WO2018131822A1 - 단락 방지 부재를 포함하고 있는 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치 - Google Patents

단락 방지 부재를 포함하고 있는 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치 Download PDF

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top cap
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battery case
potential
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김민규
성주환
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode potential measuring device for a three-electrode system including a short circuit prevention member.
  • lithium secondary batteries such as lithium ion batteries and lithium ion polymer batteries is high.
  • secondary batteries are classified according to the structure of an electrode assembly having a structure in which a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode are formed.
  • Jelly-roll type electrode assembly having a structure wound in a state where a separator is interposed, a stack type electrode assembly in which a plurality of anodes and cathodes cut in units of a predetermined size are sequentially stacked with a separator therebetween
  • an electrode assembly having an advanced structure which is a mixed form of the jelly-roll type and the stack type has a predetermined unit.
  • Stacked / foldable electrode having a structure in which positive and negative electrodes are sequentially wound in a state in which unit cells stacked on a separator film are stacked with a separator interposed therebetween Developed body lip.
  • the secondary battery is a cylindrical battery and a rectangular battery in which the electrode assembly is embedded in a cylindrical or rectangular metal can according to the shape of the battery case, and a pouch type battery in which the electrode assembly is embedded in a pouch type case of an aluminum laminate sheet. Are classified.
  • FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing the structure of a cylindrical battery cell
  • FIG. 2 is a schematic diagram schematically showing a structure before winding of an electrode assembly constituting the cylindrical battery cell of FIG. 1.
  • the cylindrical battery cell 100 accommodates the electrode assembly 120 of the winding-type structure in the cylindrical battery case 130, and after injecting the electrolyte in the battery case 130, the case
  • the cap assembly 140 in which the electrode terminal is formed on the open upper end of the 130 is manufactured by combining.
  • the electrode assembly 120 is manufactured by sequentially stacking the positive electrode 121, the negative electrode 122, and the separator 123 in a rounded shape in an arrow direction.
  • the positive electrode 121 and the negative electrode 122 of the electrode assembly 120 each include a positive electrode tab 121a and a negative electrode tab 122a attached to one surface thereof, and the positive electrode tab 121a and the negative electrode tab 122a are respectively attached. Are projected in opposite directions to each other.
  • the positive electrode tab 121a and the negative electrode tab 122a protrude in opposite directions to each other, and in detail, the positive electrode tab 121a may be a battery case.
  • the cap assembly 140 In a state of protruding in the open one surface direction of the 130, it is connected to the cap assembly 140 coupled to the open one surface of the battery case 130, whereby a part of the cap assembly 140 acts as a positive electrode terminal do.
  • the negative electrode tab 122a protrudes in the lower surface direction opposite to the open one surface of the battery case 130 and is coupled to the inner surface of the battery case 130. Accordingly, the battery case 130 itself acts as a negative electrode terminal.
  • the electrode potential of the battery cell is measured.
  • a three-electrode-based electrode potential measuring method including a reference electrode, a working electrode, and a potential electrode is mainly used.
  • FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing the structure of an electrode potential measuring apparatus for a three-electrode system for measuring the electrode potential of the cylindrical battery cell of FIG.
  • the battery cell 100 is separated from the bead between the top cap assembly 140 and the battery case 130, and is located in the top cap assembly 140 of the battery cell 100.
  • An electrode potential measuring device 300 for a three-electrode system is connected to the negative electrode terminal 121b and the negative electrode terminal 122b positioned in the battery case 130.
  • the working electrode connecting portion 310 is connected to the positive electrode terminal 121b desired to measure the electrode potential, and the counter electrode connection portion 320 is connected to the negative electrode terminal 122b of the battery case 130. ) Is connected.
  • the reference electrode connector 330 is connected to the reference electrode 301 forming a battery circuit for measuring electrode potential.
  • the reference electrode 301 is an electrode which is used to make a battery circuit for electrode potential measurement in combination with the electrode in order to measure the potential of an electrode constituting a battery or an electrode in which electrolysis is occurring. The relative value of the electrode potential is measured. It is a reference for potential.
  • the working electrode connector 310, the counter electrode connector 320, and the reference electrode connector 330 are connected to the measurement unit 340, and the measurement unit 340 is connected to the anode terminal 121b through the three-electrode system. Measure the electrode potential.
  • sparks or fly products generated by such internal short-circuits may act as a risk factor for deteriorating the safety of the operator, and thus the electrode potential measurement using the three-electrode system is not very easy.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • the inventors of the present application are positioned in contact with the top cap assembly and the battery case, respectively, between the top cap assembly and the battery case in which the bead is separated, as described later.
  • the short circuit prevention member By including the short circuit prevention member, it is possible to prevent the internal short circuit caused by the direct contact between the top cap assembly and the battery case is located in a different polarity and the resulting degradation of the physical properties or performance of the electrode assembly, accordingly, the battery cell It is possible to more accurately measure the electrode potential of the electrode, improve the measurement reliability, and effectively prevent the problem of safety degradation of the operator due to sparks or fly-offs generated during the internal short circuit, and the top cap assembly and the battery Stable with only the short circuit prevention member between the cases It is possible to measure the electrode potential of the battery cells, it confirmed that this can save time and cost of each separately fixed to the top cap assembly and the cell case, and accomplished the present invention.
  • Electrode potential measuring device for achieving this object
  • An electrode potential measuring device for an electrode system for measuring the electrode potential of the cylindrical battery cell in a state in which a beading portion between the top cap assembly in which the first electrode terminal of the cylindrical battery cell is located and the battery case in which the second electrode terminal is located is separated.
  • a working electrode connecting portion connected to the first electrode terminal or the second electrode terminal to measure an electrode potential with respect to the first electrode terminal or the second electrode terminal;
  • a counter electrode connector connected to the remaining electrode terminals of the cylindrical battery cell except for the electrode terminal connected to the working electrode connector;
  • a reference electrode connection part connected to a reference electrode forming a battery circuit for measuring electrode potential so as to measure a relative value of an electrode potential connected to the working electrode connection part;
  • a measuring unit connected to the working electrode connecting unit, the counter electrode connecting unit, and the reference electrode connecting unit to measure a potential of an electrode connected to the working electrode connecting unit;
  • Short circuit prevention is located in contact with the top cap assembly and the battery case between the top cap assembly and the battery case separated from the beading portion to prevent short circuit due to contact between the top cap assembly and the battery case of the cylindrical battery cell. absence;
  • the electrode potential of the battery cell may be measured more accurately.
  • the measurement reliability can be improved, and at the same time, it is possible to effectively prevent a problem of deterioration of worker safety due to sparks or fly-offs generated during the internal short-circuit, and only a short circuit prevention member between the top cap assembly and the battery case In the interposed state, since the electrode potential of the battery cell can be measured stably, it is possible to save time and cost required to separate and fix the top cap assembly and the battery case separately.
