KR101760398B1 - 안전성이 향상된 파우치형 이차 전지 - Google Patents

안전성이 향상된 파우치형 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파우치형 이차 전지에 침상체가 침투할 경우에도 침상체와 전극 조립체 사이 또는 전극 조립체의 내부 전극들 사이에 전기적 단락이 발생하지 않도록 하는 파우치형 이차 전지를 개시한다.
본 발명에 따른 파우치형 이차 전지는, 양극판 및 음극판이 서로 대향하도록 배치된 전극 조립체; 내부 공간에 상기 전극 조립체를 수납하는 파우치 케이스; 및 상기 전극 조립체의 적어도 일부분을 커버하는 형태로 구성되고, 내부에 절연물질을 보유하는 절연팩을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

안전성이 향상된 파우치형 이차 전지{Pouch type secondary battery with improved safety}
본 발명은 파우치형 이차 전지에 관한 기술로서, 보다 상세하게는, 침상체가 파우치형 이차 전지 내부에 침투한 경우에도 전극 조립체 내부에서 단락 현상이 발생하지 않도록 하는 안전성이 향상된 파우치형 이차 전지에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다. 일반적으로 이러한 이차 전지는 외장이나 적용 형태에 따라 캔형 이차 전지와 파우치형 이차 전지로 구분될 수 있다.
도 1은, 종래의 파우치형 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이며, 도 2는, 도 1의 파우치형 이차 전지의 결합 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 파우치형 이차 전지는, 양극집전체, 세퍼레이터, 음극집전체를 기본 구조로 가지고 상기 양극집전체로부터 연장된 양극탭(11), 상기 음극집전체로부터 연장된 음극탭(12)이 구비된 전극 조립체(10)와 상기 전극 조립체(10)를 수용하는 파우치 케이스(20)를 포함하는 것이 일반적이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 파우치형 이차 전지는, 상부 파우치(21)와 하부 파우치(22)를 포함하는 파우치 케이스(20)에 의해 형성된 공간에 상기 전극 조립체(10)가 수용된 후, 상부 파우치(21)와 하부 파우치(22)의 외주면에 형성된 실링부가 서로 접착되어 밀봉된다.
한편, 이러한 파우치형 이차 전지는, 캔형의 이차 전지보다 얇게 만들 수 있다는 장점이 있으나, 캔형의 이차 전지보다 물리적인 내구성이 낮다는 단점이 있다.
특히, 외부의 침상체가 파우치형 이차 전지로 침투할 경우, 침상체가 전극 조립체를 관통하면서, 전극 조립체와 침상체 사이 또는 전극 조립체 내부의 전극들 사이에 전기적 단락 현상이 발생할 우려가 있다.
도 3은, 종래의 파우치형 이차 전지에 침상체가 침투한 모습을 나타내는 도면이고, 도 4는, 도 3의 A-A'에 대한 단면도이다.
도 3 및 도 4을 참조하면, 침상체(P)가 파우치형 이차 전지의 표면에 침투하여 파우치형 이차 전지를 관통한 상태이다. 이와 같이, 침상체(P)가 파우치형 이차 전지로 침투할 경우, 침상체(P)와 전극 조립체(20) 사이에 전기적 단락 현상이 발생할 우려가 있다. 뿐만 아니라, 침상체(P)가 전극 조립체(20)를 침투할 경우, 전극 조립체(20)의 양극판과 음극판 사이에 전기적 단락 현상이 발생할 우려가 있다. 이와 같이, 전기적 단락 현상이 발생하게 되면, 발열반응으로 인해 파우치형 이차 전지의 온도가 상승하게 된다. 이로 인해, 발화 또는 폭발과 같은 안전 사고가 발생할 우려가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 파우치형 이차 전지에 침상체가 침투할 경우에도 침상체와 전극 조립체 사이 또는 전극 조립체의 내부 전극들 사이에 전기적 단락이 발생하지 않도록 하는 파우치형 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지는, 양극판 및 음극판이 서로 대향하도록 배치된 전극 조립체; 내부 공간에 상기 전극 조립체를 수납하는 파우치 케이스; 및 상기 전극 조립체의 적어도 일부분을 커버하는 형태로 구성되고, 내부에 절연물질을 보유하는 절연팩을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 절연물질은, 점성을 갖는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 절연물질은, 액체 또는 겔 상태인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 절연팩은, 상기 파우치 케이스와 상기 전극 조립체 사이에 개재된 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 절연팩은, 2 이상 구비된 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 2 이상의 절연팩 중 어느 하나의 절연팩은, 상부 파우치 케이스와 상기 전극 조립체 사이에 개재되고, 다른 하나의 절연팩은, 하부 파우치 케이스와 상기 전극 조립체 사이에 개재된 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 어느 하나의 절연팩의 일단과 상기 다른 하나의 절연팩의 일단은 서로 연결되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 2개의 절연팩 중 어느 하나의 절연팩은 나머지 하나의 절연팩을 기준으로 폴딩 가능한 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 절연팩은, 상기 파우치 케이스의 내부 공간의 적어도 일부분의 형상과 대응되는 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 