KR20200024587A - Charging Device and Method for Lithium Ion Battery - Google Patents

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KR20200024587A KR1020180101443A KR20180101443A KR20200024587A KR 20200024587 A KR20200024587 A KR 20200024587A KR 1020180101443 A KR1020180101443 A KR 1020180101443A KR 20180101443 A KR20180101443 A KR 20180101443A KR 20200024587 A KR20200024587 A KR 20200024587A
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유기수
남강현
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영남대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a charging device for a lithium ion battery, comprising: a positive electrode comprising a material functioning as a source of lithium ions as a positive electrode active material and having a porous structure or a layered structure; a negative electrode comprising a lithium ion-accepting material as a negative electrode active material and having a porous structure or a layered structure; an electrolyte delivering lithium ions between the positive electrode and negative electrode; and a separator between the positive electrode and negative electrode. A vibration applying means for applying vibration to the lithium ion battery and a control means for controlling an operation of the vibration applying means are provided, and the control means operates the vibration applying means when charging the lithium ion battery so that vibration is applied to the lithium ion battery.

Description

리튬 이온 전지의 충전 장치 및 충전 방법{Charging Device and Method for Lithium Ion Battery}Charging Device and Method for Lithium Ion Battery

본 발명은 리튬 이온 전지의 충전 장치 및 충전 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 리튬 이온 전지의 충전 시에 충전 성능을 향상시키는 충전 방법 및 충전 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a charging device and a charging method for a lithium ion battery, and more particularly, to a charging method and a charging method for improving charging performance during charging of a lithium ion battery.

전기 자동차나 스마트폰과 같은 휴대용 정보 기기 및 각종 가전 제품을 포함하여 연결된 전력선 없이 배터리로부터 전력을 공급받아 구동되는 다양한 장치들이 이용되고 있다. 이러한 장치들에서 사용하는 배터리로서는 충전 용량이 크고 반복되는 충방전에 따른 히스테리시스 현상이 적은 이차전지로서 리튬이온 전지가 널리 이용되고 있다.Various devices that are powered by a battery without a connected power line, including portable information devices such as electric vehicles and smart phones and various home appliances, are being used. As batteries used in such devices, lithium ion batteries have been widely used as secondary batteries having a large charge capacity and little hysteresis due to repeated charging and discharging.

리튬이온 전지는 양극 및 음극을 구비하는 전극체와 리튬이온을 함유한 전해액으로 구성되어 리튬 이온이 전극 간을 이동함으로써 충전과 방전이 이루어진다.The lithium ion battery is composed of an electrode body having a positive electrode and a negative electrode and an electrolyte solution containing lithium ions so that lithium ions move between the electrodes to perform charging and discharging.

리튬이온 전지는 완속과 급속의 2개의 충전 모드로 충전이 이루어질 수 있다. 완속 충전 모드는 정전류(Constant Current)로 충전이 이루어지다가 일정 전압 레벨에 도달하면 정전압(Constant Voltage)로 충전이 이루어지고, 급속 충전 모드는 정전류 모드로만 충전이 이루어지고, 충전 전압이 한계 전압에 도달하면 전지 보호를 위하여 충전이 중지된다.Lithium-ion batteries can be charged in two modes of slow and fast. In the slow charge mode, the battery is charged with constant current, and when the battery reaches a constant voltage level, the battery is charged with the constant voltage.The fast charge mode is charged only in the constant current mode, and the charge voltage reaches the limit voltage. Charging stops to protect the battery.

정전류 충전 모드는 비교적 높은 전류를 인가하여 짧은 시간 내에 많은 전기 에너지를 충전할 수 있다는 장점이 있지만, 리튬이온 전지가 가지는 최대 충전 전압에 의하여 충전 용량의 제한되므로 정전류 충전 모드에서는 전지가 가지는 최대 충전 용량의 60 ~ 80% 정도의 충전만 가능하다. 따라서, 통상의 완속 충전에서는 정전류 충전 모드에 이어서 정전압 충전 모드로 진행하여 최대 충전 용량의 95% 이상으로 충전을 수행한다.The constant current charging mode has the advantage of charging a lot of electrical energy in a short time by applying a relatively high current, but the charging capacity is limited by the maximum charging voltage of the lithium ion battery, so the maximum charging capacity of the battery in the constant current charging mode Only 60 to 80% of the charge is possible. Therefore, in the normal slow charging, the battery proceeds to the constant current charging mode followed by the constant voltage charging mode to perform charging at 95% or more of the maximum charging capacity.

그러나, 스마트폰이나 가전 제품을 사용하는 데 있어서 리튬이온 전지를 신속히 충전하여 사용하고자 할 때에는 급속 충전, 즉 정전류 충전 모드만을 이용하여 충전을 하는 경우가 빈번하다.However, when using a smart phone or a home appliance to quickly charge and use the lithium ion battery, it is frequently charged using only the rapid charging, that is, the constant current charging mode.

