WO2023149697A1 - 충전 장치 및 그 동작방법 - Google Patents

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charging
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secondary battery
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박관선
유병길
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K&C CO Ltd
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a charging device and its operating method, and more particularly, to a charging device that facilitates the formation of a solid electrolyte interphase (SEI) layer on a discharged secondary battery and its operating method. .
  • SEI solid electrolyte interphase
  • a lithium ion battery known as a secondary battery, has a high number of charge cycles, a long lifespan and a high storage capacity.
  • Lithium-ion batteries are discharged to 30% of their capacity, depending on their design. That is, if the battery is discharged below the critical value of 30%, the lithium ion battery is irreversibly damaged, so 30% of the intrinsic energy stored in the battery is not utilized by the user. If the battery is discharged below this threshold, ions can be separated from the electrode material (copper, A1), which can lead to electrode destruction.
  • the formation process repeats the process of charging the produced O Volt battery to a cell voltage of 4.2 V and then discharging it to 2.7 V several times to finally ship it to 3.7 V. Therefore, since the characteristics and quality of the battery are determined in this process, the formation process is a very important process for determining the quality of the battery.
  • the lithium ion battery is only charged to 80% of its capacity because the current is normally limited when the end-of-charge voltage is reached, so the remaining 20% of the capacity Since % is charged at less amperage, less energy is stored or built up into the cell in terms of time, so it takes exponentially more time for the cell to charge to 100%.
  • An object of the present invention is to provide a charging device and an operation method for easily forming a solid electrolyte interphase (SEI) layer in a discharged secondary battery.
  • SEI solid electrolyte interphase
  • a method of operating a charging device includes supplying charging pulses for charging a secondary battery and supplying discharge pulses for discharging the secondary battery between the charging pulses while supplying the charging pulses. and, the charging pulses and the discharging pulses may be supplied alternately from the start of activation of the secondary battery.
  • the activation start time point may be a time point when a first charge pulse among the charge pulses is supplied to start forming a solid electrolyte interphase (SEI) layer in a discharge state of the secondary battery.
  • SEI solid electrolyte interphase
  • the charging current of the charging pulses may be 1 to 3 times the rated current of the secondary battery.
  • a charge holding time of the charging pulses may be 20 ms to 100 ms.
  • the discharge current of the discharge pulses may be 0.2 to 0.5 times the rated current of the secondary battery.
  • a discharge holding time of the discharge pulses may be 5 ms to 30 ms.
  • the charge duration of the charge pulses may be 1.5 to 5 times greater than the discharge duration of the discharge pulses.
  • the charge holding time of the charging pulses is the shortest when the charging current of the charging pulses is 3 times the rated current of the secondary battery, and the longest when the charging current of the charging pulses is 1 times the rated current of the secondary battery, and the discharge sustaining time of the discharging pulses is The time may be the shortest when the discharge current of the discharge pulses is 0.5 times the rated current of the secondary battery, and the longest when the discharge current is 0.2 times the rated current of the secondary battery.
  • the amount of discharge of each of the discharge pulses may be 0.04 to 0.16 times the amount of charge of each of the charge pulses.
  • a charging device includes an input module for inputting rated capacity information of a secondary battery and an activation start command of the secondary battery, charging pulses for charging the secondary battery, and discharging the secondary battery between the charging pulses.
  • a charge/discharge module for supplying discharge pulses for the secondary battery from an activation start time when the activation start command is input and a charge current of the charge pulses and a discharge current of the discharge pulses are set according to the energy capacity information.
  • a control module controlling the charge/discharge module to supply the charge pulses and the discharge pulses alternately may be included.
  • the activation start time point may be a time point when a first charge pulse among the charge pulses is supplied to start forming a solid electrolyte interphase (SEI) layer in a discharge state of the secondary battery.
  • SEI solid electrolyte interphase
  • the charging device and its operating method according to the present invention in order to start the formation of a solid electrolyte interphase (SEI) layer in the discharge state of the secondary battery, charging pulses up to three times higher than the rated current of the secondary battery, and By alternately supplying discharge pulses for a very short time, there is an advantage in that the lifespan and capacity of the secondary battery can be increased.
  • SEI solid electrolyte interphase
  • FIG. 1 is a diagram showing a formation process of a lithium secondary battery according to the present invention.
  • FIG. 2 is a control block diagram showing a control configuration of a charging device according to the present invention.
  • FIG. 3 is a timing diagram showing charging pulses and discharging pulses output from the charging device according to the present invention.
  • 4 to 7 are timing diagrams illustrating charging pulses and discharging pulses output from the charging device according to various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating an operating method of a charging device according to the present invention.
  • first, second, A, and B may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention.
  • the term and/or includes a combination of a plurality of related recited items or any one of a plurality of related recited items.
