KR20230120766A - Charging method, charging appartus, and charging system of secondary battery - Google Patents

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이용석
김재람
배상원
민재윤
엄기주
장현중
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Abstract

전지 내부의 가스 발생을 억제하고, 리튬 금속의 석출을 실질적으로 억제하여 급속 충전 시 전지 수명 특성을 확보함과 동시에 충전 시간 또한 효율적으로 단축할 수 있는 이차전지 충전방법, 충전장치 및 충전 시스템을 제공한다.
상기 이차전지 충전방법은 이차전지 충전 시 상기 이차전지의 SOC 및 전압변화율 dV/dQ를 충전율별로 측정하여 도출한 SOC-dV/dQ 그래프에서 각각의 변곡점을 충전율별 충전한계로 판단하는 단계(S1); 상기 충전율별 충전한계에서의 SOC 값을 기준으로 설정된 SOC 구간별 충전율에 따라 펄스 충전율을 변경하는 충전 프로토콜을 도출하는 단계(S2); 및 상기 충전 프로토콜로 이차전지를 펄스 충전하는 단계(S3);를 포함한다.
Provides a secondary battery charging method, charging device, and charging system that can effectively reduce the charging time while securing battery life characteristics during rapid charging by suppressing gas generation inside the battery and substantially suppressing the precipitation of lithium metal do.
The secondary battery charging method is a step of determining each inflection point as a charge limit for each charging rate in the SOC-dV/dQ graph derived by measuring the SOC and voltage change rate dV/dQ of the secondary battery for each charging rate during charging (S1) ; Deriving a charging protocol for changing the pulse charging rate according to the charging rate for each SOC section set based on the SOC value at the charging limit for each charging rate (S2); and pulse-charging the secondary battery using the charging protocol (S3).

Figure P1020220017387
Figure P1020220017387

Description

이차전지 충전방법, 충전장치 및 충전 시스템{CHARGING METHOD, CHARGING APPARTUS, AND CHARGING SYSTEM OF SECONDARY BATTERY}Secondary battery charging method, charging device and charging system {CHARGING METHOD, CHARGING APPARTUS, AND CHARGING SYSTEM OF SECONDARY BATTERY}

본 발명은 이차전지 충전방법, 충전장치 및 충전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 충전한계를 기준으로 충전율을 변경하며 이차전지를 펄스 충전하여 급속 충전 시간을 단축시키면서 이차전지의 수명특성 또한 확보 가능한 이차전지 충전방법, 충전장치 및 충전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method for charging a secondary battery, a charging device, and a charging system, and more particularly, to change the charging rate based on the charging limit and pulse-charge the secondary battery to shorten the rapid charging time while also securing the lifespan characteristics of the secondary battery It relates to a possible secondary battery charging method, charging device, and charging system.

최근 리튬 이차전지의 충전 용량 증대에 대한 연구뿐만 아니라, 충전 시간 단축을 위한 급속 충전 기술에 대한 연구 또한 활발히 진행되고 있다.Recently, not only research on increasing the charging capacity of lithium secondary batteries, but also research on fast charging technology for shortening the charging time is also being actively conducted.

리튬 이차전지는 양극과 음극으로 구성되어 있는데, 급속 충전 시 전지 내부에 가스가 발생하거나 음극 표면에 리튬 금속이 석출되는 현상이 발생한다. 특히, 석출된 리튬 금속은 낮은 전기화학적 안정성으로 인해 전지 내에서 지속적으로 부반응을 일으켜 전지 수명을 저하시키고, 나아가 전지 내 단락을 일으켜 전지 기능을 상실케 하거나 화재의 위험이 있다.A lithium secondary battery is composed of a positive electrode and a negative electrode. During rapid charging, gas is generated inside the battery or lithium metal is deposited on the surface of the negative electrode. In particular, the precipitated lithium metal continuously causes a side reaction in the battery due to its low electrochemical stability, thereby reducing the lifespan of the battery, and furthermore, causing a short circuit in the battery, resulting in loss of battery function or a risk of fire.

또한, 최근 이차전지의 에너지 밀도 향상을 위해 전극 로딩(Loading)이 갈수록 증가하고 있으며, 확산(Diffusion) 특성 감소 및 저항 증가에 따라 고용량 이차전지에 대한 급속 충전 특성을 확보하는 것이 어려운 실정이다.In addition, in order to improve the energy density of secondary batteries, electrode loading is gradually increasing, and it is difficult to secure fast charging characteristics for high-capacity secondary batteries due to reduced diffusion characteristics and increased resistance.

리튬 금속 석출 없이 충전 시간을 단축시키는 방법으로 전압 변화를 관찰하거나 충전 중 충전율(C-rate) 값을 변화시키는 방법 등이 알려져 있으나, 종래의 방법은 시행 착오를 통한 실험 결과에 의존하는 경우가 많다.As a method of shortening the charging time without lithium metal precipitation, methods such as observing voltage changes or changing the charge rate (C-rate) value during charging are known, but conventional methods often depend on experimental results through trial and error. .

한국공개특허 제10-2011-0024707호Korean Patent Publication No. 10-2011-0024707

본 발명의 하나의 목적은 고용량의 이차전지를 급속 충전 시 전지 내부의 가스 발생 및 리튬 금속 석출을 실질적으로 억제하여, 이차전지의 수명 특성을 확보할 수 있는 이차전지 충전방법, 충전장치 및 충전 시스템을 제공하는 것이다.One object of the present invention is a secondary battery charging method, charging device, and charging system capable of securing lifespan characteristics of a secondary battery by substantially suppressing gas generation and lithium metal precipitation inside the battery during rapid charging of a high-capacity secondary battery. is to provide

본 발명의 또 다른 목적은 고용량의 이차전지에 대한 급속 충전 시간을 효율적으로 단축할 수 있는 이차전지 충전방법, 충전장치 및 충전 시스템을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a secondary battery charging method, charging device, and charging system capable of efficiently shortening the rapid charging time for a high-capacity secondary battery.

본 발명의 일 구현예에 따른 이차전지 충전방법은, 이차전지 충전 시 상기 이차전지의 SOC 및 전압변화율 dV/dQ를 충전율별로 측정하여 도출한 SOC-dV/dQ 그래프에서 각각의 변곡점을 충전율별 충전한계로 판단하는 단계(S1); 상기 충전율별 충전한계에서의 SOC 값을 기준으로 설정된 SOC 구간별 충전율에 따라 펄스 충전율을 변경하는 충전 프로토콜을 도출하는 단계(S2); 및 상기 충전 프로토콜로 이차전지를 펄스 충전하는 단계(S3);를 포함한다.In the secondary battery charging method according to an embodiment of the present invention, each inflection point is charged for each charging rate in the SOC-dV/dQ graph derived by measuring the SOC and voltage change rate dV/dQ of the secondary battery for each charging rate during charging of the secondary battery. Determining the limit (S1); Deriving a charging protocol for changing the pulse charging rate according to the charging rate for each SOC section set based on the SOC value at the charging limit for each charging rate (S2); and pulse-charging the secondary battery using the charging protocol (S3).

상기 (S1) 단계에서, 상기 충전한계는 동일한 충전율에서 측정된 음극 및 양극 각각의 충전한계 SOC 중 낮은 값일 수 있다.In the step (S1), the charging limit may be a lower value among the charging limit SOC of each of the negative electrode and the positive electrode measured at the same charging rate.

상기 (S1) 단계에서, 상기 충전율별 충전한계를 도출하기 위한 충전율은 0.1 내지 6C일 수 있다.In the step (S1), the charging rate for deriving the charging limit for each charging rate may be 0.1 to 6C.

상기 (S2) 단계에서, 상기 펄스 충전율의 하단 값은 0C 초과일 수 있다.In the step (S2), the lower end value of the pulse charging rate may be greater than 0C.

상기 (S2) 단계에서, 상기 SOC 구간별 충전율은 SOC 증가에 따라 구간별로 감소할 수 있다.In the step (S2), the charging rate for each section of the SOC may decrease for each section as the SOC increases.

상기 (S2) 단계에서, 상기 SOC 구간별 충전율은 0.1 내지 6C일 수 있다.In the step (S2), the charging rate for each SOC section may be 0.1 to 6C.

상기 (S2) 단계에서, 펄스 기간 간격은 0.1 내지 5초일 수 있다.In the step (S2), the pulse period interval may be 0.1 to 5 seconds.