특히, 전기자동차의 경우에는 주행 도중에 충전을 하여야 하는 경우에 차량의 운행을 장시간 중단할 수 없고 급속 충전을 하고 다시 주행을 하여야 한다.Particularly, in the case of electric vehicles, when the vehicle needs to be charged while driving, the vehicle cannot be stopped for a long time, and the vehicle must be rapidly charged and then driven again.

이와 같이, 리튬이온 전지를 사용하는 대부분의 전자 장치에서는 급속 충전 모드를 사용하여야 경우가 빈번하고, 정전류 충전 모드를 이용하는 급속 충전에서는 충전이 충분히 이루어지지 않는다는 문제점이 상존한다.As described above, in most electronic devices using a lithium ion battery, a quick charge mode is often used, and a fast charge using a constant current charge mode is insufficient.

대한민국 특허공보 제10-1443902호(문헌 1)에서는 '멀티스테이지를 이용한 모바일용 리튬이온전지의 급속 충전시스템 및 그 방법'이라는 명칭의 발명을 개시하는데, 이 문헌 1의 발명에서는 리튬이온 전지의 충전 전압을 지속적으로 측정하면서 충전 전압에 따라 충전 전류를 단계적으로 낮추어서 충전 효율을 높이는 방안을 제시하고 있다.Korean Patent Publication No. 10-1443902 (Document 1) discloses an invention entitled 'Quick Charge System and Method for Mobile Lithium Ion Battery Using a Multi-Stage'. While continuously measuring the voltage, it proposes a method of increasing the charging efficiency by gradually lowering the charging current according to the charging voltage.

그러나, 이러한 문헌 1의 발명에 따른 방안은 충전이 진행됨에 따라 충전하는 전류를 낮추어서 충전 효율을 높이고자 하는 것이므로 충전에 소요되는 시간이 증가할 수 밖에 없다는 문제점이 있다.However, since the method according to the invention of Document 1 is intended to increase the charging efficiency by lowering the current to charge as the charging proceeds, there is a problem that the time required for charging is inevitably increased.

문헌 1: 대한민국 특허공보 제10-1443902호Document 1: Korean Patent Publication No. 10-1443902

본 발명은 리튬이온 전지에서 충전 시에 충전 효율을 높여서 리튬이온 전지가 가지는 최대의 충전 용량의 전기 에너지가 충전되고 단시간에 충전이 이루어질 수 있게 해주는 충전 장치와 충전 방법을 제공하려는 것이다.The present invention is to provide a charging device and a charging method for improving the charging efficiency at the time of charging in a lithium ion battery to allow the electrical energy of the maximum charging capacity of the lithium ion battery to be charged and to be charged in a short time.

특히, 본 발명은 통상의 정전류 충전 모드에 따른 충전을 진행하면서 충전 전류를 낮추거나 충전 시간이 연장되는 일이 없이 리튬이온 전지에 효율적으로 최대의 전기 에너지가 충전될 수 있는 충전 장치와 충전 방법을 제공하려는 것이다.Particularly, the present invention provides a charging device and a charging method capable of efficiently charging the maximum electric energy to a lithium ion battery without lowering the charging current or extending the charging time while performing charging according to a normal constant current charging mode. Is to provide.

본 발명의 발명자는 통상의 리튬이온 전지의 급속 충전에서 정전류로 충전을 지속하는 경우에 충전이 당해 리튬이온 전지의 충전 용량에 미치지 못하는 문제를 해결하는 수단으로서 리튬이온 전지에 물리적인 진동을 인가하는 경우에 충전 전하량을 높일 수 있다는 점을 확인하고, 그러한 착상에 기초하여 본 발명에 이르게 되었다.The inventors of the present invention apply physical vibration to a lithium ion battery as a means to solve the problem that the charging does not reach the charging capacity of the lithium ion battery when the charge is continued at a constant current in the rapid charging of a conventional lithium ion battery. In this case, it was confirmed that the charge amount could be increased, and the present invention was reached based on such an idea.

본 발명은, 양극 활물질로서 리튬 이온의 소스가 되는 물질을 포함하고 다공성 구조 또는 층상 구조로 이루어지는 양극, 음극 활물질로서 리튬이온의 수용 물질을 포함하고 다공성 구조 또는 층상 구조로 이루어지는 음극, 양극과 음극 사이에서 리튬 이온을 전달하는 전해질 및 양극과 음극 사이의 분리막을 포함하는 리튬이온 전지의 충전 장치와 충전 방법을 제공하는 것이다.The present invention includes a positive electrode comprising a material serving as a source of lithium ions as a positive electrode active material and having a porous structure or a layered structure, and a negative electrode comprising a receiving material of lithium ions as a negative electrode active material and having a porous structure or a layered structure, between a positive electrode and a negative electrode The present invention provides a charging device and a charging method for a lithium ion battery including an electrolyte for transferring lithium ions and a separator between a positive electrode and a negative electrode.