  • FIG. 1 is a diagram showing a formation process of a lithium secondary battery according to the present invention.
  • Figure 1 (a) is a state that does not have electrical characteristics after the lithium secondary battery is manufactured
  • Figure 1 (b) is a formation process (Formation)
  • a solid electrolyte intermediate material (SEI) to have electrical characteristics in the lithium secondary battery
  • Solid Electrolyte Interphase) layer is starting to form
  • FIG. 1(c) shows a lithium secondary battery having electrical characteristics after the conversion process is completed.
  • solid electrolyte intermediate layer (SEI) is an important factor determining the electric capacity, performance, and lifespan of a lithium secondary battery.
  • charging pulses and discharging pulses may be alternately supplied to the cathode and the anode to generate a solid electrolyte intermediate layer (SEI) on the anode side.
  • SEI solid electrolyte intermediate layer
  • the electrolyte intermediate material layer (SEI) can prevent lithium ions (Li + ) from reacting with other materials at the anode when the lithium secondary battery is later charged.
  • electrolyte intermediate material layer performs a kind of ion tunneling function and can pass only lithium ions (Li+).
  • the solid electrolyte intermediate material layer may be formed in a process of activating a cell in a discharged state in a formation process, that is, an initial charging process of a lithium secondary battery.
  • lithium ions (Li+) pass from the cathode of the lithium secondary battery to the anode, and react with additives in the negative electrode electrolyte to form the front side of the anode interface.
  • SEI thin solid electrolyte intermediate material layer
  • the solid electrolyte intermediate material layer (SEI) is an insulator formed when the amount of ion movement of the battery increases, and once formed, it can prevent lithium ions (Li+) from reacting with other materials at the anode during subsequent battery charging.
  • FIG. 2 is a control block diagram showing a control configuration of a charging device according to the present invention
  • FIG. 3 is a timing diagram showing charge pulses and discharge pulses output from the charging device according to the present invention.
  • the charging device 100 may include an input module 110 , a charge/discharge module 120 and a control module 130 .
  • the charging device 100 is described as being applied to a formation process for activating a secondary battery, for example, a lithium secondary battery, but is not limited thereto.
  • the input module 110 may input rated capacity information of a secondary battery having no electrical characteristics and an activation start command of the secondary battery.
  • the rated capacity information of the secondary battery may include at least one of a maximum charging capacity and a rated current of the secondary battery, but is not limited thereto.
  • the activation start command may be a command to start charging and discharging the secondary battery for the first time.
  • the input module 110 may input the activation start command for starting the formation of a solid electrolyte interphase (SEI) layer in the discharge state of the secondary battery.
  • SEI solid electrolyte interphase
  • the charge/discharge module 120 may supply charge pulses cp for charging the secondary battery and discharge pulses dp for discharging the secondary battery according to the control of the control module 130 .
  • the control module 130 may set the charging current Ic of the charging pulses cp and the discharging current Id of the discharging pulses dp according to the power capacity information.
  • the control module 130 charges and discharges high current charge pulses cp and discharge pulses dp alternately from the activation start time point TP to the secondary battery.
  • the module 120 can be controlled.
  • control module 130 may set and determine the charging current (Ic) and the discharging current (Id) based on the rated current.
  • the charging current (Ic) may be 1 to 3 times greater than the rated current, and when less than 1 time greater than the rated current, the charging time of the secondary battery becomes longer, and when greater than 3 times greater than the rated current, the secondary battery The charging time of can be shortened, but salt reaction may occur due to overcharging.
  • the discharge current (Id) may be 0.2 to 0.5 times greater than the rated current.
  • the discharge time of the secondary battery becomes longer, and when greater than 0.5 times greater than the rated current, the secondary battery The discharge time of can be shortened, but salt may be generated due to overcharging.
  • control module 130 may determine the charge holding time ct according to the charge current Ic.
  • the charging holding time ct of the charging current Ic may be maintained longer than when the charging current Ic is 1 times greater than the rated current.
  • the charging holding time (ct) of the charging current (Ic) may be 20 ms to 100 ms, and if it is faster than 20 ms, the charging current (Ic) may be more than three times the rated current, resulting in overcharging, and 100 ms If it is longer, the charging time may be longer because the charging current (Ic) is less than 1 times the rated current.
  • control module 130 may determine the discharge holding time dt according to the discharge current Id.
  • the discharge holding time dt of the discharge current Id may be shorter than when the discharge current Id is 0.2 times greater than the rated current.
  • the discharge holding time (dt) of the discharge current (Id) may be 5 ms to 30 ms, if it is faster than 5 ms, the discharge effect by the discharge current (Id) is lowered, and if it is longer than 30 ms, the discharge time of the discharge current (Id) can be long
  • the charge duration ct of the charge pulses cp may be 1.5 to 5 times greater than the discharge duration dt of the discharge pulses dp, but is not limited thereto.
