KR20230013929A - 이차 전지 퇴화 검출 시스템 및 이를 위한 3전극 이차전지 - Google Patents

Abstract

3전극 이차전지와 판별장치로 이루어져, 3 전극의 이차전지를 이용하여 전지셀 내부에서 발생하는 화학적 거동을 모니터링할 수 있으며, 이를 통해 이차전지의 퇴화 시점 혹은 이상 발생 시 이를 즉시 검출할 수 있는 이차전지 퇴화 검출 시스템이 개시된다. 3전극 이차전지는, 전극조립체, 전극조립체를 수용하는 전지 케이스, 전지 케이스 내에 충진되는 전해액, 전극조립체와 연결되고 전지 케이스의 외부로 인출되는 양극 전극 및 음극 전극, 전지 케이스의 내부에 장착되어 음극 전위를 측정하기 위한 하나 이상의 카운터 전극을 포함한다. 판별장치는, 3전극 이차전지의 카운터 전극을 통해 음극 전위를 모니터링하여 전지 퇴화 및 이상 발생을 판단한다.

Description

이차 전지 퇴화 검출 시스템 및 이를 위한 3전극 이차전지{SYSTEM FOR ESTIMATING SECONDARY BATTERY DEGRADATION AND SECONDARY BATTERY WITH THREE ELECTRODE}

본 발명은 전기장치의 에너지원으로 사용되는 이차전지의 퇴화 검출에 관한 것으로서 특히, 다수의 이차전지 셀을 구비한 배터리팩에서 3전극 이차전지를 이용하여 이차전지의 상대적 음극 전위를 측정하고, 이를 기반으로 셀의 화학적 거동을 모니터링을 통하여, 이차전지의 급격한 퇴화 및 이상 발생을 검출할 수 있는 이차 전지 퇴화 검출 시스템 및 이를 위한 3전극 이차 전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 다양한 이차전지 중에서도 충방전이 가능하고 가벼우면서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 널리 사용되고 있다.

더불어, 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 방안으로, 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV), 배터리 전기자동차(BEV), 전기자동차(EV) 등에 대한 연구가 진행되고 있다.

리튬 이차 전지는 이러한 내연기관 대체 자동차의 동력원으로서도 주목받고 있다.

자동차 등과 같은 중대형 장치에는 고출력, 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지 셀들을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다. 중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 제작되고 있다

그런데 이차 전지의 양극과 음극은 충방전시 이온의 삽입/탈리에 의해 부피가 변화될 수 있으며, 이러한 현상은 사용 정도에 따라 이차전지의 성능을 퇴화시킨다.

이와 관련하여, 전지 사용에 따라 변화하는 전압을 측정하여 이상 증후를 파악하는 방법이 사용되고 있으나, 이는 전지의 음극에서 발생하는 Li 석출에 따른 이차 전지의 퇴화를 명확하게 판단할 수 없다.

KR 10-2032507 B1

본 발명은 3 전극의 이차전지를 활용하여 전지 셀 내부에서 발생하는 화학적 거동을 모니터링하며, 이차전지의 퇴화 시점 혹은 이상 발생 시 이를 즉시 검출할 수 있는 이차 전지 퇴화 검출 시스템 및 이를 위한 3전극 이차전지를 제공하고자 한다.

본 발명의 과제 해결 수단으로서, 다수의 이차전지 셀을 포함하는 배터리팩의 이차전지 퇴화 검출 시스템을 제공한다. 이차전지 퇴화 검출 시스템은, 3전극 이차전지 및 판별 장치를 포함한다.

3전극 이차전지는, 전극조립체와, 전극조립체를 수용하는 전지 케이스와, 전지 케이스 내에 충진되는 전해액과, 전극조립체와 연결되고 전지 케이스의 외부로 인출되는 양극 전극 및 음극 전극과, 전지 케이스의 내부에 장착되어 음극 전위를 측정하기 위한 하나 이상의 카운터 전극을 포함한다.

판별 장치는 3전극 이차전지의 카운터 전극을 통해 음극 전위를 모니터링하여 전지 퇴화 및 이상 발생을 판단하는 것으로, 배터리팩의 충전 모드에서 3전극 이차전지를 가동하여 음극 전위를 모니터링한다. 이때, 판별 장치는, 충전 모드가 급속 충전인 경우, 3전극 이차전지의 방전용량과 배터리팩의 용량을 비교하여, 방전용량이 배터리팩의 용량보다 낮으면 3전극 이차전지의 가동을 중지한다.