  • the electrode assembly is accommodated in the battery case in the state impregnated with the electrolyte
  • the top cap assembly and the battery case are electrically connected to the first electrode and the second electrode of the electrode assembly by the first electrode tab and the second electrode tab, respectively, to form a first electrode terminal and a second electrode terminal. It can be a structure.
  • the battery cell is separated only from the bead between the top cap assembly and the battery case, the electrical connection between the electrode assembly and the top cap assembly located in the battery case and the electrode tab between the electrode assembly and the battery case is Since it is not separated, when the working electrode connection part and the counter electrode connection part are respectively connected to the electrode terminal of the top cap assembly and the battery case, the circuit may be configured by being electrically connected to the electrode assembly, thereby The electrode potential can be measured more easily and accurately.
  • the short circuit prevention member may have a structure made of a material that is not reactive to the electrolyte solution.
  • the short-circuit preventing member is disposed between the top cap assembly and the battery case between the top cap assembly and the battery case in which the bead is separated to prevent a short circuit caused by contact between the top cap assembly of the cylindrical battery cell and the battery case.
  • Each may be in contact with each other.
  • the short-circuit prevention member is reactive to an electrolyte, even if a shorting prevention member is interposed between the top cap assembly from which the bead is separated and the battery case, the top cap is deformed or damaged by the electrolyte in the battery case.
  • the assembly may directly contact the battery case, causing an internal short circuit, and thus may not have the desired effect.
  • the short-circuit prevention member is made of a material that is not reactive to the electrolyte solution, thereby preventing deformation or damage caused by the electrolyte solution. Accordingly, the short-circuit prevention member is generated by contact between the top cap assembly and the battery case during the electrode potential measurement process. Internal short circuit can be effectively prevented.
  • the short-circuit preventing member is a material which is not reactive to the electrolyte, and if the material can exhibit the desired structural stability, the material is not particularly limited, and in detail, in consideration of economy, ease of handling, etc. It may be made of a Teflon material.
  • the short-circuit prevention member may be formed in a planar discontinuous circular structure.
  • the short-circuit prevention member is formed in a planar shape corresponding to the top cap assembly of the cylindrical battery cell and the horizontal cross-sectional shape of the battery case, so that one side and the other side thereof are at the end between the top cap assembly and the battery case, respectively. It is possible to contact, so that the occurrence of an internal short circuit due to the contact of the top cap assembly and the battery case can be easily prevented.
  • the short circuit preventing member may have a structure having a size of 110% to 150% based on the diameter of the top cap assembly and the horizontal cross section of the battery case.
  • the planar size of the short-circuit prevention member is too small. It may not be possible to maintain the insulation state between them.
  • the diameter of the short-circuit prevention member is larger than 150% based on the horizontal cross-sectional diameter of the top cap assembly and the battery case, the size of the short-circuit prevention member becomes too large and is not easy to handle. Without increasing the unnecessary portion of the short-circuit preventing member, the cost required for manufacturing the electrode potential measuring apparatus including the same may increase.
  • the thickness of the short circuit prevention means may be a size of 50% to 150% based on the height of the top cap assembly.
  • the thickness of the short-circuit prevention means is too thin outside the range, the insulation state between the top cap assembly and the battery case may not be stably maintained. On the contrary, the thickness of the short-circuit prevention means is within the above range. In the case of being too thick, the short-circuit preventing member becomes too large to be easily handled, and the electrode tab connected between the top cap assembly and the electrode assembly is separated or cut, thereby forming a circuit for measuring electrode potential. There is a problem that may not be possible.
  • the short-circuit prevention member may include: an electrode tab through hole drilled in a penetrating structure at a central portion thereof so that a first electrode tab electrically connecting the electrode assembly and the top cap assembly is positioned; And an electrode tab insertion portion formed at a discontinuous portion so that the first electrode tab is inserted and positioned in the electrode tab through hole. It may be a structure including a.
  • the short circuit prevention member may be easily positioned between the top cap assembly and the battery case without separation or cutting of the first electrode tab electrically connecting the electrode assembly and the top cap assembly.
  • the electrode tab through hole may have a size of 10% to 90% based on the diameter of the short circuit prevention member.
  • the diameter of the electrode tab through-hole is less than 10% based on the diameter of the short-circuit preventing member, the diameter of the electrode tab through-hole is too small to electrically connect the electrode assembly and the top cap assembly.
  • the first electrode tab may not be easily located in the electrode tab through hole, or the first electrode tab may be deformed or damaged.
  • the diameter of the electrode tab through-hole is larger than 90% based on the diameter of the short-circuit preventing member, the size of the electrode tab through-hole becomes too large as compared to the size of the short-circuit preventing member,
  • the area of one side and the other side of the short-circuit prevention member for contacting the end of the battery case and the top cap assembly separated from each other may not be formed to a sufficient width, and thus, the top cap assembly and the end of the battery case separated from the bead part may not be formed.
  • the electrode tab through-holes are formed to be positioned, whereby direct contact between the top cap assembly of the short-circuit prevention member and the end of the battery case may not be stably prevented.
  • the width of the electrode tab insertion part may be in a size of 10% to 50% based on the width of the short-circuit prevention means in plan view.
  • the width of the electrode tab insertion portion and the width of the short-circuit preventing means means the width on a plane.
  • the width of the electrode tab insert is less than 10% based on the width of the short-circuit prevention means, the width of the electrode tab insert is too narrow so that the first electrode electrically connecting the electrode assembly and the top cap assembly. The tab cannot be inserted easily.
  • the width of the electrode tab insert is greater than 50% based on the width of the short-circuit prevention means, the width of the electrode tab insert is too wide, so that the first electrode tab inserts the electrode tab insert.
  • the short-circuit prevention member cannot be stably fixed by the first electrode tab located in the electrode tab through hole, and thus, the short-circuit prevention member cannot be stably fixed by the first electrode tab, thereby leaving the top cap assembly and the battery case. Since the contact of the battery case may not be prevented, an internal short circuit may not be stably prevented.
  • the first seating groove and the first seating groove made of an indented structure on the one surface and the other surface of the short-circuit prevention means in contact with the top cap assembly and the battery case, respectively, so that the separated ends of the top cap assembly and the battery case are respectively seated. 2 It may be a structure in which the mounting groove is formed.
  • the separated ends of the top cap assembly and the battery case can be stably seated in the first and second seating grooves formed on one side and the other side of the short circuit preventing means, and thus the separation of the short circuit preventing means and The occurrence of internal short circuit due to the contact of the top cap assembly and the battery case can be effectively prevented.
  • the sum of the depths of the first seating groove and the second seating groove may be in a size of 10% to 90% based on the thickness of the short-circuit preventing member.
  • the depth of the seating grooves is too low. It may not be possible to effectively prevent the occurrence of internal short circuit due to the separation and contact of the top cap assembly and the battery case.
  • the depth of the first mounting groove and the second mounting groove may be the same or different structures, and is appropriately adjusted by various factors such as the size of the top cap assembly and the battery case and the length of the first electrode tab. Can be formed.
