WO2022065714A1 - 스페이서를 포함하는 전지 셀 지그, 이를 포함하는 전지 셀의 부피 측정 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 부피 측정 방법 - Google Patents

스페이서를 포함하는 전지 셀 지그, 이를 포함하는 전지 셀의 부피 측정 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 부피 측정 방법 Download PDF

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전형인
김혜진
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Definitions

  • the present invention relates to a battery cell jig including a spacer, an apparatus for measuring the volume of a battery cell including the same, and a method for measuring the volume of a battery cell using the same.
  • These secondary batteries are sometimes classified into lithium ion batteries, lithium ion polymer batteries, lithium polymer batteries, etc. depending on the composition of the electrode and electrolyte, and among them, the possibility of electrolyte leakage is low, and the usage of lithium ion polymer batteries, which are easy to manufacture, is low.
  • the electrode assembly built into the battery case consists of a positive electrode, a negative electrode, and a separator structure interposed between the positive electrode and the negative electrode, and is a power generating element capable of charging and discharging. It is classified into a jelly-roll type wound with a separator interposed therebetween, and a stack type in which a plurality of positive and negative electrodes of a predetermined size are sequentially stacked with a separator interposed therebetween.
  • Such a secondary battery deteriorates as a large amount of gas is generated due to electrolyte decomposition according to repeated charging and discharging, and this aspect appears differently depending on the design and use of the battery.
  • the gas inside the battery is continuously generated, a swelling phenomenon in which the volume of the battery increases is observed, and when the internal pressure of the battery cell exceeds a critical point, the battery may explode. Therefore, it is essential to observe the volume change of the battery cell.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a conventional battery cell jig for performance evaluation of a secondary battery
  • FIG. 2 is a right cross-sectional view (A-A') of the battery cell jig shown in FIG. 1 .
  • the battery cell jig 10 includes a separate bolt 14 and a nut 15 penetrating the first plate 12 and the second plate 13 in order to fix the battery cell 11 .
  • the present invention is to solve the above problems, and when measuring the volume change of a battery cell using the Archimedes principle, a battery cell jig including a spacer that can prevent water from accumulating between the battery cell jig and the spacer
  • An object of the present invention is to provide an apparatus for measuring the volume of a battery cell including the same, and a method for measuring the volume of a battery cell using the same.
  • the present invention provides a battery cell jig including a spacer, and an apparatus for measuring the volume of a battery cell including the same.
  • the battery cell jig according to the present invention includes first and second plates; a bolt and a nut for fixing the first and second plates to each other in a state where the battery cell is interposed between the first and second plates; and a spacer positioned between the first and second plates to designate a separation distance, and having a structure surrounding the bolt.
  • the spacer is characterized in that it includes a slit portion opened along the longitudinal direction of the spacer.
  • the slit portion of the spacer has a structure that is opened from one side to the other side in the longitudinal direction.
  • the slit portion of the spacer has a structure having an angle range of 10 to 70° from the center of the axis.
  • the spacer may have a height corresponding to a height of a battery cell interposed between the first and second plates.
  • the battery cell jig may include 4 to 12 bolts and nuts, and may have a structure in which the spacer is fastened to one or more bolts.
  • the present invention provides an apparatus for measuring the volume of a battery cell including the battery cell jig described above.
  • the apparatus for measuring the volume of a battery cell according to the present invention includes the battery cell jig; a water tank containing a liquid therein; and a scale for measuring the weight of the battery cell jig in which the battery cells are accommodated outside and inside the water tank.
  • the apparatus for measuring the volume of a battery cell according to the present invention further includes a charging/discharging unit electrically connected to the battery cell.
  • the present invention provides a method for measuring the volume of a battery cell using the apparatus for measuring the volume of the battery cell described above.
  • the method for measuring the volume of a battery cell according to the present invention comprises measuring the volume of the battery cell by measuring the weight before and after the change in the volume of the battery cell, respectively, after the battery cell is interposed in the battery cell jig do it with
  • Equation 1 V is the volume change of the battery cell, W1 is the weight of the battery cell jig in air, W2 is the weight of the battery cell jig accommodated in the liquid, and ⁇ is the density of the liquid.
  • the step of measuring the weight of the battery cell jig accommodated in the liquid the step of charging and discharging the battery cells is further included.
  • the measuring the weight of the battery cell jig outside the water tank and the measuring the weight of the battery cell jig in the liquid may measure the weight of the battery cell jig using a spring scale.
  • measuring the weight of the battery cell jig accommodated in the liquid includes heating the liquid to a predetermined temperature.
  • the calculating of the volume change of the battery cell includes calculating the volume change of the battery cell according to the temperature of the liquid.
  • the liquid accommodated in the water tank may be water, ethanol, or silicone oil.
  • an apparatus for measuring the volume of a battery cell including the same, and a method for measuring the volume of a battery cell using the same can do it
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a battery cell jig for evaluating the performance of a conventional secondary battery.
  • FIG. 2 is a right cross-sectional view (A-A′) of the battery cell jig shown in FIG. 1 .
  • FIG 3 is a right cross-sectional view of a battery cell jig including a spacer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a right cross-sectional view of a battery cell jig including a spacer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating each configuration of an apparatus for measuring the volume of a battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method for measuring the volume of a battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • “under” another part it includes not only cases where it is “directly under” another part, but also cases where another part is in between.
  • “on” may include the case of being disposed not only on the upper part but also on the lower part.
  • the present invention provides a battery cell jig including a spacer, an apparatus for measuring the volume of a battery cell including the same, and a method for measuring the volume of a battery cell using the same.
  • the amount of change in volume of a battery cell was measured using the Archimedes principle.
  • the experiment was conducted after the battery cells were accommodated in the battery cell jig.
  • spacers suitable for the thickness of the battery cells were used for each position. A method has been used to minimize pressure bias or tightening errors.
  • the volume change is measured using the Archimedes principle in a state where the battery cell is stored in the battery cell jig, water may collect between the battery cell jig and the spacer, and inaccurate data may be obtained, and corrosion of the bolt and the battery cell jig After dismantling the battery cell jig, the volume of the battery cell had to be measured.
  • the present invention provides a battery cell jig including a spacer that can prevent water from accumulating between the battery cell jig and the spacer when measuring a change in the volume of a battery cell using the Archimedes principle, and the volume of a battery cell including the same
  • a measuring device and a method for measuring the volume of a battery cell using the same are provided.
  • the battery cell volume measuring apparatus including the same, and the battery cell volume measuring method using the same, the interval between the first and second plates in which the battery cells are interposed is constant. Including a slit part open along the longitudinal direction in the spacer, when measuring the volume change of the battery cell using the Archimedes principle, it is possible to prevent water from accumulating between the battery cell jig and the spacer.
  • the present invention provides a battery cell jig including a spacer.
  • the battery cell jig according to the present invention includes first and second plates; a bolt and a nut for fixing the first and second plates to each other in a state where the battery cell is interposed between the first and second plates; and a spacer positioned between the first and second plates to designate a separation distance, and having a structure surrounding the bolt.
  • the spacer includes a slit part opened along the length direction of the spacer.
  • the term “slit portion” refers to a gap formed along the longitudinal direction of the spacer, and refers to an open region formed along the longitudinal direction of the spacer.
  • the battery cell jig according to the present invention includes a slit part in the spacer, it is possible to prevent water from accumulating or gas filling the spacer when the volume change of the battery cell is measured using the Archimedes principle.
  • the battery cell jig according to the present invention includes a spacer including a slit portion open along the longitudinal direction.
  • the spacer is for maintaining a constant distance between the first and second plates, and has a structure surrounding the bolt.
  • the spacer may be made of an insulating material, for example, aluminum.
  • the slit portion may have a structure in which the spacer is opened from one side to the other side in the longitudinal direction.
  • the spacer has a “C” shape when viewed in cross-section. Due to the slit portion of the spacer, it is possible to prevent water from accumulating or gas from accumulating inside the spacer when the volume of the battery cell is measured using the Archimedes principle.
  • a spacer comprising a slit portion open along the longitudinal direction.