그리고 판별장치는, 3전극 이차전지의 음극 전위가 0V에 근접하거나 OV보다 낮으면 리튬 석출에 의한 전지 퇴화인 것으로 판단한다.

하나 이상의 카운터 전극은, 전극조립체의 하나 이상의 전극판 또는 최 외각에 위치한 전극판에 장착되는 것으로, 충방전 거동 중 냉각 또는 열 충격에 가장 취약한 위치에 장착된다.

하나 이상의 카운터 전극은, 전지 케이스 내부에 위치하는 리튬 금속부, 리튬 금속부에서 연결되어 전지 케이스의 외부로 인출되는 리드부, 리튬 금속부 및 리드부와 전극조립체 간을 분리하는 세퍼레이터로 이루어진다.

본 발명에 의한 이차 전지 퇴화 검출 시스템은, 하나 이상의 카운터 전극에 접속하여, 그 전기적 신호를 판별 장치로 전달하는 측정장치를 더 포함한다.

본 발명은 3전극 이차전지의 음극 전극과 카운터 전극 간의 전위차를 측정하여 셀 내부의 화학적 거동을 모니터링할 수 있으며, 이를 통해 전지 사용에 따라서 리튬 이온이 음극 전극 표면에 쌓이는 리튬 석출로 인한 전지 퇴화 시기를 검출할 수 있다.

또한, 본 발명은 3전극 이차전지를 다수의 셀로 이루어지는 배터리팩에 기준 전극으로 장착하고, 배터리팩의 충전 작동 중 3전극 이차전지를 가동하여 음극 전위를 모니터링함으로써, 전지 퇴화 시점을 추정함으로써 배터리팩의 안정적인 운용 및 관리를 가능하게 한다.

도 1은 본 발명에 따른 이차 전지 퇴화검출 시스템에 적용되는 3전극 이차 전지의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 3전극 이차 전지에서, 카운터 전극의 배치 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 3전극 이차 전지의 작동 전압 변위를 예시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지 퇴화 검출 시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지 퇴화 검출 시스템의 동작 방법을 도시한 순서도이다.

본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

미리 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

본 발명은 리튬이 주소재로 사용되는 리튬 이차전지에서, 사용빈도에 따라 음극 전극의 표면에 형성되는 리튬 석출 시점 및 이상점을 음극 전압을 측정하여 추정하고, 이를 통해 이차전지의 퇴화 시점 혹은 교체 시기를 안정적으로 추정하고자 한 것으로서, 이는 도 1 내지 도 3을 통해 설명하는 3전극 이차전지를 이용하여 구현한다.

도 1은 본 발명에 따른 이차 전지 퇴화 검출 시스템에 적용되는 3전극 이차 전지의 구조를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 3전극 이차 전지에서의 카운터 전극의 배치 예를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 3전극 이차 전지의 작동 전압 변위를 예시한 그래프이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 3전극 이차전지(10)는, 하나 이상의 양극판 및 음극판이 상호 마주보도록 구성되는 전극 조립체(20)와, 상기 전극조립체 및 전해액을 함께 밀봉 수납하는 전지 케이스(30)를 포함한다.

구체적으로, 전극 조립체(20)는, 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 하나 이상의 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 게재하여 적층된 상태로 형성되거나, 하나의 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 권취된 상태로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 3전극 이차전지(10)에서 상기 양극 활물질과 음극 활물질로서 리튬계 산화물과 탄소재를 이용하며, 이러한 이차 전지를 리튬 이차전지라 한다. 리튬을 주소재로 하는 리튬 이차전지는 양극 활물질에서 나온 리튬 이온이 양극과 음극 간에 이동함에 의해 전류가 흘러 충전과 방전이 이루어진다.

상기 양극판과 음극판 사이에 게재되는 세퍼레이터는 리튬 이온의 이동성을 높이기 위한 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막으로 이루어져, 양극판과 음극판을 물리적으로 분리하며 양극판과 음극판 간의 리튬 이온의 이동성을 지원한다. 이러한 세퍼레이터로서, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머, 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용될 수 있다. 더하여, 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 세퍼레이터가 사용될 수 도 있다.

전극 조립체(20)의 양극판 및 음극판들은 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성되는데, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 그리고 각각의 양극판과 음극판들에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재하며, 이러한 무지부를 연장하여 전지 케이스(30)의 외부로 인출된 음극 전극(21)과 양극 전극(22)이 형성된다.

