WO2020130202A1 - 인시츄 광학 및 전기화학 분석 방법 및 이를 위한 전지 셀 단면측정 모듈 - Google Patents

인시츄 광학 및 전기화학 분석 방법 및 이를 위한 전지 셀 단면측정 모듈 Download PDF

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전철호
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최경순
김천중
송재용
신호선
박선화
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Definitions

  • the technical idea of the present invention relates to an in-situ optical and electrochemical analysis method and a battery cell measurement module for the same, and more specifically, an analysis of the electrochemical behavior through a cross section inside the battery cell during charging and discharging is performed.
  • a technical problem to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide a battery cell measurement module capable of precise analysis of electrochemical behavior through a cross section inside a battery cell during charging and discharging.
  • the technical problem to be achieved by the technical idea of the present invention is an in-situ optical and electrochemical analysis method capable of precise analysis of electrochemical behavior through a cross section inside a battery cell during charging and discharging using the battery cell measurement module. Is to provide
  • the lower housing including a battery cell receiving space therein; An upper cover detachably attached to the lower housing and having a transparent window; And a battery stack disposed in the battery cell accommodating space, the first electrode base portion, the second electrode base portion, and a battery stack disposed between the first electrode base portion and the second electrode base portion.
  • the first electrode base portion, the battery laminate and the second electrode base portion along the first direction parallel to the upper surface of the transparent window so that the thickness direction of the battery stack is disposed parallel to the upper surface of the transparent window They are arranged sequentially.
  • the battery stack includes a positive electrode current collector with a positive electrode active material, a negative electrode current collector with a negative electrode active material, and a separator disposed between the positive electrode active material and the negative electrode active material.
  • the battery cell block may be disposed such that the positive electrode current collector, the positive electrode active material, the separator, the negative electrode active material, and the negative electrode current collector all face the transparent window.
  • the positive electrode active material has a first thickness in a direction perpendicular to the upper surface of the positive electrode current collector
  • the negative electrode active material has a second thickness in a direction perpendicular to the upper surface of the negative electrode current collector
  • the The battery cell block may be arranged such that the entire first thickness of the positive electrode active material and the entire second thickness of the negative electrode active material are observed by the transparent window.
  • the first electrode base portion and the battery stack are disposed in the battery cell accommodation space and positioned adjacent to both the first electrode base portion, the battery stack, and the second electrode base portion.
  • a third electrode base portion disposed on one side of the sieve and the second electrode base portion may be further included, and the third electrode base portion may function as a reference electrode providing reference voltages for the positive electrode active material and the negative electrode active material.
  • the lower housing further includes a supply line opening configured to receive electrolyte from the external supply member into the battery cell accommodating space, and the first electrode base portion penetrates the first electrode base portion.
  • a supply line opening configured to receive electrolyte from the external supply member into the battery cell accommodating space, and the first electrode base portion penetrates the first electrode base portion.
  • a plurality of openings ; And a trench extending through the entire length of the first electrode base part in a direction parallel to the upper surface of the first electrode base part. And at least one of the plurality of openings and the trench to reach the battery stack.
  • the battery cell measurement module includes: a lower housing including a battery cell receiving space therein; An upper cover detachably attached to the lower housing and having a transparent window; And a battery cell block disposed in the battery cell accommodating space, wherein the first electrode base portion, the battery stack, and the second electrode base portion included in the battery cell block have a first direction parallel to the upper surface of the transparent window.
  • the light measurement cycle comprises: irradiating a first light to a first portion of the battery stack observed through the transparent window; Detecting first light scattered from the battery stack; Irradiating a second light having a wavelength different from that of the first light to the first portion of the battery stack observed through the transparent window; And detecting the second light scattered from the battery stack.
  • the step of irradiating the second light includes the step of irradiating the second light continuously by a first scan width along a thickness direction of the battery stack observed through the transparent window. can do.
  • the battery stack includes a positive electrode current collector with a positive electrode active material, a negative electrode current collector with a negative electrode active material, and a separator disposed between the positive electrode active material and the negative electrode active material, and the battery
  • the cell block is disposed such that the positive electrode current collector, the positive electrode active material, the separator, the negative electrode active material, and the negative electrode current collector all face the transparent window, and irradiating the second light comprises: Continuously irradiating the second light by the first scan width along the thickness direction of the positive electrode active material observed through, and by the first scan width along the thickness direction of the negative electrode active material observed through the transparent window And continuously irradiating the second light.
  • Battery cell measurement module according to the present invention, the first electrode base portion, the battery stack and the second so that the thickness direction of the battery stack disposed in the battery cell receiving space of the lower housing is disposed parallel to the upper surface of the transparent window of the upper cover
  • the electrode base portion may be sequentially arranged along a first direction parallel to the upper surface of the transparent window.
  • interfacial movement at each potential during the charging and discharging steps of the positive electrode active material or the negative electrode active material, precipitation and dissolution of the active material, and changes in the thickness of the active material can be observed through an optical image.
  • material energy analysis, crystal structure analysis, phase transition inside the active material at least one fixed position inside the active material through a Raman spectroscopy, or at fixed positions corresponding to a continuously extending first scan width Analysis, and/or compositional analysis can be performed. Therefore, it may be possible to precisely observe and analyze the electrochemical behavior and reaction rate of the new positive electrode active material and the new negative electrode active material whose electrochemical behavior is not clearly identified.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an in-situ optical measurement system according to example embodiments.
  • Fig. 2 is a plan view showing a battery cell measurement module according to example embodiments.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III' of FIG. 2.
  • Fig. 4 is a plan view showing a battery cell measurement module according to example embodiments.
  • Fig. 5 is a plan view showing a battery cell measurement module according to example embodiments.
  • Fig. 6 is a plan view showing a battery cell measurement module according to example embodiments.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a first electrode base included in a battery cell measurement module.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating a first electrode base part included in a battery cell measurement module.
  • Fig. 9 is a flow chart showing an in-situ optical and electrochemical analysis method according to exemplary embodiments.
  • FIG 10 is a graph showing a voltage profile at one charge and one discharge of the DMPZ positive electrode active material.
  • 12A and 12B are Raman shift graphs at different voltages during one charge and one discharge in the first part and the second part of the positive electrode active material.
  • FIG. 13A is an optical image of the positive electrode active material according to the voltage in the first charge and discharge cycle, respectively, and FIG. 13B is an optical image of the positive electrode active material according to the voltage in the second charge cycle.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms may be used only for the purpose of distinguishing one component from other components.
  • first component may be referred to as a second component without departing from the scope of the present invention, and similarly, the second component may be referred to as a first component.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an in-situ optical measurement system 1 according to exemplary embodiments.
  • 2 is a plan view illustrating a battery cell measurement module 100 according to example embodiments, and
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III' of FIG.
  • the in-situ optical measurement system 1 includes an optical analysis unit (OMU) 10, an electrochemical analysis unit (ECU) 20, and a battery cell measurement module 100.
  • OMU optical analysis unit
  • ECU electrochemical analysis unit
  • a battery cell measurement module 100 a battery cell measurement module
  • the optical analysis unit 10 may be configured as a measurement device capable of analyzing optical characteristics of the battery stack 140 included in the battery cell measurement module 100.
  • the optical analysis unit 10 may be configured to perform optical image analysis and Raman shift analysis.
  • the optical analysis unit 10 may be composed of a plurality of analysis units capable of optical image analysis, Raman shift analysis, and photoluminescence (PL) characterization, respectively.
  • the optical analysis unit 10 includes a Raman spectrometer capable of irradiating light to the battery stack 140 using a laser as a light source and receiving and detecting light reflected through the battery stack 140. can do.
  • the optical analysis unit 10 may further include an optical microscope. The optical microscope may irradiate light to the battery stack 140 and receive light reflected through the battery stack 140 to store image information of the battery stack 140 through a CCD camera (not shown). .
  • the optical analysis unit 10 may include a light source 12, a light splitter 14, a lens 16, and a detector 18.
  • the light source 12 can include a laser source, and a laser can be emitted from the light source 12.
  • the light splitter 14 may reflect light emitted from the light source 12 and enter the lens 16.
  • Light incident on the lens 16 may be incident on the battery stack 140 in the battery cell measurement module 100.
  • Light scattered from the battery stack 140 may pass through the lens 16 and the light splitter 14 to be received by the detector 18.
  • the detector 18 may include a camera or spectrometer.
  • an optical microscope may irradiate light to a measurement area of the battery cell measurement module 100 (ie, an area indicated by SCAN WIDTH in FIG. 3) to store an image of the measurement area, and a Raman spectroscopy By irradiating light to a plurality of fixed measurement positions in the measurement area, a Raman shift measurement result from a plurality of fixed measurement positions can be obtained.
  • the Raman spectrometer may acquire a Raman shift measurement result from the measurement line by irradiating light to a measurement position continuously arranged along a measurement line having a first scan width in the measurement area.
  • the electrochemical analysis unit 20 may be configured as a measurement device capable of analyzing the electrochemical performance of the battery stack 140 (see FIG. 2) included in the battery cell measurement module 100.
  • the electrochemical analysis unit 20 is electrically connected to the battery stack 140 to adjust the voltage and current of the battery stack 140, or the voltage information and current information of the battery stack 140 It can be configured to record.
  • the electrochemical analysis unit 20 may be configured to drive the electrochemical cycle including charging and discharging the battery stack 140 multiple times.
  • a current may be applied to the battery stack 140 at a predetermined current rate, and the voltage of the battery stack 140 according to the current application may be measured and recorded.
  • a discharge cycle for the battery stack 140 may be initiated, and the battery stack 140 when a discharge current flows at a predetermined current rate ) Can be measured and recorded.
  • the battery cell measurement module 100 includes a transparent window 176, and is configured to irradiate light to the battery stack 140 through the transparent window 176 and sense light reflected from the battery stack 140. Can.
  • the battery cell measurement module 100 is a battery stack in a first direction (Y direction) parallel to the transparent window 176 within a measurement area observable through the transparent window 176 (ie, an area indicated by SCAN WIDTH).
  • the positive electrode current collector portion 142F of 140, the positive electrode active material 142AM, the separator 146, the negative electrode active material 144AM, and the negative electrode current collector portion 144F may be configured to be sequentially disposed.
  • the stacking direction of the battery stack 140 may be arranged parallel to the transparent window 176, and accordingly, the positive electrode current collector 142F, the positive electrode active material 142AM, and the separator 146 of the battery stack 140 may be disposed.
  • the negative active material (144AM), and the cathode current collector (144F) of the region of interest can facilitate the optical image analysis and Raman analysis.
  • the stacking direction of the battery stack 140 may be disposed parallel to the transparent window 176, and accordingly, the positive electrode current collector 142F, the positive electrode active material 142AM, and the separator 146 of the battery stack 140 may be disposed. , By continuously scanning an area of a portion of the negative electrode active material 144AM, and the negative electrode current collector 144F, to facilitate optical image analysis and Raman analysis in a plurality of fixed positions or continuous measurement lines in the measurement area. Can.
  • a portion of the cell stack 140 through the optical analysis unit 10 can be performed simultaneously. Accordingly, the electrochemical reaction of the active material generated during charging and discharging of the positive electrode active material 142AM or the negative electrode active material 144AM, which is of interest, observation of a change in the crystalline phase or crystal structure, and analysis of the reaction rate in the local area , It is possible to perform a comprehensive analysis of the electrochemical behavior of the battery stack 140, such as observing the interfacial movement of the active material, observing the local thickness change of the active material, and the like.
  • the surface observable through the opening may be a surface disposed on the top of the coin-type cell, or may be a surface of a cathode portion from which a corresponding anode portion is removed (or a surface of a cathode portion from which the corresponding cathode portion is removed). Therefore, the electrochemical behavior of the active material on the surface observable through the opening may be different from the electrochemical behavior occurring in the inner region of the coin type cell, and accordingly, precise analysis of the electrochemical behavior may be difficult.
  • the positive electrode current collector portion 142F, the positive electrode active material 142AM, the separator 146, the negative electrode active material 144AM, and the negative electrode current collector portion of the battery stack 140 in the battery cell measurement module 100 ( 144F) is stacked in a direction parallel to the transparent window 176, the positive electrode current collector 142F, the positive electrode active material 142AM, the separator 146, the negative electrode active material 144AM, and the negative electrode current collector 144F at the same time It can be observed or measured.
