인을 특정한다.
상기 외관 불량 검사 단계는, 전지셀의 외관 불량이 발생한 지점을 상기 좌표 데이터와 매칭하여, 외관 불량이 발생한 지점의 좌표 데이터를 획득하는 과정을 포함한다. 상기 좌표 데이터는 저장부에 입력 및 저장된 것을 사용한다. 본 발명에서 상기 좌표 데이터는 각 공정 별로 전지셀과 공정 설비가 접촉하는 부분에 대해 수집되어 있으므로, 전지셀의 외관 불량이 발생한 지점의 좌표 데이터를 알면 어느 공정에서 외관 불량이 발생했는지를 알 수 있다. 본 발명은 각 공정 별로 맵핑을 통해 좌표 데이터를 수집함으로써, 전지셀에 외관 불량이 발생했을 때 각 공정의 불량 여부를 일일이 확인하지 않고도 비전 검사를 통해 불량이 발생한 원인이 되는 공정을 직관적으로 파악할 수 있다.
또한, 본 발명은 전지셀 품질 관리 시스템을 제공한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 품질 관리 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀 품질 관리 시스템(100)은 전지셀 및 전지셀이 탑재되는 공정 설비를 스캔하는 스캔부(110); 스캔 데이터에 좌표값을 설정하여 좌표 데이터를 수집하는 맵핑부(120); 및 수집된 좌표 데이터를 저장하는 저장부(130); 를 포함한다.
또한, 도 7을 도 4와 함께 참조하면, 상기 스캔부는(110), 공정 설비(2) 상에 전지셀(1)이 탑재되어 있는 상태에서 전지셀(1) 및 공정 설비(2)를 함께 스캔하여 스캔 데이터를 생성한다. 상기 스캔부(110)는, 전지셀(1) 및 공정 설비(2)를 스캔하는 스캐너(3) 및 스캐너(3)의 작동을 제어하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 공정 설비(2)는 전극 조립체가 전지 케이스에 수납된 이후 전지셀을 제조 및 가공하기 위한 모든 공정 설비를 포함한다. 구체적으로 상기 공정 설비(2)는, 전지셀을 충방전하는 충방전 설비, 전지셀 내 가스를 제거하는 디개싱 설비, 전지셀을 이송하는 이송 설비 및 전지셀을 에이징 또는 보관하는 보관 설비를 포함하는 군에서 선택되는 적어도 하나이다.
상기 스캔부(110)는 공정 설비 및 이에 탑재된 전지셀을 스캔하여 공정 설비 별 스캔 데이터를 수득할 수 있다. 즉, 스캔부(110)는 각 공정 설비 별로 공정 설비 및 이에 탑재된 전지셀이 모두 도시된 형태의 스캔 데이터를 수득한다. 이 때, 하나의 스캔부가 각각의 공정 설비 및 이에 탑재되는 전지셀에 대한 스캔 데이터를 스캔하여 공정 설비 별로 스캔 데이터를 수득할 수도 있고, 각 공정 설비별로 스캔부가 구비될 수도 있다.
한편, 맵핑부(120)는 상기 스캔 데이터에 좌표값을 설정하여 좌표 데이터를 수집한다. 구체적으로, 상기 맵핑부(120)는 상기 스캔 데이터에 대하여 원점을 설정하고, 상기 원점을 기준으로 소정 지점에 대한 좌표값을 설정하여 좌표 데이터를 생성한다.
전술한 바와 같이, 이 때, 상기 원점은 스캔 데이터 상의 임의의 지점으로 설정될 수 있다. 구체적으로, 상기 원점은 스캔 데이터에 나타난 전지셀 상의 임의의 지점에 설정될 수 있으며, 예를 들어 도 5와 같이 전지셀을 구성하는 전지 케이스의 일 측 모서리 부분에 설정될 수 있다.
상기 좌표값은 전술한 바와 같이 전지셀이 공정 설비와 접촉하는 부분일 수 있다. 본 발명에 따른 전지셀 품질 관리 시스템에서 스캔부(110)는 공정 설비 별로 구비되어 있으므로 상기 좌표값은 공정 설비 별로 생성된 스캔 데이터마다 설정될 수 있다. 이 때, 상기 좌표값은 상기 전지셀과 공정 설비가 접촉하는 면을 기준으로 한 2차원 좌표계 형식으로 설정될 수 있다.
얻어진 좌표 데이터는 저장부(130)에 저장되며, 이는 후술하는 검사부로 전송되어 외관 불량 검사에 활용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지셀 품질 관리 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀 품질 관리 시스템(200)은 전지셀의 외관 불량이 발생한 지점을 검출하는 검사부(140)를 더 포함한다.
구체적으로, 상기 검사부(140)는 전지셀의 외관 불량을 검사하는 비전 검사부(141); 및 외관 불량이 발생한 지점을 좌표 데이터와 매칭시키는 연산부(142); 를 포함할 수 있다.
상기 비전 검사부(141)는 비전 검사를 통해 전지셀의 외관을 검사하여 전지셀에 불량이 발생했는지 여부 및 전지셀에 불량이 발생한 경우 불량 발생 지점을 특정한다. 비전 검사에 관한 내용은 앞서 설명한 바와 같다.
