WO2021091045A1 - 전지 셀 가압 장치 - Google Patents

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WO2021091045A1
WO2021091045A1 PCT/KR2020/009036 KR2020009036W WO2021091045A1 WO 2021091045 A1 WO2021091045 A1 WO 2021091045A1 KR 2020009036 W KR2020009036 W KR 2020009036W WO 2021091045 A1 WO2021091045 A1 WO 2021091045A1
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battery cell
pressing plate
pressing
battery
pressurizing
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김예은
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery cell pressurizing device, and more specifically, to a battery cell pressurizing device using a shape memory material.
  • Rechargeable batteries having high ease of application according to product groups and having electrical characteristics such as high energy density are commonly applied to electric vehicles, hybrid vehicles, and power storage devices driven by electric drive sources as well as portable devices.
  • Such a secondary battery is attracting attention as a new energy source for environmentally friendly and energy efficiency enhancement in that it does not generate by-products from the use of energy as well as the primary advantage of being able to drastically reduce the use of fossil fuels.
  • a nickel cadmium battery or a hydrogen ion battery has been used as a secondary battery, but recently, a lithium secondary battery with a very low self-discharge rate and a high energy density is free to charge and discharge because it rarely has a memory effect compared to a nickel-based secondary battery. It is used a lot.
  • a lithium secondary battery mainly use lithium-based oxides and carbon materials as a positive electrode active material and a negative electrode active material, respectively.
  • a lithium secondary battery includes a secondary battery cell in which a positive electrode plate and a negative electrode plate to which the positive electrode active material and the negative electrode active material are applied, respectively, are disposed with a separator therebetween, and an exterior material, that is, a battery case, for sealing the secondary battery cell together with an electrolyte solution.
  • Lithium secondary batteries are composed of a positive electrode, a negative electrode, and a separator and an electrolyte interposed therebetween, and are classified into lithium ion batteries and lithium polymer batteries depending on which positive electrode active material and negative electrode active material are used.
  • the electrodes of these lithium secondary batteries are formed by applying a positive electrode or negative electrode active material to a current collector such as an aluminum or copper sheet, mesh, film, or foil, followed by drying.
  • the positive electrode plate, the negative electrode plate, and the separator need to be uniformly adhered to each other so that reactions can occur evenly in all parts of the secondary battery. Therefore, there is a need for development of a device for pressurizing a secondary battery cell in a balanced manner.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a battery cell pressurizing apparatus that implements a constant pressure.
  • a battery cell pressurizing apparatus forms a space therebetween so that the battery cells are disposed, and includes a first pressurizing plate and a second pressurizing plate for pressurizing the battery cells, and the first pressurizing plate And at least one pressing member of the second pressing plate is formed of a shape memory material.
  • the pressing member stores a shape suitable for the battery cell at a temperature at which the battery cell is driven, and then the deformation of the pressing member due to volume expansion after driving the battery cell acts as a force to return to the original shape.
  • the battery cell can be pressurized.
  • the gap between the first pressure plate and the second pressure plate may increase due to volume expansion of the battery cell.
  • a gap between the first pressing plate and the second pressing plate may decrease.
  • the shape memory material may include a shape memory polymer.
  • an electrode assembly having a positive electrode, a negative electrode, and a separator structure interposed between the positive electrode and the negative electrode may be sealed inside the battery case together with an electrolyte.
  • the first pressing plate is in contact with a lower surface of the battery case
  • the second pressing plate is in contact with an upper surface of the battery case
  • a side surface of the battery case positioned between the first pressing plate and the second pressing plate is It can be exposed to the outside.
  • the first pressure plate and the second pressure plate may be coupled by a coupling pin.
  • a plurality of coupling pins may be formed, and may be formed of a spring.
  • a plurality of coupling pins may be formed, and may be formed of a shape memory material.
  • the coupling pin may be formed of a shape memory polymer.
  • the distance between the first pressing plate and the second pressing plate is It may be equal to or greater than the thickness of the battery cell.
  • the battery cell may be a lithium metal cell.
  • the first pressing plate and the second pressing plate may have a larger area than the battery cell.
