KR102468695B1 - 전지셀의 활성화 방법 및 활성화 장치 - Google Patents

전지셀의 활성화 방법 및 활성화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 리튬니켈산화물(LNO)이 첨가 또는 혼합된 니켈코발트망간(NCM) 양극재가 도포된 양극을 포함하는 전지셀의 활성화 방법으로써, 전지셀을 충전하는 단계; 및 전지셀을 방전하는 단계;를 포함하되, 상기 전지셀을 충전하는 단계에서 상기 전지셀은 45℃ 내지 60℃ 범위의 온도로 가열된 상태에서 충전 C-rate 0.1C 내지 0.5C 조건으로 충전되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명 활성화 공정시 가스 생성이 억제되는 가압/가열 조건이 제공되어 가스 발생에 따른 스웰링, 전지 변형, 성능 저하를 방지할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

전지셀의 활성화 방법 및 활성화 장치{Formation method and formation apparatus of battery cell}
본 발명은 전지셀의 활성화 방법 및 장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 활성화 공정시 전지셀에 열(및/또는 압력)을 가하여 활성화 시간을 단축시키고 가스 발생을 저감시킬 수 있는 전지셀의 활성화 방법 및 활성화 장치에 관한 것이다.
최근, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라, 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이차전지는 외부기기의 종류에 따라, 단일 전지셀의 형태로 사용되기도 하고, 또는 다수의 단위전지들을 전기적으로 연결한 전지모듈의 형태로 사용되기도 한다. 예를 들면, 휴대폰과 같은 소형 디바이스는 전지셀 1개의 출력과 용량으로 소정 시간 동안 작동이 가능한 반면에, 노트북 컴퓨터, 휴대용 DVD(Portable DVD), 소형 PC(Personal Computer), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중형 또는 대형 디바이스는 출력 및 용량의 문제로 다수의 전지셀들을 포함하는 전지모듈의 사용이 요구된다.
이러한 이차전지는 전지셀을 조립하는 과정과 전지를 활성화하는 공정을 거쳐 제조된다. 이 때, 전지 활성화 공정은 통상 양극, 음극 접점장치를 갖는 충방전용 장치가 충방전 대상인 전지셀에 필요 전류를 인가함으로써 이루어지게 된다.
이차전지의 충방전용 장치는 도 1 에 도시된 바와 같이 전지셀들(10)이 개별적으로 수납 또는 끼워져 고정되는 트레이(20)와 상기 트레이(20)에 고정된 전지셀(10)의 양극(11) 및 음극(12)으로 연결되어 충방전하는 접점장치(30, 40)를 포함한다. 상기 접점장치(30, 40)는 트레이(20)를 사이에 두고 양측으로 배치되어 양극(11) 또는 음극(12)에 전기적으로 연결될 수 있는 접점핀(31, 41)을 갖는 구조로 구성된다.
한편, 니켈(Ni) 기반의 NCM 양극재(NiCoMn: 니켈코발트망간 양극재)는 높은 에너지 밀도를 가지며, 수명이 길고 내구성이 좋아 최근에 널리 사용되고 있다. 그리고, 에너지 밀도의 추가적인 향상을 위해 리튬 함유량이 증가되도록 LNO(LiNiO2: 리튬니켈산화물)이 첨가되기도 한다.
하지만, LNO 제조시 필요한 원료에서 미반응된 리튬 부산물이 잔존하는 상태에서 LNO 의 상변화가 이뤄짐에 따라 전극셀 내부에서 가스를 발생시키는 문제가 있었다.
상기 전지셀 내부에서 발생한 가스는 저항으로 작용하거나 전지모듈 및 전지팩의 변형을 유발시키는 요인이 되어 제품 불량률을 증가시켰으며, 특히, 상대적으로 견고한 케이스를 갖는 캔형 보다는 상대적으로 무른 케이스를 갖는 파우치형 이차전지의 경우에는 가스발생에 따른 변형이 더 심각하게 나타난다.
