KR20230090282A - 전기화학 임피던스 분광법을 활용한 배터리 화성 공정 - Google Patents

전기화학 임피던스 분광법을 활용한 배터리 화성 공정 Download PDF

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Abstract

배터리 화성 공정이 개시된다. 구체적으로 본 발명은 배터리 화성 공정에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기화학 임피던스 분광법을 활용하여 배터리의 생산성을 크게 향상시킬 수 있는 배터리 화성 공정에 관한 것이다.

Description

전기화학 임피던스 분광법을 활용한 배터리 화성 공정 {BATTERY FORMATION PROCESS USING ELECTROCHEMICAL IMPEDANCE SPECTROSCOPY}
본 발명은 배터리 화성 공정에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기화학 임피던스 분광법을 활용하여 배터리의 생산성을 크게 향상시킬 수 있는 배터리 화성 공정에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있다. 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 이차전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 배터리의 제조 공정은 크게 전극 제조 공정, 배터리 조립 공정 및 화성 또는 활성화 (formation 또는 activation) 공정으로 분류될 수 있다. 여기서, 화성 공정은 배터리의 성능을 최적화/극대화하기 위해 배터리를 조립한 다음 시장에 출하되기 전에 수행하는 공정 중 하나로, 크게 전해액 함침 공정(Wetting process), 배터리를 특정 온도 압력 조건에서의 충전하는 사전 화성 공정(Pre-formation process), 배터리의 에이징 공정(Ageing process), 배터리를 특정 온도 압력 조건에서 주요 화성 공정(Main-formation process), 출하 충전 공정 등으로 이루어져 있다.
배터리의 화성 공정은 배터리의 성능을 최적화/극대화하는 목적 외에도 양품 배터리와 불량 배터리를 선별하는데 활용될 수 있다. 일반적으로는 화성 공정 이후 각 배터리에 대한 전압 검사를 통해 불량 배터리 (ex. 저전압 불량)를 선별하고 있다.
종래에는 화성 공정 중 최후단 공정인 배터리의 출하 충전 후 일정 기간 동안 경시변화에 따른 배터리의 개방회로전압(Open Circuit Voltage; OCV) 강하를 측정하여 불량 배터리(ex. 저전압 불량)를 선별하였다. 여기서, 저전압 불량이란 전지가 미리 설정된 자가방전율 이상의 전압강하 거동을 보이는 현상을 의미한다. 그러나, 배터리 출하 충전 후 저전압 불량을 판단하는 것은 전압의 강하 거동을 장시간에 걸쳐 관찰해야 하므로 화성 공정에 소요되는 시간과 비용이 매우 늘어날 수밖에 없고, 이는 생산성의 저하로 이루어질 수 있다. 따라서, 배터리의 생산성을 극대화/최적화하면서 보다 정확한 불량 배터리 선별 방안이 모색되고 있는 실정이다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 배터리 화성 공정에 있어서, 보다 정확한 불량 배터리 선별이 가능한 배터리 화성 공정을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 불량 배터리 선별에 소요되는 시간을 단축하여 배터리의 생산성을 향상시킬 수 있는 배터리 화성 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 해결 과제를 달성하기 위한 본 발명은 배터리에 대해 사전 화성 공정을 수행하는 단계; 상기 배터리에 대해 제1차 전기화학 임피던스를 측정하는 단계; 상기 배터리에 대해 에이징(ageing) 공정을 수행하는 단계를 포함하는, 배터리 화성 공정을 제공한다.
본 발명의 배터리 화성 공정에 있어서, 상기 사전 화성 공정은 0.1(C-rate) 내지 1.0C의 정전류(constant current)로 배터리를 충전하는 것일 수 있다.
본 발명의 배터리 화성 공정에 있어서, 상기 사전 화성 공정은 배터리를 가압하면서 수행할 수 있다.
본 발명의 배터리 화성 공정은 상기 배터리에 대해 제2차 전기화학 임피던스를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 배터리 화성 공정에 있어서, 상기 제1차 및 제2차 전기화학 임피던스 측정 시 인가되는 전압 또는 전류의 주파수는 100kHz 내지 0.01Hz 범위일 수 있다.