  • a battery cell pressurizing device using a shape memory material for a lithium metal cell, it is possible to implement a static pressure jig effect by generating a restoring force according to a change in volume of the battery cell. Therefore, it is possible to provide a large force required for the lithium metal cell by an excellent shape restoring force with a light weight.
  • FIG. 1 is a side view showing the arrangement of a secondary battery cell in a battery cell pressurizing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a front view of the battery cell pressurizing device of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the structure of a lithium secondary battery.
  • a part such as a layer, film, region, plate, etc.
  • one part is “right above” another part, it means that there is no other part in the middle.
  • the reference part means to be located above or below the reference part, and it means to be located “above” or “on” in the direction opposite to gravity. no.
  • the term "on a plane" means when the object portion is viewed from above, and when the object portion is viewed from above, it means when the object portion is viewed from the side when a vertically cut cross-section is viewed from the side.
  • FIG. 1 is a side view showing the arrangement of a secondary battery cell in a battery cell pressurizing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a front view of the battery cell pressurizing device of FIG. 1.
  • 3 is a perspective view showing the structure of a lithium secondary battery.
  • 4 is a graph of an elastic modulus according to temperature.
  • the battery cell pressing device 500 includes a pair of pressing plates 100a and 100b coupled by a plurality of coupling pins 120, and a pair of pressing plates. It includes a battery cell 1 positioned between (100a, 100b).
  • the coupling pin 120 according to the present embodiment may be formed of a spring.
  • the plurality of coupling pins 120 may be disposed at four corners on the plane of the pressure plates 100a and 100b.
  • the first pressure plate 100a and the second pressure plate 100b may be disposed to be spaced apart from each other due to the coupling shape of the coupling pin 120.
  • a space in which the battery cells 1 can be disposed is formed between the spaced apart first pressing plate 100a and the second pressing plate 100b.
  • the inner width of the space in which the battery cell 1 is disposed, that is, the spacing between the pressing plates 100a and 100b may be the same as the thickness of the battery cell 1 or slightly larger than the thickness of the battery cell 1.
  • the electrode leads 31 and 32 protrude in one direction of the battery cell 1 according to the present embodiment, and the electrode leads 31 and 32 are two coupling pins located on one side of the pressing plates 100a and 100b. It may protrude between 120.
  • At least one of the pressing plates 100a and 100b according to the present embodiment is a pressing member formed of a shape memory material.
  • a shape-memory material refers to a material having a shape-memory effect that stores a shape memorized at a certain temperature, transforms it into a completely different shape by applying force, and then returns to its original shape when heated.
  • the pressing member formed of the shape memory material stores the shape suitable for the battery cell 1 at a temperature at which the battery cell 1 is driven, and then the above-described volume expansion after the battery cell 1 is driven.
  • the deformation of the pressing member acts as a force to return to its original shape, so that the battery cell 1 can be pressed.
  • the battery cell 1 swelling occurs, the battery cell 1 pushes the pressing member formed of the shape memory material. As a result, the battery cell 1 is pressed.
  • the first and second pressure plates 100a and 100b expands in the thickness direction, the upper surface of the first pressing plate 100a and the lower surface of the second pressing plate 100b are pressed, thereby Accordingly, the shape of the first and second pressure plates 100a and 100b is changed. That is, the gap between the first pressing plate 100a and the second pressing plate 100b increases due to the volume expansion of the battery cell 1. Thereafter, when heat is applied to the battery cell pressurizing device 500, the first and second pressurizing plates 100a and 100b generate a restoring force to return to their original shape, and this restoring force is applied to the battery cell 1 (1) volume expansion can be suppressed. When the expanded volume of the battery cell 1 is reduced by discharging, the distance between the first pressing plate 100a and the second pressing plate 100b may be reduced.
  • the battery cell pressurizing device may be applied to implement necessary pressurization when a lithium dendrite phenomenon occurs in a lithium metal battery.
  • the battery cell 1 to which the battery cell pressurizing device according to the present embodiment is applied corresponds to a lithium metal cell, and the lithium metal cell has a large volume expansion during charging and discharging. ) In progress, the lifespan performance is superior. Therefore, in the case of a lithium metal cell, a pressurizing device is absolutely necessary.
