(57)【要約】  本発明は、電池の活物質を分析するための活物質分析装置に関するものであって、充電または放電の間に電池の電極で活物質の構造を分析するための活物質分析装置を提供する。本発明の活物質分析装置は、電極が置かれる下板；電極を挟んで下板に結合する上板；上板及び下板の継手部分に位置する密閉部材；及び上板及び下板を結合する結合部材；を含み、上板は、電極に光源が照射されるようになった開口部を含み、上板及び下板の間の空間に電解液が満たされ、開口部は、ガラスで覆われ、上板は、電解液が形成する液面と対面し、液面よりもさらに高い位置に位置される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極が置かれる下板と、
前記電極を挟んで前記下板に結合する上板と、
前記上板及び前記下板の継手部分に位置する密閉部材と、
前記上板及び前記下板を結合する結合部材と、を含み、
前記上板は、前記電極に光源が照射されるようになった開口部を含み、
前記上板及び前記下板の間の空間に電解液が満たされ、
前記開口部は、ガラスで覆われ、
前記上板は、前記電解液が形成する液面と対面し、前記液面よりもさらに高い位置に位置される、活物質分析装置。
【請求項２】
前記電極に電気的に接続される充放電端子をさらに含み、
前記充放電端子は、前記上板を貫通して前記充放電端子の下端部が前記電極または前記電極から延びるリードタップに接触される、請求項１に記載の活物質分析装置。
【請求項３】
前記上板及び前記下板が、テフロン（登録商標）、ポリイミド及び高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）からなる群から選択される１つ以上で形成された、請求項１または２に記載の活物質分析装置。
【請求項４】
前記電極の活物質が、ＬＴＯ（Ｌｉ１４Ｔｉ１５Ｏ１２）、ＮＭＣ（Ｌｉ［ＣｏＭｎＮｉ］Ｏ２）、ＬＣＯ（ＬｉＣｏＯ２）、ＮＣＭ（Ｌｉ［Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ］Ｏ２）、ＮＣＡ（Ｌｉ［Ｎｉ，Ｃｏ，Ａｌ］Ｏ−２）、ＬＭＯ（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、ＬＦＰ（ＬｉＦｅＰＯ４）またはＬＣＰを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の活物質分析装置。
【請求項５】
前記電極の活物質が、黒鉛、Ｓｉ／Ｇｒａｐｈｉｔｅ、Ｓｉ−Ｏｘｉｄｅ、Ｓｉ  ｂａｓｅ、Ｌｉ、Ｓｉ−Ｓｎ、ＬｉｘＭｙＮ２、Ｌｉ２．６ＣｏＯ０．４Ｎ、ＴｉまたはＶを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の活物質分析装置。
【請求項６】
前記結合部材によって、前記上板と前記下板との間隔は調節される、請求項１から５のいずれか一項に記載の活物質分析装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の活物質分析装置を用いて充電または放電中の活物質の構造変化をリアルタイムで分析する、活物質分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１８年９月１９日付の大韓民国特許出願１０−２０１８−０１１１９６７号及び２０１９年９月１７日付の大韓民国特許出願１０−２０１９−０１１４２１８号に基づいた優先権の利益を主張し、当該大韓民国特許出願の文献に開示されたあらゆる内容は、本明細書の一部として含まれる。
【０００２】
本発明は、電池の活物質を分析するための活物質分析装置に係り、充電または放電の間に電池の電極で活物質の構造を分析するための活物質分析装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
二次電池の主要構成物質としては、活物質、バインダー（ｂｉｎｄｅｒ）、導電材、気孔などを含み、そのうち、活物質の構造は、電池の効率と大きな関連がある。具体的に、活物質は、反復的な充放電による体積変化によって結晶構造の急激な相転移が表われて、反応が遅くなり、電池の出力が低下し、寿命が短くなる。
【０００４】