  • the amount of discharge of each of the discharge pulses dp may be 0.04 to 0.16 times the amount of charge of each of the charge pulses cp.
  • the charging amount and the discharging amount may be determined by current and holding time, and may be adjusted according to the rated capacity of the secondary battery, but are not limited thereto.
  • the charging device 100 sequentially supplies charge pulses cp and discharge pulses dp to the secondary battery having no electrical characteristics, so that the solid electrolyte intermediate material (SEI, Solid Electrolyte Interphase) layer may be formed to have the electrical characteristics of the secondary battery.
  • SEI Solid Electrolyte Interphase
  • the charging device 100 supplies high-current charging pulses cp and discharging pulses dp within a very short time, so that endothermic and exothermic reactions are lowered, salt generation due to overcharging is lowered, and negative electrode
  • the solid electrolyte intermediate formed on the surface may increase the lifespan.
  • 4 to 7 are timing diagrams illustrating charging pulses and discharging pulses output from the charging device according to various embodiments of the present disclosure.
  • the charge pulses cp and discharge pulses dp shown in FIG. 4 have different pulse shapes from the charge pulses cp and discharge pulses dp shown in FIG. 3 .
  • the charging pulses cp may be alternately supplied to the secondary battery with different current sizes as the first charging current Ic1 and the second charging current Ic2.
  • the first and second charging currents Ic1 and Ic2 may be determined between 1 and 3 times the rated current of the secondary battery as described in FIGS. 2 and 3 .
  • the discharge pulses dp may be alternately supplied to the secondary battery with different current sizes as the first discharge current Id1 and the second discharge current Id2.
  • the first and second discharge currents Id1 and Id2 may be determined between 0.2 and 0.5 times the rated current of the secondary battery, and the first and second charge currents Ic1 and Ic2 It may vary according to, but is not limited thereto.
  • the charge pulses cp and discharge pulses dp shown in FIG. 5 have different pulse shapes from the charge pulses cp and discharge pulses dp shown in FIG. 3 .
  • the charging pulses cp may be alternately supplied to the secondary battery with different current sizes as the first charging current Ic1 and the second charging current Ic2.
  • the first and second charging currents Ic1 and Ic2 may be determined between 1 and 3 times the rated current of the secondary battery as described in FIGS. 2 and 3 .
  • the charge holding time ct1 of the charging pulse cp having the first charging current Ic1 may be shorter than the charging holding time ct2 of the charging pulse cp having the second charging current Ic2.
  • the charge holding times ct1 and ct2 of the charging pulses cp having the first and second charging currents Ic1 and ic2 can be considered to be adjusted to make the respective charging amounts of the charging pulses cp the same.
  • the discharge current Id and the discharge holding time dt of the discharge pulses dp may be maintained the same as those of the discharge pulses dp shown in FIG. 3 .
  • the charging pulses cp are variable, but the discharging pulses dp may be variable, and there is no limitation thereto.
  • the charge pulses cp and discharge pulses dp shown in FIG. 6 have different pulse shapes from the charge pulses cp and discharge pulses dp shown in FIG. 4 .
  • the charge pulses cp and discharge pulses dp shown in FIG. 7 have different pulse shapes from the charge pulses cp and discharge pulses dp shown in FIG. 3 .
  • the charge pulses cp and discharge pulses dp shown in FIG. 7 have a trapezoidal shape differently from those of FIG. 3 , but may have the same charging and discharging effects as shown in FIG. 3 .
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating an operating method of a charging device according to the present invention.
  • the charging device 100 may receive information about the rated capacity of the secondary battery and an activation start command (S110).
  • the charging device 100 may set the charging current Ic of the charging pulses cp and the discharging current Id of the discharging pulses dp according to the rated capacity information (S120).
  • control module 130 of the charging device 100 may set the charging current Ic of the charging pulses cp and the discharging current Id of the discharging pulses dp according to the power capacity information.
  • the rated capacity information of the secondary battery may include at least one of a maximum charging capacity and a rated current of the secondary battery, but is not limited thereto.
  • the control module 130 may set and determine the charging current Ic and the discharging current Id based on the rated current. In addition, the control module 130 may determine the charge maintenance time (ct) according to the charge current (Ic) and the discharge maintenance time (dt) according to the discharge current (Id).
  • the charging device 100 may alternately supply charging pulses cp and discharging pulses dp according to the activation start command (S130).
  • control module 130 sequentially supplies charge pulses (cp) and discharge pulses (dp) to the secondary battery having no electrical characteristics, so that the solid electrolyte intermediate (SEI) in the secondary battery Interphase) layer may be formed to have electrical characteristics of the secondary battery.
  • the charging device 100 may cut off supply of the charging pulses cp and the discharging pulses dp (S140).