상기 이차전지는, 리튬-전이금속 복합 산화물을 포함하는 양극; 및 탄소계 물질 및 규소계 물질을 포함하는 음극을 포함하는 리튬 이온 이차전지일 수 있다.The secondary battery may include a cathode including a lithium-transition metal composite oxide; and a negative electrode including a carbon-based material and a silicon-based material.

본 발명의 일 구현예에 따른 이차전지 충전장치는, 이차전지 충전 시 상기 이차전지의 SOC 및 전압변화율 dV/dQ를 충전율별로 측정하는 측정부; 상기 측정부에서 측정한 데이터로 도출한 SOC-dV/dQ 그래프에서 각각의 변곡점을 충전율별 충전한계를 판단하고, 상기 충전율별 충전한계에서의 SOC 값을 기준으로 SOC 구간별 충전율을 설정하고, 설정된 상기 SOC 구간별 충전율에 따라 펄스 충전율을 변경하는 충전 프로토콜을 도출하는 제어부; 및 상기 충전 프로토콜로 상기 이차전지를 펄스 충전하는 충전부;를 포함한다.A secondary battery charging device according to an embodiment of the present invention includes a measurement unit for measuring SOC and voltage change rate dV/dQ of the secondary battery for each charging rate when charging the secondary battery; In the SOC-dV/dQ graph derived from the data measured by the measurement unit, the charging limit for each charging rate is determined at each inflection point, and the charging rate for each SOC section is set based on the SOC value at the charging limit for each charging rate. a controller for deriving a charging protocol for changing a pulse charging rate according to the charging rate for each SOC section; and a charging unit configured to pulse-charge the secondary battery using the charging protocol.

본 발명의 일 구현예에 따른 이차전지 충전 시스템은, 이차전지를 구비하는 이차전지 충전 시스템으로서, 상기 이차전지 충전 시 상기 이차전지의 SOC 및 전압변화율 dV/dQ를 충전율별로 측정하는 측정부; 상기 측정부에서 측정한 데이터로 도출한 SOC-dV/dQ 그래프에서 각각의 변곡점을 충전율별 충전한계를 판단하고, 상기 충전율별 충전한계에서의 SOC 값을 기준으로 SOC 구간별 충전율을 설정하고, 설정된 상기 SOC 구간별 충전율에 따라 펄스 충전율을 변경하는 충전 프로토콜을 도출하는 제어부; 및 상기 충전 프로토콜로 상기 이차전지를 펄스 충전하는 충전부;를 포함한다.A secondary battery charging system according to one embodiment of the present invention is a secondary battery charging system having a secondary battery, comprising: a measurement unit for measuring SOC and a voltage change rate dV/dQ of the secondary battery for each charge rate during charging of the secondary battery; In the SOC-dV/dQ graph derived from the data measured by the measurement unit, the charging limit for each charging rate is determined at each inflection point, and the charging rate for each SOC section is set based on the SOC value at the charging limit for each charging rate. a controller for deriving a charging protocol for changing a pulse charging rate according to the charging rate for each SOC section; and a charging unit configured to pulse-charge the secondary battery using the charging protocol.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 고용량의 이차전지를 급속 충전 시 전지 내부의 가스 발생 및 리튬 금속 석출을 실질적으로 억제할 수 있는 이차전지 충전방법, 충전장치 및 충전 시스템을 제공할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a secondary battery charging method, charging device, and charging system capable of substantially suppressing gas generation and lithium metal deposition in the battery when rapidly charging a high-capacity secondary battery.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 고용량의 이차전지에 대한 급속 충전 시간을 효율적으로 단축함과 동시에 전지 수명 특성을 확보할 수 있는 이차전지 충전방법, 충전장치 및 충전 시스템을 제공할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a secondary battery charging method, charging device, and charging system capable of efficiently shortening the rapid charging time for a high-capacity secondary battery and at the same time securing battery life characteristics.

도 1은 SOC-dV/dQ 그래프에서 변곡점을 도출하여 이차전지의 충전한계를 판단하는 방법을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에서, SOC에 따른 이차전지 음극의 전위변화율 dV/dQ를 0.33C 내지 2.5C의 서로 다른 충전율로 충전하며 측정하여 도출한 SOC-dV/dQ 그래프를 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시예에서, SOC에 따른 이차전지 양극의 전위변화율 dV/dQ를 0.33C 내지 2.5C의 서로 다른 충전율로 충전하며 측정하여 도출한 SOC-dV/dQ 그래프를 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에서, 이차전지의 SOC 구간에 따라 충전율을 변경하며 펄스 충전을 가하는 펄스 충전 프로토콜로서 펄스 충전율 하단 값이 0C인 경우를 도시한 도면이다.
도 5는 일 실시예에서, 이차전지의 SOC 구간에 따라 충전율을 변경하며 펄스 충전을 가하는 펄스 충전 프로토콜로서 펄스 충전율 하단 값이 0C를 초과하는 경우(0.33C)를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 이차전지 충전장치 및 이를 포함하는 이차전지 충전 시스템을 나타내는 개념도이다.
도 7은 급속 충전 시 수명 특성을 비교하기 위해, 이차전지를 비교예의 계단식 충전 프로토콜 및 일 실시예의 펄스 충전 프로토콜(펄스 충전율 하단 값: 0C)에 따라 각각 충전하고, 충방전 사이클 횟수에 따른 방전 용량 유지율(%)을 도시한 도면이다.
도 8은 급속 충전 시 수명 특성을 비교하기 위해, 이차전지를 비교예의 계단식 충전 프로토콜 및 일 실시예의 펄스 충전 프로토콜(펄스 충전율 하단 값: 0.33C)에 따라 각각 충전하고, 충방전 사이클 횟수에 따른 방전 용량 유지율(%)을 도시한 도면이다.
도 9는 급속 충전 시 전지 내 가스 발생 및 리튬 석출 여부를 비교하기 위해, 이차전지를 비교예의 계단식 충전 프로토콜 및 일 실시예의 펄스 충전 프로토콜에 따라 각각 충전하고, 300회의 충방전 사이클 이후 전지를 해체하여 전극 단면을 나타낸 도면이다.
1 is a diagram exemplarily illustrating a method of determining a charge limit of a secondary battery by deriving an inflection point from a SOC-dV/dQ graph.
2 is a diagram showing a SOC-dV/dQ graph derived by measuring dV/dQ of a potential change rate of a secondary battery negative electrode according to SOC while charging at different charging rates of 0.33 C to 2.5 C, in one embodiment.
3 is a diagram showing a SOC-dV/dQ graph derived by measuring dV/dQ of a potential change rate dV/dQ of a positive electrode of a secondary battery according to SOC while charging at different charging rates of 0.33 C to 2.5 C, in one embodiment.
4 is a diagram illustrating a case where a lower value of the pulse charging rate is 0C as a pulse charging protocol in which a charging rate is changed according to an SOC section of a secondary battery and pulse charging is applied, in one embodiment.
FIG. 5 is a diagram illustrating a case in which the lower value of the pulse charging rate exceeds 0C (0.33C) as a pulse charging protocol in which a charging rate is changed according to an SOC section of a secondary battery and pulse charging is applied, in one embodiment.
6 is a conceptual diagram illustrating a secondary battery charging device and a secondary battery charging system including the same according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing discharge capacity according to the number of charge/discharge cycles in which secondary batteries were charged according to a cascade charge protocol of a comparative example and a pulse charge protocol (lower value of a pulse charge rate: 0 C) of an embodiment in order to compare life characteristics during rapid charging. It is a diagram showing the retention rate (%).
8 is a graph showing discharge according to the number of charge/discharge cycles in which secondary batteries were charged according to the cascade charge protocol of Comparative Example and the pulse charge protocol (lower value of pulse charge rate: 0.33 C) of one embodiment in order to compare lifespan characteristics during rapid charging. It is a diagram showing the capacity retention rate (%).
FIG. 9 is to compare the gas generation and lithium precipitation in the battery during rapid charging, the secondary battery was charged according to the cascade charging protocol of the comparative example and the pulse charging protocol of the embodiment, respectively, and the battery was dismantled after 300 charge/discharge cycles. It is a drawing showing the electrode cross section.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, the embodiments of the present invention can be modified in various forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.