リチウム−イオン乾電池（Ｌｉ−ｉｏｎ  ｂａｔｔｅｒｙ）などを含む二次電池の容量を改善するために、主要活物質の構造を評価する多様な方法が存在する。従来の活物質分析方法のうち、ラマン（ｒａｍａｎ）分光法は、局部的な部位の測定が可能であり、測定方法が容易であるという長所として多く活用されている。このような一般的な評価方法は、特定の電圧（ｖｏｌｔａｇｅ）で充放電させた電池を開封して活物質を評価する方法である。しかし、安定上の問題によって、直接に行いにくく、活物質の構造をリアルタイムで分析しにくいという問題点がある。
【０００５】
したがって、二次電池の効率を向上させるために、活物質の構造をリアルタイムで分析するための装置開発が必須である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、電池の活物質を分析するための活物質分析装置に関するものであって、充電または放電の間に電池の電極で活物質の構造を分析するための活物質分析装置を提供することである。
【０００７】
本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した技術的課題に制限されず、言及されていないさらに他の技術的課題は、下記の記載から当業者に明確に理解されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の活物質分析装置は、電極が置かれる下板；前記電極を挟んで前記下板に結合する上板；前記上板及び前記下板の継手部分に位置する密閉部材；及び前記上板及び前記下板を結合する結合部材；を含み、前記上板は、前記電極に光源が照射されるようになった開口部を含み、前記上板及び前記下板の間の空間に電解液が満たされ、前記開口部は、ガラスで覆われ、前記上板は、前記電解液が形成する液面と対面し、前記液面よりもさらに高い位置に位置されるものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の方法によれば、二次電池素材の合成過程または充放電過程中に活物質に対するリアルタイム分析が可能なので、電極素材の反応、劣化及び安定性阻害機序の分析と改善方向とを設定することができる。また、活物質に対する最適の構造設計を通じて活用度を向上させることによって、二次電池の容量を相当量改善させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の活物質分析装置の分解状態を示す斜視図である。
【図２】本発明が活物質分析装置が組み立てられた状態を示す斜視図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面を示す断面図である。
【図４】充放電カーブ（ｃｕｒｖｅ）を示すグラフである。
【図５】活物質に対するリアルタイムラマンスペクトル結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の活物質分析装置は、電極が置かれる下板；前記電極を挟んで前記下板に結合する上板；前記上板及び前記下板の継手部分に位置する密閉部材；及び前記上板及び前記下板を結合する結合部材；を含み、前記上板は、前記電極に光源が照射されるようになった開口部を含み、前記上板及び前記下板の間の空間に電解液が満たされ、前記開口部は、ガラスで覆われ、前記上板は、前記電解液が形成する液面と対面し、前記液面よりもさらに高い位置に位置されるものである。
【００１２】
本発明の活物質分析装置は、前記電極に電気的に接続される充放電端子をさらに含み、前記充放電端子は、前記上板を貫通して前記充放電端子の下端部が前記電極または前記電極から延びるリードタップに接触されるものである。
【００１３】
本発明の活物質分析装置は、前記上板及び前記下板が、テフロン（ｔｅｆｌｏｎ）（登録商標）、ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）及び高密度ポリエチレン（ｈｉｇｈ−ｄｅｎｓｉｔｙ  ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＨＤＰＥ）からなる群から選択される１つ以上で形成されたものである。
【００１４】
本発明の活物質分析装置は、前記電極の活物質が、ＬＴＯ（Ｌｉ１４Ｔｉ１５Ｏ１２）、ＮＭＣ（Ｌｉ［ＣｏＭｎＮｉ］Ｏ２）、ＬＣＯ（ＬｉＣｏＯ２）、ＮＣＭ（Ｌｉ［Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ］Ｏ２）、ＮＣＡ（Ｌｉ［Ｎｉ，Ｃｏ，Ａｌ］Ｏ−２）、ＬＭＯ（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、ＬＦＰ（ＬｉＦｅＰＯ４）またはＬＣＰ（ｌｉｔｈｉｕｍ  ｃｏｂａｌｔ  ｐｈｏｓｐｈａｔｅ）を含むものである。