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Abstract

본 발명은, 이차 전지의 충전을 위한 충전 펄스들을 공급하는 단계 및 상기 충전 펄스들의 공급 중, 상기 충전 펄스들 사이에 상기 이차 전지의 방전을 위한 방전 펄스들을 공급하는 단계를 포함하고, 상기 충전 펄스들 및 상기 방전 펄스들은, 상기 이차 전지의 활성화 시작 시점부터 서로 번갈아 공급되는 충전 장치의 동작방법을 제공한다.

Description

충전 장치 및 그 동작방법
본 발명은 충전 장치 및 그 동작방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 방전 상태의 이차 전지에 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase)층의 형성하기 용이한 충전 장치 및 그 동작방법에 관한 것이다.
재생 에너지원, 특히, 태양광 발전이나 풍력 발전에 기초하여 전기 에너지를 생산함에 있어서, 저장된 전기 에너지를 필요한 때에 필요한 만큼 활용 가능하도록 하기 위해 그 발생된 에너지를 효율적으로 저장하는 것을 점점 요구하는 쪽으로 방향이 전환되고 있다.
일반적으로, 이차 전지로 알려진 리튬 이온 배터리는 충전 사이클의 수가 높으며 긴 수명 및 높은 저장 용량을 가지고 있다.
리튬 이온 배터리는 설계에 따라 그 용량의 30%까지 방전된다. 즉, 그 임계치인 30% 이하로 배터리를 방전하게 되면 리튬 이온 배터리는 돌이킬 수 없는 상태로 파손되기 때문에, 배터리에 저장된 고유 에너지 30%는 사용자에게 활용되지 못한다. 배터리가 이 임계치 이하로 방전되면, 이온들은 전극 재료(구리, A1)로부터 분리될 수 있으며, 이로 인해 전극이 파괴될 수 있다.
리튬 이온 배터리 등 배터리를 생산하여 출고하기 위해서는 몇 가지의 공정을 거치게 되는데 Aging, 화성공정(Formation), OCV(Open Circuit Voltage) 검사, IR(내부저항) 검사, Grading 등이 있다.
이들 공정 중 화성공정(Formation)은 생산된 O 볼트(Volt)의 배터리를 셀 전압 4.2 V로 충전하고 다시 2.7 V로 방전하는 과정을 수차례 반복하여 최종 3.7 V로 출하한다. 따라서, 배터리의 특성 및 품질이 이 공정에서 결정되므로, 화성공정(Formation)은 배터리의 품질을 결정짓는 매우 중요한 공정이다.
하지만, 화성공정 시, 리튬 이온 배터리는 용량의 80%까지만 충전되는데, 그 이유는, 충전 종단 전압(end-of-charge voltage)에 도달할 때 정상적으로 전류는 제한을 받으며, 그래서, 용량의 나머지 20%는 더 적은 암페어에서 충전되어 시간적인 관점에서 더 적은 에너지가 전지로 저장 또는 쌓이게 되므로, 전지가 100 %까지 충전되려면, 기하 급수적으로 더 많은 시간이 걸리는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 방전 상태의 이차 전지에 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase)층의 형성하기 용이한 충전 장치 및 그 동작방법을 제공함에 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 충전 장치의 동작방법은, 이차 전지의 충전을 위한 충전 펄스들을 공급하는 단계 및 상기 충전 펄스들의 공급 중, 상기 충전 펄스들 사이에 상기 이차 전지의 방전을 위한 방전 펄스들을 공급하는 단계를 포함하고, 상기 충전 펄스들 및 상기 방전 펄스들은, 상기 이차 전지의 활성화 시작 시점부터 서로 번갈아 공급될 수 있다.
상기 활성화 시작 시점은, 상기 이차 전지의 방전 상태에서 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase)층의 형성을 시작하기 위해 상기 충전 펄스들 중 첫번째 충전 펄스가 공급되는 시점일 수 있다.
상기 충전 펄스들의 충전 전류는, 상기 이차 전지의 정격 전류 대비 1배 내지 3배일 수 있다.
상기 충전 펄스들의 충전 유지 시간은, 20 ms 내지 100 ms일 수 있다.
상기 방전 펄스들의 방전 전류는, 상기 이차 전지의 정격 전류 대비 0.2배 내지 0.5배일 수 있다.
상기 방전 펄스들의 방전 유지 시간은, 5ms 내지 30ms일 수 있다.
상기 충전 펄스들의 충전 유지 시간은, 상기 방전 펄스들의 방전 유지 시간 대비 1.5배 내지 5배일 수 있다.
