WO2024043545A1 - 전원 공급 장치 - Google Patents

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WO2024043545A1
WO2024043545A1 PCT/KR2023/010596 KR2023010596W WO2024043545A1 WO 2024043545 A1 WO2024043545 A1 WO 2024043545A1 KR 2023010596 W KR2023010596 W KR 2023010596W WO 2024043545 A1 WO2024043545 A1 WO 2024043545A1
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battery
power supply
supply device
reference electrode
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이솔닢
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a power supply device, which can stably supply power by monitoring the status of the secondary battery in real time in a device that supplies power using a secondary battery.
  • secondary batteries are batteries that can be used repeatedly through a discharge and reverse charging process that converts chemical energy into electrical energy.
  • Types include nickel-cadmium (Ni-Cd) batteries and nickel-hydrogen (Ni-MH) batteries.
  • Ni-Cd nickel-cadmium
  • Ni-MH nickel-hydrogen
  • ) batteries lithium-metal batteries, lithium-ion (Li-ion) batteries, and lithium-ion polymer batteries (Li-ion Polymer Battery).
  • lithium secondary batteries with high energy density and voltage, long cycle life, and low self-discharge rate have been commercialized and are widely used.
  • secondary batteries are easy to store electrical energy into chemical energy or convert chemical energy into electrical energy, so they are used in power supply and storage devices used in mobile devices such as electric vehicles and systems such as smart grids. can be used
  • the condition of the secondary battery affects the efficiency and function of the device or system to which the secondary battery is applied, and is directly related to user safety, especially when applied to electric vehicles.
  • One of the methods for monitoring the status of a secondary battery in real time may be a three-electrode system.
  • a three-electrode analysis system using a reference electrode can be used to monitor the positive and negative electrodes of secondary batteries.
  • a thin copper wire coated with LTO (Li4Ti5O12) active material is used as a reference electrode.
  • a Cu wire coated with an LTO active material can be inserted as a reference electrode 14 into the separator 13 stacked between the positive electrode 11 and the negative electrode 12.
  • the separator 13 between the anode 11 and the cathode 12 may be provided in two layers, and the reference electrode 14 may be located between the two layers of the separator 13.
  • the size of the blocking area may be enlarged, which can be a problem.
  • the area where the reference electrode is located due to the increase in the thickness of the electrode and the internal pressure of the battery due to gas generation that occurs while the battery is running. If the pressure increases, it may cause damage to the electrodes and separators, and may cause performance degradation and safety problems in devices or systems using secondary battery-based power supplies.
  • the present invention relates to a power supply device, and is intended to provide a power supply device that can stably supply power by monitoring the status of the secondary battery in real time in a device that supplies power using a secondary battery.
  • the power supply device of the present invention is the power supply device of the present invention.
  • BMS battery management system
  • At least one of the plurality of secondary batteries is provided as a three-electrode battery including a reference electrode,
  • the reference electrode of the three-electrode battery may be provided in a film shape with a plurality of perforated holes.
  • the power supply device of the present invention may be equipped with a three-electrode battery that can be stably driven even when used for a long time or multiple cycles, allowing the status of the secondary battery to be monitored in real time.
  • the three-electrode battery in the power supply device of the present invention can minimize the area of the blocking area due to the reference electrode and prevent circuit problems such as electrode damage such as electrode dents or internal short circuits due to changes in battery internal pressure.
  • the three-electrode battery in the power supply device of the present invention may be able to monitor the positive and negative electrodes with high reliability regardless of the electrode's own physical properties and whether or not it is driven.
  • the three-electrode battery in the power supply device of the present invention may be a Si/SiO battery with large thickness changes, or may be advantageous for monitoring long-term deterioration.
  • the three-electrode battery in the power supply device of the present invention can be expected to reduce the three-electrode deviation by reducing the blocking area.
  • the three-electrode battery in the power supply device of the present invention has a structure that is convenient for designing medium to large-sized batteries, and can be applied regardless of the stack or area of the electrodes.
  • Figure 1 is a conceptual diagram showing a conventional three-electrode battery.
  • Figure 2 is a cross-sectional view showing a conventional three-electrode battery.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the power supply device of the present invention.
  • Figure 4 is a cross-sectional view showing a three-electrode battery.
  • Figure 5 is an exploded perspective view showing the stacked structure of a three-electrode battery.
  • Figure 6 is a plan view showing the arrangement relationship between the first electrode and the reference electrode.
  • Figure 7 is a graph showing battery characteristics according to the porosity of the first region.
  • FIGS 8a to 8c are photographs showing the state of the battery electrode according to the reference electrode.
  • Figure 9 is a graph showing the depth of charge at 1C charge and 2C charge.
  • FIG. 10 is a block diagram showing another embodiment of the power supply device of the present invention.
  • the power supply device of the present invention is the power supply device of the present invention.
  • BMS battery management system
  • At least one of the plurality of secondary batteries is provided as a three-electrode battery including a reference electrode,
  • the reference electrode of the three-electrode battery may be provided in a film shape with a plurality of perforated holes.
  • the three-electrode battery includes a main separator;
  • the reference electrode in the form of a film laminated on one side of the main separator; an auxiliary separator stacked on one side of the main separator with the reference electrode interposed therebetween; A first electrode and a second electrode stacked with the main separator, the reference electrode, and the auxiliary separator interposed therebetween; It includes a battery case in which the main separator, the reference electrode, the auxiliary separator, the first electrode, and the second electrode are accommodated in an internal space, and the reference electrode may be provided with a thickness of 45 ⁇ m to 120 ⁇ m. .
  • the reference electrode includes a first area facing the first electrode or the second electrode, and a second area protruding from one side of the first electrode or the second electrode,
  • the plurality of perforated holes may be formed in the first area, and a porosity formed by the plurality of perforated holes in the first area may be 30% to 70%.
  • the three-electrode battery of the power supply device of the present invention may further include a reference electrode lead whose one end is fused to the second region of the reference electrode and whose other end protrudes out of the battery case.
  • the area of the first area may be 1% to 10% of the area of the first electrode or the second electrode.
  • the reference electrode may include a foil member forming a body and a reference electrode active material coated on the foil member.
  • the material of the foil member may include one or more of Cu-foil and Al-foil.
  • the reference electrode active material may be selected from the group consisting of LTO (Li4Ti5O12), LFP (LiFePO4), Li metal, and combinations thereof.
  • the power supply device of the present invention is the power supply device of the present invention.
  • a first voltage measurement unit that measures the voltage between the reference electrode and the first electrode or the second electrode
  • Measured values of the first voltage measurement unit and the second voltage measurement unit may be transmitted to the BMS unit.
  • the power supply device of the present invention is the power supply device of the present invention.