본 발명의 배터리 화성 공정에 있어서, 상기 제1차 및 제2차 전기화학 임피던스 측정 시, 배터리의 개방회로전압(OCV)을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 배터리 화성 공정에 있어서, 상기 에이징 공정은 20℃ 내지 40℃의 온도 범위 내에서, 1 내지 10일 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 배터리 화성 공정에 있어서, 제1차 전기화학 임피던스 및 제2차 전기화학 임피던스 결과를 활용하여 배터리의 불량을 진단할 수 있다.
본 발명의 배터리 화성 공정에 있어서, 제2차 전기화학 임피던스를 측정한 배터리에 대해 충전 및 방전 전류를 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시예를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 배터리 화성 공정은 불량 배터리 선별에 소요되는 시간을 단축하여 배터리 생산성을 향상시킴과 동시에 불량 배터리 검출 방법을 고도화시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 장치를 상측에서 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 장치를 전측에서 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 장치를 우측에서 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1의 장치를 좌측에서 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 배터리 화성 공정의 순서도를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 배터리 화성 공정의 적용에 따른 생산성 향상을 도식화하여 나타낸 도면이다.
이하 첨부된 도면과 설명을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세히 설명한다. 다만, 하기에 도시되는 도면과 후술되는 설명은 본 발명의 특징을 효과적으로 설명하기 위한 여러 가지 방법 중에서 바람직한 실시 방법에 대한 것이며, 본 발명이 하기의 도면과 설명만으로 한정되는 것은 아니다.
한편, 제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
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 존재함으로 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, "장치"는 배터리에 대해 충전/방전을 수행하여 화성 공정을 수행할 수 있는 다양한 유형의 장치를 의미한다. 또한, "장치"는 복수의 장치로 구성된 하나의 장치 군을 의미할 수도 있다.
본 발명을 설명함에 있어서, "배터리"는 다양한 유형의 전자 장치 (예로, 전기 자동차, 휴대 기기 등)에 대해 전력/전기를 공급할 수 있는 장치를 의미한다. 본 발명을 설명함에 있어서, "배터리"는 단위 배터리 또는 복수의 배터리로 구성된 모듈/팩 등을 통칭하는 용어로 사용될 수 있다. 따라서, 배터리에 대해 화성 공정을 수행한다는 것은, 배터리에 포함된 단위 셀/모듈/팩에 대해 화성 공정을 수행한다는 것을 의미할 수 있다.
본 발명을 설명함에 있어서, 배터리의 "전압"은 단전지 기준 전압을 의미한다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 장치(10)는 충/방전 지그부(100), 교류 임피던스 측정부(200), 충/방전 제어부(300) 및 스위칭부(400)를 포함할 수 있다.
상기 충/방전 지그부(100)는, 적어도 하나의 배터리(미도시)의 충/방전을 유도하도록 구성될 수 있다. 이러한 배터리는 파우치형 전지셀, 원통형 전지셀 또는 각형 전지셀로 마련될 수 있다. 바람직하게는, 상기 배터리는, 파우치형 전지셀 또는 각형 전지셀일 수 있다. 한편, 배터리의 양측 중 적어도 일측에는 전극 리드(미도시)가 구비될 수 있다. 예시적으로, 도 1 중 도 1(a)의 경우 파우치형 전지셀의 진단을 위한 배터리 장치(10)를 나타낸 것이고, 도 1 중 도 1(b)의 경우 각형 전지셀의 진단을 위한 배터리 장치(10)를 나타낸 것이다.
상기 교류 임피던스 측정부(200)는, 충/방전 지그부(100)에 연결되어 배터리의 전기화학 임피던스를 측정하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 교류 임피던스 측정부(200)는, 기준 주파수 또는 기준 주파수 범위에서의 배터리의 저항, 인덕턴스 및 커패시턴스 중 적어도 하나를 측정하여 배터리의 교류 임피던스를 측정할 수 있다. 한편, 이와 같이 측정된 배터리의 교류 임피던스 값과 기 저장된 정상 배터리의 교류 임피던스 값을 비교함으로써 불량 배터리의 선별이 이루어질 수 있다.