  • the spacer may have a structure in which the slit portion is opened at an angle of 10 to 70° from the center of the axis.
  • the slit portion When viewed from the cross-section of the spacer, the slit portion has a structure in which the slit portion is opened at an angle of 10 to 70° with respect to the axis.
  • the slit portion has a structure in which an average of 60° is opened about the axis of the spacer. Since the slit portion is opened at the above-described angle, it is possible to prevent water from accumulating or gas filling between the battery cell jig and the spacer.
  • the spacer when measuring the volume change of the battery cell using the Archimedes principle, is opened at the above-described angle, so that the volume change of the battery cell can be measured after being separated from the battery cell jig.
  • the first and second plates have a structure in which the battery cells are pressed therebetween, and are fastened by bolts and nuts with the battery cells interposed between the first and second plates.
  • the first and second plates may be an insulating material, and may be a conventional aluminum plate.
  • the battery cells interposed between the first and second plates may be pouch-type unit cells.
  • an electrode assembly having a cathode/separator/cathode structure is embedded in the laminate sheet casing while being connected to electrode leads formed outside of the casing.
  • the electrode leads are drawn out of the sheet and may extend in the same direction or opposite directions.
  • the battery cell jig according to the present invention includes a plurality of bolts and nuts.
  • the battery cell jig according to the present invention includes 4 to 12, or 6 to 10, bolts and nuts.
  • the battery cell jig includes 10 bolts and nuts.
  • the spacer may be fastened to one or more bolts, or may be respectively fastened to a plurality of bolts. That is, each spacer is fastened to the plurality of bolts, and the plurality of spacers are fastened to have the same height as each other, so that each bolt and nut may be fastened with the same pressure.
  • the spacer has a height corresponding to the height of the battery cell interposed between the first and second plates. Accordingly, the distance between the first and second plates can be easily adjusted. More specifically, the user places the battery cell on the second plate to which the bolt is coupled, and inserts the spacer into the bolt. Then, after the height of the battery cell and the height of the spacer stack are matched, the first plate may be coupled and fastened with a nut.
  • the battery cell jig according to the present invention includes a plurality of bolts and nuts. In particular, by inserting the spacer stack of the same height in each bolt, it is possible to minimize pressure bias or fastening error by position.
  • the present invention provides an apparatus for measuring the volume of a battery cell including the battery cell jig described above.
  • the apparatus for measuring the volume of a battery cell includes a battery cell jig; a water tank containing a liquid therein; and a scale for measuring the weight of the battery cell jig in which the battery cells are accommodated in the outside and the inside of the water tank, respectively.
  • the battery cell volume measuring device uses Archimedes' principle.
  • the difference between the weight and the weight of the battery cell after being immersed in the liquid may be the weight of the liquid whose volume is increased while the battery cell is immersed in the liquid, at this time, since the weight of the liquid displaced while immersing the battery cell in the liquid is equal to the buoyancy,
  • the volume of the battery cell can be known from the measured buoyancy, that is, the volume of the battery cell can be calculated by knowing the weight of the battery cell in air and in the liquid.
  • the apparatus for measuring the volume of a battery cell can measure the volume of a battery cell in a non-destructive manner at normal pressure only by measuring the weight of the battery cell without perforating or pressurizing the battery.
  • the water tank is formed with a space capable of accommodating a liquid therein.
  • the type of liquid accommodated in the water tank is not particularly limited, but, for example, water may be used.
  • a liquid such as ethanol may be used, and an electrically insulating liquid such as silicone oil may be used.
  • the battery cell jig serves to fix the battery cell in order to prevent the battery cell from flowing during volume measurement.
  • the battery cell jig includes first and second plates, a bolt and a nut fixing the first and second plates to each other, and a first and second plate with the battery cells interposed between the first and second plates. and a spacer positioned between the second plates to designate a separation distance, and having a structure surrounding the bolt.
  • the spacer includes a slit part open along the longitudinal direction.
  • the battery cell may be a pouch-type unit cell.
  • an electrode assembly having a cathode/separator/cathode structure is embedded in the laminate sheet casing while being connected to electrode leads formed outside of the casing.
  • the electrode leads are drawn out of the sheet and may extend in the same direction or opposite directions.
  • the scale is for measuring the weight of the battery cell jig in which the battery cells are accommodated, and measures the weight of the battery cell jig outside the water tank and the weight in the liquid.
  • the weight outside the water tank means the weight of the battery cell jig in the air.
  • the scale may be a conventional scale for measuring weight.
  • the scale may be a spring scale or an electronic scale.
  • the apparatus for measuring the volume of a battery cell according to the present invention further includes a charging/discharging unit electrically connected to the battery cell.
  • the charging/discharging unit may supply charging power to the secondary battery or receive discharging power from the secondary battery.
  • the supply of charging power to the secondary battery is not necessarily limited to the meaning of supplying sufficient power to the secondary battery to fully buffer the secondary battery.
  • Supplying charging power to the secondary battery may be used as supplying enough power to measure the voltage of the first electrode lead, the second electrode lead, etc. for performance evaluation of the secondary battery. Since the meaning of receiving discharge power from the secondary battery can be used in the same way, repeated descriptions will be omitted.
  • the present invention provides a method for measuring the volume of a battery cell using the above-described device for measuring the volume of the battery cell.
  • the method for measuring the volume of a battery cell measures the volume of the battery cell by interposing the battery cell in the battery cell jig, and then measuring the weight before and after the volume change of the battery cell, respectively.
  • the method for measuring the volume of a battery cell includes the steps of interposing the battery cell in the battery cell jig, and then measuring the weight of the battery cell jig in air; After accommodating the battery cell jig in the water tank containing the liquid, measuring the weight of the battery cell jig in the liquid; and calculating the volume change of the battery cell by Equation 1 below:
  • Equation 1 V is the volume change of the battery cell, W1 is the weight of the battery cell jig in air, W2 is the weight of the battery cell jig accommodated in the liquid, and ⁇ is the density of the liquid.
  • the method for measuring the volume of a battery cell according to the present invention uses Archimedes' principle. Specifically, the difference between the weight of the battery cell measured before being immersed in the liquid contained in the water tank and the weight of the battery after being immersed in the liquid may be the weight of the liquid whose volume is increased while the battery cell is immersed in the liquid. At this time, since the weight of the liquid pushed out while the battery cell is immersed in the liquid is the same as the buoyancy force, the volume of the battery cell can be known from the measured buoyancy force.
  • the method for measuring the volume of a battery cell according to the present invention can measure the volume of a battery cell in a non-destructive manner at normal pressure only by measuring the weight of the battery cell without a process of perforating the battery.
  • the battery cell jig after interposing the battery cells in the battery cell jig, it includes the step of measuring the weight of the battery cell jig in the air.
  • the battery cell jig in which the battery cells are interposed may be weighed using a scale such as a spring scale.
  • the battery cell jig is accommodated in the water tank containing the liquid.
  • the type of liquid accommodated in the water tank is not particularly limited, but, for example, water may be used. Alternatively, a liquid such as ethanol may be used, and an electrically insulating liquid such as silicone oil may be used.
  • the method for measuring the volume of a battery cell according to the present invention includes measuring the weight of the battery cell jig in a liquid.
  • measuring the weight of the battery cell jig in the liquid includes charging and discharging the battery cell.
  • the battery cells may be activated by charging and discharging the battery cells through a charging/discharging unit electrically connected to the battery cells.
  • the amount of change in the volume of the battery cell can be calculated by Equation 1 using the weight of the battery cell measured in air and the weight of the battery cell measured in liquid.
  • measuring the weight of the battery cell jig accommodated in the liquid further includes heating the liquid to a predetermined temperature.
  • This process may be performed by the temperature control unit of the battery cell volume measuring device, for example, may be performed by heating an iron plate surrounding the water tank.
  • the heating process of the liquid should be performed before the step of measuring the weight of the battery cell accommodated in the liquid.
  • the temperature of the liquid may be measured by a temperature measuring unit such as a thermocouple, and through this, the temperature of the liquid may be heated to a set temperature.