  • a first voltage measurement unit that measures the voltage between the reference electrode and the first electrode or the second electrode
  • Measured values of the first voltage measurement unit and the second voltage measurement unit may be transmitted to the BMS unit.
  • a plurality of battery modules are provided, each of the plurality of battery modules is provided with at least one three-electrode battery, a plurality of first voltage measurement units are provided, and the second voltage measurement unit is provided in plurality.
  • a plurality of units may be provided, and each of the plurality of battery modules may be provided with at least one first voltage measurement unit and at least one second voltage measurement unit.
  • the terms “center”, “top”, “bottom”, “left”, “right”, “vertical”, “horizontal”, “inside”, “outside”, “one side” The orientation or positional relationship indicated by “, “other side”, etc. is based on the orientation or positional relationship shown in the drawings or the orientation or positional relationship normally placed when using the product of the present invention, and is for the purpose of explanation and brief explanation of the present invention. However, it does not suggest or imply that the displayed device or element must necessarily be constructed or operated in a specific orientation and should not be construed as limiting the present invention.
  • Figure 3 is a block diagram showing the power supply device of the present invention.
  • Figure 4 is a cross-sectional view showing a three-electrode battery.
  • Figure 5 is an exploded perspective view showing the stacked structure of a three-electrode battery.
  • Figure 6 is a plan view showing the arrangement relationship between the first electrode and the reference electrode.
  • Figure 7 is a graph showing battery characteristics according to the porosity of the first region.
  • Figures 8a to 8c are photographs showing the state of the battery electrode according to the reference electrode.
  • Figure 9 is a graph showing the depth of charge at 1C charge and 2C charge.
  • Figure 10 is a block diagram showing another embodiment of the power supply device of the present invention.
  • the power supply device of the present invention will be described in detail.
  • the x-axis direction may be a first direction
  • the y-axis direction may be a second direction
  • the z-axis direction may be a vertical direction.
  • the power supply device of the present invention As shown in Figures 3 and 4, the power supply device of the present invention,
  • a battery module 300 provided with the plurality of secondary batteries 200;
  • BMS battery management system
  • At least one of the plurality of secondary batteries 200 is provided as a three-electrode battery 100 including a reference electrode 110,
  • the reference electrode of the three-electrode battery 100 may be provided in a film shape with a plurality of perforated holes 113 formed thereon.
  • the battery module 300 is provided as a set of a plurality of secondary batteries 200, and is accommodated in a housing in a state in which the plurality of secondary batteries 200 are electrically connected to each other, so that the plurality of secondary batteries 200 are resistant to shock or vibration. It may be arranged to be fixed to each other so as not to shake. Within the battery module 300, a plurality of secondary batteries 200 may be connected to each other in series.
  • the three-electrode battery 100 may be one or part of a plurality of secondary batteries 200 provided in the battery module 300. If necessary, the plurality of secondary batteries 200 provided in the battery module 300 may all be provided as three-electrode batteries 100.
  • the secondary battery 200 may be of various types.
  • the secondary battery 200 and the three-electrode battery 100 may be pouch-type batteries.
  • the power supply device of the present invention is controlled by the BMS unit 400 and may further be provided with a cooling circuit (not shown) that controls the temperature of the battery module.
  • the BMS (battery management system) unit 400 stores voltage (secondary battery or three-electrode cell individual voltage, battery module total voltage, lowest or highest voltage of the secondary battery, etc.) values, current (charge or discharge current, etc.), and temperature (secondary battery It is possible to monitor specific values such as individual battery temperature, battery module average temperature, additional cooling circuit inlet or outlet temperature, flow rate in the cooling circuit, etc.), SoC value, SoH value, depth of discharge value, etc. You can.
  • the BMS unit 400 controls voltage control (charge voltage, over-discharge voltage, etc.), current control (overcurrent, charge current, discharge current, etc.), output limit (output control through current control and voltage control, etc.), and temperature control.
  • cooling circuit control, etc. cell balancing (frequency converter - PWM-inverter), SoC control and cell protection (controlling the storage battery operating point so that it does not reach an overcharge state and can absorb regenerative braking energy) It may perform at least one of the following functions: and relay control.
  • the three-electrode battery 100 of the power supply device of the present invention As shown in Figure 4, the three-electrode battery 100 of the power supply device of the present invention,
  • the reference electrode 110 in the form of a film laminated on one side of the main separator 120;
  • the reference electrode 110 may be provided with a thickness of 45 ⁇ m to 120 ⁇ m.
  • the thickness of the reference electrode 110 may be determined by considering the phenomenon of lifting between the first electrode 140 and the second electrode 150, the phenomenon of being scratched by shock or vibration applied to the three-electrode battery 100, etc.
  • One of the first electrode 140 and the second electrode 150 may be formed as an anode, and the other may be formed as a cathode.
  • the first electrode 140 includes a first electrode current collector 141, a first electrode active material 142 applied to the surface of the first electrode current collector 141, and the A first electrode tab 144 welded to an uncoated portion of the first electrode current collector 141 on which the first electrode active material 142 is not applied, and one end of the first electrode tab 144 inside the battery case 160 It may include a first electrode lead 145 that is welded to 144 and whose other end protrudes out of the battery case 160 .
  • the second electrode 150 also includes a second electrode current collector 151, a second electrode active material 152 applied to the surface of the second electrode current collector 151, and the second electrode current collector 151.
  • a second electrode tab 154 is welded to the uncoated area where the electrode active material 152 is not applied, and one end is welded to the second electrode tab 154 inside the battery case 160 and the other end is connected to the battery. It may include a second electrode lead 155 that protrudes out of the case 160.
  • the material of the main separator 120 and the auxiliary separator 130 may include at least one of ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer. there is.
  • the main separator 120 may be located between the first electrode 140 and the second electrode 150.
  • the main separator 120, the first electrode 140, and the second electrode 150 may each be provided in plural, and in this case, the auxiliary separator 130 and the reference electrode 110 are among the plurality of main separators 120. It can be provided in one.
  • the main separator 120, the first electrode 140, and the second electrode 150 may each be provided in a sheet shape and stacked to cross each other.
  • the auxiliary separator 130 may be formed to a size that can cover the reference electrode 110 so that the reference electrode 110 does not directly contact the first electrode 140 or the second electrode 150.
  • the three-electrode battery of the power supply device of the present invention includes a first electrode 140, a main separator 120, a reference electrode 110, an auxiliary separator 130, and a second electrode. (150) or by stacking the first electrode 140, the auxiliary separator 130, the reference electrode 110, the main separator 120, and the second electrode 150 in that order, together with the electrode assembly formed in the battery case. (160) After the liquid is injected inside, it can be completed by sealing the battery case 160.
