KR100644776B1 - 공기 아연 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR100644776B1
KR100644776B1 KR1020050044929A KR20050044929A KR100644776B1 KR 100644776 B1 KR100644776 B1 KR 100644776B1 KR 1020050044929 A KR1020050044929 A KR 1020050044929A KR 20050044929 A KR20050044929 A KR 20050044929A KR 100644776 B1 KR100644776 B1 KR 100644776B1
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Abstract

누액이 없는 원통형 공기 아연 전지 및 그 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 공기 아연 전지 제조 방법에 따르면, 공기 양극의 대향하는 양 단부의 간극을 수지로 충전하여 융착시킴으로써 아연겔의 누액이 없는 공기 아연 전지를 제조한다. 다른 방법으로는, 공기 양극의 양 단부를 가열 또는 가압하거나 단부에 초음파를 조사하여 서로 융착시킴으로써 아연겔의 누액이 없는 공기 아연 전지를 제조한다. 본 발명에 의하면 표준 규격에 맞도록 누액이 없는 원통형 공기 아연 전지를 제조하여, 범용적으로 공기 아연 전지를 사용할 수 있다.
아연겔, 공기 양극, 세퍼레이터, 접합자, 융착

Description

공기 아연 전지 및 그 제조 방법{ZINC-AIR BATTERY AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
도 1 은 종래의 버튼형 공기 아연 전지의 단면도,
도 2 는 가상의 원통형 공기 아연 전지의 단면도,
도 3 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 원통형 공기 아연 전지의 횡단면도,
도 4a 및 4b 는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 원통형 공기 아연 전지의 제조 방법을 도시하는 도면,
도 5 는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 원통형 공기 아연 전지의 횡단면도,
도 6 은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 원통형 공기 아연 전지의 제조 방법을 도시하는 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
30 : 막 32 : 세퍼레이터
34 : 절연체 36 : 아연겔
38 : 하우징 40 : 접합자
42 : 개구 44 : 단부
46 : 금형 48 : 공간
52 : 지그
본 발명은 공기 아연 전지의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 원통형의 표준 규격에 맞는 공기 아연 전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.
전기 기기의 소형화는 오래전부터 진행되어 왔으며, 많은 휴대용 전기 기기의 개발이 이루어져 왔다. 그러나, 근래 이동통신이 급속히 발전하고 유비쿼터스 인터넷이라는 새로운 패러다임이 소개되면서, 작고 휴대가 용이한 전기 기기의 개발이 더욱 주목받고 있다. MP3 플레이어, 디지털 카메라, 이동 전화, PDA, 랩탑 컴퓨터 등 대부분의 전기 기기가 소형화되고 휴대가 용이한 형태로 발전되고 있다. 또한, 이러한 소형화화 함께, MP3 폰, 디카폰 등 하나의 기기에 다양한 기능을 통합하려는 시도도 함께 이루어지고 있다. 이러한 시도는 사용자에게 이동의 자유와 사용의 편의를 제공하고 있지만, 전력의 안정적인 공급을 새로운 과제로 제시하고 있다.
종래에 전기 기기에 대한 전력 공급을 위한 수단으로서 전지 (battery) 가 널리 사용되었다. 종래에는 전지로서 망간 건전지, 알칼리 망간 건전지, 공기 아연 (zinc-air) 전지 등의 1차 전지와, 니켈 카드뮴 (Ni-Cd) 전지, 니켈 수소 (Ni-H) 전지, 리튬 이온 전지 등의 2차 전지가 사용되었다. 이들 중 공기 아연 전지는 1.4 V 의 상대적으로 높은 전압을 제공하며, 에너지 밀도가 높고 방전 용량이 크다는 장점을 갖는다. 또한, 전지의 방전이 완료될 때까지 거의 일정한 방전 특성을 나타내어, 중금속의 함유로 사용이 억제되고 있는 수은 전지를 대체할 수 있는 건전지로 생각되고 있다.