  • a large pressure of up to 4 MPa is required, and a thick and heavy battery cell pressurizing device made of a metal material with high rigidity may be used, but when lithium metal is applied to the negative electrode due to the bulky and heavy pressurization device. It can be disadvantageous in terms of its greatest energy density, which is its biggest advantage. Accordingly, in the case of using the pressing member formed of the shape memory material according to the present embodiment, a small and light pressing device can be implemented while applying a large force. Life performance can be improved when a spring jig capable of realizing a certain pressure is used than when using a jig with a fixed thickness among the battery cell pressurizing devices. According to the present embodiment, a static pressure jig such as a spring jig can be implemented by using a pressing member formed of a shape memory material.
  • the shape-memory effect is exhibited by the pressing member of the shape-memory material according to the present embodiment, and a restoring force is generated according to the volume change of the battery cell 1, which appears as a static pressure jig effect.
  • an electrode assembly 20 including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed therebetween is embedded in the battery case 10.
  • the electrode tabs 21 and 22 protruding from the positive and negative electrodes of the electrode assembly 20 may be electrically connected to the electrode leads 31 and 32 of the positive and negative electrodes, respectively, and may be installed to be exposed to the outside of the battery case 10. have.
  • the first pressure plate 100a is in contact with the lower surface of the battery case 10
  • the second pressure plate 100b is in contact with the upper surface of the battery case 10
  • the first pressure plate 100a the side of the battery case 10 positioned between the second pressing plate 100b may be exposed to the outside.
  • the side of the battery case 10 has four surfaces, and all of the four surfaces are exposed to the outside. For the reason for having such a structure, a case in which a shape memory alloy is formed by the battery case itself surrounding the battery cell will be described as a comparative example.
  • the lithium metal cell to which an embodiment of the present invention is applied has a very large volume change during one charge and discharge, unlike cells included in a lithium ion battery, as well as a battery cell as the cycle is repeated due to the continuous formation of lithium dendrites.
  • the thickness of the continues to increase. If the plate for pressurization is fixed to the side of the battery case 10, if the pressurization device is configured to have a thickness corresponding to SOC100 of the battery cell, the difference in thickness is very large in the SOC0 state, so that pressure may not be applied.
  • EOL end of life
  • the shape memory material according to the present embodiment may be a shape memory polymer.
  • Shape memory polymers are capable of high elastic deformation compared to shape memory alloys, and have advantages of low cost, low density, excellent shape resilience, and large tensile strength.
  • the shape memory polymer is used in the pressing plate included in the pressing device, it is possible to provide a large force such as a recovery force required when applied to a lithium metal cell, approximately 400% or more of a recovery stress.
  • FIG. 4 is a graph of the elastic modulus according to temperature
  • Steel refers to ferrous metal
  • SMA refers to shape memory alloy
  • SMP refers to shape memory polymer.
  • the modulus of elasticity is SMP lower than SMA in the temperature range specified in the graph. This indicates that SMP can stretch better than SMA.
  • SMP is more suitable as a static pressure jig type of lithium metal battery compared to SMA.
  • the source of the graph of Figure 4 is Tobushi, Hisaaki, Shunichi Hayashi, and Yoshiki Sugimoto. "Two-way bending properties of shape memory composite with SMA and SMP.” Same as Materials 2.3 (2009): 1180-1192.
  • the activation and aging process is performed on the battery cell 1 When the battery cell 1 expands, the thickness increases.
  • the activation and aging processes before product shipment have been mentioned, but are not limited to these process steps, and the battery cell pressurizing apparatus according to the embodiment of the present invention can also be applied to the battery cell driving step.
  • the pair of pressing plates 100a and 100b is made of a shape memory material and is coupled to each other by a coupling pin 120, so that it is lightweight and convenient to handle.
  • the pressure plates 100a and 100b are made of a shape memory material, it is possible to reduce weight, and since the weight is light, energy density per weight like a drone It is also suitable for use in batteries where is important.
  • the coupling pin 120 is formed of a spring, but as a modified embodiment, the coupling pin 120 may be formed of a shape memory material.
  • the gap between the first pressure plate 100a and the second pressure plate 100b due to the volume expansion of the battery cell 1 If increased, the length of the coupling pin 120 may also increase. Since the coupling pin 120 itself is formed of a shape memory material, a restoring force is generated, and the volume expansion of the battery cell 1 may be further suppressed by this restoring force.
