JP-2026514597-A - ガス捕集装置

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Abstract

本発明は、二次電池の内部で発生するガスを分析するのに適正なレベルの濃度に調節してサンプリング可能なガス捕集装置を提供する。

Inventors

ミンクク・ムン
キョン・ミン・キム
クァンヨン・パク
ナク・ヒ・チェ

Assignees

エルジーエナジーソリューションリミテッド

Dates

Publication Date: 20260512
Application Date: 20240904
Priority Date: 20231215

Claims (9)

電池からガスを抽出するガス抽出ユニットと、前記ガス抽出ユニットから抽出されたガスが伝達され、前記ガス抽出ユニットから抽出されたガスを拡散させるガス拡散空間を有するガス拡散ユニットと、前記ガス拡散ユニットから拡散されたガスが伝達され、拡散されたガスをサンプリングするガスサンプリング空間を有するサンプリングユニットと、前記ガス拡散ユニットを制御する制御ユニットと、を含み、前記ガス拡散空間のボリュームは可変であり、前記ガスサンプリング空間のボリュームは固定である、ガス捕集装置。
前記ガス抽出ユニットは、前記電池が収容されている電池収容空間を有するガス抽出チャンバ部と、前記電池収容空間に収容されている前記電池にガス抽出ホールを打孔するパンチング部と、を含む、請求項１に記載のガス捕集装置。
前記ガス拡散ユニットは、上下方向に対して垂直な平面からなるベースプレート部と、下端部が前記ベースプレート部に固定されており、上下方向に伸縮される円筒側壁部と、前記円筒側壁部の上端部に結合固定されており、上下方向に移動する垂直移動部と、前記垂直移動部の上下方向への移動をガイドするガイド支持部と、前記垂直移動部が上下方向に移動するための駆動力を提供する垂直駆動部と、を含み、前記ベースプレート部と、前記円筒側壁部と、前記垂直移動部とにより取り囲まれている空間が前記ガス拡散空間として形成されている、請求項２に記載のガス捕集装置。
前記ベースプレート部にはガス出入口が形成されており、前記ガス出入口を通じてガスが前記ガス拡散空間に注入または排出される、請求項３に記載のガス捕集装置。
前記円筒側壁部はベローズ構造である、請求項３に記載のガス捕集装置。
前記垂直移動部は、上下方向に延びている円筒状の胴体部材と、上下方向に対して垂直な平面からなり、底面に前記胴体部材の上端部が結合固定されている上板部材と、を含み、前記円筒側壁部の上端部は、前記上板部材の底面に結合固定されており、前記胴体部材は、前記円筒側壁部の内部に位置しており、前記ガス拡散空間は、前記胴体部材の下端部と、前記ベースプレート部の上面と、前記円筒側壁部の内周面とにより取り囲まれている空間として形成されている、請求項３から５のいずれか一項に記載のガス捕集装置。
前記垂直移動部が最低点に下降しているとき、前記胴体部材の下端部は、前記ベースプレート部の上面に接触しており、前記円筒側壁部の全ての内周面は、前記胴体部材の外周面に対面している、請求項６に記載のガス捕集装置。
前記上板部材は、ディスク状からなり、前記ガイド支持部は、上下方向に延びている円筒状からなり、前記ガイド支持部の内径は、前記上板部材の直径と同一であり、前記上板部材は、前記ガイド支持部の内周面と摺動しながらガイドされる、請求項６に記載のガス捕集装置。
前記ガイド支持部の下端部は、前記ベースプレート部の上面に固定されており、前記ガイド支持部の側面には、上下方向に延びているガイドホールが形成されており、前記垂直駆動部は、動力伝達部材であって、前記ガイドホールを通じて前記ガイド支持部の内部に挿入されている一端部と、前記ガイド支持部の外部に位置している他端部とを有し、前記上板部材の上面に結合されている動力伝達部材と、上下方向に延びており、前記動力伝達部材の他端部と結合されている垂直移動シャフトと、前記ベースプレート部に支持されており、前記垂直移動シャフトを上下方向に移動させる駆動アクチュエータと、を含む、請求項８に記載のガス捕集装置。