  • the method for measuring the volume of a battery cell according to the present invention further includes calculating a change in the volume of the battery cell according to the temperature of the liquid. For example, after setting the temperature of the liquid to room temperature, 45°C, 60°C, and 80°C and measuring the volume of each battery cell at this time, a change in the volume of the battery cell according to temperature can be derived.
  • FIG 3 is a right cross-sectional view of a battery cell jig including a spacer according to an embodiment of the present invention.
  • the battery cell jig 100 includes first and second plates 120 and 130 ; a bolt 140 and a nut 150 for fixing the first and second plates 120 and 130 to each other with the battery cell 110 interposed between the first and second plates 120 and 130; and a spacer 160 positioned between the first and second plates 120 and 130 to designate a separation distance, and having a structure surrounding the bolt 140 .
  • the spacer 160 includes a slit portion 161 that is opened along the length direction of the spacer 160 .
  • the spacer 160 is for maintaining a constant distance between the first and second plates 120 and 130 , and has a structure surrounding the bolt 140 .
  • the slit part 161 has a structure that is opened from one side to the other side along the longitudinal direction of the spacer 160 . That is, since the spacer 160 has an open structure in the longitudinal direction, it is possible to prevent water from accumulating or gas filling in the spacer 160 when the volume of the battery cell 110 is measured using the Archimedes principle. there is.
  • the spacer 160 has a height corresponding to the height of the battery cell 110 interposed between the first and second plates 120 and 130 . Accordingly, the distance between the first and second plates 120 and 130 can be easily adjusted. More specifically, the user places the battery cell 110 on the second plate 130 to which the bolt 140 is coupled, and inserts the spacer 160 into the bolt 140 . Then, after coupling the first plate 120 , it is fastened with a nut 150 .
  • the battery cell jig 100 according to the present invention includes a plurality of bolts 140 and nuts 150 .
  • the battery cell jig 100 according to the present invention includes 4 to 12 bolts 140 and nuts 150 .
  • the battery cell jig 100 includes ten bolts 140 and nuts 150 .
  • the present invention is not limited thereto.
  • the battery cell jig 100 may have a structure in which the spacer 160 is fastened to one or more bolts 140 .
  • the spacer 160 is fastened to one or more bolts 140 .
  • FIG. 4 is a right cross-sectional view of a battery cell jig including a spacer according to another embodiment of the present invention.
  • the battery cell jig 200 includes first and second plates 220 and 230 ; a bolt 240 and a nut 250 for fixing the first and second plates 220 and 230 to each other with the battery cell 210 interposed between the first and second plates 220 and 230; and a spacer 260 positioned between the first and second plates 220 and 230 to designate a separation distance, and having a structure surrounding the bolt 240 .
  • the spacer 260 includes a slit portion 261 that is opened along the length direction of the spacer 260 .
  • the spacer 260 is to make the distance between the first and second plates 220 and 230 constant, and has a structure surrounding the bolt 240 .
  • the slit part 261 has a structure that is opened from one side to the other side in the longitudinal direction of the spacer 260 .
  • the slit portion 261 has an angle range ⁇ of 10 to 70° from the center of the axis.
  • the slit portion 261 has a structure in which the slit portion 261 is opened at an angle of 10 to 70° ( ⁇ ) about the axis.
  • the slit portion 261 has a structure in which an average of 60° is opened about the axis of the spacer 260 . Since the slit part 261 is opened at the above-described angle, it is possible to prevent water from accumulating or gas filling between the battery cell jig 200 and the spacer 260 .
  • the space between the first and second plates 220 and 230 can be adjusted by using the spacer 260 , and when measuring the volume change of the battery cell 210 using the Archimedes principle, the spacer 260 ) is opened at the above-described angle, so that the volume change of the battery cell 210 can be measured after separation from the battery cell jig 200 .
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating each configuration of an apparatus for measuring the volume of a battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • an apparatus for measuring the volume of a battery cell includes the battery cell jig 300 ; a water tank 370 in which a liquid is accommodated; and a scale 380 for measuring the weight of the battery cell jig 300 in which the battery cells 310 are accommodated outside and inside the water tank 370 , respectively.
  • the battery cell volume measuring apparatus measures the amount of change in the volume of the battery cell 310 using the Archimedes principle. More specifically, the battery cell volume measuring device calculates the difference between the weight of the battery cell 310 measured before being immersed in the liquid accommodated in the water tank 370 and the weight of the battery cell 310 after being immersed in the liquid to calculate the battery cell 310 . ) can be calculated.
  • the water tank 370 has a space capable of accommodating the liquid therein.
  • the type of liquid accommodated in the water tank 370 is not particularly limited, but, for example, water may be used. Alternatively, a liquid such as ethanol may be used, and an electrically insulating liquid such as silicone oil may be used.
  • the battery cell jig 300 serves to fix the battery cell 310 in order to prevent the battery cell 310 from flowing during volume measurement.
  • the battery cell 310 is interposed between the first and second plates 320 and 330 and the first and second plates 320 and 330 , the The first and second plates 320 and 330 are positioned between the bolts 340 and nut 350 and the first and second plates 320 and 330 for fixing each other to designate a separation distance, but the bolts 340 It includes a spacer (not shown) having a structure surrounding the. In this case, the spacer includes a slit part open along the longitudinal direction.
  • the scale 380 is for measuring the weight of the battery cell jig 300 in which the battery cell 310 is accommodated, and the weight outside the water tank 370 of the battery cell jig 300 and the weight in the liquid. Measure the weight.
  • the weight outside the water tank 370 means the weight of the battery cell jig 300 in the air.
  • the scale 380 may be a conventional scale for measuring weight.
  • the scale 380 may be a spring scale or an electronic scale. In the drawings, the scale 380 is illustrated as a spring scale, but the present invention is not limited thereto.
  • the apparatus for measuring the volume of a battery cell further includes a charging/discharging unit 390 electrically connected to the battery cell.
  • the charging/discharging unit 390 may activate a battery cell through charging and discharging electrically connected to the electrode assembly of the battery cell 310 .
  • the charging/discharging unit 390 may be electrically connected to the electrode lead of the battery cell 310 through a charging/discharging line (not shown).
  • the volume of the internal gas generated during charging and discharging through the charging/discharging process may be measured.
  • the present invention provides a method for measuring the volume of a battery cell using the above-described device for measuring the volume of the battery cell.
  • the volume of the battery cell is measured by placing the battery cell in a battery cell jig, and then measuring the weight before and after the volume change of the battery cell, respectively.
  • the method for measuring the volume of a battery cell according to the present invention uses the Archimedes principle. Hereinafter, it will be described in detail.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method for measuring the volume of a battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • the method for measuring the volume of a battery cell includes the steps of interposing the battery cell in the battery cell jig, and then measuring the weight of the battery cell jig in air (S10); After accommodating the battery cell jig in the water tank containing the liquid, measuring the weight of the battery cell jig in the liquid (S20); and calculating the volume change amount of the battery cell by Equation 1 below (S30):
  • Equation 1 V is the volume change of the battery cell, W1 is the weight of the battery cell jig in air, W2 is the weight of the battery cell jig accommodated in the liquid, and ⁇ is the density of the liquid.
  • the method for measuring the volume of a battery cell according to the present invention uses Archimedes' principle. Specifically, the difference between the weight of the battery cell measured before being immersed in the liquid contained in the water tank and the weight of the battery after being immersed in the liquid may be the weight of the liquid whose volume is increased while the battery cell is immersed in the liquid. At this time, since the weight of the liquid pushed out while the battery cell is immersed in the liquid is the same as the buoyancy force, the volume of the battery cell can be known from the measured buoyancy force.
  • the method for measuring the volume of a battery cell according to the present invention can measure the volume of a battery cell in a non-destructive manner at normal pressure only by measuring the weight of the battery cell without a process of perforating the battery.
  • the weight (W1) of the battery cell jig with the battery cells interposed in the air was measured, and after the charging/discharging process was performed while the battery cells were immersed in ethanol, the weight (W2) of the battery cell jig accommodated in the liquid was measured. measured.