도 1 은 종래의 버튼형 공기 아연 전지의 단면도이다. 도 1 을 참조하면, 종래의 버튼형 공기 아연 전지는 양극으로서의 막 (membrane; 10) 과 음극으로서의 아연겔 (16) 을 포함하며, 막 (10) 과 아연겔 (16) 사이에는 세퍼레이터 (separator; 12) 가 개재된다. 그리고, 막 (10) 과 아연겔 (16) 은 각각 도전성의 양극캔 (18) 과 음극캔 (20) 내에 수용되어 전지를 구성한다.
막 (10) 은 물 분자를 포함하고 있는 투과성의 막으로서, 공기 중의 산소와 접촉하여 수산화 이온 (OH-) 을 발생시킨다. 이 반응은 다음의 화학식으로 표시될 수 있다.
O2 + 2H2O + 4e- ↔ 4OH-
상기의 반응에서 전자는 양극캔 (18) 을 통해 공급된다. 막의 재질로서는 통상 탄소를 많이 사용하나, 필요 전압 또는 응용 분야에 따라 적절한 재료를 사용할 수 있다.
이와 같이 양극에서의 반응에 산소가 필요하므로, 양극은 공기와 접촉할 수 있는 경로를 가지고 있어야 하며, 그에 따라 양극캔 (18) 의 하부에는 공기구멍 (14) 이 형성된다. 공기구멍 (14) 은 전지를 사용하지 않을 때에는 밀봉되어 양극에서의 반응을 억제한다.
상술한 화학 반응에 의해 발생된 수산화 이온은 세퍼레이터 (12) 를 통해 음극인 아연겔 (16) 로 전달된다. 세퍼레이터 (12) 는 수산화 이온에 대하여서는 투과성을 갖는 한편, 아연겔 (16) 이 누출되는 것을 막고 아연겔 (16) 과 막 (10) 을 절연하는 기능을 갖는다.
아연겔 (16) 은 아연 분말을 주로 포함하며, 첨가제와 전해질이 혼합된다. 통상 전해질로서는 수산화칼륨 (KOH) 수용액이 사용된다. 수산화 이온이 아연겔 (16) 내로 전달되면, 아연 분말이 수산화 이온과 반응하여 산화된다. 이 반응은 다음의 화학식으로 나타낼 수 있다.
Zn + 2OH- ↔ Zn(OH)2 + 2e-
Zn + 2OH- ↔ ZnO + H2O + 2e-
이 반응에 의하여 음극에서 전자가 발생되며, 발생된 전자는 음극캔 (20) 을 통해 전달된다. 이와 같은 화학 반응에 의해 이론적으로는 최대 1.65V 의 전압이 발생될 수 있다.
이와 같은 공기 아연 전지는 전압, 에너지 밀도, 방전 용량, 방전 특성 등에 있어 유리한 성질을 가지고 있으나, 종래의 공기 아연 전지의 사용 분야는 보청기, 카메라 등 특수한 분야에 제한되었으며, 특히 버튼형의 전지로 판매될 뿐 AAA, AA 등의 원통형 표준 규격으로는 제조되지 않았다. 원통형의 공기 아연 전지를 상용화하기 위해서는 원통형 전지가 적용되는 응용 분야에 적합한 전압 및 전류를 발생시키도록 공기 아연 전지를 제조하여야 할 뿐만 아니라, 공기 아연 전지를 원통형으로 제조하는 방법 자체가 개발되어야 한다.