상기 충/방전 제어부(300)는, 충/방전 지그부(100)에 연결되어 배터리의 전압 및 전류를 센싱할 수 있다. 이러한 배터리의 전압 및 전류 센싱을 기초로, 충/방전 제어부(300)는 배터리의 충/방전을 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 스위칭부(400)는, 충/방전 지그부(100)를 교류 임피던스 측정부(200) 또는 충/방전 제어부(300)에 선택적으로 연결하도록 구성될 수 있다. 구체적으로 스위칭부(400)는, 릴레이 제어 방식을 통해 교류 임피던스 측정부(200) 또는 충/방전 제어부(300)가 각각 개별적으로 동작하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 배터리의 화성 공정시 불량 배터리의 선별을 위한 교류 임피던스 측정부(200)의 구동 및 배터리의 충/방전을 제어하는 충/방전 제어부(300)의 구동이 개별적으로 이루어지도록(동시에 이루어지지 않도록) 할 수 있다. 즉, 교류 임피던스 측정부(200)와 충/방전 제어부(300)가 동시에 작동함으로써 발생되는 교류 임피던스 측정부(200)와 충/방전 제어부(300) 사이의 간섭을 방지할 수 있다. 이에 따라, 교류 임피던스 측정부(200)에 의해 측정되는 배터리의 교류 임피던스 값에 오차가 발생되는 것을 최소화하여 보다 정확한 불량 배터리의 선별이 이루어질 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 배터리 화성 공정을 설명하기 위한 순서도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명은 배터리에 대해 사전 화성 공정을 수행하는 단계; 배터리에 대해 제1차 전기화학 임피던스를 측정하는 단계 및 배터리에 대해 에이징(ageing)을 공정을 수행하는 단계;를 포함하는 배터리 화성 공정을 제공한다.
이하 본 발명에 따른 배터리 화성 공정의 각 단계를 구체적으로 설명하도록 한다.
1. (S100) 배터리에 대해 사전 화성 공정 (Pre-formation)을 수행하는 단계
본 발명에 따른 배터리 화성 공정에 있어서, (S100) 단계는 조립된 배터리에 대해 최초로 충전 전류를 인가하는 사전 화성 공정 (Pre-formation process)을 수행하는 단계이다.
사전 화성 공정 (Pre-formation process)은 조립된 배터리에 최초로 전류를 인가하여 배터리를 충전하는 공정으로, 배터리에 인가되는 전류의 크기, 전류의 인가 시간, 전류가 인가될 때의 온도(예로, 23±5 °C), 전류가 인가될 때의 배터리에 가해지는 압력, 충전 심도(state-of-charge; SOC)와 같이 다양한 변수를 고려하여 수행될 수 있다.
사전 화성 공정(Pre-formation process)에서 인가되는 충전 전류는 0.1(C-rate) 내지 1.0C의 정전류(constant current)로 수행될 수 있고, 충전 컷오프(cut-off) 전압은 3.0 내지 6.0V 중 일 지점으로 설정할 수 있다. 전압 및 전류의 경우, 배터리의 종류나 양극/음극을 구성하는 물질의 특성에 따라 달라질 수 있으며, 상술한 범위에 한정되는 것은 아니다.
사전 화성 공정(Pre-formation process)은 필요에 따라 1단계 이상의 에이징 공정을 포함할 수 있다. 예컨대, 사전 화성 공정은 "3.0V까지 충전 전류 인가 - 에이징 - 4.2V까지 충전 전류 인가"와 같이 에이징 공정을 포함하여 수행될 수 있으며, 사전 화성 공정에 포함된 에이징 공정은 20 내지 40℃ 더 바람직하게는 20 내지 35℃의 온도 범위 내에서, 2 시간 내지 10 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (S100) 단계는 전극과 분리막 사이에 갇히게 되는 가스 트랩(gas trap) 현상을 방지하고 효율적으로 화성 공정을 수행하기 위해, 충전 전류가 인가됨과 동시에 배터리를 가압하면서 수행될 수 있다.
