WO2018117667A1 - 배터리 수명 예측 장치 및 그 방법 - Google Patents

배터리 수명 예측 장치 및 그 방법 Download PDF

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WO2018117667A1
WO2018117667A1 PCT/KR2017/015198 KR2017015198W WO2018117667A1 WO 2018117667 A1 WO2018117667 A1 WO 2018117667A1 KR 2017015198 W KR2017015198 W KR 2017015198W WO 2018117667 A1 WO2018117667 A1 WO 2018117667A1
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battery
conductivity
measured
electrode plate
active material
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PCT/KR2017/015198
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강성
김준원
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주식회사 포스코
재단법인 포항산업과학연구원
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • 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 an apparatus for predicting battery life and a method thereof, and more particularly, to an apparatus and method for predicting battery life using an atomic force microscope.
  • Such rechargeable batteries tend to have low charging efficiency as they are repeatedly charged and discharged. As charging and discharging are repeated, a technology for minimizing the problem of lowering the charging efficiency of the battery and extending the battery life and diagnosing and predicting the battery life has been proposed.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide an apparatus and method for predicting battery life that can predict the life of the battery simply and accurately.
  • Battery life prediction apparatus is a conductivity measuring unit for measuring the conductivity of the particles of the active material contained in the electrode plate of the battery to be measured using an atomic force microscope, the conductivity of the particles and the A lookup table including a correlation between charge and discharge cycles of a battery, and a life predictor for finding the number of charge and discharge cycles of the battery corresponding to the measured conductivity in the lookup table and outputting an expected life of the battery to be measured. .
  • the conductivity may include at least one of voltage, current, and resistance with respect to the particle.
  • the life prediction unit may output the number of charge / discharge cycles for which the charge / discharge efficiency of the battery to be measured becomes 80% or less as the expected life of the battery to be measured.
  • the expected life of the battery to be measured may decrease.
  • the active material may be included in any one of the electrode plate of the positive electrode and the electrode plate of the negative electrode.
  • Battery life prediction method comprises the steps of preparing a look-up table including the relationship between the conductivity of the particles of the active material and the charge and discharge cycle of the battery, the electrode of the battery to be measured using an atomic force microscope Measuring the conductivity of the particles of the active material included in the plate, and finding the number of charge and discharge cycles corresponding to the measured conductivity in the lookup table and outputting the expected life of the battery to be measured.
  • the preparing of the lookup table may include preparing an electrode plate of the battery, measuring conductivity of particles of an active material included in the electrode plate of the battery using the atomic force microscope, and charging of the battery. Performing a discharge evaluation, and analyzing the relationship between the conductivity of the particles of the active material included in the electrode plate of the battery and the charge / discharge cycle of the battery and storing them in the lookup table.
  • the preparing of the lookup table may further include manufacturing the battery including the electrode plate after measuring conductivity of particles of the active material included in the electrode plate of the battery.
  • the conductivity may include at least one of voltage, current, and resistance with respect to the particle.
  • the outputting of the expected life of the battery to be measured may include outputting the number of charge / discharge cycles for which the charge / discharge efficiency of the battery to be measured is 80% or less as the expected life of the battery to be measured.
  • the expected life of the battery to be measured may decrease.
  • the active material may be included in any one of the electrode plate of the positive electrode and the electrode plate of the negative electrode.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating an apparatus for predicting battery life according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of predicting battery life according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of generating a lookup table used in a battery life prediction method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a photograph of particles of an active material included in an electrode plate of a battery according to an embodiment.
  • FIG. 5 is a graph illustrating a result of measuring voltage-current characteristics of the particles of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a photograph of particles of an active material included in an electrode plate of a battery according to an embodiment.
  • FIG. 7 is a graph illustrating a result of measuring voltage-current characteristics of the particles of FIG. 6.
  • FIG. 8 is a graph illustrating a relationship between a particle resistance of an active material included in an electrode plate of a battery and an expected lifespan according to an embodiment.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating an apparatus for predicting battery life according to an embodiment of the present invention.