Description

本願は、２０２３年１２月１５日付の大韓民国特許出願１０－２０２３－０１８３１１４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全ての内容は、本明細書の一部として含まれる。本発明は、ガス捕集装置に係り、より詳細には、二次電池の内部で発生するガスを分析するのに適正なレベルの濃度に調節してサンプリングすることができるガス捕集装置に関する。二次電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する放電過程と、電気エネルギーを化学エネルギーに変換する充電過程と、を通じて繰り返し使用可能な電池であり、その種類としては、ニッケルカドミウム（Ｎｉ－Ｃｄ）電池、ニッケル水素（Ｎｉ－ＭＨ、Ｎｉｃｋｅｌ－ＭｅｔａｌＨｙｄｒｉｄｅ）電池、リチウム金属電池、リチウムイオン電池及びリチウムイオンポリマー電池（Ｌｉ－ｉｏｎＰｏｌｙｍｅｒＢａｔｔｅｒｙ）などが一般的に知られている。このような二次電池の中でも、高いエネルギー密度と電圧とを有し、サイクル寿命が長く、自己放電率が低いリチウム二次電池が商用化されて広く使われている。リチウム二次電池の内部では、充電・放電の反応によって水素、酸素、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、ＣｎＨ２ｎ－２（ｎ＝２～５）、ＣｎＨ２ｎ（ｎ＝２～５）、ＣｎＨ２ｎ＋２（ｎ＝１～５）である炭化水素及びその他の有機ガス種などの多種のガスが発生する。また、リチウム二次電池は、繰り返しの充電・放電の進行によって電解質が分解され劣化する過程で大量のガスが発生するが、このような態様は、電池の設計及び使用形態によって多様に表われる。したがって、電池の開発過程において、電池内部の発生ガスを分析し、電池の劣化メカニズムを類推することを必ず行わなければならない。したがって、二次電池内で発生するガスを捕集して正確に分析することが非常に重要である。リチウム二次電池の充電・放電時に発生する多様なガスの組成及び含量についての情報は、電池材料の開発、電池製造工程の最適化、電池不良原因の把握などにおいて有用である。そのため、二次電池内部の発生ガスを捕集する技術開発が重要である。二次電池の内部で発生するガスを分析するための方法の１つとして次のような過程が行われる。二次電池の内部から発生した分析対象ガスを捕集するために、二次電池のケースに打孔ホールを形成し、打孔ホールを通じて分析対象ガスを抽出する。抽出された分析対象ガスを密閉されたガス拡散空間に拡散させる。ガス拡散空間に拡散された分析対象ガスをサンプリング容器にサンプリングする。サンプリング容器にサンプリングされた分析対象ガスをＧＣ－ＭＳ（ＧａｓＣｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ－Ｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、ガスクロマトグラフィー質量分析）のようなガス分析装置に注入してガス分析を行う。上述のような過程において、ガス分析装置の感度は、分析対象ガスの濃度に影響を受けるが、分析対象ガスの濃度が過度に低ければ、正確な分析が難しい。分析対象ガスの濃度は、ガス拡散空間、サンプリング容器などを含むガス流路のボリュームによって決定される。正確な定量分析のためには、全体ガス分析システム内のガス拡散空間、ガス流路などの正確なボリューム値を把握しなければならないが、これは容易ではない。したがって、このようなガス分析システムのためのガス捕集技術が必要である。一実施形態によるガス捕集装置を示す概念図である。一実施形態によるガス拡散ユニットの側面図である。一実施形態によるガス拡散ユニットの縦断面を示す断面図である。一実施形態によるガス拡散ユニットの縦断面を示す断面図である。一実施形態によるガイド支持部を示す斜視図である。以下、添付の図面を参照して、本発明による実施形態を詳しく説明する。この過程で図面に示された構成要素の大きさや形状などは、説明の明瞭性と便宜上、誇張して示され得る。