본 발명의 충전 장치는, The charging device of the present invention,

전술한 구성의 리튬이온 전지에 대하여 리튬이온 전지에 진동을 인가하는 진동 인가 수단 및 진동 인가 수단의 가동을 제어하는 제어 수단을 구비하고, 제어 수단은 리튬이온 전지의 충전 시에 진동 인가 수단을 작동시켜 리튬이온 전지에 진동이 인가되도록 하는 것이다.Vibration applying means for applying vibration to the lithium ion battery with respect to the lithium ion battery of the above-described configuration and control means for controlling the operation of the vibration applying means, wherein the control means operates the vibration applying means during charging of the lithium ion battery. By vibrating is applied to the lithium ion battery.

리튬 이온 전지(Lithium-ion battery)는 이차 전지의 일종으로서, 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하여 방전이 이루어지고 역으로 양극에서 음극으로 리튬 이온이 이동하여 충전이 이루어지는 전지이다.A lithium-ion battery is a type of secondary battery, in which lithium ions move from a negative electrode to a positive electrode for discharge, and conversely, lithium ions move from a positive electrode to a negative electrode for charging.

리튬이온 전지의 통상적인 구조를 도 1을 참조하여 살펴 보면, 리튬이온 전지는 양극(10), 음극(20), 전해질(30) 및 분리막(40)으로 이루어진다.Looking at the conventional structure of the lithium ion battery with reference to Figure 1, the lithium ion battery is composed of a positive electrode 10, a negative electrode 20, the electrolyte 30 and the separator 40.

양극(10)은 알루미늄 등의 전도성 높은 재료로 이루어지는 기판(11)에 리튬이온의 소스가 되는 활물질, 도전성을 높이는 도전제 및 바인더가 혼합된 물질(12)이 부착되는 구조로 이루어진다. 양극활물질로서는 리튬코발트산화물 (lithium cobalt oxide)과 같은 리튬산화물, 인산철리튬(lithium iron phosphate)과 같은 폴리음이온, 리튬망간 산화물, 스피넬 등이 이용된다.The anode 10 has a structure in which an active material serving as a source of lithium ions, a conductive agent for increasing conductivity, and a material 12 mixed with a binder are attached to a substrate 11 made of a highly conductive material such as aluminum. As the positive electrode active material, lithium oxide such as lithium cobalt oxide, polyanion such as lithium iron phosphate, lithium manganese oxide, spinel and the like are used.

또한, 음극(20)은 구리 등의 전도성 높은 재료로 이루어지는 기판(21)에 리튬이온이 부착되기 쉬운 흑연계의 물질 등의 활물질(22)이 다공성 구조 또는 층상 구조를 이루어 부착되어 있다. In addition, the cathode 20 is attached to a substrate 21 made of a highly conductive material, such as copper, with an active material 22 such as a graphite-based material which is liable to attach lithium ions to form a porous structure or a layered structure.

양극(10)과 음극(20)은 전해질(30)에 침지되는 형태로 배치되어 있는데, 전해액을 통하여 양극과 음극 사이에 리튬이온이 이동하게 된다. 전해액은 LiPF6, LiBF4, LiClO4 등의 리튬염과 유기용매로 이루어진다.The positive electrode 10 and the negative electrode 20 are arranged to be immersed in the electrolyte 30, and lithium ions are moved between the positive electrode and the negative electrode through the electrolyte. The electrolyte solution consists of lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , and an organic solvent.

양극(10)과 음극(20) 사이에는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)와 같은 합성수지로 이루어지는 분리막(40)이 놓여 있고, 분리막(40)에는 미세한 구멍이 있어 리튬이온이 양극과 음극을 오갈 수 있게 하며, 양극을 이루는 물질들과 음극을 이루는 물질들이 서로 접촉되지 않게 하는 격리막 역할을 한다.A separator 40 made of a synthetic resin such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP) is disposed between the positive electrode 10 and the negative electrode 20, and the separator 40 has minute pores so that lithium ions can form a positive electrode and a negative electrode. It can be moved and serves as a separator that prevents the material forming the anode and the material forming the cathode from contacting each other.

이와 같은 구조에서 충전은 양극(10)의 양극 활물질로부터 리튬 이온이 전해질(30)을 통하여 음극(20)으로 이동하는 음극에 수용되는 과정이다. 역으로 방전 시에는 음극(20)에 수용되어 있는 리튬 이온이 양극(10)으로 이동하는 과정이다.In this structure, charging is a process in which lithium ions from the positive electrode active material of the positive electrode 10 are accommodated in the negative electrode moving through the electrolyte 30 to the negative electrode 20. Conversely, during discharge, lithium ions contained in the negative electrode 20 move to the positive electrode 10.

한편, 이러한 충전에 있어서 높은 수준의 전류로 정전류 충전을 하게 되면 음극으로부터 양극으로 다량의 리튬 이온이 이동을 하게 되어 전해질 내에서의 리튬이온의 농도의 불균일이 초래되어 리튬이온의 전달이 지체된다.On the other hand, in this charging, when a constant current charge is performed at a high level of current, a large amount of lithium ions move from the negative electrode to the positive electrode, resulting in uneven concentration of lithium ions in the electrolyte, thereby delaying the transfer of lithium ions.