  • the battery life predicting apparatus 100 includes a conductivity measuring unit 110, a life predicting unit 120, and a lookup table 130.
  • the conductivity measuring unit 110 measures the conductivity of the particles of the active material included in the electrode plate of the battery to be measured by using an atomic force microscope (AFM).
  • AFM atomic force microscope
  • the battery to be measured may be a rechargeable / dischargeable secondary battery including a positive electrode plate, a negative electrode plate, and an electrolyte layer positioned between the two electrode plates.
  • the positive electrode plate and the negative electrode plate of the secondary battery include an active active material involved in the electrode reaction of the battery.
  • the active material of the positive electrode plate may include PbO 2, MnO 2, Ni 2 O 3, or the like as the oxidizing agent.
  • the active material of the negative electrode plate may include a base metal such as zinc or lead as a reducing agent.
  • the kind of active material contained in the positive electrode plate and the kind of active material contained in the negative electrode plate are not limited.
  • the secondary battery may be formed in various forms generally known, and a detailed description thereof will be omitted.
  • An atomic force microscope is a type of scanning probe microscope that scans a sample surface with a nanometer probe and obtains an image that can be acquired as a position function acting on the probe.
  • An atomic force microscope may measure at least one of conductivity, that is, voltage, current, and resistance of particles of an active material included in a positive electrode plate or a negative electrode plate of a battery.
  • the conductivity measuring unit 110 transmits a measurement result of conductivity of particles of the active material included in the positive electrode plate or the negative electrode plate of the battery to be measured to the life prediction unit 120.
  • the life prediction unit 120 finds the number of charge / discharge cycles corresponding to the measured conductivity in the lookup table 130 and outputs the expected life of the battery to be measured.
  • the lookup table 130 includes a correlation between the conductivity of particles of the active material included in the positive electrode plate or the negative electrode plate and the charge / discharge cycle of the battery. That is, the lookup table 130 may include the number of charge and discharge cycles in which the charge and discharge efficiency of the battery becomes less than or equal to a predetermined value in response to at least one of the voltage, current, and resistance of the particle.
  • the number of charge / discharge cycles in which the charge / discharge efficiency of the battery becomes 80% or less according to particle conductivity may be experimentally measured and included in the lookup table 130, and the life predictor 120 may measure the measured conductivity.
  • the lookup table 130 may find the number of charge / discharge cycles for which the charge / discharge efficiency of the measurement target battery becomes 80% or less, and output the calculated number of cycles.
  • the number of charge-discharge cycles, that is, the charge-discharge efficiency of the battery to be measured becomes 80% or less, that is, the life expectancy of the battery tends to decrease.
  • a method of generating the lookup table 130 will be described later with reference to FIG. 3.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of predicting battery life according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a flowchart illustrating a method of generating a lookup table used in a battery life prediction method according to an embodiment of the present invention.
  • a lookup table 130 including a relationship between conductivity of particles of an active material included in a positive electrode plate or a negative electrode plate of a battery and a charge / discharge cycle of the battery is prepared ( S110).
  • preparing the electrode plate (S210), using the atomic force microscope the conductivity of the particles of the active material included in the electrode plate is performed.
  • Measuring (S220), manufacturing a battery including an electrode plate (S230), performing a charge and discharge evaluation of the battery (S240), conductivity and banner for particles of the active material included in the electrode plate of the battery Analyzing the correlation between the charge and discharge cycle of the cell (S250), and storing the correlation between the conductivity of the particles of the active material and the charge and discharge cycle of the battery in the look-up table 130 (S260).
  • a positive electrode plate and a negative electrode plate for preparing a battery are prepared (S210).
  • the positive electrode plate and the negative electrode plate each contain an active material.
  • the atomic force microscope measures the conductivity of particles of the active material included in the positive electrode plate or the negative electrode plate (S220). That is, any one of voltage, current, and resistance with respect to particles of the active material may be measured using an atomic force microscope.