また、本発明の構成及び作用を考慮して特別に定められた用語は、ユーザ、運用者の意図または慣例によって変わり得る。このような用語に対する定義は、本明細書の全般にわたる内容に基づいて行われなければならない。本発明の説明において、留意しなければならない点は、「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「垂直」、「水平」、「内側」、「外側」、「一面」、「他面」などの用語が指示する方位または位置関係は、図面で示す方位または位置関係、あるいは、通常、本発明の製品使用時に配置する方位または位置関係に基づいたものであり、単に本発明の説明と簡略な説明のためのものであり、表示された装置または素子が、必ずしも特定の方位をもって、特定の方位で構成されるか、操作されなければならないということを意味または示唆するものではないため、本発明を限定すると理解されるものではない。図１は、一実施形態によるガス捕集装置を示す概念図である。図２は、一実施形態によるガス拡散ユニット１００の側面を示す平面図である。図３及び図４は、一実施形態によるガス拡散ユニット１００の縦断面を示す断面図である。図５は、一実施形態によるガイド支持部１４０を示す斜視図である。以下、図１から図５を参照して、本発明のガス捕集装置について詳しく説明する。ガス捕集装置は、円筒状二次電池または角型二次電池など、剛性ケースを有する二次電池を分析対象電池１１とすることができるが、これらに限定されない。ガス捕集装置は、二次電池の内部で発生するガス、すなわち、活物質、バインダー、添加剤、電解質などで発生するガスを捕集する。ガス捕集装置は、３つの密閉空間を含み得る。具体的には、電池収容空間２１１、ガス拡散空間１２１及びガスサンプリング空間からなり得る。ガス捕集装置において、電池収容空間２１１は、分析対象電池１１が収納される空間である。例えば、電池収容空間２１１において、分析対象電池１１は、ケースに打孔ホールが形成され得る。さらに、電池収容空間２１１において、分析対象電池１１の内部から発生した分析対象ガスが初めて分析対象電池１１から排出され、電池収容空間２１１では、状況に応じて、分析対象ガスと電解液とが混在している。ガス拡散空間１２１は、分析対象ガスの濃度及び圧力を調節する空間である。ガス拡散空間１２１のボリュームは、可変であってもよい。具体的には、制御ユニットによってガス拡散空間１２１のボリュームは制御され、分析対象ガスの濃度及び圧力は、分析に最適化された状態に調節される。ガスサンプリング空間は、最適化された状態の分析対象ガスを貯蔵する空間である。ガスサンプリング空間は、ＧＣ－ＭＳ、ＧＣ－ＰＤＤ（ＧａｓＣｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ－ＰｕｌｓｅｄＤｉｓｃｈａｒｇｅＤｅｔｅｃｔｏｒ、ガスクロマトグラフィーパルス放電検出器）、ＧＣ－ＴＣＤ（ＧａｓＣｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ－ＴｈｅｒｍａｌＣｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙＤｅｔｅｃｔｏｒ、ガスクロマトグラフィー熱伝導度型検出器）、ＧＣ－ＦＩＤ（ＧａｓＣｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ－ＦｌａｍｅＩｏｎｉｚａｔｉｏｎＤｅｔｅｃｔｏｒ、ガスクロマトグラフィー水素炎イオン化検出器）、ＦＴ－ＩＲ（ＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍＩｎｆｒａｒｅｄＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、フーリエ変換赤外分光）及びラマン分光器（ＲａｍａｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）などと連結される。