KR20240030924A - 리튬황 전지용 가스 억제 장치 및 억제 방법 - Google Patents

리튬황 전지용 가스 억제 장치 및 억제 방법 Download PDF

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이현수
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Abstract

리튬황 전지의 전압을 측정하는 전압 측정부; 및 상기 리튬황 전지의 전압을 일정 범위 내로 유지시키기 위해 전류를 인가하는 전류 인가부를 포함하는 리튬황 전지용 가스 억제 장치를 제공하여, 활성화 단계를 거친 리튬황 전지에서 가스가 발생되는 것을 억제할 수 있다.

Description

리튬황 전지용 가스 억제 장치 및 억제 방법{Gas suppression device and suppression method for lithium sulfur battery}
본 발명은 리튬황 전지의 가스 발생을 억제하는 장치와 가스를 억제하는 방법에 대한 것이다.
에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아짐에 따라, 휴대폰, 태블릿(tablet), 랩탑(laptop) 및 캠코더, 나아가서는 전기 자동차(EV) 및 하이브리드 전기 자동차(HEV)의 에너지까지 적용분야가 확대되면서, 전기화학소자에 대한 연구 및 개발이 점차 증대되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목을 받고 있는 분야이고, 그 중에서도 충/방전이 가능한 리튬-황 전지 등의 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비 에너지를 향상시키기 위하여, 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발로 이어지고 있다.
이와 같은 전기화학소자 가운데 리튬황(LiS) 전지는 높은 에너지 밀도를 가져, 리튬이온전지를 대체할 수 있는 차세대 이차전지로 각광받고 있다. 리튬황은 양극 활물질로 사용되는 것으로, 리튬황 전지 내에서 방전 시 황의 환원 반응과 리튬 메탈의 산화반응이 일어나며, 이 때, 황은 고리 구조의 S8로부터 선형 구조의 리튬 폴리설파이드(Li2S2, Li2S4, Li2S6, Li2S8)를 형성하게 되는데, 이러한 리튬-황 전지는 폴리설파이드(polysulfide, PS)가 완전히 Li-S로 환원되기까지 단계적 방전 전압을 나타내는 것이 특징이다.
그런데, 리튬황 전지의 중간 생성물인 리튬 폴리설파이드는 전해질에 쉽게 용해되기 때문에 방전 반응 중에 지속적으로 녹아 나와 양극 활물질의 양이 감소하고, 전해질과의 반응으로 가스가 발생하게 된다. 결국, 전지 퇴화가 가속되고 가스 발생으로 인해 전지의 부피가 팽창하여 안정성을 확보할 수 없게 된다. 특히, 경우에 따라서 전지가 고온에서 저장되는 경우가 있는데, 이러한 경우 상기와 같은 문제가 더욱 크게 발생할 수 있다.
이에 따라 리튬황 전지의 제조 과정에서 가스를 미리 발생시켜 제거해주는 것으로 안정성을 확보하려는 시도가 진행 중이다. 그러나 이러한 방법은 가스가 발생되는 것 자체를 방지할 수는 없다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 리튬황 전지에서 가스가 발생하는 것을 억제하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 하기의 전기화학소자용 분리막 및 이를 구비한 전기화학소자를 통해 상기 과제를 해결할 수 있는 것을 발견하다.
제1 구현예는,
활성화 단계를 거친 리튬황 전지의 가스를 억제하는 장치에 있어서,
리튬황 전지의 전압을 측정하도록 구성된 전압 측정부;
상기 리튬황 전지로 전류를 인가하도록 구성된 전류 인가부; 및
상기 전압 측정부의 전압 측정 결과를 기초로, 상기 리튬황 전지의 전압이 일정 범위 이내로 유지될 수 있게 상기 전류 인가부를 제어하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 장치에 대한 것이다.
제2 구현예는, 제1 구현예에 있어서,
상기 제어부는, 상기 전압 측정부에서 측정된 전압을 미리 설정된 기준 전압과 비교하여, 상기 전압 측정부에서 측정된 전압이 상기 기준 전압 미만인 경우, 상기 전류 인가부가 상기 리튬황 전지로 전류를 인가하도록 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 장치에 대한 것이다.
제3 구현예는, 제1 구현예에 있어서,
리튬황 전지를 수납하는 수납부; 및 수납부 내의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하고,
상기 제어부는, 온도 측정부에서 측정된 온도에 따라서 상기 전압 측정부의 전압 측정 주기를 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 장치에 대한 것이다.
제4 구현예는, 제1 구현예에 있어서,
상기 리튬황 전지를 수납하도록 구성된 수납부; 및 상기 수납부 내의 온도를 조절하는 온도 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 장치에 대한 것이다.
제5 구현예는, 제1 구현예에 있어서,
상기 전류 인가부는 상기 리튬황 전지로 0.01C 이하의 전류를 인가하도록 구성된 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 장치에 대한 것이다.
제6 구현예는, 제1 구현예에 있어서,
상기 리튬황 전지는 활성화 단계를 거친 이후 24시간을 초과하기 전인 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 장치에 대한 것이다.
제7 구현예는, 제1 구현예에 있어서,
상기 리튬황 전지는 SOC가 90% 이상이 되도록 충전된 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 장치에 대한 것이다.
제8 구현예는,
활성화 단계를 거친 리튬황 전지의 가스를 억제하는 방법에 있어서
소정 시간 경과에 따라 리튬황 전지의 전압을 측정하는 단계;
상기 전압 측정 결과를 기초로, 상기 리튬황 전지의 전압이 일정 범위 이내로 유지될 수 있게 전류를 인가하도록 제어하는 단계; 및
상기 제어에 의해 상기 리튬황 전지의 전압이 일정 범위 이내로 유지될 수 있게 전류를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 방법에 대한 것이다.
제9 구현예는, 제8 구현예에 있어서,
상기 제어단계는, 상기 측정된 전압을 미리 설정된 기준 전압과 비교하여, 상기 측정된 전압이 상기 기준 전압 미만인 경우 상기 리튬황 전지로 전류를 인가하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 방법에 대한 것이다.
제10 구현예는, 제8 구현예에 있어서,
상기 리튬황 전지를 수납부에 수납된 것이고,
상기 수납부의 온도를 측정하는 단계를 더 포함하고,
상기 전압 측정단계는 상기 측정된 수납부의 온도에 따라서 전압 측정 주기가 조절되는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지의 가스 억제 방법에 대한 것이다.
제11 구현예는, 제10 구현예에 있어서,
상기 측정된 온도에 따라서 상기 수납부 내의 온도를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 방법에 대한 것이다.
