KR101495953B1 - 이차전지용 파우치 외장재 및 파우치형 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내부층/접착제층/금속층/외부층으로 이루어진 이차전지용 파우치 외장재에 있어서, 상기 내부층과 접착제층 사이에 단락방지층이 개재되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재에 관한 것이다.
Description
본 발명은 이차전지용 파우치 외장재 및 파우치형 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다. 대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 에너지 밀도, 방전 전압, 안전성이 우수한 리튬 코발트 폴리머 전지와 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다. 리튬 이차전지는 다양한 형태로 제조가 가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬이온 전지에 주로 사용되는 원통형 및 각형을 들 수 있다. 최근들어, 각광받는 리튬폴리머전지는 유연성을 지닌 소재로 제조되어 그 형상이 비교적 자유롭다. 또한, 안전성도 우수하고, 무게가 가벼워서 휴대용 전자기기의 슬림화 및 경량화에 유리하다고 할 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로도 주목받고 있다. 자동차 등과 같은 중대형 디바이스들은 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 시스템이 사용된다. 그러한 중대형 전지 시스템에 단위전지로서 많이 사용되는 파우치형 리튬이온 폴리머 이차전지는 소형 디바이스에 사용되는 동일 계열의 전지에 비해 상대적으로 큰 크기를 가지고 있다.
파우치형 폴리머 이차전지는, 전극조립체, 상기 전극조립체로부터 연장되는 전극탭들과, 상기 전극 탭들에 용접되어 있는 전극 리드, 및 상기 전지부를 수용하며, 고분자 수지와 알루미늄의 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 전지케이스를 포함하는 것으로 구성되어 있다. 또한, 상기 전지케이스와 전극리드가 결합되는 부위에는 전해액의 누출을 방지하고 공기중의 수분이 전지 내로 침투하는 것을 방지하며 전극리드의 전기적 절연성을 담보하기 위하여, 얇은 수지 필름이 결합되어 있다. 상기에서와 같이 종래 통상의 이차전지들은 통상 알루미늄, 니켈, 구리 등의 금속 플레이트로 이루어져 있는 음극탭과 양극탭을 상기 전극조립체로부터 연장시켜 별도로 구비하고 있다. 또한, 상기 전극 탭이 구비된 다음에는 전해액의 누출을 방지하고 공기중의 수분이 전지 내로 침투하는 것을 방지하며 전기적 절연성을 담보하기 위하여, 절연 필름이 포함되기도 한다.
그러나, 상기와 같은 절연 필름은 그 가격이 비싸므로 전지 제조 단가가 높아지고, 또한, 실링 후에도 상기 전극 탭 부분에 수분 등이 침투하여 전지의 성능을 저하시키는 요인이 되고 있다.
본 발명은 전극 리드에 절연 필름을 구비하지 않고도 파우치 외장재의 금속층과 전극 리드의 단락을 방지할 수 있는 이차전지용 파우치 외장재를 제공한다.
본 발명은 내부층/접착제층/금속층/외부층으로 이루어진 이차전지용 파우치 외장재에 있어서, 상기 내부층과 접착제층 사이에 단락방지층이 개재되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재를 제공한다.
본 발명은 파우치 외장재의 금속층과 전극 리드의 전기적 절연성을 확보하기 위해 수지 필름을 구비하는 종래 파우치 외장재와는 달리 파우치 외장재에 단락방지층을 구비하여 수지 필름 없이도 전기적 절연성을 유지할 수 있고, 수지 필름이 구비되지 않아 공정 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 파우치 외장재의 일실시예를 나타낸 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 파우치 외장재를 나타낸 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 파우치 외장재를 열융착으로 전극 리드와 결합되는 모양을 나타낸 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 파우치 외장재를 나타낸 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 파우치 외장재를 열융착으로 전극 리드와 결합되는 모양을 나타낸 측단면도이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 내부층/접착제층/금속층/외부층으로 이루어진 이차전지용 파우치 외장재에 있어서, 상기 내부층과 접착제층 사이에 단락방지층이 개재되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 파우치 외장재는 종래 파우치 외장재와 비교하면 파우치 외장재에 단락방지층을 구비하여 파우치 외장재의 금속층과의 전기적 절연을 위한 수지 필름을 리드에 결합시키지 않고도 리드와 전기적 절연을 유지할 수 있다.