  • the first electrode tab 144 welded to each of the plurality of first electrodes 140 is one first electrode lead ( 145) and a second electrode tab 154 welded to each of the plurality of second electrodes 150 is welded to one second electrode lead 155, one end of the first electrode lead 145 and One end of the second electrode lead 155 may protrude outside the battery case 160.
  • the reference electrode 110 includes a first area A1 facing the first electrode 140 or the second electrode 150, and the first electrode ( 140) or a second area A2 protruding from one side of the second electrode 150, and the plurality of perforated holes 113 may be formed in the first area A1. That is, the first area A1 serves as a reference for the potential applied to the first electrode 140 or the second electrode 150, and the second area A2 may be used for electrical connection.
  • the reference electrode 110 may be formed with a plurality of perforated holes 113.
  • a plurality of perforated holes 113 By forming a plurality of perforated holes 113 in the reference electrode 110, it is possible to prevent the reference electrode 110 from interfering with the movement of ions between the first electrode 140 and the second electrode 150. , can suppress the formation of blocking areas.
  • the porosity formed by the plurality of perforated holes 113 in the first area A1 may be 30% to 70%. That is, the total area of the plurality of perforated holes 113 may be 30% to 70% of the area of the first area A1.
  • the porosity in the first area A1 is less than 30%, ion diffusion may not be smooth, and if it is more than 70%, the reference electrode may be broken. Accordingly, it may be preferable that the porosity formed by the plurality of perforated holes 113 in the first area A1 is 30% to 70%.
  • Figure 7 is a graph showing battery characteristics according to the porosity of the first region. Specifically, for a battery containing an electrode assembly stacked in the order of an anode, a separator, and a cathode, a test foil with a perforated hole is inserted between the separator and the cathode, and the battery characteristics are shown according to the open ratio of the test foil. It's a graph. Four cells were prepared, and test foils with porosity of 17%, 32%, and 50% were inserted into three cells, respectively, and no test foil was inserted into the remaining cell.
  • the three-electrode battery 100 of the power supply device of the present invention is a reference electrode whose one end is fused to the second area A2 of the reference electrode 110 and the other end protrudes out of the battery case 160. It may further include a lead 115. Since the reference electrode 110 may be formed of a thin metal film or foil, the minimum rigidity for fusion for sealing the battery case 160 or connection to an external electrical terminal may not be secured. Accordingly, the reference electrode lead 115, which is a conductor for electrical connection, may be connected to the reference electrode 110, and the reference electrode lead 115 may be welded to the second area A2.
  • the area of the first area A1 may be 1% to 10% of the area of the first electrode 140 or the second electrode 150. If the first area A1 of the reference electrode 110 is formed with a size exceeding 10% of the area, the lithium ion diffusion resistance may increase.
  • the first electrode 140 or the second electrode 150 may be provided in a rectangular shape with corners in the first and second directions orthogonal to each other. More specifically, the length of the first electrode 140 or the second electrode 150 in the first direction may be longer than the length in the second direction.
  • the length Wr of the first area A1 in the first direction is 1% to 3% of the length FL of the first electrode 140 or the second electrode 150 in the first direction. is formed, and the length Lr of the first area A1 in the second direction is 5% to 95% of the length Fw of the first electrode 140 or the second electrode 150 in the second direction. It may be formed by .
  • the length Lr of the first area A1 in the second direction may be determined by considering the standard, material, number of stacks, and stack type of the first or second electrode.
  • the reference electrode 110 may be provided in a shape that extends in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the first electrode 140 or the second electrode 150.
  • the reference electrode 110 includes a foil member 111 forming the body and a reference electrode active material 112 coated on the foil member 111. It may be.
  • the reference electrode active material 112 may be applied to the first area A1, and the second area A2 may be formed as an uncoated area where the reference electrode active material 112 is not applied.
  • the width of the first area A1 and the second area A2 in the first direction is 2 mm
  • the length in the second direction is 15 mm for the first area A1, and 15 mm for the second area A1.
  • Area A2 may be formed to be 3 mm.
  • the material of the foil member 111 includes one or more of Cu-foil and Al-foil, and the reference electrode active material 112 is made of LTO (Li4Ti5O12), LFP (LiFePO4), Li metal, and combinations thereof. It may be chosen from among the group.
  • Figures 8a and 8c are images of the electrode surface of the battery when the reference electrode 110 of the three-electrode battery applied to the power supply device of the present invention is applied and when the conventional wire-type reference electrode is applied. It's a photo.
  • the conventional wire-type reference electrode is applied to the left side
  • the reference electrode 110 of the present invention is applied to the right side.
  • Figure 8a shows an electrode extracted from a battery with 100% State of Charge (SoC). Although unreacted areas are observed in the conventional type, it can be seen that no unreacted areas are observed in the electrodes of the three-electrode battery applied to the power supply device of the present invention.
  • SoC State of Charge
  • Figure 8b is an electrode extracted from a battery to which 1C/1C, 20 cycles of charge and discharge were applied.
  • Li precipitation can be seen to be uneven at locations near the wire-type reference electrode.
  • Figure 8c is a photograph extracted from a battery dedicated to fast charge.
  • precipitation intensifies in the area adjacent to the wire-type reference electrode, but in the electrode of the three-electrode battery applied to the power supply device of the present invention, precipitation in the area adjacent to the reference electrode 110 can be seen to be alleviated.
  • Figure 9 is a graph showing the depth of charge at 1C charge and 2C charge. It can be seen that the charge depth deviation of the three-electrode battery applied to the power supply device of the present invention is reduced compared to the conventional battery.
  • the power supply device of the present invention includes a first voltage measurement unit that measures a voltage between the reference electrode and the first electrode or the second electrode; and a second voltage measurement unit that measures the voltage between the first electrode and the second electrode, and the measured values of the first voltage measurement unit and the second voltage measurement unit may be transmitted to the BMS unit. there is.
  • the power supply device of the present invention includes a first electrode for measuring the voltage between the reference electrode 110 and the first electrode 140 or the second electrode 140. It further includes a voltage measurement unit 510 and a second voltage measurement unit 520 that measures the voltage of the battery module 300, and the first voltage measurement unit 510 and the second voltage measurement unit 520 The measured values may be transmitted to the BMS unit 300.
  • the battery modules 300 are provided in plurality, each of the plurality of battery modules 300 is provided with at least one three-electrode battery 100, and the first voltage measurement unit 510 is provided in plurality, The second voltage measurement unit 520 is provided in plurality, and each of the plurality of battery modules 300 is provided with at least one first voltage measurement unit 510 and at least one second voltage measurement unit 520. It may be possible.