절연팩은, 상기 파우치 케이스의 내부 공간에 밀착되는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 파우치 케이스는, 내부에 적어도 하나 이상의 돌기를 구비하고, 상기 절연팩은, 상기 돌기와 상기 파우치 케이스 내벽 사이에 끼움결합되는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 절연팩은, 상기 파우치 케이스 내벽에 접착결합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 상술한 파우치형 이차 전지를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 모듈은, 하나 이상의 파우치형 이차 전지; 내부 공간에 상기 파우치형 이차 전지를 수납하는 모듈 외장재; 및 상기 파우치형 이차 전지의 적어도 일부분을 커버하는 형태로 구성되고, 내부에 절연물질을 보유하는 절연팩을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 절연물질은, 점성을 갖는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 절연물질은, 액체 또는 겔 상태인 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 절연팩은, 상기 모듈 케이스와 상기 전극 조립체 사이에 개재된 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 절연팩은, 2 이상 구비된 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 2 이상의 절연팩 중 어느 하나의 절연팩은, 상기 모듈 외장재의 상부 내벽과 상기 모듈 외장재의 상부 내벽과 인접한 파우치형 이차 전지 사이에 개재되고, 상기 다른 하나의 절연팩은, 상기 모듈 외장재의 하부 내벽과 상기 모듈 외장재의 하부 내벽과 인접한 파우치형 이차 전지 사이에 개재된 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 절연팩은, 상기 모듈 외장재의 내부 공간의 적어도 일부분의 형상과 대응되는 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 절연팩은, 상기 모듈 외장재의 내부 공간에 밀착되는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 모듈 외장재에는 상기 절연팩이 삽입될 수 있는 슬릿이 적어도 하나 형성되고, 상기 절연팩은 상기 슬릿에 삽입되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 슬릿은, 상기 파우치형 이차 전지가 적층되는 방향을 따라 양 끝단에 하나씩 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 파우치형 이차 전지의 내부에 수납된 전극 조립체를 절연팩이 커버함으로써, 침상체가 파우치형 이차 전지에 침투하는 경우에도 전기적 단락 현상이 발생하지 않을 수 있다.
특히, 절연팩의 내부에 보유된 절연물질이 점성을 갖는 액체 또는 겔 상태의 물질로 구성됨으로써, 침상체가 파우치형 이차 전지에 침투할 경우, 절연팩의 내부에 보유된 절연물질이 자연스럽게 침상체의 표면을 코팅하여 침상체와 전극 조립체 간 또는 전극 조립체 내부의 전극 간에 전기적 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과 및 다른 효과들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 종래의 파우치형 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는, 도 1의 파우치형 이차 전지의 결합 사시도이다.
도 3은, 종래의 파우치형 이차 전지에 침상체가 침투한 모습을 나타내는 도면이다.
도 4는, 도 3의 A-A'에 대한 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 단면도이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지에 침상체가 침투한 모습을 나타낸 단면도이다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 단면도이다.
도 9는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 10은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 11은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 하부 파우치 케이스 및 절연팩을 나타낸 도면이다.
도 12는, 도 11의 절연팩이 하부 파우치 케이스에 끼움결합된 모습을 나타낸 도면이다.
도 13은, 도 12의 B-B'에 대한 단면도이다.
도 14는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 단면도이다.
도 15는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 16은, 도 15의 배터리 모듈이 결합한 상태에서 침상체가 배터리 모듈의 정면으로 침투하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 17은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 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 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 분해 사시도이고, 도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지는 전극 조립체(100), 파우치 케이스(200) 및 절연팩(300)을 포함한다.