  • FIG. 4 is a photograph of particles of an active material included in an electrode plate of a battery according to an embodiment. 5 is a graph illustrating a result of measuring voltage-current characteristics of the particles of FIG. 4.
  • the sizes of the particles G3 and G4 of the active material may be different from each other.
  • the threshold voltage of the particles G4 having a large size in the voltage-current characteristics is small. It is larger than the threshold voltage of particle G3.
  • the resistance characteristic of the active material may be calculated from the voltage-current characteristics of the active material, and the resistance of the large particle G4 may be greater than the resistance of the small particle G3.
  • FIG. 6 is a photograph of particles of an active material included in an electrode plate of a battery according to an embodiment.
  • FIG. 7 is a graph illustrating a result of measuring voltage-current characteristics of the particles of FIG. 6.
  • the voltage-current characteristics may be different depending on the position in one particle.
  • the threshold voltage and resistance are higher when the voltage-current characteristic is measured at the center portion III of the particle than when the voltage-current characteristic is measured at the edge portions I and V of the particle.
  • a certain portion of the particle for example, the central portion.
  • a battery including an electrode plate measuring conductivity of particles is manufactured (S230).
  • the battery may be manufactured as a half-cell for measuring the potential of the electrode plate or as a full-cell having a positive electrode plate and a negative electrode plate.
  • Charge and discharge evaluation of the manufactured battery is performed (S240).
  • the battery may be repeatedly charged and discharged using the battery charge and discharge device, and the charge and discharge cycles of charging and discharging the battery and the charging efficiency of the battery may be measured. As the charge and discharge cycle of the battery increases, the charging efficiency of the battery may decrease.
  • the charging and discharging evaluation of the battery may collect the charging efficiency for the charging and discharging cycle of the battery or collect the number of charge and discharge cycles in which the charging efficiency of the battery becomes less than or equal to a predetermined value. For example, the number of charge and discharge cycles in which the charging efficiency of the battery becomes 80% or less can be collected.
  • the correlation between the conductivity of the particles of the active material and the charge / discharge cycle of the battery is analyzed (S250), and stored in the lookup table 130 (S260). That is, the charging efficiency for the charge / discharge cycle of the battery may be correlated with the measured particle conductivity to be stored in the lookup table 130. Alternatively, the number of charge / discharge cycles in which the charging efficiency of the battery becomes less than or equal to a predetermined value corresponding to the measured particle conductivity may be stored in the lookup table 130.
  • the method of generating the lookup table 130 of FIG. 3 may be performed by varying the type, size, shape, surface treatment state, and mixing ratio of the conductive material in the positive electrode plate and the negative electrode plate.
  • the lookup table 130 may include a correlation between the conductivity of particles of the active material and the charge / discharge cycle of the battery in various cases.
  • the conductivity measuring unit 110 measures the conductivity of the particles of the active material included in the electrode plate of the battery to be measured by using an atomic force microscope (S120).
  • the life predicting unit 120 finds the number of charge / discharge cycles corresponding to the measured conductivity in the lookup table 130 and outputs an expected life of the battery to be measured (S130).
  • the life prediction unit 120 may find the number of charge / discharge cycles in which the charge / discharge efficiency of the battery to be measured becomes 80% or less in response to the conductivity of the particle in the lookup table 130, and output the estimated lifespan of the battery to be measured. have.
  • FIG. 8 is a graph illustrating a relationship between a particle resistance of an active material included in an electrode plate of a battery and an expected life of the battery.
  • the particle resistance of the active material and the expected life of the battery to be measured are inversely related to the expected life decrease as the resistance value increases.
  • Resistance and life expectancy may be linearly inversely proportional to the graph of FIG. 8A, or exponentially inversely proportional to the graph of FIG. 8B.
  • the resistance of the active material particles increases, the expected life of the battery under measurement decreases.
  • the lifetime of the battery can be easily estimated by measuring only the electrical property values of the particles of the active material included in the electrode plate using an atomic force microscope. In addition, even small differences in electrical properties of particles can accurately predict the difference in battery life.