상기 충전 펄스들의 충전 유지 시간은, 상기 충전 펄스들의 충전 전류가 상기 이차 전지의 정격 전류 대비 3배인 경우가 가장 짧고, 상기 이차 전지의 정격 전류 대비 1배인 경우가 가장 길며, 상기 방전 펄스들의 방전 유지 시간은, 상기 방전 펄스들의 방전 전류가 상기 이차 전지의 정격 전류 대비 0.5배인 경우가 가장 짧고, 상기 이차 전지의 정격 전류 대비 0.2배인 경우가 가장 길 수 있다.
상기 방전 펄스들 각각의 방전량은, 상기 충전 펄스들 각각의 충전량 대비 0.04 내지 0.16배일 수 있다.
본 발명에 따른 충전 장치는, 이차 전지의 정격 용량 정보 및 상기 이차 전지의 활성화 시작 명령을 입력하는 입력 모듈, 상기 이차 전지의 충전을 위한 충전 펄스들 및 상기 충전 펄스들 사이에 상기 이차 전지의 방전을 위한 방전 펄스들을 공급하는 충방전 모듈 및 상기 정력 용량 정보에 따라 상기 충전 펄스들의 충전 전류 및 상기 방전 펄스들의 방전 전류를 설정하고, 상기 활성화 시작 명령이 입력되는 활성화 시작 시점부터 상기 이차 전지로 상기 상기 충전 펄스들 및 상기 방전 펄스들을 서로 번갈아 공급되게 상기 충방전 모듈을 제어하는 제어 모듈을 포함할 수 있다.
상기 활성화 시작 시점은, 상기 이차 전지의 방전 상태에서 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase)층의 형성을 시작하기 위해 상기 충전 펄스들 중 첫번째 충전 펄스가 공급되는 시점일 수 있다.
본 발명에 따른 충전 장치 및 그 동작방법은, 이차 전지의 방전 상태에서 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase)층의 형성을 시작하기 위해 이차 전지의 정격 전류보다 최대 3배로 높은 충전 펄스들 및 방전 펄스들을 매우 짧은 시간동안 번갈아 공급하도록 함으로써, 이차 전지의 수명 및 용량을 증가시킬 수 있는 이점이 있다.
한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬 이차 전지의 화성 공정(Formation)을 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 충전 장치의 제어 구성을 나타낸 제어 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 충전 장치에서 출력되는 충전 펄스들 및 방전 펄스들을 나타낸 타이밍도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 충전 장치에서 출력되는 충전 펄스들 및 방전 펄스들을 다양한 실시 예를 나타낸 타이밍도이다.
도 8은 본 발명에 따른 충전 장치의 동작방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수개의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수개의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수개의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬 이차 전지의 화성 공정(Formation)을 나타낸 도이다.
도 1(a)는 리튬 이차 전지가 제조된 후 전기적인 특성을 지니지 않은 상태이며, 도 1(b)는 화성 공정(Formation)이며, 리튬 이차 전지에 전기적인 특성을 갖도록 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase)층의 형성을 시작하는 상태이며, 도 1(c)는 화성 공정이 완료된 후 전기적인 특성을 갖는 리튬 이차 전지를 나타낸다.
여기서, 고체 전해질 중간물질층(SEI)은 리튬 이차 전지의 전기 용량, 성능 및 수명을 결정하는 중요한 요소입니다.
즉, 도 1(b)는 리튬 이차 전지를 활성화시키기 위해, 캐소드 및 애노드로 충전 펄스들 및 방전 펄스들을 서로 번갈아 공급하여 애노드 측에 고체 전해질 중간물질층(SEI)을 생성할 수 있다.
여기서, 전해질 중간물질층(SEI)은 차후 리튬 이차 전지의 충전 시 애노드에서 리튬 이온(Li+)과 다른 물질이 반응하는 것을 막아줄 수 있다.
또한, 전해질 중간물질층(SEI)은 일종의 이온 터널기능을 수행하며, 리튬 이온(Li+) 만을 통과시킬 수 있다.
즉, 고체 전해질 중간물질층(SEI)은 화성 공정(Formation), 즉 리튬 이차 전지의 최초 충전 공정으로 방전 상태의 셀을 활성화시키는 공정에서 생성할 수 있다.
먼저, 리튬 이차 전지의 충전 시, 리튬 이차 전지로 충전 펄스가 공급되는 경우, 리튬 이온(Li+)는 리튬 이차 전지의 캐소드에서 애노드로 넘어가고, 음극 전해액 내의 첨가물과 반응을 일으켜 애노드 계면의 앞쪽에 얇은 고체 전해질 중간물질층(SEI)을 생성할 수 있다.