상기 연산부(142)는, 비전 검사를 통해 얻어진 화상 데이터 및 상기 화상 데이터에서 검출된 불량 발생 지점을 좌표 데이터와 매칭하여 불량 발생 지점의 좌표값을 획득한다. 상기 좌표 데이터는 각 공정 별로 전지셀과 공정 설비가 접촉하는 부분에 대해 수집되어 있으므로, 전지셀의 외관 불량이 발생한 지점의 좌표 데이터를 알면 어느 공정에서 외관 불량이 발생했는지를 알 수 있다. 본 발명은 각 공정 별로 맵핑을 통해 좌표 데이터를 수집함으로써, 전지셀에 외관 불량이 발생했을 때 각 공정의 불량 여부를 일일이 확인하지 않고도 비전 검사를 통해 불량이 발생한 원인이 되는 공정을 직관적으로 파악할 수 있다.
즉, 본 발명은 3차원 스캐너를 사용하여 전지셀 및 전지셀이 탑재되는 공정 설비를 스캔하고 이를 좌표로 변환함으로써 맵핑 작업의 속도 및 정확성을 향상시킬 수 있다. 또한, 전지셀 및 공정 설비를 함께 스캔하여, 이를 품질 관리에 적용함으로써, 전지셀에 외관 불량 발생 시 불량이 발생한 원인을 신속하게 파악할 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.
1: 전지셀
2: 공정 설비
3: 3차원 스캐너
100, 200: 전지셀 품질 관리 시스템
110: 스캔부
120: 맵핑부
130: 저장부
140: 검사부
141: 비전 검사부
142: 연산부

Claims (17)

  1. 전지셀을 제조하는 단계;
    상기 전지셀 및 전지셀이 탑재되는 공정 설비를 스캔하여 스캔 데이터를 수득하는 스캔 단계;
    스캔 데이터에 좌표값을 설정하여 좌표 데이터를 수집하는 맵핑 단계; 및
    수집된 좌표 데이터를 저장하는 저장 단계; 를 포함하는 전지셀 품질 관리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀을 제조하는 단계는, 전극 조립체를 전지 케이스에 수납 후, 전해액을 주입하고 실링하는 과정을 포함하며,
    상기 스캔 단계는 전극 조립체가 전지 케이스에 수납된 이후 수행되는 전지셀 품질 관리 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스캔 단계는,
    제조된 전지셀을 활성화하는 과정에서 수행되는 전지셀 품질 관리 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 스캔 단계는,
    전지셀을 충방전하는 공정, 전지셀 내 가스를 제거하는 공정, 전지셀을 이송하는 공정 및 전지셀을 에이징 또는 보관하는 공정을 포함하는 군에서 선택되는 하나 이상에서 공정 별로 각각 수행되는 전지셀 품질 관리 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스캔 데이터는, 3차원 스캐너에 의해 수득된 3차원 이미지 데이터인 전지셀 품질 관리 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스캔 단계에서,
    전지셀은 상기 공정 설비에 탑재된 상태에서 공정 설비와 함께 스캔되는 전지셀 품질 관리 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 맵핑 단계는,
    상기 스캔 데이터에 대하여 원점을 설정하고, 상기 원점을 기준으로 소정 지점에 대한 좌표값을 설정하는 것인 전지셀 품질 관리 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 맵핑 단계에서,
    좌표값이 설정되는 지점은, 전지셀이 공정 설비와 접촉하는 부분인 전지셀 품질 관리 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    전지셀의 외관 불량이 발생한 지점을 검출하는 외관 불량 검사 단계를 더 포함하는 전지셀 품질 관리 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 외관 불량 검사 단계는 비전 검사에 의해 수행되는 전지셀 품질 관리 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 외관 불량 검사 단계는,
    전지셀의 외관 불량이 발생한 지점을 상기 좌표 데이터와 매칭하여, 외관 불량이 발생한 지점의 좌표 데이터를 획득하는 과정을 포함하는 전지셀 품질 관리 방법.
  12. 전지셀 및 전지셀이 탑재되는 공정 설비를 스캔하는 스캔부;
    스캔 데이터에 좌표값을 설정하여 좌표 데이터를 수집하는 맵핑부; 및
    수집된 좌표 데이터를 저장하는 저장부; 를 포함하는 전지셀 품질 관리 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 공정 설비는, 전지셀을 충방전하는 충방전 설비, 전지셀 내 가스를 제거하는 디개싱 설비, 전지셀을 이송하는 이송 설비 및 전지셀을 에이징 또는 보관하는 보관 설비를 포함하는 군에서 선택되는 적어도 하나이며,
    상기 스캔부는 공정 설비 및 이에 탑재된 전지셀을 스캔하여 공정 설비 별 스캔 데이터를 수득하는 전지셀 품질 관리 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 맵핑부는 상기 스캔 데이터에 대하여 원점을 설정하고, 상기 원점을 기준으로 소정 지점에 대한 좌표값을 설정하는 전지셀 품질 관리 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 원점은 전지셀 상의 소정의 지점에 설정되며,
    좌표값이 설정되는 지점은, 전지셀이 공정 설비와 접촉하는 부분인 전지셀 품질 관리 시스템.
  16. 제12항에 있어서,
    전지셀의 외관 불량이 발생한 지점을 검출하는 검사부를 더 포함하는 전지셀 품질 관리 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 검사부는 전지셀의 외관 불량을 검사하는 비전 검사부; 및
    외관 불량이 발생한 지점을 좌표 데이터와 매칭시키는 연산부; 를 포함하는 전지셀 품질 관리 시스템.
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