CN110168772A - 包括排气引导装置的袋形二次电池 - Google Patents

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Abstract

在此公开了一种袋形二次电池，该袋形二次电池配置成使得电极组件容纳在袋形电池壳体中，电极组件具有其中正极、隔膜和负极按顺序堆叠的结构，其中该袋形二次电池包括放置在袋形电池壳体中的排气引导装置，排气引导装置配置成利用在袋形电池壳体中的压力增大时被触发的弹性构件在袋形电池壳体中形成用于排出气体的通孔。

Description

包括排气引导装置的袋形二次电池
技术领域
本申请要求于2017年8月29日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第2017-0109716号的权益，通过引用将该韩国专利申请的全部内容结合在此。
本发明涉及一种包括排气引导装置的袋形二次电池，更具体地，涉及一种包括设置在袋形电池壳体中的排气引导装置的袋形二次电池，该排气引导装置配置成利用被触发的弹性构件在袋形电池壳体中形成用于排出气体的通孔。
背景技术
随着移动装置不断发展并且对这种移动装置的需求增加，对作为这种移动装置的能源的二次电池的需求也急剧增加。因此，已经对满足各种需求的电池进行了大量研究。
基于电池壳体的形状，锂二次电池可分为圆柱形电池、棱柱形电池和袋形电池。圆柱形电池是配置成具有其中电极组件安装在金属罐中的结构的电池。棱柱形电池也是配置成具有其中电极组件安装在金属罐中的结构的电池。袋形电池是配置成具有其中电极组件通常安装在由铝层压片制成的袋形电池壳体中的结构的电池。在这些电池单元之中，能够以高集成度堆叠、具有较高的每单位重量的能量密度、廉价且能够易于变形的袋形电池单元吸引了相当大的关注。
每个都具有柔软的外壳构件的袋形电池的主要研究项目之一是提高袋形电池的安全性。因二次电池的异常状态导致的二次电池中的高温和压力，锂二次电池可能爆炸，二次电池的异常状态为诸如二次电池中的短路、高于允许电流或电压情况下二次电池的过度充电、二次电池暴露于高温、或者由于掉落或具有施加至此的外部冲击引起的二次电池的变形。
作为防止电池爆炸从而保证电池安全的尝试的示例，韩国专利申请公开第2015-0121912号公开了一种利用配置成在电池单元中的压力增大时收缩的弹性构件来在袋中形成孔的袋穿透装置。
根据上述技术，当板由于二次电池中产生的气体而向上移动时，穿透构件也向上移动，从而穿透袋穿透装置的外壳构件和二次电池的袋，以便排出气体。由于二次电池中的气体压力，板向上移动以使弹性构件收缩。板移动的方向与弹性构件由于自身弹力而恢复的方向彼此相反。因此，为了使穿透构件穿透二次电池的袋，需要大幅增加的压力。由于该原因，可能无法在期望的压力下形成通孔，结果无法从二次电池充分地排出气体。
韩国专利申请公开第2016-0147145号公开了一种二次电池，该二次电池包括设置在电极引线上的用于对袋穿孔的破裂部件，以便在袋膨胀时将气体排出到外部。
上述技术仅适用于配置成在电极引线中形成用于容纳破裂部件的容纳孔的二次电池。因此，该技术不适用于包括常规电极引线的二次电池。
日本专利申请公开第2011-044332号公开了一种层压外壳的电能存储装置，该电能存储装置配置成，在袋形电池单元的密封部分的非接合区域处设置配置成对外壳膜穿孔的板。
上述技术需要设置加热块以便在形成密封部分时特别形成非接合区域以及去除加热块的工序。由于该原因，难以将该技术应用于制造常规袋形电池的工序。
日本专利申请公开第2011-233604号公开了一种附接到袋的外表面，以在袋膨胀时打开袋中的开口的内部压力释放装置。然而，由于内部压力释放装置固定到袋的外部，因此难以调节为了使内部压力释放装置穿透袋而需要的膨胀的程度，从而难以在期望条件下引导气体从袋排出。
因此，对能够防止由于二次电池中产生的气体而引起的袋形二次电池的爆炸、能够应用于常规袋形二次电池、能够防止二次电池的整体体积增加并由此防止二次电池的容量减小的技术有强烈的需求。