  • the battery cell measurement module 100 may include a lower housing 110 and an upper cover 172 detachably attached to the lower housing 110.
  • the lower housing 110 may be provided with a battery cell accommodating space 110S capable of accommodating the battery stack 140 therein.
  • the upper cover 172 may include a transparent window 176 in which a cross section of the battery stack 140 can be observed, and may be attached to the lower housing 110 through the cover fixing part 174.
  • the upper cover 172, the cover fixing part 174, and the transparent window 176 are illustrated with dotted lines for convenience of understanding.
  • the lower housing 110 may be provided with a battery cell accommodating space 110S therein, and a battery cell block including the battery stack 140 may be disposed in the battery cell accommodating space 110S.
  • the lower housing 110 may include a rigid metal or insulating material.
  • the lower housing 110 may be formed of SUS material so that corrosion does not occur, but is not limited thereto.
  • the battery cell block is a battery stack 140 disposed between the first electrode base portion 122, the second electrode base portion 124, and the first electrode base portion 122 and the second electrode base portion 124. ).
  • the first electrode base portion 122, the battery stack 140, and the second electrode base portion 124 may be sequentially disposed along a first direction (Y direction) parallel to the upper surface of the transparent window 176. have. That is, at least a portion of the first electrode base portion 122, at least a portion of the battery stack 140, and at least a portion of the second electrode base portion 124 may be simultaneously observed by the transparent window 176.
  • the first electrode connection part 132 may penetrate the lower housing 110 and be electrically connected to the first electrode base part 122.
  • the first electrode connection unit 132 may be a connection terminal capable of supplying current from the electrochemical analysis unit 20 to the battery stack 140 through the first electrode base unit 122.
  • the second electrode connection part 134 may penetrate the lower housing 110 and be electrically connected to the second electrode base part 124.
  • the second electrode connection part 134 may be a connection terminal capable of supplying current from the electrochemical analysis unit 20 to the battery stack 140 through the second electrode base part 124.
  • the battery stack 140 may include a positive electrode current collector 142F, a positive electrode active material 142AM, a separator 146, a negative electrode active material 144AM, and a negative electrode current collector 144F.
  • the positive electrode current collector portion 142F may be disposed to contact the first electrode base portion 122 and the negative electrode current collector portion 144F may contact the second electrode base portion 124.
  • the positive electrode active material 142AM, the separator 146, and the negative electrode active material 144AM may be wetted with an electrolyte.
  • the lower housing 110 can be supplied with electrolyte from external supply lines 190L1 and 190L2.
  • the supply line openings 110SH1 and 110SH2 may be further formed, and at least one of the first electrode base part 122 and the second electrode base part 124 may have a plurality of openings 122SH through which electrolyte may pass.
  • a trench 122SL may be further included.
  • the positive electrode current collector 142F may include a conductive material, and may be a thin conductive foil or a thin conductive mesh.
  • the positive electrode current collector 142F may include aluminum, nickel, copper, gold, or alloys thereof.
  • the positive electrode active material 142AM may include a material capable of reversibly inserting/detaching lithium ions.
  • the positive electrode active material 142AM may be an active material required to analyze the phase transition characteristics according to charging and discharging by the optical analysis unit 10 and the electrochemical analysis unit 20.
  • the positive electrode active material 43M is a carboorganic-based positive electrode active material, an olivine structured lithium phosphate-based positive electrode active material, a vanadium oxide-based positive electrode active material, a layered structure lithium metal oxides , A spinel-structure lithium manganese oxide-based positive electrode active material, a sulfur-based positive electrode active material, and the like.
  • a binder or a conductive material may be further included in the positive electrode active material 142AM.
  • the binder may serve to attach the particles of the positive electrode active material 142AM to each other and to attach the positive electrode active material 142AM to the positive electrode current collector 142F.
  • the conductive material may provide electrical conductivity to the positive electrode active material 142AM.
  • the negative electrode current collector 144F may include a conductive material, and may be a thin conductive foil or a thin conductive mesh.
  • the negative electrode current collector 144F may include copper, nickel, aluminum, gold, or alloys thereof.
  • the negative electrode active material 144AM may include a material capable of reversibly inserting/detaching lithium ions.
  • the negative active material 144AM may be an active material required to analyze the phase transition characteristics according to charging and discharging by the optical analysis unit 10 and the electrochemical analysis unit 20.
  • the negative active material 144AM may include a carbon-based negative active material, a graphite-based negative active material, a silicon-based negative active material, a tin-based negative active material, a composite negative active material, a lithium metal negative active material, and the like.
  • a binder or a conductive material may be further included in the negative electrode active material 144AM.
  • the binder may serve to attach the particles of the negative electrode active material 144AM to each other and to attach the negative electrode active material 144AM to the negative electrode current collector 144F.
  • the conductive material may provide electrical conductivity to the negative electrode active material 144AM.
  • the separator 146 may have porosity, and may be composed of a single layer or multiple layers of two or more layers.
  • the separator 146 may include a polymer material, and may include, for example, at least one of polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride, and polyolefin polymers.
  • the battery cell measurement module 100 may further include a fixing plate 150 disposed to contact the second electrode base portion 124 within the battery cell accommodation space 110S.
  • the pressure fixing part 152 may extend from the outside of the lower housing 110 to the inside of the fixing plate 150 and be combined.
  • the pressing fixing part 152 may move the fixing plate 150 along the first direction (direction parallel to the upper surface of the transparent window 176) by a screw method, and move the fixing plate 150 Through the first electrode base portion 122, the battery stack 140, and the second electrode base portion 124 may be attached to each other by a predetermined compression force.
  • a positive electrode active material, a separator, and a negative electrode active material in a cell stack may be closely placed.
  • the total resistance of a commercial battery cell or coin cell can be relatively small.
  • the secondary resistance of the battery cell or coin cell such as the resistance between the current collector and the active material, or the resistance between the current collector and the external connection member
  • the total resistance of the battery cell or coin cell may be increased, in which case the positive electrode
  • the difference between the potential difference (voltage) applied between the active material and the negative electrode active material and the potential difference (voltage) applied between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the battery cell may be increased.
  • the first electrode base portion 122, the battery stack 140, and the second electrode base portion 124 may be closely fixed by the fixing plate 150 and the pressing fixing portion 152, ,
  • the resistance of the battery cell measurement module 100 may be reduced.
  • a desired electrochemical test can be performed under various current conditions (for example, charging and discharging at a high current rate), or with electrochemical behavior in a commercial battery cell. Deviations between the electrochemical behaviors in the battery cell measurement module 100 can be reduced (ie, it can accurately simulate the electrochemical behaviors in commercial battery cells).
  • the top cover 172 may include a rigid metal or insulating material.
  • the upper cover 172 may be formed of SUS material to prevent corrosion, but is not limited thereto.
  • the cover fixing part 174 may be a fixing member that can be screwed, but is not limited thereto.
  • the transparent window 176 may be formed of a transparent insulating material.
  • the transparent window 176 may include quartz or beryllium glass.
  • a sealing member such as an o-ring may be further formed at an edge portion of the transparent window 176.
  • the positive electrode current collector 142F, the positive electrode active material 142AM, the separator 146, the negative electrode active material 144AM, and the negative electrode current collector 144F are all transparent to the transparent window 176. It can be arranged to face to face.
  • the positive electrode active material 142AM has a first thickness in a direction perpendicular to the top surface of the positive electrode current collector 142F (for example, the first direction (Y direction)), and the negative electrode active material 144AM is a negative electrode collector.
  • the entire second thickness of (144AM) can be observed.
  • the positive electrode current collector 142F, the positive electrode active material 142AM, the separator 146, the negative electrode active material 144AM of the battery stack 140 in the battery cell measurement module 100 and As the negative electrode current collector 144F is stacked in a direction parallel to the transparent window 176, the positive electrode current collector 142F, positive electrode active material 142AM, separator 146, negative electrode active material 144AM, and negative electrode current collector ( 144F) can be observed or measured simultaneously.
  • FIG. 4 is a plan view showing a battery cell measurement module 100A according to example embodiments.
  • the same reference numerals as in FIGS. 1 to 3 denote the same components.
  • the battery cell measurement module 100A may further include a third electrode base part 126 disposed in the battery cell accommodating space 110S, and the third electrode base part 126 may include a first The electrode base unit 122, the battery stack 140, and the second electrode base unit 124 may be disposed on one side, and the third electrode base unit 126 may include a first electrode base unit 122, The battery stack 140 may be disposed adjacent to both the second electrode base portion 124.
  • the third electrode connection part 136 may penetrate the lower housing 110 and be electrically connected to the third electrode base part 126.
  • the battery cell measurement module 100A may correspond to a battery cell of a three-electrode system.
  • a third electrode may be further disposed on the third electrode base portion 126, and the third electrode functions as a reference electrode providing reference voltages for the positive electrode active material 142AM and the negative electrode active material 144AM.
  • the positive electrode active material 142AM may include dimethylphenazine
  • the negative electrode active material 144AM may include carbon
  • the third electrode may include lithium metal.
  • voltage data of the positive electrode active material 142AM with respect to the reference voltage is obtained by measuring the voltage between the first electrode base part 122 and the third electrode base part 126
  • the second electrode base part Voltage data of the negative electrode active material 144AM with respect to the reference voltage may be obtained by measuring the voltage between 124) and the third electrode base 126. Therefore, it is possible to comprehensively analyze the electrochemical behavior of each of the positive electrode active material 142AM and the negative electrode active material 144AM.
  • the composition or image of a material at a fixed position in the thickness direction of the positive electrode active material 142AM or the thickness direction of the negative electrode active material 142AM, and the positive electrode active material 142AM ) And the interface between the positive electrode current collector 142F adjacent thereto, or the movement of the interface between the negative electrode active material 144AM and the negative electrode current collector 144F adjacent thereto may be simultaneously observed. Therefore, it is possible to precisely measure or analyze the electrochemical behavior of the battery stack 140 occurring during the charging and discharging steps of the battery stack 140. In addition, the electrochemical behavior of each of the positive electrode active material 142AM and the negative electrode active material 144AM can be comprehensively analyzed by further including a third electrode base portion 136 serving as a reference electrode.
  • Fig. 5 is a plan view showing a battery cell measurement module 100B according to example embodiments.
  • the same reference numerals as in FIGS. 1 to 4 denote the same components.
  • the battery cell measurement module 100B may include a plurality of pressing fixtures 152A and 152B.
  • the plurality of pressing fixtures 152A and 152B can move the fixing plate 150 to the fixing plate 150 along the first direction (direction parallel to the transparent window 176), and the plurality of pressing fixtures (
  • the first electrode base portion 122, the battery stack 140, and the second electrode base portion 124 may be attached to each other by a predetermined compression force through the fixed plate 150 moved to 152A, 152B. have.
  • the plurality of pressing fixtures 152A and 152B may be spaced apart from each other to move the fixing plate 150, and accordingly, the pushing force may be evenly distributed and applied to the fixing plate 150. Therefore, a battery laminate such as peeling, puncture, short-circuit of the positive electrode active material 142AM or the negative electrode active material 144AM, which may occur when a pushing force is applied to a local area of the battery stack 140, is applied. The damage of 140 can be prevented.
  • the two pressing fixtures 152A and 152B are exemplarily shown spaced apart, but the number and arrangement of the pressing fixtures 152A and 152B are not limited thereto.
  • the first electrode base portion 122, the battery stack 140, and the second electrode base portion 124 by the fixing plate 150 and the plurality of pressing fixing portions 152A and 152B. ) May be fixed in close contact, and the resistance of the battery cell measurement module 100B may be reduced. As the resistance of the battery cell measurement module 100B is reduced, a desired electrochemical test can be performed under various current conditions, or the electrochemical behavior in a commercial battery cell can be accurately simulated. In addition, damage to the battery stack 140 such as peeling, piercing, short circuit of the positive electrode active material 142AM or the negative electrode active material 144AM, which may occur when a pushing force is applied to a local area of the battery stack 140, may be prevented. Can.
  • FIGS. 6 is a plan view showing a battery cell measurement module 100C according to example embodiments.
  • 7 is a perspective view illustrating a first electrode base portion 122A that may be employed instead of the first electrode base portion 122 included in the battery cell measurement module 100C.
  • 8 is a perspective view illustrating a first electrode base portion 122B that may be employed instead of the first electrode base portion 122 included in the battery cell measurement module 100C.