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Abstract

배터리 수명 예측 장치는 원자간력 현미경을 이용하여 측정 대상 배터리의 전극판에 포함된 활물질의 파티클에 대한 전도성을 측정하는 전도성 측정부, 상기 활물질의 파티클에 대한 전도성과 배터리의 충방전 사이클의 상호 관계를 포함하는 룩업테이블, 및 상기 측정된 전도성에 대응하는 배터리의 충방전 사이클의 횟수를 상기 룩업테이블에서 찾아서 상기 측정 대상 배터리의 예상 수명을 출력하는 수명 예측부를 포함한다.

Description

배터리 수명 예측 장치 및 그 방법
본 발명은 배터리 수명 예측 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자간력 현미경을 이용한 배터리 수명 예측 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
비디오 카메라, 휴대폰, 노트북 PC 등 휴대용 전자기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동용 전원으로서 사용되는 배터리에 대하여 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, 충전 가능한 리튬 배터리는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 배터리, 니켈수소 배터리, 니켈아연 배터리 등과 비교하여 단위 중량당 에너지 밀도가 3배 정도 높고 급속 충전이 가능하기 때문에 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.
이러한 충전 가능한 배터리는 충방전을 반복함에 따라 충전 효율이 낮아지는 경향이 있다. 충방전을 반복함에 따라 배터리의 충전 효율이 낮아지는 문제를 최소화하여 배터리의 수명을 연장하고, 배터리의 수명을 진단하고 예측하는 기술이 제안되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 간단하고 정확하게 배터리의 수명을 예측할 수 있는 배터리 수명 예측 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 예측 장치는 원자간력 현미경을 이용하여 측정 대상 배터리의 전극판에 포함된 활물질의 파티클에 대한 전도성을 측정하는 전도성 측정부, 상기 활물질의 파티클에 대한 전도성과 배터리의 충방전 사이클의 상호 관계를 포함하는 룩업테이블, 및 상기 측정된 전도성에 대응하는 배터리의 충방전 사이클의 횟수를 상기 룩업테이블에서 찾아서 상기 측정 대상 배터리의 예상 수명을 출력하는 수명 예측부를 포함한다.
상기 전도성은 상기 파티클에 대한 전압, 전류, 저항 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 수명 예측부는 상기 측정 대상 배터리의 충방전 효율이 80% 이하가 되는 충방전 사이클의 횟수를 상기 측정 대상 배터리의 예상 수명으로 출력할 수 있다.
상기 활물질의 파티클의 저항이 커질수록 상기 측정 대상 배터리의 예상 수명이 감소할 수 있다.
상기 활물질은 양극의 전극판과 음극의 전극판 중 어느 하나에 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 수명 예측 방법은 활물질의 파티클에 대한 전도성과 배터리의 충방전 사이클의 상호 관계를 포함하는 룩업테이블을 준비하는 단계, 원자간력 현미경을 이용하여 측정 대상 배터리의 전극판에 포함된 활물질의 파티클에 대한 전도성을 측정하는 단계, 및 상기 측정된 전도성에 대응하는 충방전 사이클의 횟수를 상기 룩업테이블에서 찾아서 상기 측정 대상 배터리의 예상 수명을 출력하는 단계를 포함한다.
상기 룩업테이블을 준비하는 단계는, 상기 배터리의 전극판을 준비하는 단계, 상기 원자간력 현미경을 이용하여 상기 배터리의 전극판에 포함된 활물질의 파티클에 대한 전도성을 측정하는 단계, 상기 배터리의 충방전 평가를 수행하는 단계, 및 상기 배터리의 전극판에 포함된 활물질의 파티클에 대한 전도성과 상기 배터리의 충방전 사이클의 상호 관계를 분석하여 상기 룩업테이블에 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 룩업테이블을 준비하는 단계는, 상기 배터리의 전극판에 포함된 활물질의 파티클에 대한 전도성을 측정한 후 상기 전극판을 포함하는 상기 배터리를 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전도성은 상기 파티클에 대한 전압, 전류, 저항 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 측정 대상 배터리의 예상 수명을 출력하는 단계는, 상기 측정 대상 배터리의 충방전 효율이 80% 이하가 되는 충방전 사이클의 횟수를 상기 측정 대상 배터리의 예상 수명으로 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 활물질의 파티클의 저항이 커질수록 상기 측정 대상 배터리의 예상 수명이 감소할 수 있다.