제12 구현예는, 제8 구현예에 있어서,
상기 전류 인가 단계는, 전류를 0.01C이하로 인가하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 방법에 대한 것이다.
제13 구현예는, 제8 구현예에 있어서,
상기 리튬황 전지는 전지 케이스에 수납된 것이고,
상기 전류 인가 단계는 상기 전지 케이스의 부피 변화가 1% 이하가 되도록 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 방법에 대한 것이다.
제14 구현예는, 제8 구현예에 있어서,
상기 활성화 단계는 상기 리튬황 전지를 1회 이상 충전 및 방전하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 방법에 대한 것이다.
제15 구현예는, 제8 구현예에 있어서,
상기 활성화 단계는, 상기 리튬황 전지를 0.02C 내지 5C의 전류로 충전 및 방전하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 방법에 대한 것이다.
제16 구현예는, 제8 구현예에 있어서,
상기 리튬황 전지는, 상기 활성화 단계에서 발생한 가스가 제거된 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 방법에 대한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 리튬황 전지의 가스 발생을 효과적으로 억제할 수 있다. 특히, 본 발명의 경우, 리튬황 전지를 고온 저장하는 경우에, 가스가 발생하는 것을 비교적 간단한 방법으로 억제할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 측면에 의하면, 리튬황 전지의 방전으로 발생하는 리튬폴리설파이드가 생성되는 것을 억제할 수 있다. 이로 인해, 리튬폴리설파이드가 전해액에 용해되어 발생하는 가스의 생성을 억제할 수 있고, 리튬폴리설파이드가 유기 용매나 리튬염과 화학적 반응을 일으켜 셀 열화가 일어나는 것을 방지할 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시 구성에서 설명하거나, 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1 은 본 발명의 일 측면에 따른 가스 억제 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가스 억제 장치의 일 구현예에 따른 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 가스 억제 장치의 일 구현예에 따른 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일측면에 따른 리튬황 전지용 가스 억제 방법의 흐름도이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 리튬황 전지의 전압 및 전류 그래프이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 일측면에 따른 가스 억제 장치는, 활성화 단계를 거친 이후의 리튬황 전지에 대하여 가스가 발생하는 것을 억제하는 장치일 수 있다.
상기 활성화 단계는 포메이션(formation)과정 및 디개싱(degassing)과정을 포함할 수 있다. 여기서 포메이션 과정은 전지를 충전 및 방전하여 전지의 용량을 확인하고 활성화시키는 과정이고, 디개싱 과정은 포메이션 과정에서 발생한 가스를 제거하는 과정을 의미한다. 상기 활성화 단계에서는 리튬황 전지에 전류를 인가하여 가스를 발생시키고, 발생된 가스를 제거할 수 있다. 그러나, 상기 활성화 단계에서 리튬황 전지에 전류를 인가하는 것과 별개로, 본 발명에 따른 장치는 활성화 단계를 거친 리튬황 전지에 전류를 인가하는 것으로 가스의 발생 자체를 억제할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 측면에 따른 가스 억제 장치(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일측면에 따른 가스 억제 장치(100)는 가스 억제 장치(100)는 전압 측정부(110), 전류 인가부(120) 및 제어부(130)를 포함하는 것일 수 있다.
전압 측정부(110)는 리튬 황전지의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 전압 측정부(110)는 양극 접촉 단자 및 음극 접촉 단자를 더 포함할 수 있다. 여기서, 양극 접촉 단자 및 음극 접촉 단자는 각각 리튬황 전지(10)의 전극조립체와 전기적으로 연결된 양극 리드 또는 음극 리드에 접촉하도록 구성될 수 있다. 이와 같은 실시 구성에서, 전압 측정부(110)는, 양극 접촉 단자 및 음극 접촉 단자가 각각 리튬황 전지(10)의 양극 리드 및 음극 리드에 접촉된 상태에서, 리튬황 전지(10)의 전압을 측정할 수 있다. 그리고, 전압 측정부(110)는, 이와 같이 측정된 전압 측정 결과를 제어부(130)로 전송할 수 있다.
전류 인가부(120)는 리튬황 전지(10)로 전류를 인가하도록 구성될 수 있다. 구체적으로 전류 인가부(120)는 전압 측정부(110)에 포함된 양극 접촉 단자 및 음극 접촉 단자를 이용하여 리튬황 전지(10)로 전류를 인가시킬 수 있다. 또는, 전류 인가부(120)는 다른 별도의 접촉 단자를 구비하고, 이를 이용하여 리튬황 전지(10)에 전류를 인가할 수도 있다.
제어부(130)는 전류 인가부(120)를 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어부(130)는 전류 인가부(120)의 전류 크기나 전류 공급량, 전류 인가 시간 등을 제어할 수 있다. 이를 위해 제어부(130)는 전류 인가부(120)로 제어 신호를 공급할 수 있다.
상기 제어부(130)는 이러한 전류 인가부(120)의 제어를 통해, 리튬황 전지(10)의 전압이 일정 범위 이내로 유지되도록 할 수 있다. 특히, 제어부(130)는 전압 측정부(110)의 측정 결과를 이용하여 전류 인가부(120)의 전류 인가를 제어할 수 있다. 이를 위해 제어부(130)는 전압 측정부(110)로부터 전압 측정 결과를 수신할 수 있다
본 발명에 따른 가스 억제 장치(100)의 이러한 실시 구성에 의하면, 리튬황 전지(10)에서 가스가 발생하는 것을 억제할 수 있다. 특히, 리튬황 전지(10)에서 가스가 발생하는 것이 억제되므로 리튬황 전지(10)가 팽창되는 것을 방지할 수 있고, 폭발의 위험성을 낮춰줄 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 가스 억제 장치(100)의 이러한 실시 구성에 따르면, 리튬황 전지(10)가 일정 수준을 넘어서 방전되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 리튬황 전지(10)의 방전 과정에서, 양극 활물질이 반응하여 생성되는 중간생성물인 리튬폴리설파이드는 전해액에 쉽게 용해되는 성질을 갖고 있는데, 본 발명에 따른 가스 억제 장치(100)에 의해 리튬황 전지(10)의 방전이 방지되므로 리튬폴리설파이드가 전해액에 용해되어 반응하는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 리튬폴리설파이드가 전해액에 용해되는 것이 방지되므로, 양극 활물질의 양이 감소하는 것을 방지할 수 있고, 전해액이 변질되는 것도 방지할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 가스 억제 장치(100)의 실시 구성에 따르면, 리튬황 전지(10)가 상온 이상의 고온 환경에서 저장될 때 가스가 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 예를 들어, 리튬황 전지(10)가 30℃ 이상 또는 40℃ 이상에서 보관되는 경우 가스가 발생하기 쉬울 수 있다. 이때, 본 발명에 따른 가스 억제 장치(100)를 리튬황 전지(10)에 적용하는 경우 리튬황 전지(10)에서 가스가 발생하는 것을 비교적 간편하게 억제할 수 있게 된다.