  • the same reference numerals as in FIGS. 1 to 5 denote the same components.
  • the lower housing 110 may include supply line openings 110SH1 and 110SH2 communicating with the battery cell accommodation space 110S.
  • the first supply line opening 110SH1 may pass through the left side surface of the lower housing 110
  • the second supply line opening 110SH2 may be disposed through the right side surface of the lower housing 110.
  • the first supply line opening 110SH1 and the second supply line opening 110SH2 are spaced apart from each other so as to penetrate one side (eg, a left side or a right side) of the lower housing 110. Can be arranged.
  • Supply lines 190L1 and 190L2 may be connected to supply line openings 110SH1 and 110SH2, respectively.
  • the electrolyte may be replenished from the external electrolyte supply source (not shown) through the supply lines 190L1 and 190L2 to the supply line openings 110SH1 and 110SH2 into the battery cell accommodation space 110S.
  • electrolyte is supplied from the first supply line 190SL1 into the battery cell accommodating space 110S, and from the inside of the battery cell accommodating space 110S, the second supply line 190SL2 ), the electrolyte may be released.
  • the first electrode base portion 122A may include a plurality of openings 122SH through which the electrolyte can pass.
  • the plurality of openings 122SH penetrates the first electrode base portion 122A, and an electrolyte supplemented inside the battery cell accommodating space 110S is provided through the first electrode base portion 122A through the positive electrode active material 142AM and the separator ( 146), and the anode active material (144AM), so that it can be sufficiently dispersed and can be disposed at an appropriate number and spacing.
  • the first electrode base portion 122B may include a trench 122SL through which the electrolyte can pass.
  • the trench 122SL may extend through the entire length of the first electrode base portion 122B in a direction parallel to the top surface of the first electrode base portion 122B (eg, X direction).
  • the electrolyte supplemented inside the battery cell accommodating space 110S can be sufficiently diffused to the positive electrode active material 142AM, the separator 146, and the negative electrode active material 144AM through the first electrode base part 122B. So that it can be arranged in any suitable width, number and spacing.
  • the second electrode base portion 122 together with the first electrode base portions 122A and 122B may also be formed to include a plurality of openings 122SH or trenches 122SL.
  • Fig. 9 is a flow chart showing an in-situ optical and electrochemical analysis method according to exemplary embodiments.
  • a battery stack including an anode electrode, a separator, and a cathode electrode is prepared (step S210).
  • the battery stack 140 includes a positive electrode formed by coating and drying a positive electrode active material 142AM on a positive electrode current collector 142F, and a negative electrode formed by coating and drying a negative electrode active material 144AM on a negative electrode current collector 144F.
  • An electrode and a separator interposed between the anode electrode and the cathode electrode may be included.
  • the battery stack 140 may be soaked in an electrolyte for a predetermined time.
  • the battery stack may be accommodated in the battery cell measurement module so that the cross-sections of the positive electrode, the separator, and the negative electrode are disposed in a direction parallel to the transparent window (step S220).
  • the battery stack 140 may be temporarily fixed between the first electrode base part 122 and the second electrode base part 124, and the battery stack 140 and the first electrode base part 122 in this state
  • the second electrode base portion 124 may be referred to as a battery cell block.
  • the first electrode base portion 122, the battery stack 140, and the second electrode base portion 124 are sequentially along the first direction (Y direction). It can be accommodated to be placed.
  • the battery cell block may be fixed to the inner wall of the lower housing 110 through the fixing plate 150 and the pressure fixing portion 152.
  • the transparent window 176 is overlapped with the side of the battery stack 140, the side of the battery stack 140 by the transparent window 176, that is, the positive electrode current collector 142F, the positive electrode active material 142AM, the separator 146 ), the battery cover measurement module 100 may be assembled by fixing the upper cover 172 on the lower housing 110 to simultaneously observe the side surfaces of the negative electrode active material 144AM and the negative electrode current collector 144F.
  • a charging and discharging operation may be performed on the battery stack in the battery cell measurement module (step S230).
  • Information about the capacity, voltage, current, and time of the battery stack 140 may be obtained by the electrochemical analysis unit 20 connected to the battery cell measurement module 100. For example, a unit charging step or a unit discharge step using a current density preset in the battery stack 140 through the electrochemical analysis unit 20 may be performed.
  • the first light may be irradiated to the end face of the battery stack in the battery cell measurement module through the transparent window (step S240).
  • An optical image may be acquired by sensing light (or scattered light) reflected from the battery cell measurement module (step S250).
  • the second light may be irradiated to the end face of the battery stack in the battery cell measurement module through the transparent window (step S260).
  • the second light may be light having a different wavelength from the first light.
  • Light (or scattered light) reflected from the battery cell measurement module may be detected and analyzed (step S270).
  • step S240 of irradiating the first light when the voltage of the battery stack 140 reaches a first preset measurement voltage, step S240 of irradiating the first light, step S250 of detecting the scattered light of the first light to obtain an optical image, Step S260 of irradiating light and step S270 of detecting and analyzing scattered light of the second light may be sequentially performed. Steps S240 to S270 may be referred to as one light measurement cycle.
  • the electrochemical analysis unit 20 may be programmed such that a constant voltage is maintained in the cell stack 140 during the light measurement cycle or the flow of current is stopped.
  • the step S260 of irradiating the second light and the step S270 of detecting and analyzing the scattered light of the second light may be a step of obtaining a Raman shift characteristic or PL characteristic.
  • the second light may be continuously irradiated by the first scan width along the thickness direction of the battery stack 140 observed through the transparent window 176 in step S260 for irradiating the second light.
  • the first scan width may be disposed to overlap a portion of the positive electrode active material 142AM, a separator adjacent thereto, and a portion of the negative electrode active material 144AM.
  • the second light may be sequentially irradiated to a plurality of measurement positions with respect to the side surface of the battery stack 140 observed through the transparent window 176 in step S260 for irradiating the second light.
  • the plurality of measurement positions may be arranged to overlap a portion of the positive electrode active material 142AM, a separator adjacent thereto, and a portion of the negative electrode active material 144AM.
  • steps S210 to S270 may be repeated.
  • a unit charging step or a unit discharge step using a current density preset to the battery stack 140 through the electrochemical analysis unit 20 may be performed again.
  • the second light can be irradiated to the same measurement position as the measurement position irradiated with the second light in the first light measurement cycle.
  • Raman shift information according to time or voltage change of the positive electrode active material 142AM and/or the negative electrode active material 144AM disposed at the same measurement position may be provided, and accordingly, the positive electrode active material 142AM, and /Or a precise analysis of the phase transition properties, interfacial properties, and/or crystal structures of the negative electrode active material 144AM can be performed.
  • sequentially performing steps S210 to S270 may constitute a unit charging step or a unit discharge step.
  • the in situ optical and electrochemical analysis method according to example embodiments may include a total of 5 to several tens of unit charging steps and/or a total of 5 to several tens of unit discharge steps.
  • the surface observable through the opening may be a surface disposed on the top of the coin-type cell, or may be a surface of a cathode portion from which the corresponding anode portion is removed (or a surface of the anode portion from which the corresponding cathode portion is removed). Therefore, the electrochemical behavior of the active material on the surface observable through the opening may be different from the electrochemical behavior occurring in the inner region of the coin type cell, and accordingly, precise analysis of the electrochemical behavior may be difficult.
  • the positive electrode current collector 142F, the positive electrode active material 142AM, the separator 146, the negative electrode active material 144AM, and the negative electrode current collector 144F of the battery stack 140 are transparent windows 176.
  • the positive electrode current collector 142F, the positive electrode active material 142AM, the separator 146, the negative electrode active material 144AM, and the negative electrode current collector 144F may be simultaneously observed or measured.
  • FIGS. 10 to 13B an analysis result obtained by performing an in-situ optical and electrochemical analysis method according to exemplary embodiments using a battery cell measurement module according to exemplary embodiments will be described with reference to FIGS. 10 to 13B.
  • an in situ optical and electrochemical analysis method was performed on a battery laminate using dimethylphenazine (DMPZ), one of carboorganic positive electrode materials, as a positive electrode active material, and using lithium metal as a negative electrode active material.
  • DMPZ dimethylphenazine
  • 10 is a graph showing a voltage profile at one charge and one discharge of the DMPZ positive electrode active material. 10 shows the voltage of the positive electrode active material obtained in the constant current mode.
  • DMPZ which is a carboorganic positive electrode material, may represent two plateau regions R2 and R4. Specifically, the first region R1 where the voltage rises after the start of charging, the second region R2 having a constant voltage section at approximately 3.0 to 3.1V, and the third region R3 where the voltage rises, approximately 3.75 to It can be seen that the fourth region R4 having a constant voltage section at 3.85V and the fifth region R5 where the voltage rises appear.
  • FIG. 11 is an optical image at different voltages during a single charge of the positive electrode active material.
  • OCV open voltage
  • a DMPZ-rich region in which DMPZ particles are locally collected and arranged at an open voltage OCV ie, in a voltage region corresponding to the first region R1 of FIG. 9 is observed.
  • OCV open voltage
  • the amount of DMPZ particles arranged in the DMPZ-rich region at 3.3 V ie, in the voltage region corresponding to the starting point of the third region R3 of FIG. 9 increases, which is It can be considered that DMPZ particles are deposited on the surface.
  • There is no significant change in the morphology of the DMPZ-rich region at 3.7 V that is, the voltage region corresponding to the end point of the third region R3 in FIG.
  • 12A and 12B are Raman shift graphs at different voltages during one charge and one discharge in the first part and the second part of the positive electrode active material.
  • Four peaks are observed, including the three peaks ( ⁇ ) and the fourth peak ( ⁇ ). From 3.45 V, the first peak ( ⁇ ) and the second peak ( ⁇ ) are not observed, and from 3.72 V, the intensity of the third peak ( ⁇ ) and the fourth peak ( ⁇ ) is greatly reduced.
  • the discharge step starts the third peak ( ⁇ ) and the fourth peak ( ⁇ ) start to be observed again, but the first peak ( ⁇ ) and the second peak ( ⁇ ) are not observed. This can be presumed to be because DMPZ was eluted in the electrolytic solution and moved to another part on the electrode in the 3.1 V region, which is the first plateau region, from the first part where the DMPZ particles were initially disposed.
  • FIG. 13A is an optical image of the positive electrode active material according to the voltage in the first charge and discharge cycle, respectively, and FIG. 13B is an optical image of the positive electrode active material according to the voltage in the second charge cycle.
  • the electrochemical behavior and interfacial properties of the carboorganic positive electrode active material including DMPZ are clearly determined through the battery cell measurement module and the in-situ optical and electrochemical analysis method according to the present invention. It can be observed, and thus various approaches for improving and commercializing the performance of the carboorganic positive electrode active material can be derived.
  • the present invention identifies electrochemical reactions of other positive electrode active materials and negative electrode active materials, as well as carboorganic positive electrode active materials, observes changes in crystal phase or crystal structure, analyzes reaction rates in local regions, observes interfacial movement of active materials, observes changes in local thickness of active materials, etc. It can be applied to a comprehensive analysis of electrochemical behavior.

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Abstract

인시츄 광학 및 전기화학 분석용 전지 셀 측정 모듈은, 내부에 전지 셀 수용 공간을 포함하는 하부 하우징; 상기 하부 하우징에 착탈 가능하게 부착되며 투명창이 구비된 상부 커버; 및 상기 전지 셀 수용 공간 내에 배치되며, 제1 전극 베이스부, 제2 전극 베이스부, 및 상기 제1 전극 베이스부와 상기 제2 전극 베이스부 사이에 배치되는 전지 적층체를 포함하는 전지 셀 블록을 포함하고, 상기 전지 적층체의 두께 방향이 상기 투명창의 상면과 평행하게 배치되도록 상기 제1 전극 베이스부, 상기 전지 적층체 및 상기 제2 전극 베이스부가 상기 투명창의 상면에 평행한 제1 방향을 따라 순차적으로 배치된다.

Description

인시츄 광학 및 전기화학 분석 방법 및 이를 위한 전지 셀 단면측정 모듈
본 발명의 기술적 사상은 인시츄 광학 및 전기화학 분석 방법 및 이를 위한 전지 셀 측정 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 충전 및 방전이 수행되는 동안의 전지 셀 내부의 단면을 통한 전기화학적 거동 분석이 가능한 전지 셀 측정 모듈과 이를 이용한 인시츄 광학 및 전기화학 분석 방법에 관한 것이다.