  • Electrode battery 110... reference electrode, 111... foil member, 112... reference electrode active material, 113... perforated hole, 115... reference electrode lead, 120... main separator, 130... auxiliary separator, 140... first electrode, 141... first electrode current collector, 142... first electrode active material, 144... first electrode tab, 145... first electrode lead, 150... second electrode, 151... second electrode current collector, 152... second electrode active material, 154... second electrode tab, 155... first.
  • Electrode lead 160...Battery case, 200...Secondary battery, 300...Battery module, 400...BMS unit, 510...First voltage measurement unit, 520...Second voltage measurement Unit, A1...first area, A2...second area
  • the power supply device of the present invention may be equipped with a three-electrode battery that can be stably driven even when used for a long time or multiple cycles, allowing the status of the secondary battery to be monitored in real time.
  • the three-electrode battery in the power supply device of the present invention can minimize the area of the blocking area due to the reference electrode and prevent circuit problems such as electrode damage such as electrode dents or internal short circuits due to changes in battery internal pressure.
  • the three-electrode battery in the power supply device of the present invention may be able to monitor the positive and negative electrodes with high reliability regardless of the electrode's own physical properties and whether or not it is driven.
  • the three-electrode battery in the power supply device of the present invention may be a Si/SiO battery with large thickness changes, or may be advantageous for monitoring long-term deterioration.
  • the three-electrode battery in the power supply device of the present invention can be expected to reduce the three-electrode deviation by reducing the blocking area.
  • the three-electrode battery in the power supply device of the present invention has a structure that is convenient for designing medium to large-sized batteries, and can be applied regardless of the stack or area of the electrodes.

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Abstract

본 발명은 전원 공급 장치에 관한 것으로, 이차전지를 이용하여 전원을 공급하는 장치에 있어서 이차전지의 상태를 실시간을 모니터링하여 안정적으로 전원을 공급할 수 있는 전원 공급 장치를 제공하기 위한 것이다. [대표도] 도 3.

Description

전원 공급 장치
본 출원은 2022.08.25. 출원된 한국특허출원 10-2022-0106846호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전원 공급 장치에 관한 것으로, 이차전지를 이용하여 전원을 공급하는 장치에 있어서 이차전지의 상태를 실시간을 모니터링하여 안정적으로 전원을 공급할 수 있는 전원 공급 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 방전과 역방향인 충전 과정을 통하여 반복 사용이 가능한 전지이며, 그 종류로는 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소(Ni-MH) 전지, 리튬-금속 전지, 리튬-이온(Li-ion) 전지 및 리튬-이온 폴리머 전지(Li-ion Polymer Battery) 등이 있다. 이러한 이차전지 중 높은 에너지밀도와 전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
상술한 바와 같이, 이차전지는 전기에너지를 화학에너지를 저장하거나, 화학에너지를 전기에너지로 전환하는 것에 용이하기 때문에, 전기차와 같은 모바일 장치나 스마트 그리드 등과 같은 시스템에 활용되는 전원 공급 및 저장 장치에 사용될 수 있다.
이때, 이차전지의 상태는 이차전지가 적용되는 장치 또는 시스템의 효율 및 기능에 영향을 주며, 특히 전기차에 적용되는 경우에는 사용자의 안전과도 직결된다.
따라서, 이차전지로 전력을 공급하는 장치에서 이차전지의 상태를 실시간으로 파악하는 것은 매우 중요하다.
이차전지의 상태를 실시간으로 모니터링하기 위한 방법 중의 하나로는 3전극 시스템이 있을 수 있다.
구체적으로, 이차전지 양/음극의 모니터링을 위해 기준전극을 사용한 3전극 분석 시스템이 활용될 수 있다. 종래의 3전극 시스템에는 LTO(Li4Ti5O12) 활물질이 코팅된 얇은 구리 와이어가 기준전극으로 사용된다.
구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 3전극 전지는 양극(11)과 음극(12) 사이에 적층되는 분리막(13)에 LTO 활물질이 코팅된 Cu 와이어가 기준전극(14)으로서 삽입될 수 있다. 더 구체적으로, 양극(11)과 음극(12) 사이의 분리막(13)은 2겹으로 마련되고 기준전극(14)은 2겹의 분리막(13) 사이에 위치할 수 있다.
이때, 와이어 타입의 기준전극을 사용하게 되면, 도 2에 도시된 바와 같이, 기준전극(14)의 형상으로 인하여 차단 영역(blocking area)이 발생하게 되고, 이에 따라 미반응 영역이 형성되어 이차전지의 성능을 저하의 원인이 될 수 있다.
전극의 자체 강성이나 두께에 따라서 차단 영역의 크기는 확대되어 문제가 될 수 있고, 특히, 전지가 구동하면서 발생하는 전극의 두께증가 및 가스 발생에 의한 전지 내압 증가로 인해 기준전극의 위치하는 영역에 압력이 증가하게 되면, 전극의 손상 및 분리막의 손상을 유발하고, 이차전지 기반의 전원 공급 장치를 적용되는 장치 또는 시스템의 성능 저하 및 안전에 문제를 발생시킬 수 있다.
본 발명은 전원 공급 장치에 관한 것으로, 이차전지를 이용하여 전원을 공급하는 장치에 있어서 이차전지의 상태를 실시간을 모니터링하여 안정적으로 전원을 공급할 수 있는 전원 공급 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 전원 공급 장치는,
상기 복수의 이차전지가 구비되는 배터리 모듈; 및
상기 배터리 모듈을 제어하는 BMS(battery management system) 유닛을 포함하고,
상기 복수의 이차전지 중 적어도 하나 이상은 기준전극이 구비되는 3전극 전지로 마련되며,
상기 3전극 전지의 상기 기준전극은 복수의 타공홀이 형성된 필름 형상으로 마련되는 것일 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치는 장시간 또는 다사이클의 사용에도 안정적으로 구동이 가능한 3전극 전지를 구비함으로써, 실시간으로 이차전지의 상태가 모니터링 가능한 것일 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치에서의 3전극 전지는 기준전극으로 인한 차단 영역의 넓이를 최소화하고, 전지 내부압력 변화에 따른 전극 파임과 같은 전극 손상이나 내부 단락과 같은 회로문제 발생을 억제할 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치에서의 3전극 전지는 전극의 자체 물성 및 구동여부에 상관없이 고신뢰성의 양/음극의 모니터링이 가능한 것일 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치에서의 3전극 전지는 두께 변화가 심한 Si/SiO 전지나, 장기적인 퇴화에 대한 모니터링이 유리한 것일 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치에서의 3전극 전지는 차단영역의 감소로 3전극 편차 감소 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치에서의 3전극 전지는 중대형 전지 설계에 용이한 구조이며, 전극의 스택 또는 면적에 상관없이 적용될 수 있다.
도 1은 종래의 3전극 전지를 나타내는 개념도이다.
도 2는 종래의 3전극 전지를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 전원 공급 장치는 나타내는 블록도이다.