【００１５】
本発明の活物質分析装置は、前記電極の活物質が、黒鉛（ｇｒａｐｈｉｔｅ）、Ｓｉ／Ｇｒａｐｈｉｔｅ、Ｓｉ−Ｏｘｉｄｅ、Ｓｉ  ｂａｓｅ、Ｌｉ、Ｓｉ−Ｓｎ、ＬｉｘＭｙＮ２、Ｌｉ２．６ＣｏＯ０．４Ｎ、ＴｉまたはＶを含むものである。
【００１６】
本発明の活物質分析装置は、前記結合部材によって、前記上板と前記下板との間隔が調節されるものである。
【００１７】
本発明による活物質分析装置を用いて充電または放電中の活物質の構造変化をリアルタイムで分析するものである。
【００１８】
本発明は、多様な変換を加え、さまざまな実施形態を有することができるので、特定実施形態を例示し、詳細な説明で詳細に説明する。しかし、これは、本発明を特定の実施形態で限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる、あらゆる変換式、均等式または代替式を含むものと理解しなければならない。本発明を説明するに当って、関連した公知技術についての具体的な説明が、本発明の要旨を不明にする恐れがあると判断される場合、その詳細な説明を省略する。
【００１９】
本明細書において、ある構成要素が、他の構成要素に「連結されて」、または「接続されて」いるという記載は、その他の構成要素に直接に連結または接続されていても、または中間に他の構成要素が存在していても良いということを理解しなければならない。
【００２０】
単数の表現は、取り立てて明示しない限り、複数の表現を含む。
【００２１】
本明細書に使われる用語のうち、「含む」、「備える」または「有する」などの表現は、明細書上に記載の特徴、数値、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組合わせが存在するということを称するものであり、言及されていない他の特徴、数値、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組合わせの存在、または付加可能性を排除しない。
【００２２】
以下、本発明の具現例による活物質分析装置についてより詳細に説明する。
【００２３】
図１及び図２に示したように、本発明の活物質分析装置は、電極２が置かれる下板１０；前記電極２を挟んで前記下板１０に結合する上板２０；前記上板２０及び前記下板１０の継手部分に位置する密閉部材３０；及び前記上板２０及び前記下板１０を結合する結合部材４０；を含みうる。
【００２４】
前記上板２０及び前記下板１０の間の空間に電解液が満たされ、前記上板２０は、前記電極２に光源が照射されるようになった開口部５０を含み、前記開口部５０は、ガラスで覆われる。
【００２５】
一具現例によれば、前記上板２０の開口部５０、すなわち、ガラスで構成された部分を通じてラマンスペクトル分析を実施することができる。前記開口部５０（ガラスで構成された部分）は、上板２０の中心一部に透明な窓の形態で形成され、その位置及び形態は、適切に変形することができる。例えば、開口部５０は、上板２０と下板１０との間に位置する電極２と対面する位置に形成されうる。
【００２６】
本発明の活物質分析装置は、電極２を上板２０及び下板１０が互いに対面するように結合して形成される空間に収容することができる。すなわち、上板２０と下板１０は、電極２を挟んで結合することができる。
【００２７】
したがって、電極２を上板２０及び下板１０が結合することにより、形成される密閉空間に配置させることができる。前記上板２０と前記下板１０との連結部位には、水分の露出を最小化するために、密閉部材３０を備えることができる。密閉部材３０は、例えば、Ｏリング（ｏ−ｒｉｎｇ）である。上板２０と下板１０は、結合部材４０で互いに結合され、結合部材４０は、例えば、調節ネジである。上板２０と下板１０との間の空間には、電解液が満たされる。
【００２８】
電極２が収容される空間は、上板２０または下板１０に形成される溝によって形成されるか、密閉部材３０の厚さによる上板２０と下板１０との間に形成される間隔によって形成されうる。
【００２９】
