WO2023033522A1 - Tdr을 이용한 전지셀의 내부 결함 검출장치 및 방법 - Google Patents

Tdr을 이용한 전지셀의 내부 결함 검출장치 및 방법 Download PDF

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WO2023033522A1
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battery cell
electric pulse
electrode
tdr
waveform
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조인환
박상대
이주미
김주영
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for detecting internal defects of a battery cell using a TDR.
  • secondary batteries capable of charging and discharging have been widely used as energy sources for wireless mobile devices.
  • secondary batteries are attracting attention as an energy source for electric vehicles, hybrid electric vehicles, etc., which are proposed as a solution to air pollution such as existing gasoline vehicles and diesel vehicles using fossil fuels. Therefore, the types of applications using secondary batteries are diversifying due to the advantages of secondary batteries, and it is expected that secondary batteries will be applied to more fields and products than now.
  • These secondary batteries are sometimes classified into lithium ion batteries, lithium ion polymer batteries, lithium polymer batteries, etc., depending on the composition of electrodes and electrolytes. It is increasing.
  • secondary batteries include a cylindrical battery and a prismatic battery in which the electrode assembly is embedded in a cylindrical or prismatic metal can, and a pouch type in which the electrode assembly is embedded in a pouch-type case of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the battery case.
  • the electrode assembly which is classified as a battery and is embedded in a battery case, is a power generating device capable of charging and discharging, consisting of a positive electrode, a negative electrode, and a separator structure interposed between the positive electrode and the negative electrode.
  • a jelly-roll type in which a separator is wound on the surface
  • a stack type in which a plurality of positive and negative electrodes of a predetermined size are sequentially stacked in a state in which a separator is interposed.
  • the positive electrode and the negative electrode are formed by applying a positive electrode slurry containing a positive electrode active material and a negative electrode slurry including a negative electrode active material to a positive electrode current collector and a negative electrode current collector, respectively, and then drying and rolling the same.
  • an electrode tab is formed on one side of the electrode assembly to connect the battery cell to the outside, and an electrode lead is welded to the electrode tab.
  • the electrode lead is drawn out of the battery case.
  • disconnection due to cracks in the electrode tab may occur due to a difference in elongation between the holding part and the uncoated part, and a physical external force due to welding.
  • various defects such as poor welding between electrode tabs and electrode leads, cracks at the boundary between the uncoated portion and the holding portion that occur during the electrode tab formation process, dendrite growth that causes internal short circuits, and damage to the separator that may occur during the assembly process are various. can occur on location.
  • assembling a battery module or a battery pack including the defects causes a problem in that performance is greatly deteriorated, so it is important to detect them in advance and distinguish them from normal battery cells.
  • a CT inspection method, an X-ray inspection method, or an eddy current inspection method has been used as a non-destructive inspection method.
  • the conventional method described above is capable of detecting internal defects, but takes some inspection time, is very inefficient in terms of the process, and has a problem in that inspection accuracy is not high.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a battery cell internal defect detection device and method capable of quickly and accurately detecting various internal defects of a battery cell in an actual mass production process.
  • An apparatus for detecting internal defects of a battery cell has a structure in which an electrode assembly having at least one or more electrode tabs formed on one or both sides thereof is accommodated in a battery case, and the electrode tab is connected to an electrode lead drawn out of the battery case
  • a battery cell having a TDR (Time Domain Reflectometry) module for applying an electric pulse to the inside of the battery cell and detecting a reflected wave of the electric pulse and comparing a measurement waveform generated by detecting a defect with a reference waveform ; and a signal line electrically connecting the TDR module and the electrode lead of the battery cell, wherein the electric pulse is applied along the longitudinal direction of the battery cell.
  • TDR Time Domain Reflectometry
  • the TDR module the electric pulse generator for generating an electric pulse applied to the inside of the battery cell; a reflected wave detector detecting a reflected wave of the electric pulse; and a determination unit that generates a measurement waveform through the reflected wave of the electric pulse sensed by the reflected wave detector, compares the measured waveform with a reference waveform, and determines that a defect has occurred when an offset occurs.
  • the change rate of the impedance represented by the measurement waveform compared to the reference waveform is 10% or more, it can be determined as an offset of defect occurrence.
  • the region of the battery cell is a welding part in which the electrode tab of the battery cell and the electrode lead are joined by welding, an electrode tab part in which the electrode tab is located, a holding part in which an electrode active material is applied, and a boundary portion that is a boundary area between the electrode tab portion and the holding portion.
  • the reference waveform may be a measurement waveform generated by detecting a reflected wave reflected by applying an electric pulse into the normal battery cell.
  • the TDR module may include a first TDR module for applying an electric pulse signal through a first electrode lead; and a second TDR module for sequentially applying an electric pulse signal through a second electrode lead, wherein the signal line comprises: a first signal line electrically connecting the first electrode lead and the first TDR module; and a second signal line electrically connecting the second electrode lead and the second TDR module.
  • a ground line electrically connecting the TDR module and the ground surface on which the battery cell is disposed.
  • the battery cell may be disposed parallel to the ground plane in the longitudinal direction.
  • a fixing member for fixing the electrode lead of the battery cell may be further included.
  • the present invention provides a method for detecting internal defects of a battery cell.
  • a method for detecting internal defects of a battery cell includes applying an electric pulse to the inside of a battery cell by a TDR module through a signal line electrically connected to an electrode lead of the battery cell; Generating a measurement waveform by detecting, by a TDR module, a reflected wave generated as the electric pulse propagates along the length direction of the battery cell through a signal line; and comparing the measurement waveform generated by the TDR module with a reference waveform to detect whether or not a defect has occurred.
  • the TDR module compares the measured waveform with a reference waveform and an offset occurs, it may be determined that a defect has occurred.
  • the TDR module may compare a measurement waveform and a reference waveform generated for each region of a battery cell divided along the length direction of the battery cell to determine whether a defect occurs for each region.
  • the area of the battery cell includes a welding portion in which the electrode tab of the battery cell and the electrode lead are joined by welding, an electrode tab portion in which the electrode tab is located, a holding portion in which an electrode active material is applied, and the electrode tab and holding portion.
  • a boundary portion that is a negative boundary area may be included.
  • the TDR module applying an electric pulse to the inside of the battery cell through the signal line connected to the electrode lead of the normal battery cell; Generating a measurement waveform by receiving, by a TDR module, a reflected wave generated as the electric pulse propagates along the length direction of the normal battery cell through a signal line; and setting the measurement waveform as a reference waveform.
  • TDR Time Domain Reflectometry
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a general battery cell.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an internal defect detection device and measurement waveforms of a battery cell according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of a TDR module according to one embodiment of the present invention.
  • 4A and 4B are schematic diagrams showing an internal defect detection device and measurement waveforms of a battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a sequence of a method for detecting internal defects of a battery cell according to one embodiment of the present invention.
  • 6A to 6D are graphs showing measurement waveforms generated by the device for detecting internal defects of a battery cell according to the embodiment of FIG. 2 .
  • being disposed "on” may include the case of being disposed at the bottom as well as at the top.
  • the "length direction” of the battery cell means the direction in which the electrode tab is withdrawn
  • the "width direction” means a direction perpendicular to the length direction
  • An apparatus for detecting internal defects of a battery cell has a structure in which an electrode assembly having at least one or more electrode tabs formed on one or both sides thereof is accommodated in a battery case, and the electrode tab is connected to an electrode lead drawn out of the battery case
  • a battery cell having a TDR (Time Domain Reflectometry) module for applying an electric pulse into the battery cell and comparing a measurement waveform generated by detecting a reflected wave of the electric pulse with a reference waveform to detect whether a defect occurs; and a signal line electrically connecting the TDR module and the electrode lead of the battery cell, wherein the electric pulse is applied along the longitudinal direction of the battery cell.
  • TDR Time Domain Reflectometry
  • the conventional method for detecting internal defects of a battery cell has a problem in that it takes some inspection time, is very inefficient in the process, and is difficult to apply to the actual process because the inspection accuracy is not high.