도 4는 3전극 전지를 나타내는 단면도이다.
도 5는 3전극 전지의 적층 구조를 나타내는 분해 사시도이다.
도 6은 제1 전극과 기준전극 간의 배치관계를 나타내는 평면도이다.
도 7은 제1 영역의 공극률에 따른 전지 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8a 내지 도 8c는 기준전극에 따른 전지 전극의 상태를 나타내는 사진이다.
도 9은 1C charge과 2C charge에서 충전심도를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 전원 공급 장치의 다른 실시양태를 나타내는 블록도이다.
본 발명의 전원 공급 장치는,
상기 복수의 이차전지가 구비되는 배터리 모듈; 및
상기 배터리 모듈을 제어하는 BMS(battery management system) 유닛을 포함하고,
상기 복수의 이차전지 중 적어도 하나 이상은 기준전극이 구비되는 3전극 전지로 마련되며,
상기 3전극 전지의 상기 기준전극은 복수의 타공홀이 형성된 필름 형상으로 마련되는 것일 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치에서 상기 3전극 전지는, 메인 분리막; 상기 메인 분리막의 일측 면에 적층되는 필름 형상의 상기 기준전극; 상기 기준전극을 사이에 두고 상기 메인 분리막의 상기 일측 면에 적층되는 보조 분리막; 상기 메인 분리막, 상기 기준전극 및 상기 보조 분리막을 사이에 두고 적층되는 제1 전극 및 제2 전극; 내부 공간에 상기 메인 분리막, 상기 기준전극, 상기 보조 분리막, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 수용되는 전지 케이스를 포함하고, 상기 기준전극은 45㎛ 내지 120㎛의 두께로 마련되는 것일 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치에서 상기 기준전극은, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극과 대면하는 제1 영역과, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 일측으로부터 돌출되는 제2 영역을 포함하고, 상기 복수의 타공홀은 상기 제1 영역에 형성되며, 상기 제1 영역에서 상기 복수의 타공홀로 형성되는 공극률은 30% 내지 70%인 것일 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치의 상기 3전극 전지는 일단부가 상기 기준전극의 상기 제2 영역에 융착되고, 타단부가 상기 전지 케이스 외부로 돌출되는 기준전극 리드를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치에서 상기 제1 영역의 면적은 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 면적의 1% 내지 10%로 마련되는 것일 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치에서 상기 기준전극은, 몸체를 형성하는 호일(foil) 부재와, 상기 호일 부재에 코팅되는 기준전극 활물질을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치에서 상기 호일 부재의 소재는 Cu-foil 및 Al-foil 중에서 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치에서 상기 기준전극 활물질은 LTO(Li4Ti5O12), LFP(LiFePO4), Li 금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중에서 선택되는 것일 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치는,
상기 기준전극과 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 간의 전압을 측정하는 제1 전압 측정 유닛; 및
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간의 전압을 측정하는 제2 전압 측정 유닛을 더 포함하고,
상기 제1 전압 측정 유닛 및 상기 제2 전압 측정 유닛의 측정 값들은 상기 BMS 유닛으로 전달되는 것일 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치는,
상기 기준전극과 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 간의 전압을 측정하는 제1 전압 측정 유닛; 및
상기 배터리 모듈의 전압을 측정하는 제2 전압 측정 유닛을 더 포함하고,
상기 제1 전압 측정 유닛 및 상기 제2 전압 측정 유닛의 측정 값들은 상기 BMS 유닛으로 전달되는 것일 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치에서 상기 배터리 모듈은 복수로 마련되고, 상기 복수의 배터리 모듈 각각에는 적어도 하나 이상의 3전극 전지가 구비되며, 상기 제1 전압 측정 유닛은 복수로 마련되고, 상기 제2 전압 측정 유닛은 복수로 마련되며, 상기 복수의 배터리 모듈 각각에 적어도 하나 이상의 제1 전압 측정 유닛 및 적어도 하나 이상의 제2 전압 측정 유닛이 구비되는 것일 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
본 발명의 설명에 있어서, 유의하여야 할 점은 용어 "중심", "상", "하" "좌", "우", "수직", "수평", "내측", "외측", “일면”, “타면” 등이 지시한 방위 또는 위치 관계는 도면에서 나타낸 방위 또는 위치 관계, 또는 평소에 본 발명 제품을 사용할 시 배치하는 방위 또는 위치관계에 기초한 것이고, 본 발명의 설명과 간략한 설명을 위한 것일 뿐, 표시된 장치 또는 소자가 반드시 특정된 방위를 가지고 특정된 방위로 구성되거나 조작되어야 하는 것을 제시 또는 암시하는 것이 아니므로 본 발명을 제한하는 것으로 이해해서는 아니 된다.
도 3은 본 발명의 전원 공급 장치는 나타내는 블록도이다. 도 4는 3전극 전지를 나타내는 단면도이다. 도 5는 3전극 전지의 적층 구조를 나타내는 분해 사시도이다. 도 6은 제1 전극과 기준전극 간의 배치관계를 나타내는 평면도이다. 도 7은 제1 영역의 공극률에 따른 전지 특성을 나타내는 그래프이다. 도 8a 내지 도 8c는 기준전극에 따른 전지 전극의 상태를 나타내는 사진이다. 도 9은 1C charge과 2C charge에서 충전심도를 나타내는 그래프이다. 도 10은 본 발명의 전원 공급 장치의 다른 실시양태를 나타내는 블록도이다.
이하, 도 3 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 전원 공급 장치에 대해서 상세히 설명한다. 도 4, 내지 도 6에 표기된 xyz 좌표계에서, x축 방향은 제1 방향이고, y축 방향은 제2 방향이며, z축 방향은 상하방향일 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전원 공급 장치는,
상기 복수의 이차전지(200)가 구비되는 배터리 모듈(300); 및
상기 배터리 모듈(300)을 제어하는 BMS(battery management system) 유닛(400)을 포함하고,
상기 복수의 이차전지(200) 중 적어도 하나 이상은 기준전극(110)이 구비되는 3전극 전지(100)로 마련되며,
상기 3전극 전지(100)의 상기 기준전극은 복수의 타공홀(113)이 형성된 필름 형상으로 마련되는 것일 수 있다.