구체적으로 도 2 를 참조하여 원통형 공기 아연 전지 제조에 있어서의 문제점을 설명한다. 도 2 는 가상의 원통형 공기 아연 전지의 단면도이며, 도 1 에서와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용한다. 공기 아연 전지는 음극으로서 아연겔을 포함하고 있으므로, 아연겔의 누액이 방지되어야 한다. 도 1 에 도시된 바와 같은 종래의 버튼형 전지에 있어서는 아연겔 (16) 의 하부에 공기 양극 (10) 및 세퍼레이터 (12) 가 배치되어 아연겔 (16) 의 누액을 방지할 수 있으므로 그 제조가 용이하다. 그러나, 도 2 에 도시된 바와 같이, 원통형 전지에 있어서는 세퍼레이터 (12) 와 공기 양극 (10) 이 아연겔 (16) 을 포획하는 구성을 가지게 되며, 원통형상을 형성함에 있어 공기 양극 (10) 과 세퍼레이터 (12) 는 접합부 (22, 24) 를 가지게 되므로 아연겔 (16) 의 누액을 차단하기가 용이하지 않다.
따라서, 원통형의 공기 아연 건전지를 제조하기 위하여서는, 아연겔의 누액을 차단하면서 세퍼레이터 (12) 및 공기 양극 (10) 의 접합부를 접합하는 방법의 개발이 필요하다.
본 발명은 상기의 목적을 인식하여 이루어진 것으로, 아연겔의 누액을 차단한 원통형의 공기 아연 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 음극으로 기능하는 아연겔, 및 양극으로 기능하며 상기 아연겔을 포획하는 공기 양극을 포함하는 공기 아연 전지를 제조하는 방법에 있어서, 상기 공기 양극을 양 단부가 간극을 두고 대향하도록 배치하는 단계, 및 상기 간극을 수지로 충진하고 상기 양 단부와 상기 수지를 융착시키는 단계를 포함하는 공기 아연 전지의 제조 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 융착시키는 단계는 사출 성형에 의해 상기 수지를 충진하고 융착한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 음극으로 기능하는 아연겔, 및 양극으로 기능하며 상기 아연겔을 포획하는 공기 양극을 포함하는 공기 아연 전지를 제조하는 방법에 있어서, 상기 공기 양극을 양 단부가 중첩되도록 배치하는 단계, 및 상기 공기 양극의 중첩된 양 단부를 서로 융착하는 단계를 포함하는 공기 아연 전지의 제조 방법이 제공된다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 음극으로 기능하는 아연겔, 및 양극으로 기능하며 상기 아연겔을 포획하는 공기 양극을 포함하는 공기 아연 전지에 있어서, 상기 공기 양극의 양 단부가 간극을 두고 대향하며, 상기 간극은 수지로 충전된, 공기 아연 전지가 제공된다.
바람직하게는, 상기 공기 양극의 상기 수지와 접촉하는 표면에 요철 또는 개구가 형성된다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 음극으로 기능하는 아연겔, 및 양극으로 기능하며 상기 아연겔을 포획하는 공기 양극을 포함하는 공기 아연 전지에 있어서, 상기 공기 양극의 양 단부가 중첩되어 융착된, 공기 아연 전지가 제공된다.
상기 공기 양극의 양 단부는 상보적인 형상을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 음극으로 기능하는 아연겔, 및 양극으로 기능하는 공기 양극을 포함하는 공기 아연 전지의 제조 방법에 있어서, 상기 공기 양극을 원통형으로 밀봉하는 단계, 상기 공기 양극 내에 상기 아연겔을 충전하는 단계, 상기 충전된 공기 양극을 원통형 절연체 내에 삽입하는 단계, 및 상기 절연체를 피복하는 하우징을 형성하는 단계를 포함하는, 원통형 공기 아연 전지의 제조 방법이 제공된다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 음극으로 기능하는 아연겔, 양극으로 기능하며, 상기 아연겔을 원통형으로 포획하고 밀봉하는 공기 양극, 상기 공기 양극을 원통형으로 포획하며 공기가 소통할 수 있는 개구가 형성된 하우징, 및 상기 공기 양극과 상기 하우징 사이에 개재되고 공기가 소통할 수 있는 개구가 형성된 절연체를 포함하는 원통형 공기 아연 전지가 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적 실시형태를 설명한다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 원통형 공기 아연 전지의 횡단면도이다. 본 실시형태의 원통형 공기 아연 전지는 아연겔 (36), 아연겔 (36) 을 포획하고 있는 세퍼레이터 (32), 및 공기 양극으로 작용하는 막 (30) 을 포함하며, 막 (30) 은 다시 절연체 (34) 와 하우징 (38) 으로 싸여있을 수 있다.