전지 케이스(30)는 전극 조립체(20)를 리튬 이온의 이동을 위한 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재로서, 원형 또는 각형의 금속 캔 혹은 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어진 파우치로 구현될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예로서, 파우치형상의 이차 전지를 예로 들어 설명하나, 본 발명에 따른 3전극 이차 전지는 그 형상에 제한을 두지 않는다.

상기 전지 케이스(30) 내부에 전극 조립체(20)와 함께 밀봉되는 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어진다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.

상기 음극 전극(21) 및 양극 전극(22)을 포함하는 전극 조립체(20) 및 전지 케이스(30)를 위한 다양한 제조 방법이 알려져 있다.

이렇게 리튬 이온의 이동을 통해서 구동하는 리튬 이차 전지는, 전지 사용 빈도가 증가함에 따라서, 리튬 이온이 음극 활물질에 위치하지 않고 음극판에 쌓이는 리튬 석출 현상이 일어나며, 이러한 리튬 석출 현상은 전지 성능을 퇴화시킨다. 따라서, 리튬 석출로 인한 전지 성능의 퇴화 시기를 추정하여, 적절한 시점에 리튬 이차 전지의 교체가 이루어져야 한다.

본 발명에 따른 3전극 이차전지(10)는 상술한 음극판에 쌓이는 리튬 석출로 인한 전지 퇴화를 검출하기 위하여, 상술한 음극 전극(21) 및 양극 전극(22)에 더하여, 음극 전극(21)과의 전위차를 측정하기 위한 카운터 전극(23)을 구비한다.

상기 카운터 전극(23)은, 도 1을 참조하면, 상기 전극 조립체(20) 및 전해액과 함께 전지 케이스(30) 내부에 위치하는 리튬 금속부(23a)와, 상기 리튬 금속부(23a)에서 연장되어 전지 케이스(30)의 외부로 인출되는 리드부(23b) 및 상기 리튬 금속부(23a) 및 리드부(23b)를 상기 전극 조립체(20)의 전극판, 즉, 양극판 및/또는 음극판과 전기적으로 분리하기 위한 세퍼레이터(23c)로 이루어진다.

상기 리튬 금속부(23a)는 구리와 같은 금속 와이어에 리튬계 산화물, 예를 들어, 리튬 티타늄 산화물(LTO, Lithium Titanium Oxide)로 코팅하여 구현될 수 있으며, 상기 리튬계 산화물이 도포되지 않은 금속 와이어를 전지 케이스(30) 외부로 연장하여 인출함으로써, 상기 리드부(23b)를 구현할 수 있다.

상기 리튬 금속부(23a)로부터 생성되는 리튬 이온은 전지케이스(30) 내부에 충진된 전해액을 통해 이동하게 되며, 이에 음극 전위(리튬 금속부(23a)를 기준으로 하는 상대적 음극 전위)를 독립적으로 측정할 수 있도록 한다.

상기 리드부(23b)는 전도성이 우수한 금속 재질이면 제한 없이 적용할 수 있다. 예를 들어, 구리 또는 니켈이 코팅된 구리가 사용될 수 있다.

상기 세퍼레이터(23c)는 상기 카운터 전극(23)의 리튬 금속부(23a) 및 리드부(23b)가 전극구조체(20)의 다른 금속층, 구체적으로, 양극판 및 음극판과 접촉하여 단락이 발생하지 않도록 하기 위한 것으로서, 상기 전극 조립체(20)에서 양극판과 음극판 사이에 게재되는 세퍼레이터와 마찬가지로, 다공성 세퍼레이터으로 구현될 수 있다.

상기 카운터 전극(23)은 전지의 상황에 따라서, 도 2에 도시한 바와 같이, 이차전지(10) 내부에 구비된 상기 전극 조립체(20)를 구성하는 다수 전극판(20a, 20b, 20c)에 각각 부착될 수 있다. 혹은 다수 전극판(20a, 20b, 20c) 중 최 외각에 위치한 전극판에 부착할 수도 있다. 이때, 더 정확한 측정을 위하여, 상기 카운터 전극(23)은 이차 전지(10)의 충방전 작동 중 가장 취약한 부분, 예를 들어, 냉각이 가장 덜 되는 부분, 또는 열 충격을 가장 심하게 받는 부분에 접착될 수 있다. 상기 충방전 거동 중 가장 취약한 부위는 다수의 이차전지에 대한 실험 결과를 통해 도출될 수 있다.