상기 활물질은 양극의 전극판과 음극의 전극판 중 어느 하나에 포함될 수 있다.
원자간력 현미경을 이용하여 배터리의 전극판의 전도성을 측정함으로써 배터리의 수명을 간단하고 정확하게 예측할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 예측 장치를 간략히 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 예측 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 예측 방법에서 사용되는 룩업테이블을 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 배터리의 전극판에 포함된 활물질의 파티클을 촬영한 사진이다.
도 5는 도 4의 파티클에 대한 전압-전류 특성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 일 실시예에 따른 배터리의 전극판에 포함된 활물질의 파티클을 촬영한 사진이다.
도 7은 도 6의 파티클에 대한 전압-전류 특성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 일 실시예에 따른 배터리의 전극판에 포함된 활물질의 파티클의 저항과 예상 수명과의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도 1을 참조하여 일 실시예에 따른 배터리 수명 예측 장치에 대하여 설명하고, 도 2 및 도 3을 참조하여 배터리 수명 예측 방법에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 예측 장치를 간략히 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 배터리 수명 예측 장치(100)는 전도성 측정부(110), 수명 예측부(120), 및 룩업테이블(130)을 포함한다.
전도성 측정부(110)는 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope, AFM)을 이용하여 측정 대상 배터리의 전극판에 포함된 활물질의 파티클에 대한 전도성을 측정한다.
측정 대상 배터리는 양의 전극판, 음의 전극판, 및 두 전극판 사이에 위치하는 전해질층을 포함하는 충방전 가능한 2차 전지일 수 있다. 2차 전지의 양의 전극판과 음의 전극판은 배터리의 전극 반응에 관여하는 활물질(electrode active material)을 포함한다. 양의 전극판의 활물질은 산화제로서 PbO2, MnO2, Ni2O3 등을 포함할 수 있다. 음의 전극판의 활물질은 환원제로서 아연이나 납 같은 비금속을 포함할 수 있다. 다만, 양의 전극판에 포함되는 활물질의 종류 및 음의 전극판에 포함되는 활물질의 종류는 제한되지 않는다. 2차 전지는 일반적으로 알려진 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 이러한 2차 전지에 대한 더욱 상세한 설명은 생략한다.
원자간력 현미경은 주사형 탐침 현미경의 일종으로, 나노미터 단위의 탐침(probe)으로 시료 표면을 주사하여 그 탐침에 작용하는 위치함수로서 취득할 수 있는 상을 얻는 현미경이다. 원자간력 현미경은 배터리의 양의 전극판 또는 음의 전극판에 포함된 활물질의 파티클에 대한 전도성, 즉 전압, 전류, 저항 중 적어도 하나를 측정할 수 있다.
전도성 측정부(110)는 측정 대상 배터리의 양의 전극판 또는 음의 전극판에 포함된 활물질의 파티클에 대한 전도성의 측정 결과를 수명 예측부(120)에 전달한다.
수명 예측부(120)는 측정된 전도성에 대응하는 충방전 사이클의 횟수를 룩업테이블(130)에서 찾아서 측정 대상 배터리의 예상 수명을 출력한다.
룩업테이블(130)은 양의 전극판 또는 음의 전극판에 포함된 활물질의 파티클에 대한 전도성과 배터리의 충방전 사이클의 상호 관계를 포함한다. 즉, 룩업테이블(130)은 파티클의 전압, 전류, 저항 중 적어도 하나의 값에 대응하여 배터리의 충방전 효율이 미리 정해진 값 이하가 되는 충방전 사이클의 횟수를 포함할 수 있다.