  • the coupling pin 120 may also be formed of a shape memory polymer.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 셀 가압 장치는 전지 셀이 배치되도록 그 사이에 공간을 형성하고, 상기 전지 셀을 가압하는 제1 가압 플레이트와 제2 가압 플레이트를 포함하고, 상기 제1 가압 플레이트 및 상기 제2 가압 플레이트 중 적어도 하나의 가압부재는 형상 기억 소재(shape memory material)로 형성된다.

Description

전지 셀 가압 장치
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2019년 11월 5일자 한국 특허 출원 제10-2019-0140360호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 셀 가압 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 형상 기억 소재를 사용한 전지 셀 가압 장치에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의해 구동하는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차, 전력 저장 장치 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
종래 이차 전지로서 니켈카드뮴 전지 또는 수소이온 전지가 사용되었으나, 최근에는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충전 및 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 리튬 이차 전지가 많이 사용되고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 이차 전지 셀과, 이차 전지 셀을 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
리튬 이차 전지는 양극, 음극 및 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터 및 전해질로 이루어지며, 양극 활물질과 음극 활물질을 어떤 것을 사용하느냐에 따라 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 나누어진다. 통상, 이들 리튬 이차 전지의 전극은 알루미늄 또는 구리 시트, 메시, 필름, 호일 등의 집전체에 양극 또는 음극 활물질을 도포한 후 건조시킴으로써 형성된다.
한편, 이차 전지는 이차 전지의 모든 부분에서 반응이 골고루 발생될 수 있도록 양극판, 음극판 및 세퍼레이터가 전체적으로 균일하게 밀착될 필요가 있다. 따라서, 이차 전지 셀을 균형 있게 가압하는 장치에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 정압(constant pressure)을 구현하는 전지 셀 가압 장치를 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 셀 가압 장치는 전지 셀이 배치되도록 그 사이에 공간을 형성하고, 상기 전지 셀을 가압하는 제1 가압 플레이트와 제2 가압 플레이트를 포함하고, 상기 제1 가압 플레이트 및 상기 제2 가압 플레이트 중 적어도 하나의 가압부재는 형상 기억 소재(shape memory material)로 형성된다.
상기 가압 부재는 상기 전지 셀이 구동하는 온도에서 상기 전지 셀에 맞는 형상을 기억시킨 후, 상기 전지 셀 구동 이후에 부피 팽창에 따른 상기 가압 부재의 변형이 원래 형상으로 돌아가려는 힘으로 작용하게 되어 상기 전지 셀을 가압할 수 있다.
상기 전지 셀의 부피 팽창에 의해 상기 제1 가압 플레이트와 상기 제2 가압 플레이트 사이의 간격이 증가할 수 있다.
상기 전지 셀의 두께 방향 팽창에 의해 상기 제1 가압 플레이트의 상부면과 상기 제2 가압 플레이트의 하부면이 눌리게 되어 상기 제1 가압 플레이트와 상기 제2 가압 플레이트의 모양이 변할 수 있다.
상기 전지 셀의 부피가 줄어들 때, 상기 제1 가압 플레이트와 상기 제2 가압 플레이트 사이의 간격이 감소할 수 있다.
상기 형상 기억 소재는 형상 기억 고분자를 포함할 수 있다.
상기 전지 셀은 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지 케이스 내부에 밀봉될 수 있다.
상기 제1 가압 플레이트는 상기 전지 케이스 하부면과 접촉하고, 상기 제2 가압 플레이트는 상기 전지 케이스 상부면과 접촉하며, 상기 제1 가압 플레이트와 상기 제2 가압 플레이트 사이에 위치하는 상기 전지 케이스 측면은 외부로 노출될 수 있다.
상기 제1 가압 플레이트와 상기 제2 가압 플레이트는 결합 핀에 의해 결합될 수 있다.
상기 결합 핀은 복수개 형성되고, 스프링으로 형성될 수 있다.
상기 결합 핀은 복수개 형성되고, 형상 기억 소재로 형성될 수 있다.
상기 결합 핀은 형상 기억 고분자로 형성될 수 있다.