  • the present invention provides a method for measuring the electrode potential of the cylindrical battery cell, using the electrode potential measuring device, the method,
  • the electrode potential measuring device is connected to each electrode terminal and the reference electrode of the cylindrical battery cell, the remaining portion except the measuring unit and the cylindrical battery cell is impregnated in the electrolyte, the potential of the electrode terminal connected to the working electrode connecting portion It may be a structure for measuring.
  • the short-circuit prevention member is made of a material that is not reactive to the electrolyte, thereby preventing deformation or damage due to the reaction with the electrolyte, and thus, the insulation between the top cap assembly and the battery case It can be kept stable.
  • FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing the structure of a cylindrical battery cell
  • FIG. 2 is a schematic diagram schematically showing a structure before winding of an electrode assembly constituting the cylindrical battery cell of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing the structure of an electrode potential measuring apparatus for a three-electrode system for measuring the electrode potential of the cylindrical battery cell of FIG.
  • FIG. 4 is a schematic diagram schematically showing the structure of an electrode potential measuring apparatus for a three-electrode system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a schematic diagram schematically showing the structure of the short-circuit preventing member of FIG. 4;
  • FIG. 6 is a schematic diagram schematically showing a method for measuring electrode potential using the electrode potential measuring apparatus of FIG. 4.
  • FIG. 4 is a schematic diagram schematically showing the structure of an electrode potential measuring apparatus for a three-electrode system according to an embodiment of the present invention.
  • an electrode potential measuring device 500 for a three-electrode system is connected to a cylindrical battery cell 400.
  • the cylindrical battery cell 400 is in a state where the beading portion between the top cap assembly 440 and the battery case 430 is separated, and the electrode assembly 420 is accommodated in the battery case 430.
  • the electrode assembly 420 is connected to the top cap assembly 440 and the battery case 430 by the positive electrode tab 421a and the negative electrode tab 422a, respectively. Accordingly, the top cap assembly 440 has a positive terminal ( 421b is positioned, and the negative electrode terminal 422b is positioned in the battery case 430.
  • the electrode potential measuring device 500 includes a working electrode connecting part 510, a counter electrode connecting part 520, a reference electrode connecting part 530, a measuring part 540, and a short circuit prevention member 550.
  • the working electrode connection part 510 is connected to the positive electrode terminal 421b so as to measure the electrode potential with respect to the positive electrode terminal 421b of the cylindrical battery cell 400, and the counter electrode connection part 520 is the cylindrical battery cell 400. The remaining negative terminal of the (422b) is connected.
  • the reference electrode connector 530 is connected to a reference electrode forming a battery circuit for measuring electrode potential so as to measure a relative value of the potential of the anode terminal 421b connected to the working electrode connector 510.
  • the measuring unit 540 is connected to the working electrode connector 510, the counter electrode connector 520, and the reference electrode connector 530, and measures the potential of the electrode connected to the working electrode connector 510.
  • the bead portion is separated short-circuit prevention member for preventing a short circuit due to the contact of the top cap assembly 440 and the battery case 430 ( 550 is interposed.
  • the top cap assembly 440 and the end portions of the battery case 430 are in contact with each other on the top and bottom surfaces of the short circuit preventing member 550, respectively, and thus are insulated from each other.
  • the top cap of the cylindrical battery cell 400 is insulated from each other.
  • FIG. 5 is a schematic diagram schematically showing the structure of the short-circuit preventing member of FIG. 4.
  • the short-circuit prevention member 550 has a discontinuous circular structure in which one direction part is opened on a plane.
  • the short circuit prevention member 550 includes an electrode tab through hole 551 and an electrode tab insert 552.
  • the electrode tab through hole 551 is perforated in a planar center portion so that the anode tab 421a electrically connecting the electrode assembly 420 and the top cap assembly 440 is positioned.
  • the diameter W2 of the electrode tab through hole 551 has a size of about 35% based on the diameter W1 of the short circuit preventing member 550.
  • the electrode tab insertion portion 552 is formed at a discontinuous portion so that the positive electrode tab 421a is inserted and positioned in the electrode tab through hole 551, and the width W3 gradually increases from the inner side to the outer side. Consists of
  • the positive electrode tab 421a can be easily inserted into the electrode tab through hole 551 through the electrode tab insert 552, while the electrode tab insert 552 is removed from the electrode tab through hole 551. It is not easily separated to the outside through it, it is possible to maintain a stable fixed state.
  • the upper and lower surfaces of the short-circuit prevention means contacting the top cap assembly 440 and the battery case 430, respectively, are indented inwardly so that the separated ends of the top cap assembly 440 and the battery case 430 are respectively seated.
  • a first seating groove 553 and a second seating groove 554 are formed.
  • Depths H1 and H2 of the first seating groove 553 and the second seating groove 554 are equal to each other, and depths H1 and H2 of the first seating groove 553 and the second seating groove 554 are the same. The sum is about 26% based on the thickness H3 of the short-circuit prevention member 550.
  • FIG. 6 is a schematic diagram schematically showing an electrode potential measuring method using the electrode potential measuring apparatus of FIG. 4.
  • the working electrode connecting portion 510 and the counter electrode connecting portion 520 of the electrode potential measuring device are connected to the positive electrode terminal 421b and the negative electrode terminal 422b of the battery cell 400, respectively, and the reference electrode
  • the reference electrode connection part 530 is connected to the reference numeral 501 to form a battery circuit for measuring electrode potential.
  • the tray 610 is sealed with the electrolyte 620 contained therein, and the working electrode connection part 510, the counter electrode connection part 520, and the reference electrode connection part, except for the measuring part 540 of the electrode potential measuring device 500. Electrode potential of the positive electrode terminal 421b of the battery cell 400 connected to the working electrode connecting portion 510 in a state in which the 530 and the battery cell 400 and the reference electrode 501 are impregnated in the electrolyte 620. Measure
  • an electrode assembly having a structure wound in one direction is inserted into a cylindrical battery case, and the electrolyte is impregnated, and then the top cap assembly is coupled to the battery case.
  • a cylindrical battery cell was produced by sealing.
  • the top cap assembly and the battery case are separated, and an electrode is formed at the electrode terminal portion of the top cap assembly and the battery case with a short circuit prevention member interposed between the top cap assembly and the battery case.
  • the working electrode connection part and the counter electrode connection part of the potential measuring device were connected, and the reference electrode connection part was connected to the lithium thin film as a reference electrode, thereby configuring a three-electrode system for measuring electrode potential as shown in FIG. 4.
  • the top cap assembly and the battery case were separated, and the working electrode connection part and the counter electrode connection part of the electrode potential measuring device were connected to the electrode terminals of the top cap assembly and the battery case.
  • the reference electrode By connecting the reference electrode to the lithium thin film, a three-electrode system for measuring electrode potential as shown in FIG.
  • the electrode potential of the positive electrode terminal was measured in the state impregnated with the rest of the configuration except the measuring unit and the electrolyte cell contained in the tray.
  • the measurement was performed by configuring 10 systems, respectively, for the three-electrode system of Example 1 and Comparative Example 1, and the number of internal short circuit caused by the contact of the top cap assembly and the battery case among them is shown in Table 1 below. It was.