  • the weight (W1) of the battery cell jig in the air was 110g
  • the weight (W2) of the battery cell jig accommodated in the liquid was 110g.
  • the change in the weight of the battery cell is equal to the weight of the displaced ethanol
  • the volume of the displaced ethanol is Since it is the same as the volume change, that is, V, to sum up
  • ⁇ is the weight of displaced ethanol/volume of displaced ethanol.
  • V can be calculated as (110-100)/0.789. That is, the volume change of the battery cell is about 12.674 cm 3 .

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Abstract

본 발명은 스페이서를 포함하는 전지 셀 지그, 이를 포함하는 전지 셀의 부피 측정 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 부피 측정 방법에 관한 것으로, 상기 스페이서에 길이 방향을 따라 개방된 슬릿부를 포함하여, 아르키메데스 원리를 이용하여 전지 셀의 부피 변화를 측정할 때, 전지 셀 지그와 스페이서 사이에 물이 고이는 것을 방지할 수 있다.

Description

스페이서를 포함하는 전지 셀 지그, 이를 포함하는 전지 셀의 부피 측정 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 부피 측정 방법
본 출원은 2020. 09. 28. 자 한국 특허 출원 제10-2020-0125775호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 스페이서를 포함하는 전지 셀 지그, 이를 포함하는 전지 셀의 부피 측정 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 부피 측정 방법에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 어플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
이러한 이차전지는 전극과 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 하며, 그 중 전해액의 누액 가능성이 적으며, 제조가 용이한 리튬이온 폴리머 전지의 사용량이 늘어나고 있다. 일반적으로, 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 분류되며, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막 구조로 이루어져 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.
이 중, 전지의 고용량화로 인해 케이스의 대면적화 및 얇은 소재로의 가공이 많은 관심을 모으고 있고, 이에 따라, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
이러한 이차전지는 거듭된 충방전 진행에 따라 전해질 분해에 의한 다량의 가스가 발생하면서 퇴화되며, 이 양상은 전지의 설계 및 사용 형태에 따라 다르게 나타난다. 전지 내부 가스가 지속적으로 발생할 경우 전지의 부피가 증가하는 스웰링 현상이 관찰되며, 전지 셀의 내압이 임계점을 넘길 경우 전지의 폭발이 발생할 수 있다. 이에 전지 셀의 부피 변화 관찰이 필수적으로 수행되어야 한다.
종래에는 이러한 전지 셀의 부피 변화를 관찰하기 위하여, 아르키메데스 원리를 이용하여 전지 셀의 부피 변화량을 측정하였다. 이때, 전지 셀을 가압하기 위하여, 전지 셀 지그에 전지 셀을 수납한 후 실험을 진행하였다. 도 1은 종래의 이차전지 성능 평가를 위한 전지 셀 지그의 모식도이며, 도 2는 도 1에 도시된 전지 셀 지그의 우측 단면도(A-A') 이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 전지 셀 지그(10)는 전지 셀(11)을 고정하기 위해서 제1 플레이트(12)와 제2 플레이트(13)를 관통하는 별도의 볼트(14)와 너트(15)를 이용한 볼트 체결을 수행한다. 한편, 볼트(14) 및 너트(15)를 체결하는 순서 또는 작업자의 성향에 따라 전지 셀(11)에 가압되는 압력이 위치에 따라 차이가 발생하는 문제가 있어, 도 2에 도시된 바와 같이, 전지 셀(11)의 두께에 맞는 스페이서(16)를 사용하여 위치 별 압력 편중이나 체결 오차를 최소화하는 방법을 사용해 왔다.
그러나, 전지 셀 지그(10)에 전지 셀(11)을 수납한 상태에서 아르키메데스 원리를 이용하여 부피 변화량을 측정하는 경우, 전지 셀 지그(10)와 스페이서(16) 사이에 물이 고여 부정확한 데이터를 얻을 수 있으며, 볼트(14)와 전지 셀 지그(10)의 부식으로 이어질 수 있어 전지 셀 지그(10)를 해체 후 전지 셀의 부피를 측정해야만 했다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 아르키메데스 원리를 이용하여 전지 셀의 부피 변화를 측정할 때, 전지 셀 지그와 스페이서 사이에 물이 고이는 것을 방지 시킬 수 있는 스페이서를 포함하는 전지 셀 지그, 이를 포함하는 전지 셀의 부피 측정 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 부피 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 스페이서를 포함하는 전지 셀 지그, 이를 포함하는 전지 셀의 부피 측정 장치를 제공한다. 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 셀 지그는 제1 및 제2 플레이트; 제1 및 제2 플레이트 사이에 전지 셀을 개재한 상태에서, 상기 제1 및 제2 플레이트를 서로 고정하는 볼트 및 너트; 및 제1 및 제2 플레이트 사이에 위치하여 이격 거리를 지정하되, 볼트를 둘러싸는 구조를 갖는 스페이서를 포함한다. 이때, 상기 스페이서는, 스페이서의 길이 방향을 따라 개방된 슬릿부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 실시예에서, 상기 스페이서의 슬릿부는, 길이 방향을 따라 일측으로부터 타측까지 개방된 구조이다.
다른 하나의 실시예에서, 상기 스페이서의 슬릿부는, 축의 중심으로부터 10 내지 70°각도 범위를 갖는 구조이다.
상기 스페이서는, 제1 및 제2 플레이트 사이에 개재된 전지 셀의 높이와 대응되는 높이일 수 있다. 아울러, 상기 전지 셀 지그는, 볼트 및 너트를 4 내지 12개 포함하며, 하나 이상의 볼트에 상기 스페이서가 체결된 구조일 수 있다.
아울러, 본 발명은 앞서 설명한 전지 셀 지그를 포함하는 전지 셀의 부피 측정 장치를 제공한다. 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 부피 측정 장치는 상기 전지 셀 지그; 내부에 액체가 수용되는 수조; 및 수조의 외부와 내부에서 전지 셀이 수납된 전지 셀 지그의 무게를 각각 측정하는 저울을 포함한다. 구체적인 예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 부피 측정 장치는 전지 셀과 전기적으로 연결되는 충방전부를 더 포함한다.
나아가, 본 발명은 앞서 설명한 전지 셀의 부피 측정 장치를 이용한 전지 셀의 부피 측정 방법을 제공한다. 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 부피 측정 방법은 상기 전지 셀 지그에 전지 셀을 개재 한 후, 전지 셀의 부피 변화 전과 후의 무게를 각각 측정하여 전지 셀의 부피를 측정하는 것을 특징으로 한다.
구체적인 예에서, 상기 전지 셀 지그에 전지 셀을 개재 한 후, 공기 중에서 상기 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 단계; 액체가 수용된 수조에 상기 전지 셀 지그를 수용한 후, 액체 내에서 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 단계; 및 하기 식 1에 의해 전지 셀의 부피 변화량을 계산하는 단계를 포함한다:
[식 1]
Figure PCTKR2021011516-appb-img-000001
식 1에서, V 는 전지 셀의 부피 변화량, W1은 공기 중에서 전지 셀 지그의 무게, W2는 액체 내에 수용된 전지 셀 지그의 무게, ρ는 액체의 밀도를 나타낸다.
이때, 상기 액체 내에 수용된 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 단계에서, 전지 셀을 충방전하는 과정을 더 포함한다.
아울러, 상기 수조 외부에서 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 단계 및 액체 내에서 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 단계는, 용수철 저울을 이용하여 상기 전지 셀 지그의 무게를 측정할 수 있다.
다른 하나의 실시예에서, 상기 액체 내에 수용된 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 단계는, 액체를 소정의 온도로 가열하는 과정을 포함한다. 이때, 상기 전지 셀의 부피 변화량을 계산하는 단계는, 액체의 온도에 따른 전지 셀의 부피 변화를 산출하는 과정을 포함한다.
한편, 상기 수조 내에 수용되는 액체는, 물, 에탄올 또는 실리콘 오일일 수 있다.
본 발명의 스페이서를 포함하는 전지 셀 지그, 이를 포함하는 전지 셀의 부피 측정 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 부피 측정 방법에 따르면, 전지 셀이 개재된 제1 및 제2 플레이트 사이의 간격을 일정하게 유지시킬 수 있다.