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 리튬니켈산화물(LNO)이 첨가 또는 혼합된 니켈코발트망간(NCM) 양극재가 도포된 양극에서 가스 발생을 최소화할 수 있는 전지셀의 활성화 방법 및 활성화 장치를 제공하는 것에 주목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 리튬니켈산화물(LNO)이 첨가 또는 혼합된 니켈코발트망간(NCM) 양극재가 도포된 양극을 포함하는 전지셀의 활성화 방법으로써, 전지셀을 충전하는 단계; 및 전지셀을 방전하는 단계;를 포함하되, 상기 전지셀을 충전하는 단계에서 상기 전지셀은 45℃ 내지 60℃ 범위의 온도로 가열된 상태에서 충전 C-rate 0.1C 내지 0.5C 조건(1C-rate 는 전지셀이 만충됐을 때 1시간 동안 사용할 수 있는 전류량으로써, 0.1C 는 10 시간 동안 충전했을 때 만충시킬 수 있는 전류량이며, 0.5C 는 2 시간 동안 충전했을 때 만충시킬 수 있는 전류량)으로 충전되는 것을 특징으로 한다.
더 상세하게는, 상기 전지셀은 45℃ 내지 60℃ 범위의 온도로 가열된 상태에서 충전 C-rate 0.2C 조건으로 충전된다.
상기 전지셀은 충전율 0%까지 완전방전된 상태에서 충전이 이뤄지되, 충전율 0% 로부터 기준충전율까지로 정해지는 제1충전구간에서 전지셀에 가해지는 제1압력과 기준충전율부터 충전율 100% 까지로 정해지는 제2충전구간에서 전지셀에 가해지는 제2압력은 다르게 형성되며, 상기 제1압력 보다 제2압력이 더 높게 형성된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1압력은 0.1kgf/㎠ 미만에서 정해지고, 상기 제2압력은 0.1kgf/㎠ 내지 0.5kgf/㎠ 범위 내에서 정해진다.
그리고, 상기 기준충전율은 충전율 10% 내지 충전율 20% 범위 내에서 더 상세하게는 충전율 15% 내지 19% 범위 내에서 정해진다.
아울러, 본 발명에서는 전지셀의 활성화 장치를 추가적으로 제공한다. 상기 장치는, 리튬니켈산화물(LNO)이 첨가 또는 혼합된 니켈코발트망간(NCM) 양극재가 도포된 양극을 포함하는 전지셀의 활성화 장치로써, 두 개 이상이 적층된 전지셀들 사이로 끼워지며 상기 전지셀을 가열하는 히팅판; 및 각각의 전지셀들로 압력이 가해지도록 상기 전지셀들이 적층된 방향으로 가압하는 가압장치;를 포함한다.
상기 히팅판은 히팅판이 전지셀을 가압과 동시에 가열함으로써 두 개의 기능을 동시에 제공할 수 있다. 즉, 상기 가압장치는 별도로 구성되지 않고 히팅판에 통합되어 구성될 수 있다.
그리고, 상기 히팅판에 의해 가열된 전지셀의 온도를 계측하는 온도계와 상기 가압장치에 의해 전지셀에 가해지는 압력을 계측하는 압력계가 더 포함될 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명 활성화 공정시 가스 생성이 억제되는 가압/가열 조건이 제공되어 가스 발생에 따른 스웰링, 전지 변형, 성능 저하를 방지할 수 있다.
즉, 성능을 향상시키기 위해 LNO 를 니켈(Ni) 기반의 NCM 양극재에 첨가하더라도 가스 발생에 따른 종래의 문제점들을 해소할 수 있다.
도 1 는 종래의 활성화 장치의 모습이 단순화되어 도시된 간략도.
도 2 는 본 발명에 따른 활성화 장치의 모습이 단순화되어 도시된 것으로써 가압장치가 히팅판에 일체로 구성됐을 때의 모습이 나타난 간략도.
도 3 은 히팅판과 가압장치가 분리됐을 때의 모습이 단순화되어 도시된 간략도.