즉, 고체 전해질 중간물질층(SEI)은 전지의 이온 이동량이 많아질때 형성되는 부도체이며, 일단 형성이되면 차후 전지 충전시 애노드에서 리튬 이온(Li+)과 다른 물질이 반응하지 않도록 막아줄 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 충전 장치의 제어 구성을 나타낸 제어 블록도 및 도 3은 본 발명에 따른 충전 장치에서 출력되는 충전 펄스들 및 방전 펄스들을 나타낸 타이밍도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 충전 장치(100)는 입력 모듈(110), 충방전 모듈(120) 및 제어 모듈(130)을 포함할 수 있다.
실시 예에서, 충전 장치(100)는 이차 전지, 예를 들어 리튬 이차 전지를 활성화시키기 위한 화성 공정(Formaition)에 적용되는 것으로 설명하지만, 이에 한정을 두지 않는다.
입력 모듈(110)는 전기적 특징이 없는 이차 전지의 정격 용량 정보 및 상기 이차 전지의 활성화 시작 명령을 입력할 수 있다.
먼저, 상기 이차 전지의 정격 용량 정보는 상기 이차 전지의 최대 충전 용량 및 정격 전류 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
여기서, 상기 활성화 시작 명령은 상기 이차 전지의 최초 충방전을 시작하는 명령일 수 있다.
결과적으로, 입력 모듈(110)은 상기 이차 전지의 방전 상태에서 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase)층의 형성을 시작하는 상기 활성화 시작 명령을 입력할 수 있다.
충방전 모듈(120)은 제어 모듈(130)의 제어에 따라 상기 이차 전지의 충전을 위한 충전 펄스들(cp) 및 상기 이차 전지의 방전을 위한 방전 펄스들(dp)을 공급할 수 있다.
제어 모듈(130)은 상기 정력 용량 정보에 따라 충전 펄스들(cp)의 충전 전류(Ic) 및 방전 펄스들(dp)의 방전 전류(Id)를 설정할 수 있다.
이후, 상기 활성화 시작 명령이 입력되는 경우, 제어 모듈(130)은 활성화 시작 시점(TP)부터 상기 이차 전지로 고전류의 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)을 서로 번갈아 공급되게 충방전 모듈(120)을 제어할 수 있다.
여기서, 제어 모듈(130)은 상기 정격 전류를 기반으로 충전 전류(Ic) 및 방전 전류(Id)를 설정 결정할 수 있다.
먼저, 충전 전류(Ic)는 상기 정격 전류 대비 1배 내지 3배일 수 있으며, 상기 정격 전류 대비 1배 미만인 경우 상기 이차 전지의 충전 시간이 길어지며, 상기 정격 전류 대비 3배 보다 큰 경우 상기 이차 전지의 충전 시간이 짧아질 수 있으나 과 충전으로 인한 염 반응이 발생될 수 있다.
또한, 방전 전류(Id)는 상기 정격 전류 대비 0.2배 내지 0.5배일 수 있음, 상기 정격 전류 대비 0.2배 미만인 경우 상기 이차 전지의 방전 시간이 길어지며, 상기 정격 전류 대비 0.5배 보다 큰 경우 상기 이차 전지의 방전 시간이 짧아질 수 있으나 과 장전으로 염이 발생될 수 있다.
이때, 제어 모듈(130)는 충전 전류(Ic)에 따라 충전 유지 시간(ct)을 결정할 수 있다.
예를 들어, 상기 정격 전류 대비 3배인 경우, 충전 전류(Ic)의 충전 유지 시간(ct)은 충전 전류(Ic)가 상기 정격 전류 대비 1배인 경우보다 긴 시간을 유지할 수 있다.
충전 전류(Ic)의 충전 유지 시간(ct)는 20 ms 내지 100 ms일 수 있으며, 20ms 보다 빠른 경우 충전 전류(Ic)가 상기 정격 전류 대비 3배보다 크게 되어 과 충전이 될 수 있으며, 100 ms 보다 긴 경우 충전 전류(Ic)가 상기 정격 전류 대비 1배 미만이므로 충전 시간이 길어질 수 있다.
또한, 제어 모듈(130)는 방전 전류(Id)에 따라 방전 유지 시간(dt)을 결정할 수 있다.
예를 들어, 상기 정격 전류 대비 0.5배인 경우, 방전 전류(Id)의 방전 유지 시간(dt)은 방전 전류(Id)가 상기 정격 전류 대비 0.2배인 경우보다 짧은 시간을 유지할 수 있다.
방전 전류(Id)의 방전 유지 시간(dt)는 5ms 내지 30ms일 수 있으며, 5ms 보다 빠른 경우 방전 전류(Id)에 의한 방전 효과가 낮아지며, 30 ms 보다 긴 경우 방전 전류(Id)의 방전 시간이 길어질 수 있다.
또한, 충전 펄스들(cp)의 충전 유지 시간(ct)은 방전 펄스들(dp)의 방전 유지 시간(dt) 대비 1.5배 내지 5배일 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
그리고, 방전 펄스들(dp) 각각의 방전량은 충전 펄스들(cp) 각각의 충전량 대비 0.04배 내지 0.16배일 수 있다.