이차전지(10)에 있어서, 충방전 작동에 따른 전압 변위의 정도의 전지 셀의 상태나 수준에 따라 다르게 나타날 수 있다.

예를 들어, 성능이 퇴화되지 않은 이차전지(10)의 충방전 작동시 전압 변위는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 완만하게 변화하는 반면에, 성능이 퇴화한 경우 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 음극 전위(Anode Potential)에서 급격하게 변화하는 이상점이 발생한다.

본 발명에 따른 상기 카운터 전극(23)은 상술한 음극 전위를 독립적으로 측정하여 모니터링하기 위한 것으로서, 상기 카운터 전극(23)의 리튬 금속부(23a)와 음극 전극(21) 간의 전위차를 측정할 수 있도록 한다.

이 경우, 사용빈도증가에 따라서 전극 조립체(20)의 음극판에 생성되는 리튬 석출이 증가할수록, 음극 전극(21)과 카운터 전극(23) 간의 전위차가 0V에 가까워진다. 따라서, 상기 카운터 전극(23)을 이용하여 상대적 음극 전위를 측정하여, 그 전압이 0V에 가까워지거나 0V 이하로 떨어지면 이차 전지(10)에 리튬 석출로 인한 전지 퇴화가 발생하는 것으로 판단할 수 있으며, 이러한 음극 전위의 변화를 모니터링하여 급격한 전지 퇴화 시점을 추정할 수 있다.

이하 카운터 전극(23)을 포함하는 이차 전지(10)를 이용한 본 발명에 따른 전지 퇴화 검출 시스템의 구성 및 검출 과정을 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지 퇴화 검출 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지 퇴화 검출 시스템은, 3전극 이차전지(10)에 더하여, 측정장치(40), 판별장치(50), 및 저장장치(60)를 포함한다.

본 발명의 이차 전지 퇴화 검출 시스템은, 다수의 전지 셀을 구비한 배터리팩의 전지 퇴화를 검출하고자 하는 것으로서, 이때 상기 3전극 이차전지(10)는 해당 배터리팩에 전지퇴화 검출을 위한 기준 전지로서 사용된다.

상기 측정장치(40)는 3전극 이차전지(10)에 구비된 하나 이상의 카운터 전극(23)에 접속하여, 상기 카운터 전극(23)을 이용하여 3전극 이차전지(10)의 음극 전위를 측정할 수 있도록 한다. 이를 위해 상기 측정장치(40)는 상기 카운터 전극(23)에 접촉되는 도전성 물질로 이루어진 하나 이상의 접촉부(41) 및 상기 접촉부(41)와 판별장치(52)를 연결하는 리드선(42)을 포함한다. 상기 측정장치(40)는 상기 하나 이상의 카운터 전극(23)이 상호 단락되도록 구성된다. 예를 들어, 상기 하나 이상의 카운터 전극(23)에 각각 접속되는 접촉부(41)를 서로 이격 배치하거나, 접촉부(41) 사이에 절연물질을 게재하여 접촉부(41) 간을 전기적 단락을 차단할 수 있다. 더하여, 상기 측정장치(40)는 하나 이상의 카운터 전극(23)에 선택적으로 접촉할 수 있도록 구성된다. 이를 위하여, 상기 측정장치(40)는 사용자의 조작에 의해 혹은 전기적 신호에 의해서 하나 이상의 카운터 전극(23)과 접촉되거나 이격되도록 구현될 수 있으며, 이를 위한 릴레이, 스위치 등과 같은 전기적 및/또는 기계적 구성을 더 포함할 수 있다.

판별장치(50)는 상기 측정장치(40)를 통해 측정된 상기 3전극 이차전지(10)의 상대적 음극 전위를 확인하여 상기 3전극 이차전지(10)가 장착된 배터리팩의 전지퇴화 및 이상 발생을 판단한다. 상기 상대적 음극 전위는, 상기 카운터 전극(23)과 음극 전극(21) 간의 전위차로서 측정된다. 특히, 판별장치(50)는 해당 배터리팩이 충전 모드인 경우, 상기 3전극 이차전지(10)를 가동하여 상대적 음극 전위를 측정하는데, 더 구체적으로, 급속 충전 중 3전극 이차전지(10)의 방전용량이 배터리팩의 셀용량보다 낮을 때, 완속 충전 중일때 상기 3전극 이차전지(10)를 가동하여 상대적 음극 전위를 측정하여, 배터리팩의 전지퇴화 및 이상 발생을 판단한다.