  • the short-circuit prevention member interposed between the top cap assembly and the battery case blocks direct contact between the top cap assembly and the battery case, thereby stably maintaining an insulation state, and thus, an internal short circuit during the electrode potential measurement. This can prevent problems that can be caused by
  • the electrode potential measuring device includes a short-circuit preventing member positioned in contact with the top cap assembly and the battery case, respectively, between the top cap assembly and the battery case in which the bead is separated.
  • a short-circuit preventing member positioned in contact with the top cap assembly and the battery case, respectively, between the top cap assembly and the battery case in which the bead is separated.

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Abstract

본 발명은, 원통형 전지셀의 제 1 전극단자가 위치하는 탑 캡 어셈블리와 제 2 전극단자가 위치하는 전지케이스 사이의 비딩부(beading portion)가 분리된 상태에서, 상기 원통형 전지셀의 전극전위를 측정하기 위한 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치로서, 상기 제 1 전극단자 또는 제 2 전극단자에 대한 전극전위를 측정하도록, 상기 제 1 전극단자 또는 제 2 전극단자에 연결되는 작업전극 연결부; 상기 작업전극 연결부에 연결된 전극단자를 제외한 원통형 전지셀의 나머지 전극단자에 연결되는 상대전극 연결부; 상기 작업전극 연결부에 연결된 전극전위의 상대 값을 측정하도록, 전극전위 측정용 전지회로를 형성하는 기준전극에 연결되는 기준전극 연결부; 상기 작업전극 연결부, 상대전극 연결부 및 기준전극 연결부에 연결되어, 작업전극 연결부에 연결된 전극의 전위를 측정하는 측정부; 및 상기 원통형 전지셀의 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉에 의한 단락을 방지하도록, 비딩부가 분리된 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에서, 상기 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스에 각각 접촉된 상태로 위치하는 단락 방지 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치를 제공한다.

Description

단락 방지 부재를 포함하고 있는 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치
본 발명은 단락 방지 부재를 포함하고 있는 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있으며, 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극조립체 및 스택형 전극조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
또한, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
도 1에는 원통형 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 원통형 전지셀을 구성하는 전극조립체의 권취 전 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 1 및 2를 함께 참조하면, 원통형 전지셀(100)은 권취형 구조의 전극조립체(120)를 원통형의 전지케이스(130)에 수납하고, 전지케이스(130) 내에 전해액을 주입한 후에, 케이스(130)의 개방 상단에 전극 단자가 형성되어 있는 캡 어셈블리(140)를 결합하여 제작한다.
전극조립체(120)는 양극(121)과 음극(122), 및 분리막(123)을 차례로 적층하여 화살표 방향으로 둥근 형태로 권취하여 제조된다.
전극조립체(120)의 양극(121)은 및 음극(122)은 각각 일면에 부착되어 있는 양극 탭(121a) 및 음극 탭(122a)을 포함하고 있으며, 양극 탭(121a)과 음극 탭(122a)은 서로 대향하는 방향으로 돌출되어 있다.
따라서, 전극조립체(120)가 전지케이스(130)에 탑재되는 경우, 양극 탭(121a)과 음극 탭(122a)은 서로 대향하는 방향으로 돌출되며, 상세하게는, 양극 탭(121a)은 전지케이스(130)의 개방된 일면 방향으로 돌출된 상태에서, 전지케이스(130)의 개방된 일면에 결합되는 캡 어셈블리(140)에 연결되며, 이에 따라, 캡 어셈블리(140)의 일부가 양극단자로서 작용한다.
음극 탭(122a)은 전지케이스(130)의 개방된 일면에 대향하는 하면 방향으로 돌출되어 전지케이스(130)의 내면에 결합되며, 이에 따라, 전지케이스(130) 자체는 음극단자로서 작용한다.
한편, 새롭게 개발, 제조된 전지셀의 성능 확인 등을 위해서는 전지셀의 전극전위(electrode potential)를 측정하는 과정을 거치게 된다.
전극전위의 측정에는 기준전극(reference electrode), 작업전극(working electrode) 및 보조전극(potential electrode)으로 구성된 3 전극계 전극전위 측정방법이 주로 사용되고 있다.
도 3에는 도 1의 원통형 전지셀의 전극전위를 측정하는 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 도 1과 함께 참조하면, 전지셀(100)은 탑 캡 어셈블리(140)와 전지케이스(130) 사이의 비딩부가 분리되어 있으며, 전지셀(100)의 탑 캡 어셈블리(140)에 위치한 양극단자(121b)와 전지케이스(130)에 위치한 음극단자(122b)에 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치(300)가 연결되어 있다.
구체적으로, 전극전위를 측정하고자 소망하는 양극단자(121b)에는 전극전위를 측정하도록, 작업전극 연결부(310)가 연결되어 있고, 전지케이스(130)의 음극단자(122b)에는 상대전극 연결부(320)가 연결되어 있다.
기준전극 연결부(330)는 전극전위 측정용 전지회로를 형성하는 기준전극(301)에 연결되어 있다.
기준전극(301)은 전지를 구성하고 있는 전극이나 전기분해가 일어나고 있는 전극의 전위를 측정하기 위하여 당해 전극과 조합하여 전극전위 측정용 전지회로를 만드는데 사용하는 전극으로서, 전극전위의 상대 값을 측정할 때 전위의 기준이 된다.
작업전극 연결부(310), 상대전극 연결부(320) 및 기준전극 연결부(330)는 측정부(340)에 연결되어 있으며, 측정부(340)는 이러한 3전극 시스템을 통해, 양극단자(121b)의 전극전위를 측정한다.
그러나, 이러한 과정에서, 탑 캡 어셈블리(140)의 단부(141a)와 전지케이스(130)의 단부(131a)가 접촉되는 경우에는, 내부 단락에 발생할 수 있으며, 이로 인해, 전극조립체(120)의 화학적 물성 내지 성능이 변화할 수 있어, 정확한 전극전위의 측정이 불가능하다.
또한, 이러한 내부 단락에 의해 발생하는 불꽃 내지 비산물은 작업자의 안전을 저하시키는 위험 요소로 작용할 수 있어, 이러한 3전극 시스템을 이용한 전극전위의 측정이 매우 용이하지 않다.