상기 제1 가압 플레이트 및 상기 제2 가압 플레이트 사이의 간격은 상기 전지 셀의 두께와 동일하거나 클 수 있다.
상기 전지 셀은 리튬 금속 셀일 수 있다.
상기 제1 가압 플레이트 및 상기 제2 가압 플레이트는 상기 전지 셀보다 넓은 면적을 가질 수 있다.
실시예들에 따르면, 리튬 금속 셀에 형상 기억 소재를 사용한 전지 셀 가압 장치를 사용함으로써, 전지 셀의 부피 변화에 따른 복원력을 발생시켜 정압 지그 효과를 구현할 수 있다. 따라서, 가벼운 무게로 우수한 형상 복원력에 의해 리튬 금속 셀에 필요한 큰 힘을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 셀 가압 장치에 이차 전지 셀을 배치한 것을 나타내는 측면도이다.
도 2는 도 1의 전지 셀 가압 장치의 정면도이다.
도 3은 리튬 이차 전지의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 4는 온도에 따른 탄성 계수에 관한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 셀 가압 장치에 이차 전지 셀을 배치한 것을 나타내는 측면도이다. 도 2는 도 1의 전지 셀 가압 장치의 정면도이다. 도 3은 리튬 이차 전지의 구조를 나타내는 사시도이다. 도 4는 온도에 따른 탄성 계수에 관한 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 셀 가압 장치(500)는 복수의 결합 핀(120)에 의해 결합된 한 쌍의 가압 플레이트(100a, 100b)와, 한 쌍의 가압 플레이트(100a, 100b) 사이에 위치하는 전지 셀(1)을 포함한다. 본 실시예에 따른 결합 핀(120)은 스프링으로 형성될 수 있다.
복수의 결합 핀(120)은 가압 플레이트(100a, 100b)의 평면상에서 4군데의 모퉁이에 배치될 수 있다. 결합 핀(120)의 결합 형태에 의해 제1 가압 플레이트(100a)와 제2 가압 플레이트(100b)는 서로 이격되어 배치될 수 있다. 이격된 제1 가압 플레이트(100a)와 제2 가압 플레이트(100b) 사이에는 전지 셀(1)이 배치될 수 있는 공간이 형성된다. 전지 셀(1)이 배치되는 공간의 내폭, 즉 가압 플레이트들(100a, 100b) 사이의 간격은, 전지 셀(1)의 두께와 동일하거나 전지 셀(1) 두께보다 조금 클 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 셀(1)의 일 방향으로 전극 리드(31, 32)가 돌출되어 있고, 전극 리드(31, 32)는 가압 플레이트(100a, 100b)의 일측에 위치하는 2개의 결합 핀(120) 사이에서 돌출될 수 있다.
본 실시예에 따른 가압 플레이트(100a, 100b) 중 적어도 하나는 형상 기억 소재(shape memory material)로 형성된 가압 부재이다. 형상 기억 소재는 일정 온도에서 기억시킨 형상을 기억하고 있다가, 힘을 가해 전혀 다른 형상으로 변형시킨 후, 가열하면 본래 형상으로 돌아가는 형상 기억 효과를 가진 소재를 가리킨다.
본 실시예에 따른 형상 기억 소재로 형성된 가압 부재는, 전지 셀(1)이 구동하는 온도에서 전지 셀(1)에 맞는 형상을 기억시킨 후, 전지 셀(1) 구동 이후에 부피 팽창에 따른 상기 가압 부재의 변형이 원래 형상으로 돌아가려는 힘으로 작용하게 되어 전지 셀(1)을 가압할 수 있다. 다시 말해, 전지 셀(1) 스웰링이 일어나는 경우에, 전지 셀(1)이 형상 기억 소재로 형성된 가압 부재를 밀어내게 되는데, 항상 기억 소재의 특성에 의해 가압 부재가 원래 모양으로 돌아가려는 힘에 의해 전지 셀(1)을 누르게 된다. 구체적으로, 도 1 및 도 2에 도시한 전지 셀(1)이 두께 방향으로 팽창하게 되면 제1 가압 플레이트(100a)의 상부면과 제2 가압 플레이트(100b)의 하부면이 눌리게 되고, 이에 따라 제1, 2 가압 플레이트(100a, 100b)의 모양이 변하게 된다. 즉, 전지 셀(1)의 부피 팽창에 의해 제1 가압 플레이트(100a)와 제2 가압 플레이트(100b) 사이의 간격이 증가한다. 이후 전지 셀 가압 장치(500)에 열을 가하게 되면, 제1, 2 가압 플레이트(100a, 100b)는 원래의 형상으로 돌아가려는 복원력이 발생하고, 이러한 복원력이 전지 셀(1)에 가해져서 전지 셀(1)의 부피 팽창을 억제할 수 있다. 전지 셀(1)이 방전에 의해 팽창된 부피가 줄어들게 되면, 제1 가압 플레이트(100a)와 제2 가압 플레이트(100b)의 간격이 줄어들 수 있다.