또한, 도 2에 도시된 바와 같은 다공성 구조의 음극과 양극의 구조에서는 양극 또는 음극의 고립된 공간에 전해질이 놓이는 미세 구조에서 음극에서는 리튬 이온이 결핍되는 부분이 발생하고, 양극에서는 리튬 이온이 과다한 부분이 발생하게 된다.In addition, in the structure of the negative electrode and the positive electrode of the porous structure as shown in Figure 2 in the microstructure in which the electrolyte is placed in the isolated space of the positive electrode or negative electrode, a portion where the lithium ion is deficient in the negative electrode, and the lithium ion is excessive Part occurs.

이와 같은 리튬이온의 결필 또는 과다는 음극 또는 양극에서 반응 표면의 분극 현상(concentration polarization)을 촉진하여 충전 전압을 급격히 높임으로써 급속 충전이 이루어지기 어렵게 한다.Such a lack or excess of lithium ions promotes the concentration polarization of the reaction surface at the cathode or the anode, thereby rapidly increasing the charging voltage, thereby making it difficult to achieve rapid charging.

본 발명에 따르면 리튬이온 전지에 가하는 진동에 의해 리튬이온의 전달체인 전해질에도 진동을 인가하여 리튬이온의 이동을 활성화함으로써 전해질 내에서의 리튬이온의 농도가 균일하게 되어 리튬이온의 전달이 촉진되며, 다공성 구조 또는 층상 구조에서 음극 또는 양극을 이루는 물질 내의 국부적인 레벨에서의 이온 결필 또는 과다가 해소된다.According to the present invention, vibration is also applied to the electrolyte, which is a carrier of lithium ions, by vibration applied to the lithium ion battery, thereby activating the movement of lithium ions so that the concentration of lithium ions in the electrolyte becomes uniform, thereby promoting the transfer of lithium ions. Ion deletions or excesses at the local level in the material forming the cathode or anode in the porous or layered structure are resolved.

이로써, 리튬이온의 충전에 있어서 리튬이온 전지가 갖는 충전 용량에 미치지 못하게 충전되는 일이 방지된다.This prevents the charging of the lithium ions less than the charging capacity of the lithium ion battery.

도 3은 본 발명의 부가적 특징에 다른 충전 장치로 리튬이온 전지를 충전하는 경우에 대한 충전 특성을 보여주는 그래프이다.Figure 3 is a graph showing the charging characteristics for the case of charging a lithium ion battery with a charging device according to an additional feature of the present invention.

먼저 도 3의 (a)를 참조하면, 본 발명의 충전 장치로 리튬이온 전지에 진동을 가하면서 충전하는 경우와 진동을 가하지 않으면서 충전하는 경우의 충전량을 대비한 그래프이다.First, referring to FIG. 3 (a), it is a graph comparing the charging amount when charging with applying vibration to a lithium ion battery with the charging device of the present invention and charging without applying vibration.

양 경우 모두 동일한 정전류로 충전을 하였으나, 진동을 인가하지 않고 충전을 하는 경우에는 진동을 가하여 충전을 하는 경우에 비하여 급속히 전압이 상승하여 충전을 중단하는 임계 전압(cut-off Voltage)에 도달하여 충전이 중단되지만, 진동을 가하여 충전을 하는 경우에는 전압의 상승이 억제되어 상대적으로 느려지면서 임계 전압에 느리게 도달하여 충전량이 증대된다.In both cases, the battery was charged with the same constant current, but when charging without applying vibration, the voltage increased rapidly and reached the cut-off voltage, which stopped charging. In the case where charging is performed by applying vibration, the increase of the voltage is suppressed, the voltage is relatively slowed, and the threshold voltage is slowly reached and the charging amount is increased.

또한, 도 3의 (b)는 진동을 인가하지 않고 낮은 수준의 전류로 리튬이온 전지를 충전한 경우와 진동을 인가하면서 높은 수준의 전류로 리튬이온 전지를 충전한 경우를 대비하는데, 진동을 인가한 경우에는 진동에 의해 리튬이온 전지 내에서의 리튬이온의 전달이 촉진됨으로써 높은 수준의 전류로 충전을 하여도 동일한 충전 시간에 임계 전압에 도달하게 되어 더 많은 전기 에너지를 충전할 수 있다.In addition, (b) of FIG. 3 compares the case where the lithium ion battery is charged at a low level of current without applying vibration and the case where the lithium ion battery is charged at the high level of current while applying vibration. In one case, the transfer of lithium ions in the lithium ion battery by vibration is promoted, so that even when charging with a high level of current, the threshold voltage is reached at the same charging time, thereby allowing more electrical energy to be charged.