상기 전극 조립체(100)는, 양극판과 음극판이 서로 대향하도록 배치된 형태로 구성되며, 이러한 양극판과 음극판 사이에는 세퍼레이터가 개재될 수 있다. 이러한 전극 조립체(100)는, 다수의 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 상태로 형성되거나, 하나의 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 권취된 상태로 형성될 수 있다.
상기 전극 조립체(100)의 전극판들은 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로 형성되는데, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 그리고, 각각의 전극판들에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재할 수 있고, 이러한 무지부에는 각각의 전극판에 대응되는 전극 탭이 형성될 수 있다. 이러한 전극 탭, 즉 양극 탭(110)과 음극 탭(120)은 각각 양극판과 음극판에 하나 또는 그 이상이 형성될 수 있다. 이러한 양극 탭(110) 또는 음극 탭(120)은 양극판 또는 음극판에 부착되는 형태로 돌출되게 형성될 수 있으며, 각각 양극 집전체 또는 음극 집전체와 동일 재질로 구성될 수 있다.
상기 파우치 케이스(200)는, 도면에서 R로 표시된 바와 같이 오목한 형태의 내부 공간을 구비하여, 이러한 내부 공간(R)에 전극 조립체(100) 및 전해액(400)을 수납할 수 있다. 또한, 파우치 케이스(200)는, 내부 공간(R)에 전극 조립체(100)를 용이하게 수납하기 위해, 상부 파우치 케이스(210) 및 하부 파우치 케이스(220)로 구성될 수 있다. 이때, 도 5 및 도 6에 도시된 실시예와 같이, 상부 파우치 케이스(210) 및 하부 파우치 케이스(220) 모두에 오목한 형태의 내부 공간(R)이 형성될 수도 있고, 이와 달리 상부 파우치 케이스(200)나 하부 파우치 케이스(200) 중 어느 하나에만 오목한 형태의 내부 공간(R)이 형성될 수도 있다.
그리고, 이러한 상부 파우치 케이스(200) 및 하부 파우치 케이스(200)는, 내부 수납 공간의 테두리에 실링부(S)를 구비하고, 이러한 실링부(S)가 서로 접착됨으로써, 내부 수납 공간이 밀봉되도록 할 수 있다.
상기 절연팩(300)은, 내부에 절연물질을 보유할 수 있다. 일 예로, 상기 절연팩(300)은, 파우치형 이차 전지의 외장재로 사용되는 파우치 케이스(200)로 구현될 수도 있고, 이외의 공지된 팩 내지 파우치 등으로 구현될 수도 있다.
상기 절연팩(300)은, 상술한 전극 조립체(100)의 적어도 일부분을 커버하는 형태로 구성될 수 있다. 즉, 상기 절연팩(300)은, 침상체(P)가 파우치형 이차 전지로 침투할 경우, 이러한 침상체(P)가 절연팩(300)을 침투한 다음 전극 조립체(100)를 침투할 수 있도록 전극 조립체(100)의 외부를 커버하는 위치에 배치될 수 있다.
한편, 여기서 절연팩(300)이 전극 조립체(100)의 적어도 일부분을 커버한다는 의미는, 반드시 절연팩(300)이 전극 조립체(100)에 접한 상태에서 전극 조립체(100)를 커버한다는 의미로 해석되어서는 아니된다.
다시 말해, 절연팩(300)이 전극 조립체(100)의 적어도 일부분을 커버한다는 것은, 절연팩(300)이 전극 조립체(100)의 외부의 적어도 일부분을 둘러싸 외부의 침상체(P)가 파우치형 이차 전지에 침투할 경우, 절연팩(300)이 전극 조립체(100)보다 먼저 외부의 침상체(P)에 닿게 된다는 것을 말한다. 즉, 절연팩(300)은, 전극 조립체(100)로부터 소정 거리 이격 배치된 상태에서 전극 조립체(100)의 적어도 일부분을 커버할 수도 있다.