예를 들어, 파티클의 전도성에 따라 배터리의 충방전 효율이 80% 이하가 되는 충방전 사이클의 횟수가 실험적으로 측정되어 룩업테이블(130)에 포함될 수 있으며, 수명 예측부(120)는 측정된 전도성에 대응하여 측정 대상 배터리의 충방전 효율이 80% 이하가 되는 충방전 사이클의 횟수를 룩업테이블(130)에서 찾아서 이를 측정 대상 배터리의 예상 수명으로 출력할 수 있다. 활물질의 파티클의 저항이 커질수록 측정 대상 배터리의 충방전 효율이 80% 이하가 되는 충방전 사이클의 횟수즉, 배터리의 예상 수명은 감소하는 경향이 있다.
룩업테이블(130)을 생성하는 방법에 대해서는 도 3에서 후술한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 예측 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 예측 방법에서 사용되는 룩업테이블을 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 배터리의 양의 전극판 또는 음의 전극판에 포함되는 활물질의 파티클에 대한 전도성과 배터리의 충방전 사이클의 상호 관계를 포함하는 룩업테이블(130)을 준비한다(S110).
룩업테이블(130)을 준비하는 과정(S110)은, 도 3에 도시한 바와 같이, 전극판을 준비하는 단계(S210), 원자간력 현미경을 이용하여 전극판에 포함된 활물질의 파티클에 대한 전도성을 측정하는 단계(S220), 전극판을 포함하는 배터리를 제조하는 단계(S230), 배터리의 충방전 평가를 수행하는 단계(S240), 배터리의 전극판에 포함된 활물질의 파티클에 대한 전도성과 배너리의 충방전 사이클의 상호 관계를 분석하는 단계(S250), 및 활물질의 파티클에 대한 전도성과 배터리의 충방전 사이클의 상호 관계를 룩업테이블(130)에 저장하는 단계(S260)를 포함할 수 있다.
배터리를 제조하기 위한 양의 전극판과 음의 전극판을 준비한다(S210). 양의 전극판과 음의 전극판은 각각 활물질을 포함한다.
원자간력 현미경을 이용하여 양의 전극판 또는 음의 전극판에 포함된 활물질의 파티클에 대한 전도성을 측정한다(S220). 즉, 원자간력 현미경을 이용하여 활물질의 파티클에 대한 전압, 전류, 저항 중 어느 하나를 측정할 수 있다.
도 4 내지 도 7을 참조하여, 원자간력 현미경을 이용하여 활물질의 파티클과 이에 대한 전압-전류 특성을 측정한 결과의 일 예에 대하여 설명한다.
도 4는 일 실시예에 따른 배터리의 전극판에 포함된 활물질의 파티클을 촬영한 사진이다. 도 5는 도 4의 파티클에 대한 전압-전류 특성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4에 예시한 바와 같이, 활물질의 파티클(G3, G4)의 크기는 서로 다를 수 있다. 서로 다른 크기를 갖는 파티클(G3, G4)의 중앙 부분에 대하여 전압-전류 특성을 측정하였을 때, 도 5에 예시한 바와 같이 전압-전류 특성에서 크기가 큰 파티클(G4)의 임계 전압이 크기 작은 파티클(G3)의 임계 전압보다 크다. 활물질의 저항 특성은 활물질의 전압-전류 특성으로부터 산출될 수 있으며, 크기가 큰 파티클(G4)의 저항이 크기 작은 파티클(G3)의 저항보다 클 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 배터리의 전극판에 포함된 활물질의 파티클을 촬영한 사진이다. 도 7은 도 6의 파티클에 대한 전압-전류 특성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6 및 도 7에 예시한 바와 같이, 하나의 파티클에서 위치에 따라 전압-전류 특성이 서로 다를 수 있다. 파티클의 가장자리 부분(I, V)에서 전압-전류 특성을 측정하였을 때보다 파티클의 중앙 부분(III)에서 전압-전류 특성을 측정하였을 때 임계 전압과 저항이 높게 나타난다. 측정 결과의 정확성을 위해, 원자간력 현미경을 이용하여 활물질의 파티클에 대한 전도성을 측정할 때, 파티클의 일정한 부분(예를 들어, 중앙 부분)에 대하여 측정할 필요가 있다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 파티클의 전도성을 측정한 전극판을 포함하는 배터리를 제조한다(S230). 이때, 배터리는 전극판의 전위 측정을 위한 하프-셀(half-cell)로 제조되거나 양의 전극판과 음의 전극판을 갖춘 풀-셀(full-cell)로 제조될 수 있다.