여기서, 상기 충전량 및 상기 방전량은 전류 및 유지 시간에 의해 결정될 수 있으며, 상기 이차 전지의 정격 용량에 따라 조절될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
이와 같이, 충전 장치(100)는 전기적 특성을 갖지 않은 상기 이차 전지로 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)을 순차적으로 공급하도록 함으로써, 상기 이차 전지 내에 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase)층의 형성하여 상기 이차 전지의 전기적 특성을 갖도록 할 수 있다.
또한, 충전 장치(100)는 고 전류의 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)을 매우 짧은 시간 내에 공급하도록 함으로써, 흡열 및 발열 반응이 낮아지고 과 충전으로 인한 염 발생이 낮아지며, 음극 표면에 형성되는 고체 전해질 중간물질이 두꺼워져 수명이 증가될 수 있다.
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 충전 장치에서 출력되는 충전 펄스들 및 방전 펄스들을 다양한 실시 예를 나타낸 타이밍도이다.
먼저, 도 4에 나타낸 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)는 도 3에 나타낸 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)와 다른 펄스 형태를 가지고 있다.
여기서, 충전 펄스들(cp)은 제1 충전 전류(Ic1) 및 제2 충전 전류(Ic2)로 서로 다른 전류 크기를 가지고 서로 교번적으로 이차 전지로 공급될 수 있다.
이때, 제1, 2 충전 전류(Ic1, Ic2)는 도 2 및 도 3에서 설명한 바와 같이 이차 전지의 정격 전류 대비 1배 내지 3배 사이에서 결정될 수 있다.
또한, 방전 펄스들(dp)은 제1 방전 전류(Id1) 및 제2 방전 전류(Id2)로 서로 다른 전류 크기를 가지고 서로 교번적으로 이차 전지로 공급될 수 있다.
제1, 2 방전 전류(Id1, Id2)는 도 2 및 도 3에서 설명한 바와 같이 이차 전지의 정격 전류 대비 0.2배 내지 0.5배 사이에서 결정될 수 있으며, 제1, 2 충전 전류(Ic1, Ic2)에 따라 가변될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
도 5에 나타낸 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)는 도 3에 나타낸 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)와 다른 펄스 형태를 가지고 있다.
충전 펄스들(cp)은 제1 충전 전류(Ic1) 및 제2 충전 전류(Ic2)로 서로 다른 전류 크기를 가지고 서로 교번적으로 이차 전지로 공급될 수 있다.
이때, 제1, 2 충전 전류(Ic1, Ic2)는 도 2 및 도 3에서 설명한 바와 같이 이차 전지의 정격 전류 대비 1배 내지 3배 사이에서 결정될 수 있다.
이때, 제1 충전 전류(Ic1)을 가진 충전 펄스(cp)의 충전 유지 시간(ct1)은 제2 충전 전류(Ic2)를 가진 충전 펄스(cp)의 충전 유지 시간(ct2)보다 짧을 수 있다.
제1, 2 충전 전류(Ic1, ic2)을 가진 충전 펄스(cp)의 충전 유지 시간(ct1, ct2)은 충전 펄스들(cp) 각각의 충전량을 동일하게 하기 위해 조절된 것으로 볼 수 있다.
따라서, 방전 펄스들(dp)의 방전 전류(Id) 및 방전 유지 시간(dt)은 도 3에 나타낸 방전 펄스들(dp)과 동일하게 유지될 수 있다.
도 5에서는 충전 펄스들(cp)이 가변되는 것으로 설명하였으나, 방전 펄스들(dp)이 가변될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
도 6에 나타낸 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)는 도 4에 나타낸 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)와 다른 펄스 형태를 가지고 있다.
충전 펄스들(cp)은 제1 충전 전류(Ic1)까지 서서히 증가하며, 방전 펄스들(dp)는 제2 충전 전류(Id)에서 서서히 낮아지는 것을 볼 수 있다.
도 6에 나타낸 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)은 서서히 증가 또는 감소하는 것으로 나타내었으나, 충전 유지 시간(ct) 및 방전 유지 시간(dt)가 매우 짧으므로, 충전 및 방전에 대하여 도 5에 나타낸 효과를 가질 수 있다.
도 7에 나타낸 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)은 도 3에 나타낸 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)와 다른 펄스 형태를 가지고 있다.
도 7에 나타낸 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)은 도 3와 다르게 사다리꼴 형상을 가지지만, 도 3와 같은 충전 및 방전 효과를 가질 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 충전 장치의 동작방법을 나타낸 순서도이다.
도 8을 참조하면, 충전 장치(100)는 이차 전지의 정격 용량 정보 및 활성화 시작 명령이 입력될 수 있다(S110).