  • the present invention is characterized by using a TDR module capable of detecting internal defects of a battery cell through a measurement waveform generated by applying an electric pulse through an electrode lead of the battery cell and detecting a reflected wave of the electric pulse.
  • a TDR module capable of detecting internal defects of a battery cell through a measurement waveform generated by applying an electric pulse through an electrode lead of the battery cell and detecting a reflected wave of the electric pulse.
  • the electric pulse propagates along the length direction of the battery cell, it provides an advantage of detecting internal defects in various regions of the battery cell divided along the length direction of the battery cell.
  • the principle of detecting whether or not a defect has occurred by the TDR module is to use the fact that a reflection phenomenon occurs when an electric pulse traveling along the length of a battery cell reaches a place where an impedance change occurs inside the battery cell. That is, when there is an internal defect in the battery cell, since the change in impedance appears differently, the generation time and arrival time of the reflected wave by the electric pulse are different. Using this point, it is possible to determine whether a battery cell has a defect and a location where a defect occurs by deriving and comparing measurement waveforms for impedance over time from the reflected wave.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a general battery cell.
  • an electrode assembly 20 having at least one electrode tab 30 or 40 formed on one or both sides thereof is accommodated in a battery case 10, and the electrode tab 30, 40) is a structure connected to the electrode leads 31 and 41 drawn out of the battery case 10.
  • the electrode leads 31 and 41 include a positive lead 31 and a negative lead 41, and the positive lead 31 and the negative lead 41 are opposite to each other in the battery case 10. It may be withdrawn, but the structure is not limited thereto. Since the electrode assembly and elements constituting the electrode assembly are known to those skilled in the art, a detailed description thereof will be omitted.
  • Figure 2 is a schematic diagram showing the internal defect detection device 100 of the battery cell according to the first embodiment of the present invention and the measured waveform.
  • 3 is a block diagram showing the configuration of the TDR module 110 according to the first embodiment of the present invention.
  • an electrode assembly 20 having at least one or more electrode tabs 30 and 40 formed on both sides is accommodated in a battery case 10 And, with respect to a battery cell having a structure in which the electrode tabs 30 and 40 are connected to the electrode leads 31 and 41 drawn out of the battery case 10, an electric pulse is applied to the inside of the battery cell, TDR module 110 for detecting whether a defect has occurred by comparing a measurement waveform generated by detecting a reflected wave of an electric pulse with a reference waveform; and a signal line 120 electrically connecting the TDR module 110 and the electrode lead 31 of the battery cell. At this time, as the electric pulse propagates along the longitudinal direction of the battery cell, a reflected wave is generated.
  • FIG. 2 shows a case in which the TDR module 110 applies an electric pulse signal through the anode lead 31 .
  • the TDR module applies an electric pulse signal through the cathode lead 41, and in this case, the TDR module is electrically connected to the cathode lead 41 through a signal line.
  • the TDR module 110 serves to detect whether a defect has occurred by generating an electric pulse and generating a measurement waveform through a reflected wave.
  • the TDR module 110 includes an electric pulse generator 111 for generating an electric pulse applied to the inside of the battery cell; a reflected wave detector 112 for detecting a reflected wave of the electric pulse; and a determination unit 113 that generates a measurement waveform through the reflected wave of the electrical pulse detected by the reflected wave detector 112, compares the measured waveform with a reference waveform, and determines that a defect has occurred when an offset occurs; includes
  • the electric pulse generator 111 may generate an electric pulse and apply it to the inside of the battery cell at predetermined time intervals.
  • the time during which the electric pulse travels back and forth to the location of the defect may be determined as the predetermined time interval.
  • the predetermined time interval is a negative lead to which the TDR module 110 is not connected from the TDR module 110 applying the electric pulse ( 41).
  • the reflected wave detector 112 may detect a reflected wave reflected by various internal components of the battery cell while the electric pulse signal applied by the electric pulse generator 111 propagates along the length direction of the battery cell and returns. That is, by measuring the reflected wave of the electric pulse, it is possible to check the change in impedance value generated while the electric pulse applied to the inside of the battery cell by the TDR module 110 reciprocates inside the battery cell.
  • the determination unit 113 generates a measurement waveform through the reflected wave of the electric pulse detected by the reflected wave detector 112 .
  • the measured waveform expresses the impedance of the reflected signal of the electric pulse as a value over time.
  • a measurement waveform with time as the horizontal axis and impedance as the vertical axis can be generated.
  • the measured waveform shown in FIG. 2 is also expressed as an impedance (Z) value over time.
  • the determining unit 113 may compare the generated measurement waveform with the reference waveform and determine that a defect occurs when an offset occurs.
  • the case where the offset occurs is a case where the measurement waveform and the reference waveform do not match, and refers to a case where the impedance change ratio of the reference waveform to the measurement waveform is 10% or more.
  • the reference waveform may be a measurement waveform generated by applying an electric pulse to the inside of a normal battery cell and detecting a reflected wave of the electric pulse.
  • an offset occurs by generating a measurement waveform for a battery cell to be detected in the same manner as a normal battery cell and comparing it with the reference waveform, it is determined that a defect has occurred.
  • the TDR module 110 for applying the electric pulse reciprocates from the negative electrode lead 41 to which the TDR module 110 is not connected.
  • the electric pulse was applied at predetermined time intervals.
  • FIG. 2 it was possible to generate measurement waveforms for each area of the battery cell divided along the length direction of the battery cell.
  • the region of the battery cell includes a welding portion (a) in which the electrode tab 30 of the battery cell and the electrode lead 31 are joined by welding, an electrode tab portion (b) where the electrode tab 30 is located, and an electrode active material. It includes a holding part (d) which is an applied area, and a boundary part (c) which is a boundary area between the electrode tab part and the holding part.
  • the signal line 120 serves to electrically connect the TDR module 110 and the battery cell through the electrode lead 31.
  • the electric pulse generated by the electric pulse generator 111 of the TDR module 110 passes through the signal line 120 and is applied to the inside of the electric cell through the electrode lead 31 of the electric cell.
  • the reflected wave generated inside the battery cell from the applied electric pulse is also transmitted to the reflected wave detector 112 of the TDR module 110 by sequentially passing through the electrode lead 31 and the signal line 120 of the battery cell.
  • the battery cell is disposed on the ground plane 131, and the ground plane 131 and the TDR module 110 are electrically connected by the ground line 130.
  • the ground plane 131 and the ground line 130 it is possible to prevent a safety problem that may occur when an electric pulse propagates to the outside instead of inside the battery cell due to an unexpected cause. That is, the TDR module 110 can safely apply an electric pulse into the battery cell.
  • the battery cell may be disposed parallel to the ground surface 131 in the longitudinal direction. If the battery cell is not disposed parallel to the ground plane 131, it is difficult to accurately apply the electric pulse from the TDR module 110 in the longitudinal direction of the battery cell, and it may be difficult to generate an accurate measurement waveform. That is, when the battery cells are disposed parallel to the ground plane 131 in the longitudinal direction, the accuracy of detecting internal defects of the battery cells can be increased.
  • the battery cell may be stably fixed by further including a fixing member 140 to fix the electrode leads 31 and 41 of the battery cell.
  • a fixing member 140 for fixing the electrode leads 31 and 41 to the space between the ground plane 131 and the electrode leads 31 and 41 is further included so that the connection between the battery cell and the TDR module 110 is disconnected.
  • a fixing member 140 is provided in a space between the ground surface 131 and the electrode leads 31 and 41 to support the lower surfaces of the electrode leads 31 and 41 .
  • the fixing member 140 is not particularly limited as long as it has a shape capable of fixing the electrode leads 31 and 41 .
  • it may be provided in a shape protruding from the ground surface 131 to support both sides of the electrode leads 31 and 41 .
  • FIGS. 4A and 4B are schematic diagrams showing an internal defect detection device 100 'of a battery cell according to a second embodiment of the present invention and measurement waveforms.