아울러, 상기 스페이서에 길이 방향을 따라 개방된 슬릿부를 포함하여, 아르키메데스 원리를 이용하여 전지 셀의 부피 변화를 측정할 때, 전지 셀 지그와 스페이서 사이에 물이 고이는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 이차전지 성능 평가를 위한 전지 셀 지그의 모식도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전지 셀 지그의 우측 단면도(A-A') 이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 스페이서를 포함하는 전지 셀 지그의 우측 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 스페이서를 포함하는 전지 셀 지그의 우측 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 셀의 부피 측정 장치의 각 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 셀의 부피 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 “상에” 배치된다고 하는 것은 상부뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은 스페이서를 포함하는 전지 셀 지그, 이를 포함하는 전지 셀의 부피 측정 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 부피 측정 방법을 제공한다.
종래에는, 아르키메데스 원리를 이용하여 전지 셀의 부피 변화량을 측정하였다. 이때, 전지 셀을 가압하기 위하여 전지 셀 지그에 전지 셀을 수납한 후 실험을 진행하였으며, 상기 전지 셀 지그에 수납되는 전지 셀에 균일한 가압을 위하여 전지 셀의 두께에 맞는 스페이서를 사용하여 위치별 압력 편중이나 체결 오차를 최소화하는 방법을 사용해왔다. 그러나, 전지 셀 지그에 전지 셀을 수납한 상태에서 아르키메데스 원리를 이용하여 부피 변화량을 측정하는 경우, 전지 셀 지그와 스페이서 사이에 물이 고여 부정확한 데이터를 얻을 수 있으며, 볼트와 전지 셀 지그의 부식으로 이어질 수 있어 전지 셀 지그를 해체 후 전지 셀의 부피를 측정해야만 했다.
이에, 본 발명은 아르키메데스 원리를 이용하여 전지 셀의 부피 변화를 측정할 때, 전지 셀 지그와 스페이서 사이에 물이 고이는 것을 방지할 수 있는 스페이서를 포함하는 전지 셀 지그, 이를 포함하는 전지 셀의 부피 측정 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 부피 측정 방법을 제공한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 스페이서를 포함하는 전지 셀 지그, 이를 포함하는 전지 셀의 부피 측정 장치 및 이를 이용한 전지 셀의 부피 측정 방법은 전지 셀이 개재된 제1 및 제2 플레이트 사이의 간격을 일정하게 유지시킬 수 있으며, 스페이서에 길이 방향을 따라 개방된 슬릿부를 포함하여, 아르키메데스 원리를 이용하여 전지 셀의 부피 변화를 측정할 때, 전지 셀 지그와 스페이서 사이에 물이 고이는 것을 방지할 수 있다.
하나의 실시예에서, 본 발명은 스페이서를 포함하는 전지 셀 지그를 제공한다. 구체적인 예에서, 본 발명에 따른 전지 셀 지그는 제1 및 제2 플레이트; 제1 및 제2 플레이트 사이에 전지 셀을 개재한 상태에서, 상기 제1 및 제2 플레이트를 서로 고정하는 볼트 및 너트; 및 제1 및 제2 플레이트 사이에 위치하여 이격 거리를 지정하되, 볼트를 둘러싸는 구조를 갖는 스페이서를 포함한다. 이때, 상기 스페이서는, 스페이서의 길이 방향을 따라 개방된 슬릿부를 포함한다.
본 발명에서 "슬릿부" 라 함은, 스페이서에서 길이방향을 따라 형성된 틈을 의미하는 것으로, 스페이서의 길이방향을 따라 형성된 개방된 영역을 의미한다. 특히, 본 발명에 따른 전지 셀 지그는 스페이서에 슬릿부를 포함하고 있어 아르키메데스 원리를 이용한 전지 셀의 부피 변화 측정시 스페이서 내부에 물이 고이거나 가스가 차는 것을 방지할 수 있다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 셀 지그는, 길이 방향을 따라 개방된 슬릿부를 포함하는 스페이서를 포함한다. 상기 스페이서는 제1 및 제2 플레이트 사이의 거리를 일정하게 유지시키기 위한 것으로, 볼트를 둘러싸는 구조를 갖는다. 상기 스페이서는 절연성의 재질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 슬릿부는 상기 스페이서의 길이 방향을 따라 일측으로부터 타측까지 개방된 구조일 수 있다.
구체적인 예에서, 상기 스페이서는 횡단면을 기준으로 보았을 때, "C" 자 형태를 갖는다. 이러한 스페이서의 슬릿부에 의해서, 아르키메데스 원리를 이용한 전지 셀의 부피 측정시 스페이서 내부에 물이 고이거나, 가스가 차는 것을 방지할 수 있다.
다른 하나의 실시예에서, 길이 방향을 따라 개방된 슬릿부를 포함하는 스페이서를 포함한다. 구체적으로, 상기 스페이서는 슬릿부가 축의 중심으로부터 10 내지 70°각도 범위로 개방된 구조일 수 있다.
상기 스페이서의 단면을 기준으로 보았을 때, 상기 슬릿부는 축을 중심으로 10 내지 70°각도 범위 개방된 구조이다. 예를 들어, 상기 슬릿부는 스페이서의 축을 중심으로 평균 60°개방된 구조이다. 슬릿부가 상술한 각도로 개방되어 있어 전지 셀 지그와 스페이서 사이에 물이 고이거나 가스가 차는 것을 방지할 수 있다.
또 다른 하나의 실시예에서, 아르키메데스 원리를 이용하여 전지 셀의 부피 변화를 측정할 때, 스페이서는 상술한 각도로 개방되어 있어 전지 셀 지그로부터 분리한 후 전지 셀의 부피 변화를 측정할 수 있다.
한편, 상기 제1 및 제2 플레이트는 전지 셀을 사이에 두고 가압하는 구조로, 제1 및 제2 플레이트 사이에 전지 셀을 개재한 상태에서 볼트와 너트에 의해 체결된 구조이다. 이때, 상기 제1 및 제2 플레이트는 절연성 소재일 수 있으며, 통상적인 알루미늄 플레이트일 수 있다.
아울러, 상기 제1 및 제2 플레이트 사이에 개재되는 전지 셀은 파우치 타입의 단위셀일 수 있다. 구체적으로, 라미네이트 시트 외장재에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 상기 외장재의 외부로 형성된 전극 리드들과 연결된 상태로 내장되어 있다. 상기 전극 리드는 시트 외측으로 인출되되 서로 동일한 방향 또는 반대 방향으로 연장될 수 있다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 셀 지그는 복수개의 볼트와 너트를 포함한다. 구체적인 예에서, 본 발명에 따른 전지 셀 지그는 볼트 및 너트를 4 내지 12개, 또는 6 내지 10 개를 포함한다. 예를 들어, 전지 셀 지그는 볼트 및 너트를 10개 포함한다.
아울러, 상기 스페이서는 하나 이상의 볼트에 체결될 수 있으며, 또는 복수개의 볼트에 각각 체결될 수 있다. 즉, 상기 복수개의 볼트에 각각 스페이서가 체결되되, 복수개의 스페이서는 서로 동일한 높이를 갖도록 체결되어, 각각의 볼트 및 너트는 동일한 압력으로 체결될 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 스페이서는 제1 및 제2 플레이트 사이에 개재된 전지 셀의 높이와 대응되는 높이를 갖는다. 이에 따라, 제1 및 제2 플레이트 사이의 간격을 용이하게 조절할 수 있다. 보다 구체적으로, 사용자는 볼트를 결합한 제2 플레이트에 전지 셀을 위치시키고, 스페이서를 볼트에 삽입시킨다. 그리고, 전지 셀의 높이와 스페이서 적층체의 높이가 대응되도록 한 후, 제1 플레이트를 결합하고, 너트로 체결할 수 있다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 셀 지그는 복수개의 볼트 및 너트를 포함한다. 특히, 각각의 볼트에 동일한 높이의 스페이서 적층체를 삽입시켜 위치 별 압력 편중이나 체결 오차 등을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 전지 셀 지그를 포함하는 전지 셀의 부피 측정 장치를 제공한다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 부피 측정 장치는 전지 셀 지그; 내부에 액체가 수용되는 수조; 및 수조의 외부와 내부에서 전지 셀이 수납된 전지 셀 지그의 무게를 각각 측정하는 저울을 포함한다.