상기 단락방지층은 0.0001 - 10g/㎥의 밀도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트로 만들어진 부직포 또는 직물을 포함할 수 있다. 상기 밀도가 10g/㎥를 초과하는 경우에는 파우치 외장재의 내부층간 접착이 저하되고 파우치 외장재의 밀봉이 형성되지 않는 문제가 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 파우치 외장재는 내부층, 접착제층, 금속층 및 외부층을 포함한다.
상기 내부층은 열접착성을 가져 실링재 역할을 하며, 무연신 폴리프로필렌, 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원 공중합체, 염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌과 아크릴산 공중합체 및 폴리프로필렌과 아크릴산의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 접착제층은 금속층(또는 내전해액층)과 단락방지층과의 접착이 용이하도록 금속층(또는 내전해액층)에 접착이 용이한 접착성 수지를 코팅하여 형성되며 내부층과 유사한 물질로 만들어지고, 금속과의 접착성을 향상시키기 위해 폴리프탈레이트, 산 변성(acid modified) 폴리프로필렌 및 산 변성 폴리에틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 금속층은 기계적 강도를 유지하는 기재 및 수분과 산소의 배리어층으로서 역할을 하며, 알루미늄; 철, 탄소, 크롬 및 망간의 합금; 및 철, 탄소, 크롬 및 니켈의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 포함할 수 있다.
상기 외부층은 기재 및 보호층으로 작용하며, 나일론, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 파우치 외장재는 상기 금속층과 단락방지층 사이에 추가로 내전해액층을 더 포함할 수 있다.
상기 내전해액층은 이차전지용 파우치 외장재의 금속층의 부식을 방지하고 파우치 외장재로 수분이 침투되는 것을 억제시킬 수 있으며, 지르코늄, 크롬 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 외부층과 금속층 사이에 추가로 부식방지층을 더 포함할 수 있다.
상기 부식방지층은 전해액에 의해 발생하는 부식에 대해 내성을 갖는 층이며, 지르코늄, 크롬 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 양극, 분리막 및 음극을 포함하는 전극조립체;
전해질; 및
내부층, 접착제층, 금속층 및 외부층을 포함하고, 상기 내부층과 접착제층 사이에 단락방지층이 개재된 이차전지용 파우치 외장재를 포함하는 파우치형 이차전지를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 이차전지에 있어서, 상기 내부층의 전부 또는 일부가 단락방지층에 함침될 수 있다.
상기 양극과 음극은 당업계에 알려진 통상적인 방법을 사용하여 제조될 수 있으며, 양극 활물질 및 음극 활물질 각각을 바인더, 분산제 등과 혼합하여 전극 슬러리를 제조하고 제조된 전극 슬러리를 전류 집전체 상에 도포, 압연 및 건조하여 제조할 수 있다. 이때 선택적으로 도전재 및/또는 바인더를 소량 첨가할 수 있다.
상기 양극 활물질은 이차전지의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극 활물질이면 사용 가능하며, 예를 들면 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(LiaCobMnc)O4(0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1 - yCoyO2, LiCo1 - yMnyO2, LiNi1 -yMnyO2(0≤y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2 -zCozO4(0<z<2), LiCoPO4 및 LiFePO4로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 이러한 산화물 외에 황화물, 셀렌화물 및 할로겐화물 등도 사용할 수 있다.
상기 음극 활물질은 이차 전지의 음극에 사용될 수 있는 통상적인 음극 활물질이 사용 가능하며, 예를 들면 리튬 금속 또는 리튬 합금, 탄소재, 석유코크(petroleum coke), 활성화 탄소(activated carbon), 그라파이트(graphite), 리튬을 삽입 및 탈삽입할 수 있는 13족, 14족의 단원소, 고용체 및 합금, 기타 리튬을 흡장 및 방출할 수 있는 리튬에 대한 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2와 Li4Ti5O12와 같은 금속 산화물 등을 사용할 수 있다.
상기 양극 전류 집전체는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있으며, 음극 전류 집전체는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의해 제조되는 호일 등이 있다.