특히, 리튬 금속 전지에서는 폭발을 유도하거나 수명을 단축시키는 덴드라이트 현상이 발생할 수 있다. 덴드라이트 현상은 리튬 금속 표면에 생기는 나뭇가지 형태의 결정을 말한다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 전지 셀 가압 장치는 리튬 금속 전지에서 리튬 덴드라이트 현상이 일어나는 경우에 필요한 가압을 구현하기 위해 적용될 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 셀 가압 장치가 적용되는 전지 셀(1)은 리튬 금속 셀에 해당하고, 리튬 금속 셀은 충방전 시 부피 팽창이 크고, 가압한 경우에 그렇지 않은 경우보다 충방전 싸이클(cycle) 진행 시 수명 성능이 우위에 있다. 따라서, 리튬 금속 셀의 경우에는 가압 장치가 반드시 필요하다.
리튬 금속 셀을 구동하는 경우에는 최대 4MPa의 큰 압력이 필요하며 큰 강성을 가진 금속 소재의 두껍고 무거운 전지 셀 가압 장치를 사용할 수도 있으나, 부피가 크고 무거운 가압 장치로 인해 리튬 금속을 음극에 적용하였을 때의 가장 큰 이점인 큰 에너지 밀도 측면에서 불리할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따라 형상 기억 소재로 형성된 가압 부재를 사용하는 경우에는, 큰 힘을 주면서도 작고 가벼운 가압 장치를 구현할 수 있다. 전지 셀 가압 장치 중 두께가 고정된 정위 지그(Jig)를 사용했을 때보다 일정 압력을 구현할 수 있는 스프링 지그 사용 시 수명 성능이 개선될 수 있다. 본 실시예에 따르면 형상 기억 소재로 형성된 가압 부재를 사용함에 따라 스프링 지그와 같은 정압 지그를 구현할 수 있다.
본 실시예에 따른 형상 기억 소재 소재의 가압 부재에 의해 형상 기억 효과가 나타나고, 전지 셀(1)의 부피 변화에 따른 복원력이 발생하여, 이는 정압 지그 효과로 나타난다.
본 실시예에 따른 전지 셀에는 도 3에 도시한 바와 같이, 전지 케이스(10) 내부에 양극, 음극 및 이들 사이에 개재되어 있는 분리막으로 이루어진 전극 조립체(20)가 내장되어 있다. 전극 조립체(20)의 양극과 음극으로부터 돌출된 전극 탭(21, 22)이 양극 및 음극의 전극 리드(31, 32)에 각각 전기적으로 연결되어 전지 케이스(10)의 외부로 노출되도록 설치될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 제1 가압 플레이트(100a)는 전지 케이스(10) 하부면과 접촉하고, 제2 가압 플레이트(100b)는 전지 케이스(10) 상부면과 접촉하며, 제1 가압 플레이트(100a)와 제2 가압 플레이트(100b) 사이에 위치하는 전지 케이스(10) 측면은 외부로 노출될 수 있다. 이때, 전지 케이스(10) 측면은 4개의 면을 갖고, 상기 4개의 면은 모두 외부로 노출되는 것이 바람직하다. 이러한 구조를 갖는 이유에 대해 전지 셀을 둘러싸는 전지 케이스 자체로 형상 기억 합금을 형성한 경우를 비교예로 하여 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예가 적용되는 리튬 금속 셀은 리튬 이온 전지에 포함된 셀과 다르게 1회 충방전 시의 부피 변화가 매우 클 뿐만 아니라 지속적인 리튬 덴드라이트 형성 때문에 싸이클(cycle)이 반복됨에 따라 전지 셀의 두께가 계속 증가한다. 