특히, 이러한 3전극 시스템을 이용해 전지셀(100)의 전극전위를 측정하는 경우, 상기 문제점으로 인해 회로의 구성이 매우 어렵고, 이러한 문제점을 예방하기 위해, 탑 캡 어셈블리(140)와 전지케이스(130)를 분리하여 고정하는데 많은 시간이 소요되므로, 상기 전지셀(100)의 전극전위 측정이 지연되는 문제점도 있음은 물론이다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 비딩부가 분리된 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에서, 상기 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스에 각각 접촉된 상태로 위치하는 단락 방지 부재를 포함하도록 구성됨으로써, 서로 상이한 극성이 위치한 탑 캡 어셈블리와 전지케이스가 직접 접촉함으로써 발생할 수 있는 내부 단락 및 이로 인한 전극조립체의 물성 내지 성능 저하를 방지할 수 있으며, 이에 따라, 전지셀의 전극전위를 보다 정확하게 측정해, 측정 신뢰성을 향상시킬 수 있는 동시에, 상기 내부 단락 시에, 발생하는 불꽃 내지 비산물로 인한 작업자의 안전성 저하의 문제점을 효과적으로 예방할 수 있고, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에 단락 방지 부재만을 개재한 상태에서, 안정적으로 전지셀의 전극전위를 측정할 수 있으므로, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스를 각각 별도로 분리하여 고정하는데 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극전위 측정 장치는,
원통형 전지셀의 제 1 전극단자가 위치하는 탑 캡 어셈블리와 제 2 전극단자가 위치하는 전지케이스 사이의 비딩부(beading portion)가 분리된 상태에서, 상기 원통형 전지셀의 전극전위를 측정하기 위한 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치로서,
상기 제 1 전극단자 또는 제 2 전극단자에 대한 전극전위를 측정하도록, 상기 제 1 전극단자 또는 제 2 전극단자에 연결되는 작업전극 연결부;
상기 작업전극 연결부에 연결된 전극단자를 제외한 원통형 전지셀의 나머지 전극단자에 연결되는 상대전극 연결부;
상기 작업전극 연결부에 연결된 전극전위의 상대 값을 측정하도록, 전극전위 측정용 전지회로를 형성하는 기준전극에 연결되는 기준전극 연결부;
상기 작업전극 연결부, 상대전극 연결부 및 기준전극 연결부에 연결되어, 작업전극 연결부에 연결된 전극의 전위를 측정하는 측정부; 및
상기 원통형 전지셀의 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉에 의한 단락을 방지하도록, 비딩부가 분리된 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에서, 상기 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스에 각각 접촉된 상태로 위치하는 단락 방지 부재;
를 포함하는 구조일 수 있다.
따라서, 서로 상이한 극성이 위치한 탑 캡 어셈블리와 전지케이스가 직접 접촉함으로써 발생할 수 있는 내부 단락 및 이로 인한 전극조립체의 물성 내지 성능 저하를 방지할 수 있으며, 이에 따라, 전지셀의 전극전위를 보다 정확하게 측정해, 측정 신뢰성을 향상시킬 수 있는 동시에, 상기 내부 단락 시에, 발생하는 불꽃 내지 비산물로 인한 작업자의 안전성 저하의 문제점을 효과적으로 예방할 수 있고, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에 단락 방지 부재만을 개재한 상태에서, 안정적으로 전지셀의 전극전위를 측정할 수 있으므로, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스를 각각 별도로 분리하여 고정하는데 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지케이스 내부에는 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 수납되어 있고;
상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스는 각각 제 1 전극단자와 제 2 전극단자를 형성하도록, 제 1 전극 탭 및 제 2 전극 탭에 의해, 전극조립체의 제 1 전극 및 제 2 전극과 각각 전기적으로 연결되어 있는 구조일 수 있다.
즉, 상기 전지셀은 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이의 비딩부만 분리된 상태로서, 상기 전지케이스 내에 위치한 전극조립체와 탑 캡 어셈블리 사이 및 상기 전극조립체와 전지케이스 사이의 전극 탭에 의한 전기적 연결은 분리되지 않은 상태이므로, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 전극단자에 작업전극 연결부 내지 상대전극 연결부를 각각 연결하는 경우, 상기 전극조립체와 전기적으로 연결됨으로써, 회로를 구성할 수 있으며, 이에 따라 전지셀의 전극전위를 보다 용이하고 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 상기 단락 방지 부재는 전해액에 대한 반응성이 없는 소재로 이루어진 구조일 수 있다.
앞서 설명한 바와 마찬가지로, 상기 단락 방지 부재는 원통형 전지셀의 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉에 의한 단락을 방지하도록, 비딩부가 분리된 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에서, 상기 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스에 각각 접촉된 상태로 위치할 수 있다.
만일, 상기 단락 방지 부재가 전해액에 대한 반응성이 있는 경우, 상기 비딩부가 분리된 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에 단락 방지 부재를 개재하더라도, 상기 전지케이스 내의 전해액에 의해 변형 내지 손상됨으로써, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스가 직접 접촉해, 내부 단락을 유발할 수 있으므로, 소망하는 효과를 발휘하지 못할 수 있다.
따라서, 상기 단락 방지 부재는 전해액에 대한 반응성이 없는 소재로 이루어짐으로써, 상기 전해액에 의한 변형 내지 손상을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 전극전위 측정 과정에서 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉에 의해 발생하는 내부 단락을 효과적으로 방지할 수 있다.
이때, 상기 단락 방지 부재는 전해액에 대한 반응성이 없는 소재로서, 소망하는 구조적 안정성을 발휘할 수 있는 소재라면, 그 소재가 특별히 제한되는 것은 아니며, 상세하게는, 경제성, 취급의 용이성 등을 고려하였을 때, 테프론(teflon) 소재로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 단락 방지 부재는 평면상으로 비연속적인 원형 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 단락 방지 부재는 평면상 형상이 원통형 전지셀의 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스의 수평 단면 형상에 대응하는 구조로 이루어짐으로써, 일면 및 타면이 각각 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이의 단부에 최대로 접촉할 수 있으며, 이에 따라, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉에 의한 내부 단락의 발생을 용이하게 예방할 수 있다.
이러한 경우에, 상기 단락 방지 부재의 직경은 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스의 수평 단면상 직경을 기준으로 110% 내지 150%의 크기로 이루어진 구조일 수 있다.
만일, 상기 단락 방지 부재의 직경이 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스의 수평 단면상 직경을 기준으로 110% 미만의 크기로 이루어질 경우에는, 상기 단락 방지 부재의 평면상 크기가 지나치게 작아, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이의 절연 상태를 안정적으로 유지하지 못할 수 있다.
이와 반대로, 상기 단락 방지 부재의 직경이 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스의 수평 단면상 직경을 기준으로 150%를 초과하는 크기로 이루어질 경우에는, 상기 단락 방지 부재의 평면상 크기가 지나치게 커져, 취급이 용이하지 않고, 상기 단락 방지 부재의 불필요한 부위가 증가함으로써, 이를 포함하는 전극전위 측정 장치의 제조에 소요되는 비용이 증가할 수 있다.
또한, 상기 단락 방지 수단의 두께는 탑 캡 어셈블리의 높이를 기준으로 50% 내지 150%의 크기일 수 있다.