최근 소형 모바일 기기, 전기 자동차 등 다양한 응용 분야에 리튬 이온 전지를 사용하기 위한 요구가 증가함에 따라, 다양한 응용 분야를 위한 다양한 요구 조건에 따라 리튬 이온 전지의 성능을 최적화할 필요성이 대두되고 있다. 특히 대용량을 가지며 저가인 새로운 양극 활물질 후보 물질 및 음극 활물질 후보 물질에 대한 전기화학적 특성 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나, 새로운 양극 활물질 및 음극 활물질 일부는 충전 및 방전에 따른 상전이 특성과 전기화학적 성능과의 관계가 명확하게 규명된 바 없어 이러한 후보 물질들의 성능 개선 및 상용화가 어려운 문제가 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 충전 및 방전이 수행되는 동안의 전지 셀 내부의 단면을 통한 전기화학적 거동의 정밀한 분석이 가능한 전지 셀 측정 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 전지 셀 측정 모듈을 이용하여 충전 및 방전이 수행되는 동안의 전지 셀 내부의 단면을 통한 전기화학적 거동의 정밀한 분석이 가능한 인시츄 광학 및 전기화학 분석 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 인시츄 광학 및 전기화학 분석용 전지 셀 측정 모듈은, 내부에 전지 셀 수용 공간을 포함하는 하부 하우징; 상기 하부 하우징에 착탈 가능하게 부착되며 투명창이 구비된 상부 커버; 및 상기 전지 셀 수용 공간 내에 배치되며, 제1 전극 베이스부, 제2 전극 베이스부, 및 상기 제1 전극 베이스부와 상기 제2 전극 베이스부 사이에 배치되는 전지 적층체를 포함하는 전지 셀 블록을 포함하고, 상기 전지 적층체의 두께 방향이 상기 투명창의 상면과 평행하게 배치되도록 상기 제1 전극 베이스부, 상기 전지 적층체 및 상기 제2 전극 베이스부가 상기 투명창의 상면에 평행한 제1 방향을 따라 순차적으로 배치된다.
예시적인 실시예들에서, 상기 전지 적층체는, 양극 활물질이 부착된 양극 집전부, 음극 활물질이 부착된 음극 집전부, 및 상기 양극 활물질과 상기 음극 활물질 사이에 배치되는 분리막(separator)을 포함하고, 상기 전지 셀 블록은, 상기 양극 집전부, 상기 양극 활물질, 상기 분리막, 상기 음극 활물질, 및 상기 음극 집전부 모두가 상기 투명창에 대면하도록(face) 배치될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 양극 활물질은 상기 양극 집전부의 상면에 수직한 방향으로 제1 두께를 가지며, 상기 음극 활물질은 상기 음극 집전부의 상면에 수직한 방향으로 제2 두께를 가지며, 상기 전지 셀 블록은, 상기 양극 활물질의 상기 제1 두께 전체와 상기 음극 활물질의 상기 제2 두께 전체가 상기 투명창에 의해 관찰되도록 배치될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 전지 셀 수용 공간 내에 배치되며, 상기 제1 전극 베이스부, 상기 전지 적층체 및 상기 제2 전극 베이스부 모두와 인접하게 위치하도록 상기 제1 전극 베이스부, 상기 전지 적층체 및 상기 제2 전극 베이스부의 일 측부에 배치되는 제3 전극 베이스부를 더 포함하고, 상기 제3 전극 베이스부는 상기 양극 활물질 및 상기 음극 활물질에 대한 기준 전압을 제공하는 기준 전극으로 기능할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 하부 하우징은 외부 공급 부재로부터 상기 전지 셀 수용 공간 내부로 전해액을 공급받도록 구성되는 공급 라인 개구부를 더 포함하고, 상기 제1 전극 베이스부는, 상기 제1 전극 베이스부를 관통하는 복수의 개구부; 및 상기 제1 전극 베이스부의 상면에 평행한 방향으로, 상기 제1 전극 베이스부의 전체 길이를 통해 연장되는 트렌치(trench); 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 복수의 개구부 및 상기 트렌치 중 적어도 하나를 통해 상기 전해액이 상기 전지 적층체까지 도달하도록 구성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 전지 셀 측정 모듈을 사용한 인시츄 광학 및 전기화학 분석 방법에서, 상기 전지 셀 측정 모듈은, 내부에 전지 셀 수용 공간을 포함하는 하부 하우징; 상기 하부 하우징에 착탈 가능하게 부착되며 투명창이 구비된 상부 커버; 및 상기 전지 셀 수용 공간 내에 배치되는 전지 셀 블록을 포함하고, 상기 전지 셀 블록 내에 포함되는 제1 전극 베이스부, 전지 적층체, 및 제2 전극 베이스부가 상기 투명창의 상면에 평행한 제1 방향을 따라 순차적으로 배치되고, 상기 전지 셀 측정 모듈에 충전 및 방전 동작을 수행하는 단계; 및 상기 전지 셀 측정 모듈에 광 측정 사이클을 복수 회 수행하는 단계를 포함하며, 상기 광 측정 사이클은, 상기 투명창을 통해 관찰되는 상기 전지 적층체의 제1 부분에 제1 광을 조사하는 단계; 상기 전지 적층체로부터 산란되는 제1 광을 검출하는 단계; 상기 투명창을 통해 관찰되는 상기 전지 적층체의 상기 제1 부분에 상기 제1 광과는 다른 파장을 갖는 제2 광을 조사하는 단계; 및 상기 전지 적층체로부터 산란되는 제2 광을 검출하는 단계를 포함한다.
예시적인 실시예들에서, 상기 제2 광을 조사하는 단계는, 상기 투명창을 통해 관찰되는 상기 전지 적층체의 두께 방향을 따라 제1 스캔 폭만큼 연속적으로 상기 제2 광을 조사하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 전지 적층체는, 양극 활물질이 부착된 양극 집전부, 음극 활물질이 부착된 음극 집전부, 및 상기 양극 활물질과 상기 음극 활물질 사이에 배치되는 분리막을 포함하고, 상기 전지 셀 블록은, 상기 양극 집전부, 상기 양극 활물질, 상기 분리막, 상기 음극 활물질, 및 상기 음극 집전부 모두가 상기 투명창에 대면하도록 배치되며, 상기 제2 광을 조사하는 단계는, 상기 투명창을 통해 관찰되는 상기 양극 활물질의 두께 방향을 따라 상기 제1 스캔 폭만큼 연속적으로 상기 제2 광을 조사하는 단계, 및 상기 투명창을 통해 관찰되는 상기 음극 활물질의 두께 방향을 따라 상기 제1 스캔 폭만큼 연속적으로 상기 제2 광을 조사하는 단계, 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전지 셀 측정 모듈은, 하부 하우징의 전지 셀 수용 공간 내에 배치되는 전지 적층체의 두께 방향이 상부 커버의 투명창의 상면과 평행하게 배치되도록 제1 전극 베이스부, 전지 적층체 및 제2 전극 베이스부가 투명창의 상면에 평행한 제1 방향을 따라 순차적으로 배치될 수 있다. 상기 전지 셀 측정 모듈에 대한 충전 및 방전을 수행하면서, 전지 적층체 내의 양극 활물질, 분리막, 음극 활물질의 두께 방향 단면의 광학 이미지를 측정하는 한편, 상기 두께 방향 단면의 라만 분광기를 통한 조성 분석이 수행될 수 있다. 예를 들어, 양극 활물질 또는 음극 활물질의 충전 스텝 및 방전 스텝 중 각각의 전위에서의 계면 이동, 활물질의 석출 및 용해, 활물질의 두께 변화를 광학 이미지를 통해 관찰할 수 있다. 광학 이미지 관찰과 동시에, 라만 분광기를 통해 활물질 내부의 적어도 하나의 고정된 위치에서, 또는 연속적으로 연장되는 제1 스캔 폭에 해당하는 고정된 위치들에서 활물질 내부의 물질 에너지 분석, 결정 구조 분석, 상전이 분석, 및/또는 조성 분석이 수행될 수 있다. 따라서 전기화학적 거동이 명확하게 규명되지 않은 새로운 양극 활물질, 및 새로운 음극 활물질에 대한 전기화학적 거동 및 반응 속도에 대한 정밀한 관찰 및 분석이 가능할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 인시츄 광학 측정 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 전지 셀 측정 모듈을 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 2의 III-III' 선을 따른 단면도이다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 전지 셀 측정 모듈을 나타내는 평면도이다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 전지 셀 측정 모듈을 나타내는 평면도이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 전지 셀 측정 모듈을 나타내는 평면도이다.
도 7은 전지 셀 측정 모듈 내에 포함되는 제1 전극 베이스부를 나타내는 사시도이다.
도 8은 전지 셀 측정 모듈 내에 포함되는 제1 전극 베이스부를 나타내는 사시도이다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 인시츄 광학 및 전기화학 분석 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 10은 DMPZ 양극 활물질의 1회 충전 및 1회 방전에서의 전압 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 11은 양극 활물질의 1회 충전 동안의 서로 다른 전압에서의 광학 이미지이다.
도 12a와 도 12b는 양극 활물질의 제1 부분과 제2 부분에서의 1회 충전 및 1회 방전 동안의 서로 다른 전압에서의 라만 시프트 그래프이다.
도 13a은 각각 제1 충전 및 방전 사이클에서의 전압에 따른 양극 활물질의 광학 이미지이고, 도 13b는 제2 충전 사이클에서의 전압에 따른 양극 활물질의 광학 이미지이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "상에" 있다거나 "접하여" 있다고 기재된 경우, 다른 구성 요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성 요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "바로 위에" 있다거나 "직접 접하여" 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, "～사이에"와 "직접 ～사이에" 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 인시츄 광학 측정 시스템(1)을 나타내는 개략도이다. 도 2는 예시적인 실시예들에 따른 전지 셀 측정 모듈(100)을 나타내는 평면도이고, 도 3은 도 2의 III-III' 선을 따른 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 인시츄 광학 측정 시스템(1)은 광학 분석 유닛(OMU)(10), 전기화학 분석 유닛(ECU)(20), 및 전지 셀 측정 모듈(100)을 포함할 수 있다.
광학 분석 유닛(10)은 전지 셀 측정 모듈(100) 내에 포함되는 전지 적층체(140)에 대하여 광학 특성을 분석할 수 있는 측정 장치로 구성될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 광학 분석 유닛(10)은 광학 이미지 분석 및 라만 시프트 분석을 수행하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 광학 분석 유닛(10)은 각각 광학 이미지 분석, 라만 시프트 분석, PL(photoluminescence) 특성 분석이 가능한 복수의 분석 유닛으로 구성될 수 있다.
예를 들어, 광학 분석 유닛(10)은 레이저를 광원으로 하여 전지 적층체(140)에 광을 조사하고, 전지 적층체(140)을 통해 반사되는 광을 수광하여 감지할 수 있는 라만 분광기를 포함할 수 있다. 또한 광학 분석 유닛(10)은 광학 현미경을 더 포함할 수 있다. 광학 현미경은 전지 적층체(140)에 광을 조사하고, 전지 적층체(140)을 통해 반사되는 광을 수광하여 CCD 카메라(도시 생략)를 통해 전지 적층체(140)의 이미지 정보를 저장할 수 있다.
예를 들어, 광학 분석 유닛(10)은 광원(12), 광 스플리터(14), 렌즈(16), 및 검출기(18)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원(12)은 레이저 소스를 포함할 수 있고, 광원(12)으로부터 레이저가 방출될 수 있다. 광 스플리터(14)는 광원(12)으로부터 방출된 광을 반사시켜 렌즈(16)로 입사시킬 수 있다. 렌즈(16)로 입사한 광이 전지 셀 측정 모듈(100) 내의 전지 적층체(140)로 입사될 수 있다. 전지 적층체(140)로부터 산란되는 광이 렌즈(16) 및 광 스플리터(14)를 통과하여 검출기(18)에서 수광될 수 있다. 검출기(18)는 카메라 또는 분광계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 광학 현미경이 전지 셀 측정 모듈(100)의 측정 영역(즉, 도 3의 SCAN WIDTH로 표시된 영역)에 광을 조사하여 상기 측정 영역의 이미지를 저장할 수 있고, 라만 분광기가 상기 측정 영역 내의 복수의 고정된 측정 위치에 광을 조사하여 복수의 고정된 측정 위치로부터의 라만 시프트 측정 결과를 획득할 수 있다. 또한, 라만 분광기는 상기 측정 영역 내의 제1 스캔 폭을 갖는 측정 라인을 따라 연속적으로 배치되는 측정 위치에 광을 조사하여 상기 측정 라인으로부터의 라만 시프트 측정 결과를 획득할 수도 있다.