도 4 는 본 발명의 활성화 방법에 따라 활성화된 전지셀의 잔존용량(C3, C6)이 종래의 방식으로 활성화된 전지셀의 잔존용량(C1) 보다 더 높게 나타나는 것을 나타낸 그래프.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 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 발명은 케이스 내에 전극조립체와 전해액이 주입된 전지셀의 활성화 방법 및 활성화 장치에 관한 것으로써, 종래 구조 대비 내부 가스발생을 저감시킬 수 있고 활성화 시간을 단축시킬 수 있는 방법 및 장치를 제공한다. 특히, 본 발명에서는 상기 전극조립체를 구성하는 양극에 양극활성화 물질로써 리튬니켈산화물(LNO)이 첨가 또는 혼합된 니켈코발트망간(NCM) 양극재가 도포되는 경우에 더 큰 효과를 얻을 수 있다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 더욱 상세히 설명한다.
실시예1
도 2 와 도 3 을 참조하면 본 발명의 실시예1에 따른 전지셀의 활성화 장치는 전지셀들(10)이 개별적으로 수납 또는 끼워져 고정되는 트레이(20)와 상기 트레이(20)에 고정된 전지셀(10)의 양극(11) 및 음극(12)으로 연결되어 충방전하도록 접접핀(31, 41)을 갖는 접점장치(30, 40)를 포함하되, 두 개 이상이 적층된 전지셀들(10) 사이로 끼워지며 상기 전지셀(10)을 가열하는 히팅판(50) 및 각각의 전지셀들(50)로 압력이 가해지도록 상기 전지셀들(50)이 적층된 방향으로 가압하는 가압장치(60)를 추가적으로 포함한다.
이때, 요구되는 설계에 따라서 상기 히팅판(50)은 히팅판(50)이 전지셀(10)을 가압과 동시에 가열하는 두 기능을 동시에 제공할 수 있다. 즉, 상기 가압장치(60)는 별도로 구성되지 않고 히팅판(50)에 통합되어 구성될 수 있다.
예를들어, 가압장치(60)가 통합된 히팅판(50)은 도 2 에 도시된 바와 같이 각각의 전지셀들(10)과 서로 반복하여 이웃하게 배치된 상태에서, 히팅판(50)의 두께가 늘어남에 따라 가압되는 방식으로 이루어질 수 있을 것이다.
또는, 도 3 과 같이 일측 최외곽에 배치된 히팅판(50) 또는 전지셀(10)을 가압장치(60)가 타측으로 힘을 가하여 전체 전지셀들(10) 동시에 가압하는 방식으로 전지셀들(10) 모두에 압력을 가할 수 있다. 참고적으로, 위에 설명된 히팅판(50)의 두께가 늘어나는 방식은 구성이 복잡해 질 것이므로, 일측 최외곽에 배치된 가압장치(60)가 타측으로 전지셀(10) 전체를 이동시켜 전체 전지셀들(10) 모두를 동시에 가압하는 방식이 구성하기 단순하고 작업성 면에서 유리할 것이다.
이때, 상기 히팅판(50)의 가열은 공지의 열선, 발열소자 등을 통해 이루어질 수 있고, 상기 히팅판(50) 및/또는 가압장치(60)의 가압은 공지의 유압, 공압, 전기 장치 등과 결합되어 이루어질 수 있다.
상기 가압장치(60)가 분리되는 구성에서도 상기 히팅판(50)은 각각의 전지셀들(10) 사이에 배치되는 구성은 동일하며, 가압장치(60)의 작동시 간섭발생을 차단하도록 트레이(20)의 형상은 변경될 수 있다.
아울러, 이 실시예에서는 상기 히팅판(50)에 의해 가열된 전지셀(10)의 온도를 계측하는 온도계(미도시)와 상기 가압장치(60)에 의해 전지셀(10)에 가해지는 압력을 계측하는 압력계(미도시)가 더 포함될 수 있다.
상기 온도계와 압력계는 히팅판(및 가압장치)의 컨트롤러(미도시)에 연속적으로 정보를 제공하고 상기 컨트롤러는 이러한 정보를 수신하여 전지셀(10)이 요구되는 온도가 압력이 가해지도록 히팅판(및 가압장치)를 제어할 것이다.