만약, 가압을 위한 플레이트가 전지 케이스(10) 측면까지 고정시킨 경우에, 전지 셀의 SOC100에 해당하는 두께로 가압 장치를 구성한다면 SOC0 상태에서는 그 두께 차이가 매우 커서 압력이 가해지지 않을 수 있다. 또한, 반복적인 충방전을 통해 EOL(End Of Life)에 도달했을 때, 전지 셀의 두께는 초기의 SOC100보다 크게 증가하여 초기보다 큰 압력이 걸릴 수 있다. 따라서, 형상 기억 합금을 전지 케이스 자체로 사용한 비교예에서는, 측면이 모두 고정된 형태가 되어 전지 셀에 일정한 압력을 가하기 어렵다. 뿐만 아니라, 비교예에 해당하는 전지 케이스를 사용하여 전지 셀을 가압할 경우, 전극 면적에 고른 힘 전달이 어렵다. 왜냐하면, 캔 타입과 같은 전지 케이스의 경우 부피 팽창 시 팽창하는 전지 케이스 면이 곡선으로 휘어지게 되어 전극에 고른 가압이 어렵기 때문이다.
본 실시예에 따른 형상 기억 소재는 형상 기억 고분자일 수 있다. 형상 기억 고분자는 형상 기억 합금 대비 고탄성 변형이 가능하고, 저비용, 저밀도, 우수한 형상 복원력 및 큰 인장 강도의 장점을 갖고 있다.
본 실시예에 따르면 가압 장치에 포함된 가압 플레이트에 형상 기억 고분자를 사용하기 때문에 리튬 금속 셀에 적용할 때 필요한 복원력, 대략 회복응력 400% 이상으로 큰 힘을 제공할 수 있다.
뿐만 아니라, 온도에 따른 탄성 계수에 관한 그래프인 도 4를 참고하면, Steel은 철 금속을, SMA는 형상 기억 합금을, SMP는 형상 기억 고분자를 지칭하고 있다. 탄성 계수는 그래프에 명시된 온도 구간에서 SMP가 SMA보다 낮다. 이것은 SMP가 SMA보다 잘 늘어날 수 있음을 나타낸다. 도 1 및 도 2에 도시한 전지 셀(1)이 팽창하여 전지 셀(1) 두께가 증가함에 따라 전지 셀 가압 장치(500)의 가압 플레이트(100a, 100b) 사이 간격이 증가하여 전지 셀(1)에 가해지는 압력이 일정해져야 한다. 이때, SMP가 SMA 에 대비하여 잘 늘어나기 때문에 전지 셀(1)에 가해지는 압력이 SMP가 SMA 보다 작다. 따라서, SMA 대비 SMP가 리튬 금속 전지의 정압 지그 타입으로 더 적합하다. 도 4 그래프의 출처는 Tobushi, Hisaaki, Shunichi Hayashi, and Yoshiki Sugimoto. "Two-way bending properties of shape memory composite with SMA and SMP." Materials 2.3 (2009): 1180-1192 와 같다.
전지 셀 가압 장치의 내부에 전지 셀(1)이 배치되고 결합 핀(120)으로 제1, 2 가압 플레이트(100a, 100b)가 결합된 상태에서 전지 셀(1)에 대하여 활성화 및 에이징 공정을 진행하면 전지 셀(1)이 팽창하여 두께가 증가하게 된다. 여기에서는 제품 출하 전 활성화 및 에이징 공정에 대해서 언급하였으나, 이러한 공정 단계에 제한되지 않고, 본 발명의 실시에에 따른 전지 셀 가압 장치는 전지 셀 구동 단계에도 적용 가능하다.
한 쌍의 가압 플레이트(100a, 100b)는 형상 기억 소재로 이루어지고, 결합 핀(120)에 의해 서로 결합되어 있으므로 경량화되어 취급이 편리하다. 상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 셀 가압 장치는, 가압 플레이트(100a, 100b)가 형상 기억 소재로 이루어짐으로써 경량화가 가능하고, 무게가 가볍기 때문에 드론과 같이 무게당 에너지 밀도가 중요시되는 전지에 사용하기에도 적합하다.