리튬 이차전지(이하, '전지' 또는 '이차전지')의 경우, 리튬의 전기화학적 반응을 기반으로 충전 및 방전 반응이 진행된다. 충전 반응의 경우, 양극에서는 양극 활물질 내부의 리튬이 산화되어 리튬 이온으로 방출되는 디-인터칼레이션(de-intercaltaion) 반응이 진행되며, 음극에서는 음극 활물질 내로 리튬 이온이 삽입되는 인터칼레이션(intercalation) 반응이 일어난다.In the case of a lithium secondary battery (hereinafter referred to as 'battery' or 'secondary battery'), charging and discharging reactions proceed based on an electrochemical reaction of lithium. In the case of the charging reaction, a de-intercalation reaction in which lithium inside the positive electrode active material is oxidized and released as lithium ions proceeds in the positive electrode, and an intercalation reaction in which lithium ions are inserted into the negative electrode active material in the negative electrode ) reaction takes place.

일반적으로, 양극에서의 디-인터칼레이션 반응은 음극에서의 인터칼레이션 반응보다 빠른 속도로 진행되는 것으로 알려져있다.In general, it is known that the de-intercalation reaction at the anode proceeds at a faster rate than the intercalation reaction at the cathode.

따라서, 이차전지를 급속 충전하는 경우, 양극 활물질 내부에서 방출되는 리튬 이온의 양이 음극 활물질 내로 삽입되는 리튬 이온의 양보다 많아지게 되며, 음극 활물질 내부로 삽입되지 못한 리튬 이온이 환원되어 음극 표면에 리튬 금속으로 석출되는 문제가 발생할 수 있다.Therefore, when the secondary battery is rapidly charged, the amount of lithium ions released from the inside of the cathode active material is greater than the amount of lithium ions inserted into the anode active material, and the lithium ions that are not inserted into the anode active material are reduced and deposited on the surface of the anode. A problem of precipitation with lithium metal may occur.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 이차전지의 전압변화율을 분석하여 리튬 금속 석출 개시 시점을 충전율별로 판단하고, 리튬 금속 석출이 개시될 때의 SOC(State of Charge) 값을 측정하여 충전율별 충전한계를 설정하고, 이를 기준으로 SOC 구간별 충전율(C-rate)을 변경함으로써 급속 충전 시 리튬 금속이 석출되는 것을 방지할 수 있으며, 펄스 충전을 통해 충전 시간을 보다 단축하고, 전지의 수명 특성 또한 확보할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the voltage change rate of the secondary battery is analyzed to determine the start time of lithium metal precipitation for each charge rate, and the charge limit for each charge rate is determined by measuring the SOC (State of Charge) value when lithium metal precipitation starts. By setting and changing the charging rate (C-rate) for each SOC section based on this, it is possible to prevent the precipitation of lithium metal during rapid charging, shorten the charging time through pulse charging, and secure the lifespan characteristics of the battery. can do.

이하에서, 구현예들을 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through embodiments.

이차전지 충전방법Secondary battery charging method

본 발명의 일 구현예에 따른 이차전지 충전방법은, 이차전지 충전 시 상기 이차전지의 SOC 및 전압변화율 dV/dQ를 충전율별로 측정하여 도출한 SOC-dV/dQ 그래프에서 각각의 변곡점을 충전율별 충전한계로 판단하는 단계(S1); 상기 충전율별 충전한계에서의 SOC 값을 기준으로 설정된 SOC 구간별 충전율에 따라 펄스 충전율을 변경하는 충전 프로토콜을 도출하는 단계(S2); 및 상기 충전 프로토콜로 이차전지를 펄스 충전하는 단계(S3);를 포함할 수 있다.In the secondary battery charging method according to an embodiment of the present invention, each inflection point is charged for each charging rate in the SOC-dV/dQ graph derived by measuring the SOC and voltage change rate dV/dQ of the secondary battery for each charging rate during charging of the secondary battery. Determining the limit (S1); Deriving a charging protocol for changing the pulse charging rate according to the charging rate for each SOC section set based on the SOC value at the charging limit for each charging rate (S2); and pulse-charging the secondary battery using the charging protocol (S3).

이하에서, 도 1 내지 도 3을 참조하여 상기 (S1) 단계를 설명한다.Hereinafter, the step (S1) will be described with reference to FIGS. 1 to 3 .

도 1은 SOC-dV/dQ 그래프에서 변곡점을 도출하여 이차전지의 충전한계를 판단하는 방법을 예시적으로 나타내는 도면이며, 도 2는 일 실시예에서, SOC에 따른 이차전지 음극의 전압변화율 dV/dQ를 0.33C 내지 2.5C의 서로 다른 충전율로 충전하며 측정하여 도출한 SOC-dV/dQ 그래프를 나타내는 도면이며, 도 3은 일 실시예에서, SOC에 따른 이차전지 양극의 전압변화율 dV/dQ를 0.33C 내지 2.5C의 서로 다른 충전율로 충전하며 측정하여 도출한 SOC-dV/dQ 그래프를 나타내는 도면이다.1 is a diagram illustrating a method of determining the charging limit of a secondary battery by deriving an inflection point from a SOC-dV/dQ graph, and FIG. 2 is a voltage change rate dV/dV/ of a negative electrode of a secondary battery according to SOC It is a diagram showing the SOC-dV / dQ graph derived by measuring and charging dQ at different charging rates of 0.33C to 2.5C. It is a diagram showing the SOC-dV/dQ graph derived by measuring and charging at different charging rates of 0.33C to 2.5C.

본 발명의 발명자들은, 이차전지를 급속 충전하는 과정에서 충전된 전하량(Q)에 따른 전지 전압(V)의 변화 정도(기울기)인 dV/dQ가 SOC에 따라 급격히 변하는 시점(변곡점)이 존재하는 것을 확인하였으며(도 1 참조), 이러한 변곡점에서의 SOC 값이 음극 및 양극 각각의 상(Phase) 변화에 따른 리튬 금속 석출 시점 또는 구조로 인한 부반응 발생 시점, 즉 해당 충전율에서의 충전한계인 것으로 판단하였다.The inventors of the present invention, in the process of rapidly charging the secondary battery, there is a point (inflection point) at which dV / dQ, which is the degree of change (slope) of the battery voltage (V) according to the charged amount (Q), rapidly changes according to the SOC It was confirmed (see FIG. 1), and it was determined that the SOC value at this inflection point was the time of precipitation of lithium metal according to the phase change of each of the anode and cathode or the time of occurrence of a side reaction due to the structure, that is, the charging limit at the corresponding charge rate. did

상기와 같은 과정에 따라, 이차전지를 서로 다른 충전율로 충전하며 변곡점의 SOC 값을 측정하여 이를 충전율별 충전한계로 판단하였다.According to the above process, the secondary battery was charged at different charging rates, and the SOC value at the inflection point was measured, and this was determined as the charging limit for each charging rate.

상기 (S1) 단계에서, 상기 충전한계는 동일한 충전율에서 측정된 음극 및 양극 각각의 충전한계 SOC 중 낮은 값일 수 있다.In the step (S1), the charging limit may be a lower value among the charging limit SOC of each of the negative electrode and the positive electrode measured at the same charging rate.

상기 이차전지의 충전한계를 음극 및 양극의 충전한계 중 낮은 값으로 설정할 경우, 이차전지 충전 시 음극 및 양극 각각의 충전한계를 모두 초과하지 않고 충전하는 것이 가능하여 음극에서의 리튬 금속 석출 및 양극에서의 부반응 발생을 동시에 억제할 수 있다.When the charging limit of the secondary battery is set to the lower value of the charging limit of the negative electrode and the positive electrode, it is possible to charge the secondary battery without exceeding both the charging limits of the negative electrode and the positive electrode during charging, so that lithium metal is deposited at the negative electrode and the positive electrode. The occurrence of side reactions can be simultaneously suppressed.

상기 음극의 충전율별 충전한계는, 음극의 SOC 및 전위변화율 dV/dQ를 충전율별로 측정하여 도출한 SOC-dV/dQ 그래프에서 각각의 변곡점일 수 있다.The charging limit for each charging rate of the negative electrode may be each inflection point in a SOC-dV/dQ graph derived by measuring the SOC and potential change rate dV/dQ of the negative electrode for each charging rate.