본 발명의 일 구현예에서, 제어부(130)는 전압 측정부(110)에서 측정된 전압을, 미리 설정된 기준 전압과 비교하도록 구성될 수 있다. 여기서, 기준 전압은 리튬황 전지(10)의 완전 충전 전압을 기준으로 미리 설정될 수 있다. 예를 들어, 상기 기준 전압은 리튬황 전지(10)의 완전 충전 전압의 90%, 95%, 98% 또는 100%가 되는 전압으로 설정될 수 있다. 다만, 이러한 기준 전압은, 리튬황 전지(10)의 종류나 제조 방법, 보관 방법 등 여러 조건에 따라 다양하게 설정될 수 있음은 물론이다. 기준 전압은, 제어부(130)에 내장된 메모리나 제어부(130)의 외부에 구비된 다른 다양한 저장 매체에 저장될 수 있다.
또한, 제어부(130)는 전압 측정부(110)에서 측정된 전압이 기준 전압 미만인지 여부를 판단하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 기준 전압이 2.4V로 설정된 경우, 제어부(130)는 전압 측정부(110)에 의한 측정 전압이 2.4V 미만인지 여부를 판단할 수 있다. 그리고, 측정 전압이 기준 전압 미만인 경우, 제어부(130)는 전류 인가부(120)를 제어하여 리튬황 전지(10)로 전류를 인가되도록 할 수 있다. 예를 들어, 상기 실시예와 같이, 기준 전압이 2.4V로 설정된 상태에서, 리튬황 전지(10)의 측정 전압이 2.4V 미만, 이를테면 2.39V인 경우, 제어부(130)는 전류 인가부(120)로 하여금 리튬황 전지(10)로 전류를 인가하도록 할 수 있다.
본 발명의 이러한 구현예에 의하면, 리튬황 전지(10)의 가스 억제 효과가 더욱 향상될 수 있다. 특히, 리튬황 전지(10)가 방전되는 경우 리튬폴리설파이드가 생성될 수 있는데, 상기 구현예와 같이 기준 전압을 리튬황 전지(10)의 완전 충전 전압에 근사하게 설정함으로써, 리튬황 전지(10)가 방전되는 즉시 전류가 인가되도록 할 수 있다. 따라서, 이 경우 리튬폴리설파이드의 생성이 효과적으로 억제될 수 있고, 이에 따라 리튬황 전지(10)에서 가스가 생성되는 것을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 본 발명에 따른 가스 억제 장치(100)의 전압 측정부(110)는 주기적 또는 비주기적으로 상기 리튬황 전지(10)의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 전압 측정부(110)는 리튬황 전지(10)의 전압을 5초마다 주기적으로 측정하도록 구성될 수 있다. 또는, 전압 측정부(110)는 0.01초 내지 100초 이내의 범위에서 특정 주기마다 전압을 측정할 수도 있다. 다만, 이러한 전압 측정 주기는 리튬황 전지(10)의 종류나 주변 온도 등, 여러 상황에 따라 달라질 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 본 발명에 따른 가스 억제 장치(100)는 수납부(140)를 더 포함할 수 있다. 상기 수납부(140)는 다양한 형태 내지 재질을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 수납부(140)는 내부에 빈 공간을 구비하여 리튬황 전지(10)를 수납 내지 보관할 수 있도록 구성될 수 있으며, 리튬황 전지(10)와 함께 본 발명에 따른 가스 억제 장치(100)의 전압 측정부(110), 전류 인가부(120) 및 제어부(130)가 모두 수납되도록 구성될 수도 있다.
리튬황 전지(10)를 수납부(140)에 수납하는 것으로 수납부(140) 외부 환경에 리튬황 전지(10)가 영향을 받지 않도록 할 수 있다. 예를 들어, 수납부(140)는 외부에서 이물질이 침투하는 것을 방지하여 리튬황 전지(10)를 안전하게 보관할 수 있게 한다.
여기서, 수납부(140)는, 리튬황 전지(10)를 수납 내지 보관할 수 있도록, 다양한 형태 내지 재질을 가질 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 본 발명에 따른 가스 억제 장치(100)는 온도 측정부(150)를 더 포함할 수 있다.
상기 온도 측정부(150)는 리튬황 전지(10)의 온도를 측정할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 온도 측정부(150)는 본 발명에 따른 장치의 주변 온도, 리튬황 전지(10)의 표면 온도, 리튬황 전지(10)의 주변온도, 또는 리튬황 전지(10)가 수납부(140)에 수납된다면 수납부(140)의 온도 등을 다양한 곳의 온도를 측정할 수 있다.
그리고, 온도 측정부(150)는 측정된 온도 정보를 제어부(130)로 전송하도록 구성될 수도 있다. 그러면, 제어부(130)는 온도 측정부(150)에서 측정된 온도 정보에 따라서 전압 측정부(110)의 전압 측정 주기를 조절하도록 구성될 수 있다.
이와 같은 구현예에서, 기준 온도가 미리 설정되어 제어부(130)의 메모리나 다른 구성요소에 미리 저장될 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 온도 측정부(150)에서 측정된 온도를 미리 설정된 기준 온도와 비교할 수 있다. 이때, 온도 측정부(150)에서 측정된 온도가 기준 온도보다 높은 경우 제어부(130)는 전압 측정부(110)의 전압 측정 주기를 짧게 할 수 있다.
예를 들어, 측정된 온도가 기준 온도보다 낮은 경우, 전압 측정부(110)의 전압 측정 주기가 100초인 상태에서, 측정된 온도가 기준 온도보다 높아지게 되면, 제어부(130)는 전압 측정 주기가 10초가 되도록 전압 측정부(110)를 제어할 수 있다. 리튬황 전지(10)는 높은 온도에서 방전되는 속도가 더욱 빠를 수 있다. 상기 구현예에 의하면, 방전 속도가 빠른 온도 구간에서 전압을 측정하는 주기를 짧게 함으로써 리튬황 전지(10)가 방전되는 즉시 전류가 인가되도록 할 수 있다.