한편, 상기 절연팩(300)의 크기, 형태 및/또는 재질 등은 원칙적으로 제한이 없다. 다만, 상기 절연팩(300)은, 파우치 케이스(200) 내부에 포함되는 형태로 구성되는 것이 좋기 때문에, 상기 절연팩(300)의 크기는 파우치 케이스(200)의 크기보다는 작은 것이 좋다. 또한, 상기 절연팩(300)의 표면의 넓이는, 상기 전극 조립체(100)의 넓은 표면을 커버할 수 있도록 상기 전극 조립체(100)의 넓은 표면의 넓이 이상인 것이 좋다.
상기 절연팩(300)의 형태에도 제한이 없으나, 파우치 케이스(200) 내부에 용이하게 수납될 수 있도록 파우치 케이스(200) 내부 공간의 적어도 일부분의 형상과 대응되는 형상을 갖는 것이 좋다.
상기 절연팩(300)의 재질도 제한이 없으나, 소정 범위의 변형이 가능한 재질로 이루어지는 것이 좋다. 더욱 바람직하게는, 상기 절연팩(300)은, 탄성 변형이 가능하여 파우치 케이스(200) 내부 공간에 밀착될 수 있는 재질로 이루어지는 것이 좋다.
<절연팩을 이루는 재질에 대한 구체적인 자료가 있는 경우 >
상기 절연물질은, 전기를 통하지 않게 하는 물질로서, 전기 전도도가 매우 낮은 물질이다. 즉, 상기 절연물질은 실질적으로 부도체이다.
이러한 절연물질은, 점성을 갖는 것이 좋다. 보다 구체적으로 상기 절연물질은, 점성을 갖는 액체 또는 겔 상태로 절연팩(300)에 포함될 수 있다.
상기 절연물질은, 상술한 바와 같이 절연성과 점성을 동시에 가져서 침상체(P)가 절연팩(300)에 침투할 경우, 침상체(P)의 외부표면을 자연스럽게 코팅할 수 있다. 뿐만 아니라, 절연물질의 점성에 의해 침상체(P)가 파우치형 이차 전지로 침투하는 속도를 감소시켜 침상체(P)의 침투를 저지할 수도 있다.
<절연물질에 대한 구체적인 자료가 있는 경우>
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지에 침상체가 침투한 모습을 나타낸 단면도이다.
도 7을 참조하면, 파우치형 이차 전지는 전극 조립체(100), 파우치 케이스(200) 및 절연팩(300)을 포함하고 있다. 상기 절연팩(300)은 파우치 케이스(200)와 전극 조립체(100) 사이에 개재되어 있다. 보다 구체적으로, 상기 절연팩(300)은, 상부 파우치 케이스(210)와 전극 조립체(100) 사이에 개재되어 전극 조립체(100) 상부의 넓은 표면을 커버하고 있다.
그리고, 외부로부터 침투된 침상체(P)가 이러한 파우치형 이차 전지를 관통한 상태이다. 침상체(P)의 침투방향은 도면에 표시된 화살표와 같이 상부에서 하부로 향하는 방향이다. 따라서, 침상체(P)는 전극 조립체(100)를 침투하기에 앞서 전극 조립체(100)의 상부에 배치된 절연팩(300)으로 침투한다. 침상체(P)는 절연팩(300)으로 침투하여, 절연팩(300)을 관통한 다음 전극 조립체(100)로 침투하여 전극 조립체(100)를 관통한 상태이다.
여기서, 침상체(P)는, 절연팩(300)을 침투하면서 절연팩(300)에 보유된 절연물질에 닿게 된다. 침상체(P)는, 하방향으로 진행하면서 외부표면이 연속적으로 절연물질에 닿게 된다. 절연물질은 점성을 가지고 있으므로 침상체(P)의 외부표면에 닿음과 동시에 침상체(P)의 외부표면을 둘러싸게 되므로, 침상체(P)의 외부표면은 자연스럽게 절연물질에 의해 코팅될 수 있다. 즉, 침상체(P)의 외부표면에는 절연물질로 이루어진 코팅층(C)이 형성될 수 있다. 다시 말해, 침상체(P)가 절연팩(300)을 침투하게 되면, 절연팩(300) 내부에 보유된 절연물질이 절연팩(300)의 외부로 유출되면서 침상체(P)의 외부표면을 둘러싸게 된다.