図１及び図２に示したように、本発明のガス捕集装置は、分析対象電池１１の内部から分析対象ガスを抽出するガス抽出ユニット２００；ガス抽出ユニット２００から分析対象ガスが伝達されて拡散させるガス拡散空間１２１を有するガス拡散ユニット１００；ガス拡散空間１２１に拡散されたガスが伝達されてサンプリングするガスサンプリング空間を有するサンプリングユニット３００；及びガス拡散ユニット１００を制御する制御ユニット（図示せず）；を含む。制御ユニットは、ハードウェアとソフトウェアとが結合されており、ガス抽出ユニット２００、ガス拡散ユニット１００及びガスサンプリングユニット３００を制御するための演算装置である。ガス捕集装置において、ガス拡散空間１２１のボリュームは可変であり、電池収容空間２１１及びガスサンプリング空間のボリュームは固定されている。ガス捕集装置は、ガス拡散空間１２１と電池収容空間２１１とを別途の空間として設け、電解質にガスが再び溶解することを防止し、定量分析の正確性を向上させることができる。ガス捕集装置は、ガス拡散空間１２１のボリュームを、制御ユニットを通じて変動させながらガス拡散速度を制御し、ガスサンプリング空間においてサンプリングされる分析対象ガスの濃度を調節することができる。図１に示したように、ガス抽出ユニット２００は、内部に分析対象電池１１が収容される電池収容空間２１１が形成されるガス抽出チャンバ部２１０と、電池収容空間２１１に収容された分析対象電池１１のケースにガス抽出ホールを打孔するパンチング部２２０と、を含む。ガス抽出チャンバ部２１０の内部には、分析対象電池１１を定位置に固定するジグ（図示せず）が備えられ得る。さらに、ガス抽出チャンバ部２１０には、分析対象電池１１を加熱するためのヒーター、分析対象電池１１を冷却するためのチラー、分析対象電池１１に物理的力を加えるための衝撃手段または振動手段、分析対象電池１１を充電または放電するための充放電モジュールなどが備えられ得る。パンチング部２２０は、分析対象電池１１のケースを貫通するパンチングニードルを含み得る。パンチングニードルは、電池収容空間２１１に位置し、パンチング部２２０は、ガス抽出チャンバ部２１０の外部でパンチングニードルに駆動力を提供するための駆動手段をさらに含み得る。図２及び図３に示したように、ガス拡散ユニット１００は、上下方向に対して垂直な平面からなるベースプレート部１１０；下端部がベースプレート部１１０に固定され、上下方向に伸縮する円筒側壁部１２０；円筒側壁部１２０の上端部に結合固定され、上下方向に移動する垂直移動部１３０；垂直移動部１３０の上下方向への移動をガイドするガイド支持部１４０；及び垂直移動部１３０が上下方向に移動するための駆動力を提供する垂直駆動部１５０；を含む。ベースプレート部１１０、円筒側壁部１２０及び垂直移動部１３０で取り囲まれた空間がガス拡散空間１２１を形成する。ベースプレート部１１０は、上下方向に垂直な平面状のプレートであって、剛性材料のプレートである。例えば、ベースプレート部１１０の材料は、ＳＵＳ（ＳｔｅｅｌＵｓｅＳｔａｉｎｌｅｓｓ、ステンレス鋼）である。ベースプレート部１１０には、ガス出入口１１１が形成され、ガス出入口１１１を通じて分析対象ガスは、ガス拡散空間１２１に注入または排出される。ベースプレート部１１０の面積のうち、円筒側壁部１２０と対面する円状領域の中心にガス出入口１１１の中心が位置し得る。ガス出入口１１１には、サンプリングユニット３００及びガス抽出ユニット２００と連結される流路が連結される。ガス出入口１１１に連結される流路は、ホース、チューブ、配管などを含む。図１に示したように、ガス出入口１１１に連結される流路は、特定の地点から分岐し、それぞれサンプリングユニット３００及びガス抽出ユニット２００に分岐する。ガス出入口１１１と特定の地点との間を連結する流路に弁が設けられ、弁は、制御ユニットによって制御される。さらに、特定の地点とガス抽出ユニット２００とを連結する流路にも弁が設けられ、当該弁も、制御ユニットによって制御される。図１に示したように、サンプリングユニット３００は、内部に分析対象ガスが最適な圧力及び濃度にサンプリングされて貯蔵される空間であるガスサンプリング空間が形成されるサンプリング容器３２０と、サンプリング容器３２０を開閉する開閉弁３１０と、を含み得る。開閉弁３１０は、特定の地点から分岐した流路