앞에서 설명한 실시예에서, 결합 핀(120)이 스프링으로 형성되는 것으로 설명하였으나, 변형 실시예로서 결합 핀(120)은 형상 기억 소재로 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 전지 셀(1)의 부피 팽창에 의해 제1 가압 플레이트(100a)와 제2 가압 플레이트(100b) 사이의 간격이 증가하면, 결합 핀(120)도 길이가 증가할 수 있다. 결합 핀(120) 자체가 형상 기억 소재로 형성되기 때문에 복원력이 발생하고, 이러한 복원력에 의해 전지 셀(1)의 부피 팽창을 좀 더 억제할 수 있다. 결합 핀(120) 역시 형상 기억 고분자로 형성될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
부호의 설명
1: 전지 셀
10: 전지 케이스
20: 전극 조립체
100a, 100b: 가압 플레이트

Claims (15)

  1. 전지 셀이 배치되도록 그 사이에 공간을 형성하고, 상기 전지 셀을 가압하는 제1 가압 플레이트와 제2 가압 플레이트를 포함하고,
    상기 제1 가압 플레이트 및 상기 제2 가압 플레이트 중 적어도 하나의 가압부재는 형상 기억 소재(shape memory material)로 형성된 전지 셀 가압 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 가압 부재는 상기 전지 셀이 구동하는 온도에서 상기 전지 셀에 맞는 형상을 기억시킨 후, 상기 전지 셀 구동 이후에 부피 팽창에 따른 상기 가압 부재의 변형이 원래 형상으로 돌아가려는 힘으로 작용하게 되어 상기 전지 셀을 가압하는 전지 셀 가압 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 전지 셀의 부피 팽창에 의해 상기 제1 가압 플레이트와 상기 제2 가압 플레이트 사이의 간격이 증가하는 전지 셀 가압 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 전지 셀의 두께 방향 팽창에 의해 상기 제1 가압 플레이트의 상부면과 상기 제2 가압 플레이트의 하부면이 눌리게 되어 상기 제1 가압 플레이트와 상기 제2 가압 플레이트의 모양이 변하는 전지 셀 가압 장치.
  5. 제3항에서,
    상기 전지 셀의 부피가 줄어들 때, 상기 제1 가압 플레이트와 상기 제2 가압 플레이트 사이의 간격이 감소하는 전지 셀 가압 장치.
  6. 제5항에서,
    상기 형상 기억 소재는 형상 기억 고분자를 포함하는 전지 셀 가압 장치.
  7. 제1항에서,
    상기 전지 셀은 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극 조립체가 전해액과 함께 전지 케이스 내부에 밀봉되어 있는 전지 셀 가압 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 가압 플레이트는 상기 전지 케이스 하부면과 접촉하고, 상기 제2 가압 플레이트는 상기 전지 케이스 상부면과 접촉하며, 상기 제1 가압 플레이트와 상기 제2 가압 플레이트 사이에 위치하는 상기 전지 케이스 측면은 외부로 노출되는 전지 셀 가압 장치.
  9. 제1항에서,
    상기 제1 가압 플레이트와 상기 제2 가압 플레이트는 결합 핀에 의해 결합되는 전지 셀 가압 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 결합 핀은 복수개 형성되고, 스프링으로 형성되는 전지 셀 가압 장치.
  11. 제9항에서,
    상기 결합 핀은 복수개 형성되고, 형상 기억 소재로 형성되는 전지 셀 가압 장치.
  12. 제11항에서,
    상기 결합 핀은 형상 기억 고분자로 형성되는 전지 셀 가압 장치.
  13. 제1항에서,
    상기 제1 가압 플레이트 및 상기 제2 가압 플레이트 사이의 간격은 상기 전지 셀의 두께와 동일하거나 큰 전지 셀 가압 장치.
  14. 제1항에서,
    상기 전지 셀은 리튬 금속 셀인 전지 셀 가압 장치.
  15. 제1항에서,
    상기 제1 가압 플레이트 및 상기 제2 가압 플레이트는 상기 전지 셀보다 넓은 면적을 갖는 전지 셀 가압 장치.
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