本発明による活物質分析装置を用いてポーチ形態のポリマー電池に対して、充電または放電の間の活物質の構造変化を分析することができる。一具現例によれば、前記モノセル形態のポリマー電池の電極２が活物質分析装置の内部に収容され、上板２０と下板１０との間の空間に電解液が満たされる。電極２に電気的に接続される充放電端子６０は、上板２０を貫通して充放電端子６０の下端部が電極２または電極２から延びるリードタップに接触される。
【００３０】
すなわち、充放電端子６０の下端部は、上板２０よりもさらに下向きに突出し、充放電端子６０の上端部は、上板２０よりもさらに上側に突出する。充放電端子６０は、通電可能な導電性物質である。
【００３１】
図３に示したように、電極２は、負極と正極とを含み、［負極］−［分離膜］−［正極］順に積層された状態であって、電極２は、上板２０と下板１０との間に位置しうる。充放電端子６０は、負極と電気的に連結されるものと正極と電気的に連結されるものとがそれぞれ設けられうる。例えば、充放電端子６０は、２個で設けられうる。
【００３２】
また、充放電端子６０は、電極２のリードタップに接触される。充放電端子６０は、電極２に直接接触されてもよいが、電極２と電気的に連結され、電極２から突出して延びるリードタップに接触されてもよい。
【００３３】
充放電器（図示せず）と連結された電気ケーブルが、前記上板２０の充放電端子６０の上端部に連結され、それにより、電極２に電源が連結される。充放電端子６０が上板２０に位置することによって、電解液の漏れを最小化することができる。
【００３４】
敷衍すれば、充放電端子６０が、電解液が形成する液面よりもさらに低い位置に配される構造物を貫通して電極２と充放電器とを電気的に連結すれば、充放電端子６０が貫通する穴によって電解液が漏れる恐れがある。しかし、本発明は、電極２に接続するための充放電端子６０が貫通する上板２０を電解液が形成する液面よりもさらに上部に位置させることにより、電解液漏れの恐れを防止した。
【００３５】
一具現例によれば、活物質分析装置の上板２０及び下板１０は、電気伝導性が低いテフロン（登録商標）、ポリイミド及び高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）からなる群から選択される１つ以上の物質で形成されうる。このような物質は、電極２に充電または放電する電気が上板２０または下板１０への通電を防止し、化学的に安定しているために、追加的な絶縁シートなどの構成を必須的に要しない。
【００３６】
一具現例によれば、前記電極２の活物質は、ＬＴＯ（Ｌｉ１４Ｔｉ１５Ｏ１２）、ＮＭＣ（Ｌｉ［ＣｏＭｎＮｉ］Ｏ２）、ＬＣＯ（ＬｉＣｏＯ２）、ＮＣＭ（Ｌｉ［Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ］Ｏ２）、ＮＣＡ（Ｌｉ［Ｎｉ，Ｃｏ，Ａｌ］Ｏ−２）、ＬＭＯ（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、ＬＦＰ（ＬｉＦｅＰＯ４）またはＬＣＰを含みうる。
【００３７】
また、前記活物質は、炭素、シリコン（Ｓｉ）系素材、窒化物、チタン（Ｔｉ）系素材またはバナジウム（Ｖ）系素材を含みうる。具体的に、例えば、黒鉛、Ｓｉ／Ｇｒａｐｈｉｔｅ、Ｓｉ−Ｏｘｉｄｅ、Ｓｉ  ｂａｓｅ、Ｌｉ、Ｓｉ−Ｓｎ、ＬｉｘＭｙＮ２、Ｌｉ２．６ＣｏＯ０．４Ｎ、Ｌ４Ｔｉ５Ｏ１２またはＬｉ１．１Ｖ０．９Ｏ２を含みうる。
【００３８】
一方、本発明は、前述したことに限定されず、下板１０上に電極２を含むポーチ型の電池を載せ、電解液は満たさずに上板２０と下板１０とを結合し、充放電器を上板２０の充放電端子６０に連結して充放電しながら、ラマンスペクトル分析を実施することができるなど、本発明が具現される環境によって、多様に変形、変更することができる。
【００３９】
結合部材４０は、ボルト（ｂｏｌｔ）である。上板２０には、結合部材４０が貫通することができる貫通ホールが設けられうる。下板１０には、上板２０の貫通ホールに対面する位置に結合部材４０が挿入される挿入ホールまたは挿入溝が設けられうる。貫通ホール、挿入ホールまたは挿入溝は、複数で設けられうる。挿入溝または挿入ホールの内周面には、ネジ山が形成され、挿入溝または挿入ホールは、結合部材４０とネジ結合ができる。貫通ホールには、内周面にはネジ山がなくて、結合部材４０が貫通ホールを貫通時に、柔らかに摺動される。
【００４０】
複数の貫通ホールは、上板２０の縁部に隣接した位置に形成されうる。挿入ホールまたは挿入溝は、下板１０上に密閉部材３０が配される位置よりもさらに縁部に形成されうる。
【００４１】