发明内容
技术问题
鉴于上述问题而做出本发明，本发明的目的是提供一种包括设置在袋形电池壳体中的排气引导装置的二次电池，该排气引导装置配置成利用在袋形电池壳体中的压力增大时进行操作的弹性构件在袋形电池壳体中形成通孔。
此外，排气引导装置设置在袋形二次电池中。因此，可提供一种配置成使得二次电池的整体尺寸不会增大并且使得防止二次电池的容量减小的袋形二次电池。
技术方案
根据本发明的一个方面，可通过提供一种袋形二次电池实现上述目的和其他目的，该袋形二次电池配置成使得电极组件容纳在袋形电池壳体中，所述电极组件具有其中正极、隔膜和负极按顺序堆叠的结构，其中所述袋形二次电池包括设置在所述袋形电池壳体中的排气引导装置，所述排气引导装置配置成利用在所述袋形电池壳体中的压力增大时被触发的弹性构件在所述袋形电池壳体中形成用于排出气体的通孔。
根据本发明的袋形二次电池配置成具有其中排气引导装置设置在袋形电池壳体中的结构。具体地说，排气引导装置设置在袋形电池壳体中界定的被不必要地浪费的死区中，由此可防止袋形电池壳体的整体尺寸增加。
此外，排气引导装置包括在袋形电池壳体中的压力由于袋形电池壳体中产生的气体而增大时被触发的弹性构件。因此，在袋形电池壳体由于其膨胀而爆炸之前，可在袋形电池壳体中快速地形成用于排出气体的通孔，从而可提供具有提高的安全性的二次电池。
此外，排气引导装置可容纳在常规袋形二次电池中界定的空间中。因此，不需要将根据本发明的排气引导装置应用于二次电池的额外装置。此外，可避免仅选择性地应用于特定形状的构件。
在一具体示例中，所述排气引导装置可包括：
压力感测构件，所述压力感测构件配置成由于所述袋形电池壳体的体积增大而收缩；
与所述压力感测构件连通的触发器，所述触发器配置成在所述压力感测构件收缩时移动到所述压力感测构件中；
弹性构件，所述弹性构件在被拉伸的状态下被所述触发器固定；
穿透构件，所述穿透构件配置成在所述弹性构件收缩时穿透所述袋形电池壳体，以便在所述袋形电池壳体中形成开口；以及，
用于容纳所述弹性构件的壳体，所述壳体设置有触发器移动通路和穿透构件移动通路。
就是说，压力感测构件由能够根据压力感测构件内部的压力与压力感测构件外部的压力之间的差异而收缩和膨胀的材料制成。假定压力感测构件内部的压力与压力感测构件外部的压力之间没有差异的状态是正常状态，压力感测构件可配置成在压力感测构件外部的压力高于压力感测构件内部的压力时收缩，并且在压力感测构件外部的压力低于压力感测构件内部的压力时膨胀。
因此，在袋形电池单元中的压力由于电池单元中产生的气体而增大的情况下，压力感测构件外部的压力变为高于压力感测构件内部的压力，从而压力感测元件收缩。此时，与压力感测构件连通的触发器移动到压力感测构件中。结果，弹性构件的固定状态通过触发器的移动而被释放。
如上所述，当从处于拉伸状态的所述弹性构件移开所述触发器时，所述弹性构件由于自身弹力而收缩，由此弹性构件恢复到其原始状态。响应于弹性构件的移动，穿透构件朝向袋形电池壳体移动。
在所述穿透构件与所述弹性构件相邻设置的状态下，当所述弹性构件收缩时，所述穿透构件在与所述袋形电池壳体的平面垂直的方向上移动，以便形成所述开口。
具体地说，在与弹性构件固定到壳体的方向相反的方向上锥形构件连接到弹性构件的一端，锥形构件配置成使得锥形构件的垂直剖面朝向弹性构件逐渐减小。当弹性构件收缩时，锥形构件可将穿透构件推向袋形电池壳体。
弹性构件的材料没有特别限制，只要弹性构件能够在被拉伸的状态下由于触发器的操作而收缩即可。在一具体示例中，弹性构件可以是弹簧或橡胶件。
壳体可具有立方体结构或圆柱体结构。在壳体具有立方体结构的情况下，壳体可优选是长方体，并且触发器和压力感测构件可附接到壳体的长轴方向上的四个表面中的至少一个表面。在壳体具有圆柱体结构的情况下，一个或多个触发器和压力感测构件可附接到壳体的圆柱体表面。
考虑到在壳体中容纳线性弹性构件的事实，在平面图中观看时，排气引导装置可具有包括相对长的长轴和相对短的短轴的结构。可考虑到二次电池的体积增大来设定具有上述结构的排气引导装置在袋形电池壳体中的位置。