하우징 (38) 은 프레스 가공에 의하여 제조된 금속판일 수 있으며, 전지를 보호하고 외관을 유지하기 위하여 제공된다. 또한, 하우징 (38) 은 전지의 상부 (도시되지 않음) 에서 양극인 막 (30) 과 접속되어 막 (30) 에 전자를 공급하는 양극캔으로 기능할 수도 있다. 절연체 (34) 는 하우징 (38) 과 막 (30) 사이를 절연하여 전류가 누설되지 않도록 하기 위해 제공되는 것으로, 사출 성형 등에 의해 수지 재질로 제조될 수 있다. 한편, 양극인 막 (30) 에 산소를 공급할 수 있도록, 하우징 (38) 과 절연체 (34) 에는 개구 (42) 가 형성된다.
막 (30) 과 세퍼레이터 (32) 는 평면형으로 제조된 후, 아연겔 (36) 을 포획하도록 원통형으로 만곡될 수 있다. 만곡된 막 (30) 및 세퍼레이터 (32) 의 양 단부 (44) 는 간극을 두고 대향하며, 접합자 (40) 에 의해 접합된다. 접합자 (40) 는 수지 재질로서 막 (30) 및 세퍼레이터 (32) 에 융착되어, 양 단부 (44) 의 접합부에서의 아연겔 (36) 의 누액을 방지할 수 있다. 또한, 접합자 (40) 는 도시된 바와 같이, 막 (30) 및 세퍼레이터 (32) 의 일부를 덮도록 성형되어 밀봉효과를 더욱 높일 수 있다.
이하, 도 3 과 도 4a 및 4b 를 참조하여 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 원통형 공기 아연 전지의 제조방법을 설명한다.
최초에, 원통형의 절연체 (34) 를 준비한다. 절연체 (34) 는 사출성형에 의하여 원통형으로 제조될 수 있다.
다음, 평면 형상의 막 (30) 과 세퍼레이터 (32) 를 준비하고, 도 4a 에 도시된 바와 같이, 세퍼레이터 (32) 와 막 (30) 을, 그 양 단부 (44) 가 간극을 두고 대향하도록 사출 성형용 금형 (46) 에 배치한다. 이 금형 (46) 은, 막 (30) 과 세퍼레이터 (32) 양 단부 (44) 의 간극 주변에만 수지가 주입되는 공간 (48) 이 형성된다. 금형은 막 (30) 및 세퍼레이터 (32) 전체를 수용할 필요는 없으며, 접합부만을 수용하도록 준비될 수도 있다.
그 후, 도 4b 에 도시된 바와 같이, 공간 (48) 에 수지를 주입하고, 막 (30) 및 세퍼레이터 (32) 와 융착시켜 접합자 (40) 를 성형한다. 이 때, 수지는 막 (30) 및 세퍼레이터 (32) 양 단부 (44) 의 일부를 덮도록 성형될 수 있다. 또한, 수지와 접촉하는 막 (30) 및 세퍼레이터 (32) 의 양 단부 (44) 표면에는 요철 또는 개구가 형성되어 수지의 융착을 용이하게 할 수 있다. 수지가 막 (30) 및 세퍼레이터 (32) 와 융착되므로 내부 공간이 밀폐될 수 있으며, 아연겔 (36) 이 충전된 경우에 아연겔 (36) 의 누액을 방지할 수 있다.
이렇게 형성된 원통형 막 (30) 및 세퍼레이터 (32) 내에 아연겔 (36) 을 충 전하고, 이들을 절연체 (34) 내에 삽입한다. 마지막으로, 절연체 (34) 를 피복하도록 하우징 (38) 을 형성하여 원통형 공기 아연 전지의 제조를 완료한다.