  • FIG. 4A shows that an electric pulse is applied from the first TDR module 110a connected to the anode lead 31 through the first signal line 120a and a measurement waveform is generated through a reflected wave of the electric pulse.
  • FIG. 4B shows that an electric pulse is applied from the second TDR module 110b connected to the cathode lead 41 through the second signal line 120b, and a measurement waveform is generated through a reflected wave of the electric pulse.
  • the measured waveforms shown in FIGS. 4A and 4B are expressed as impedance (Z) values over time.
  • the TDR module 110 of the internal defect detection device 100' of the battery cell of the present embodiment is configured through the first TDR module 110a applying an electric pulse through the positive electrode lead 31 and the negative electrode lead 41. and a second TDR module 110b for sequentially applying electric pulse signals, and the signal line 120 is a first signal line 120a electrically connecting the anode lead 31 and the first TDR module 110a. ; and a second signal line 120b electrically connecting the cathode lead 41 and the second TDR module 110b. That is, the first TDR module 110a and the second TDR module 110b electrically connected to the positive lead 31 and the negative lead 41 through the first signal line 120a and the second signal line 120b, respectively. It differs in that electric pulses are applied in this sequence.
  • components common to those in the first embodiment are given common reference numerals, and detailed descriptions thereof will be omitted.
  • the first TDR module 110a to which the positive lead 31 is electrically connected through the first signal line 120a but also the negative lead 41 is electrically connected through the second signal line 120b.
  • 2 TDR module (110b) is further included.
  • the second TDR module 110b sequentially applies the electric pulse through the negative lead 41.
  • the electric pulse applied by the first TDR module 110a and the electric pulse applied by the second TDR module 110b cause interference, making it difficult to form an accurate measurement waveform.
  • electrical pulses may be applied to the positive lead 31 to detect defects in all regions of the positive electrode along the length direction of the battery cell.
  • the positive electrode welding portion a1 which is an area where the positive electrode tab 30 of the battery cell and the positive electrode lead 31 are joined by welding
  • the positive electrode tab portion where the positive electrode tab 30 is located ( b1)
  • defects occurring in the positive electrode holding portion d1 which is the area coated with the positive electrode active material
  • the positive electrode boundary portion c1 which is the boundary between the positive electrode tab portion b1 and the positive electrode holding portion d1
  • the negative electrode welding portion a2 which is an area where the negative electrode tab 40 of the battery cell and the negative electrode lead 41 are joined by welding, and the negative electrode tab portion where the negative electrode tab 40 is located ( b2), the negative electrode holding part d2, which is the area coated with the negative electrode active material, and the negative electrode boundary part c1, which is the boundary between the negative electrode tab part b2 and the negative electrode holding part d2, can be detected.
  • the first TDR module 110a first applies the electric pulse to the anode and then the second TDR module 110b applies the electric pulse to the cathode has been described.
  • the order of applying the electric pulse is not particularly limited, and it is also possible to first apply the electric pulse to the cathode and then apply the electric pulse to the anode.
  • the present invention provides a method for detecting internal defects of a battery cell.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a sequence of a method for detecting internal defects of a battery cell according to one embodiment of the present invention.
  • a reference waveform serving as a criterion for determining whether a defect is detected is generated.
  • the TDR module applies an electric pulse to the inside of the battery cell through a signal line electrically connected to the electrode lead of the normal battery cell (S10); generating a measurement waveform by detecting, by a TDR module, a reflected wave generated as the electric pulse propagates along the longitudinal direction of the battery cell through a signal line (S20); and setting the measurement waveform as a reference waveform (S30).
  • the measurement waveform of the battery cell to be detected is generated in the same way as generating the reference waveform for the normal battery cell.
  • the TDR module applies an electric pulse to the inside of the battery cell through a signal line electrically connected to the electrode lead of the battery cell to be detected (S40); generating a measurement waveform by detecting, by a TDR module, a reflected wave generated as the electric pulse propagates along the length direction of the battery cell through a signal line (S50); and comparing the measurement waveform generated by the TDR module with a reference waveform to detect whether or not a defect has occurred (S60).
  • the TDR module compares the measured waveform with the reference waveform and determines that a defect has occurred if an offset has occurred.
  • the TDR module compares a measured waveform and a reference waveform generated for each region of the battery cell divided along the length direction of the battery cell to determine whether a defect occurs for each region of the battery cell.
  • the area of the battery cell includes a welding portion where the electrode tab of the battery cell and an electrode lead are joined by welding, an electrode tab portion where the electrode tab is located, a holding portion where an electrode active material is applied, and a boundary between the electrode tab and the holding portion. It may include a boundary that is an area.
  • An electrode assembly having a plurality of positive electrode tabs formed on one side and a plurality of negative electrode tabs formed on the other side is accommodated in a battery case, and the positive and negative electrode tabs are respectively connected to positive and negative electrode leads drawn out of the battery case.
  • a normal battery cell was prepared.
  • a battery cell was manufactured in the same manner as in the reference example, except that only some of the plurality of positive electrode tabs were welded to the positive electrode lead and a defect was added to the welding portion, which is a region where the electrode tab and the electrode lead were joined by welding.
  • a battery cell was manufactured in the same manner as in Reference Example, except that a crack was generated in at least one of the plurality of positive electrode tabs by applying an external impact to the positive electrode tab portion where the plurality of positive electrode tabs were located.
  • a battery cell was manufactured in the same manner as in the reference example, except that a portion of the positive electrode active material located at the boundary between the positive electrode tab and the positive electrode holding portion, which is an area coated with the positive electrode active material, was removed.
  • a battery cell was manufactured in the same manner as in the reference example, except that an internal short circuit between the positive electrode and the negative electrode was caused by penetrating the holding portion, which is the region where the positive electrode active material was applied, with a nail.
  • the measurement waveform of the normal battery cell of the example was generated by the defect detection device of the battery cell of the first embodiment shown in FIG. 2 and set as a reference waveform. Measurement waveforms of the battery cells of Comparative Examples 1 to 4 were generated in the same manner and compared with the reference waveform. At this time, the reference waveform and measurement waveform are represented as impedance values over time.
  • FIG. 6A shows a comparison between the measured waveform of the battery cell of Comparative Example 1 and the reference waveform using the battery cell defect detection device 100 of the first embodiment. As shown in FIG. 6A, it was confirmed that a measurement waveform having a difference of 10% or more in impedance value compared to the reference waveform appeared at the welded part (a) of the battery cell. Through this, it was possible to detect that the battery cell of Comparative Example 1 had a defect in the welding portion (a).
  • FIG. 6B shows a comparison between the measured waveform of the battery cell of Comparative Example 2 and the reference waveform using the battery cell defect detection device 100 of the first embodiment. As shown in FIG. 6B, it was confirmed that a measurement waveform having a difference of 10% or more in impedance value compared to the reference waveform appeared in the electrode tab part (b) of the battery cell. Through this, it was possible to detect that the battery cell of Comparative Example 2 had a defect in the electrode tab part (b).
  • FIG. 6C shows a comparison between the measured waveform of the battery cell of Comparative Example 3 and the reference waveform using the battery cell defect detection device 100 of the first embodiment. As shown in FIG. 6C, it was confirmed that a measurement waveform having a difference of 10% or more in impedance value compared to the reference waveform appeared at the boundary portion (c) of the battery cell. Through this, it was possible to detect that the battery cell of Comparative Example 3 had a defect at the boundary portion (c).
  • FIG. 6D shows a comparison between the measured waveform of the battery cell of Comparative Example 4 and the reference waveform using the battery cell defect detection device of the first embodiment. As shown in FIG. 6D, it was confirmed that a measurement waveform having a difference of 10% or more in impedance value compared to the reference waveform appeared in the holding part (d) of the battery cell. Through this, it was possible to detect that the battery cell of Comparative Example 4 had a defect in the holding part (d).