충전 장치(100)는 상기 정격 용량 정보에 따라 충전 펄스들(cp)의 충전 전류(Ic) 및 방전 펄스들(dp)의 방전 전류(Id)를 설정할 수 있다(S120).
즉, 충전 장치(100)의 제어 모듈(130)은 상기 정력 용량 정보에 따라 충전 펄스들(cp)의 충전 전류(Ic) 및 방전 펄스들(dp)의 방전 전류(Id)를 설정할 수 있다.
상기 이차 전지의 정격 용량 정보는 상기 이차 전지의 최대 충전 용량 및 정격 전류 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
제어 모듈(130)은 상기 정격 전류를 기반으로 충전 전류(Ic) 및 방전 전류(Id)를 설정 결정할 수 있다. 또한, 제어 모듈(130)는 충전 전류(Ic)에 따라 충전 유지 시간(ct) 및 방전 전류(Id)에 따라 방전 유지 시간(dt)을 결정할 수 있다.
충전 장치(100)는 상기 활성화 시작 명령에 따라 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)을 번갈아 공급할 수 있다(S130).
즉, 제어 모듈(130)은 전기적 특성을 갖지 않은 상기 이차 전지로 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)을 순차적으로 공급하도록 함으로써, 상기 이차 전지 내에 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase)층의 형성하여 상기 이차 전지의 전기적 특성을 갖도록 할 수 있다.
충전 장치(100)는 상기 이차 전지의 충전이 완료되면, 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)의 공급을 차단할 수 있다(S140).
이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 이차 전지의 충전을 위한 충전 펄스들을 공급하는 단계; 및
    상기 충전 펄스들의 공급 중, 상기 충전 펄스들 사이에 상기 이차 전지의 방전을 위한 방전 펄스들을 공급하는 단계를 포함하고,
    상기 충전 펄스들 및 상기 방전 펄스들은,
    상기 이차 전지의 활성화 시작 시점부터 서로 번갈아 공급되는,
    충전 장치의 동작방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성화 시작 시점은,
    상기 이차 전지의 방전 상태에서 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase)층의 형성을 시작하기 위해 상기 충전 펄스들 중 첫번째 충전 펄스가 공급되는 시점인,
    충전 장치의 동작방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 펄스들의 충전 전류는,
    상기 이차 전지의 정격 전류 대비 1배 내지 3배인,
    충전 장치의 동작방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 펄스들의 충전 유지 시간은,
    20 ms 내지 100 ms 인,
    충전 장치의 동작방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전 펄스들의 방전 전류는,
    상기 이차 전지의 정격 전류 대비 0.2배 내지 0.5배인,
    충전 장치의 동작방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전 펄스들의 방전 유지 시간은,
    5ms 내지 30ms인,
    충전 장치의 동작방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 펄스들의 충전 유지 시간은,
    상기 방전 펄스들의 방전 유지 시간 대비 1.5배 내지 5배인,
    충전 장치의 동작방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 펄스들의 충전 유지 시간은,
    상기 충전 펄스들의 충전 전류가 상기 이차 전지의 정격 전류 대비 3배인 경우가 가장 짧고, 상기 이차 전지의 정격 전류 대비 1배인 경우가 가장 길며,
    상기 방전 펄스들의 방전 유지 시간은,
    상기 방전 펄스들의 방전 전류가 상기 이차 전지의 정격 전류 대비 0.5배인 경우가 가장 짧고, 상기 이차 전지의 정격 전류 대비 0.2배인 경우가 가장 긴,
    충전 장치의 동작방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전 펄스들 각각의 방전량은,
    상기 충전 펄스들 각각의 충전량 대비 0.04 내지 0.16배인,
    충전 장치의 동작방법.
  10. 이차 전지의 정격 용량 정보 및 상기 이차 전지의 활성화 시작 명령을 입력하는 입력 모듈;
    상기 이차 전지의 충전을 위한 충전 펄스들 및 상기 충전 펄스들 사이에 상기 이차 전지의 방전을 위한 방전 펄스들을 공급하는 충방전 모듈; 및
    상기 정력 용량 정보에 따라 상기 충전 펄스들의 충전 전류 및 상기 방전 펄스들의 방전 전류를 설정하고, 상기 활성화 시작 명령이 입력되는 활성화 시작 시점부터 상기 이차 전지로 상기 상기 충전 펄스들 및 상기 방전 펄스들을 서로 번갈아 공급되게 상기 충방전 모듈을 제어하는 제어 모듈을 포함하는,
    충전 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성화 시작 시점은,
    상기 이차 전지의 방전 상태에서 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase)층의 형성을 시작하기 위해 상기 충전 펄스들 중 첫번째 충전 펄스가 공급되는 시점인,
    충전 장치.
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