상기 바인더로는 통상적인 결합제를 사용할 수 있으며, 예를 들면 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 셀룰로오스, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, EPDM 고무, 술폰화 EPDM 또는 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 등을 사용할 수 있다.
상기 도전재는 구성된 전지 내에서 화학변화를 일으키지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 파네스블랙, 서멀블랙 등의 카본블랙; 천연흑연, 인조흑연 등을 사용할 수 있다. 특히 카본블랙, 흑연분말, 탄소섬유가 바람직하다.
상기 분산제는 수계 분산제 또는 N-메틸-2-피롤리돈 등의 유기 분산제를 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01~10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5~300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들면 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머 유리 섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 크라프트지 등이 사용될 수 있다.
전해질은 통상적인 전해질 성분, 예를 들면 전해질 염과 유기용매를 포함한다.
사용 가능한 전해질 염은 A+B-와 같은 구조의 염으로서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고, B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, AsF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염이다. 특히, 리튬염이 바람직하다. 예를 들면, LiClO4, LiCF3SO3, LiPF6, LiAsF6, LiN(CF3SO2)2 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
유기용매는 통상적으로 알려진 용매, 예컨대 할로겐 치환체를 포함하거나 또는 포함하지 않는 환형 카보네이트계; 선형 카보네이트계; 에스테르계, 니트릴계, 인산염계 용매 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다. 예를 들면 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 감마 부티로락톤(GBL), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 포름산 메틸, 포름산 에틸, 포름산 프로필, 아세트산 메틸, 아세트산 에틸, 아세트산 프로필, 아세트산 펜틸, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸, 프로피온산 프로필, 프로피온산 부틸 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범위를 실시예들에 의해 한정하려는 것은 아니다. 또한, 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 파우치 외장재의 일실시예를 나타낸 측단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 파우치 외장재(100)는 내부층(110)/접착제층(130)/금속층(140)/외부층(150)을 포함하고, 상기 내부층(110)과 접착제층(130) 사이에 단락방지층(120)이 개재된다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 이차전지용 파우치 외장재를 나타낸 측단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 이차전지용 파우치 외장재(200)는 내부층(210)/단락방지층(220)/접착제층(230)/내전해액층(240)/금속층(250)/부식방지층(260)/외부층(270)을 포함하고, 상기 외부층(270)은 나일론층과 폴리에틸렌테레프탈레이트층으로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 이차전지를 나타낸 사시도이다.
도 3을 참조하면, 전극 조립체(310)는 양극(311), 분리막(312) 및 음극(313)을 포함하고, 이차전지용 파우치 외장재(320)는 내부층(110), 접착제층(130), 금속층(140) 및 외부층(150)을 포함하고 상기 내부층(110)과 접착제층(130) 사이에 단락방지층(120)이 개재된다. 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 이차전지(300)는 전극 조립체(310) 및 전해질(미도시)이 이차전지용 파우치 외장재(320)에 내장되어 파우치형 이차전지(300)를 형성하고, 이차전지용 파우치 외장재(320)는 내부층(110), 접착제층(130), 금속층(140) 및 외부층(150)을 포함하며, 상기 내부층(110)과 금속층(130) 사이에 단락방지층(120)이 개재된다.
도 3에서 점선으로 나타낸 부분이 종래의 파우치 외장재에서 수지 필름(316)이 결합되는 부분이며, 이차전지용 파우치 외장재(320)의 내부층을 열융착시키면 내부층(110)을 구성하는 물질이 녹아 실링부(321)를 형성하면서 접착되고, 이때 파우치 외장재의 금속층과의 단락을 방지하기 위해 수지 필름(316)을 구비한다. 그러나, 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 파우치 외장재(320)는 단락방지층(120)이 구비되어 전극탭(314)과 연결된 전극 리드(315)에 수지 필름(316)을 결합하지 않고도 단락을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 파우치 외장재를 열융착으로 전극 리드와 결합되는 모양을 나타낸 측단면도이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 파우치 외장재는 열융착에 의해 전극 리드와 결합될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 파우치 외장재는 단락방지층(220)을 구비하여 전극 리드에 수지 필름을 구비하지 않고도 전극 리드와 파우치 외장재의 금속층(250)과의 단락을 방지할 수 있다. 한편, 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 파우치 외장재는 전극조립체 및 전해질을 내장하여 열융착에 의해 밀봉하게 되는데 열융착시 가해진 열에 의해 내부층(210)과 접착제층(230)은 용융되고, 용융된 내부층(210)과 접착제층(230)은 부직포 또는 직물의 단락방지층(220)으로 스며들 수 있다.