또한, 상기 장치는 과열된 전지셀(10)을 냉각시키기고 가열된 공기를 신속히 배출할 수 있는 공조장치 등을 더 포함할 수 있다.
실시예2
아울러, 본 발명에서는 위에 설명된 활성화 장치를 이용하여 전지셀(10)을 활성화하는 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예2에 따른 방법은 리튬니켈산화물(LNO)이 첨가 또는 혼합된 니켈코발트망간(NCM) 양극재가 도포된 양극을 포함하는 전지셀의 활성화 방법으로써, 전지셀(10)을 충전하는 단계 및 전지셀(10)을 방전하는 단계를 포함하며, 상기 충전단계와 방전단계는 적어도 1회 또는 최소한 2회 이상 반복되는 것을 특징으로 하되, 상기 전지셀(10)을 충전하는 단계에서 상기 전지셀(10)은 45℃ 내지 60℃ 범위의 온도로 가열된 상태에서 충전 C-rate 0.1C 내지 0.5C 조건으로 충전된다. 참고로, 1C-rate 는 전지셀이 만충됐을 때 1시간 동안 사용할 수 있는 전류량으로써, 0.1C 는 10 시간 동안 충전했을 때 만충시킬 수 있는 전류량이며, 0.5C 는 2 시간 동안 충전했을 때 만충시킬 수 있는 전류량을 의미한다.
더 상세하게는, 상기 전지셀(10)은 45℃ 내지 60℃ 범위의 특정 온도까지 가열된 상태에서 충전 C-rate 0.2C 조건(5 시간 동안 충전했을 때 만충시킬 수 있는 전류량)으로 충전된다.
이 실시예에서, 상기 전지셀(10)은 충전율 0%까지 완전방전된 상태에서 충전이 이뤄지되, 충전 시 (위와 같은 구성을 갖는 활성화 장치에 의해) 전지셀(10)을 가압하는 압력이 추가적으로 가해지며, 상기 압력은 충전율 0% 로부터 기준충전율까지로 정해지는 제1충전구간에서 전지셀에 가해지는 제1압력과 기준충전율부터 충전율 100% 까지로 정해지는 제2충전구간에서 전지셀에 가해지는 제2압력으로 구분된다.
이때, 상기 제2압력은 제1압력이 보다 더 높게 형성된다. 본 발명의 실시예에서, 상기 제1압력은 0.1kgf/㎠ 미만에서 정해지고, 상기 제2압력은 0.1kgf/㎠ 내지 0.5kgf/㎠ 범위 내에서 정해진다.
그리고, 상기 기준충전율은 충전율 10% 내지 충전율 20% 범위 내에서 더 상세하게는 충전율 15% 내지 19% 범위 내에서 정해진다.
위와 같이 충전율 0% 에서 100%로까지 완충이 이루어진 다음에 전지셀 용량의 70% 를 방전시켜 충전율 30% 수준으로 맞춰진다. 즉, 충전율 100% 로 충전된 전지셀을 충전율 30% 상태로 방전시키고, 그 후에는 미리 정해진 온도, 습도 조건에서 에이징(aging)이 이루어진다. 즉, 위와 같은 조건으로 충방전이 이루어져서 SEI(solid-electrolyte interphase) 층이 전지셀 내부에 형성되면, 후 공정으로써 활성화된 전지셀을 안정화 시키는 에이징 단계가 진행되며, 상기 에이징 단계는 종래의 공정과 동일한 방식으로 진행된다.
본 발명의 방법에 의해 활성화된 전지셀의 잔존용량(Capacity retention: 특정 온도에서 전지셀을 특정 기간동안 방치하였을 때 어느 정도의 용량이 남아있는 지에 대한 용량)은 종래의 방법에 의해 활성화된 전지셀의 잔존용량 보다 더 크게 나타남을 확인할 수 있다.