판별장치(50)는 3전극 이차전지(10)로 측정된 상대적 음극 전위가 이상 전압인 경우, 배터리팩의 전지 퇴화 및 이상 발생으로 판단하여, 외부(예를 들어, 배터리 관리 시스템)에 이를 알린다. 반대로 3전극 이차전지(10)로 측정된 상대적 음극 전위가 정상인 경우 측정된 전압을 기록한다.

저장장치(60)는 상기 판별장치(50)에서 확인된 이차전지(10)의 음극 전압의 변위 정보를 저장하기 위한 구성이다.

이상과 같이 구성된 이차 전지 퇴화 검출 시스템은 도 5의 순서도와 같이 동작한다.

본 발명의 3전극 이차전지(10)는, 다수의 전지셀 혹은 다수의 전지모듈로 이루어진 배터리팩에 전지 퇴화 검출을 위한 기준 셀로 장착되어, 해당 배터리팩에 구비된 다른 이차전지들과 함께 작동하면서, 해당 이차전지의 퇴화 검출을 위해 사용될 수 있다.

통상적으로 전기장치의 에너지원으로 사용되는 배터리팩은 기설정된 로직에 따라서 충방전을 수행하게 된다. 이때, 충전은 빠른 시간 안에 충전이 이루어지는 급속 충전과 긴 시간 동안 천천히 충전하는 완속 충전으로 구분된다. 급속 충전은 고전압의 직류를 인가하여 빠르게 충전하는 방식이고, 완속 충전은 예를 들어 220V의 상용교류를 직류로 변환 후 승압하여 충전하는 방식이다.

따라서, 충전을 위해 배터리팩에는 완속 충전용 접속기 및 급속 충전용 접속기를 별도로 구비하고 있으며, 완속 충전용 접속기 또는 급속 충전용 접속기의 연결에 의해 완속 충전 또는 급속 충전이 이루어진다.

본 발명에 의한 이차전지 퇴화 검출 시스템은 이러한 충전 작동 중 3전극 이차전지(10)를 이용하여 상대적 음극 전위를 모니터링함으로써 배터리팩의 전지 퇴화를 검출한다.

이를 위해, 본 발명에 따른 이차 전지 퇴화 검출 시스템은, 배터리팩의 충전이 시작되면(S100), 배터리팩에 장착된 3전극 이차전지(10)를 가동한다(S105).

그리고 충전 모드가 급속 충전인지 완속 충전인지 확인한다(S110).

충전 모드가 급속 충전인 경우, 먼저, 3전극 이차전지(10)의 방전 용량을 확인하여 배터리팩의 셀용량보다 높은 지 비교한다(S120).

판단 결과, 배터리팩의 셀용량보다 낮은 경우, 전지 퇴화가 없는 안정된 상태로 판단하여 3전극 이차전지(10)의 가동을 중단한다(S125).

반대로, 3전극 이차전지(10)의 방전 용량이 배터리팩의 셀용량보다 높거나, 충전모드가 완속 충전인 경우, 이차전지 퇴화 검출 시스템의 판별장치(50)는 측정장치(50)를 통해 접촉된 3전극 이차전지(10)의 카운터 전극(23)을 통해 상대적 음극 전위(AP: Anode Potential vs. Li/Li+)을 확인한다(S130). 상기 음극 전위는 카운터 전극(23)과 음극 전극(21) 간의 전위차로 측정된다.

상기 확인 결과, 3전극 이차전지(10)를 통해 검출된 음극 전위(AP)가 이상 전압인지 판단한다(S135). 예를 들어, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 음극 전위가 0V에 근접하거나 0V 이하이면, 이상 전압인 것으로 판단할 수 있으며, 이는 전지 퇴화 혹은 이상 발생을 의미한다.

음극 전위가 이상 전압이 아니면, 확인된 음극 전위[V]를 저장장치(60)에 기록하고(S140), 반대로 음극 전위가 이상 전압인 것으로 판단되면, 이상 발생을 배터리관리시스템(BMS)으로 전달하여, 상기 배터리관리시스템을 통한 적절한 조치가 처리되도록 한다(S145).