상기 양극의 충전율별 충전한계는, 양극의 SOC 및 전위변화율 dV/dQ를 충전율별로 측정하여 도출한 SOC-dV/dQ 그래프에서 각각의 변곡점일 수 있다.The charging limit for each charging rate of the positive electrode may be each inflection point in a SOC-dV/dQ graph derived by measuring the SOC and potential change rate dV/dQ of the positive electrode for each charging rate.

상기 (S1) 단계에서, 상기 충전율별 충전한계를 도출하기 위한 충전율은 0.1 내지 6C일 수 있다.In the step (S1), the charging rate for deriving the charging limit for each charging rate may be 0.1 to 6C.

구체적으로, 상기 (S1) 단계에서 충전율은 0.2 내지 3C일 수 있고, 0.33 내지 2.5C일 수 있다.Specifically, in the step (S1), the charging rate may be 0.2 to 3C, and may be 0.33 to 2.5C.

상기 (S1) 단계에서 충전율이 상기와 같을 경우, 충전율을 적정 수준 이상으로 제어하여 충전 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 충전율이 지나치게 높지 않도록 하여 충전 시작과 동시에 충전한계에 도달하는 것을 방지하고, 이차전지의 저항 증가 및 전극의 과전압 상태 형성을 방지할 수 있다.When the charging rate in the step (S1) is as described above, the charging time may be shortened by controlling the charging rate to an appropriate level or higher. In addition, by preventing the charging rate from being too high, reaching the charging limit at the same time as charging starts, increasing the resistance of the secondary battery and preventing the formation of an overvoltage state in the electrode can be prevented.

이하에서, 도 4 및 도 5를 참조하여 상기 (S2) 단계를 설명한다.Hereinafter, the step (S2) will be described with reference to FIGS. 4 and 5.

도 4는 일 실시예에서, 이차전지의 SOC 구간에 따라 충전율을 변경하며 펄스 충전을 가하는 펄스 충전 프로토콜로서 펄스 충전율 하단 값이 0C인 경우를 도시한 도면이며, 도 5는 일 실시예에서, 이차전지의 SOC 구간에 따라 충전율을 변경하며 펄스 충전을 가하는 펄스 충전 프로토콜로서 펄스 충전율 하단 값이 0C를 초과하는 경우(0.33C)를 도시한 도면이다.4 is a pulse charging protocol in which the charging rate is changed according to the SOC section of a secondary battery and pulse charging is applied, in one embodiment, and is a diagram showing a case where the lower value of the pulse charging rate is 0C. FIG. As a pulse charging protocol in which the charging rate is changed according to the SOC section of the battery and pulse charging is applied, this diagram shows a case where the lower value of the pulse charging rate exceeds 0C (0.33C).

상기 (S2) 단계에서, 상기 (S1) 단계를 통해 도출된 충전율별 충전한계에서의 SOC 값을 기준으로 SOC 구간별 충전율을 설정하고, 설정된 상기 SOC 구간별 충전율에 따라 펄스 충전율을 변경하는 충전 프로토콜을 도출할 수 있다.In the step (S2), the charging protocol for setting the charging rate for each SOC section based on the SOC value at the charging limit for each charging rate derived through the step (S1), and changing the pulse charging rate according to the set charging rate for each SOC section. can be derived.

구체적으로, 특정 충전율에서 측정된 충전한계 시점의 SOC 값을 기준으로 SOC 구간을 분할하고, 이를 기준으로 SOC 구간별 충전율을 설정하여, 설정된 상기 SOC 구간별 충전율을 기준으로 SOC 구간에 따라 펄스 충전율을 단계적으로 변경하는 충전 프로토콜을 도출할 수 있다. 상기 프로토콜에 따라 이차전지를 펄스 충전할 경우, 충전한계를 넘지 않으면서 안정적으로 급속 충전할 수 있다.Specifically, the SOC section is divided based on the SOC value at the charging limit point measured at a specific charging rate, the charging rate for each SOC section is set based on this, and the pulse charging rate is determined according to the SOC section based on the set charging rate for each SOC section. A step-by-step charging protocol can be derived. When the secondary battery is pulse-charged according to the above protocol, it can be stably rapidly charged without exceeding the charging limit.

상기 (S2) 단계에서, 상기 충전 프로토콜은 펄스 충전 방식을 적용하여, 상기 SOC 구간별 충전율에 따라 펄스 충전율을 변경할 수 있다.In the step (S2), the charging protocol may apply a pulse charging method and change the pulse charging rate according to the charging rate for each SOC section.

구체적으로, SOC 구간별로 펄스 충전율의 하단 값 및 상단 값을 설정하여 그 평균 값을 상기 SOC 구간별 충전율과 동일하도록 할 수 있다.Specifically, the lower and upper values of the pulse charging rate may be set for each SOC section so that the average value is the same as the charging rate for each SOC section.

예시적으로, 8 내지 49 %의 SOC 구간 충전율이 2C로 설정된 경우, 동일한 펄스 기간 간격을 설정하여 하단 값을 0C, 상단 값을 4C로 펄스 충전율을 적용하면 해당 SOC 구간에서의 평균 충전율을 2C로 할 수 있다(도 4 참조).For example, if the charging rate of the SOC range of 8 to 49% is set to 2C, the same pulse period interval is set and the lower value is set to 0C and the upper value is 4C, and the pulse charging rate is applied to the average charging rate in the SOC interval to 2C. can (see Figure 4).

상기와 같은 펄스 충전 방식을 적용하는 충전 프로토콜의 경우, SOC 구간 내 충전율이 일정하게 유지되는 경우와 달리, 설정된 충전율보다 높은 충전율(급속 충전 특성 확보)과 낮은 충전율(수명 특성 개선)을 교대로 적용함에 따라 짧은 충전 시간을 확보하는 것은 물론 수명 특성 또한 더욱 개선할 수 있다.In the case of the charging protocol applying the pulse charging method as described above, unlike the case where the charging rate within the SOC section is kept constant, a higher charging rate than the set charging rate (securing fast charging characteristics) and a lower charging rate (improving lifespan characteristics) are alternately applied. Accordingly, it is possible to secure a short charging time and further improve lifespan characteristics.

상기 (S2) 단계에서, 상기 펄스 충전율의 하단 값은 0C 초과일 수 있다.In the step (S2), the lower end value of the pulse charging rate may be greater than 0C.

일반적으로, 펄스 충전을 적용할 경우의 펄스 충전율 하단 값은 0C로 적용하나, 상단 값을 유지하면서 하단 값이 0C를 초과하도록 상향할 경우 이차전지의 수명 특성을 확보함과 동시에 충전시간을 더욱 단축시킬 수 있다.In general, when pulse charging is applied, the lower value of the pulse charging rate is applied as 0C, but if the upper value is maintained and the lower value is increased to exceed 0C, the life characteristics of the secondary battery are secured and the charging time is further reduced. can make it

예시적으로, 8 내지 49 %의 SOC 구간 충전율이 2C로 설정된 경우, 펄스 충전율 상단 값을 4C로 유지하면서 하단 값을 0C에서 0.33C로 상향하여 적용할 경우(도 5 참조), 급속 충전 시간을 더욱 단축할 수 있다.For example, when the charging rate of the SOC range of 8 to 49% is set to 2C, when the upper value of the pulse charging rate is maintained at 4C and the lower value is applied by increasing the lower value from 0C to 0.33C (see FIG. 5), the fast charging time can be shortened further.

구체적으로, 상기 펄스 충전율 하단 값은 0C 초과일 수 있고, 0.1C 이상일 수 있고, 0.3C 이상일 수 있고, 1C 이하일 수 있고, 0.7C 미만일 수 있고, 0.4C 이하일 수 있다.Specifically, the lower value of the pulse charge rate may be greater than 0C, may be greater than 0.1C, may be greater than 0.3C, may be less than 1C, may be less than 0.7C, and may be less than 0.4C.

일반적으로 펄스 충전율 하단 값을 낮게 적용하는 것은 충전 과정에서 음극으로 이동한 리튬 이온이 전극 내에서 원활하게 확산되도록 하기 위한 것으로서, 음극에 리튬 금속 석출이 발생하지 않는다면 펄스 충전율 상단 값은 유지하면서 하단 값을 상향하여 충전 시간을 더욱 단축하는 것이 가능하다.In general, applying a lower value of the lower pulse charging rate is to ensure that lithium ions that have moved to the negative electrode during the charging process are smoothly diffused within the electrode. If lithium metal precipitation does not occur on the negative electrode, the upper value of the pulse charging rate is maintained and It is possible to further shorten the charging time by increasing the .