배터리 모듈(300)은 복수의 이차전지(200)의 집합으로 마련되는 것으로, 복수의 이차전지(200)가 서로 전기적으로 연결된 상태에서, 하우징에 수용되어 복수의 이차전지(200)가 충격이나 진동에 흔들리지 않게 서로 고정되도록 마련되는 것일 수 있다. 배터리 모듈(300) 내에서 복수의 이차전지(200)는 서로 직렬로 연결될 수 있다. 3전극 전지(100)는 배터리 모듈(300)에 마련되는 복수의 이차전지(200) 중 하나 또는 일부 일 수 있다. 필요에 따라서는 배터리 모듈(300)에 마련되는 복수의 이차전지(200)가 모두 3전극 전지(100)로 마련될 수도 있다. 본 발명의 전원 공급 장치에서 이차전지(200)는 다양한 타입의 전지일 수 있다. 예를 들어, 이차 전지(200) 및 3전극 전지(100)는 파우치형 전지일 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치는 BMS 유닛(400)에 의해서 제어되고 배터리 모듈의 온도를 제어하는 냉각회로(미도시)가 더 구비될 수 있다.
BMS(battery management system) 유닛(400)은 전압(이차전지 또는 3전극 전지 개별 전압, 배터리 모듈 총 전압, 이차전지의 최저 또는 최고 전압 등) 값, 전류(충전 또는 방전 전류 등), 온도(이차전지 개별 온도, 배터리 모듈 평균온도, 추가로 마련되는 냉각회로 입구 또는 출구 온도, 냉각회로에 흐르는 유량 등) 값, SoC 값, SoH 값, 심방전도(depth of discharge) 값 등의 특정 값들을 감시할 수 있다. 더하여, BMS 유닛(400)은 전압 제어(충전 전압, 과방전 전압 등), 전류 제어(과전류, 충전전류, 방전전류 등), 출력 제한(전류제어와 전압제어를 통한 출력제어 등), 온도 제어(냉각회로 제어 등), 셀 밸런싱(balancing)(주파수 변환기 - PWM 인버터(PWM-inverter)), SoC 제어 및 셀 보호(과충전 상태에 이르지 않고, 회생제동 에너지를 흡수할 수 있도록 축전지 작동점 제어) 및 릴레이 제어 중 적어도 하나 이상의 기능을 수행하는 것일 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전원 공급 장치의 3전극 전지(100)는,
메인 분리막(120);
상기 메인 분리막(120)의 일측 면에 적층되는 필름 형상의 상기 기준전극(110);
상기 기준전극(110)을 사이에 두고 상기 메인 분리막(120)의 상기 일측 면에 적층되는 보조 분리막(130);
상기 메인 분리막(120), 상기 기준전극(110) 및 상기 보조 분리막(130)을 사이에 두고 적층되는 제1 전극(140) 및 제2 전극(150);
내부 공간에 상기 메인 분리막(120), 상기 기준전극(110), 상기 보조 분리막(130), 상기 제1 전극(140) 및 상기 제2 전극(150)이 수용되는 전지 케이스(160)를 포함하는 것일 수 있다.
상기 기준전극(110)은 45㎛ 내지 120㎛의 두께로 마련되는 것일 수 있다. 기준전극(110)의 두께는 제1 전극(140)과 제2 전극(150) 간의 들뜸 현상, 3전극 전지(100)에 가해지는 충격 또는 진동에 의한 찍힘 현상 등을 고려하여 결정될 수 있다.
제1 전극(140) 및 제2 전극(150) 중 하나는 양극으로 형성되고, 다른 하나는 음극으로 형성될 수 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 전극(140)은 제1 전극 집전체(141), 상기 제1 전극 집전체(141)의 표면에 도포되는 제1 전극 활물질(142), 상기 제1 전극 집전체(141) 중 상기 제1 전극 활물질(142)이 도포되지 않은 무지부에 용접되는 제1 전극 탭(144), 및 일단부가 상기 전지 케이스(160) 내부에서 상기 제1 전극 탭(144)과 용접되고 타단부가 상기 전지 케이스(160) 외부로 돌출되는 제1 전극 리드(145)를 포함할 수 있다. 제2 전극(150) 또한 제2 전극 집전체(151), 상기 제2 전극 집전체(151)의 표면에 도포되는 제2 전극 활물질(152), 상기 제2 전극 집전체(151) 중 상기 제2 전극 활물질(152)이 도포되지 않은 무지부에 용접되는 제2 전극 탭(154), 및 일단부가 상기 전지 케이스(160) 내부에서 상기 제2 전극 탭(154)과 용접되고 타단부가 상기 전지 케이스(160) 외부로 돌출되는 제2 전극 리드(155)를 포함할 수 있다.
메인 분리막(120) 및 보조 분리막(130)의 소재는 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
메인 분리막(120)은 제1 전극(140) 및 제2 전극(150) 사이에 위치하는 것일 수 있다.
메인 분리막(120), 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)은 각각 복수로 마련될 수 있으며, 이때에는 보조 분리막(130)과 기준전극(110)은 복수의 메인 분리막(120) 중 하나에 마련될 수 있다.
메인 분리막(120), 제1 전극(140) 및 제2 전극(150) 각각은 시트 형상으로 마련되어 서로 교차되도록 적층될 수 있다.
보조 분리막(130)은 기준전극(110)이 제1 전극(140) 또는 제2 전극(150)에 직접 접촉하지 않도록 기준전극(110)을 덮을 수 있는 크기로 형성될 수 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전원 공급 장치의 3전극 전지는 제1 전극(140), 메인 분리막(120), 기준전극(110), 보조 분리막(130), 제2 전극(150) 순으로 또는 제1 전극(140), 보조 분리막(130), 기준전극(110), 메인 분리막(120), 제2 전극(150) 순으로 적층되어 형성된 전극 조립체와 함께 전해액이 전지 케이스(160) 내부에 주액된 후, 전지 케이스(160)를 밀봉하여 완성될 수 있다.
이때, 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)이 각각 복수로 마련될 경우, 복수의 제1 전극(140) 각각에 용접된 제1 전극 탭(144)이 하나의 제1 전극 리드(145)에 용접되고, 복수의 제2 전극(150) 각각에 용접된 제2 전극 탭(154)이 하나의 제2 전극 리드(155)에 용접되며, 제1 전극 리드(145)의 일단부 및 제2 전극 리드(155)의 일단부가 전지 케이스(160) 외부로 돌출될 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 기준전극(110)은, 상기 제1 전극(140) 또는 상기 제2 전극(150)과 대면하는 제1 영역(A1)과, 상기 제1 전극(140) 또는 상기 제2 전극(150)의 일측으로부터 돌출되는 제2 영역(A2)을 포함하고, 상기 복수의 타공홀(113)은 상기 제1 영역(A1)에 형성되는 것일 수 있다. 즉, 제1 영역(A1)은 제1 전극(140) 또는 제2 전극(150)에 걸리는 전위의 기준을 잡아주는 것이고, 제2 영역(A2)은 전기적 연결을 위한 것일 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치의 3전극 전지(100)에서, 상기 기준전극(110)은 복수의 타공홀(113)이 형성되는 것일 수 있다. 기준전극(110)에 복수의 타공홀(113)이 형성됨으로써, 제1 전극(140)과 제2 전극(150) 사이에서의 이온의 이동을 기준전극(110)이 방해하는 것을 방지할 수 있고, 차단영역의 형성을 억제할 수 있다. 상기 제1 영역(A1)에서 상기 복수의 타공홀(113)로 형성되는 공극률은 30% 내지 70%인 것일 수 있다. 즉, 복수의 타공홀(113)의 전체 면적은 제1 영역(A1)의 면적의 30% 내지 70 %로 형성될 수 있다. 제1 영역(A1)에서 공극률이 30% 이하일 경우, 이온 확산에 원활하지 않을 수 있으며, 70% 이상일 경우, 기준 전극이 끊어질 수 있다. 따라서, 상기 제1 영역(A1)에서 상기 복수의 타공홀(113)로 형성되는 공극률은 30% 내지 70%인 것이 바람직할 수 있다.