만일, 상기 단락 방지 수단의 두께가 상기 범위를 벗어나, 지나치게 얇을 경우에는, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이의 절연 상태를 안정적으로 유지하지 못할 수 있으며, 이와 반대로, 상기 단락 방지 수단의 두께가 상기 범위를 벗어나, 지나치게 두꺼울 경우에는, 상기 단락 방지 부재의 크기가 지나치게 커져, 취급이 용이하지 않고, 상기 탑 캡 어셈블리와 전극조립체 사이에 연결된 전극 탭이 분리 내지 절단됨으로써, 전극전위 측정을 위한 회로를 구성하지 못할 수 있는 문제점이 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 단락 방지 부재는, 전극조립체와 탑 캡 어셈블리를 전기적으로 연결하는 제 1 전극 탭이 위치하도록, 평면상 중앙 부위에 관통 구조로 천공된 전극 탭 관통공; 및 상기 전극 탭 관통공에 제 1 전극 탭이 삽입 및 위치하도록, 비연속 부위에 형성된 전극 탭 삽입부; 를 포함하는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 단락 방지 부재는 전극조립체와 탑 캡 어셈블리를 전기적으로 연결하는 제 1 전극 탭의 분리 내지 절단 없이, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에 용이하게 위치할 수 있다.
이때, 상기 전극 탭 관통공의 직경은 단락 방지 부재의 직경을 기준으로 10% 내지 90%의 크기일 수 있다.
만일, 상기 전극 탭 관통공의 직경이 단락 방지 부재의 직경을 기준으로 10% 미만의 크기일 경우에는, 상기 전극 탭 관통공의 직경이 지나치게 작아, 전극조립체와 탑 캡 어셈블리를 전기적으로 연결하는 제 1 전극 탭이 상기 전극 탭 관통공에 용이하게 위치하지 못하거나, 상기 제 1 전극 탭이 변형 내지 손상될 수 있다.
이와 반대로, 상기 전극 탭 관통공의 직경이 단락 방지 부재의 직경을 기준으로 90%를 초과하는 크기일 경우에는, 상기 단락 방지 부재의 크기에 비해, 전극 탭 관통공의 크기가 지나치게 커져, 비딩부에서 분리된 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 단부가 접촉하기 위한 단락 방지 부재의 일면 및 타면의 면적이 충분한 넓이로 형성되지 못할 수 있으며, 이로 인해, 비딩부에서 분리된 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 단부 사이에, 단락 방지 부재의 일면 및 타면이 아닌, 전극 탭 관통공이 위치하는 구조로 형성됨으로써, 상기 단락 방지 부재의 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 단부 사이의 직접적인 접촉을 안정적으로 방지하지 못할 수 있다.
또한, 평면상으로 상기 전극 탭 삽입부의 넓이는 단락 방지 수단의 넓이를 기준으로 10% 내지 50%의 크기일 수 있다.
여기서, 상기 전극 탭 삽입부의 넓이와 단락 방지 수단의 넓이는 평면상 넓이를 의미한다.
만일, 상기 전극 탭 삽입부의 넓이가 단락 방지 수단의 넓이를 기준으로 10% 미만의 크기일 경우에는, 상기 전극 탭 삽입부의 넓이가 지나치게 좁아, 전극조립체와 탑 캡 어셈블리를 전기적으로 연결하는 제 1 전극 탭이 용이하게 삽입될 수 없다.
이와 반대로, 상기 전극 탭 삽입부의 넓이가 단락 방지 수단의 넓이를 기준으로 50%를 초과하는 크기일 경우에는, 상기 전극 탭 삽입부의 넓이가 지나치게 넓어, 상기 제 1 전극 탭이 상기 전극 탭 삽이부를 통해 용이하게 이탈될 수 있으며, 이에 따라 상기 단락 방지 부재가 전극 탭 관통공 내에 위치한 제 1 전극 탭에 의해 안정적으로 고정될 수 없으므로, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에서 이탈됨으로써, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉을 방지할 수 없어, 이로 인한 내부 단락을 안정적으로 예방하지 못할 수 있다.
한편, 상기 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스에 각각 접촉되는 단락 방지 수단의 일면 및 타면에는, 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스의 분리된 단부가 각각 안착되도록, 내측으로 만입된 구조로 이루어진 제 1 안착 홈 및 제 2 안착 홈이 형성되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스의 분리된 단부는 단락 방지 수단의 일면 및 타면에 형성된 제 1 안착 홈 및 제 2 안착 홈에 안정적으로 안착된 상태를 유지할 수 있어, 상기 단락 방지 수단의 이탈 및 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉으로 인한 내부 단락의 발생을 효과적으로 예방할 수 있다.
이러한 경우에, 상기 제 1 안착 홈 및 제 2 안착 홈의 깊이의 합은 단락 방지 부재의 두께를 기준으로 10% 내지 90%의 크기일 수 있다.
만일, 상기 제 1 안착 홈 및 제 2 안착 홈의 깊이의 합이 단락 방지 부재의 두께를 기준으로 10% 미만의 크기일 경우에는, 상기 안착 홈들의 깊이가 지나치게 낮은 경우로서, 상기 단락 방지 수단의 이탈 및 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉으로 인한 내부 단락의 발생을 효과적으로 예방하지 못할 수 있다.
이와 반대로, 상기 제 1 안착 홈 및 제 2 안착 홈의 깊이의 합이 단락 방지 부재의 두께를 기준으로 90%를 초과하는 크기일 경우에는, 상기 제 1 안착 홈과 제 2 안착 홈 사이에서, 단락 방지 부재의 두께가 지나치게 얇은 경우로서, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 단부의 접촉 및 유동으로 인해, 상기 부위가 손상될 수 있고, 이에 따라, 상기 부위에서 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 단부가 접촉됨으로써, 내부 단락이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
또한, 상기 제 1 안착 홈 및 제 2 안착 홈의 깊이는 동일하거나 또는 서로 상이한 구조일 수 있으며, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 크기 및 제 1 전극 탭의 길이와 같은 다양한 요인에 의해 적절하게 조절되어 형성될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 본 발명은 상기 전극전위 측정 장치를 사용해, 원통형 전지셀의 전극전위를 측정하는 방법을 제공하는 바, 상기 방법은,
a) 원통형 전지셀의 탑 캡 어셈블리와 전지케이스를 분리하도록, 상기 원통형 전지셀의 비딩부를 절단하는 단계;
b) 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉에 의한 단락을 방지하도록, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에, 단락 방지 부재를 위치시키는 단계;
c) 상기 탑 캡 어셈블리의 제 1 전극단자 및 전지케이스의 제 2 전극단자 중에서, 전위를 측정하고 하는 전극단자에 작업전극 연결부를 연결하는 단계;
d) 상기 작업전극 연결부가 연결된 전극단자를 제외한 나머지 전극단자에 상대전극 연결부를 연결하는 단계;
e) 기준전극에 기준전극 연결부를 연결하는 단계; 및
f) 상기 분리된 원통형 전지셀 및 기준전극을 트레이에 담긴 전해액에 함침시키고, 작업전극 연결부에 연결된 전극단자의 전위를 측정하는 단계;
를 포함할 수 있다.
즉, 상기 전극전위 측정 장치는 원통형 전지셀의 각 전극단자들과 기준전극에 연결된 상태에서, 측정부를 제외한 나머지 부위와 원통형 전지셀이 전해액에 함침된 후, 상기 작업전극 연결부에 연결된 전극단자의 전위를 측정하는 구조일 수 있다.