따라서, 상기와 같이 구간 내 펄스 충전율 하단 값이 0C를 초과하도록 적용할 경우, 리튬 금속의 석출 현상 등의 문제없이 급속 충전 시간을 더욱 단축할 수 있다.Therefore, when the lower value of the pulse charging rate within the interval is applied to exceed 0C as described above, the rapid charging time can be further shortened without problems such as precipitation of lithium metal.

상기 (S2) 단계에서, 상기 SOC 구간별 충전율은 SOC 증가에 따라 구간별로 감소할 수 있다.In the step (S2), the charging rate for each section of the SOC may decrease for each section as the SOC increases.

구체적으로, 상대적으로 높은 충전율로 충전을 시작하여, SOC 증가에 따라 구간별로 충전율을 서서히 감소시키며 충전할 수 있다.Specifically, charging may be started at a relatively high charging rate, and charging may be performed while gradually decreasing the charging rate for each section according to an increase in SOC.

이와 같은 충전 프로토콜을 적용할 경우, 높은 충전율로 충전을 시작함에 따라 충전 시간을 실질적으로 단축시킬 수 있으며, 충전율을 서서히 감소시켜 보다 안정적으로 충전을 완료할 수 있다.When such a charging protocol is applied, the charging time can be substantially shortened by starting charging at a high charging rate, and charging can be completed more stably by gradually decreasing the charging rate.

상기 (S2) 단계에서, 상기 SOC 구간별 충전율은 0.1 내지 6C일 수 있다.In the step (S2), the charging rate for each SOC section may be 0.1 to 6C.

구체적으로, 상기 (S2) 단계에서, 상기 SOC 구간별 충전율은 0.3 내지 3C일 수 있고, 0.5 내지 2C일 수 있다.Specifically, in the step (S2), the charging rate for each SOC section may be 0.3 to 3C, and may be 0.5 to 2C.

상기 (S2) 단계에서 SOC 구간별 충전율이 상기와 같을 경우, 충전율을 적정 수준 이상으로 제어하여 충전 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 충전율이 지나치게 높지 않도록 하여 충전 시작과 동시에 충전한계에 도달하는 것을 방지하고, 이차전지의 저항 증가 및 전극의 과전압 상태 형성을 방지할 수 있다.In the step (S2), when the charging rate for each SOC section is as described above, the charging time can be shortened by controlling the charging rate to an appropriate level or higher. In addition, by preventing the charging rate from being too high, reaching the charging limit at the same time as charging starts, increasing the resistance of the secondary battery and preventing the formation of an overvoltage state in the electrode can be prevented.

상기 (S2) 단계에서, 펄스 기간 간격은 0.1 내지 5초일 수 있다.In the step (S2), the pulse period interval may be 0.1 to 5 seconds.

구체적으로, 상기 (S2) 단계에서, 펄스 기간 간격은 0.5 내지 3초일 수 있고, 0.7 내지 1.5초일 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 (S2) 단계에서, 펄스 기간 간격은 1초일 수 있다.Specifically, in the step (S2), the pulse period interval may be 0.5 to 3 seconds, and may be 0.7 to 1.5 seconds. More specifically, in the step (S2), the pulse period interval may be 1 second.

상기 펄스 기간 간격은 펄스 기간(펄스 충전율 상단 값을 가하는 기간) 및 휴지 기간(Rest Period; 펄스 충전율 하단 값을 가하는 기간)으로 구분될 수 있다.The pulse period interval may be divided into a pulse period (a period in which the upper value of the pulse charging rate is applied) and a rest period (a period in which the lower value of the pulse charging rate is applied).

상기 휴지 기간이 길수록 음극으로 이동한 리튬 이온의 전극 내 확산이 충분히 이루어져 수명 특성 등의 성능에는 유리하나, 충전 시간이 증가하게 된다. 반면, 상기 휴지 기간이 짧을수록 충전 시간 단축이 가능하나, 수명 특성 등의 성능이 저하될 수 있다.As the rest period is longer, lithium ions that have moved to the negative electrode are sufficiently diffused in the electrode, which is advantageous in performance such as life characteristics, but the charging time increases. On the other hand, as the idle period is shorter, the charging time can be shortened, but performance such as life characteristics may be deteriorated.

따라서, 상기 휴지 기간과 펄스 기간을 교대로 적용하는 펄스 충전 시 기간 간격을 적절히 제어해야 급속 충전 특성과 전지 수명 특성을 동시에 확보할 수 있다.Therefore, during pulse charging in which the idle period and the pulse period are alternately applied, the rapid charging characteristics and battery life characteristics can be secured at the same time only when the period interval is appropriately controlled.

상기 (S2) 단계에서 펄스 기간 간격이 상기와 같을 경우, 급속 충전 특성 및 전지 수명 특성을 동시에 확보할 수 있다.In the step (S2), when the pulse period interval is as described above, rapid charging characteristics and battery life characteristics can be secured at the same time.

이하에서, 상기 (S3) 단계에 대하여 설명한다.Hereinafter, the step (S3) will be described.

상기 (S3) 단계에서, 상기 (S2) 단계를 통해 도출된 충전 프로토콜로 이차전지를 펄스 충전할 수 있다.In the step (S3), the secondary battery may be pulse-charged with the charging protocol derived through the step (S2).

상기 충전 프로토콜에 따라 이차전지를 펄스 충전할 경우, 이차전지의 충전한계를 고려하여 펄스 충전율을 변경하여, 보다 효율적인 충전 시간 단축이 가능하며, 이차전지의 수명 특성 또한 확보할 수 있다.When the secondary battery is pulse-charged according to the charging protocol, a more efficient charging time can be shortened by changing the pulse charging rate in consideration of the charging limit of the secondary battery, and life characteristics of the secondary battery can also be secured.

이차전지 충전장치Secondary battery charging device

본 발명의 일 구현예에 따른 이차전지 충전장치는, 이차전지 충전 시 상기 이차전지의 SOC 및 전압변화율 dV/dQ를 충전율별로 측정하는 측정부(100); 상기 측정부에서 측정한 데이터로 도출한 SOC-dV/dQ 그래프에서 각각의 변곡점을 충전율별 충전한계를 판단하고, 상기 충전율별 충전한계에서의 SOC 값을 기준으로 SOC 구간별 충전율을 설정하고, 설정된 상기 SOC 구간별 충전율에 따라 펄스 충전율을 변경하는 충전 프로토콜을 도출하는 제어부(200); 및 상기 충전 프로토콜로 상기 이차전지를 펄스 충전하는 충전부(E);를 포함한다.A secondary battery charging device according to an embodiment of the present invention includes a measurement unit 100 for measuring SOC and voltage change rate dV/dQ of the secondary battery for each charging rate when charging the secondary battery; In the SOC-dV/dQ graph derived from the data measured by the measurement unit, the charging limit for each charging rate is determined at each inflection point, and the charging rate for each SOC section is set based on the SOC value at the charging limit for each charging rate. a controller 200 for deriving a charging protocol for changing a pulse charging rate according to the charging rate for each SOC section; and a charging unit (E) configured to pulse-charge the secondary battery using the charging protocol.

위에서 설명한 이차전지 충전방법 및 충전 프로토콜은, 상기 이차전지 충전장치를 통해 실현될 수 있다.The secondary battery charging method and charging protocol described above can be realized through the secondary battery charging device.

이하에서, 도 6을 참고하여 측정부(100), 제어부(200), 충전부(E)를 설명한다.Hereinafter, the measuring unit 100, the controller 200, and the charging unit E will be described with reference to FIG. 6 .

상기 측정부(100)는 이차전지(C) 충전 시 상기 이차전지의 SOC 및 전압변화율 dV/dQ를 충전율별로 측정할 수 있다. 상기 SOC, 전압변화율 등에 대한 자세한 설명은 위에서 한 설명과 중복되므로 기재를 생략한다.The measurement unit 100 may measure the SOC and the voltage change rate dV/dQ of the secondary battery for each charging rate when the secondary battery C is being charged. A detailed description of the SOC, voltage change rate, etc. is omitted because it overlaps with the above description.