배터리를 가압함으로써, SEI(solid electrolyte interphase) 피막이 음극 표면에 균일하게 형성되어 배터리의 성능을 최대로 발현시킬 수 있는 이점이 있으며, 화성 공정 시간이 단축되는 효과가 있다. 상기 가압은 충/방전 지그부(100)를 이용하여 수행될 수 있으나 (도 2 참조), 배터리를 가압할 수 있는 수단이면 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 사전 화성 공정 (Pre-formation process) 이후에는 사전 화성 공정의 충전 과정에서 발생하는 가스를 방출하는 디개싱(Degassing) 공정을 수행할 수 있다 (S101). 상기 디개싱(Degassing) 공정은 상기 화성 공정을 거치며 배터리 내부에서 생성된 부반응 가스를 제거하기 위한 공정이다. 이러한 디개싱 공정은, 공지된 다양한 디개싱 기술이 채용될 수 있다. 예를 들어, 상기 디개싱 공정은 일측이 길게 연장 형성된 파우치형 배터리에서, 연장 형성된 부분을 절개하고 절개된 부분을 실링하는 방식으로 디개싱 공정이 수행될 수 있으며, 예컨대 배터리 내 진공도가 740mmHg 이하가 되도록 디개싱 공정이 수행될 수 있다. 다만, 이러한 디개싱 기술에 대해서는 당업자들에게 널리 알려져 있으므로, 보다 상세한 설명을 생략한다.
2. (S200) 배터리에 대해 제1차 전기화학 임피던스를 측정하는 단계
본 발명에 따른 배터리 화성 공정에 있어서, 상기 (S200) 단계는 (S100) 단계를 수행한 배터리에 대해 전기화학 임피던스 (Electrochemical Impedance Spectroscopy; EIS)를 측정하는 단계이다. 도 2의 교류 임피던스 측정부(200)를 통해 배터리의 전기화학 임피던스를 측정할 수 있다.
종래 배터리 화성 공정은, 사전 화성 공정에 이어 에이징 공정을 수행하고, 배터리의 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage; OCV)의 강하를 측정하여 양품 배터리와 불량 배터리를 선별하였다. 즉, 일정 기간 동안 경시변화에 따른 배터리의 전압 강하 거동을 OCV를 통해 측정하고, OCV 측정 값과 과거에 불량으로 판정된 배터리의 OCV 값과 비교하여 불량 배터리를 선별하였다. (예: 전압값의 차이가 미리 설정한 기준값 범위 초과인 경우에는 불량으로 판단). 그러나, 배터리의 OCV의 측정을 통해 불량을 선별하고자 하는 겨우, 불량 발현이 OCV 강하로 반영되기까지 긴 시간이 요구되고, 설령 배터리의 불량이 발현되었더라도 OCV 강하로 이어지지 않아 불량 검출능이 낮은 단점이 있다. 예를 들어, (S100) 단계를 수행한 배터리에 대해 10 시간 또는 그 이상의 불량 발현 시간(에이징)을 거친 뒤 배터리의 OCV를 측정해야 불량 배터리 여부를 선별할 수 있을 만큼의 OCV 강하가 발생하고, 특정 불량 배터리의 경우는 OCV 강하가 충분하지 않아 불량 배터리로 선별되지 않을 가능성도 존재하였다.
본 발명에 따른 (S200) 단계는 (S100) 단계를 수행한 배터리에 대해 전기화학 임피던스(EIS)를 측정하는 단계이며, 측정된 전기화학 임피던스 데이터를 활용하여 양품 배터리와 불량 배터리를 선별할 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 상기 (S200) 단계는 상기 (S100) 단계를 수행한 배터리에 대해 교류 전류를 인가하고 교류 전압 응답을 측정하여 임피던스 값을 누적 측정하거나, 교류 전압을 인가하고 교류 전류 응답을 측정하여 임피던스 값을 누적 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 교류 임피던스 측정부(200)를 통해 인가되는 전압 또는 전류의 주파수는 100kHz 내지 0.01Hz 범위일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (S200) 단계의 전기화학 임피던스는 10℃ 내지 40℃ 바람직하게는 15℃ 내지 35℃의 온도에서 측정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, (S200) 단계의 전기화학 임피던스 (EIS)를 측정함과 동시에 배터리의 OCV 값도 측정하여 양품 배터리와 불량 배터리 선별에 참고할 수 있는 데이터로 활용할 수 있다.