본 발명에 따른 전지 셀 부피 측정 장치는 아르키메데스의 원리를 이용한 것이다. 아르키메데스의 원리는 액체 안에 완전히 또는 부분적으로 잠겨있는 물체가 받는 부력은, 그 물체가 밀어낸 부피만큼의 액체의 무게와 동일한 크기로 중력의 반대방향으로 작용한다는 것이다(것이다(F=ρgV=mg, 여기서, F: 부력, ρ: 액체의 밀도, V: 액체에 잠긴 만큼의 물체의 부피, g: 중력가속도, m: 물체의 질량). 이때, 수조 내에 수용된 액체에 담겨지기 전에 측정된 전지 셀의 무게와 액체에 담겨진 후 전지 셀의 무게 차이는 전지 셀을 액체에 담그면서 부피가 상승된 액체의 무게일 수 있다. 이때, 전지 셀을 액체에 담그면서 밀려난 액체의 무게는 부력과 동일하므로, 측정된 부력으로부터 전지 셀의 부피를 알 수 있다. 즉, 전지 셀의 공기 중 무게와 액체 내에서의 무게를 알면 전지 셀의 부피를 계산할 수 있는 것이다.
이와 같이 본 발명에 따른 전지 셀의 부피 측정 장치는 전지를 타공하거나 가압하는 과정 없이 전지 셀의 무게 측정만으로도 상압에서 전지 셀의 부피를 비파괴적인 방식으로 측정할 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 수조는 내부에 액체를 수용할 수 있는 공간이 형성된다. 상기 수조 내에 수용되는 액체의 종류는 특별한 제한은 없으나, 예를 들어, 물을 사용할 수 있다. 또는, 에탄올 등의 액체를 사용할 수 있으며, 실리콘 오일 등의 전기 절연성 액체를 사용할 수 있다.
상기 전지 셀 지그는 전지 셀이 부피 측정 중 유동하는 것을 방지하기 위하여 전지 셀을 고정하는 역할을 한다. 상기 전지 셀 지그는 앞서 설명한 바와 같이, 제1 및 제2 플레이트, 제1 및 제2 플레이트 사이에 전지 셀을 개재한 상태에서, 상기 제1 및 제2 플레이트를 서로 고정하는 볼트 및 너트 및 제1 및 제2 플레이트 사이에 위치하여 이격 거리를 지정하되, 볼트를 둘러싸는 구조를 갖는 스페이서를 포함한다. 이때, 상기 스페이서는 길이 방향을 따라 개방된 슬릿부를 포함한다.
아울러, 상기 전지 셀은 파우치 타입의 단위 셀일 수 있다. 구체적으로, 라미네이트 시트 외장재에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 상기 외장재의 외부로 형성된 전극 리드들과 연결된 상태로 내장되어 있다. 상기 전극 리드는 시트 외측으로 인출되되 서로 동일한 방향 또는 반대 방향으로 연장될 수 있다.
나아가, 저울은 전지 셀이 수납된 전지 셀 지그의 무게를 측정하기 위한 것으로, 상기 전지 셀 지그의 수조 외부에서의 무게 및 액체 내에서의 무게를 측정한다. 여기서, 수조 외부에서의 무게는 공기 중에서의 전지 셀 지그의 무게를 의미한다. 상기 저울은 무게를 측정하기 위한 통상적인 저울일 수 있다. 예를 들어, 상기 저울은 용수철 저울 또는 전자 저울일 수 있다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 부피 측정 장치는 전지 셀과 전기적으로 연결되는 충방전부를 더 포함한다. 상기 충방전부는, 이차 전지로 충전 전원을 공급하거나, 이차 전지로부터 방전 전원을 공급받을 수 있다. 여기서, 이차 전지로 충전 전원을 공급한다는 것은 반드시 이차전지를 완충시키기 위한 정도의 충분한 전원을 공급한다는 의미로 한정되는 것은 아니다. 이차전지로 충전 전원을 공급한다는 것은 이차전지의 성능 평가를 위해 제1 전극 리드, 제2 전극 리드 등의 전압을 측정할 수 있을 정도의 전원을 공급하는 것으로 사용될 수 있다. 이차전지로부터 방전 전원을 공급받는다는 의미도 마찬가지로 사용될 수 있으므로 반복된 설명은 생략하도록 한다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 전지 셀의 부피 측정 장치를 이용한 전지 셀의 부피 측정 방법을 제공한다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 부피 측정 방법은 상기 전지 셀 지그에 전지 셀을 개재 한 후, 전지 셀의 부피 변화 전과 후의 무게를 각각 측정하여 전지 셀의 부피를 측정한다.
구체적인 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 부피 측정 방법은 전지 셀 지그에 전지 셀을 개재 한 후, 공기 중에서 상기 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 단계; 액체가 수용된 수조에 상기 전지 셀 지그를 수용한 후, 액체 내에서 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 단계; 및 하기 식 1에 의해 전지 셀의 부피 변화량을 계산하는 단계를 포함한다:
[식 1]
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식 1에서, V 는 전지 셀의 부피 변화량, W1은 공기 중에서 전지 셀 지그의 무게, W2는 액체 내에 수용된 전지 셀 지그의 무게, ρ는 액체의 밀도를 나타낸다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지 셀 부피 측정 방법은 아르키메데스의 원리를 이용한 것이다. 구체적으로, 수조 내에 수용된 액체에 담겨지기 전에 측정된 전지 셀의 무게와 액체에 담긴 후 전지 세의 무게 차이는 전지 셀을 액체에 담그면서 부피가 상승된 액체의 무게일 수 있다. 이때, 전지 셀을 액체에 담그면서 밀려난 액체의 무게는 부력과 동일하므로, 측정된 부력으로부터 전지 셀의 부피를 알 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 전지 셀 부피 측정 방법은 전지를 타공하는 과정 없이 전지 셀의 무게 측정만으로도 상압에서 전지 셀의 부피를 비파괴 방식으로 측정할 수 있다.
먼저, 전지 셀 지그에 전지 셀을 개재 한 후, 공기 중에서 상기 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 전지 셀이 개재된 전지 셀 지그는 용수철 저울 등의 저울을 이용하여 무게를 측정할 수 있다.
그리고, 액체가 수용된 수조에 상기 전지 셀 지그를 수용한다. 상기 수조 내에 수용되는 액체의 종류는 특별한 제한은 없으나, 예를 들어, 물을 사용할 수 있다. 또는 에탄올 등의 액체를 사용할 수 있으며, 실리콘 오일 등의 전기 절연성 액체를 사용할 수 있다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 부피 측정 방법은 액체 내에서 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 단계를 포함한다. 구체적인 예에서, 상기 액체 내에서 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 단계는 전지 셀을 충방전하는 과정을 포함한다. 상기 충방전 과정은 전지 셀과 전기적으로 연결되는 충방전부를 통해 전지 셀을 충방전시켜 전지 셀을 활성화시킬 수 있다.
그리고, 상기 액체 내에 수용된 전지 셀의 무게를 측정하여 충방전 과정을 통한 충방전 시 발생하는 내부가스의 부피를 측정할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 전지 셀의 부피 측정 방법은 공기 중에서 측정한 전지 셀의 무게와 액체 내에서 측정한 전지 셀의 무게를 이용하여 식 1에 의해 전지 셀의 부피 변화량을 계산할 수 있다.
다른 하나의 실시예에서, 상기 액체 내에 수용된 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 단계는, 액체를 소정의 온도로 가열하는 과정을 더 포함한다. 이러한 과정은 전지 셀 부피 측정 장치의 온도 조절부에 의해 수행될 수 있으며, 예를 들어 수조를 둘러싸고 있는 철판을 가열하는 방식으로 수행될 수 있다. 한편, 상기 액체의 가열 과정은 액체 내에 수용된 전지 셀의 무게를 측정하는 단계 이전에 수행되어야 한다. 액체는 써모커플과 같은 온도 측정부에 의해 그 온도가 측정될 수 있으며, 이를 통해 액체의 온도를 설정된 온도까지 가열할 수 있다.