전기화학 분석 유닛(20)은 전지 셀 측정 모듈(100) 내에 포함되는 전지 적층체(140)(도 2 참조)에 대한 전기화학적 성능을 분석할 수 있는 측정 장치로 구성될 수 있다. 예를 들어, 전기화학 분석 유닛(20)은 전지 적층체(140)에 전기적으로 연결되어, 전지 적층체(140)의 전압 및 전류를 조절하거나, 전지 적층체(140)의 전압 정보 및 전류 정보를 기록하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 전기화학 분석 유닛(20)은 전지 적층체(140)에 대한 충전 및 방전을 포함하는 전기화학 사이클을 복수 회 구동하도록 구성될 수 있다. 전지 적층체(140)에 대한 충전 사이클에서, 전지 적층체(140)에 미리 결정된 전류 속도로 전류를 인가할 수 있고, 전류 인가에 따른 전지 적층체(140)의 전압을 측정하여 기록할 수 있다. 전지 적층체(140)의 전압이 미리 결정된 오프 전압에 도달할 때, 전지 적층체(140)에 대한 방전 사이클이 개시될 수 있고, 미리 결정된 전류 속도로 방전 전류가 흐를 때의 전지 적층체(140)의 전압을 측정하여 기록할 수 있다.
전지 셀 측정 모듈(100)은 투명창(176)을 포함하며, 투명창(176)을 통해 전지 적층체(140)에 광을 조사하고 전지 적층체(140)로부터 반사되는 광을 감지하도록 구성될 수 있다. 전지 셀 측정 모듈(100)은 투명창(176)을 통해 관찰 가능한 측정 영역(즉, SCAN WIDTH로 표시된 영역) 내에서, 투명창(176)에 평행한 제1 방향(Y 방향)으로 전지 적층체(140)의 양극 집전부(142F), 양극 활물질(142AM), 분리막(146), 음극 활물질(144AM), 및 음극 집전부(144F)가 순차적으로 배치되도록 구성될 수 있다. 즉, 전지 적층체(140)의 적층 방향이 투명창(176)에 평행하게 배치될 수 있고, 이에 따라 전지 적층체(140)의 양극 집전부(142F), 양극 활물질(142AM), 분리막(146), 음극 활물질(144AM), 및 음극 집전부(144F) 중 관심 있는 영역에 대하여 광학 이미지 분석 및 라만 분석을 용이하게 할 수 있다. 또한 전지 적층체(140)의 적층 방향이 투명창(176)에 평행하게 배치될 수 있고, 이에 따라 전지 적층체(140)의 양극 집전부(142F), 양극 활물질(142AM), 분리막(146), 음극 활물질(144AM), 및 음극 집전부(144F) 중 일부분의 영역을 연속적으로 스캔함에 의해, 측정 영역 내의 복수의 고정된 위치 또는 연속적인 측정 라인에서의 광학 이미지 분석 및 라만 분석을 용이하게 할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 전기화학 분석 유닛(20)을 통해 전지 적층체(140)에 대한 전기화학 특성 분석을 수행하는 동안, 광학 분석 유닛(10)을 통해 전지 적층체(140)의 부분에 대한 이미지 및 라만 분석을 동시에 수행할 수 있다. 이에 따라 관심의 대상인 양극 활물질(142AM) 또는 음극 활물질(144AM)에 대하여 충전 및 방전 동안에 발생하는 상기 활물질의 전기화학적 반응의 규명, 결정상(crystalline phase) 또는 결정 구조 변화 관찰, 국부적 영역의 반응 속도 분석, 활물질의 계면 이동 관찰, 활물질의 국부적 두께 변화 관찰, 등 전지 적층체(140)의 전기화학적 거동에 대한 종합적인 분석이 가능하다.
종래의 인시츄 전기화학 셀에서는, 상면에 개구부가 형성된 코인 타입의 셀 내에 양극 활물질과 음극 활물질이 분리막을 사이에 두고 적층된 구조를 배치하고, 상기 개구부를 통해 상기 양극 활물질의 표면만을 관찰하거나, 또는 음극 활물질의 표면만을 관찰할 수 있었다. 특히 개구부를 통해 관찰 가능한 상기 표면은 코인 타입의 셀의 최상부에 배치되는 표면이거나, 대응되는 양극 부분이 제거된 음극 부분의 표면(또는 대응되는 음극 부분이 제거된 양극 부분의 표면)일 수 있다. 따라서, 개구부를 통해 관찰 가능한 상기 표면에서의 활물질의 전기화학적 거동은 코인 타입 셀의 내부 영역에서 발생하는 전기화학적 거동과는 차이가 클 수 있고 이에 따라 전기화학적 거동에 대한 정밀한 분석이 어려울 수 있다.
그러나 본 발명에 따르면, 전지 셀 측정 모듈(100) 내에 전지 적층체(140)의 양극 집전부(142F), 양극 활물질(142AM), 분리막(146), 음극 활물질(144AM), 및 음극 집전부(144F)가 투명창(176)에 평행한 방향으로 적층됨에 따라, 양극 집전부(142F), 양극 활물질(142AM), 분리막(146), 음극 활물질(144AM), 및 음극 집전부(144F)를 동시에 관찰하거나 측정할 수 있다. 특히 양극 활물질(142AM)의 두께 방향 또는 음극 활물질(144AM)의 두께 방향으로 고정된 위치에서의 물질의 조성 또는 이미지의 연속적인 관찰이 가능하고, 양극 활물질(142AM)과 이에 인접한 양극 집전부(142F) 사이의 계면, 또는 음극 활물질(144AM)과 이에 인접한 음극 집전부(144F) 사이의 계면의 이동 등이 동시에 관찰될 수 있다. 따라서 전지 적층체(140)의 충전 및 방전 단계에서 발생하는 전지 적층체(140)의 전기화학적 거동에 대하여 정밀하게 측정하거나 분석할 수 있다.
이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여 전지 셀 측정 모듈(100)의 세부 구조를 상세하게 설명한다.
전지 셀 측정 모듈(100)은 하부 하우징(110)과, 하부 하우징(110)에 탈착 가능하도록 부착되는 상부 커버(172)를 포함할 수 있다. 하부 하우징(110)은 내부에 전지 적층체(140)를 수용할 수 있는 전지 셀 수용 공간(110S)이 구비될 수 있다. 상부 커버(172)는 전지 적층체(140)의 단면이 관찰될 수 있는 투명창(176)을 구비할 수 있고, 커버 고정부(174)를 통해 하부 하우징(110)에 부착될 수 있다. 도 2에서는 이해의 편의를 위하여 상부 커버(172), 커버 고정부(174)와 투명창(176)이 점선으로 도시되었다.
하부 하우징(110)은 내부에 전지 셀 수용 공간(110S)이 구비될 수 있고, 전지 셀 수용 공간(110S) 내에 전지 적층체(140)를 포함하는 전지 셀 블록이 배치될 수 있다. 하부 하우징(110)은 강성을 갖는 금속 또는 절연 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하부 하우징(110)은 부식이 발생하지 않도록 SUS 재질로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전지 셀 블록은 제1 전극 베이스부(122), 제2 전극 베이스부(124)와, 제1 전극 베이스부(122) 및 제2 전극 베이스부(124) 사이에 배치되는 전지 적층체(140)를 포함할 수 있다. 제1 전극 베이스부(122), 전지 적층체(140), 및 제2 전극 베이스부(124)는 투명창(176)의 상면에 평행한 제1 방향(Y 방향)을 따라 순차적으로 배치될 수 있다. 즉, 투명창(176)에 의해 제1 전극 베이스부(122)의 적어도 일부분, 전지 적층체(140)의 적어도 일부분, 및 제2 전극 베이스부(124)의 적어도 일부분이 동시에 관찰될 수 있다.
제1 전극 접속부(132)는 하부 하우징(110)을 관통하여 제1 전극 베이스부(122)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 전극 접속부(132)는 제1 전극 베이스부(122)를 통해 전지 적층체(140)에 전기화학 분석 유닛(20)으로부터 전류를 공급할 수 있는 접속 단자일 수 있다. 제2 전극 접속부(134)는 하부 하우징(110)을 관통하여 제2 전극 베이스부(124)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 전극 접속부(134)는 제2 전극 베이스부(124)를 통해 전지 적층체(140)에 전기화학 분석 유닛(20)으로부터 전류를 공급할 수 있는 접속 단자일 수 있다.
전지 적층체(140)는 양극 집전부(142F), 양극 활물질(142AM), 분리막(146), 음극 활물질(144AM), 및 음극 집전부(144F)를 포함할 수 있다. 양극 집전부(142F)는 제1 전극 베이스부(122)와 접촉하고, 음극 집전부(144F)가 제2 전극 베이스부(124)와 접촉하도록 배치될 수 있다.
도시되지는 않았지만 양극 활물질(142AM), 분리막(146), 및 음극 활물질(144AM)은 전해액에 의해 적셔진 상태일 수 있다. 선택적으로, 충전 및 방전 단계를 반복함에 따른 전해액 소모를 보충하기 위하여 도 6 내지 도 8에서 이후에 설명되는 바와 같이, 외부의 공급 라인(190L1, 190L2)으로부터 전해액을 공급받을 수 있도록 하부 하우징(110)에 공급 라인 개구부(110SH1, 110SH2)가 더 형성될 수 있고, 제1 전극 베이스부(122) 및 제2 전극 베이스부(124) 중 적어도 하나는 전해액이 통과할 수 있는 복수의 개구부(122SH) 또는 트렌치(122SL)를 더 포함할 수 있다.
양극 집전부(142F)는 전도성 물질을 포함할 수 있고, 얇은 전도성 호일 또는 얇은 전도성 메쉬(mesh)일 수 있다. 예를 들어, 양극 집전부(142F)는 알루미늄, 니켈, 구리, 금, 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 양극 활물질(142AM)은 리튬 이온을 가역적으로 삽입/탈리할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 양극 활물질(142AM)은 광학 분석 유닛(10) 및 전기화학 분석 유닛(20)에 의해 충전 및 방전에 따른 상전이 특성을 분석하기 요구되는 활물질일 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 양극 활물질(43M)은 카보오가닉계(carboorganic-based) 양극 활물질, 올리빈(olivine) 구조의 리튬 인산화물계 양극 활물질, 바나듐 산화물계 양극 활물질, 층상 구조의 리튬 금속 산화물들, 스피넬(spinel) 구조의 리튬 망간 산화물계 양극 활물질, 설퍼계 양극 활물질 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 디메틸페나진(dimethyl phenazine)을 양극 활물질(142AM)로 사용한 전지 적층체(140)에 대하여 인시츄 광학 측정 시스템(1)을 통해 전기화학 성능 및 상전이 특성을 분석한 결과를 도 10 내지 도 13b를 통해 상세히 설명하도록 한다.
도시되지는 않았지만, 양극 활물질(142AM) 내부에는 바인더 또는 도전재가 더 포함될 수 있다. 바인더는 양극 활물질(142AM)의 입자들을 서로 부착시키고 양극 활물질(142AM)을 양극 집전부(142F)에 부착시키는 역할을 할 수 있다. 도전재는 양극 활물질(142AM)에 전기 전도성을 제공할 수 있다.
음극 집전부(144F)는 전도성 물질을 포함할 수 있고, 얇은 전도성 호일 또는 얇은 전도성 메쉬일 수 있다. 예를 들어, 음극 집전부(144F)는 구리, 니켈, 알루미늄, 금, 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 음극 활물질(144AM)은 리튬 이온을 가역적으로 삽입/탈리할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 음극 활물질(144AM)은 광학 분석 유닛(10) 및 전기화학 분석 유닛(20)에 의해 충전 및 방전에 따른 상전이 특성을 분석하기 요구되는 활물질일 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 음극 활물질(144AM)은 카본계 음극 활물질, 흑연계 음극 활물질, 실리콘계 음극 활물질, 주석계 음극 활물질, 복합재 음극 활물질, 리튬 금속 음극 활물질 등을 포함할 수 있다.