OCV 값, 구체적으로 OCV 강하 값을 활용하여 양품 배터리와 불량 배터리를 선별하는 방법과 달리, 전기화학 임피던스 데이터를 활용하는 경우, 보다 정확하게 불량 배터리를 선별함으로써 불량 선별 과정을 고도화할 수 있고, 이는 후속되는 배터리 에이징 단계에 소요되는 시간을 감축시킬 수 있다.
특히, 전기화학 임피던스 데이터를 활용하는 경우 OCV 강하가 충분히 발생하지 않은 불량 배터리를 선별할 수 있다.
또한, OCV 강하가 발생하는데 필요한 불량 발현 시간 (예: 5일 내지 15일)보다 짧은 시간 내 전기화학 임피던스를 측정하더라도 양품 배터리와 불량 배터리를 선별하는데 필요한 데이터를 획득할 수 있다.
3. (S300) 제1차 에이징(ageing) 공정을 수행하는 단계
본 발명에 따른 배터리 화성 공정에 있어서, 상기 (S300) 단계는 (S200) 단계를 수행한 배터리를 일정한 온도 및 습도 조건 하에서 보관하는 에이징(ageing)을 수행하는 단계이다.
상기 에이징 단계는 충전 및 방전이 이루어지고 난 후 배터리를 안정화(stabilization)하는 단계로 사전 화성 공정에서 불량 배터리가 발생한 경우 그 불량을 가속화여 후속되는 여러 검사 단계들에서 배터리의 상태를 정확하게 반영하도록 하는 단계이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (S300) 단계는 20℃ 내지 60℃ 바람직하게는 20℃ 내지 40℃, 더 바람직하게는 20℃ 내지 35℃의 온도 범위 내에서, 1 내지 10일, 바람직하게는 1 내지 7일, 더 바람직하게는 1 내지 5일 동안 수행될 수 있다.
사전 화성 공정 직후에 수행하는 종래의 에이징 단계는 충전이 진행된 배터리를 고온 (약 45℃ 이상) 조건에서 10일 이상 배터리를 보관하는 방식으로 진행된다. 이는 대상 배터리를 고온 및 장시간 동안 보관하여 배터리의 불량을 가속화하는 단계로, 후속되는 여러 검사 단계에서 불량 배터리를 최대한 선별해내기 위함이다.
그러나 본 발명은 (S300) 단계 전후로 전기화학 임피던스 측정을 수행하고, 전기화학 임피던스 측정 데이터를 불량 배터리 선별 과정에 활용할 수 있기에 배터리를 고온 및 장시간 동안 보관하지 않고도 불량 배터리를 높은 정확도로 선별할 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래의 배터리의 에이징 단계에 소요되는 시간을 획기적으로 줄일 수 있고 (도 7 참조), 이는 배터리 제조의 생산성 향상으로 이어질 수 있다. 특히 배터리 에이징 단계는 배터리 화성 공정에 소요되는 전체 시간 중 30%~70% 이상의 시간이 소요되는 단계로 배터리의 보관, 온도 유지 등에 많은 시간이 공간이 사용된다. 그러나, 본 발명에 따른 배터리 화성 공정을 적용하는 경우 에이징 시간을 대폭 줄이더라도 양품 배터리와 불량품 배터리를 정확하게 선별해낼 수 있기에 유리한 점이 있다.
4. (S400) 배터리에 대해 제2차 전기화학 임피던스를 측정하는 단계
본 발명에 따른 배터리 화성 공정에 있어서, 상기 (S400) 단계는 (S300) 단계를 수행한 배터리에 대해 다시 한번 전기화학 임피던스 (Electrochemical Impedance Spectroscopy; EIS)를 측정하는 단계이다. 도 2의 교류 임피던스 측정부(200)를 통해 배터리의 전기화학 임피던스를 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 (S400) 단계는 (S300) 단계를 수행한 배터리에 대해 전기화학 임피던스(EIS)를 측정하는 단계이며, (S200) 단계에서 측정된 전기화학 임피던스 데이터와 비교하여 양품 배터리와 불량 배터리를 선별할 수 있다. 예를 들어, (S200)과 (S400) 단계에서 측정한 전기화학 임피던스 데이터의 변화 값 (△EIS)을 비교함으로써 배터리 내부의 상태 변화에 대한 추정이 가능하다.