또한, 도 4의 (b)에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 파우치 외장재는 가압과 열이 동반되어 과융착이 발생하는 경우에는 부직포 또는 직물의 단락방지층(220)이 구비되어 열에 의해 용융된 내부층(210)과 접착층(230)의 뼈대(framework) 역할을 할 수 있으므로, 전극 리드와 파우치 외장재의 금속층(250)과의 접촉을 방해하여 단락을 방지할 수 있다. 용융된 내부층(210)과 접착제층(230)은 부직포 또는 직물의 단락방지층(220)으로 스며들어 단락방지층(220)과 함침되어 단일층이 형성될 수 있고, 파우치형 외장재 영역 이상으로 노출될 수 있으며, 노출된 용융물은 전극 리드를 도포하여 전극 리드를 외부 환경으로부터 보호하는 효과를 나타낼 수 있다.
100: 이차전지용 파우치 외장재 110: 내부층
120: 단락방지층 130: 접착제층
140: 금속층 150: 외부층
200: 이차전지용 파우치 외장재 210: 내부층
220: 단락방지층 230: 접착제층
240: 내전해액층 250: 금속층
260: 부식방지층 270: 외부층
300: 파우치형 이차전지 310: 전극 조립체
311: 양극 312: 분리막
313: 음극 314: 전극탭
315: 전극 리드 316: 수지 필름
320: 이차전지용 파우치 외장재 321: 실링부
120: 단락방지층 130: 접착제층
140: 금속층 150: 외부층
200: 이차전지용 파우치 외장재 210: 내부층
220: 단락방지층 230: 접착제층
240: 내전해액층 250: 금속층
260: 부식방지층 270: 외부층
300: 파우치형 이차전지 310: 전극 조립체
311: 양극 312: 분리막
313: 음극 314: 전극탭
315: 전극 리드 316: 수지 필름
320: 이차전지용 파우치 외장재 321: 실링부
Claims (12)
- 내부층/접착제층/금속층/외부층으로 이루어진 이차전지용 파우치 외장재에 있어서,
상기 내부층과 접착제층 사이에 단락방지층이 개재되고;
상기 금속층과 단락방지층 사이에 내전해액층이 포함되거나;
상기 외부층과 금속층 사이에 부식방지층이 포함되거나;
상기 금속층과 단락방지층 사이에 내전해액층 및 상기 외부층과 금속층 사이에 부식방지층이 포함되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 청구항 1에 있어서,
상기 단락방지층은 0.0001 - 10g/㎥의 밀도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트로 만들어진 부직포 또는 직물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 청구항 1에 있어서,
상기 내부층은 무연신 폴리프로필렌, 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원 공중합체, 염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌과 아크릴산 공중합체 및 폴리프로필렌과 아크릴산의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 청구항 1에 있어서,
상기 접착제층은 폴리프탈레이트, 산 변성(acid modified) 폴리프로필렌 및 산 변성 폴리에틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 청구항 1에 있어서,
상기 금속층은 알루미늄; 철, 탄소, 크롬 및 망간의 합금; 및 철, 탄소, 크롬 및 니켈의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 청구항 1에 있어서,
상기 외부층은 나일론, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 내전해액층은 지르코늄, 크롬 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 부식방지층은 지르코늄, 크롬 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 양극, 분리막 및 음극을 포함하는 전극조립체;
전해질; 및
내부층, 접착제층, 금속층 및 외부층을 포함하고, 상기 내부층과 접착제층 사이에 단락방지층이 개재되며; 상기 금속층과 단락방지층 사이에 내전해액층이 포함되거나; 상기 외부층과 금속층 사이에 부식방지층이 포함되거나; 상기 금속층과 단락방지층 사이에 내전해액층 및 상기 외부층과 금속층 사이에 부식방지층이 포함된 이차전지용 파우치 외장재를 포함하는 파우치형 이차전지.
- 청구항 11에 있어서,
상기 내부층의 전부 또는 일부가 단락방지층에 함침된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
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