상기 제어부(200)는 상기 측정부(100)에서 측정한 데이터로 도출한 SOC-dV/dQ 그래프에서 각각의 변곡점을 충전율별 충전한계를 판단하고, 상기 충전율별 충전한계에서의 SOC 값을 기준으로 SOC 구간별 충전율을 설정하고, 설정된 상기 SOC 구간별 충전율에 따라 펄스 충전율을 변경하는 충전 프로토콜을 도출할 수 있다. 상기 충전율별 충전한계, SOC 구간별 충전율, 펄스 충전율 등에 대한 자세한 설명은 위에서 한 설명과 중복되므로 기재를 생략한다.The controller 200 determines the charging limit for each charging rate at each inflection point in the SOC-dV/dQ graph derived from the data measured by the measuring unit 100, and based on the SOC value at the charging limit for each charging rate. A charging protocol for setting a charging rate for each SOC section and changing a pulse charging rate according to the set charging rate for each SOC section may be derived. Detailed descriptions of the charging limit for each charging rate, the charging rate for each SOC section, the pulse charging rate, etc. are duplicated with the above description, so description thereof will be omitted.

상기 충전부(E)는 상기 충전 프로토콜로 상기 이차전지를 펄스 충전할 수 있다. 상기 충전 프로토콜, 펄스 충전 등에 대한 자세한 설명은 위에서 한 설명과 중복되므로 기재를 생략한다.The charging unit E may pulse-charge the secondary battery using the charging protocol. A detailed description of the charging protocol, pulse charging, etc. is omitted because it overlaps with the above description.

상기 충전부(E)는 내부에 측정부(100) 및 제어부(200)를 포함하는 형태일 수 있고(도 6 참고), 독립된 형태일 수도 있다(미도시). 즉, 상기 충전부(E), 측정부(100) 및 제어부(200)를 포함하여 본 발명에 따른 이차전지 충전방법 및 충전 프로토콜을 적용할 수 있다면, 그 형태 및 배치는 특별히 한정되지 않는다.The charging unit E may have a form including a measuring unit 100 and a control unit 200 therein (see FIG. 6 ), or may be an independent type (not shown). That is, as long as the secondary battery charging method and charging protocol according to the present invention can be applied to the charging unit E, the measuring unit 100, and the control unit 200, the shape and arrangement thereof are not particularly limited.

이차전지 충전 시스템Secondary battery charging system

본 발명의 일 구현예에 따른 이차전지 충전 시스템은, 이차전지(C)를 구비하는 이차전지 충전 시스템으로서, 상기 이차전지 충전 시 상기 이차전지의 SOC 및 전압변화율 dV/dQ를 충전율별로 측정하는 측정부(100); 상기 측정부에서 측정한 데이터로 도출한 SOC-dV/dQ 그래프에서 각각의 변곡점을 충전율별 충전한계를 판단하고, 상기 충전율별 충전한계에서의 SOC 값을 기준으로 SOC 구간별 충전율을 설정하고, 설정된 상기 SOC 구간별 충전율에 따라 펄스 충전율을 변경하는 충전 프로토콜을 도출하는 제어부(200); 및 상기 충전 프로토콜로 상기 이차전지를 펄스 충전하는 충전부(E);를 포함한다.A secondary battery charging system according to an embodiment of the present invention is a secondary battery charging system including a secondary battery (C), and measures the SOC and voltage change rate dV/dQ of the secondary battery for each charging rate during charging of the secondary battery. section 100; In the SOC-dV/dQ graph derived from the data measured by the measurement unit, the charging limit for each charging rate is determined at each inflection point, and the charging rate for each SOC section is set based on the SOC value at the charging limit for each charging rate. a controller 200 for deriving a charging protocol for changing a pulse charging rate according to the charging rate for each SOC section; and a charging unit (E) configured to pulse-charge the secondary battery using the charging protocol.

상기 측정부(100), 제어부(200), 충전부(E) 등에 대한 자세한 설명은 위에서 한 설명과 중복되므로 기재를 생략한다.Detailed descriptions of the measurement unit 100, the control unit 200, the charging unit E, and the like are omitted because they overlap with the above descriptions.

이차전지secondary battery

상기 이차전지는 리튬-전이금속 복합 산화물을 포함하는 양극을 포함할 수 있다.The secondary battery may include a positive electrode including a lithium-transition metal composite oxide.

구체적으로, 상기 리튬-전이금속 복합 산화물은 LixNiaCobMncOy(0<x≤1.1, 2≤y≤2.02, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, 0<a+b+c≤1)의 화학식으로 표시되는 NCM계 양극 활물질일 수 있다.Specifically, the lithium-transition metal composite oxide is Li x Ni a Co b Mn c O y (0<x≤1.1, 2≤y≤2.02, 0<a<1, 0<b<1, 0<c< It may be an NCM-based positive electrode active material represented by the formula of 1, 0<a+b+c≤1).

상기 음극은 탄소계 물질 및 규소계 물질을 포함할 수 있다.The negative electrode may include a carbon-based material and a silicon-based material.

본 발명에 따른 충전방법, 충전장치 및 충전시스템은 내부에 리튬 이온을 포함하는 이차전지라면 특별한 제한 없이 적용할 수 있으나, NCM계 양극 활물질을 포함하는 양극; 및 탄소계 물질 및 규소계 물질을 포함하는 음극을 포함하여 상대적으로 용량이 높은 리튬 이차전지에 대한 활용성이 우수하다.The charging method, charging device, and charging system according to the present invention can be applied without particular limitation as long as it is a secondary battery containing lithium ions therein, but includes a positive electrode including an NCM-based positive electrode active material; and a negative electrode including a carbon-based material and a silicon-based material, and has excellent usability for a lithium secondary battery having a relatively high capacity.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백하며, 이 역시 첨부된 특허청구범위에 속하는 것이다.Hereinafter, examples are provided to aid understanding of the present invention, but these examples are merely illustrative of the present invention and do not limit the scope of the appended claims, and the examples within the scope and spirit of the present invention It is clear to those skilled in the art that various changes and modifications are possible, which also fall within the scope of the appended claims.

실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples

1) 이차전지 준비1) Preparation of secondary battery

Li-전이금속 복합 산화물인 NCM계 활물질을 양극에 포함하고, 탄소계 물질인 흑연 및 규소계 물질인 SiOz(0<z<2)을 음극에 포함하는 리튬 이차전지를 실시예 및 비교예의 이차전지 샘플로 적용하였다. Secondary examples and comparative examples of a lithium secondary battery including NCM-based active material, which is a Li-transition metal composite oxide, in a positive electrode, and containing graphite, which is a carbon-based material, and SiO z (0<z<2), which is a silicon-based material, in a negative electrode. It was applied as a cell sample .

2) 충전율별 충전한계 측정 및 충전 프로토콜 도출2) Measurement of charging limit by charging rate and deduction of charging protocol

0.33 내지 2.5C 사이의 서로 다른 9개의 충전율(0.33C, 0.75C, 1.0C, 1.25C, 1.5C, 1.75C, 2.0C, 2.25C, 2.5C)로 8%의 SOC에서 80%의 SOC까지 각각 충전하고, SOC에 따른 음극 및 양극의 전위변화율 dV/dQ를 측정하여 도출한 그래프를 각각 도 2 및 도 3에 도시하였다.From 8% SOC to 80% SOC with 9 different charging rates (0.33C, 0.75C, 1.0C, 1.25C, 1.5C, 1.75C, 2.0C, 2.25C, 2.5C) between 0.33 and 2.5C The graphs derived by measuring dV/dQ of the potential change rates of the negative electrode and the positive electrode according to SOC after each charge are shown in FIGS. 2 and 3, respectively.

음극 및 양극에서 SOC에 따른 dV/dQ의 기울기가 급격히 변화하는 변곡점에서의 SOC 값을 각각의 충전율에 따라 측정하고, 그 중 낮은 값을 해당 충전율에서의 충전한계로 설정하여 아래 표 1에 나타냈다.The SOC value at the inflection point at which the slope of dV / dQ according to SOC rapidly changes in the negative and positive electrodes was measured according to each charging rate, and the lower value was set as the charging limit at the corresponding charging rate and shown in Table 1 below.