  • TDR Time Domain Reflectometry

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Abstract

본 발명은 전지셀의 내부 결함 검출 장치에 관한 것으로, 상기 전지셀 내부로 전기 펄스를 인가하고, 상기 전기 펄스의 반사파를 감지하여 생성되는 측정파형을 기준파형과 비교하여 결함 발생 여부를 검출하는 TDR(Time Domain Reflectometry) 모듈; 및 상기 TDR 모듈과 전지셀의 전극리드를 전기적으로 연결하는 신호선;을 포함하되, 상기 전기 펄스는 전지셀의 길이 방향을 따라 전파되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 전지셀의 내부 결함 검출 방법에 관한 것이다.

Description

TDR을 이용한 전지셀의 내부 결함 검출장치 및 방법
본 발명은 TDR을 이용한 전지셀의 내부 결함 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
보다 상세하게는, TDR을 이용하여 전지셀 내부의 다양한 영역에서 발생할 수 있는 결함을 신속하고 정확하게 검출할 수 있는 전지셀의 내부 결함 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 출원은 2021.08.31 자 한국 특허 출원 제10-2021-0115841호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
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 애플리케이션의 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 각 형의 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.
상기 양극 및 음극은 각각 양극 집전체 및 음극 집전체에 양극 활물질을 포함하는 양극 슬러리 및 음극 활물질을 포함하는 음극 슬러리를 도포한 후, 이를 건조 및 압연하여 형성된다.
한편, 상기 전극 조립체에는 전지셀과 외부와의 연결을 위하여 일측에 전극탭이 형성되며, 상기 전극 탭에는 전극리드가 용접된다. 전극리드는 전지 케이스의 외부로 인출된다.
그런데, 전극의 제조 공정 및 전극 조립체의 조립 공정 중에는 전지셀 내에 다양한 결함이 발생할 수 있다.
구체적으로, 유지부와 무지부의 연신율 차이, 용접에 의한 물리적 외력 등의 이유로 전극 탭에 균열로 인한 단선이 발생할 수 있다. 또한, 전극탭과 전극리드간의 용접 불량, 전극탭 형성과정에서 발생하는 무지부와 유지부 경계의 균열, 내부 단락의 원인이 되는 덴드라이트 성장, 조립 공정 시 발생할 수 있는 분리막 손상 등 다양한 결함이 다양한 위치에서 발생할 수 있다.
상기와 같은 결함이 발생하는 경우, 이를 포함하는 전지 모듈이나 전지 팩을 조립하면 성능이 크게 저하되는 문제점이 나타나므로, 이를 사전에 검출하여 정상 전지셀과 구분하는 것이 중요하다. 종래에는 비파괴 검사 방법으로 CT 검사법, X-레이 검사법 또는 와전류 검사법 등을 사용했다. 하지만, 상기의 종래 방법은 내부 결함의 검출은 가능하나 검사 시간이 다소 소요되어, 공정상 매우 비효율적이고 검사 정확도도 높지 않다는 문제점이 있다.
따라서, 실제 양산 과정에서 내부 결함이 있는 전지셀을 피바괴적인 방법으로 검사하면서도, 빠르고 정확하게 검출해낼 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
일본 공개특허공보 특개 제2020-165859호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 만들어진 것으로서, 실제 양산 과정에서 신속하고 정확하게 전지셀의 다양한 내부 결함을 검출할 수 있는 전지셀 내부 결함의 검출 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 전지셀의 내부 결함 검출 장치는, 일측 또는 양측에 각각 적어도 하나 이상의 전극 탭들이 형성된 전극 조립체가 전지 케이스 내에 수납되고, 상기 전극 탭이 전지 케이스의 외부로 인출된 전극리드에 연결된 구조를 갖는 전지셀에 대한 것으로서, 상기 전지셀 내부로 전기 펄스를 인가하고, 상기 전기 펄스의 반사파를 감지하여 생성되는 측정파형을 기준파형과 비교하여 결함 발생 여부를 검출하는 TDR(Time Domain Reflectometry) 모듈; 및 상기 TDR 모듈과 전지셀의 전극리드를 전기적으로 연결하는 신호선;을 포함하되, 상기 전기 펄스는 전지셀의 길이 방향을 따라 인가되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로서, 상기 TDR 모듈은, 상기 전지셀 내부로 인가되는 전기 펄스를 생성하는 전기 펄스 생성기; 상기 전기 펄스의 반사파를 감지하는 반사파 감지기; 및 상기 반사파 감지기가 감지한 전기 펄스의 반사파를 통해 측정파형을 생성하고, 상기 측정파형을 기준파형과 비교하여 오프셋(offset)이 발생한 경우 결함이 발생한 것으로 판정하는 판정부;를 포함한다.
상기 기준파형 대비 측정파형이 나타내는 임피던스의 변화율이 10% 이상일 때, 결함 발생의 오프셋으로 판정할 수 있다.
한편, 전지셀의 길이 방향을 따라 구분되는 전지셀의 영역별로 생성된 측정파형을 기준파형과 비교하여, 상기 전지셀의 영역별로 결함 발생 여부를 검출할 수 있다.
이때, 상기 전지셀의 영역은 상기 전지셀의 영역은 전지셀의 전극탭과 전극리드가 용접에 의해 접합된 영역인 용접부, 전극탭이 위치하는 전극탭부, 전극 활물질이 도포된 영역인 유지부, 및 상기 전극탭부와 유지부의 경계 영역인 경계부를 포함한다.
구체적으로, 상기 기준파형은 정상 전지셀 내부로 전기 펄스를 인가하여 반사된 반사파를 감지하여 생성되는 측정파형일 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 TDR 모듈은, 제1 전극리드를 통해 전기 펄스 신호를 인가하는 제1 TDR 모듈; 및 제2 전극리드를 통해 전기 펄스 신호를 순차 인가하는 제2 TDR 모듈;를 포함하고, 상기 신호선은, 제1 전극리드와 제1 TDR 모듈을 전기적으로 연결하는 제1 신호선; 및 제2 전극리드와 제2 TDR 모듈을 전기적으로 연결하는 제2 신호선을 포함한다.
하나의 예로서, 상기 TDR 모듈과 전지셀이 상부에 배치되는 접지면을 전기적으로 연결하는 접지선;을 더 포함할 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 전지셀은 길이방향으로 접지면과 평행하게 배치될 수 있다.
다른 하나의 예로서, 상기 전지셀의 전극리드를 고정시키기 위한 고정부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 전지셀의 내부 결함 검출 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 전지셀의 내부 결함 검출 방법은 전지셀의 전극리드와 전기적으로 연결된 신호선을 통해 TDR 모듈이 전지셀의 내부로 전기 펄스를 인가하는 단계; 상기 전기 펄스가 전지셀의 길이 방향을 따라 전파되면서 발생한 반사파를 TDR 모듈이 신호선을 통해 감지하여 측정파형을 생성하는 단계; 및 상기 TDR 모듈이 생성한 측정파형을 기준파형과 비교하여 결함 발생 여부를 검출하는 단계;를 포함한다.
이때, 상기 결함 발생 여부를 검출하는 단계에서, TDR 모듈이 상기 측정파형을 기준파형과 비교하여 오프셋이 발생한 경우, 결함이 발생한 것으로 판정할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 TDR 모듈이 전지셀의 길이 방향을 따라 구분되는 전지셀의 영역별로 생성된 측정파형과 기준파형을 비교하여, 상기 영역별로 결함 발생 여부를 판정할 수 있다. 이때, 상기 전지셀의 영역은 전지셀의 전극탭과 전극리드가 용접에 의해 접합된 영역인 용접부, 전극탭이 위치하는 전극탭부, 전극 활물질이 도포된 영역인 유지부, 및 상기 전극탭과 유지부의 경계 영역인 경계부를 포함할 수 있다.