이 때, 상기 교류 임피던스 측정부(200)를 통해 인가되는 전압 또는 전류의 주파수는 100kHz 내지 0.01Hz 범위일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (S400) 단계의 전기화학 임피던스는 10 ℃ 내지 40℃ 바람직하게는 15℃내지 35℃의 온도에서 측정될 수 있다.
한편, (S400) 단계의 전기화학 임피던스 (EIS)를 측정함과 동시에 배터리의 OCV 강하 값도 측정하여 양품 배터리와 불량 배터리 선별에 참고할 수 있는 데이터로 활용할 수 있다.
5. (S500) 배터리에 주요 화성 공정을 수행하는 단계
본 발명에 따른 배터리 화성 공정에 있어서, 상기 (S500) 단계는 상기 배터리의 전원 단자에 연결된 연결 단자를 통해 충전 및 방전 전류를 인가하여 배터리의 충전 및 방전을 수회차 수행하는 단계이다 (Main formation process).
사전 화성 공정을 통해 배터리를 충전한 상태이므로, 본 단계에서는 배터리에 대해 방전 전류를 먼저 인가해주는 것이 바람직하다.
상기　(S500)　단계의 충전 및 방전은 당업계에 공지된 방법에 따라 수행될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 충전 및 방전 전류는 정전류 또는 정전류/정전압 방식으로 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 충전은 0.5C(C-rate) 내지 5.0C, 바람직하게는 0.5C 내지 3.0C의 정전류(constant current)와, 3.0 내지 6.0V, 바람직하게는 3.0 내지 5.0V의 충전 컷오프 전압 조건에서 수행될 수 있고, 컷오프 전류는 0.01C 내지 0.1C 범위에서 수행될 수 있다. 상기 방전은 0.5C(C-rate) 내지 5.0C, 바람직하게는 0.5C 내지 3.0C의 정전류(constant current)와 2.0V 내지 3.0V의 방전 컷오프 전압 조건에서 수행될 수 있다. 전압 및 전류의 경우, 배터리의 종류나 양극/음극을 구성하는 물질의 특성에 따라 달라질 수 있으며, 상술한 범위에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기　(S500) 단계의 배터리 충전 및 방전은 1 내지 10 사이클 범위 내에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기　(S500) 단계의 배터리 충전 및 방전은 30℃내지 65℃의 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 전극과 분리막 사이에 갇히게 되는 가스 트랩(gas trap) 현상을 방지하고 효과적으로 화성 공정을 수행하기 위해, (S500) 단계도 배터리를 가압하면서 수행될 수 있다.
배터리를 가압함으로써, SEI(solid electrolyte interphase) 피막이 음극 표면에 균일하게 형성되어 배터리의 성능을 최대로 발현시킬 수 있는 이점이 있으며, 화성 공정 시간이 단축되는 효과가 있다. 상기 가압은 충/방전 지그부(100)를 이용하여 수행될 수 있으나 (도 2 참조), 배터리를 가압할 수 있는 수단이면 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 배터리 화성 공정은, 상기 (S500) 단계의 상기 충전 및 방전 사이에 배터리를 안정화하기 위한 휴지기(rest time)을 부여할 수 있다. 상기 휴지기는 30분 내지 3시간 범위에서 부여될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 화성 공정은, (S500) 단계의 충전과 방전 사이에 전기화학 임피던스를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 전기화학 임피던스는 상기 교류 임피던스 측정부(200)를 통해 측정될 수 있으며, 인가되는 전압 또는 전류의 주파수는 100kHz 내지 0.01Hz 범위일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전기화학 임피던스는 10℃ 내지 40℃, 바람직하게는 15℃ 내지 35℃의 온도에서 측정될 수 있다.
본 단계의 전기화학 임피던스 (EIS)를 측정함과 동시에 배터리의 OCV 강하 값을 측정하여 양품 배터리와 불량 배터리 선별에 참고할 수 있는 데이터로 활용할 수 있다.