이에 따라 본 발명에 따른 전지셀 부피 측정 방법은 상기 액체의 온도에 따른 전지셀의 부피 변화를 산출하는 단계를 더 포함한다. 예를 들어, 액체의 온도를 상온, 45℃, 60℃, 80℃로 설정하고 이 때의 전지셀의 부피를 각각 측정한 후, 온도에 따른 전지셀의 부피 변화 양상을 도출할 수 있다.
이하, 도면을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
(제1 실시형태)
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 스페이서를 포함하는 전지 셀 지그의 우측 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전지 셀 지그(100)는 1 및 제2 플레이트(120, 130); 제1 및 제2 플레이트(120, 130) 사이에 전지 셀(110)을 개재한 상태에서, 상기 제1 및 제2 플레이트(120, 130)를 서로 고정하는 볼트(140) 및 너트(150); 및 제1 및 제2 플레이트(120, 130) 사이에 위치하여 이격 거리를 지정하되, 볼트(140)를 둘러싸는 구조를 갖는 스페이서(160)를 포함한다. 이때, 상기 스페이서(160)는 스페이서(160)의 길이 방향을 따라 개방된 슬릿부(161)를 포함한다.
구체적으로, 상기 스페이서(160)는 제1 및 제2 플레이트(120, 130) 사이의 거리를 일정하게 유지시키기 위한 것으로, 볼트(140)를 둘러싸는 구조를 갖는다. 이때, 상기 슬릿부(161)는 상기 스페이서(160)의 길이 방향을 따라 일측으로부터 타측까지 개방된 구조를 갖는다. 즉, 상기 스페이서(160)는 길이 방향을 따라 개방된 구조를 갖고 있어, 아르키메데스 원리를 이용한 전지 셀(110)의 부피 측정시 스페이서(160) 내부에 물이 고이거나, 가스가 차는 것을 방지할 수 있다.
이때, 상기 스페이서(160)는 제1 및 제2 플레이트(120, 130) 사이에 개재된 전지 셀(110)의 높이와 대응되는 높이를 갖는다. 이에 따라, 제1 및 제2 플레이트(120, 130) 사이의 간격을 용이하게 조절할 수 있다. 보다 구체적으로, 사용자는 볼트(140)를 결합한 제2 플레이트(130)에 전지 셀(110)을 위치시키고, 스페이서(160)를 볼트(140)에 삽입시킨다. 그리고, 제1 플레이트(120)를 결합한 후, 너트(150)로 체결한다.
본 발명에 따른 전지 셀 지그(100)는 복수개의 볼트(140) 및 너트(150)를 포함한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 전지 셀 지그(100)는 볼트(140) 및 너트(150)를 4 내지 12개를 포함한다. 예를 들면, 상기 전지 셀 지그(100)는 볼트(140) 및 너트(150)를 10개 포함한다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니다.
아울러, 본 발명에 따른 전지 셀 지그(100)는 하나 이상의 볼트(140)에 상기 스페이서(160)가 체결된 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 각각의 볼트(140)에 동일한 높이의 스페이서(160)를 삽입시켜 위치 별 압력 편중이나 체결 오차 등을 최소화할 수 있다.
(제2 실시형태)
도 4는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 스페이서를 포함하는 전지 셀 지그의 우측 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전지 셀 지그(200)는 1 및 제2 플레이트(220, 230); 제1 및 제2 플레이트(220, 230) 사이에 전지 셀(210)을 개재한 상태에서, 상기 제1 및 제2 플레이트(220, 230)를 서로 고정하는 볼트(240) 및 너트(250); 및 제1 및 제2 플레이트(220, 230) 사이에 위치하여 이격 거리를 지정하되, 볼트(240)를 둘러싸는 구조를 갖는 스페이서(260)를 포함한다. 이때, 상기 스페이서(260)는 스페이서(260)의 길이 방향을 따라 개방된 슬릿부(261)를 포함한다.
구체적으로, 상기 스페이서(260)는 제1 및 제2 플레이트(220, 230) 사이의 거리를 일정하게 하기 위한 것으로, 볼트(240)를 둘러싸는 구조를 갖는다. 이때, 상기 슬릿부(261)는 상기 스페이서(260)의 길이 방향을 따라 일측으로부터 타측까지 개방된 구조를 갖는다.
보다 구체적으로, 상기 슬릿부(261)는 축의 중심으로부터 10 내지 70°각도 범위(Θ)를 갖는다. 상기 스페이서(260)의 단면을 기준으로 보았을 때, 상기 슬릿부(261)는 축을 중심으로 10 내지 70°각도(Θ) 개방된 구조이다. 예를 들어, 상기 슬릿부(261)는 스페이서(260)의 축을 중심으로 평균 60°개방된 구조이다. 슬릿부(261)가 상술한 각도로 개방되어 있어 전지 셀 지그(200)와 스페이서(260) 사이에 물이 고이거나 가스가 차는 것을 방지할 수 있다.
나아가, 상기 스페이서(260)를 이용하여 제1 및 제2 플레이트(220, 230) 사이의 간격을 조절할 수 있으며, 아르키메데스 원리를 이용하여 전지 셀(210)의 부피 변화를 측정할 때, 스페이서(260)는 상술한 각도로 개방되어 있어 전지 셀 지그(200)로부터 분리한 후 전지 셀(210)의 부피 변화를 측정할 수 있다.
각 구성에 대한 설명은 전술 하였으며, 각 구성에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
(제3 실시형태)
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 셀의 부피 측정 장치의 각 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전지 셀의 부피 측정 장치는 상기 전지 셀 지그(300); 내부에 액체가 수용되는 수조(370); 및 수조(370)의 외부와 내부에서 전지 셀(310)이 수납된 전지 셀 지그(300)의 무게를 각각 측정하는 저울(380)을 포함한다. 본 발명에 따른 전지 셀 부피 측정 장치는 아르키메데스 원리를 이용하여 전지 셀(310)의 부피 변화량을 측정한다. 보다 구체적으로, 전지 셀 부피 측정 장치는 수조(370) 내에 수용된 액체에 담겨지기 전에 측정된 전지 셀(310)의 무게와 액체에 담겨진 후 전지 셀(310)의 무게 차이를 계산하여 전지 셀(310)의 부피 변화량을 계산할 수 있다.
상기 수조(370)는 내부에 액체를 수용할 수 있는 공간이 형성된다. 상기 수조(370) 내에 수용되는 액체의 종류는 특별한 제한은 없으나, 예를 들어, 물을 사용할 수 있다. 또는, 에탄올 등의 액체를 사용할 수 있으며, 실리콘 오일 등의 전기 절연성 액체를 사용할 수 있다.
상기 전지 셀 지그(300)는 전지 셀(310)이 부피 측정 중 유동하는 것을 방지하기 위하여 전지 셀(310)을 고정하는 역할을 한다. 상기 전지 셀 지그(300)는 앞서 설명한 바와 같이, 제1 및 제2 플레이트(320, 330), 제1 및 제2 플레이트(320, 330) 사이에 전지 셀(310)을 개재한 상태에서, 상기 제1 및 제2 플레이트(320, 330)를 서로 고정하는 볼트(340) 및 너트(350) 및 제1 및 제2 플레이트(320, 330) 사이에 위치하여 이격 거리를 지정하되, 볼트(340)를 둘러싸는 구조를 갖는 스페이서(미도시)를 포함한다. 이때, 상기 스페이서는 길이 방향을 따라 개방된 슬릿부를 포함한다.