제조된 배터리의 충방전 평가를 수행한다(S240). 배터리 충방전 장치를 이용하여 배터리의 충전과 방전을 반복적으로 수행할 수 있으며, 배터리가 충전 및 방전되는 충방전 사이클과 배터리의 충전 효율을 측정할 수 있다. 배터리의 충방전 사이클이 증가할수록 배터리의 충전 효율은 낮아질 수 있다. 배터리의 충방전 평가를 통해 배터리의 충방전 사이클에 대한 충전 효율을 수집하거나 배터리의 충전 효율이 미리 정해진 값 이하가 되는 충방전 사이클의 횟수를 수집할 수 있다. 예를 들어, 배터리의 충전 효율이 80% 이하가 되는 충방전 사이클의 횟수를 수집할 수 있다.
활물질의 파티클에 대한 전도성과 배터리의 충방전 사이클의 상호 관계를 분석하고(S250), 이를 룩업테이블(130)에 저장한다(S260). 즉, 측정된 파티클의 전도성에 대응하여 배터리의 충방전 사이클에 대한 충전 효율을 연관시켜 룩업테이블(130)에 저장할 수 있다. 또는 측정된 파티클의 전도성에 대응하여 배터리의 충전 효율이 미리 정해진 값 이하가 되는 충방전 사이클의 횟수를 연관시켜 룩업테이블(130)에 저장할 수 있다.
도 3의 룩업테이블(130)을 생성하는 방법은 양의 전극판과 음의 전극판에 포함될 수 있는 활물질의 종류, 크기, 형태, 표면처리 상태, 도전재의 혼합률 등을 달리하여 수행될 수 있다. 이에 따라, 룩업테이블(130)은 다양한 경우의 활물질의 파티클에 대한 전도성과 배터리의 충방전 사이클의 상호 관계를 포함할 수 있다.
룩업테이블(130)이 준비된 후, 전도성 측정부(110)가 원자간력 현미경을 이용하여 측정 대상 배터리의 전극판에 포함된 활물질의 파티클에 대한 전도성을 측정한다(S120).
수명 예측부(120)는 측정된 전도성에 대응하는 충방전 사이클의 횟수를 룩업테이블(130)에서 찾아서 측정 대상 배터리의 예상 수명을 출력한다(S130). 수명 예측부(120)는 파티클의 전도성에 대응하여 측정 대상 배터리의 충방전 효율이 80% 이하가 되는 충방전 사이클의 횟수를 룩업테이블(130)에서 찾아서 이를 측정 대상 배터리의 예상 수명으로 출력할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 배터리의 전극판에 포함된 활물질의 파티클의 저항과 배터리의 예상 수명과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8에 예시한 바와 같이, 활물질의 파티클의 저항과 측정 대상 배터리의 예상 수명(충방전 효율이 80% 이하가 되는 충방전 사이클의 횟수)은, 저항값이 커지면 예상 수명이 감소하는 반비례 관계일 수 있다. 저항과 예상 수명은 도 8의 (a) 그래프와 같이 선형적으로 반비례하거나, 도 8의 (b) 그래프와 같이 지수함수적으로 반비례할 수 있다. 예를 들어, 활물질 파티클의 저항이 커질수록 측정 대상 배터리의 예상 수명은 감소한다.