반면, 온도 측정부(150)에서 측정된 온도가 상기 기준 온도보다 낮은 경우 상기 제어부(130)는 전압 측정부(110)의 전압 측정 주기를 길게 할 수 있다. 리튬황 전지(10)는 낮은 온도에서는 방전되는 속도가 느릴 수 있기 때문에 상기 전압 전압 측정부(110)가 전압을 측정하는 주기를 길게 하여 잦은 전압 측정으로 인한 에너지 소모를 줄일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 전류 인가부(120)는 리튬황 전지(10)로 0.01C 이하 또는 0.0005C 이상의 C-rate로 전류를 인가하도록 구성될 수 있다. 그리고 이러한 전류 인가부(120)의 C-rate 제어 동작은 제어부(130)에 의해 이루어질 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 장치에 적용되는 리튬황 전지(10)가 일정 수준 이상 방전된 상태인 경우 전류 인가부(120)는 0.02C 내지 5C의 C-rate로 전류를 인가할 수 있다. 더 나아가, 전류 인가부(120)는, 0.02C 내지 2C, 0.05C 내지 2C, 0.05C 내지 1C, 0.1C 내지 1C, 또는 0.5C 내지 1C와 같은 여러 설정 C-rate로 전류를 인가할 수 있다.
특히, 전류 인가부(120)는, 리튬황 전지(10)의 SOC(State Of Charge)에 따라, 인가 전류 C-rate를 변화시키도록 구성될 수 있다. 더욱이, 전류 인가부(120)는, 리튬황 전지(10)의 SOC가 증가하는 경우, 인가 전류 C-rate가 단계적으로 낮아지도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 리튬황 전지(10)의 SOC가 97% 이하인 경우, 전류 인가부(120)는 0.02C의 C-rate로 리튬황 전지(10)로 전류를 인가할 수 있다. 그리고, 리튬황 전지(10)의 SOC가 97%를 초과하는 경우, 전류 인가부(120)는 0.01C의 C-rate로, C-rate를 낮추어 리튬황 전지(10)로 전류를 인가할 수 있다. 즉, 상기 실시 구성에서 전류 인가부(120)는, 일정 수준까지는 상대적으로 높은 C-rate로 리튬황 전지(10)를 충전시키다가, 이후 리튬황 전지(10)가 일정 수준 이상으로 충전된 경우에는 낮은 C-rate로 전류를 인가할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면 리튬황 전지(10)의 SOC가 낮을 때는 고속 충전을 할 수 있게 되고, SOC가 높아지면 안전하게 충전할 수 있게 된다. 다만, 리튬황 전지(10)로 인가되는 전류는 상기 수치범위에 한정되는 것은 아니고, 리튬황 전지(10)를 과충전 시키거나 전지 자체를 손상시키지 않으면서도 리튬황 전지(10)를 적절하게 충전할 수 있는 C-rate로 전류를 인가할 수 있다.
본 발명에 따른 리튬황 전지(10)의 가스 억제 장치(100)는 온도 조절부(160)를 더 포함할 수 있다. 상기 온도 조절부(160)는, 수납부(140)의 내부 공간의 온도를 조절하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 온도 조절부(160)는 수납부(140)의 온도가 0℃ 내지 40℃를 유지하도록 온도를 조절할 수 있다. 다만, 온도 조절부(160)에 의해 조절되는 수납부(140)의 온도는, 상기와 같은 온도 범위로 한정되는 것은 아니고 리튬황 전지(10)를 수납하기에 적절한 다른 다양한 온도를 유지하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면 리튬황 전지(10)를 적절한 온도에 보관할 수 있게 된다. 특히, 고온의 상황에서는 리튬황 전지(10)가 빠르게 방전될 수도 있는데, 온도 조절부(160)가 리튬황 전지(10)를 보관하는 수납부(140) 내부의 온도를 조절하는 것으로 리튬황 전지(10)가 빠르게 방전되는 것을 억제할 수 있게 된다.
또한, 앞서 설명된 실시예와 같이 본 발명에 따른 가스 억제 장치(100)에 온도 측정부(150)가 함께 포함되는 경우, 온도 측정부(150)가 수납부(140) 내의 온도를 측정하고, 그 측정 정보를 제어부(130)에 전송할 수 있다. 그러면, 제어부(130)는 수납부(140) 내의 온도가 미리 설정된 기준 범위를 초과하거나 미달하는지 여부를 판단하여, 초과 또는 미달이라고 판단되는 경우 상기 온도 조절부(160)로 하여금 상기 수납부(140) 내의 온도를 기준 범위 내가 되도록 온도를 조절하도록 할 수 있다. 상기 온도 조절부(160)는 냉방기, 난방기 또는 냉난방 겸용기이거나 이를 구비할 수 있으며, 작동 원리에 구애 받지 않고 온도를 조절하는 기능을 가진 것이면 이에 해당될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 수납부(140)에 수납되는 리튬황 전지(10)는 활성화 단계를 거친 이후 24시간을 초과하기 전의 상태인 것일 수 있다. 즉, 수납부(140)는, 리튬황 전지(10)가 활성화 단계를 거친 이후 24시간을 넘기 전에 내부 공간에 수납되도록 할 수 있다. 더욱이, 리튬황 전지(10)는, 활성화 단계 후 10시간 이내, 더 나아가 5시간 이내, 특히 1시간 이내에 내부 공간에 수납될 수 있다. 리튬황 전지(10)이 방치되는 경우 자연적으로 방전될 수 있고, 방전될 때 리튬폴리설파이드가 생성될 수 있다. 그러므로, 리튬황 전지(10)는 활성화 단계를 거친 이후 상기 시간 범위 내에 본 발명에 따른 가스 억제 장치(100)에 적용되는 것이 좋다. 다만, 반드시 상기 시간 범위 내에 제한되는 것은 아니며, 온도 등 리튬황 전지(10)을 보관 및 방치하는 조건에 따라서 시간 범위는 바뀔 수 있다. 예를 들어, 높은 온도에서 방치되는 리튬황 전지(10)의 경우 자연 방전이 빨리 될 수 있기 때문에, 활성화 단계를 거친 이후 상기 시간 범위보다 더욱 빠른 시간 내에 본 발명에 따른 가스 억제 장치(100)에 적용되는 것이 좋다.
리튬황 전지(10)는 활성화 단계에서 1회 이상 충전 및/또는 방전이 진행되고, 충방 및/또는 방전 과정에서 발생한 가스는 제거 될 수 있다. 이후 충전된 리튬황 전지(10)는 상기 수납부(140)에 수납되는데, 충전 후 오랜 시간이 흐르는 경우 리튬황 전지(10)가 자연 방전되며 리튬폴리설파이드가 생성될 수 있고, 이에 따라 리튬황 전지(10)에서 가스가 생성될 수 있다.