在排气引导装置设置在与电极组件的电极端子伸出的方向相邻的电极组件的侧表面的情况下，电池单元的整体尺寸增大，这是不期望的。
因此，优选地，排气引导装置容纳在袋形电池壳体中，使得壳体的长轴方向平行于电极组件的伸出电极端子的侧表面。
通常，在电极组件配置成具有其中多个电极接片连接到单个电极引线的结构，如堆叠型电极组件的情况下，电极接片与电极引线之间的连接部在构成V形(V-form)的同时在电池壳体中占据了预定的体积。未被电极接片和电极引线占据的电池壳体的剩余部分是空的。因此，为了实现排气引导装置的简易安装并且防止二次电池的体积增大和二次电池的容量减小，进一步优选的是，排气引导装置与袋形电池壳体中的电极接片和电极引线之间的连接部相邻设置。
在排气引导装置未被固定在二次电池中的情况下，穿透构件的位置可改变，结果导致即使在弹性构件被触发时也不会形成用于排出气体的开口。在一具体示例中，构成排气引导装置的壳体可被袋形电池壳体的密封部分固定。具体地说，在密封袋形二次电池的步骤中，可在将排气引导装置的一部分设置在待密封部分处的状态下执行密封。
考虑到由于其膨胀而导致袋形电池壳体爆炸的袋形电池壳体的压力极限通常为大约3bar的事实，优选在压力小于上述压力的范围内形成用于排出气体的开口。因此，使压力感测构件收缩以触发弹性构件的袋形电池壳体的内部压力范围可从2bar至小于3bar。
为了在袋形电池壳体中的压力增大时形成用于排出气体的开口，触发器必须移动到压力感测构件中。为此，压力感测构件必须收缩。因此，优选的是，压力感测构件中的压力低于处于膨胀状态的袋形电池壳体中的压力。
在一具体示例中，考虑到在由于袋形二次电池的异常操作而引起电池壳体膨胀的情况下需要实现快速排出气体的事实，单个排气引导装置可包括两个或更多个穿透构件，并且可在壳体中形成至少两个穿透构件移动通路。
此外，单个袋形二次电池可包括两个或更多个排气引导装置。具体地说，在正极端子和负极端子在相反方向上伸出的结构中，排气引导装置可设置在正极端子的相对两侧，可设置在负极端子的相对两侧，或者可设置在正极端子的相对两侧和负极端子的相对两侧。
根据本发明的另一个方面，提供了一种包括袋形二次电池的电池组。
具体地说，电池组可用作需要耐高温的能力、长周期、高速率特性等的装置的电源。该装置的具体例子可包括移动电子装置(mobile device)、可穿戴电子装置(wearabledevice)、由电池供电的电动机驱动的电动工具(power tool)、诸如电动车辆(ElectricVehicle,EV)，混合动力电动车辆(Hybrid ElectricVehicle,HEV)或插电式混合动力电动车辆(Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV)之类的电动汽车、诸如电动自行车(E-bike)或电动滑板车(E-scooter)之类的电动两轮车、电动高尔夫球车(electric golfcart)和电力存储系统(PowerStorage System)。然而，本发明不限于此。
该装置的结构和制造方法在本发明所属领域中是已知的，将省略其详细描述。
附图说明
图1是显示根据本发明一实施方式的包括排气引导装置的袋形二次电池的平面图。
图2是显示图1的排气引导装置的操作的前视图。
图3是显示根据本发明另一实施方式的排气引导装置在操作之前的透视图。
图4是显示图3的排气引导装置在操作之后的透视图。
图5是显示根据本发明另一实施方式的包括排气引导装置的袋形二次电池的平面图。
图6是显示根据本发明又一实施方式的包括排气引导装置的袋形二次电池的平面图。
具体实施方式
现在，将参照附图详细描述本发明的优选实施方式，以使本发明所属领域的普通技术人员能够容易实施本发明的优选实施方式。然而，在详细描述本发明的优选实施方式的操作原理时，当并入于此的已知功能和构造的详细描述可能使本发明的主题模糊不清时，将省略其详细描述。