나아가, 저울(380)은 전지 셀(310)이 수납된 전지 셀 지그(300)의 무게를 측정하기 위한 것으로, 상기 전지 셀 지그(300)의 수조(370) 외부에서의 무게 및 액체 내에서의 무게를 측정한다. 여기서, 수조(370) 외부에서의 무게는 공기 중에서의 전지 셀 지그(300)의 무게를 의미한다. 상기 저울(380)은 무게를 측정하기 위한 통상적인 저울일 수 있다. 예를 들어, 상기 저울(380)은 용수철 저울 또는 전자 저울일 수 있다. 도면에서, 상기 저울(380)을 용수철 저울로 도시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
아울러, 본 발명에 따른 전지 셀의 부피 측정 장치는 전지 셀과 전기적으로 연결되는 충방전부(390)를 더 포함한다. 상기 충방전부(390)는 전지 셀(310)의 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 충방전을 통해 전지 셀을 활성화 시킬 수 있다. 이때, 충방전부(390)는 충방전 라인(미도시)을 통해 전지 셀(310)의 전극 리드와 전기적으로 연결될 수 있다.
그리고, 상기 액체 내에 수용된 전지 셀(310)의 무게를 측정하여 충방전 과정을 통한 충방전 시 발생하는 내부가스의 부피를 측정할 수 있다.
아울러, 본 발명은 앞서 설명한 전지 셀의 부피 측정 장치를 이용한 전지 셀의 부피 측정 방법을 제공한다. 구체적인 예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 부피 측정 방법은 전지 셀 지그에 전지 셀을 개재 한 후, 전지 셀의 부피 변화 전과 후의 무게를 각각 측정하여 전지 셀의 부피를 측정한다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지 셀의 부피 측정 방법은 아르키메데스 원리를 이용한다. 이하, 상세히 설명한도록 한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 셀의 부피 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 전지 셀의 부피 측정 방법은 전지 셀 지그에 전지 셀을 개재 한 후, 공기 중에서 상기 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 단계(S10); 액체가 수용된 수조에 상기 전지 셀 지그를 수용한 후, 액체 내에서 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 단계(S20); 및 하기 식 1에 의해 전지 셀의 부피 변화량을 계산하는 단계(S30)를 포함한다:
[식 1]
V=(W1-W2)/ρ
식 1에서, V 는 전지 셀의 부피 변화량, W1은 공기 중에서 전지 셀 지그의 무게, W2는 액체 내에 수용된 전지 셀 지그의 무게, ρ는 액체의 밀도를 나타낸다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지 셀 부피 측정 방법은 아르키메데스의 원리를 이용한 것이다. 구체적으로, 수조 내에 수용된 액체에 담겨지기 전에 측정된 전지 셀의 무게와 액체에 담긴 후 전지 세의 무게 차이는 전지 셀을 액체에 담그면서 부피가 상승된 액체의 무게일 수 있다. 이때, 전지 셀을 액체에 담그면서 밀려난 액체의 무게는 부력과 동일하므로, 측정된 부력으로부터 전지 셀의 부피를 알 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 전지 셀 부피 측정 방법은 전지를 타공하는 과정 없이 전지 셀의 무게 측정만으로도 상압에서 전지 셀의 부피를 비파괴 방식으로 측정할 수 있다.
구체적으로, 공기 중에서 전지 셀을 개재한 전지 셀 지그의 무게(W1)를 측정하였고, 에탄올에 전지 셀을 담근 상태에서 충방전 과정을 수행한 후, 액체 내에 수용된 전지 셀 지그의 무게(W2)를 측정하였다.
이때, 공기 중에서 전지 셀 지그의 무게(W1)는 110g 이였으며, 액체 내에 수용된 전지 셀 지그의 무게(W2)는 110g 이였다. 에탄올의 밀도를 ρ= 0.789g/cm3 이라고 하고, 전지 셀의 부피 변화량을 V 라고 한다면, 전지 셀의 무게 변화량은 밀려난 에탄올의 무게와 같고, 밀려난 에탄올의 부피는 가스 발생으로 인한 전지 셀의 부피 변화량 즉, V와 같으므로, 정리하면, ρ 는 밀려난 에탄올의 무게/밀려난 에탄올의 부피이다. 이때, 밀려난 에탄올의 부피는 밀려난 에탄올의 무게/ρ 이므로, V는 (110-100)/0.789으로 계산될 수 있다. 즉, 전지 셀의 부피 변화량 약 12.674 cm3 이다.
이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 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.
[부호의 설명]
10, 100, 200, 300: 전지 셀 지그
11, 110, 210, 310: 전지 셀
12, 120, 220, 320: 제1 플레이트
13, 130, 230, 330: 제2 플레이트
14, 140, 240, 340: 볼트
15, 150, 250, 350: 너트
16, 160, 260: 스페이서
161, 261: 슬릿부
370: 수조
380: 저울
390: 충방전부

Claims (14)

  1. 제1 및 제2 플레이트;
    제1 및 제2 플레이트 사이에 전지 셀을 개재한 상태에서, 상기 제1 및 제2 플레이트를 서로 고정하는 볼트 및 너트; 및
    제1 및 제2 플레이트 사이에 위치하여 이격 거리를 지정하되, 볼트를 둘러싸는 구조를 갖는 스페이서를 포함하며,
    상기 스페이서는, 스페이서의 길이 방향을 따라 개방된 슬릿부를 포함하는 전지 셀 지그.
  2. 제 1 항에 있어서,
    스페이서의 슬릿부는, 길이 방향을 따라 일측으로부터 타측까지 개방된 구조인 전지 셀 지그.
  3. 제 1 항에 있어서,
    스페이서의 슬릿부는, 축의 중심으로부터 10 내지 70°각도 범위를 갖는 구조인 전지 셀 지그.
  4. 제 1 항에 있어서,
    스페이서는, 제1 및 제2 플레이트 사이에 개재된 전지 셀의 높이와 대응되는 높이를 갖는 전지 셀 지그.
  5. 제 1 항에 있어서,
    전지 셀 지그는, 볼트 및 너트를 4 내지 12개 포함하며,
    하나 이상의 볼트에 상기 스페이서가 체결된 구조를 갖는 전지 셀 지그.
  6. 제 1 항에 따른 전지 셀 지그;
    내부에 액체가 수용되는 수조; 및
    수조의 외부와 내부에서 전지 셀이 수납된 전지 셀 지그의 무게를 각각 측정하는 저울을 포함하는 전지 셀의 부피 측정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    전지 셀과 전기적으로 연결되는 충방전부를 더 포함하는 전지 셀의 부피 측정 장치.
  8. 제 1 항에 따른 전지 셀 지그에 전지 셀을 개재 한 후, 전지 셀의 부피 변화 전과 후의 무게를 각각 측정하여 전지 셀의 부피를 측정하는 것을 특징으로 하는 전지 셀의 부피 측정 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    전지 셀 지그에 전지 셀을 개재 한 후, 공기 중에서 상기 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 단계;
    액체가 수용된 수조에 상기 전지 셀 지그를 수용한 후, 액체 내에서 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 단계; 및
    하기 식 1에 의해 전지 셀의 부피 변화량을 계산하는 단계를 포함하는 전지 셀의 부피 측정 방법:
    [식 1]
    Figure PCTKR2021011516-appb-img-000003
    식 1에서, V 는 전지 셀의 부피 변화량, W1은 공기 중에서 전지 셀 지그의 무게, W2는 액체 내에 수용된 전지 셀 지그의 무게, ρ는 액체의 밀도를 나타낸다.
  10. 제 9 항에 있어서,
    액체 내에 수용된 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 단계에서, 전지 셀을 충방전하는 과정을 포함하는 전지 셀의 부피 측정 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    공기 중에서 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 단계 및 액체 내에서 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 단계는,
    용수철 저울을 이용하여 상기 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 것인 전지 셀의 부피 측정 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    액체 내에 수용된 전지 셀 지그의 무게를 측정하는 단계는, 액체를 소정의 온도로 가열하는 과정을 포함하는 전지 셀의 부피 측정 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    전지 셀의 부피 변화량을 계산하는 단계는, 액체의 온도에 따른 전지 셀의 부피 변화를 산출하는 과정을 포함하는 전지 셀의 부피 측정 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    수조 내에 수용되는 액체는, 물, 에탄올 또는 실리콘 오일인 것을 특징으로 하는 전지 셀의 부피 측정 방법.
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