이와 같이, 본 발명에 따라 리튬이온 전지의 충전시에 진동을 인가함으로써 높은 충전량을 달성하거나 짧은 시간에 충전을 할 수 있게 된다.As described above, according to the present invention, by applying vibration during charging of the lithium ion battery, it is possible to achieve a high charge amount or to charge in a short time.

특히, 본 발명의 부가적 특징에 따르면, 제어 수단은 리튬이온 전지의 제어 회로와 연결되어 리튬이온 전지의 정전류 충전 상태 또는 정전압 충전 상태를 판별하고, 정전류 충전 상태인 경우에 진동 인가 수단을 가동하는 것으로 구성된다.In particular, according to an additional feature of the invention, the control means is connected to the control circuit of the lithium ion battery to determine the constant current charge state or constant voltage charge state of the lithium ion battery, and operating the vibration applying means in the case of the constant current charge state It consists of.

정전류 충전에서는 높은 전류 수준으로 리튬이온 전지를 충전하고 리튬이온 전기의 충전 전압이 소정의 임계 전압에 도달하면 충전을 중지한다.In constant current charging, the lithium ion battery is charged at a high current level, and charging stops when the charging voltage of the lithium ion electricity reaches a predetermined threshold voltage.

이러한 정전류 충전에서는 앞서 설명한 전해액 내에서 리튬이온의 농도가 불균일하게 되는 현상이 촉진되고 국부적인 리튬이온의 결핍 또는 과다 현상이 쉽게 일어난다. 이에 따라 리튬이온 전지의 충전 용량보다 현저히 낮은 수준에서 임계 전압에 도달하게 되고 충전이 중단되어 버린다.In this constant current charging, the phenomenon of non-uniform concentration of lithium ions in the electrolyte described above is promoted, and a lack or excessive phenomenon of local lithium ions easily occurs. As a result, the threshold voltage is reached at a level significantly lower than that of the lithium ion battery, and charging is stopped.

그러나, 전술한 본 발명의 부가적 특징에 따르면, 충전 장치의 제어 수단이 리튬이온 전지가 정전류 충전 중이라는 것을 판별하고 리튬이온 전지에 진동을 인가함으로써 리튬이온의 전달을 촉진하고 결핍 또는 과다 현상을 방지하게 되므로, 리튬이온 전지가 분극 현상 등에 의해 조기에 임계 전압에 도달하여 충전이 중단되는 일이 방지된다.However, according to the additional feature of the present invention described above, the control means of the charging device determines that the lithium ion battery is under constant current charging and applies vibration to the lithium ion battery to promote the delivery of lithium ions and to eliminate deficiency or excessive phenomenon. Since the lithium ion battery reaches the threshold voltage early due to polarization, the charging is prevented.

도 1은 통상적인 구조의 리튬이온 전지의 구성을 개념적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 리튬이온 전지에서 리튬이온의 결핍 및 과다 현상이 일어나는 미세 구조를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 충전 장치의 작용에 따른 효과를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 전지의 충전 장치와 이 충전 장치에 의해 충전되어 구동 모터에 전력을 공급하는 리튬이온 전지를 보여주는 도면이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 전지의 충전 장치로 리튬이온 전지를 충전한 시험 결과와 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 전지의 충전 장치를 이용하지 않고 리튬이온 전지를 충전한 시험 결과를 대비하여 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 전지의 충전 장치로 충전한 리튬이온 전지와 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 전지의 충전 장치를 이용하지 않고 충전한 리튬이온 전지를 방전시킨 시험 결과를 대비하여 보여주는 그래프이다.1 is a view conceptually showing the configuration of a lithium ion battery having a conventional structure.
FIG. 2 is a view showing a microstructure in which lithium ions are deficient and excessive in a lithium ion battery.
3 is a graph showing the effect of the action of the charging device according to the present invention.
4 is a view showing a charging device of a lithium ion battery according to an embodiment of the present invention and a lithium ion battery charged by the charging device and supplying power to a drive motor.
5 is a test result of charging a lithium ion battery with a charging device of a lithium ion battery according to an embodiment of the present invention and charging a lithium ion battery without using a charging device of a lithium ion battery according to an embodiment of the present invention. A graph showing the results of a test.
6 is a view of discharging a lithium ion battery charged with a lithium ion battery charged with a charging device of a lithium ion battery according to an embodiment of the present invention and without using a charging device of a lithium ion battery according to an embodiment of the present invention. This graph shows the test results.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로서 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 장치로 리튬이온 전지를 충전하는 구성에 대해 설명한다.Hereinafter, a configuration for charging a lithium ion battery with a charging device according to an embodiment of the present invention as a specific content for practicing the present invention.

도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 장치와 이 충전 장치로 충전되는 리튬이온 전지가 도시되어 있다.4 illustrates a charging device and a lithium ion battery charged with the charging device according to an embodiment of the present invention.