상술한 바와 같이, 본 발명은 3전극 이차전지(10)의 음극 전극(21)과 카운터 전극(23) 간의 전위차를 이용하여 셀 내부의 화학적 거동을 모니터링함으로써, 리튬 이온이 음극 전극 표면에 쌓이는 리튬 석출로 인한 전지 퇴화에 의한 이상을 검출할 수 있다.

또한, 이러한 3전극 이차전지(10)를 다수의 셀로 이루어지는 배터리팩에 장착하고, 배터리팩의 충전 작동 중 3전극 이차전지(10)를 가동하여 음극 전위를 모니터링함으로써, 전지 퇴화 시점을 추정함으로써 배터리팩의 안정적인 운용 및 관리가 가능하게 된다.

이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10: 3전극 이차 전지
20: 전극 조립체
21: 음극 전극
22: 양극 전극
23: 카운터 전극
30: 전지 케이스
40: 측정장치
50: 판별장치
60: 저장장치

Claims (11)

1. 다수의 이차전지 셀을 포함하는 배터리팩의 이차전지 퇴화 검출 시스템에 있어서,
   전극조립체와, 전극조립체를 수용하는 전지 케이스와, 전지 케이스 내에 충진되는 전해액과, 전극조립체와 연결되고 전지 케이스의 외부로 인출되는 양극 전극 및 음극 전극과, 전지 케이스의 내부에 장착되어 음극 전위를 측정하기 위한 하나 이상의 카운터 전극을 포함하는 3전극 이차 전지; 및
   상기 3전극 이차전지의 카운터 전극을 통해 음극 전위를 모니터링하여 전지 퇴화 및 이상 발생을 판단하는 판별장치;
   를 포함하는 이차 전지 퇴화 검출 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   판별장치는, 배터리팩의 충전 모드에서 3전극 이차전지를 가동하여 음극 전위를 모니터링하는 이차 전지 퇴화 검출 시스템.
3. 청구항 2에 있어서,
   판별장치는, 충전 모드가 급속 충전인 경우, 3전극 이차전지의 방전용량과 배터리팩의 용량을 비교하여, 방전용량이 배터리팩의 용량보다 낮으면 3전극 이차전지의 가동을 중지하는 이차 전지 퇴화 검출 시스템.
4. 청구항 3에 있어서,
   판별장치는, 3전극 이차전지의 음극 전위가 0V에 근접하거나 OV보다 낮으면 리튬 석출에 의한 전지 퇴화인 것으로 판단하는 이차 전지 퇴화 검출 시스템.
5. 청구항 1에 있어서,
   하나 이상의 카운터 전극은, 전극조립체의 하나 이상의 전극판 또는 최 외각에 위치한 전극판에 장착되는 이차 전지 퇴화 검출 시스템.
6. 청구항 5에 있어서,
   하나 이상의 카운터 전극은, 충방전 거동 중 냉각 또는 열 충격에 가장 취약한 위치에 장착되는 이차 전지 퇴화 검출 시스템.
7. 청구항 1에 있어서,
   하나 이상의 카운터 전극은, 전지 케이스 내부에 위치하는 리튬 금속부, 리튬 금속부에서 연결되어 전지 케이스의 외부로 인출되는 리드부, 리튬 금속부 및 리드부와 전극조립체 간을 분리하는 세퍼레이터로 이루어지는 이차 전지 퇴화 검출 시스템.
8. 청구항 1에 있어서,
   하나 이상의 카운터 전극에 접속하여, 그 전기적 신호를 판별 장치로 전달하는 측정장치를 더 포함하는 이차 전지 퇴화 검출 시스템.
9. 전극조립체와,
   전극조립체를 수용하는 전지 케이스와,
   전지 케이스 내에 충진되는 전해액과, 전극조립체와 연결되고 전지 케이스의 외부로 인출되는 양극 전극 및 음극 전극과,
   전지 케이스의 내부에 장착되어 음극 전위를 측정하기 위한 하나 이상의 카운터 전극을 포함하는 3전극 이차 전지.
10. 청구항 9에 있어서,
    하나 이상의 카운터 전극은, 전극조립체의 하나 이상의 전극판 또는 최 외각에 위치한 전극판에 장착되는 3전극 이차 전지.
11. 청구항 9에 있어서,
    하나 이상의 카운터 전극은, 충방전 거동 중 가장 취약한 위치에 장착되는 3전극 이차 전지.

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