그러므로 활성화 단계에서 충전된 리튬황 전지(10)는 최대한 빠른 시간 내에 본 발명에 따른 장치에 수납되는 것이 좋다. 바람직하게는, 리튬황 전지(10)는 활성화 단계를 거친 직후 바로 수납부(140)에 수납되는 것이 좋다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 시간 범위에 한정되는 것은 아니고, 리튬황 전지(10)를 제조하는 공정에 따라 적절하게 선택될 수 있는 것이다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 활성화 단계를 거친 리튬황 전지(10)는 SOC(State Of Charge)가 90% 이상이 되도록 충전된 것일 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 리튬황 전지(10)의 손상을 방지하기 위하여 리튬황 전지(10)로 0.01C이하의 전류를 인가하도록 구성될 수 있기 때문에, 활성화 단계를 거친 리튬황 전지(10)의 SOC가 낮은 경우 리튬황 전지(10)를 완전 충전시키는 데에 많은 시간이 소요될 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 장치에 적용되는 리튬황 전지(10)는 SOC가 상기 범위인 것이 될 수 있다. 다만, 활성화 단계를 거친 리튬황 전지(10)의 SOC는 상기 수치 범위에 한정되는 것은 아니고, SOC가 낮은 리튬황 전지(10)라도 본 발명에 따른 장치에 적용되어 본 발명에 따른 장치에 의해 충전될 수도 있다.
도 2는 본 발명에 따른 가스 억제 장치(100)의 일 구현예에 따른 블록도이다.
수납부(140)에는 리튬황 전지(10), 온도 조절부(160) 및 온도 측정부(150)가 수납될 수 있다. 리튬황 전지(10)는 전압 측정부(110) 및 전류 인가부(120)와 연결되어, 전압 측정부(110)는 리튬황 전지(10)의 전압을 측정하고, 전류 인가부(120)는 리튬황 전지(10)로 전류를 인가할 수 있다. 이때, 전압 측정부(110) 및 전류 인가부(120)와 연결된 제어부(130)가 측정된 전압을 기준 전압과 비교하여 전류 인가부(120)로 하여금 리튬황 전지(10)로 전류를 인가하도록 제어할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 온도 측정부(150) 및 온도 조절부(160)와 연결될 수 있다. 온도 측정부(150)가 측정한 수납부(140) 내부 온도를 제어부(130)가 수신하고, 제어부(130)는 수신된 온도가 기준 온도 범위를 벗어나는 경우 온도 조절부(160)를 제어하여 수납부(140) 내부의 온도를 조절할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 가스 억제 장치(100)의 일 구현예에 따른 사시도이다.
수납부(140)에는 리튬황 전지(10)가 수납되고, 수납부(140) 내부의 벽면에는 온도 측정부(150) 및 온도 조절부(160)가 부착될 수 있다. 전압 측정부(110)는 양극 접촉 단자 및 음극 접촉 단자를 통하여 리튬황 전지(10)의 양극 리드 및 음극 리드와 연결되어, 리튬황 전지(10)의 전압을 측정할 수 있다. 그리고 제어부(130)는 상기 측정된 전압을 수신하여 측정 결과를 기초로 리튬황 전지(10)의 전압이 일정 범위 이내료 유지될 수 있게 전류 인가부(120)를 제어하여 리튬황 전지(10)로 전류를 인가할 수 있다. 여기서, 전류 인가부(120)는 상기 양극 접촉 단자 및 음극 접촉 단자를 통하여 리튬황 전지(10)로 전류를 인가할 수 있다.
그리고, 수납부(140) 벽면에 부착된 온도 측정부(150)는 수납부(140) 내부의 온도를 측정할 수 있고, 제어부(130)는 상기 측정된 온도를 수신할 수 있다. 그리고 제어부(130)는 측정된 온도 결과를 기초로 수납부(140) 내부의 온도가 일정 범위 이내로 유지될 수 있게 온도 조절부(160)를 제어하여 수납부(140)의 온도를 조절하게 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일측면에 따른 리튬황 전지(10)용 가스 억제 방법의 흐름도이다.
이와 같은 본 발명의 일측면에 따르면, 활성화 단계(S100)를 거친 리튬황 전지(10)용 가스 억제 방법에 있어서, 리튬황 전지(10)의 전압을 측정하는 단계(S200); 리튬황 전지(10)로 전류를 인가하도록 제어하는 단계(S300); 및 리튬황 전지(10)로 전류를 인가하는 단계(S400)를 포함하는 리튬황 전지(10)용 가스 억제 방법이 제공된다.
상기 활성화 단계(S100)는 포메이션(formation)과정(S110) 및 디개싱(degassing)과정(S120)을 포함할 수 있다. 여기서 포메이션 과정(S110)은 전지를 1회 이상 충전 및 방전하여 전지의 용량을 확인하고 활성화시키는 과정이고, 디개싱 과정(S120)은 포메이션 과정(S110)에서 발생한 가스를 제거하는 과정을 의미한다. 상기 활성화 단계(S110)에서는 리튬황 전지(10)에 전류를 인가하여 가스를 발생시키고, 발생된 가스를 제거할 수 있다. 그러나, 상기 활성화 단계(S100)에서 리튬황 전지(10)에 전류를 인가하는 것과 별개로, 본 발명에 따른 장치는 활성화 단계(S100)를 거친 리튬황 전지(10)에 전류를 인가하는 것으로 가스의 발생 자체를 억제할 수 있다.
상기 리튬황 전지(10)의 전압을 측정하는 단계(S200)는 소정 시간 경과에 따라 리튬황 전지(10)의 전압을 측정하는 것일 수 있다. 리튬황 전지(10)의 전압을 측정하는 방법은 특정 방법으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 리튬황 전지(10)의 양극 리드 및 음극 리드에, 각각 양극 접촉 단자 및 음극 접촉 단자를 연결하여 리튬황 전지(10)의 전압을 측정할 수 있다.
상기 리튬황 전지(10)로 전류를 인가하도록 제어하는 단계(S300)는, 상기 측정된 전압을 기초로 리튬황 전지(10)의 전압이 일정 범위 이내로 유지될 수 있게 리튬황 전지(10)로 전류를 인가하도록 제어하는 단계이다.