이로 인해, 전극 조립체(100)와 침상체(P) 사이에는 절연물질이 존재하게 되고, 침상체(P)와 전극 조립체(100) 사이에 전기적 절연이 이루어진다. 즉, 침상체(P)와 전극 조립체(100) 사이에는 전기적 단락이 발생하지 않게 된다. 뿐만 아니라, 침상체(P)와 전극 조립체(100) 사이에 전기적 절연이 이루어지므로, 전극 조립체(100)의 양극판과 음극판 사이에도 전기적 절연이 이루어지게 된다. 다시 말해, 침상체(P)의 외부표면에 절연물질이 코팅되므로, 상기 양극판과 음극판이 침상체(P)를 매개로 단락되지 않는다.
한편, 통상의 기술자는 파우치형 이차 전지로 침투되는 침상체(P)의 침투 속도 등을 고려하여 최적 또는 호적의 점성도를 가진 절연물질을 선택할 수 있을 것이다.
상기 절연팩(300)은, 2 이상이 구비될 수 있다. 즉, 파우치형 이차 전지는 2 이상의 절연팩(300)을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 전극 조립체(100)의 넓은 표면을 모두 커버할 수 있도록 하기 위해, 전극 조립체(100)의 상면을 커버하는 절연팩(300)과 전극 조립체(100)의 하면을 커버하는 절연팩(300)이 구비되는 것이 좋다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 단면도이다. 도 8에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차 전지는, 도 5에 도시된 실시예와 비교할 때, 전극 조립체(100)의 하면을 커버할 수 있는 절연팩(300b)이 하나 더 구비되어 있다는 점에서 차이가 있다.
즉, 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차 전지는 2개의 절연팩(300a, 300b)을 구비하고 있다. 2개의 절연팩(300a, 300b) 중 어느 하나는 상부 파우치 케이스(210)와 전극 조립체(100) 사이에 개재된다. 이와 같이, 상부 파우치 케이스(210)와 전극 조립체(100) 사이에 개재된 절연팩(300a)은 제1절연팩이라 지칭될 수 있다.
그리고, 2개의 절연팩(300a, 300b) 중 나머지 하나(300b)는 하부 파우치 케이스(220)와 전극 조립체(100) 사이에 개재되고, 이러한 나머지 하나의 절연팩(300b)은 제2절연팩이라 지칭될 수 있다.
상기 제1절연팩(300a)은 전극 조립체(100) 상부의 넓은 표면을 커버하고, 상기 제2절연팩(300b)은 전극 조립체(100) 하부의 넓은 표면을 커버할 수 있다. 따라서, 이러한 실시예에 의하면, 침상체(P)가 파우치형 이차 전지의 상부로 침투되는 경우뿐만 아니라 침상체(P)가 파우치형 이차 전지의 하부로 침투되는 경우에도 절연물질이 침상체(P)를 코팅할 수 있게 된다.
도 9는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 9를 참조하면, 하부 파우치 케이스(200)에는 오목한 형태의 전극 조립체(100) 수납 공간(R)이 형성되어 있으나, 상부 파우치 케이스(200)에는 전극 조립체(100) 수납 공간이 형성되어 있지 않다.
그리고, 상부 파우치 케이스(210)와 전극 조립체(100) 사이에 제1절연팩(300a)이 개재되고, 하부 파우치 케이스(220)와 전극 조립체(100) 사이에 제2절연팩(300b)이 개재된다. 여기서, 제1절연팩(300a)은, 상부 파우치 케이스(210)의 형상과 대응되도록 편평한 형태로 구성된다. 그리고, 제2절연팩(300b)은, 하부 파우치 케이스(220)의 형상 특히, 하부 파우치 케이스(220)의 오목 형상과 대응되도록 오목한 형태로 구성된다.
더욱이, 상기 제1절연팩(300a)과 제2절연팩(300b)은, 탄성 변형이 가능한 재질로 이루어져 각각의 절연팩(300a, 300b)은 인접한 파우치 케이스(200)에 밀착될 수 있다.
이와 같이, 제1절연팩(300a)과 제2절연팩(300b)은 각각 인접한 파우치 케이스(210, 220)의 형상과 대응되는 형상을 가져 파우치 케이스(200) 내부에 용이하게 수납될 수 있을 뿐만 아니라, 전극 조립체 본체의 외부를 모두 커버할 수 있다. 제1절연팩(300a)은 전극 조립체 본체의 상부를 커버하고, 제2절연팩(300b)은 전극 조립체 본체의 하부 및 측부를 커버할 수 있다.