구체적인 예로서, 정상 전지셀의 전극리드와 연결된 신호선을 통하여 TDR 모듈이 전지셀의 내부로 전기 펄스를 인가하는 단계; 상기 전기 펄스가 정상 전지셀의 길이 방향을 따라 전파되며 발생한 반사파를 신호선을 통해 TDR 모듈이 수신하여 측정파형을 생성하는 단계; 및 상기 측정파형을 기준파형으로 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 시간영역반사법(Time Domain Reflectometry, TDR)을 이용하여, 실제 양산 과정에서 전지셀을 분해하지 않고도, 신속하고 정확하게 전지셀의 다양한 내부 결함을 검출할 수 있는 이점을 제공한다.
또한, 본 발명에 의하면, 전지셀 제조단계에서의 신속한 검사가 가능할 뿐 아니라, 완성품 전지셀을 일정기간 사용한 후 다시 사용하는 리사이클단계 또는 리유즈(reuse)단계에서의 전지셀의 내부 결함을 신속하게 검사할 수 있다. 따라서, 전지셀의 리사이클시 신속하게 전지셀의 결함을 파악하여 재사용여부를 간편하게 결정할 수 있다.
도 1은 일반적인 전지셀의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 전지셀의 내부 결함 검출 장치 및 측정파형을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 TDR 모듈의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 하나의 실시형태에 따른 전지셀의 내부 결함 검출 장치 및 측정파형을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 전지셀의 내부 결함 검출 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
도 6a 내지 도 6d는 도 2의 실시형태에 따른 전지셀의 내부 결함 검출 장치가 생성한 측정파형을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 명세서 전체에서 사용되는, "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 발명의 명세서에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부 뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
한편, 본 출원에서, 전지셀의 “길이 방향”이란 전극 탭이 인출된 방향을 의미하며, “폭 방향”이란 상기 길이 방향에 수직한 방향을 의미한다.
본 발명에 따른 전지셀의 내부 결함 검출 장치는, 일측 또는 양측에 각각 적어도 하나 이상의 전극 탭들이 형성된 전극 조립체가 전지 케이스 내에 수납되고, 상기 전극 탭이 전지 케이스의 외부로 인출된 전극리드에 연결된 구조를 갖는 전지셀에 대하여, 상기 전지셀 내부로 전기 펄스를 인가하고, 상기 전기 펄스의 반사파를 감지하여 생성되는 측정파형을 기준파형과 비교하여 결함 발생 여부를 검출하는 TDR(Time Domain Reflectometry) 모듈; 및 상기 TDR 모듈과 전지셀의 전극리드를 전기적으로 연결하는 신호선;을 포함하되, 상기 전기 펄스는 전지셀의 길이 방향을 따라 인가되는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같이, 종래의 전지셀의 내부 결함 검출 방법은 검사 시간이 다소 소요되어, 공정상 매우 비효율적이고 검사 정확도도 높지 않아 실제 공정에 적용하기가 어렵다는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 전지셀의 전극리드를 통해 전기 펄스를 인가하고 상기 전기 펄스의 반사파를 감지하여 생성되는 측정파형을 통해 전지셀의 내부 결함을 검출할 수 있는 TDR 모듈을 이용하는 것을 특징으로 한다. 또한, 전기 펄스가 전지셀의 길이 방향을 따라 전파되므로, 전지셀의 길이 방향을 따라 구분되는 전지셀의 다양한 영역의 내부 결함을 검출할 수 있는 이점을 제공한다.
TDR 모듈이 결함 발생 여부를 검출하는 원리는 전지셀의 길이 방향을 따라 진행하는 전기 펄스가 전지셀 내부에서 임피던스의 변화가 발생한 곳에 도달하면 반사 현상이 발생하는 것을 이용하는 것이다. 즉, 전지셀의 내부 결함이 있는 경우, 임피던스의 변화가 상이하게 나타나므로 전기 펄스에 의한 반사파의 발생 시점 및 반사파의 도달 시간이 달라지게 된다. 이러한 점을 이용하여 반사파로부터 시간 경과에 따른 임피던스에 대한 측정파형을 도출하고 비교함으로써 전지셀의 결함 여부 및 결함 발생 위치를 확인할 수 있다.
이상의 본 발명의 보다 자세한 구성에 대해서는, 첨부된 도면과 실시형태를 이용하여 보다 상세히 설명한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하 본 발명에 대해 자세히 설명한다.
(제1 실시형태)
도 1은 일반적인 전지셀의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 전지셀(1)은 일측 또는 양측에 각각 적어도 하나 이상의 전극 탭(30, 40)들이 형성된 전극 조립체(20)가 전지 케이스(10) 내에 수납되고, 상기 전극 탭(30, 40)이 전지 케이스(10)의 외부로 인출된 전극리드(31, 41)에 연결된 구조이다. 예를 들어, 상기 전극리드(31, 41)는 양극 리드(31) 및 음극 리드(41)를 포함하는데, 양극 리드(31) 및 음극 리드(41)는 전지 케이스(10)에서 서로 반대 방향으로 인출될 수 있으나, 그 구조가 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전극 조립체 및 이를 구성하는 요소들에 관한 내용은 통상의 기술자에게 공지되어 있는 사항이므로 자세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 전지셀의 내부 결함 검출 장치(100) 및 측정파형을 나타낸 모식도이다. 도 3은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 TDR 모듈(110)의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀의 내부 결함 검출 장치(100)는 양측에 각각 적어도 하나 이상의 전극탭들(30, 40)이 형성된 전극 조립체(20)가 전지 케이스(10) 내에 수납되고, 상기 전극탭(30, 40)이 전지 케이스(10)의 외부로 인출된 전극리드(31, 41)에 연결된 구조를 갖는 전지셀에 대하여, 상기 전지셀 내부로 전기 펄스를 인가하고, 상기 전기 펄스의 반사파를 감지하여 생성되는 측정파형을 기준파형과 비교하여 결함 발생 여부를 검출하는 TDR 모듈(110); 및 상기 TDR 모듈(110)과 전지셀의 전극리드(31)를 전기적으로 연결하는 신호선(120);을 포함한다. 이때, 상기 전기 펄스는 전지셀의 길이 방향을 따라 전파됨에 따라 반사파가 발생한다.
도 2에서는 TDR 모듈(110)이 양극 리드(31)를 통해 전기 펄스 신호를 인가한 경우를 도시하였다. 하지만, TDR 모듈이 음극 리드(41)를 통해 전기 펄스 신호를 인가하는 경우도 가능하며, 이 경우는 TDR 모듈이 신호선을 통해 음극 리드(41)와 전기적으로 연결된다.
상기 TDR 모듈(110)은 전기 펄스를 발생시키고, 이에 대한 반사파를 통해 측정파형을 생성하여 결함 발생 여부를 검출하는 역할을 한다.
구체적으로, 도 3을 참조하면, 상기 TDR 모듈(110)은 상기 전지셀 내부로 인가되는 전기 펄스를 생성하는 전기 펄스 생성기(111); 상기 전기 펄스의 반사파를 감지하는 반사파 감지기(112); 및 상기 반사파 감지기(112)가 감지한 전기 펄스의 반사파를 통해 측정파형을 생성하고, 상기 측정파형을 기준파형과 비교하여 오프셋(offset)이 발생한 경우 결함이 발생한 것으로 판정하는 판정부(113);를 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 전기 펄스 생성기(111)는 전기 펄스를 생성하여 소정 시간 간격으로 전지셀 내부로 인가할 수 있다. 확인하고자 하는 전지셀의 결함 위치에 따라, 전기 펄스가 결함 위치까지 왕복하는 시간을 상기 소정 시간 간격으로 할 수 있다. 예를 들어, 전지셀의 길이 방향에 따른 모든 영역의 결함 여부를 검출하기 위해서, 상기 소정 시간 간격은 전기 펄스를 인가하는 TDR 모듈(110)로부터 TDR 모듈(110)이 연결되어 있지 않은 음극 리드(41)까지 왕복하는 시간으로 할 수 있다.