즉, 도 4 에서 C1 은 상온에서 충전 C-rate 0.1C 로 충전율 20 내지 40% 범위 중 특정 수치까지 충전한 상태에서 상온 에이징과 고온 에이징을 거친 전지셀의 잔존용량을 나타나며, C3 은 본 발명의 실시예에 따라 35℃ 내지 45℃ 범위 내의 온도로 가열된 상태에서 충전 C-rate 0.2C 로 충전율 100% 까지 충전된 후 충전율 20 내지 40% 범위의 상태로 방전된 다음에 상온 에이징과 고온 에이징을 거친 전지셀의 잔존용량을 나타나고, C6 은 본 발명의 실시예에 따라 50 내지 70℃ 범위의 온도로 가열된 상태에서 충전 C-rate 0.2C 로 충전율 100% 까지 충전된 후 충전율 20 내지 40% 범위의 상태로 방전된 다음에 상온 에이징과 고온 에이징을 거친 전지셀의 잔존용량을 나타낸다.
도 4 에 도시된 그래프에서 확인할 수 있듯이 본 발명의 활성화 방법에 따라 활성화된 전지셀의 잔존용량(%)는 종래의 방법에 따라 활성화된 전지셀의 잔존용량(%) 보다 더 높은 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 활성화 방법에서는 전지셀이 가압된 상태이므로(가스 생성 조건에서 벗어나므로) 종래 방식 대비 가스 발생이 억제되는 효과를 기대할 수 있다.
즉, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명 활성화 공정시 가스 생성이 억제되는 가압/가열 조건이 제공되어 가스 발생에 따른 스웰링, 전지 변형, 성능 저하를 방지할 수 있는 효과를 갖는다. 특히, 성능을 향상시키기 위해 LNO 를 니켈(Ni) 기반의 NCM 양극재에 첨가하더라도 가스 발생에 따른 종래의 문제점들을 해소할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.
10 : 전극셀
20 : 트레이
50 : 히팅판
60 : 가압장치

Claims (11)

  1. 리튬니켈산화물(LNO)이 첨가 또는 혼합된 니켈코발트망간(NCM) 양극재가 도포된 양극을 포함하는 전지셀의 활성화 방법으로써,
    전지셀을 충전하는 단계; 및
    전지셀을 방전하는 단계;를 포함하되,
    상기 전지셀을 충전하는 단계에서 상기 전지셀은 45℃ 내지 60℃ 범위의 온도로 가열된 상태에서 충전 C-rate 0.1C 내지 0.5C 조건으로 충전되고,
    상기 전지셀은 충전율 0%까지 완전방전된 상태에서 충전이 이뤄지되,
    충전율 0% 로부터 기준충전율까지로 정해지는 제1충전구간에서 전지셀에 가해지는 제1압력과 기준충전율부터 충전율 100% 까지로 정해지는 제2충전구간에서 전지셀에 가해지는 제2압력은 다르게 형성되고,
    상기 전지셀의 활성화 동안 가스 생성 조건에서 벗어나도록 상기 제1압력 보다 제2압력이 더 높게 형성되되, 상기 제1압력은 0.1kgf/㎠ 미만에서 정해지고, 상기 제2압력은 0.1kgf/㎠ 내지 0.5kgf/㎠ 범위 내에서 정해지는 것을 특징으로 하는 전지셀의 활성화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지셀은 45℃ 내지 60℃ 범위의 온도로 가열된 상태에서 충전 C-rate 0.2C 조건으로 충전되는 것을 특징으로 하는 전지셀의 활성화 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준충전율은 충전율 10% 내지 충전율 20% 범위 내에서 정해지는 것을 특징으로 하는 전지셀의 활성화 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 기준충전율은 충전율 15% 내지 19% 범위 내에서 정해지는 것을 특징으로 하는 전지셀의 활성화 방법.
  8. 제 1 항, 제 2 항, 제 6 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    충전율 100% 로 충전된 전지셀을 충전율 20% 내지 40% 범위의 상태로 방전시킨 후, 상기 전지셀을 안정화 시키는 에이징(aging)이 이루어지는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀의 활성화 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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