충전율이 0.33C인 경우 해당 구간 내에서 충전한계로 판단되는 지점이 발견되지 않음에 따라, 0.75C 충전율의 충전한계 SOC 값(음극: 77.5%, 양극: 77%) 이후에는 0.5C의 충전율(0.33C와 0.75C의 충전한계 및 내삽법(Interpolation)에 따른 수치를 고려)을 적용하여 80%의 SOC까지 충전하였다.When the charge rate is 0.33C, no point judged as the charge limit is found within the corresponding section, so after the charge limit SOC value (cathode: 77.5%, cathode: 77%) of 0.75C charge rate, the charge rate of 0.5C (0.33 It was charged up to 80% SOC by applying the charging limit of C and 0.75C and the numerical value according to interpolation).

C-rate (C)C-rate (C) 음극cathode 양극anode 충전한계 설정 값Charging limit setting value SOCSOC
(%)(%)
△SOC△SOC
(%)(%)
충전시간charging time
(s)(s)
SOCSOC
(%)(%)
△SOC△SOC
(%)(%)
충전시간charging time
(s)(s)
SOCSOC
(%)(%)
△SOC△SOC
(%)(%)
충전시간charging time
(s)(s)
0.50.5 8080 2.52.5 3.03.0 8080 33 3.63.6 8080 33 3.63.6 0.750.75 77.577.5 6.56.5 5.25.2 7777 6.56.5 5.25.2 7777 6.56.5 5.25.2 1One 7171 9.59.5 5.75.7 70.570.5 66 3.63.6 70.570.5 99 5.45.4 1.251.25 61.561.5 4.14.1 2.02.0 64.564.5 8.58.5 4.14.1 61.561.5 5.55.5 2.62.6 1.51.5 57.457.4 3.43.4 1.41.4 5656 3.53.5 1.41.4 5656 3.53.5 1.41.4 1.751.75 5454 4.74.7 1.61.6 52.552.5 3.53.5 1.21.2 52.552.5 3.53.5 1.21.2 22 49.349.3 3.93.9 1.21.2 4949 66 1.81.8 4949 66 1.81.8 2.252.25 45.445.4 3.43.4 0.90.9 4343 22 0.50.5 4343 22 0.50.5 2.52.5 4242 3434 8.28.2 4141 3333 7.97.9 4141 3333 7.97.9 Total 충전시간(s)Total charging time (s) -- -- 29.129.1 -- -- 29.329.3 -- -- 29.729.7

상기 표 1에 따라 설정된 충전한계 설정 값과 실제 급속 충전 특성 데이터(리튬 금속 석출 여부 등)을 고려하여 아래 표 2와 같이 나타나는 SOC 구간별 충전율에 따라 충전하는 기준 프로토콜을 도출하였다.A standard protocol for charging according to the charging rate for each SOC section shown in Table 2 below was derived in consideration of the charging limit setting value set according to Table 1 and the actual fast charging characteristic data (lithium metal precipitation, etc.).

C-rate (C)C-rate (C) 기준 프로토콜standard protocol SOC (%)SOC (%) △SOC (%)△SOC (%) 충전시간 (s)Charging time (s) 0.50.5 8080 1One 1.21.2 0.750.75 7979 6.56.5 5.25.2 1One 72.572.5 99 5.45.4 1.251.25 63.563.5 5.55.5 2.62.6 1.51.5 5858 3.53.5 1.41.4 1.751.75 54.554.5 5.55.5 1.91.9 22 4949 4141 12.312.3 Total 충전시간(s)Total charging time (s) -- -- 30.030.0

상기 기준 프로토콜에 따른 SOC 구간별 충전율 값을 기준으로 펄스 충전율 상단 값 및 하단 값을 설정하여, 도 4에 도시된 형태로 펄스 충전을 가하는 프로토콜을 충전 프로토콜로 적용하였다.A protocol for applying pulse charging in the form shown in FIG. 4 was applied as the charging protocol by setting the upper and lower values of the pulse charging rate based on the charging rate value for each SOC section according to the reference protocol.

이 때, 펄스 기간 간격으로 펄스 기간 및 휴지 기간은 모두 1초를 적용하였다.At this time, 1 second was applied to both the pulse period and the rest period as the pulse period interval.

펄스 충전율 하단 값이 0C인 충전 프로토콜을 제1 충전 프로토콜로, 0C 초과인 0.33C인 충전 프로토콜을 제2 충전 프로토콜로 하였다.A charging protocol with a lower value of the pulse charging rate of 0C was set as the first charging protocol, and a charging protocol with a value higher than 0C of 0.33C was set as the second charging protocol.

상기 리튬 이차전지 샘플을 상기 제1 충전 프로토콜로 충전한 경우를 실시예 1로, 상기 제2 충전 프로토콜로 충전한 경우를 실시예 2로 설정하였다.The case where the lithium secondary battery sample was charged with the first charging protocol was set as Example 1, and the case where the sample was charged with the second charging protocol was set as Example 2.

펄스 충전을 적용하지 않고 SOC 구간별로 충전율을 일정하게 유지하며 SOC에 따라 충전율을 계단식으로 감소시키는 기준 프로토콜의 형태로 35분을 기준으로 충전하는 프로토콜을 비교예 1로, 30분을 기준으로 충전하는 프로토콜을 비교예 2로 하였다.Comparative Example 1 is a protocol charging based on 35 minutes in the form of a standard protocol that keeps the charging rate constant for each SOC section without applying pulse charging and decreases the charging rate stepwise according to the SOC. Charging based on 30 minutes The protocol was set to Comparative Example 2.

3) 급속 충전 및 수명 특성 평가3) Evaluation of rapid charging and life characteristics

상기 이차전지 샘플에 대하여 실시예 및 비교예의 프로토콜로 상온(25℃)에서 30분 또는 35분간 SOC 8-80% 범위에서 구간을 나누어 급속 충전 후 방전(0.3C, SOC 8, CC cut-off)하는 사이클을 반복하면서, 초기 방전 용량 대비 방전 용량 유지율을 %로 측정하였다.The secondary battery sample was rapidly charged and then discharged (0.3C, SOC 8, CC cut-off) by dividing the section in the SOC 8-80% range for 30 or 35 minutes at room temperature (25 ° C) according to the protocols of Examples and Comparative Examples. While repeating the cycle, the discharge capacity retention rate compared to the initial discharge capacity was measured in %.

실시예 1 및 실시예 2를 비교하면, 동일한 펄스 충전 방식을 적용하더라도, 펄스 충전율 하단 값이 0C를 초과하도록 설정된 제2 충전 프로토콜을 적용한 실시예 2의 충전시간은 30분으로 나타난 반면, 제1 충전 프로토콜을 적용한 실시예 1은 35분으로 나타나, 실시예 2의 충전 시간이 실시예 1 대비 약 15%나 단축되는 것을 확인하였다.Comparing Example 1 and Example 2, even if the same pulse charging method is applied, the charging time of Example 2 using the second charging protocol set so that the lower value of the pulse charging rate exceeds 0C is 30 minutes, whereas the first Example 1 to which the charging protocol was applied was shown as 35 minutes, confirming that the charging time of Example 2 was reduced by about 15% compared to Example 1.

도 7을 참고하여 실시예 1 및 비교예 1을 비교하면, 동일한 충전 시간(35분)으로 급속 충전을 완료하더라도 300회 이상의 충방전 사이클 이후 실시예 1의 방전 용량이 더 높게 유지되는 점을 확인할 수 있다. 이를 통해, SOC 구간별 충전율이 동일하더라도 펄스 충전 방식의 제1 충전 프로토콜 적용하는 실시예 1의 이차전지가 보다 우수한 수명 특성을 갖는 것으로 판단된다.Comparing Example 1 and Comparative Example 1 with reference to FIG. 7 , it can be seen that the discharge capacity of Example 1 is maintained higher after 300 or more charge/discharge cycles even when rapid charging is completed with the same charging time (35 minutes). can Through this, even if the charging rate for each SOC section is the same, it is determined that the secondary battery of Example 1 to which the first charging protocol of the pulse charging method is applied has better lifespan characteristics.