상기 반사파 감지기(112)는 상기 전기 펄스 생성기(111)가 인가한 전기 펄스 신호가 전지셀의 길이 방향을 따라 전파되면서 전지셀의 다양한 내부 구성에 의해 반사되어 돌아오는 반사파를 감지할 수 있다. 즉, 전기 펄스의 반사파를 측정함으로써, TDR 모듈(110)이 전지셀 내부로 인가한 전기 펄스가 전지셀 내부를 왕복하는 과정에서 발생한 임피던스 값의 변화를 확인할 수 있게 된다.
상기 판정부(113)는 상기 반사파 감지기(112)가 감지한 전기 펄스의 반사파를 통해 측정파형을 생성한다. 상기 측정파형은 전기 펄스의 반사 신호의 임피던스를 시간 경과에 따른 값으로 표현한 것이다. 시간을 수평축으로 하고, 수직축을 임피던스로 하는 측정파형을 생성할 수 있다. 도 2가 나타내는 측정파형도 시간 경과에 따른 임피던스(Z) 값으로 표현한 것이다.
또한, 상기 판정부(113)는 생성한 측정파형을 기준파형과 비교하여 오프셋이 발생한 경우 결함 발생으로 판정할 수 있다. 이때, 오프셋이 발생한 경우는 측정파형과 기준파형이 일치하지 않는 경우로서, 기준파형 대비 측정파형의 임피던스의 변화율이 10% 이상인 경우를 의미한다.
상기 기준파형은 정상 전지셀 내부로 전기 펄스를 인가하고, 상기 전기 펄스의 반사파를 감지하여 생성되는 측정파형일 수 있다. 정상 전지셀과 동일한 방법으로 검출 대상 전지셀에 대하여 측정파형을 생성하여 상기 기준파형과 비교함으로써 오프셋이 발생한 경우 결함 발생으로 판정하는 것이다.
전술한 바와 같이, 전지셀의 길이 방향에 따른 모든 영역의 결함 여부를 검출하기 위해서, 전기 펄스를 인가하는 TDR 모듈(110)로부터 TDR 모듈(110)이 연결되어 있지 않은 음극 리드(41)까지 왕복하는 시간을 소정 시간 간격으로 하여 전기 펄스를 인가하였다. 그 결과는 도 2에 도시된 바와 같이, 전지셀의 길이 방향에 따라 구분되는 전지셀의 영역별로 측정파형을 생성할 수 있었다. 상기 전지셀의 영역은 전지셀의 전극탭(30)과 전극리드(31)가 용접에 의해 접합된 영역인 용접부(a), 전극탭(30)이 위치하는 전극탭부(b), 전극 활물질이 도포된 영역인 유지부(d), 및 상기 전극탭부와 유지부의 경계 영역인 경계부(c)를 포함한다. 이 경우, 전지셀의 영역별로 생성된 측정파형을 기준파형과 비교하여, 상기 전지셀의 영역별로 결함 발생 여부를 검출할 수 있다. 즉, 오프셋이 발생한 전지셀의 영역을 확인할 수 있어, 검출 발생 여부뿐만 아니라 검출 발생 위치도 검출할 수 있다.
상기 신호선(120)은 TDR 모듈(110)과 전지셀을 전극리드(31)를 통하여 전기적으로 연결하는 역할을 수행하는 것이다. 구체적으로, TDR 모듈(110)의 전기 펄스 생성기(111)가 생성한 전기 펄스가 신호선(120)을 지나, 전기셀의 전극리드(31)를 통해 전기셀 내부로 인가된다. 또한, 인가된 전기 펄스로부터 전지셀 내부에서 발생한 반사파 역시, 전지셀의 전극리드(31)와 신호선(120)을 순차로 지나, TDR 모듈(110)의 반사파 감지기(112)로 전달된다.
한편, 전지셀은 접지면(131) 상부에 배치되고, 상기 접지면(131)과 TDR 모듈(110)을 접지선(130)이 전기적으로 연결한다. 접지면(131) 및 접지선(130)을 구비함으로써, 예상할 수 없는 원인으로 전기 펄스가 전지셀 내부가 아닌 외부로 전파되면 발생할 수 있는 안전문제를 예방할 수 있다. 즉, TDR 모듈(110)이 전지셀 내부로 전기 펄스를 안전하게 인가할 수 있다.
이때, 상기 전지셀은 길이 방향으로 접지면(131)과 평행하게 배치될 수 있다. 전지셀이 접지면(131)과 평행하게 배치되지 않으면, TDR 모듈(110)로부터 전기 펄스가 전지셀의 길이방향으로 정확히 인가되기 어려워, 정확한 측정파형을 생성하기 어려울 수 있다. 즉, 전지셀을 길이 방향으로 접지면(131)과 평행하게 배치하였을 때, 전지셀의 내부 결함 검출의 정확도를 높일 수 있다.
또한, 전지셀의 전극리드(31, 41)를 고정하기 위해 고정부재(140)를 더 포함하여 전지셀을 안정적으로 고정할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 접지면(131) 상에 전지셀을 배치하는 경우, 접지면(130)과 전극리드(31, 41) 사이에 이격되는 공간이 형성된다. 따라서, 전지셀이 외부 충격을 받거나 전기 펄스가 인가되는 과정에서 전극리드(31, 41) 및 전지셀의 위치가 쉽게 변화할 수 있다. 이로 인해, 전지셀과 TDR 모듈(110)간의 연결이 끊어질 수 있다. 이에 대하여, 접지면(131)과 전극리드(31, 41) 사이 공간에 전극리드(31, 41)를 고정하는 고정부재(140)를 더 포함하여 전지셀과 TDR 모듈(110)간의 연결이 끊기는 것을 방지할 수 있다. 즉, 안정적인 전지셀 내부 결함 검출이 가능하다. 도 2에서는 접지면(131)과 전극리드(31, 41) 사이 공간에 고정부재(140)를 구비하여 전극리드(31, 41)의 하면을 지지하는 형상으로 도시하고 있다. 하지만, 고정부재(140)는 전극리드(31, 41)를 고정할 수 있는 형상이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 접지면(131)으로부터 돌출되어 전극리드(31, 41)의 양측면을 지지하는 형상으로 구비할 수도 있다.
(제2 실시형태)
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 전지셀의 내부 결함 검출 장치(100') 및 측정파형을 나타낸 모식도이다. 구체적으로, 도 4a는 양극 리드(31)와 제1 신호선(120a)을 통해 연결되어 있는 제1 TDR 모듈(110a)에서 전기 펄스를 인가하고 상기 전기 펄스의 반사파를 통해 측정파형을 생성한 것을 나타낸 것이다. 한편, 도 4b는 음극 리드(41)와 제2 신호선(120b)을 통해 연결되어 있는 제2 TDR 모듈(110b)에서 전기 펄스를 인가하고, 상기 전기 펄스의 반사파를 통해 측정파형을 생성한 것을 나타낸 것이다. 이때, 도 4a 및 도 4b가 나타내는 측정파형은 시간 경과에 따른 임피던스(Z) 값으로 표현한 것이다.
본 실시형태의 전지셀의 내부 결함 검출 장치(100')의 TDR 모듈(110)은, 양극 리드(31)를 통해 전기 펄스를 인가하는 제1 TDR 모듈(110a) 및 음극 리드(41)를 통해 전기 펄스 신호를 순차 인가하는 제2 TDR 모듈(110b);를 포함하고, 상기 신호선(120)은, 양극 리드(31)와 제1 TDR 모듈(110a)을 전기적으로 연결하는 제1 신호선(120a); 및 음극 리드(41)와 제2 TDR 모듈(110b)을 전기적으로 연결하는 제2 신호선(120b)을 포함하는 점에서 제1 실시형태와 상이하다. 즉, 양극 리드(31)와 음극 리드(41)에 각각 제1 신호선(120a) 및 제2 신호선(120b)을 통해 전기적으로 연결되어 있는 제1 TDR 모듈(110a) 및 제2 TDR 모듈(110b)이 순차로 전기 펄스를 인가한다는 점에서 상이하다. 제2 실시형태에서 제1 실시형태와 공통되는 구성요소에는 공통되는 부호를 붙이고 그에 관한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 실시형태에서, 양극 리드(31)가 제1 신호선(120a)을 통해 전기적으로 연결된 제1 TDR 모듈(110a)뿐만 아니라, 음극 리드(41)도 제2 신호선(120b)을 통해 전기적으로 연결된 제2 TDR 모듈(110b)을 더 포함한다. 이때, 제1 TDR 모듈(110a)이 양극 리드(31)를 통해 전기 펄스를 인가한 후 순차로 제2 TDR 모듈(110b)이 음극 리드(41)를 통해 전기 펄스를 인가한다. 동시에 인가하는 경우에는, 제1 TDR 모듈(110a)이 인가한 전기 펄스와 제2 TDR 모듈(110b)이 인가한 전기 펄스가 간섭을 일으켜 정확한 측정파형을 형성하기 어려울 수 있다.