이때, 상기 단락 방지 부재는 전해액에 대한 반응성이 없는 소재로 이루어짐으로써, 상기 전해액과의 반응으로 인한 변형 내지 손상을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이의 절연 상태를 보다 안정적으로 유지할 수 있다.
도 1은 원통형 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 2는 도 1의 원통형 전지셀을 구성하는 전극조립체의 권취 전 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3은 도 1의 원통형 전지셀의 전극전위를 측정하는 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 5는 도 4의 단락 방지 부재의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 6은 도 4의 전극전위 측정 장치를 사용한 전극전위 측정 방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치(500)는 원통형 전지셀(400)에 연결되어 있다.
원통형 전지셀(400)은 탑 캡 어셈블리(440)와 전지케이스(430) 사이의 비딩부가 분리된 상태로서, 전지케이스(430) 내에는 전극조립체(420)가 수납되어 있다.
전극조립체(420)는 양극 탭(421a) 및 음극 탭(422a)에 의해 각각 탑 캡 어셈블리(440)와 전지케이스(430)에 연결되어 있으며, 이에 따라, 탑 캡 어셈블리(440)에는 양극단자(421b)가 위치하고, 전지케이스(430)에는 음극단자(422b)가 위치한다.
전극전위 측정 장치(500)는 작업전극 연결부(510), 상대전극 연결부(520), 기준전극 연결부(530), 측정부(540) 및 단락 방지 부재(550)를 포함하고 있다.
작업전극 연결부(510)는 원통형 전지셀(400)의 양극단자(421b)에 대한 전극전위를 측정하도록, 양극단자(421b)에 연결되어 있고, 상대전극 연결부(520)는 원통형 전지셀(400)의 나머지 음극단자(422b)에 연결되어 있다.
기준전극 연결부(530)는 작업전극 연결부(510)에 연결된 양극단자(421b) 전위의 상대 값을 측정하도록, 전극전위 측정용 전지회로를 형성하는 기준전극에 연결되어 있다.
측정부(540)는 작업전극 연결부(510), 상대전극 연결부(520) 및 기준전극 연결부(530)에 연결되어, 작업전극 연결부(510)에 연결된 전극의 전위를 측정한다.
비딩부가 분리된 원통형 전지셀(400)의 탑 캡 어셈블리(440)와 전지케이스(430) 사이에는 탑 캡 어셈블리(440)와 전지케이스(430)의 접촉에 의한 단락을 방지하기 위한 단락 방지 부재(550)가 개재되어 있다.
따라서, 단락 방지 부재(550)의 상면 및 하면에는 각각 탑 캡 어셈블리(440)와 전지케이스(430)의 단부가 접촉됨으로써, 상호간에 절연되어 있으며, 이에 따라, 원통형 전지셀(400)의 탑 캡 어셈블리(440)와 전지케이스(430)는 전극전위를 측정하기 위한 3전극 시스템을 구성하는 경우, 직접적인 접촉이 방지될 수 있으며, 이에 따른 내부 단락을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 5에는 도 4의 단락 방지 부재의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 5를 도 4와 함께 참조하면, 단락 방지 부재(550)는 평면상으로 일 방향 부위가 개방된 비연속적인 원형 구조로 이루어져 있다.
단락 방지 부재(550)는 전극 탭 관통공(551) 및 전극 탭 삽입부(552)를 포함하고 있다.
전극 탭 관통공(551)은 전극조립체(420)와 탑 캡 어셈블리(440)를 전기적으로 연결하는 양극 탭(421a)이 위치하도록, 평면상 중앙 부위에 관통 구조로 천공되어 있다.
전극 탭 관통공(551)의 직경(W2)은 단락 방지 부재(550)의 직경(W1)을 기준으로 약 35%의 크기로 이루어져 있다.
전극 탭 삽입부(552)는 전극 탭 관통공(551)에 양극 탭(421a)이 삽입 및 위치하도록, 비연속 부위에 형성되어 있으며, 내측으로부터 외측 방향으로 갈수록 폭(W3)이 점차 증가하는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 양극 탭(421a)은 전극 탭 삽입부(552)를 통해 전극 탭 관통공(551)으로 용이하게 삽입될 수 있는 반면에, 전극 탭 관통공(551)으로부터 전극 탭 삽입부(552)를 통해 외부로 용이하게 이탈되지 않아, 안정적인 고정 상태를 유지할 수 있다.
탑 캡 어셈블리(440) 및 전지케이스(430)에 각각 접촉되는 단락 방지 수단의 상면 및 하면에는, 탑 캡 어셈블리(440) 및 전지케이스(430)의 분리된 단부가 각각 안착되도록, 내측으로 만입된 구조로 이루어진 제 1 안착 홈(553) 및 제 2 안착 홈(554)이 형성되어 있다.
제 1 안착 홈(553) 및 제 2 안착 홈(554)의 깊이(H1, H2)는 서로 동일하며, 제 1 안착 홈(553) 및 제 2 안착 홈(554)의 깊이(H1, H2)의 합은 단락 방지 부재(550)의 두께(H3)를 기준으로 약 26%의 크기로 이루어져 있다.
도 6에는 도 4의 전극전위 측정 장치를 사용한 전극전위 측정 방법을 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 전지셀(400)의 양극단자(421b) 및 음극단자(422b)에는 각각 전극전위 측정 장치의 작업전극 연결부(510) 및 상대전극 연결부(520)가 연결되어 있으며, 기준전극(501)에는 기준전극 연결부(530)가 연결됨으로써, 전극전위 측정용 전지회로를 형성하고 있다.
트레이(610)에는 전해액(620)이 담긴 상태로 밀폐되어 있으며, 전극전위 측정 장치(500)의 측정부(540)를 제외한 작업전극 연결부(510), 상대전극 연결부(520), 및 기준전극 연결부(530)와 전지셀(400), 및 기준전극(501)이 전해액(620)에 함침된 상태에서, 작업전극 연결부(510)에 연결된 전지셀(400)의 양극단자(421b)에 대한 전극전위를 측정한다.
이하, 본 발명의 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
전지의 제조
긴 시트 형상의 양극, 음극 사이에 분리막 시트가 개재되도록 적층한 상태에서, 일 방향으로 권취한 구조의 전극조립체를 원통형 전지케이스에 삽입하고, 전해액을 함침시킨 후, 전지케이스에 탑 캡 어셈블리를 결합해 밀폐함으로써, 원통형 전지셀을 제조하였다.
<실시예 1>
상기 원통형 전지셀의 비딩부를 절단함으로써, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스를 분리하고, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에 단락 방지 부재를 개재한 상태에서, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 전극단자 부위에 전극전위 측정 장치의 작업전극 연결부 및 상대전극 연결부를 연결하였으며, 기준전극으로서, 리튬 박막에 기준전극 연결부를 연결함으로써, 도 4와 같은 전극전위 측정용 3전극 시스템을 구성하였다.