도 7은 제1 영역의 공극률에 따른 전지 특성을 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 양극, 분리막, 음극 순으로 적층된 전극 조립체를 포함하는 전지에 대해서, 분리막과 음극 사이에 타공홀이 형성된 테스트 호일을 삽입하고, 테스트 호일의 공극률(open ratio)에 따른 전지 특성을 나타내는 그래프이다. 전지는 4개를 마련하여, 3개의 전지에는 공극률이 17%, 32% 및 50%인 테스트 호일을 각각 삽입하였고, 나머지 하나의 전지에는 테스트 호일을 삽입하지 않았다. 도 7에 나타난 바와 같이, 30% 미만의 공극률(17%의 공극률)의 테스트 호일이 구비된 전지는 이온 이동에 장애가 있는 것으로 나타나지만, 30% 이상의 공극률(32% 및 50%의 공극률)의 테스트 호일이 구비된 전지는 테스트 호일 자체가 없는 이차전지와 유사한 거동을 보여줌을 알 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치의 3전극 전지(100)는, 일단부가 상기 기준전극(110)의 상기 제2 영역(A2)에 융착되고, 타단부가 상기 전지 케이스(160) 외부로 돌출되는 기준전극 리드(115)를 더 포함하는 것일 수 있다. 기준전극(110)은 박막 금속 필름 또는 호일로 형성될 수 있기 때문에 전지 케이스(160)의 밀봉을 위한 융착 또는 외부 전기 단자와의 연결을 위한 최소한의 강성이 확보되지 않을 수 있다. 따라서, 기준전극(110)에는 전기적 연결을 위한 도전체인 기준전극 리드(115)가 연결될 수 있으며, 기준전극 리드(115)는 제2 영역(A2)에 용접될 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치에서 상기 제1 영역(A1)의 면적은 상기 제1 전극(140) 또는 상기 제2 전극(150)의 면적의 1% 내지 10%로 마련되는 것일 수 있다. 10%의 면적으로 초과하는 크기로 기준전극(110)의 제1 영역(A1)이 형성될 경우 리튬 이온 확산 저항이 커질 수 있다.
구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1 전극(140) 또는 상기 제2 전극(150)은 서로 직교하는 제1 방향 및 제2 방향을 모서리로 하는 직사각형 형상으로 마련될 수 있다. 더 구체적으로, 상기 제1 전극(140) 또는 상기 제2 전극(150)의 상기 제1 방향 길이가 상기 제2 방향 길이보다 길게 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1 영역(A1)의 상기 제1 방향으로의 길이 Wr은 상기 제1 전극(140) 또는 상기 제2 전극(150)의 상기 제1 방향으로의 길이 FL의 1% 내지 3%로 형성되고, 상기 제1 영역(A1)의 상기 제2 방향으로의 길이 Lr은 상기 제1 전극(140) 또는 상기 제2 전극(150)의 상기 제2 방향으로의 길이 Fw의 5% 내지 95%로 형성되는 것일 수 있다. 상기 제1 영역(A1)의 상기 제2 방향으로의 길이 Lr은 제1 전극 또는 제2 전극의 규격, 소재, 적층 수 및 적층 형태 등을 고려하여 결정될 수 있다.
즉, 기준전극(110)은 제1 전극(140) 또는 제2 전극(150)의 길이방향에 수직한 방향으로 연장되는 형상으로 마련될 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 기준전극(110)은, 몸체를 형성하는 호일(foil) 부재(111)와, 상기 호일 부재(111)에 코팅되는 기준전극 활물질(112)을 포함하는 것일 수 있다. 기준전극 활물질(112)은 제1 영역(A1)에 도포될 수 있으며, 제2 영역(A2)은 기준전극 활물질(112)이 도포되지 않는 무지부로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(A1) 및 제2 영역(A2)의 제1 방향으로의 폭은 2 mm로 형성되고, 제2 방향으로의 길이는 제1 영역(A1)이 15 mm, 제2 영역(A2)이 3 mm로 형성될 수 있다.
상기 호일 부재(111)의 소재는 Cu-foil 및 Al-foil 중에서 하나 이상을 포함하는 것이고, 상기 기준전극 활물질(112)은 LTO(Li4Ti5O12), LFP(LiFePO4), Li 금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중에서 선택되는 것일 수 있다.
도 8a 및 도 8c는 본 발명의 전원 공급 장치에 적용되는 3전극 전지의 기준전극(110)을 적용했을 때와, 종래의 와이어형 기준전극을 적용했을 때의, 전지에서의 전극 표면을 촬영한 사진이다. 도 8a 및 도 8c에서 좌측은 종래의 와이어형 기준전극이 적용된 것이고, 우측은 본 발명의 기준전극(110)이 적용된 것이다.
도 8a는 SoC(State of Charge) 100%의 전지에 추출된 전극이다. 종래의 타입은 미반응영역이 관찰되고 있지만, 본 발명의 전원 공급 장치에 적용되는 3전극 전지의 전극은 미반응 영역이 확인되지 않는 것을 볼 수 있다.
도 8b는 1C/1C, 20사이클의 충방전이 적용된 전지에서 추출된 전극이다. 종래의 타입은 와이어형 기준전극의 인근 위치에서 Li 석출이 불균일함을 볼 수 있다.
도 8c는 급속 충전(fast charge)이 전용된 전지에서 추출된 사진이다. 종래의 타입은 와이어형 기준전극 인접 영역으로 석출 심화 현상이 발생하지만, 본 발명의 전원 공급 장치에 적용되는 3전극 전지의 전극은 기준전극(110) 인접 영역에서의 석출이 완화됨을 볼 수 있다.