只要可能，将在整个附图中使用相同的参考标记指代执行相似功能或操作的部分。另外，在本发明下面的描述中一个部分“连接”至另一个部分的情况下，该一个部分不仅可直接连接至该另一个部分，而且该一个部分还可经由另外的部分间接连接至该另一个部分。此外，“包括”某个元件是指不排除其他元件，而是可进一步包括其他元件，除非有相反说明。
图1是显示根据本发明一实施方式的包括排气引导装置的袋形二次电池的平面图，图2是显示图1的排气引导装置的操作的前视图。
参照图1和图2，外边缘103被密封的袋形二次电池100包括上壳体(未示出)和下壳体108。袋形二次电池100在其中部设置有电极组件容纳单元107，电极组件容纳单元107配置成具有容纳电极组件101的凹陷结构。电极组件101配置成具有正极接片105a和负极接片105b在相同方向上伸出的结构。正极引线102a连接至正极接片105a的外端，负极引线102b连接至负极接片105b的外端。正极引线102a和负极引线102b延伸到电池壳体之外。
正极接片和负极接片可在相同方向上或在不同方向上伸出。
由于电极接片105a和105b以及电极引线在电极接片伸出的方向上的电极接片和电极引线之间的连接部处弯折，所以电极组件和电池壳体在彼此分隔开一距离的状态下彼此面对，所述距离对应于电极接片与电极引线之间的每个连接部的长度。
排气引导装置110设置在电极组件与电池壳体之间界定的空间中的未设置有电极接片和电极引线的部分中。
排气引导装置110包括：配置成响应于袋形电池壳体的体积增大而收缩的压力感测构件111；与压力感测构件111连通的触发器112，触发器112配置成在压力感测构件收缩时移动到压力感测构件111中；在被拉伸的状态下被触发器固定的弹性构件113；配置成在弹性构件收缩时穿透袋形电池壳体以便形成开口的穿透构件114；以及用于容纳弹性构件113的壳体115，壳体设置有触发器移动通路118和穿透构件移动通路117。
在弹性构件被拉伸的状态下，弹性构件113的一端连接并固定到壳体115的一个表面，并且弹性构件113的另一端连接到锥形构件116。
压力感测构件111设置在壳体115的外表面上，并且连接到压力感测构件111的触发器112通过壳体中的触发器移动通路118延伸到壳体115中。触发器112在弹性构件被拉伸的状态下将弹性构件113固定。触发器设置在连接到弹性构件113的另一端的锥形构件116与弹性构件113之间的连接部处，以便固定锥形构件116，使得锥形构件不能移动。
当由于电池壳体的膨胀而引起压力感测构件111外部的压力变得高于压力感测构件111内部的压力时，压力感测构件111收缩，结果导致附接到压力感测构件111的触发器112朝向压力感测构件111移动。
作为触发器112移动的结果，锥形构件116的固定状态被释放，因此弹性构件113收缩。此时，锥形构件116也在弹性构件113收缩的方向上移动。由于锥形构件116移动并且同时锥形构件116的倾斜表面将穿透构件114的倾斜表面推向壳体115的外部，因此穿透构件114在经过穿透构件移动通路117的同时在与弹性构件收缩的方向垂直的方向上朝向壳体的外部移动。
因此，穿透构件114在与袋形电池壳体的平面垂直的方向上穿透袋形电池壳体(未示出)，以便形成用于排出气体的开口。
壳体115安装在电池壳体中，使得壳体115在长轴方向A上的侧表面与电极组件在电极接片伸出的方向上的侧表面相对。壳体115的与电池壳体的外边缘的密封部分重叠的部分115'设置在密封部分上，并且在密封电池壳体时通过热熔合固定。
排气引导装置110配置成使得穿透构件114和压力感测构件111设置在同一平面上。在压力感测构件111膨胀的状态下，穿透构件114不接触电池壳体。当压力感测构件111收缩时，穿透构件114移动到壳体115的外部，以便在电池壳体中形成通孔。
穿透构件114可与电池壳体的外边缘相邻设置。由于电池壳体的外边缘膨胀较小，所以即使在电池壳体膨胀时也可容易形成通孔。
图3和图4是示意性地显示利用排气引导装置120穿过袋形电池壳体形成开口的过程的透视图。