<비교예 1>
상기 원통형 전지셀의 비딩부를 절단함으로써, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스를 분리하고, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 전극단자 부위에 전극전위 측정 장치의 작업전극 연결부 및 상대전극 연결부를 연결하였으며, 기준전극으로서, 리튬 박막에 기준전극 연결부를 연결함으로써, 도 1과 같은 전극전위 측정용 3전극 시스템을 구성하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 구성된 3전극 시스템의 전극전위 측정 장치에서, 측정부를 제외한 나머지 구성과 전지셀을 트레이에 담긴 전해액에 함침시킨 상태에서, 양극단자의 전극전위를 측정하였다. 상기 측정은 실시예 1 및 비교예 1의 3전극 시스템에 대해, 각각 10개의 시스템들을 구성하여 실시하였으며, 이들 중에서 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉에 의한 내부 단락이 발생한 횟수를 하기 표 1에 나타내었다.
Figure PCTKR2017015187-appb-T000001
표 1을 참조하면, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에 단락 방지 부재를 개재함으로써, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스를 절연시킨 실시예 1의 3전극 시스템의 경우, 단락 방지 부재를 별도로 포함하지 않는 비교예 1의 3전극 시스템에 비해 내부 단락이 발생한 수량이 감소한 것을 알 수 있다.
이는 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에 개재된 단락 방지 부재가 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 직접적인 접촉을 차단함으로써, 절연 상태를 안정적으로 유지할 수 있으며, 이에 따라, 상기 전극전위 측정 시에 내부 단락에 의해 발생할 수 있는 문제점을 예방할 수 있음을 나타낸다.
이상 본 발명의 실시예 및 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극전위 측정 장치는, 비딩부가 분리된 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에서, 상기 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스에 각각 접촉된 상태로 위치하는 단락 방지 부재를 포함하도록 구성됨으로써, 서로 상이한 극성이 위치한 탑 캡 어셈블리와 전지케이스가 직접 접촉함으로써 발생할 수 있는 내부 단락 및 이로 인한 전극조립체의 물성 내지 성능 저하를 방지할 수 있으며, 이에 따라, 전지셀의 전극전위를 보다 정확하게 측정해, 측정 신뢰성을 향상시킬 수 있는 동시에, 상기 내부 단락 시에, 발생하는 불꽃 내지 비산물로 인한 작업자의 안전성 저하의 문제점을 효과적으로 예방할 수 있고, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에 단락 방지 부재만을 개재한 상태에서, 안정적으로 전지셀의 전극전위를 측정할 수 있으므로, 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스를 각각 별도로 분리하여 고정하는데 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있는 효과가 있다.

Claims (14)

  1. 원통형 전지셀의 제 1 전극단자가 위치하는 탑 캡 어셈블리와 제 2 전극단자가 위치하는 전지케이스 사이의 비딩부(beading portion)가 분리된 상태에서, 상기 원통형 전지셀의 전극전위를 측정하기 위한 3전극 시스템용 전극전위 측정 장치로서,
    상기 제 1 전극단자 또는 제 2 전극단자에 대한 전극전위를 측정하도록, 상기 제 1 전극단자 또는 제 2 전극단자에 연결되는 작업전극 연결부;
    상기 작업전극 연결부에 연결된 전극단자를 제외한 원통형 전지셀의 나머지 전극단자에 연결되는 상대전극 연결부;
    상기 작업전극 연결부에 연결된 전극전위의 상대 값을 측정하도록, 전극전위 측정용 전지회로를 형성하는 기준전극에 연결되는 기준전극 연결부;
    상기 작업전극 연결부, 상대전극 연결부 및 기준전극 연결부에 연결되어, 작업전극 연결부에 연결된 전극의 전위를 측정하는 측정부; 및
    상기 원통형 전지셀의 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉에 의한 단락을 방지하도록, 비딩부가 분리된 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에서, 상기 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스에 각각 접촉된 상태로 위치하는 단락 방지 부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전지케이스 내부에는 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 수납되어 있고;
    상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스는 각각 제 1 전극단자와 제 2 전극단자를 형성하도록, 제 1 전극 탭 및 제 2 전극 탭에 의해, 전극조립체의 제 1 전극 및 제 2 전극과 각각 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단락 방지 부재는 전해액에 대한 반응성이 없는 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 단락 방지 부재는 테프론(teflon) 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단락 방지 부재는 평면상으로 비연속적인 원형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단락 방지 부재의 직경은 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스의 수평 단면상 직경을 기준으로 110% 내지 150%의 크기로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 단락 방지 수단의 두께는 탑 캡 어셈블리의 높이를 기준으로 50% 내지 150%의 크기인 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 단락 방지 부재는,
    전극조립체와 탑 캡 어셈블리를 전기적으로 연결하는 제 1 전극 탭이 위치하도록, 평면상 중앙 부위에 관통 구조로 천공된 전극 탭 관통공; 및
    상기 전극 탭 관통공에 제 1 전극 탭이 삽입 및 위치하도록, 비연속 부위에 형성된 전극 탭 삽입부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전극 탭 관통공의 직경은 단락 방지 부재의 직경을 기준으로 10% 내지 90%의 크기인 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    평면상으로 상기 전극 탭 삽입부의 넓이는 단락 방지 수단의 넓이를 기준으로 10% 내지 50%의 크기인 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스에 각각 접촉되는 단락 방지 수단의 일면 및 타면에는, 탑 캡 어셈블리 및 전지케이스의 분리된 단부가 각각 안착되도록, 내측으로 만입된 구조로 이루어진 제 1 안착 홈 및 제 2 안착 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제 1 안착 홈 및 제 2 안착 홈의 깊이의 합은 단락 방지 부재의 두께를 기준으로 10% 내지 90%의 크기인 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제 1 안착 홈 및 제 2 안착 홈의 깊이는 동일하거나 또는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 장치.
  14. 제1항에 따른 전극전위 측정 장치를 사용해, 원통형 전지셀의 전극전위를 측정하는 방법으로서,
    a) 원통형 전지셀의 탑 캡 어셈블리와 전지케이스를 분리하도록, 상기 원통형 전지셀의 비딩부를 절단하는 단계;
    b) 상기 탑 캡 어셈블리와 전지케이스의 접촉에 의한 단락을 방지하도록, 탑 캡 어셈블리와 전지케이스 사이에, 단락 방지 부재를 위치시키는 단계;
    c) 상기 탑 캡 어셈블리의 제 1 전극단자 및 전지케이스의 제 2 전극단자 중에서, 전위를 측정하고 하는 전극단자에 작업전극 연결부를 연결하는 단계;
    d) 상기 작업전극 연결부가 연결된 전극단자를 제외한 나머지 전극단자에 상대전극 연결부를 연결하는 단계;
    e) 기준전극에 기준전극 연결부를 연결하는 단계; 및
    f) 상기 분리된 원통형 전지셀 및 기준전극을 트레이에 담긴 전해액에 함침시키고, 작업전극 연결부에 연결된 전극단자의 전위를 측정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극전위 측정 방법.
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