6. (S600) 제2차 에이징 공정을 수행하는 단계
본 발명에 따른 배터리 화성 공정에 있어서, 상기 (S600) 단계는 (S500) 단계를 수행한 배터리를 일정한 온도 및 습도 조건 하에서 보관하는 에이징(ageing)을 수행하는 단계이다. 본 단계는 Main formation process를 수행하고 난 뒤에 수행하는 에이징 공정이라는 점에서 (S300) 단계와 구분된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (S600) 단계는 20℃ 내지 60℃ 바람직하게는 20℃ 내지 40℃ 더 바람직하게는 20℃ 내지 35℃의 온도 범위 내에서, 1 내지 10일, 바람직하게는 1 내지 7일, 더 바람직하게는 1 내지 5일 동안 수행될 수 있다.
주요 화성 공정 직후에 수행하는 종래의 에이징 단계 역시 배터리를 고온 (약 45도 이상) 조건에서 10일 이상 배터리를 보관하는 방식으로 진행한다. 이는 대상 배터리를 고온 및 장시간 동안 보관하여 다시 한번 배터리의 불량을 가속화하는 단계로, (S100) 내지 (S400) 단계를 통해 선별되지 않은 불량 배터리를 최대한 선별해내기 위함이다.
본 발명에 따르면, (S100) 내지 (S400) 단계를 통해 대부분의 불량 배터리를 선별할 수 있고, 따라서 주요 화성 공정 직후 약 10여일간 수행하던 에이징 공정에 소요되는 시간을 획기적으로 줄일 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 배터리 화성 공정은 적어도 하나의 컴퓨터 프로그램에 구현되어 사용될 수 있고, 상기 소프트웨어는 매체에 저장될 수 있다.
매체는 컴퓨터로 실행 가능한 프로그램을 계속 저장하거나, 실행 또는 다운로드를 위해 임시 저장하는 것일 수도 있다. 또한, 매체는 단일 또는 수개 하드웨어가 결합된 형태의 다양한 기록수단 또는 저장수단일 수 있는데, 어떤 컴퓨터 시스템에 직접 접속되는 매체에 한정되지 않고, 네트워크 상에 분산 존재하는 것일 수도 있다.
매체의 예시로는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical medium), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등을 포함하여 프로그램 명령어가 저장되도록 구성된 것이 있을 수 있다. 또한, 다른 매체의 예시로, 어플리케이션을 유통하는 앱 스토어나 기타 다양한 소프트웨어를 공급 내지 유통하는 사이트, 서버 등에서 관리하는 기록매체 내지 저장매체도 들 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태 로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
10: 배터리 장치
F: 프레임
100: 충/방전 지그부
110: 트레이
120: 프로브
130: 지지부
140: 온도 감지 센서
200: 교류 임피던스 측정부
300: 충/방전 제어부
400: 스위칭부

Claims (9)

  1. 배터리에 대해 사전 화성 공정을 수행하는 단계;
    상기 배터리에 대해 제1차 전기화학 임피던스를 측정하는 단계;
    상기 배터리에 대해 에이징(ageing) 공정을 수행하는 단계를 포함하는,
    배터리 화성 공정.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사전 화성 공정은 0.1(C-rate) 내지 1.0C의 정전류(constant current)로 배터리를 충전하는 것인, 배터리 화성 공정.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 사전 화성 공정은 배터리를 가압하면서 수행하는 것인, 배터리 화성 공정.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리에 대해 제2차 전기화학 임피던스를 측정하는 단계를 더 포함하는, 배터리 화성 공정.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1차 및 제2차 전기화학 임피던스 측정 시 인가되는 전압 또는 전류의 주파수는 100kHz 내지 0.01Hz 범위인, 배터리 화성 공정.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1차 및 제2차 전기화학 임피던스 측정 시, 배터리의 개방회로전압(OCV)을 측정하는 단계를 더 포함하는, 배터리 화성 공정.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 에이징 공정은 20℃ 내지 40℃의 온도 범위 내에서, 1 내지 10일 동안 수행하는 것인, 배터리 화성 공정.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제1차 전기화학 임피던스 및 제2차 전기화학 임피던스 결과를 활용하여 배터리의 불량을 진단하는 것인, 배터리 화성 공정.
  9. 제2항에 있어서,
    제2차 전기화학 임피던스를 측정한 배터리에 대해 충전 및 방전 전류를 인가하는 단계를 더 포함하는 것인, 배터리 화성 공정.
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