상술한 바와 같이, 원자간력 현미경을 이용하여 전극판에 포함된 활물질의 파티클의 전기적 물성 값만을 측정함으로써 배터리의 수명을 간단하게 예측할 수 있다. 또한, 파티클의 매우 적은 전기적 물성 차이로도 배터리의 수명의 차이를 정확하게 예측할 수 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 원자간력 현미경을 이용하여 측정 대상 배터리의 전극판에 포함된 활물질의 파티클에 대한 전도성을 측정하는 전도성 측정부;
    상기 활물질의 파티클에 대한 전도성과 배터리의 충방전 사이클의 상호 관계를 포함하는 룩업테이블; 및
    상기 측정된 전도성에 대응하는 배터리의 충방전 사이클의 횟수를 상기 룩업테이블에서 찾아서 상기 측정 대상 배터리의 예상 수명을 출력하는 수명 예측부
    를 포함하는 배터리 수명 예측 장치.
  2. 제1 항에서,
    상기 전도성은 상기 파티클에 대한 전압, 전류, 저항 중 적어도 하나를 포함하는 배터리 수명 예측 장치.
  3. 제1 항에서,
    상기 수명 예측부는 상기 측정 대상 배터리의 충방전 효율이 80% 이하가 되는 충방전 사이클의 횟수를 상기 측정 대상 배터리의 예상 수명으로 출력하는 배터리 수명 예측 장치.
  4. 제3 항에서,
    상기 활물질의 파티클의 저항이 커질수록 상기 측정 대상 배터리의 예상 수명은 감소하는 배터리 수명 예측 장치.
  5. 제1 항에서,
    상기 활물질은 양극의 전극판과 음극의 전극판 중 어느 하나에 포함되는 배터리 수명 예측 장치.
  6. 활물질의 파티클에 대한 전도성과 배터리의 충방전 사이클의 상호 관계를 포함하는 룩업테이블을 준비하는 단계;
    원자간력 현미경을 이용하여 측정 대상 배터리의 전극판에 포함된 활물질의 파티클에 대한 전도성을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 전도성에 대응하는 충방전 사이클의 횟수를 상기 룩업테이블에서 찾아서 상기 측정 대상 배터리의 예상 수명을 출력하는 단계
    를 포함하는 배터리 수명 예측 방법.
  7. 제6 항에서,
    상기 룩업테이블을 준비하는 단계는,
    상기 배터리의 전극판을 준비하는 단계;
    상기 원자간력 현미경을 이용하여 상기 배터리의 전극판에 포함된 활물질의 파티클에 대한 전도성을 측정하는 단계;
    상기 배터리의 충방전 평가를 수행하는 단계; 및
    상기 배터리의 전극판에 포함된 활물질의 파티클에 대한 전도성과 상기 배터리의 충방전 사이클의 상호 관계를 분석하여 상기 룩업테이블에 저장하는 단계
    를 포함하는 배터리 수명 예측 방법.
  8. 제7 항에서,
    상기 룩업테이블을 준비하는 단계는,
    상기 배터리의 전극판에 포함된 활물질의 파티클에 대한 전도성을 측정한 후 상기 전극판을 포함하는 상기 배터리를 제조하는 단계를 더 포함하는 배터리 수명 예측 방법.
  9. 제6 항에서,
    상기 전도성은 상기 파티클에 대한 전압, 전류, 저항 중 적어도 하나를 포함하는 배터리 수명 예측 방법.
  10. 제6 항에서,
    상기 측정 대상 배터리의 예상 수명을 출력하는 단계는,
    상기 측정 대상 배터리의 충방전 효율이 80% 이하가 되는 충방전 사이클의 횟수를 상기 측정 대상 배터리의 예상 수명으로 출력하는 단계를 포함하는 배터리 수명 예측 방법.
  11. 제10 항에서,
    상기 활물질의 파티클의 저항이 커질수록 상기 측정 대상 배터리의 예상 수명은 감소하는 배터리 수명 예측 방법.
  12. 제6 항에서,
    상기 활물질은 양극의 전극판과 음극의 전극판 중 어느 하나에 포함되는 배터리 수명 예측 방법.
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