도 8을 참고하여 실시예 2와 비교예 1 및 2를 비교하면, 펄스 충전율 하단 값이 0C를 초과하도록 설정된 제2 충전 프로토콜을 적용하는 실시예 2의 경우 비교예 1 대비 충전 시간이 약 15% 단축되면서 동일 수준의 우수한 수명 특성을 가지며, 비교예 2 대비 300회 이상의 충방전 사이클 이후 방전용량이 더 높게 유지되어 수명 특성이 보다 우수한 것을 확인할 수 있다.Comparing Example 2 with Comparative Examples 1 and 2 with reference to FIG. 8, in the case of Example 2 applying the second charging protocol set so that the lower value of the pulse charging rate exceeds 0 C, the charging time compared to Comparative Example 1 is about 15% While being shortened, it has excellent life characteristics of the same level, and the discharge capacity is maintained higher after 300 or more charge and discharge cycles compared to Comparative Example 2, so it can be seen that the life characteristics are more excellent.

도 9을 참고하면, 급속 충전이 완료된 실시예 2 및 비교예 2의 이차전지를 해체하여 전극 단면을 관찰한 결과 실시예 2에서 가스 발생이 비교예 2 대비 완화되는 것은 물론, 리튬 금속의 석출 또한 억제되는 점을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 9, as a result of disassembling the secondary batteries of Example 2 and Comparative Example 2 after rapid charging, and observing the cross-section of the electrode, gas generation in Example 2 was alleviated compared to Comparative Example 2, as well as precipitation of lithium metal. suppression can be observed.

상기와 같은 결과를 고려하면, 실시예 1 및 2와 같이 충전 한계를 고려하여 펄스 충전 방식을 적용하는 충전 프로토콜에 따라 이차전지를 급속 충전할 경우, 급속 충전 시간을 단축할 수 있으며, 리튬 금속의 석출을 억제하며 전극 내 가스 발생을 완화하여 우수한 수명 특성 및 장기 내구성을 확보할 수 있는 것으로 판단된다.Considering the above results, when the secondary battery is rapidly charged according to the charging protocol applying the pulse charging method in consideration of the charging limit as in Examples 1 and 2, the rapid charging time can be shortened, and the lithium metal It is judged that excellent life characteristics and long-term durability can be secured by suppressing precipitation and mitigating gas generation in the electrode.

특히, 실시예 2와 같이 펄스 충전율의 하단 값을 0C 초과로 설정할 경우, 수명 특성을 우수한 수준으로 유지하면서 충전 시간은 더욱 단축할 수 있는 것으로 판단된다. In particular, when the lower end value of the pulse charging rate is set to more than 0 C as in Example 2, it is determined that the charging time can be further shortened while maintaining the life characteristics at an excellent level.

Claims (10)

이차전지 충전 시 상기 이차전지의 SOC 및 전압변화율 dV/dQ를 충전율별로 측정하여 도출한 SOC-dV/dQ 그래프에서 각각의 변곡점을 충전율별 충전한계로 판단하는 단계(S1);
상기 충전율별 충전한계에서의 SOC 값을 기준으로 설정된 SOC 구간별 충전율에 따라 펄스 충전율을 변경하는 충전 프로토콜을 도출하는 단계(S2); 및
상기 충전 프로토콜로 이차전지를 펄스 충전하는 단계(S3);를 포함하는,
이차전지 충전방법.
Determining each inflection point as a charging limit for each charging rate in the SOC-dV/dQ graph derived by measuring the SOC and voltage change rate dV/dQ of the secondary battery for each charging rate during charging (S1);
Deriving a charging protocol for changing the pulse charging rate according to the charging rate for each SOC section set based on the SOC value at the charging limit for each charging rate (S2); and
Pulse charging the secondary battery with the charging protocol (S3); including,
Secondary battery charging method.
제1항에 있어서,
상기 (S1) 단계에서, 상기 충전한계는 동일한 충전율에서 측정된 음극 및 양극 각각의 충전한계 SOC 중 낮은 값인,
이차전지 충전방법.
According to claim 1,
In the step (S1), the charge limit is the lower value of the charge limit SOC of each of the negative electrode and the positive electrode measured at the same charge rate,
Secondary battery charging method.
제1항에 있어서,
상기 (S1) 단계에서, 상기 충전율별 충전한계를 도출하기 위한 충전율은 0.1 내지 6C인,
이차전지 충전방법.
According to claim 1,
In the step (S1), the charging rate for deriving the charging limit for each charging rate is 0.1 to 6C,
Secondary battery charging method.
제1항에 있어서,
상기 (S2) 단계에서, 상기 펄스 충전율의 하단 값은 0C 초과인,
이차전지 충전방법.
According to claim 1,
In the step (S2), the lower value of the pulse charging rate is greater than 0C,
Secondary battery charging method.
제1항에 있어서,
상기 (S2) 단계에서, 상기 SOC 구간별 충전율은 SOC 증가에 따라 구간별로 감소하는,
이차전지 충전방법.
According to claim 1,
In the step (S2), the charging rate for each section of the SOC decreases for each section as the SOC increases.
Secondary battery charging method.
제1항에 있어서,
상기 (S2) 단계에서, 상기 SOC 구간별 충전율은 0.1 내지 6C인,
이차전지 충전방법.
According to claim 1,
In the step (S2), the charging rate for each SOC section is 0.1 to 6C,
Secondary battery charging method.
제1항에 있어서,
상기 (S2) 단계에서, 펄스 기간 간격은 0.1 내지 5초인,
이차전지 충전방법.
According to claim 1,
In the step (S2), the pulse period interval is 0.1 to 5 seconds,
Secondary battery charging method.
제1항에 있어서,
상기 이차전지는,
리튬-전이금속 복합 산화물을 포함하는 양극; 및
탄소계 물질 및 규소계 물질을 포함하는 음극을 포함하는 리튬 이온 이차전지인,
이차전지 충전방법.
According to claim 1,
The secondary battery,
a positive electrode including a lithium-transition metal composite oxide; and
A lithium ion secondary battery including a negative electrode including a carbon-based material and a silicon-based material,
Secondary battery charging method.
이차전지 충전 시 상기 이차전지의 SOC 및 전압변화율 dV/dQ를 충전율별로 측정하는 측정부;
상기 측정부에서 측정한 데이터로 도출한 SOC-dV/dQ 그래프에서 각각의 변곡점을 충전율별 충전한계를 판단하고, 상기 충전율별 충전한계에서의 SOC 값을 기준으로 SOC 구간별 충전율을 설정하고, 설정된 상기 SOC 구간별 충전율에 따라 펄스 충전율을 변경하는 충전 프로토콜을 도출하는 제어부; 및
상기 충전 프로토콜로 상기 이차전지를 펄스 충전하는 충전부;를 포함하는,
이차전지 충전장치.
a measurement unit for measuring SOC and voltage change rate dV/dQ of the secondary battery for each charging rate when charging the secondary battery;
In the SOC-dV/dQ graph derived from the data measured by the measurement unit, the charging limit for each charging rate is determined at each inflection point, and the charging rate for each SOC section is set based on the SOC value at the charging limit for each charging rate. a controller for deriving a charging protocol for changing a pulse charging rate according to the charging rate for each SOC section; and
A charging unit configured to pulse charge the secondary battery with the charging protocol;
Secondary battery charging device.
이차전지를 구비하는 이차전지 충전 시스템으로서,
상기 이차전지 충전 시 상기 이차전지의 SOC 및 전압변화율 dV/dQ를 충전율별로 측정하는 측정부;
상기 측정부에서 측정한 데이터로 도출한 SOC-dV/dQ 그래프에서 각각의 변곡점을 충전율별 충전한계를 판단하고, 상기 충전율별 충전한계에서의 SOC 값을 기준으로 SOC 구간별 충전율을 설정하고, 설정된 상기 SOC 구간별 충전율에 따라 펄스 충전율을 변경하는 충전 프로토콜을 도출하는 제어부; 및
상기 충전 프로토콜로 상기 이차전지를 펄스 충전하는 충전부;를 포함하는,
이차전지 충전 시스템.
As a secondary battery charging system having a secondary battery,
a measurement unit for measuring SOC and voltage change rate dV/dQ of the secondary battery for each charging rate when the secondary battery is charged;
In the SOC-dV/dQ graph derived from the data measured by the measurement unit, the charging limit for each charging rate is determined at each inflection point, and the charging rate for each SOC section is set based on the SOC value at the charging limit for each charging rate. a controller for deriving a charging protocol for changing a pulse charging rate according to the charging rate for each SOC section; and
A charging unit configured to pulse charge the secondary battery with the charging protocol;
Secondary battery charging system.
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