参照图3和图4，排气引导装置120与排气引导装置110的不同之处在于，在壳体125的上表面和下表面的每一个处设置两个穿透构件124，并且包括两对压力感测构件121a、121b与触发器122a。排气引导装置120的其他元件和排气引导装置120的操作原理与排气引导装置110的其他元件和排气引导装置110的操作原理相同。同时，排气引导装置120与排气引导装置110的不同之处在于，两个压力感测构件121a和121b设置在与穿透构件124所设置的平面不同的平面上。
排气引导装置120包括：弹性构件123，弹性构件123的一端固定到壳体125；锥形构件126，锥形构件126固定到弹性构件123的另一端；在锥形构件126与弹性构件123之间的连接部处的、用于将锥形构件126固定的触发器122a，触发器122a连接至压力感测构件121a和121b；以及穿透构件124。
尽管仅显示了触发器122a中的一个触发器，但是另一个触发器附接到压力感测构件121b。
当袋形电池壳体中的压力增大时，压力感测构件121a和121b收缩，并且连接至压力感测构件的触发器移动到各自的压力感测构件中。结果，锥形构件126的固定状态被释放。因此，锥形构件126在被拉伸的弹性构件123收缩的方向w上移动。此时，锥形构件126将穿透构件124推动到壳体125的外部。穿透构件124的尖锐部分在与袋形电池壳体(未示出)垂直的方向h1和h2上移动并且同时经过穿透构件移动通路127，以便在袋形电池壳体中形成用于排出气体的开口。
由于排气引导装置120包括四个穿透构件124，因此可在袋形电池壳体中形成四个开口，从而可从电池壳体快速地排出气体。
此外，由于排气引导装置120包括两对压力感测构件和触发器，因此排气引导装置的响应非常可靠。
在排气引导装置120中，穿透构件124移动的方向和压力感测构件121a和121b的位置彼此不同。穿透构件124设置成面向电池壳体，而压力感测构件121a和121b设置在电极组件与电池壳体之间的电极组件容纳单元中。
图5是示意性地显示根据本发明另一实施方式的袋形二次电池的平面图。
参照图5，根据本发明另一实施方式的袋形二次电池200配置成使得排气引导装置210设置在正极接片205a与正极引线202a之间的连接部的左侧，使得排气引导装置220设置在负极接片205b与负极引线202b之间的连接部的右侧，并且使得排气引导装置210的左端215'和排气引导装置220的右端225'在被设置成与电池壳体的外边缘203的密封部分重叠的同时固定到电池壳体。
图6是示意性地显示根据本发明又一实施方式的袋形二次电池的平面图。
参照图6，袋形二次电池300配置成具有其中在平面图中观看时正极接片305a和正极引线302a向上伸出并且在平面图中观看时负极接片305b和负极引线302b向下伸出的结构。
排气引导装置310和排气引导装置320分别设置在正极接片305a与正极引线302a之间的连接部的相对两侧，并且排气引导装置330和排气引导装置340分别设置在负极接片305b与负极引线302b之间的连接部的相对两侧。
如上所述，在包括四个排气引导装置310、320、330和340的情况下，形成至少四个通孔。因此，可快速地排出气体，从而可防止二次电池爆炸。
排气引导装置210、220、310、320、330和340的每一个的结构与排气引导装置110的结构类似，因此将省略其详细描述。
从以上描述显而易见的是，根据本发明的袋形二次电池配置成使得排气引导装置容纳在电池壳体的容纳单元中。结果，可在不增加二次电池的体积的情况下利用二次电池中的死区。此外，当电池壳体的体积增大时，可在袋形电池壳体中快速形成用于排出气体的开口，由此可防止由于二次电池的内部压力增大而引起的二次电池的爆炸。因此，可提供具有提高的安全性的二次电池。
本发明所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的范围的情况下，基于以上描述可进行各种应用和修改。
-参考标记描述
100，200，300：袋形二次电池
101：电极组件
102a，202a，302a：正极引线