충전 장치는 통상의 충전 장치와 마찬가지로 외부의 전원에 연결되는 충전 포트(110) 및 충전 제어 회로(120)를 갖추고 있다. 외부로부터의 전력은 충전 포트(110)를 통하여 충전 제어 회로(120)에 입력되고, 충전 제어 회로(120)가 리튬이온 전지(200)에 전류를 인가한다.The charging device has a charging port 110 and a charging control circuit 120 connected to an external power source as in the conventional charging device. Power from the outside is input to the charge control circuit 120 through the charge port 110, the charge control circuit 120 applies a current to the lithium ion battery 200.

충전 장치로서는 진동 제어 회로(150) 및 진동 발생기(140)가 더 구비되어 있다.As the charging device, the vibration control circuit 150 and the vibration generator 140 are further provided.

진동 제어 회로(150)는 충전 제어 회로(120)에 접속되어 충전 제어 회로(120)에서 리튬이온 전지(200)에 전류를 공급하여 충전이 진행 중인지 여부를 판별하고 충전 제어 회로(120)에서 리튬이온 전지(120)를 충전하는 충전 모드를 판별한다. The vibration control circuit 150 is connected to the charge control circuit 120 to supply current to the lithium ion battery 200 from the charge control circuit 120 to determine whether charging is in progress, and to control the lithium in the charge control circuit 120. The charging mode for charging the ion battery 120 is determined.

진동 발생기(140)는 진동 제어 회로(120)에 연결되어 있고, 진동 제어 회로(150)는 충전 제어 회로(110)로부터 외부로부터 공급되는 전력을 전달받아 진동 발생기(140)에 공급하여 구동한다.The vibration generator 140 is connected to the vibration control circuit 120, the vibration control circuit 150 receives the power supplied from the outside from the charge control circuit 110 to supply to the vibration generator 140 to drive.

진동 발생기(140)는 회전축에 편심 하중을 갖추어 회전에 따라 진동을 발생하는 것이며, 진동 제어 회로(150)에서의 제어에 따라 그 회전수를 가변함으로써 회전에 따라 발생하는 진동의 주파수를 조절할 수 있다.The vibration generator 140 is provided with an eccentric load on the rotating shaft to generate vibrations according to the rotation, and the frequency of vibration generated by the rotation can be adjusted by varying the number of rotations under the control in the vibration control circuit 150. .

진동 발생기(140)는 리튬이온 전지(200)의 케이싱에 부착되어 직접적으로 진동을 전달하도록 구성되어 있지만, 별도의 진동 전달체를 통하여 리튬이온 전지에 진동을 전달하도록 구성될 수 있다.The vibration generator 140 is attached to the casing of the lithium ion battery 200 and is configured to directly transmit vibration, but may be configured to transmit vibration to the lithium ion battery through a separate vibration transmitter.

또한, 리튬이온 전지에 대한 진동 인가 수단으로서는 본 실시예에서와 같은 편심 하중을 갖춘 모터 외에도 초음파를 인가하는 장치나 기타 진동을 발생하는 장치가 모두 이용될 수 있다.In addition, as the vibration applying means for the lithium ion battery, in addition to the motor with an eccentric load as in this embodiment, any device for applying ultrasonic waves or other device for generating vibration can be used.

이상과 같이 구성되는 시스템에서 충전 제어 회로(120)를 통하여 리튬이온 전지(200)에 대한 충방전 시험을 행하였다.In the system configured as described above, a charge / discharge test of the lithium ion battery 200 was performed through the charge control circuit 120.

리튬이온 전지(200)로서는, 충전 용량이 2.85 Ah, 충전 전압이 4.2 V, 정격전압이 3.65 V, 표준 충전 전류 1.375 A, 최대 충전 전류 2.75 A, 방전 컷오프 전압 2.5 V인 것을 이용하였다.As the lithium ion battery 200, a charge capacity of 2.85 Ah, a charge voltage of 4.2 V, a rated voltage of 3.65 V, a standard charge current of 1.375 A, a maximum charge current of 2.75 A, and a discharge cutoff voltage of 2.5 V were used.

리튬이온 전지(200)의 충전 전류는 최대 충전 전류에 대하여 2.5배인 7.125 A (2.5 C-rate)의 정전류 충전 모드로 충전하였다. 즉, 리튬이온 전지(200)에서 그 충전 임계 전압인 4.2 V까지 도달하여 충전이 중단될 때까지 일정한 값의 전류로 충전을 하였다. The charging current of the lithium ion battery 200 was charged in a constant current charging mode of 7.125 A (2.5 C-rate), which is 2.5 times the maximum charging current. That is, the lithium ion battery 200 was charged with a current having a constant value until the charging threshold voltage reached 4.2 V, and the charging was stopped.