상기 리튬황 전지(10)로 전류를 인가하는 단계(S400)는 리튬황 전지(10)로 전류를 인가하는 단계이다. 리튬황 전지(10)로 전류를 인가하는 방법은 특정 방법으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 전류 인가부(120)가 리튬황 전지(10)로 전류를 인가하는 경우, 상기 전압 측정부(10)와 연결된 양극 접촉 단자 및 음극 접촉 단자를 이용하여 리튬황 전지(10)로 전류를 인가할 수 있다. 또는, 전류 인가부(120)는 별도의 접촉 단자를 구비하고, 이를 이용하여 리튬황 전지(10)로 전류를 인가할 수도 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 리튬황 전지(10)에서 가스가 억제하는 것을 억제할 수 있다. 특히, 리튬황 전지(10)가 상온을 초과하는 고온 환경에 노출되는 경우 본 발명에 따른 가스 억제 방법에 의하여, 리튬황 전지(10)에서 가스가 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 그리고 가스가 발생하는 것이 억제되므로 리튬황 전지(10)가 팽창하는 것을 방지할 수 있고, 폭발의 위험성도 낮출 수 있게 된다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 활성화 단계(S100)는, 0.02C 내지 5C의 C-rate로 전류를 인가하여 전지를 1회 이상 충전 및 방전을 시키는 것일 수 있다. 다만, 충전 및 방전은 상기 C-rate 범위로 제한되는 것은 아니고 리튬황 전지(10) 손상시키지 않으면서도 충전시키기에 적절한 C-rate라면 모두 가능하다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 리튬황 전지(10)로 전류를 인가하도록 제어하는 단계(S300)는 전압 측정 단계(S200)에서 측정된 전압을 미리 설정된 기준 전압과 비교하여, 리튬황 전지(10)로 전류를 인가하도록 제어하는 것일 수 있다. 구체적으로, 측정된 기준 전압이 미리 설정된 기준 전압보다 낮은 경우 전류 인가부(120)가 리튬황 전지(10)로 전류를 인가할 수 있게 제어하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 전류 인가 단계(S400)는, 상기 리튬황 전지(10)의 전압이 미리 설정된 기준 전압 이상이 유지되도록 전류를 인가하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 미리 설정된 기준 전압은 리튬황 전지(10)의 완전 충전 전압의 100%, 99%, 98%, 또는 95%일 수 있다. 리튬황 전지(10)가 방전되는 경우 리튬폴리설파이드가 생성될 수 있고, 이에 따라 가스가 발생할 수 있으므로 리튬황 전지(10)의 전압을 완전 충전 전압으로 유지시키는 것이 가장 좋다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 전류 인가 단계(S400)는, 전류를 0.01C 이하 또는 0.0005C 이상의 C-rate로 전류를 인가하는 것일 수 있다. 다만, 전류 인가 단계에서 인가되는 전류의 세기는 상기 범위에 한정되는 것은 아니고, 리튬황 전지(10)를 손상시키지 않으면서 충전할 수 있는 범위 내에서 전류를 인가하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전압 측정 단계(S200)의 전압 측정 주기는 주기적 또는 비주기적으로 리튬황 전지(10)의 전압을 측정할 수 있다. 예를 들어, 리튬황 전지(10)의 전압을 5초마다 주기적으로 측정하도록 구성될 수 있다. 또는, 0.01초 내지 100초의 범위에서 특정 주기마다 전압을 측정할 수도 있다. 다만, 이러한 전압 측정 주기는 리튬황 전지(10)의 종류나 주변 온도 등, 여러 상황에 따라 달라질 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 리튬황 전지(10)는 수납부(140)에 수납된 것이고, 수납부(140)의 온도를 측정하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다. 수납부(140)의 온도를 측정하는 방법은 특정 방법으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 수납부(140)는 내부 또는 내부 벽면에 온도 측정부(150)를 구비할 수 있다.
그리고, 측정된 온도 측정부(150)에 따라 전압 측정 단계의 전압 측정 주기가 조절 될 수 있다. 예를 들어, 측정된 온도가 미리 설정된 기준 온도의 범위를 벗어 나는 경우 전압 측정 주기가 조절될 수 있다. 구체적으로, 측정된 온도가 기준 온도 범위를 초과하는 경우 전압 측정 주기를 빠르게 할 수 있다.
온도가 높은 경우 리튬황 전지(10)의 방전이 빨리 진행될 수 있으므로 전압 측정 주기를 짧게 하여 방전 즉시 전류 인가부(120)에서 리튬황 전지(10)로 전류를 인가시키기 위함이다. 반면, 온도 낮은 경우 리튬황 전지(10)의 방전이 느리게 진행될 수 있으므로 전압 측정 주기를 길게 하여 잦은 전압 측정으로 인한 에너지 소모를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 가스 억제 방법은 온도를 조절하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 온도 조절은 미리 설정된 기준 온도의 범위를 유지하도록 온도를 조절하는 것이며, 수납부(140) 내부의 온도를 조절하는 것일 수 있고, 특히 리튬황 전지(10)의 주변 온도를 조절하는 것일 수 있다. 예를 들어, 미리 설정된 기준 온도가 10℃ 내지 20℃인 경우에, 측정된 수납부(140) 내부의 온도가 30℃라면 수납부(140) 내부 온도가 20℃가 되도록 조절할 수 있다.
온도를 조절하는 방법은 특정한 방법으로 제한되지 않는다. 예컨대, 냉방기, 난방기 또는 냉난방 겸용기이거나 이를 구비할 수 있으며, 작동 원리에 구애 받지 않고 온도를 조절하는 기능을 가진 것으로 온도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 리튬황 전지(10)는 전지 케이스에 수납된 것이고, 상기 전류 인가 단계는 상기 전지 케이스의 부피 변화가 1% 이하, 3% 이하, 5% 이하 또는 10% 이하가 되도록 전류를 인가하는 것일 수 있다. 상기 리튬황 전지(10)에 본 발명에 따른 가스 억제 방법을 적용하는 것으로 리튬폴리설파이드가 생성되는 것을 억제할 수 있고, 이에 따라 가스가 발생하는 것을 억제할 수 있으므로 전지 케이스의 부피 변화는 상기 범위를 만족할 수 있다.
본 발명은 일 구현예에서, 리튬황 전지용 가스 억제 방법은, 리튬황 전지(10)가 30℃ 이상, 40℃ 이상 또는 50℃이상에서 보관 또는 수납되는 경우에 적용될 수 있다. 보관 또는 수납되는 온도가 높은 경우 리튬황 전지의 방전이 더욱 빠르게 진행될 수 있으므로, 상기 온도 범위와 같은 높은 온도 범위에서 리튬황 전지(10)가 보관되는 경우에 본 발명에 따른 가스 억제 방법을 적용하는 한다면, 리튬폴리설파이드가 생성되는 것을 억제할 수 있고, 이에 따라 가스가 발생하는 것을 억제할 수 있다. 다만, 본 발명에 따른 가스 억제 방법은 상기 온도 범위에서만 적용될 수 있는 것은 아니고 리튬황 전지를 보관 및 수납할 수 있는 온도 범위 또는 리튬황 전지가 정상적으로 작동할 수 있는 모든 온도 범위에서 적용될 수 있다.