다음, 도 5 를 참조하여, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 원통형 공기 아연 전지를 설명한다. 도 5 는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 원통형 공기 아연 전지의 횡단면도이다. 본 실시형태에 있어서, 이전 실시형태와 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 참조부호를 사용하고, 구체적으로 설명하지 않는다.
본 실시형태의 원통형 공기 아연 전지는 아연겔 (36), 아연겔 (36) 을 포획하고 있는 세퍼레이터 (32), 및 공기 양극으로 작용하는 막 (30) 을 포함하며, 막 (30) 은 다시 절연체 (34) 와 하우징 (38) 으로 싸여있을 수 있다. 또한, 하우징 (38) 및 절연체 (34) 에는 공기가 소통할 수 있도록 개구부 (42) 가 형성될 수 있다.
막 (30) 과 세퍼레이터 (32) 는 평면형으로 제조된 후, 아연겔 (36) 을 포획하도록 원통형으로 만곡될 수 있다. 이 때, 만곡된 막 (30) 및 세퍼레이터 (32) 양 단부는 중첩된다. 이 경우, 도 5 에 도시된 바와 같이, 양 단부 (44) 에 서로 반대 방향의 경사면을 형성하여 이들이 자연스럽게 중첩되고 중첩 후에도 두께가 증가하지 않도록 할 수 있다. 양 단부의 형상은 도시된 바와 같은 경사면에 제한되지 않으며, 일면에는 돌출부를 형성하고 다른 면에는 오목부를 형성하는 등 상보적인 형상이라면 여하한 형상도 채용할 수 있다. 중첩된 양 단부 (44) 는 가열, 가압 또는 초음파 조사에 의하여 융착될 수 있다. 따라서, 아연겔 (36) 이 막 (30) 및 세퍼레이터 (32) 의 접합부를 통해 누액되지 않는다. 한편, 도 5 에는 막 (30) 과 세퍼레 이터 (32) 가 연속적인 경사면을 갖는 것으로 도시되었으나, 각각 상이한 형상을 가짐으로써 접합 후의 밀폐 효과를 향상시킬 수도 있다.
다음, 도 5 및 도 6 을 참조하여 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 원통형 공기 아연 전지의 제조방법을 설명한다.
최초에, 원통형의 절연체 (34) 를 준비하고, 평면 형상의 막 (30) 과 세퍼레이터 (32) 를 준비한다. 다음, 도 6 에 도시된 바와 같이, 세퍼레이터 (32) 와 막 (30) 을 그 양 단부가 중첩되도록 지그 (52) 에 배치한다. 지그 (44) 는 막 (30) 및 세퍼레이터 (32) 전체가 아니라 접합부만을 수용할 수 있다.
그 후, 중첩된 양 단부 (44) 를 지그 (52) 를 통해 가열 또는 가압하거나 초음파를 조사하여 융착시킨다. 이와 같이 막 (30) 및 세퍼레이터 (32) 의 양 단부가 서로 융착되므로 내부 공간이 밀폐될 수 있으며, 아연겔 (36) 이 충전된 경우에 아연겔 (36) 의 누액을 방지할 수 있다.
이렇게 형성된 원통형 막 (30) 및 세퍼레이터 (32) 내에 아연겔 (36) 을 충전하고, 이들을 절연체 (34) 내에 삽입한다. 마지막으로, 절연체 (34) 를 피복하도록 하우징 (38) 을 형성하여 원통형 공기 아연 전지의 제조를 완료한다.
이상, 구체적인 본 발명의 실시형태를 설명하였으나, 이는 예시에 불과하며 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다.