도 9는 1C charge과 2C charge에서 충전심도를 나타내는 그래프이다. 본 발명의 전원 공급 장치에 적용되는 3전극 전지가 종래의 전지보다 충전심도 편차가 감소되는 것을 볼 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치는, 상기 기준전극과 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 간의 전압을 측정하는 제1 전압 측정 유닛; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간의 전압을 측정하는 제2 전압 측정 유닛을 더 포함하고, 상기 제1 전압 측정 유닛 및 상기 제2 전압 측정 유닛의 측정 값들은 상기 BMS 유닛으로 전달되는 것일 수 있다.
다른 실시 양태로서, 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전원 공급 장치는, 상기 기준전극(110)과 상기 제1 전극(140) 또는 상기 제2 전극(140) 간의 전압을 측정하는 제1 전압 측정 유닛(510) 및 상기 배터리 모듈(300)의 전압을 측정하는 제2 전압 측정 유닛(520)을 더 포함하고, 상기 제1 전압 측정 유닛(510) 및 상기 제2 전압 측정 유닛(520)의 측정 값들은 상기 BMS 유닛(300)으로 전달되는 것일 수 있다.
상기 배터리 모듈(300)은 복수로 마련되고, 상기 복수의 배터리 모듈(300) 각각에는 적어도 하나 이상의 3전극 전지(100)가 구비되며, 상기 제1 전압 측정 유닛(510)은 복수로 마련되고, 상기 제2 전압 측정 유닛(520)은 복수로 마련되며, 상기 복수의 배터리 모듈(300) 각각에 적어도 하나 이상의 제1 전압 측정 유닛(510) 및 적어도 하나 이상의 제2 전압 측정 유닛(520)이 구비되는 것일 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
[부호의 설명] 100...3전극 전지, 110...기준전극, 111...호일 부재, 112...기준전극 활물질, 113...타공홀, 115...기준전극 리드, 120...메인 분리막, 130...보조 분리막, 140...제1 전극, 141...제1 전극 집전체, 142...제1 전극 활물질, 144...제1 전극 탭, 145...제1 전극 리드, 150...제2 전극, 151...제2 전극 집전체, 152...제2 전극 활물질, 154...제2 전극 탭, 155...제2 전극 리드, 160...전지 케이스, 200...이차전지, 300...배터리 모듈, 400...BMS 유닛, 510...제1 전압 측정 유닛, 520...제2 전압 측정 유닛, A1...제1 영역, A2...제2 영역
본 발명의 전원 공급 장치는 장시간 또는 다사이클의 사용에도 안정적으로 구동이 가능한 3전극 전지를 구비함으로써, 실시간으로 이차전지의 상태가 모니터링 가능한 것일 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치에서의 3전극 전지는 기준전극으로 인한 차단 영역의 넓이를 최소화하고, 전지 내부압력 변화에 따른 전극 파임과 같은 전극 손상이나 내부 단락과 같은 회로문제 발생을 억제할 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치에서의 3전극 전지는 전극의 자체 물성 및 구동여부에 상관없이 고신뢰성의 양/음극의 모니터링이 가능한 것일 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치에서의 3전극 전지는 두께 변화가 심한 Si/SiO 전지나, 장기적인 퇴화에 대한 모니터링이 유리한 것일 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치에서의 3전극 전지는 차단영역의 감소로 3전극 편차 감소 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 전원 공급 장치에서의 3전극 전지는 중대형 전지 설계에 용이한 구조이며, 전극의 스택 또는 면적에 상관없이 적용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 상기 복수의 이차전지가 구비되는 배터리 모듈; 및
    상기 배터리 모듈을 제어하는 BMS(battery management system) 유닛을 포함하고,
    상기 복수의 이차전지 중 적어도 하나 이상은 기준전극이 구비되는 3전극 전지로 마련되며,
    상기 3전극 전지의 상기 기준전극은 복수의 타공홀이 형성된 필름 형상으로 마련되는 것인 전원 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 3전극 전지는,
    메인 분리막;
    상기 메인 분리막의 일측 면에 적층되는 필름 형상의 상기 기준전극;
    상기 기준전극을 사이에 두고 상기 메인 분리막의 상기 일측 면에 적층되는 보조 분리막;
    상기 메인 분리막, 상기 기준전극 및 상기 보조 분리막을 사이에 두고 적층되는 제1 전극 및 제2 전극;
    내부 공간에 상기 메인 분리막, 상기 기준전극, 상기 보조 분리막, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 수용되는 전지 케이스를 포함하고,
    상기 기준전극은 45㎛ 내지 120㎛의 두께로 마련되는 것인 전원 공급 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기준전극은,
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극과 대면하는 제1 영역과,
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 일측으로부터 돌출되는 제2 영역을 포함하고,
    상기 복수의 타공홀은 상기 제1 영역에 형성되며,
    상기 제1 영역에서 상기 복수의 타공홀로 형성되는 공극률은 30% 내지 70%인 것인 전원 공급 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 3전극 전지는 일단부가 상기 기준전극의 상기 제2 영역에 융착되고, 타단부가 상기 전지 케이스 외부로 돌출되는 기준전극 리드를 더 포함하는 것인 전원 공급 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 영역의 면적은 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 면적의 1% 내지 10%로 마련되는 것인 전원 공급 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기준전극은,
    몸체를 형성하는 호일(foil) 부재와,
    상기 호일 부재에 코팅되는 기준전극 활물질을 포함하는 것인 전원 공급 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 호일 부재의 소재는 Cu-foil 및 Al-foil 중에서 하나 이상을 포함하는 것인 전원 공급 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 기준전극 활물질은 LTO(Li4Ti5O12), LFP(LiFePO4), Li 금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중에서 선택되는 것인 전원 공급 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 기준전극과 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 간의 전압을 측정하는 제1 전압 측정 유닛; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간의 전압을 측정하는 제2 전압 측정 유닛을 더 포함하고,
    상기 제1 전압 측정 유닛 및 상기 제2 전압 측정 유닛의 측정 값들은 상기 BMS 유닛으로 전달되는 것인 전원 공급 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 기준전극과 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 간의 전압을 측정하는 제1 전압 측정 유닛; 및
    상기 배터리 모듈의 전압을 측정하는 제2 전압 측정 유닛을 더 포함하고,
    상기 제1 전압 측정 유닛 및 상기 제2 전압 측정 유닛의 측정 값들은 상기 BMS 유닛으로 전달되는 것인 전원 공급 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 복수로 마련되고,
    상기 복수의 배터리 모듈 각각에는 적어도 하나 이상의 3전극 전지가 구비되며,
    상기 제1 전압 측정 유닛은 복수로 마련되고,
    상기 제2 전압 측정 유닛은 복수로 마련되며,
    상기 복수의 배터리 모듈 각각에 적어도 하나 이상의 제1 전압 측정 유닛 및 적어도 하나 이상의 제2 전압 측정 유닛이 구비되는 것인 전원 공급 장치.
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