도시되지는 않았지만, 음극 활물질(144AM) 내부에는 바인더 또는 도전재가 더 포함될 수 있다. 바인더는 음극 활물질(144AM)의 입자들을 서로 부착시키고 음극 활물질(144AM)을 음극 집전부(144F)에 부착시키는 역할을 할 수 있다. 도전재는 음극 활물질(144AM)에 전기 전도성을 제공할 수 있다.
분리막(146)은 다공성을 가질 수 있고, 단일막 또는 2층 이상의 다중막으로 구성될 수 있다. 분리막(146)은 폴리머 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 폴리에틸렌계, 폴리프로필렌계, 폴리비닐리덴 플루오라이드계, 폴리올레핀계 폴리머 등의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전지 셀 측정 모듈(100)은 전지 셀 수용 공간(110S) 내에서 제2 전극 베이스부(124)와 접촉하도록 배치되는 고정 플레이트(150)를 더 포함할 수 있다. 가압 고정부(152)가 하부 하우징(110) 외부로부터 고정 플레이트(150) 내부까지 연장되며 결합될 수 있다. 예를 들어, 가압 고정부(152)는 나사 방식에 의해 고정 플레이트(150)를 제1 방향(투명창(176)의 상면에 평행한 방향)을 따라 이동시킬 수 있고, 고정 플레이트(150)를 통해 제1 전극 베이스부(122), 전지 적층체(140), 및 제2 전극 베이스부(124)가 소정의 압축 힘에 의해 서로 부착될 수 있다.
일반적으로, 원통형 또는 직사각형 금속 케이스 내에 전지 적층체가 배치되는 상용 전지 셀들 또는 코인 타입의 금속 용기 내에 전지 적층체가 배치되는 코인 셀의 경우에, 전지 적층체 내의 양극 활물질, 분리막, 음극 활물질이 밀착 배치될 수 있고, 상용 전지 셀 또는 코인 셀의 총 저항이 상대적으로 작을 수 있다. 만약 집전부와 활물질 사이의 저항, 또는 집전부와 외부 접속 부재와의 저항 등의 전지 셀 또는 코인 셀의 부수적 저항이 크다면 전지 셀 또는 코인 셀의 총 저항이 증가될 수 있고, 이러한 경우에 양극 활물질과 음극 활물질 사이에 인가되는 전위 차(전압)와 전지 셀의 양극 단자 및 음극 단자 사이에 인가되는 전위 차(전압) 사이의 편차가 커질 수 있다.
본 발명에 따르면, 고정 플레이트(150)와 가압 고정부(152)에 의해 제1 전극 베이스부(122), 전지 적층체(140), 및 제2 전극 베이스부(124)가 밀착 고정될 수 있고, 전지 셀 측정 모듈(100)의 저항이 감소될 수 있다. 전지 셀 측정 모듈(100)의 저항이 감소됨에 따라 다양한 전류 조건(예를 들어 높은 전류 속도에서의 충전 및 방전)에서 원하는 전기화학 테스트를 수행할 수 있거나, 상용 전지 셀 내에서의 전기화학적 거동과 전지 셀 측정 모듈(100) 내에서의 전기화학적 거동 사이의 편차가 감소될 수 있다(즉, 상용 전지 셀에서의 전기화학적 거동을 정밀하게 모사할(simulate) 수 있다).
상부 커버(172)는 강성을 갖는 금속 또는 절연 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상부 커버(172)는 부식이 발생하지 않도록 SUS 재질로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 커버 고정부(174)는 나사 결합 가능한 고정 부재일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 투명창(176)은 투명한 절연 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어 투명창(176)은 쿼츠 또는 베릴륨 글래스를 포함할 수 있다. 도시되지 않았지만, 투명창(176)의 에지 부분에는 오링(o-ring) 등의 실링 부재(sealing member)가 더 형성될 수 있다.
도 3에 예시적으로 도시된 바와 같이, 양극 집전부(142F), 양극 활물질(142AM), 분리막(146), 음극 활물질(144AM), 및 음극 집전부(144F) 모두가 투명창(176)에 대면하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 양극 활물질(142AM)이 양극 집전부(142F)의 상면에 수직한 방향(예를 들어, 제1 방향(Y 방향))으로 제1 두께를 가지고, 음극 활물질(144AM)이 음극 집전부(144F)의 상면에 수직한 방향(예를 들어, 제1 방향(Y 방향))으로 제2 두께를 가지며, 투명창(176)에 의해 양극 활물질(142AM)의 제1 두께 전체와 음극 활물질(144AM)의 제2 두께 전체가 관찰될 수 있다.
전술한 예시적인 실시예들에 따르면, 전지 셀 측정 모듈(100) 내에 전지 적층체(140)의 양극 집전부(142F), 양극 활물질(142AM), 분리막(146), 음극 활물질(144AM), 및 음극 집전부(144F)가 투명창(176)에 평행한 방향으로 적층됨에 따라, 양극 집전부(142F), 양극 활물질(142AM), 분리막(146), 음극 활물질(144AM), 및 음극 집전부(144F)를 동시에 관찰하거나 측정할 수 있다. 특히 양극 활물질(142AM)의 두께 방향 또는 음극 활물질(144AM)의 두께 방향으로 고정된 위치에서의 물질의 조성 또는 이미지의 연속적인 관찰이 가능하고, 양극 활물질(142AM)과 이에 인접한 양극 집전부(142F) 사이의 계면, 또는 음극 활물질(144AM)과 이에 인접한 음극 집전부(144F) 사이의 계면의 이동 등이 동시에 관찰될 수 있다. 따라서 전지 적층체(140)의 충전 및 방전 단계에서 발생하는 전지 적층체(140)의 전기화학적 거동에 대하여 정밀하게 측정하거나 분석할 수 있다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 전지 셀 측정 모듈(100A)을 나타내는 평면도이다. 도 4에서, 도 1 내지 도 3에서와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 의미한다.
도 4를 참조하면, 전지 셀 측정 모듈(100A)은 전지 셀 수용 공간(110S) 내에 배치되는 제3 전극 베이스부(126)를 더 포함할 수 있다, 제3 전극 베이스부(126)는 제1 전극 베이스부(122), 전지 적층체(140), 및 제2 전극 베이스부(124)의 일 측부에 배치될 수 있고, 제3 전극 베이스부(126)는 제1 전극 베이스부(122), 전지 적층체(140), 및 제2 전극 베이스부(124) 모두와 인접하게 배치될 수 있다. 제3 전극 접속부(136)는 하부 하우징(110)을 관통하여 제3 전극 베이스부(126)에 전기적으로 연결될 수 있다. 전지 셀 측정 모듈(100A)은 3 전극 시스템의 전지 셀에 해당할 수 있다.
제3 전극 베이스부(126) 상에는 제3 전극(도시 생략)이 더 배치될 수 있고, 상기 제3 전극은 양극 활물질(142AM) 및 음극 활물질(144AM)에 대한 기준 전압을 제공하는 기준 전극으로 기능할 수 있다. 예를 들어, 양극 활물질(142AM)이 디메틸페나진을 포함하고, 음극 활물질(144AM)이 카본을 포함하며, 상기 제3 전극은 리튬 메탈을 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 제1 전극 베이스부(122)와 제3 전극 베이스부(126) 사이의 전압을 측정함에 의해 기준 전압에 대한 양극 활물질(142AM)의 전압 데이터를 획득하고, 제2 전극 베이스부(124)와 제3 전극 베이스부(126) 사이의 전압을 측정함에 의해 기준 전압에 대한 음극 활물질(144AM)의 전압 데이터를 획득할 수 있다. 따라서 양극 활물질(142AM)과 음극 활물질(144AM) 각각에 대한 전기화학적 거동을 종합적으로 분석할 수 있다.
전술한 예시적인 실시예들에 따르면, 양극 활물질(142AM)의 두께 방향 또는 음극 활물질(144AM)의 두께 방향으로 고정된 위치에서의 물질의 조성 또는 이미지의 연속적인 관찰이 가능하고, 양극 활물질(142AM)과 이에 인접한 양극 집전부(142F) 사이의 계면, 또는 음극 활물질(144AM)과 이에 인접한 음극 집전부(144F) 사이의 계면의 이동 등이 동시에 관찰될 수 있다. 따라서 전지 적층체(140)의 충전 및 방전 단계에서 발생하는 전지 적층체(140)의 전기화학적 거동에 대하여 정밀하게 측정하거나 분석할 수 있다. 또한 기준 전극으로 작용하는 제3 전극 베이스부(136)를 더 포함함에 따라 양극 활물질(142AM)과 음극 활물질(144AM) 각각에 대한 전기화학적 거동을 종합적으로 분석할 수 있다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 전지 셀 측정 모듈(100B)을 나타내는 평면도이다. 도 5에서, 도 1 내지 도 4에서와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 의미한다.
도 5를 참조하면, 전지 셀 측정 모듈(100B)은 복수 개의 가압 고정부(152A, 152B)를 포함할 수 있다. 복수 개의 가압 고정부(152A, 152B)가 고정 플레이트(150)에 고정 플레이트(150)를 제1 방향(투명창(176)에 평행한 방향)을 따라 이동시킬 수 있고, 복수 개의 가압 고정부(152A, 152B)에 이동되는 고정 플레이트(150)를 통해 제1 전극 베이스부(122), 전지 적층체(140), 및 제2 전극 베이스부(124)가 소정의 압축 힘에 의해 서로 부착될 수 있다.
복수 개의 가압 고정부(152A, 152B)가 서로 이격되어 고정 플레이트(150)를 이동시킬 수 있고, 이에 따라 고정 플레이트(150)에 밀림 힘이 고르게 분산되어 인가될 수 있다. 따라서 전지 적층체(140)의 국부적인 영역에 밀림 힘이 인가되는 경우 발생할 수 있는 양극 활물질(142AM) 또는 음극 활물질(144AM)의 벗겨짐, 뚫림(puncture), 단락(short-circuit) 등 전지 적층체(140)의 손상이 방지될 수 있다.
도 5에는 2 개의 가압 고정부(152A, 152B)가 이격되어 배치된 것이 예시적으로 도시되었으나, 가압 고정부(152A, 152B)의 개수 및 배치가 이에 한정되는 것은 아니다.
예시적인 실시예들에 따르면, 고정 플레이트(150)와 복수의 가압 고정부(152A, 152B)에 의해 제1 전극 베이스부(122), 전지 적층체(140), 및 제2 전극 베이스부(124)가 밀착 고정될 수 있고, 전지 셀 측정 모듈(100B)의 저항이 감소될 수 있다. 전지 셀 측정 모듈(100B)의 저항이 감소됨에 따라 다양한 전류 조건에서 원하는 전기화학 테스트를 수행할 수 있거나, 상용 전지 셀에서의 전기화학적 거동을 정밀하게 모사할 수 있다. 또한 전지 적층체(140)의 국부적인 영역에 밀림 힘이 인가되는 경우 발생할 수 있는 양극 활물질(142AM) 또는 음극 활물질(144AM)의 벗겨짐, 뚫림, 단락 등 전지 적층체(140)의 손상이 방지될 수 있다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 전지 셀 측정 모듈(100C)을 나타내는 평면도이다. 도 7은 전지 셀 측정 모듈(100C) 내에 포함되는 제1 전극 베이스부(122) 대신 채용될 수 있는 제1 전극 베이스부(122A)를 나타내는 사시도이다. 도 8은 전지 셀 측정 모듈(100C) 내에 포함되는 제1 전극 베이스부(122) 대신 채용될 수 있는 제1 전극 베이스부(122B)를 나타내는 사시도이다. 도 6 내지 도 8에서, 도 1 내지 도 5에서와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 의미한다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 하부 하우징(110)은 전지 셀 수용 공간(110S)과 연통되는 공급 라인 개구부(110SH1, 110SH2)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 공급 라인 개구부(110SH1)는 하부 하우징(110)의 좌측면을 관통하고, 제2 공급 라인 개구부(110SH2)는 하부 하우징(110)의 우측면을 관통하도록 배치될 수 있다. 도 6에 도시된 것과 달리, 제1 공급 라인 개구부(110SH1) 및 제2 공급 라인 개구부(110SH2) 모두가 하부 하우징(110)의 일 측면(예를 들어, 좌측면 또는 우측면)을 관통하도록 서로 이격되어 배치될 수 있다.