本発明の活物質分析装置を用いて充電または放電中の活物質の構造変化をリアルタイムで分析することができるので、電池を開発するための研究に有用に適用することができる。
【００４２】
以下、当業者が容易に実施できるように、本発明の実施例について詳しく説明する。しかし、本発明は、さまざまな異なる形態として具現可能であり、ここで説明する実施例に限定されるものではない。
【００４３】
実施例１
上板及び下板をテフロン（登録商標）材で製造した。具体的に、前記上板の中央の開口部は、分光法測定のために、円状のガラスで構成し、上板と下板との連結部位には、密閉部材を配置した。
【００４４】
正極がＬｉＣｏＯ２、負極がＳｉ／Ｇｒａｐｈｉｔｅで構成されたポリマー電極を下板上に載せ、下板と上板とを合紙させるために、結合部材で結合した。
【００４５】
実験例１：活物質の構造変化の分析
充放電の間に電池の活物質の構造変化を分析するために、実施例１において、前記ポリマー電極に電流を加えた。電池の充放電の間に上板にガラスで覆われた開口部を通じてラマン分光器（ａｌｍｅｇａ  ＸＲ、ｔｈｅｒｍｏ社、Ｌａｓｅｒ：５３２ｎｍ、Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ：５０Ｘ（Ｌｏｎｇ  ｗｏｒｋｉｎｇ  ｄｉｓｔａｎｃｅ））でラマンスペクトル（Ｒａｍａｎ  ｓｐｅｃｔｒｕｍ）を得て、リアルタイムで負極活物質の構造変化を確認した。
【００４６】
充放電カーブは、図４に、ラマンスペクトル結果は、図５に示した。
【００４７】
図４に示されたように、初期試料では、１５７５ｃｍ−１でＧ−ｂａｎｄが表われることに反して、電圧が３．７０Ｖに増加すれば、Ｇ−ｂａｎｄのブルーシフト（ｂｌｕｅ  ｓｈｉｆｔ）現象が表われることを確認することができる。このような結果は、グラファイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）のグラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）シート層状構造の間にＬｉ＋が徐々に挿入（ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ）されて、グラフェンシートの間の間隔が広がるにつれて表われた結果である。
【００４８】
また、３．７５ＶでグラファイトのＧ−ｂａｎｄが１５７０（Ｅ２ｇ２（ｉ））と１５９５ｃｍ−１（Ｅ２ｇ２（ｂ））とに２個のバンド（ｂａｎｄ）に分けられることを確認することができるが、これは、Ｌｉ＋がグラファイトの隣接したグラフェンシートの間に徐々に挿入されながら表われるバンドであることが分かる。
【００４９】
また、３．８４Ｖ以上の電圧では、Ｅ２ｇ２（ｉ）とＥ２ｇ２（ｂ）バンドの強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）は徐々に減少し、１５８８ｃｍ−１で新たなバンドが表われるが、これは、ほとんどのグラフェンシートにＬｉ＋が挿入されることが分かる結果である。
【００５０】
前記のように、本発明の活物質分析装置を用いて電池の充放電の間に活物質の構造変化をリアルタイムで簡単かつ容易に確認することができる。
【００５１】
以上、本発明の内容の特定の部分を詳しく記述したところ、当業者において、このような具体的な記述は、単に望ましい実施形態であり、これにより、本発明の範囲が制限されるものではないという点は明白である。したがって、本発明の実質的な範囲は、下記の特許請求の範囲とそれらの等価物とによって定義される。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の方法によれば、二次電池素材の合成過程または充放電過程中に活物質に対するリアルタイム分析が可能なので、電極素材の反応、劣化及び安定性阻害機序の分析と改善方向とを設定することができる。また、活物質に対する最適の構造設計を通じて活用度を向上させることによって、二次電池の容量を相当量改善させることができる。
【図１】
2021506079.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2021506079.tif 000007
【国際調査報告】
2021506079.tif 000008
2021506079.tif 000009
2021506079.tif 000010
2021506079.tif 000011