한편, 양극 리드(31)와 음극 리드(41) 모두에 순차로 전기 펄스를 인가함으로써, 전지셀 내부의 모든 영역에 대해 측정파형 및 기준파형을 생성하고 이를 비교하여 결함 여부를 검출할 수 있다. 제1 실시형태와 같이, 양극 리드(31)에만 전기 펄스를 인가한 경우도, 음극 리드(41)까지 전기 펄스가 전파된다. 하지만, TDR 모듈로부터 먼 음극 리드(41) 부근에서는 전기 펄스가 완전히 도달하기 어려울 수 있어, 반사파로부터 생성된 측정파형이 정확하지 않을 수 있다. 따라서, 음극 리드(41)에도 제2 TDR 모듈(110b)을 통해서 전기 펄스를 인가하였을 때, 음극의 모든 영역에 대하여도 정확한 측정파형을 생성할 수 있다. 즉, 전지셀 내부의 모든 영역에서 정확한 측정파형을 생성할 수 있다.
우선, 제1 실시형태와 마찬가지로, 양극 리드(31)에 전기 펄스를 인가하여 전지셀의 길이 방향에 따른 양극의 모든 영역의 결함을 검출할 수 있다. 구체적으로, 도 4a에 도시된 바와 같이, 전지셀의 양극탭(30)과 양극리드(31)가 용접에 의해 접합된 영역인 양극용접부(a1), 양극탭(30)이 위치하는 양극탭부(b1), 양극활물질이 도포된 영역인 양극유지부(d1), 및 상기 양극전극탭부(b1)와 양극유지부(d1)의 경계 영역인 양극경계부(c1)에서 발생한 결함을 검출할 수 있다. 이어서, 음극 리드(41)에 전기 펄스를 인가하여 전지셀의 길이 방향에 따른 음극의 모든 영역의 결함을 검출할 수 있다. 구체적으로, 도 4b에 도시된 바와 같이, 전지셀의 음극탭(40)과 음극 리드(41)가 용접에 의해 접합된 영역인 음극용접부(a2), 음극탭(40)이 위치하는 음극탭부(b2), 음극활물질이 도포된 영역인 음극유지부(d2), 및 상기 음극탭부(b2)와 음극유지부(d2)의 경계 영역인 음극경계부(c1)에서 발생한 결함을 검출할 수 있다.
본 실시형태에서는 제1 TDR 모듈(110a)이 양극에 먼저 전기 펄스를 인가한 후 제2 TDR 모듈(110b)이 음극에 전기 펄스를 인가한 경우를 설명하였다. 하지만, 전기 펄스를 인가하는 순서는 특별히 제한되지 않으며, 음극에 먼저 전기 펄스를 인가한 후, 양극에 전기 펄스를 인가하는 경우도 가능하다.
또한, 본 발명은 전지셀의 내부 결함 검출 방법을 제공한다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 전지셀의 내부 결함 검출 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
먼저, 결함 검출 여부를 판단하는 기준이 되는 기준파형을 생성한다. 구체적으로, 먼저, 정상 전지셀의 전극리드와 전기적으로 연결된 신호선을 통해 TDR 모듈이 전지셀의 내부로 전기 펄스를 인가하는 단계(S10); 상기 전기 펄스가 전지셀의 길이 방향을 따라 전파되면서 발생한 반사파를 TDR 모듈이 신호선을 통해 감지하여 측정파형을 생성하는 단계(S20); 및 상기 측정파형을 기준파형으로 설정하는 단계(S30)를 포함한다.
이어서, 정상 전지셀을 대상으로 기준파형을 생성하는 것과 동일한 방법으로 검출 대상 전지셀의 측정파형을 생성한다. 구체적으로, 검출 대상 전지셀의 전극리드와 전기적으로 연결된 신호선을 통해 TDR 모듈이 전지셀의 내부로 전기 펄스를 인가하는 단계(S40); 상기 전기 펄스가 전지셀의 길이 방향을 따라 전파되면서 발생한 반사파를 TDR 모듈이 신호선을 통해 감지하여 측정파형을 생성하는 단계(S50); 및 상기 TDR 모듈이 생성한 측정파형을 기준파형과 비교하여 결함 발생 여부를 검출하는 단계(S60);를 포함한다.
이때, 결함 발생 여부를 검출하는 단계에서, TDR 모듈이 측정파형을 기준파형과 비교하여 오프셋이 발생한 경우, 결함이 발생한 것으로 판정한다.
또한, 상기 TDR 모듈이 전지셀의 길이 방향을 따라 구분되는 전지셀의 영역별로 생성된 측정파형과 기준파형을 비교하여, 전지셀의 영역별로 결함 발생 여부를 판정한다. 상기 전지셀의 영역은 전지셀의 전극탭과 전극리드가 용접에 의해 접합된 영역인 용접부, 전극탭이 위치하는 전극탭부, 전극 활물질이 도포된 영역인 유지부, 및 상기 전극탭과 유지부의 경계 영역인 경계부를 포함할 수 있다.
실시예
일측에 복수개의 양극탭이 형성되고 타측에 복수개의 음극탭이 형성된 전극 조립체가 전지 케이스 내에 수납되고, 상기 양극탭과 음극탭은 전지 케이스의 외부로 인출된 양극 리드와 음극 리드에 각각 연결된 구조를 가지는 정상 전지셀을 제조하였다.
비교예 1
복수개의 양극탭 중 일부만 양극 리드와 용접하여 전극탭과 전극 리드가 용접에 의해 접합된 영역인 용접부에 결함을 가한 것을 제외하고 참조예와 동일한 방법으로 전지셀을 제조하였다.
비교예 2
복수개의 양극탭이 위치하고 있는 양극탭부에 대하여 외부의 충격을 가함으로써, 상기 복수개의 양극탭 중 하나 이상에 크랙을 발생시킨 것을 제외하고 참조예와 동일한 방법으로 전지셀을 제조하였다.
비교예 3
양극탭과 양극활물질이 도포된 영역인 양극유지부와의 경계 영역인 경계부에 위치하는 양극활물질의 일부를 제거한 것을 제외하고 참조예와 동일한 방법으로 전지셀을 제조하였다.
비교예 4
양극활물질이 도포된 영역인 유지부를 못으로 관통시켜, 양극과 음극간의 내부 단락을 발생시킨 것을 제외하고 참조예와 동일한 방법으로 전지셀을 제조하였다.
실험예
도 2에 도시된 제1 실시형태의 전지셀의 결함 검출 장치로 실시예의 정상 전지셀의 측정파형을 생성하여 기준파형으로 설정하였다. 동일한 방법으로 비교예 1 내지 4의 전지셀의 측정파형을 생성하여 상기 기준파형과 비교하였다. 이때, 기준파형 및 측정파형은 시간 경과에 따른 임피던스 값으로 나타내었다.
도 6a는 제1 실시형태의 전지셀의 결함 검출 장치(100)를 이용하여 비교예 1의 전지셀의 측정파형을 기준파형과 비교한 것을 나타낸 것이다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 기준파형 대비 임피던스 값이 10% 이상 차이 나는 측정파형이 전지셀의 용접부(a)에서 나타난 것을 확인하였다. 이를 통해, 비교예 1의 전지셀은 용접부(a)에 결함이 있음을 검출할 수 있었다.