공급 라인 개구부(110SH1, 110SH2)에는 각각 공급 라인(190L1, 190L2)이 연결될 수 있다. 외부의 전해액 공급 소스(도시되지 않음)로부터 공급 라인(190L1, 190L2)을 경유하여 공급 라인 개구부(110SH1, 110SH2)를 전지 셀 수용 공간(110S) 내로 전해액이 보충될 수 있다. 예를 들어, 도 6의 화살표로 표시된 것과 같이, 제1 공급 라인(190SL1)으로부터 전지 셀 수용 공간(110S) 내부로 전해액이 공급되고, 전지 셀 수용 공간(110S) 내부로부터 제2 공급 라인(190SL2)을 통해 전해액이 방출될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1 전극 베이스부(122A)는 전해액이 통과할 수 있는 복수의 개구부(122SH)를 포함할 수 있다. 복수의 개구부(122SH)는 제1 전극 베이스부(122A)를 관통하며, 전지 셀 수용 공간(110S) 내부에 보충된 전해액이 제1 전극 베이스부(122A)를 통해 양극 활물질(142AM), 분리막(146), 및 음극 활물질(144AM)까지 충분히 확산될 수 있도록 적절한 개수 및 간격으로 배치될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제1 전극 베이스부(122B)는 전해액이 통과할 수 있는 트렌치(122SL)를 포함할 수 있다. 트렌치(122SL)는 제1 전극 베이스부(122B)의 상면에 평행한 방향(예를 들어, X 방향)으로 제1 전극 베이스부(122B)의 전체 길이를 통해 연장될 수 있다. 트렌치(122SL)는 전지 셀 수용 공간(110S) 내부에 보충된 전해액이 제1 전극 베이스부(122B)를 통해 양극 활물질(142AM), 분리막(146), 및 음극 활물질(144AM)까지 충분히 확산될 수 있도록 적절한 폭, 개수 및 간격으로 배치될 수 있다.
한편, 도시되지는 않았지만 제1 전극 베이스부(122A, 122B)와 함께 제2 전극 베이스부(122) 역시 복수의 개구부(122SH) 또는 트렌치(122SL)를 포함하도록 형성될 수도 있다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 인시츄 광학 및 전기화학 분석 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 9를 참조하면, 양극 전극, 분리막, 및 음극 전극을 포함하는 전지 적층체를 준비한다(S210 단계).
전지 적층체(140)는 양극 집전부(142F) 상에 양극 활물질(142AM)을 코팅 및 건조하여 형성된 양극 전극과, 음극 집전부(144F) 상에 음극 활물질(144AM)을 코팅 및 건조하여 형성된 음극 전극과, 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 사이에 개재된 분리막을 포함할 수 있다. 전지 적층체(140)는 전해액에 소정 시간 동안 적셔질 수 있다.
이후, 투명창에 평행한 방향으로 양극 전극, 분리막, 및 음극 전극의 단면이 배치되도록 전지 적층체를 전지 셀 측정 모듈 내에 수용할 수 있다(S220 단계).
전지 적층체(140)는 제1 전극 베이스부(122)와 제2 전극 베이스부(124) 사이에 임시 고정될 수 있고, 이러한 상태의 전지 적층체(140), 제1 전극 베이스부(122)와 제2 전극 베이스부(124)를 전지 셀 블록으로 지칭할 수 있다. 상기 전지 셀 블록은 전지 셀 수용 공간(110S) 내에, 제1 방향(Y 방향)을 따라 제1 전극 베이스부(122), 전지 적층체(140), 및 제2 전극 베이스부(124)가 순차적으로 배치되도록 수용될 수 있다.
이후, 고정 플레이트(150)와 가압 고정부(152)를 통해 상기 전지 셀 블록을 하부 하우징(110)의 내벽에 고정할 수 있다. 투명창(176)이 전지 적층체(140)의 측면과 오버랩되어 투명창(176)에 의해 전지 적층체(140)의 측면, 즉 양극 집전부(142F), 양극 활물질(142AM), 분리막(146), 음극 활물질(144AM), 및 음극 집전부(144F)의 측면들을 동시에 관찰할 수 있도록 상부 커버(172)를 하부 하우징(110) 상에 고정하여 전지 셀 측정 모듈(100)을 조립할 수 있다.
이후, 전지 셀 측정 모듈 내의 전지 적층체에 대한 충전 및 방전 동작을 수행할 수 있다(S230 단계).
전지 셀 측정 모듈(100)에 연결된 전기화학 분석 유닛(20)에 의해 전지 적층체(140)의 용량, 전압, 전류 및 시간에 대한 정보를 얻을 수 있다. 예를 들어, 전기화학 분석 유닛(20)을 통해 전지 적층체(140)에 미리 설정된 전류 밀도를 사용한 단위 충전 스텝 또는 단위 방전 스텝이 수행될 수 있다.
투명창을 통해 전지 셀 측정 모듈 내의 전지 적층체의 단면에 제1 광을 조사할 수 있다(S240 단계).
전지 셀 측정 모듈로부터 반사되는 광(또는 산란되는 광)을 감지하여 광학 이미지를 획득할 수 있다(S250 단계).
투명창을 통해 전지 셀 측정 모듈 내의 전지 적층체의 단면에 제2 광을 조사할 수 있다(S260 단계). 제2 광은 제1 광과는 다른 파장을 갖는 광일 수 있다.
전지 셀 측정 모듈로부터 반사되는 광(또는 산란되는 광)을 감지하여 분석할 수 있다(S270 단계).
예를 들어, 전지 적층체(140)의 전압이 미리 설정된 제1 측정 전압에 도달할 때, 제1 광을 조사하는 S240 단계, 제1 광의 산란 광을 감지하여 광학 이미지를 획득하는 S250 단계, 제2 광을 조사하는 S260 단계, 제2 광의 산란 광을 감지하여 분석하는 S270 단계가 순차적으로 수행될 수 있다. S240 단계 내지 S270 단계를 하나의 광 측정 사이클로 지칭할 수 있다. 광 측정 사이클 동안 전지 적층체(140)에 일정한 전압이 유지되거나 또는 전류의 흐름이 중단되도록 전기화학 분석 유닛(20)이 프로그래밍될 수 있다.
예를 들어, 제2 광을 조사하는 S260 단계와, 제2 광의 산란 광을 감지하여 분석하는 S270 단계는 라만 시프트 특성 또는 PL 특성을 획득하는 단계일 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제2 광을 조사하는 S260 단계에서 투명창(176)을 통해 관찰되는 전지 적층체(140)의 두께 방향을 따라 제1 스캔 폭만큼 연속적으로 제2 광을 조사할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 스캔 폭은 양극 활물질(142AM)의 일부분과, 이에 인접한 분리막, 및 음극 활물질(144AM)의 일부분 모두와 오버랩되도록 배치될 수 있다.
다른 실시예들에서, 제2 광을 조사하는 S260 단계에서 투명창(176)을 통해 관찰되는 전지 적층체(140)의 측면에 대하여 복수의 측정 위치에 제2 광을 순차적으로 조사할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 측정 위치는 양극 활물질(142AM)의 일부분과, 이에 인접한 분리막, 및 음극 활물질(144AM)의 일부분 모두와 오버랩되도록 배치될 수 있다.
이후, S210 단계 내지 S270 단계를 반복할 수 있다.
구체적으로, 하나의 광 측정 사이클이 수행된 이후, 다시 전기화학 분석 유닛(20)을 통해 전지 적층체(140)에 미리 설정된 전류 밀도를 사용한 단위 충전 스텝 또는 단위 방전 스텝이 수행될 수 있다. 제2 회의 광 측정 사이클에서는, 제1 회의 광 측정 사이클에서 제2 광을 조사한 측정 위치와 동일한 측정 위치에 제2 광을 조사할 수 있다. 이에 따라 동일한 측정 위치에 배치되는 양극 활물질(142AM), 및/또는 음극 활물질(144AM)의 시간에 따른, 또는 전압 변화에 따른 라만 시프트 정보를 제공할 수 있고, 이에 따라 양극 활물질(142AM), 및/또는 음극 활물질(144AM)의 상전이 특성, 계면 특성, 및/또는 결정 구조에 대한 정밀한 분석이 수행될 수 있다.
예를 들어, S210 단계 내지 S270 단계를 순차적으로 수행하는 것이 단위 충전 스텝 또는 단위 방전 스텝을 구성할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따른 인시츄 광학 및 전기화학 분석 방법은 총 5회 내지 총 수십회의 단위 충전 스텝 및/또는 총 5회 내지 총 수십회의 단위 방전 스텝을 포함할 수 있다.
일반적으로, 종래의 인시츄 전기화학 셀에서는, 상면에 개구부가 형성된 코인 타입의 셀 내에 양극 활물질과 음극 활물질이 분리막을 사이에 두고 적층된 구조를 배치하고, 상기 개구부를 통해 상기 양극 활물질의 표면만을 관찰하거나, 또는 음극 활물질의 표면만을 관찰할 수 있었다. 특히 개구부를 통해 관찰 가능한 상기 표면은 코인 타입의 셀의 최상부에 배치되는 표면이거나, 대응되는 양극 부분이 제거된 음극 부분의 표면(또는 대응되는 음극 부분이 제거된 양극 부분의 표면)일 수 있다. 따라서, 개구부를 통해 관찰 가능한 상기 표면에서의 활물질의 전기화학적 거동은 코인 타입 셀의 내부 영역에서 발생하는 전기화학적 거동과는 차이가 클 수 있고 이에 따라 전기화학적 거동에 대한 정밀한 분석이 어려울 수 있다.
그러나 본 발명에 따르면, 전지 적층체(140)의 양극 집전부(142F), 양극 활물질(142AM), 분리막(146), 음극 활물질(144AM), 및 음극 집전부(144F)가 투명창(176)에 평행한 방향으로 적층됨에 따라, 양극 집전부(142F), 양극 활물질(142AM), 분리막(146), 음극 활물질(144AM), 및 음극 집전부(144F)를 동시에 관찰하거나 측정할 수 있다. 특히 양극 활물질(142AM)의 두께 방향 또는 음극 활물질(144AM)의 두께 방향으로 고정된 위치에서의 물질의 조성 또는 이미지의 연속적인 관찰이 가능하고, 양극 활물질(142AM)과 이에 인접한 양극 집전부(142F) 사이의 계면, 또는 음극 활물질(144AM)과 이에 인접한 음극 집전부(144F) 사이의 계면의 이동 등이 동시에 관찰될 수 있다. 따라서 전지 적층체(140)의 충전 및 방전 단계에서 발생하는 전지 적층체(140)의 전기화학적 거동에 대하여 정밀하게 측정하거나 분석할 수 있다.
이하에서는 도 10 내지 도 13b를 통해, 예시적인 실시예들에 따른 전지 셀 측정 모듈을 사용하여 예시적인 실시예들에 따른 인시츄 광학 및 전기화학 분석 방법을 수행하여 획득한 분석 결과를 설명하도록 한다. 도 10 내지 도 13b에서는 양극 활물질로서 카보오가닉 양극 물질 중 하나인 디메틸페나진(DMPZ)을 사용하고, 음극 활물질로서 리튬 메탈을 사용한 전지 적층체에 대하여 인시츄 광학 및 전기화학 분석 방법을 수행하였다.
도 10은 DMPZ 양극 활물질의 1회 충전 및 1회 방전에서의 전압 프로파일을 나타내는 그래프이다. 도 10에서는 일정 전류 모드에서 얻어지는 양극 활물질의 전압이 도시된다.
도 10을 참조하면, 카보오가닉 양극 물질인 DMPZ는 2개의 플래토 영역(plateau region)(R2, R4)을 나타낼 수 있다. 구체적으로, 충전 개시 이후에 전압이 상승하는 제1 영역(R1), 대략 3.0 내지 3.1V에서 일정한 전압 구간을 갖는 제2 영역(R2), 전압이 상승하는 제3 영역(R3), 대략 3.75 내지 3.85V에서 일정한 전압 구간을 갖는 제4 영역(R4), 및 전압이 상승하는 제5 영역(R5)이 나타남을 확인할 수 있다.
도 11은 양극 활물질의 1회 충전 동안의 서로 다른 전압에서의 광학 이미지이다. 도 11에서는 DMPZ 양극 활물질의 개방 전압(OCV), 3.3 V, 3.7 V, 3.9 V, 및 4.3 V에서 제1 광의 산란으로부터 얻은 광학 이미지들이 도시된다.