아울러, 본 실시예에 따른 충전 장치의 구성에 따라 충전 시에 진동 제어 회로(150)가 작동하여 진동 발생기(140)가 작동하여 리튬이온 전지(200)에 0.8 g의 가속도, 진폭 0.2 mm의 진동을 100 Hz로 인가하는 경우와, 진동 발생기(140)를 구동하지 않고 동일한 충전 조건으로 충전을 하는 경우의 2가지 시험을 수행하였다.In addition, according to the configuration of the charging device according to the present embodiment, the vibration control circuit 150 is operated at the time of charging to operate the vibration generator 140 to operate the acceleration of 0.8 g, amplitude of 0.2 mm in the lithium ion battery 200 2 tests were performed in the case of applying 100 Hz and charging in the same charging condition without driving the vibration generator 140.

도 5의 충전 시험 결과의 그래프는 위의 2가지 시험에서 시간에 따른 전압의 그래프를 보여준다.The graph of the charge test results in FIG. 5 shows a graph of voltage over time in the two tests above.

첫 번째의 시험에서는 진동을 부여하지 않은 경우에는 6분만에 임계 전압인 4.2 V에 도달하여 충전이 중단되었고, 진동을 부여한 경우에는 10분만에 임계 전압에 도달하여 충전이 중단되었다. 이 시험에서는 진동을 인가하지 않은 경우에는 총0.647 Ah의 전기 에너지가 충전되었고, 진동을 인가한 경우에는 1.111 Ah의 전기 에너지가 충전된 것으로 측정되었다.In the first test, when the vibration was not applied, the charging was stopped by reaching the threshold voltage of 4.2 V in 6 minutes, and when the vibration was applied, the charging was stopped by reaching the threshold voltage in 10 minutes. In this test, a total of 0.647 Ah of electrical energy was charged when no vibration was applied, and 1.111 Ah of electrical energy was charged when vibration was applied.

두번째의 시험에서는 진동을 부여하지 않은 경우에는 1.7분만에 임계 전압인 4.2 V에 도달하여 충전이 중단되었고, 진동을 부여한 경우에는 11.3분만에 임계 전압에 도달하여 충전이 중단되었다. 이 시험에서는 진동을 인가하지 않은 경우에는 총0.17 Ah의 전기 에너지가 충전되었고, 진동을 인가한 경우에는 1.24 Ah의 전기 에너지가 충전된 것으로 측정되었다.In the second test, when the vibration was not applied, charging was stopped by reaching the threshold voltage of 4.2 V in 1.7 minutes, and when the vibration was applied, the charging was stopped by reaching the threshold voltage in 11.3 minutes. In this test, a total of 0.17 Ah of electrical energy was charged when no vibration was applied, and 1.24 Ah of electric energy was charged when vibration was applied.

이와 같이, 동일한 조건에서 충전 시험을 하였을 때에 본 발명에 따라 진동 발생기(140)로 진동을 인가한 경우에 임계 전압에 도달하기까지의 시간이 더 길게 연장되었고, 따라서 더 높은 수준의 전기 에너지가 충전됨을 확인하였다.As such, when the charging test was conducted under the same conditions, when vibration was applied to the vibration generator 140 according to the present invention, the time until reaching a threshold voltage was extended longer, and thus a higher level of electrical energy was charged. It was confirmed.

도 6은 충전된 리튬이온 전지로부터 방전되는 전하량을 측정한 결과를 보여준다.6 shows the results of measuring the amount of charge discharged from a charged lithium ion battery.

전술한 시험예에 따라 진동을 인가하여 충전한 리튬이온 전지는 방전 컷오프 전류에 도달하기까지 소요된 시간이 진동을 인가하지 않고 충전한 리튬이온 전지에 비해 매우 긴 것을 확인할 수 있으며, 이때 방전된 전하량은 진동 없이 충전한 리튬이온 전지는 0.18 Ah, 진동을 인가하여 충전한 리튬이온 전지는 0.24 Ah로 서로 상당한 차이를 보였다.According to the test example described above, the lithium ion battery charged by applying vibration was found to have a very long time required to reach the discharge cutoff current compared to the lithium ion battery charged without applying vibration. Lithium ion batteries charged without silver vibration were 0.18 Ah, and lithium ion batteries charged with vibration were 0.24 Ah.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 리튬이온 전지에 진동을 인가하는 수단으로서 진동 발생기(140)를 갖추고 진동 제어 회로(150)의 제어에 따라 정전류 충전 모드에서 리튬이온 전지(200)에 진동을 인가한 경우에 정전류 모드에 의한 급속 충전이 중단되기까지, 즉 임계 전압에 도달하기까지 소요되는 시간이 동일 조건 하에서 진동을 인가하지 않는 경우에 비하여 매우 길게 연장되었고 충전되는 전하량이 매우 높다는 것을 확인할 수 있었다.As such, the vibration generator 140 is provided as a means for applying vibration to the lithium ion battery according to the exemplary embodiment of the present invention, and the vibration is applied to the lithium ion battery 200 in the constant current charging mode under the control of the vibration control circuit 150. When applied, it can be seen that the time required for the rapid charging by the constant current mode to be stopped, that is, until the threshold voltage is reached, is extended much longer than when vibration is not applied under the same conditions, and the amount of charge charged is very high. there was.