105a，205a，305a：正极接片
102b，202b，302b：负极引线
105b，205b，305b：负极接片
103，203：外边缘
107：容纳单元
108：下壳体
110，210，220，310，320，330，340：排气引导装置
111，121a，121b：压力感测构件
112，122a：触发器
113，123：弹性构件
114，124：穿透构件
115，125：排气引导装置的壳体
115'，215'，225'：排气引导装置的壳体的与电池壳体的密封部分重叠的部分
116，126：锥形构件
117，127：穿透构件移动通路
118：触发器移动通路
A：排气引导装置的壳体的长轴方向
h1，h2：与袋形电池壳体垂直的方向
w：弹性构件收缩的方向
工业实用性
从上面的描述很显然的是，根据本发明的袋形二次电池包括排气引导装置，该排气引导装置利用在电池单元中的压力增大时被触发的弹性构件在袋形电池壳体中形成用于排出气体的通孔。因此，在不增加袋形二次电池的整体尺寸的情况下，当电池壳体的体积增大时，可快速且精确地形成用于排出气体的开口。
此外，由于排气引导装置容纳在袋形二次电池中界定的空间中，因此不需要用于应用根据本发明的排气引导装置的额外装置，并且排气引导装置可广泛应用于具有各种尺寸的袋形二次电池。
此外，可选择性地应用触发器的尺寸、压力感测构件中的压力的幅度以及穿透构件的形状，以便调节袋形电池壳体中的压力，使得在袋形电池壳体中形成开口。

Claims (13)

1.一种袋形二次电池，所述袋形二次电池配置成使得电极组件容纳在袋形电池壳体中，所述电极组件具有其中正极、隔膜和负极按顺序堆叠的结构，其中：
所述袋形二次电池包括设置在所述袋形电池壳体中的排气引导装置，所述排气引导装置配置成利用在所述袋形电池壳体中的压力增大时被触发的弹性构件在所述袋形电池壳体中形成用于排出气体的通孔。
2.根据权利要求1所述的袋形二次电池，其中所述排气引导装置包括：
压力感测构件，所述压力感测构件配置成由于所述袋形电池壳体的体积增大而收缩；
与所述压力感测构件连通的触发器，所述触发器配置成在所述压力感测构件收缩时移动到所述压力感测构件中；
弹性构件，所述弹性构件在被拉伸的状态下被所述触发器固定；
穿透构件，所述穿透构件配置成在所述弹性构件收缩时穿透所述袋形电池壳体，以便在所述袋形电池壳体中形成开口；以及
用于容纳所述弹性构件的壳体，所述壳体设置有触发器移动通路和穿透构件移动通路。
3.根据权利要求2所述的袋形二次电池，其中当从处于拉伸状态的所述弹性构件移开所述触发器时，所述弹性构件由于自身弹力而收缩。
4.根据权利要求2所述的袋形二次电池，其中在所述穿透构件与所述弹性构件相邻设置的状态下，当所述弹性构件收缩时，所述穿透构件在与所述袋形电池壳体的平面垂直的方向上移动，以便形成所述开口。
5.根据权利要求4所述的袋形二次电池，其中当所述弹性构件收缩时，连接到所述弹性构件的一端的锥形构件将所述穿透构件推向所述袋形电池壳体。
6.根据权利要求2所述的袋形二次电池，其中所述弹性构件是弹簧或橡胶件。
7.根据权利要求1所述的袋形二次电池，其中所述排气引导装置配置成使得所述壳体的长轴方向平行于所述电极组件的伸出电极端子的侧表面。
8.根据权利要求1所述的袋形二次电池，其中所述排气引导装置与所述袋形电池壳体中的电极接片和电极引线之间的连接部相邻设置。
9.根据权利要求2所述的袋形二次电池，其中所述壳体被所述袋形电池壳体的密封部分固定。
10.根据权利要求2所述的袋形二次电池，其中所述压力感测构件中的压力低于处于膨胀状态的所述袋形电池壳体中的压力。
11.根据权利要求2所述的袋形二次电池，其中在所述壳体中形成有至少两个穿透构件移动通路。
12.根据权利要求1所述的袋形二次电池，其中所述袋形二次电池包括两个或更多个排气引导装置。
13.一种电池组，包括根据权利要求1所述的袋形二次电池。
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