도 11을 참조하면, 개방 전압(OCV)에서(즉, 도 9의 제1 영역(R1)에 대응되는 전압 영역에서) DMPZ 입자들이 국부적으로 모여 배치되는 DMPZ-리치 영역이 관찰된다. 이후, 제1 플래토를 지난 후 3.3 V(즉, 도 9의 제3 영역(R3)의 시작 지점에 대응되는 전압 영역에서)에서 DMPZ-리치 영역에 배치되는 DMPZ 입자들의 양이 많아지고, 이는 DMPZ 입자들이 표면에 석출되기 때문으로 생각될 수 있다. 3.7 V(즉, 도 9의 제3 영역(R3)의 종료 지점에 대응되는 전압 영역)에서 DMPZ-리치 영역의 모폴로지에 큰 변화는 없으며, 제2 플래토를 지난 후 3.9 V(도 9의 제5 영역(R5)에 대응되는 전압 영역)에서 DMPZ-리치 영역의 DMPZ 입자들의 양이 작게 관찰된다. 이는 두번째의 플래토 단계에서 DMPZ가 전해액에 용출되기 때문으로 생각될 수 있다.
도 12a와 도 12b는 양극 활물질의 제1 부분과 제2 부분에서의 1회 충전 및 1회 방전 동안의 서로 다른 전압에서의 라만 시프트 그래프이다.
도 12a를 참조하면, 제1 부분에서는 충전 초기에 개방 전압(OCV)으로부터 3.1 V에 도달할 때까지 DMPZ로부터 유래하는 제1 피크(●) 및 제2 피크(○)와, 카본으로부터 유래하는 제3 피크(▲) 및 제4 피크(△)를 포함하는 네 개의 피크가 관찰된다. 3.45V부터 제1 피크(●) 및 제2 피크(○)는 관찰되지 않으며, 3.72 V부터 제3 피크(▲) 및 제4 피크(△)의 강도는 크게 감소된다. 방전 단계가 시작되면, 제3 피크(▲) 및 제4 피크(△)는 다시 관찰되기 시작하나 제1 피크(●) 및 제2 피크(○)는 관찰되지 않는다. 이는 충전 초기에 DMPZ 입자가 배치되던 제1 부분으로부터 제1 플래토 구간인 3.1 V 영역에서 DMPZ가 전해액에 용출되어 전극 상의 다른 부분으로 이동했기 때문으로 추측할 수 있다.
도 12b를 참조하면, 제2 부분에서는 충전 초기에 개방 전압(OCV)으로부터 3.2 V에 도달할 때까지 카본으로부터 유래하는 제3 피크(▲) 및 제4 피크(△)만이 관찰된다. 3.3 V부터 3.7 V까지의 영역에서, 즉 제1 플래토 구간을 지난 이후의 전압 상승 구간(도 9의 제3 영역(R3)에 대응되는 전압 영역)에서 DMPZ로부터 유래하는 제1 피크(●), 제2 피크(○), 제5 피크(■), 및 제6 피크(□)가 관찰된다. 이는 충전 초기에 제2 부분 내에 DMPZ가 배치되지 않았으나, 제1 플래토 구간인 3.1 V을 거치면서 전해액에 용출되었던 DMPZ 입자들이 제2 부분으로 이동하고 흡착되었기 때문으로 추측할 수 있다.
도 13a은 각각 제1 충전 및 방전 사이클에서의 전압에 따른 양극 활물질의 광학 이미지이고, 도 13b는 제2 충전 사이클에서의 전압에 따른 양극 활물질의 광학 이미지이다.
도 13a를 참조하면, 제1 충전 사이클에서는, 충전 초기로부터 3.3 V을 거쳐 3.76 V까지 충전 단계가 수행될 때 DMPZ 양극 활물질과 전해액(또는 분리막) 사이의 계면에서 DMPZ의 표면 석출이 발생함을 알 수 있다. 즉 DMPZ 리치 영역으로부터 전해액에 용출된 DMPZ가 양극 활물질과 전해액 사이의 계면에서 석출되는 것을 확인할 수 있다. 이후 제2 플래토를 지난 구간인 3.9 V에서 DMPZ가 다시 용해되어 양극 활물질과 전해액 사이의 계면이 양극 활물질 방향으로 후퇴한 것이 관찰된다. 4.3 V에서는 DMPZ의 재석출에 의해 양극 활물질 계면에서 새로운 층이 형성되며, 양극 활물질의 두께 역시 증가되었음을 확인할 수 있다.
제1 방전 사이클에서는, 3.6 V, 3.43V, 2.8 V, 및 2.5 V로 전압이 감소됨에 따라 양극 활물질과 전해액 사이의 계면이 점진적으로 양극 활물질 방향으로 후퇴하는 것과 형성된 층의 두께가 감소되는 것이 관찰되며, 이는 DMPZ의 용해가 지속적으로 발생하기 때문으로 추측할 수 있다.
도 13b를 참조하면, 제2 충전 사이클에서는 3.3 V에서 DMPZ의 전해액으로의 용해에 의해 형성된 층이 사라지는 것이 관찰되었으며 4.1 V에서 DMPZ 재석출에 의해 양극 활물질 계면에 새로운 층이 다시 형성되는 것이 관찰된다. 그러나 제1 충전 사이클과 비교할 때 DMPZ의 용해에 의한 계면 이동의 정도가 미미하며, DMPZ의 재석출에 의해 형성되는 새로운 층의 두께 역시 크지 않음을 알 수 있다.
도 10 내지 도 13b를 참조로 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지 셀 측정 모듈 및 인시츄 광학 및 전기화학 분석 방법을 통해 DMPZ를 포함하는 카보오가닉계 양극 활물질의 전기화학 거동 및 계면 특성이 명확하게 관찰될 수 있고, 이에 따라 카보오가닉계 양극 활물질의 성능 개선 및 상용화를 위한 다양한 접근법들이 도출될 수 있다. 본 발명은 카보오가닉계 양극 활물질 뿐만 아니라 다른 양극 활물질 및 음극 활물질의 전기화학적 반응의 규명, 결정상 또는 결정 구조 변화 관찰, 국부적 영역의 반응 속도 분석, 활물질의 계면 이동 관찰, 활물질의 국부적 두께 변화 관찰 등 전기화학적 거동에 대한 종합적인 분석에 적용할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
Acknowledgement
This research was supported by the Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea funded by the Ministry of Science and ICT (NRF-2017M3A7B4049176).
This work was supported by the Korea Basic Science Institute (KBSI) grant No. T38606.
This work was supported by the National Research Founfation of Korea (NRF) grant funded by Korea government (MSIT)(2018R1A5A 1025224).
This research was supported by Creative Materials Discovery Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Science, ICT and Future Planning (NRF-2017M3D1A1039561).

Claims (8)

  1. 인시츄 광학 및 전기화학 분석용 전지 셀 측정 모듈로서,
    내부에 전지 셀 수용 공간을 포함하는 하부 하우징;
    상기 하부 하우징에 착탈 가능하게 부착되며 투명창이 구비된 상부 커버; 및
    상기 전지 셀 수용 공간 내에 배치되며,
    제1 전극 베이스부,
    제2 전극 베이스부, 및
    상기 제1 전극 베이스부와 상기 제2 전극 베이스부 사이에 배치되는 전지 적층체를 포함하는 전지 셀 블록을 포함하고,
    상기 전지 적층체의 두께 방향이 상기 투명창의 상면과 평행하게 배치되도록 상기 제1 전극 베이스부, 상기 전지 적층체 및 상기 제2 전극 베이스부가 상기 투명창의 상면에 평행한 제1 방향을 따라 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전지 셀 측정 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전지 적층체는,
    양극 활물질이 부착된 양극 집전부,
    음극 활물질이 부착된 음극 집전부, 및
    상기 양극 활물질과 상기 음극 활물질 사이에 배치되는 분리막(separator)을 포함하고,
    상기 전지 셀 블록은, 상기 양극 집전부, 상기 양극 활물질, 상기 분리막, 상기 음극 활물질, 및 상기 음극 집전부 모두가 상기 투명창에 대면하도록(face) 배치되는 것을 특징으로 하는 전지 셀 측정 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양극 활물질은 상기 양극 집전부의 상면에 수직한 방향으로 제1 두께를 가지며,
    상기 음극 활물질은 상기 음극 집전부의 상면에 수직한 방향으로 제2 두께를 가지며,
    상기 전지 셀 블록은, 상기 양극 활물질의 상기 제1 두께 전체와 상기 음극 활물질의 상기 제2 두께 전체가 상기 투명창에 의해 관찰되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전지 셀 측정 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전지 셀 수용 공간 내에 배치되며,
    상기 제1 전극 베이스부, 상기 전지 적층체 및 상기 제2 전극 베이스부 모두와 인접하게 위치하도록 상기 제1 전극 베이스부, 상기 전지 적층체 및 상기 제2 전극 베이스부의 일 측부에 배치되는 제3 전극 베이스부를 더 포함하고,
    상기 제3 전극 베이스부는 상기 양극 활물질 및 상기 음극 활물질에 대한 기준 전압을 제공하는 기준 전극으로 기능하는 전지 셀 측정 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하부 하우징은 외부 공급 부재로부터 상기 전지 셀 수용 공간 내부로 전해액을 공급받도록 구성되는 공급 라인 개구부를 더 포함하고,
    상기 제1 전극 베이스부는,
    상기 제1 전극 베이스부를 관통하는 복수의 개구부; 및
    상기 제1 전극 베이스부의 상면에 평행한 방향으로, 상기 제1 전극 베이스부의 전체 길이를 통해 연장되는 트렌치(trench);
    중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 복수의 개구부 및 상기 트렌치 중 적어도 하나를 통해 상기 전해액이 상기 전지 적층체까지 도달하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전지 셀 측정 모듈.
  6. 전지 셀 측정 모듈을 사용한 인시츄 광학 및 전기화학 분석 방법으로서,
    상기 전지 셀 측정 모듈은,
    내부에 전지 셀 수용 공간을 포함하는 하부 하우징;
    상기 하부 하우징에 착탈 가능하게 부착되며 투명창이 구비된 상부 커버; 및
    상기 전지 셀 수용 공간 내에 배치되는 전지 셀 블록을 포함하고,
    상기 전지 셀 블록 내에 포함되는 제1 전극 베이스부, 전지 적층체, 및 제2 전극 베이스부가 상기 투명창의 상면에 평행한 제1 방향을 따라 순차적으로 배치되고,
    상기 전지 셀 측정 모듈에 충전 및 방전 동작을 수행하는 단계; 및
    상기 전지 셀 측정 모듈에 광 측정 사이클을 복수 회 수행하는 단계를 포함하며,
    상기 광 측정 사이클은,
    상기 투명창을 통해 관찰되는 상기 전지 적층체의 제1 부분에 제1 광을 조사하는 단계;
    상기 전지 적층체로부터 산란되는 제1 광을 검출하는 단계;
    상기 투명창을 통해 관찰되는 상기 전지 적층체의 상기 제1 부분에 상기 제1 광과는 다른 파장을 갖는 제2 광을 조사하는 단계; 및
    상기 전지 적층체로부터 산란되는 제2 광을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인시츄 광학 및 전기화학 분석 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 광을 조사하는 단계는,
    상기 투명창을 통해 관찰되는 상기 전지 적층체의 두께 방향을 따라 제1 스캔 폭만큼 연속적으로 상기 제2 광을 조사하는 단계를 포함하는 인시츄 광학 및 전기화학 분석 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전지 적층체는,
    양극 활물질이 부착된 양극 집전부,
    음극 활물질이 부착된 음극 집전부, 및
    상기 양극 활물질과 상기 음극 활물질 사이에 배치되는 분리막을 포함하고,
    상기 전지 셀 블록은, 상기 양극 집전부, 상기 양극 활물질, 상기 분리막, 상기 음극 활물질, 및 상기 음극 집전부 모두가 상기 투명창에 대면하도록 배치되며,
    상기 제2 광을 조사하는 단계는,
    상기 투명창을 통해 관찰되는 상기 양극 활물질의 두께 방향을 따라 상기 제1 스캔 폭만큼 연속적으로 상기 제2 광을 조사하는 단계, 및
    상기 투명창을 통해 관찰되는 상기 음극 활물질의 두께 방향을 따라 상기 제1 스캔 폭만큼 연속적으로 상기 제2 광을 조사하는 단계,
    중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 셀 측정 모듈.
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