예를 들어, 상기 실시형태들의 전지에 있어서 세퍼레이터 (32) 와 막 (30) 이 별개의 구성요소로 개시되었으나,　이들을 하나의 구성요소로 대체하는 것도 가능하다. 특별히, 본 발명에 있어서 이들 구성요소를 MEA (Membrane-Electrode Assembly) 로 대체할 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서 각 구성요소의 재질은 공지된 구성요소 중 어느 것을 사용하여도 무방하며, 당업자는 이들 중 최적의 재질을 용이하게 선택하여 사용할 수 있을 것이다.
또한, 상기 실시형태의 제조방법에 있어서, 각 공정을 특정 순서로 설명하였으나, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 공정 순서의 변경이 가능함은 당업자가 용이하게 인식할 수 있을 것이다.
한편, 본 발명을 원통형 전지와 관련하여서만 설명하였으나, 본 발명의 사상은 원통형 이외의 전지 형상에도 적용할 수 있으며 이 역시 본 발명의 범위에 속한다.
본 발명에 의하면 공기 아연 전지에 있어 아연겔의 누액 현상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 아연겔의 누액이 없는 원통형 공기 아연 전지를 제조할 수 있으므로, AAA 내지 A 의 규격으로 규격화하여 범용적으로 공기 아연 전지를 사용하는 것이 가능하다.

Claims (9)

  1. 음극으로 기능하는 아연겔, 및 양극으로 기능하며 상기 아연겔을 포획하는 공기 양극을 포함하는 공기 아연 전지를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 공기 양극을 양 단부가 간극을 두고 대향하도록 배치하는 단계; 및
    상기 간극을 수지로 충진하고 상기 양 단부와 상기 수지를 융착시키는 단계를 포함하는 공기 아연 전지의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 융착시키는 단계는 사출 성형에 의해 상기 수지를 충진하고 융착하는, 공기 아연 전지의 제조 방법.
  3. 음극으로 기능하는 아연겔, 및 양극으로 기능하며 상기 아연겔을 포획하는 공기 양극을 포함하는 공기 아연 전지를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 공기 양극을 양 단부가 중첩되도록 배치하는 단계; 및
    상기 공기 양극의 중첩된 양 단부를 서로 융착하는 단계를 포함하는 공기 아연 전지의 제조 방법.
  4. 음극으로 기능하는 아연겔, 및 양극으로 기능하며 상기 아연겔을 포획하는 공기 양극을 포함하는 공기 아연 전지에 있어서,
    상기 공기 양극의 양 단부가 간극을 두고 대향하며, 상기 간극은 수지로 충전된, 공기 아연 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 공기 양극의 상기 수지와 접촉하는 표면에 요철 또는 개구가 형성된, 공기 아연 전지.
  6. 음극으로 기능하는 아연겔, 및 양극으로 기능하며 상기 아연겔을 포획하는 공기 양극을 포함하는 공기 아연 전지에 있어서,
    상기 공기 양극의 양 단부가 중첩되어 융착된, 공기 아연 전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 공기 양극의 양 단부는 상보적인 형상을 갖는, 공기 아연 전지.
  8. 음극으로 기능하는 아연겔, 및 양극으로 기능하는 공기 양극을 포함하는 공기 아연 전지의 제조 방법에 있어서,
    상기 공기 양극을 원통형으로 밀봉하는 단계;
    상기 공기 양극 내에 상기 아연겔을 충전하는 단계;
    충전된 상기 공기 양극을 원통형 절연체 내에 삽입하는 단계; 및
    상기 절연체를 피복하는 하우징을 형성하는 단계를 포함하는, 원통형 공기 아연 전지의 제조 방법.
  9. 음극으로 기능하는 아연겔;
    양극으로 기능하며, 상기 아연겔을 원통형으로 포획하고 밀봉하는 공기 양극;
    상기 공기 양극을 원통형으로 포획하며 공기가 소통할 수 있는 개구가 형성된 하우징; 및
    상기 공기 양극과 상기 하우징 사이에 개재되고 공기가 소통할 수 있는 개구가 형성된 절연체를 포함하는 원통형 공기 아연 전지.
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