본 발명은 일 구현예에서, 리튬황 전지용 가스 억제 방법은 리튬황 전지(10)에 부하가 가해지지 않을 때 적용 될 수 있다. 구체적으로, 리튬황 전지(10)에 전력을 소비하는 부하 등이 가해지지 않을 경우에 리튬황 전지(10)가 부동 충전 또는 균등 충전될 수 있고, 앞서 설명한 본 발명에 따른 가스 억제 방법이 적용될 수 있다.
본 발명은 일 구현예에서, 리튬황 전지용 가스 억제 방법은, 리튬황 전지(10)를 포함하는 전지 팩의 전지 관리 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들어, 전지 관리 시스템은 전지 팩에 저장된 전하를 이용하여 리튬황 전지를 부동 충전할 수 있다. 또는, 전지 관리 시스템은 전지 팩 외부에 별도로 존재하는 별도의 전지 또는 전원공급장치로부터 리튬황 전지를 부동 충전 할 수 있다.
본 발명의 일 측면에서, 리튬황 전지의 가스를 억제하는 방법은 리튬황 전지가 완전 또는 일부 충전될 때까지 충전하는 단계; 및 리튬 황 전지를 부동충전(floating charge)하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 부동 충전 단계는 0.01C 이하의 C-rate로 수행되는 것일 수 있다. 리튬황 전지가 부동 충전되는 것으로 리튬황 전지의 수명이 길어질 수 잇는 장점이 있다.
상기 부동충전은 충전기, 전지, 부하를 병렬로 연결하여 충전기가 공급하는 전기, 전력 또는 전류로 전지를 충전하면서 부하에 전력을 공급하는 방식으로, 상기 충전기는 앞서 설명한 가스 억제 장치가 포함 될 수 있고, 상기 전지는 리튬황 전지가 될 수 있다. 이러한 부동충전은 부하의 소모 전력이 큰 경우, 충전기와 충전중인 전지로부터 동시에 부하로 전력을 공급할 수 있다. 또한, 부하에 소모되는 전력을 모두 충전기가 부담하고, 전지에는 자가방전을 보충할 정도의 약한 충전전류만 공급할 수도 있다.
상기 부동충전 단계는 리튬황 전지는 완전충전, 또는 완전충전 전압의 95% 이상으로 전압을 유지시킬 수 있다.
상기 부동충전 단계는, 0.01C 이하 또는 0.0005C 이상의 C-rate로 부동충전 될 수 있다.
상기 부동충전 단계는, 리튬황 전지의 완전충전 전압을 초과하지 않도록 부동충전 하는 것일 수 있다.
상기 부동충전 단계는, 리튬황 전지의 셀당 2.4V이하의 일정한 부동전압으로 부동충전 되는 것일 수 있다.
상기 부동충전 단계는 리튬황 전지에 부하가 가해지지 않을 때 리튬황 전지를 부동충전하는 것일 수 있다. 예를 들어, 리튬황 전지가 전기자동차에 연결된 상태이고, 전기자동차가 주차되어 동작하지 않는 상태에서 리튬황 전지는 부동충전될 수 있다.
상기 부동충전 단계는, 미리 정해진 시간 동안 리튬황 전지를 부동충전하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 미리 정해진 시간은 1시간 내지 10시간이 될 수 있으나 상기 시간 범위내로 한정되지는 않는다.
상기 부동충전 단계는, 리튬황 전지, 리튬황 전지를 수납하는 수납부 또는 리튬황 전지 주변의 온도가 30℃ 이상이 되는 경우 일정한 간격에 따라 수행되는 것일 수 있다. 예를 들어, 리튬황 전지의 주변 온도가 30℃ 이상인 경우에 1시간 간격으로 부동충전이 수행되어 리튬황 전지를 충전 할 수 있다.
상기 부동충전 단계는 리튬황 전지, 리튬황 전지를 수납하는 수납부 또는 리튬황 전지 주변의 온도가 30℃ 이상, 또는 40℃ 이상일 때 수행될 수 있다.
본 발명의 일 측면에서, 상기 부동충전 단계와 선택적으로, 균등충전, 자동충전 또는 회복충전하는 단계를 포함할 수도 있다. 균등 충전은 여러 개의 전지를 한 조로 하여 장시간 사용하면 각 전지의 특성 차이에 의하여 충전상태가 균일하지 않고 전위차가 발생하는 것을 전지의 축전전압보다 약 10 % 높은 전압을 공급하여 충전하므로 각 전지가 균일한 전압으로 충전 되도록 하는 방식이다. 자동충전은 전지의 방전량에 따라 충전 초기에는 균등충전으로 충전하고 완전충전 상태에 도달하면 부동 충전으로 자동 변환하여 연속적으로 부동충전하는 것이고, 회복충전은 정전류 충전에 의하여 약한 전류로 40-50시간 충전시킨 다음 방전시키고 다시 충전하는 과정을 여러 번 반복하여 극판이 본래의 상태로 회복되도록 하는 방식이다.
본 발명의 일 구현예에서, 리튬황 전지용 가스 억제 방법은 전지 팩의 전지 관리 시스템(Battery Management System)에 적용될 수 있다. 여기서, 전지 팩에 저장된 전하를 이용하여 전지 관리 시스템을 통해 부동충전을 수행할 수 있다. 또한, 전지 팩과 별도의 독립한 전지에 저장된 전하를 이용하여 전지 관리 시스템을 통해 부동충전을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 전지 관리 시스템은 전기자동차 또는 기타 전기 장치에 적용되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 리튬황 전지용 가스 억제 방법 또는 리튬황 전지용 가스 억제 장치는 리튬황 전지(10)가 일부 또는 완전 충전된 것에 대응하는 개방 회로 전압을 갖는 동안 적용될 수 있다. 구체적으로, 부동 전압은, 리튬황 전지(10)가 일부 또는 완전 충전된 것에 대응하는 개방 회로 전압을 갖는 동안 공급될 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 비교예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 통상의 기술자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
2개의 리튬황 전지를 다음과 같은 형태로 동일하게 제조하였다.