도 6b는 제1 실시형태의 전지셀의 결함 검출 장치(100)를 이용하여 비교예 2의 전지셀의 측정파형을 기준파형과 비교한 것을 나타낸 것이다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 기준파형 대비 임피던스 값이 10% 이상 차이 나는 측정파형이 전지셀의 전극탭부(b)에서 나타난 것을 확인하였다. 이를 통해, 비교예 2의 전지셀은 전극탭부(b)에 결함이 있음을 검출할 수 있었다.
도 6c는 제1 실시형태의 전지셀의 결함 검출 장치(100)를 이용하여 비교예 3의 전지셀의 측정파형을 기준파형과 비교한 것을 나타낸 것이다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 기준파형 대비 임피던스 값이 10% 이상 차이 나는 측정파형이 전지셀의 경계부(c)에서 나타난 것을 확인하였다. 이를 통해, 비교예 3의 전지셀은 경계부(c)에 결함이 있음을 검출할 수 있었다.
도 6d는 제1 실시형태의 전지셀의 결함 검출 장치를 이용하여 비교예 4의 전지셀의 측정파형을 기준파형과 비교한 것을 나타낸 것이다. 도 6d에 도시된 바와 같이, 기준파형 대비 임피던스 값이 10% 이상 차이 나는 측정파형이 전지셀의 유지부(d)에서 나타난 것을 확인하였다. 이를 통해, 비교예 4의 전지셀은 유지부(d)에 결함이 있음을 검출할 수 있었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 시간영역반사법(Time Domain Reflectometry, TDR)을 이용하여, 실제 양산 과정에서 전지셀을 분해하지 않고도, 신속하고 정확하게 전지셀의 다양한 내부 결함을 검출할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 전지셀 제조단계에서의 신속한 검사가 가능할 뿐 아니라, 완성품 전지셀을 일정기간 사용한 후 다시 사용하는 리사이클단계 또는 리유즈(reuse)단계에서의 전지셀의 내부 결함을 신속하게 검사할 수 있다. 따라서, 전지셀의 리사이클시 신속하게 전지셀의 결함을 파악하여 재사용여부를 간편하게 결정할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.
(부호의 설명)
1: 전지셀
10: 전지 케이스
20: 전극조립체
21: 양극
22: 분리막
23: 음극
30: 제1 전극탭(양극)
31: 제1 전극리드
40: 제2 전극탭(음극)
41: 제2 전극리드
100, 100': 전지셀의 내부결함 검출 장치
110: TDR 모듈
111: 전기 펄스 생성기
112: 반사파 감지기
113: 판단부
120: 신호선
130: 접지선
131: 접지면
140: 고정부재

Claims (15)

  1. 일측 또는 양측에 각각 적어도 하나 이상의 전극 탭들이 형성된 전극 조립체가 전지 케이스 내에 수납되고, 상기 전극 탭이 전지 케이스의 외부로 인출된 전극리드에 연결된 구조를 갖는 전지셀에 대하여,
    상기 전지셀 내부로 전기 펄스를 인가하고, 상기 전기 펄스의 반사파를 감지하여 생성되는 측정파형을 기준파형과 비교하여 결함 발생 여부를 검출하는 TDR(Time Domain Reflectometry) 모듈; 및
    상기 TDR 모듈과 전지셀의 전극리드를 전기적으로 연결하는 신호선;을 포함하되,
    상기 전기 펄스는 전지셀의 길이 방향을 따라 인가되는 전지셀의 내부 결함 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 TDR 모듈은,
    상기 전지셀 내부로 인가되는 전기 펄스를 생성하는 전기 펄스 생성기;
    상기 전기 펄스의 반사파를 감지하는 반사파 감지기; 및
    상기 반사파 감지기가 감지한 전기 펄스의 반사파를 통해 측정파형을 생성하고, 상기 측정파형을 기준파형과 비교하여 오프셋(offset)이 발생한 경우 결함이 발생한 것으로 판정하는 판정부;를 포함하는 전지셀의 내부 결함 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기준파형 대비 측정파형이 나타내는 임피던스의 변화율이 10% 이상일 때, 결함 발생의 오프셋으로 판정하는 전지셀의 내부 결함 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 TDR 모듈은, 전지셀의 길이 방향을 따라 구분되는 전지셀의 영역별로 생성된 측정파형을 기준파형과 비교하여, 상기 전지셀의 영역별로 결함 발생 여부를 검출하는 전지셀의 내부 결함 검출 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전지셀의 영역은 전지셀의 전극탭과 전극리드가 용접에 의해 접합된 영역인 용접부, 전극탭이 위치하는 전극탭부, 전극 활물질이 도포된 영역인 유지부, 및 상기 전극탭부와 유지부의 경계 영역인 경계부를 포함하는 전지셀의 내부 결함 검출 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기준파형은 정상 전지셀 내부로 전기 펄스를 인가하여 반사된 반사파를 감지하여 생성되는 측정파형인 전지셀의 내부 결함 검출 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 TDR 모듈은,
    제1 전극리드를 통해 전기 펄스 신호를 인가하는 제1 TDR 모듈; 및
    제2 전극리드를 통해 전기 펄스 신호를 순차로 인가하는 제2 TDR 모듈;을 포함하고,
    상기 신호선은,
    제1 전극리드와 제1 TDR 모듈을 전기적으로 연결하는 제1 신호선; 및
    제2 전극리드와 제2 TDR 모듈을 전기적으로 연결하는 제2 신호선;을 포함하는 전지셀의 내부 결함 검출 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀이 상부에 배치되는 접지면을 TDR 모듈과 전기적으로 연결하는 접지선을 더 포함하는 전지셀의 내부 결함 검출 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전지셀은 길이방향으로 접지면과 평행하게 배치된 전지셀의 내부 결함 검출 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀의 전극리드를 고정시키기 위한 고정부재를 더 포함하는 전지셀의 내부 결함 검출 장치.
  11. 전지셀의 전극리드와 전기적으로 연결된 신호선을 통해 TDR 모듈이 전지셀의 내부로 전기 펄스를 인가하는 단계;
    상기 전기 펄스가 전지셀의 길이 방향을 따라 전파되면서 발생한 반사파를 TDR 모듈이 신호선을 통해 감지하여 측정파형을 생성하는 단계; 및
    상기 TDR 모듈이 생성한 측정파형을 기준파형과 비교하여 결함 발생 여부를 검출하는 단계;를 포함하는 전지셀의 내부 결함 검출 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 결함 발생 여부를 검출하는 단계에서, TDR 모듈이 측정파형을 기준파형과 비교하여 오프셋이 발생한 경우, 결함이 발생한 것으로 판정하는 전지셀의 내부 결함 검출 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 TDR 모듈이 전지셀의 길이 방향을 따라 구분되는 전지셀의 영역별로 생성된 측정파형과 기준파형을 비교하여 상기 전지셀의 영역별로 결함 발생 여부를 판정하는 전지셀의 내부 결함 검출 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전지셀의 영역은 전지셀의 전극탭과 전극리드가 용접에 의해 접합된 영역인 용접부, 전극탭이 위치하는 전극탭부, 전극 활물질이 도포된 영역인 유지부, 및 상기 전극탭과 유지부의 경계 영역인 경계부를 포함하는 전지셀의 내부 결함 검출 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    정상 전지셀의 전극리드와 연결된 신호선을 통하여 TDR 모듈이 전지셀의 내부로 전기 펄스를 인가하는 단계;
    상기 전기 펄스가 정상 전지셀의 길이 방향을 따라 전파되며 발생한 반사파를 신호선을 통해 TDR 모듈이 수신하여 측정파형을 생성하는 단계; 및
    상기 측정파형을 기준파형으로 설정하는 단계를 더 포함하는 전지셀의 내부 결함 검출 방법.
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