따라서, 본 발명에 따르면 리튬 이온 전지의 정전류 충전에서는 전지에 진동을 인가하는 경우에 더 많은 전기 에너지를 충전할 수 있고, 동일한 수준의 전기 에너지를 충전하는 경우에는 더 높은 수준의 전류로 매우 짧은 시간에 충전이 가능하다.Therefore, according to the present invention, in the constant current charging of a lithium ion battery, more electric energy can be charged when vibration is applied to the battery, and a very short time with a higher level current when charging the same level of electric energy. Charging is possible.

이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 이러한 실시예는 예시적인 것일 뿐이고, 당업자라면 청구범위에 기재된 범위 내에서 다양한 수정과 변경 및 구성 요소의 부가가 가능하고, 그러한 수정, 변경 및 구성 요소가 부가된 구성은 본 발명의 범위에 속하는 것이다.Although embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, these embodiments are merely exemplary, and various modifications and changes and additions of components are possible by those skilled in the art within the scope of the claims, and such modifications are possible. Configurations with additions, changes, and components are within the scope of the present invention.

110: 충전 포트 120: 충전 제어 회로
140: 진동 발생기 150: 진동 제어 회로
200: 리튬이온 전지 110: charge port 120: charge control circuit
140: vibration generator 150: vibration control circuit
200: lithium ion battery

Claims (4)

양극 활물질로서 리튬 이온의 소스가 되는 물질을 포함하고 다공성 구조 또는 층상 구조로 이루어지는 양극, 음극 활물질로서 리튬이온의 수용 물질을 포함하고 다공성 구조 또는 층상 구조로 이루어지는 음극, 양극과 음극 사이에서 리튬 이온을 전달하는 전해질 및 양극과 음극 사이의 분리막을 포함하는 리튬이온 전지의 충전 장치로서,
리튬이온 전지에 진동을 인가하는 진동 인가 수단 및 진동 인가 수단의 가동을 제어하는 제어 수단을 구비하고,
제어 수단은 리튬이온 전지의 충전 시에 진동 인가 수단을 작동시켜 리튬이온 전지에 진동이 인가되도록 하는 것인, 리튬이온 전지의 충전 장치.A cathode comprising a material serving as a source of lithium ions as a cathode active material and having a porous structure or a layered structure, and a cathode comprising a receiving material of lithium ions as an anode active material and a cathode having a porous structure or a layered structure, and a lithium ion between the anode and the cathode A charging device for a lithium ion battery comprising an electrolyte to transfer and a separator between a positive electrode and a negative electrode,
A vibration applying means for applying vibration to the lithium ion battery and a control means for controlling the operation of the vibration applying means,
The control means is to operate the vibration applying means when charging the lithium ion battery so that vibration is applied to the lithium ion battery, charging device for a lithium ion battery. 청구항 1에 있어서,
제어 수단은 리튬이온 전지의 제어 회로와 연결되어 리튬이온 전지의 정전류 충전 상태 또는 정전압 충전 상태를 판별하고, 정전류 충전 상태인 경우에 진동 인가 수단을 가동하는 것인, 리튬이온 전지의 충전 장치.The method according to claim 1,
The control means is connected to the control circuit of the lithium ion battery to determine the constant current charge state or the constant voltage charge state of the lithium ion battery and to operate the vibration applying means in the case of the constant current charge state, the charging device of the lithium ion battery. 양극 활물질로서 리튬 이온의 소스가 되는 물질을 포함하고 다공성 구조 또는 층상 구조로 이루어지는 양극, 음극 활물질로서 리튬이온의 수용 물질을 포함하고 다공성 구조 또는 층상 구조로 이루어지는 음극, 양극과 음극 사이에서 리튬 이온을 전달하는 전해질 및 양극과 음극 사이의 분리막을 포함하는 리튬이온 전지의 충전 방법으로서,
리튬이온 전지의 충전 시에 리튬이온 전지에 진동을 인가하여 리튬이온 전지의 전해질 내에서 리튬 이온의 전달을 촉진하는 것인, 리튬이온 전지의 충전 방법.A cathode comprising a material serving as a source of lithium ions as a cathode active material and having a porous structure or a layered structure, and a cathode comprising a receiving material of lithium ions as an anode active material and a cathode having a porous structure or a layered structure, and a lithium ion between the anode and the cathode A charging method of a lithium ion battery comprising an electrolyte to transfer and a separator between a positive electrode and a negative electrode,
A method of charging a lithium ion battery, wherein vibration is applied to the lithium ion battery during charging of the lithium ion battery to promote the transfer of lithium ions in the electrolyte of the lithium ion battery. 청구항 3에 있어서,
리튬이온 전지의 정전류 충전 시에 리튬이온 전지에 진동을 인가하는 것인, 리튬이온 전지의 충전 방법.The method according to claim 3,
A method of charging a lithium ion battery, wherein vibration is applied to the lithium ion battery during constant current charging of the lithium ion battery.
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