양극활물질로 탄소나뉴튜브에 황이 담지된 황-탄소복합체를 준비하였다. 이때 탄소나노튜브와 황의 중량비를 1:3으로 하였다. 여기에, 바인더로 폴리아크릴산(polyacrylic acid, PAA)을, 도전재로 탄소섬유(Carbon fiber)을 혼합하여 양극 슬러리를 제조하였다. 이때, 양극활물질, 도전재 및 바인더의 중량비는 88:5:7이었다.
음극으로는 리튬 금속을 준비하였다.
전해질로는 1,3-디옥솔란과 디메틸 에테르(DOL:DME=1:1(부피비))로 이루어진 유기 용매에 0.75M 농도의 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(LiTFSI)와 1 중량%의 질산 리튬(LiNO3)를 용해시킨 혼합액을 제조하였다.
상기 제조한 양극과, 음극을 대면하도록 위치시키고 그 사이에 두께 16 ㎛, 기공도 46 %의 폴리에틸렌 분리막을 개재하여 파우치형 전지케이스에 내장한 후, 상기 전해질 70 ㎕를 주입하여 리튬황 전지를 제조하였다.
제조된 2개의 전지 모두 0.1C로 1.8V까지 방전 후 20분 휴식기를 거치고, 다시 0.1C로 2.4V까지 충전하여 포메이션 과정을 수행하였다. 이후 25℃에서 2일 대기하여 가스를 발생시키고, 가스를 제거하는 디개싱 과정을 수행하였다. 이후 각각의 리튬황 전지를 별도의 수납부에 수납하고, 수납부의 온도를 40℃로 설정하고 3일간 보관하였다.
실시예 1
수납부에 저장된 리튬황 전지 중 1개를 본 발명에 따른 가스 억제 장치에 적용시켰다. 가스 억제 장치의 전압 측정부는 1초에 1회씩 리튬황 전지의 전압을 측정하여 SOC 100% 미만인 경우 전류 인가부에서 전류를 인가하게 했다. 이때, 인가되는 전류는 0.01C 미만이 되도록 설정하였다.
비교예 1
수납부에 저장된 리튬황 전지 중 다른 1개는 본 발명에 따른 가스 억제 장치를 적용하지 않고, 전압만 측정하였다.
실시예 1 및 비교예 1에 따른 리튬황 전지의 전압 및 전류의 그래프를 도 5에 나타내었다.
활성화 단계에서의 충전을 통해, 실시예 1 및 비교예 1의 리튬황 전지 모두 2.4V까지 충전되었다. 이후 실시예 1에 따른 리튬황 전지는 본 발명에 따른 가스 억제 장치에 적용되어 있으므로 2.4V가 유지되었다. 그러나, 비교예 1의 리튬황 전지는 서서히 방전되어 전압이 감소되었다.
실시예 1 및 비교예 1의 리튬황 전지의 전지케이스 부피 변화를 관찰하였다.
실시예 1에 따른 리튬황 전지는 저장 후 72시간까지 부피 변화가 없었고, 이것으로 리튬황 전지에서의 가스 발생이 억제된 것을 확인할 수 있었다.
반면, 비교예 1에 따른 리튬황 전지는 저장 후 24시간 뒤 관찰하였을 때 부피가 팽창한 것을 확인할 수 있었고, 이것으로 리튬황 전지에서 가스가 발생된 것을 확인할 수 있었다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 리튬황 전지
100: 가스 억제 장치
110: 전압 측정부
120: 전류 인가부
130: 제어부
140: 수납부
150: 온도 측정부
160: 온도 조절부

Claims (16)

  1. 활성화 단계를 거친 리튬황 전지의 가스를 억제하는 장치에 있어서,
    리튬황 전지의 전압을 측정하도록 구성된 전압 측정부;
    상기 리튬황 전지로 전류를 인가하도록 구성된 전류 인가부; 및
    상기 전압 측정부의 전압 측정 결과를 기초로, 상기 리튬황 전지의 전압이 일정 범위 이내로 유지될 수 있게 상기 전류 인가부를 제어하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 전압 측정부에서 측정된 전압을 미리 설정된 기준 전압과 비교하여, 상기 전압 측정부에서 측정된 전압이 상기 기준 전압 미만인 경우, 상기 전류 인가부가 상기 리튬황 전지로 전류를 인가하도록 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    리튬황 전지를 수납하는 수납부; 및 수납부 내의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 온도 측정부에서 측정된 온도에 따라서 상기 전압 측정부의 전압 측정 주기를 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 리튬황 전지를 수납하도록 구성된 수납부; 및 상기 수납부 내의 온도를 조절하는 온도 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 전류 인가부는 상기 리튬황 전지로 0.01C 이하의 전류를 인가하도록 구성된 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 리튬황 전지는 활성화 단계를 거친 이후 24시간을 초과하기 전인 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 리튬황 전지는 SOC가 90% 이상이 되도록 충전된 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 장치.
  8. 활성화 단계를 거친 리튬황 전지의 가스를 억제하는 방법에 있어서
    소정 시간 경과에 따라 리튬황 전지의 전압을 측정하는 단계;
    상기 전압 측정 결과를 기초로, 상기 리튬황 전지의 전압이 일정 범위 이내로 유지될 수 있게 전류를 인가하도록 제어하는 단계; 및
    상기 제어에 의해 상기 리튬황 전지의 전압이 일정 범위 이내로 유지될 수 있게 전류를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제어단계는, 상기 측정된 전압을 미리 설정된 기준 전압과 비교하여, 상기 측정된 전압이 상기 기준 전압 미만인 경우 상기 리튬황 전지로 전류를 인가하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 리튬황 전지를 수납부에 수납된 것이고,
    상기 수납부의 온도를 측정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 전압 측정단계는 상기 측정된 수납부의 온도에 따라서 전압 측정 주기가 조절되는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지의 가스 억제 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 측정된 온도에 따라서 상기 수납부 내의 온도를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 방법.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 전류 인가 단계는, 전류를 0.01C이하로 인가하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 방법.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 리튬황 전지는 전지 케이스에 수납된 것이고,
    상기 전류 인가 단계는 상기 전지 케이스의 부피 변화가 1% 이하가 되도록 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 방법.
  14. 제8 항에 있어서,
    상기 활성화 단계는 상기 리튬황 전지를 1회 이상 충전 및 방전하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 방법.
  15. 제8 항에 있어서,
    상기 활성화 단계는, 상기 리튬황 전지를 0.02C 내지 5C의 전류로 충전 및 방전하는 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 방법.
  16. 제8 항에 있어서,
    상기 리튬황 전지는, 상기 활성화 단계에서 발생한 가스가 제거된 것을 특징으로 하는 리튬황 전지용 가스 억제 방법.
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