다시 말해, 파우치 케이스(200)가 전극 조립체 본체의 외부를 모두 커버할 수 있듯이, 제1절연팩(300a)과 제2절연팩(300b)이 전극 조립체 본체의 외부를 모두 커버할 수 있다.
도 10은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 분해 사시도이다. 도 10을 참조하면, 전극 조립체(100)의 하부를 커버하는 절연팩(제2절연팩)의 일단에 다른 절연팩(제1절연팩)이 연결되어 있다. 즉, 제2절연팩(300a)의 일단과 제1절연팩(300b)의 일단이 서로 연결된 상태이다. 그리고, 이러한 제1절연팩(300a)과 제2절연팩(300b)의 연결부분은 점선 표시를 따라 폴딩 가능하도록 구성된다. 즉, 제1절연팩(300a)이 제2절연팩(300b)을 기준으로 도 10의 화살표 방향으로 폴딩될 수 있다.
또한, 제1절연팩(300a)과 제2절연팩(300b)은 각각 상부 파우치 케이스(210)와 하부 파우치 케이스(220)의 내부 공간의 형상과 대응되는 형상을 가지고 있다. 따라서, 도 10에 도시된 실시예는 도 9에 도시된 실시예와 마찬가지로, 제1절연팩(300a)과 제2절연팩(300b)이 전극 조립체(100) 본체의 외부를 모두 커버할 수 있다.
뿐만 아니라, 전극 조립체(100)가 제1절연팩(300a)과 제2절연팩(300b)이 형성한 공간에 수납된 상태에서 제1절연팩(300a)이 제2절연팩(300b)을 기준으로 폴딩(또는, 제2절연팩이 제1절연팩을 기준으로 폴딩)된 다음 파우치 케이스(200) 내부에 수납되는 간단한 과정을 거쳐 파우치형 이차 전지가 제조될 수 있다. 따라서, 파우치형 이차 전지의 제조 공정이 비교적 간소화될 수 있다.
한편, 도 9 및 도 10과 같이, 파우치 케이스(200) 내부에 절연팩(300)이 밀착된 실시예에서, 전극 조립체(100)와 절연팩(제1절연팩, 제2절연팩) 사이에는 소정의 간극이 존재하여, 이러한 간극에 전해액(400)이 존재할 수 있다. 즉, 전해액(400)은 절연팩(제1절연팩, 제2절연팩)과 전극 조립체(100) 사이의 공간에 주입되어 전극 조립체(100)로 함침될 수 있다.
선택적으로, 상술한 파우치 케이스(200)는, 내부에 하나 이상의 돌기를 구비할 수 있다. 이러한 하나 이상의 돌기는 절연팩(300)이 끼움결합될 수 있는 돌출부를 구성할 수 있다.
도 11은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 하부 파우치 케이스 및 절연팩을 나타낸 도면이고, 도 12는, 도 11의 절연팩이 하부 파우치 케이스에 끼움결합된 모습을 나타낸 도면이며, 도 13은, 도 12의 B-B'에 대한 단면도이다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 하부 파우치 케이스(200)는 내부에 4개의 돌기(e)를 구비하고 있다. 절연팩(300b)은 이러한 하부 파우치 케이스(220)에 결합되되, 상기 4개의 돌기(e)와 하부 파우치 케이스(220)의 내벽 사이에 끼워지는 형태로 결합될 수 있다. 이때, 절연팩(300b)은, 하부 파우치 케이스(220)의 내부 공간의 적어도 일부와 대응되는 형상을 가지는 것이 좋다. 또한, 절연팩(300b)은, 상기 돌기와 파우치 케이스(220)의 내벽 사이에 용이하게 끼움결합될 수 있도록, 탄성 변형이 가능한 재질로 이루어지는 것이 좋다.
이와 같은 실시예에 따르면 절연팩(300b)이 파우치 케이스(220)에 용이하게 결합될 수 있을 뿐만 아니라, 결합된 절연팩(300b)은 파우치 케이스(220)로부터 쉽게 분리되지 않는 장점이 있다.
이때 파우치 케이스에 구비되는 돌기의 개수 및/또는 돌기의 규격(길이, 두께 등)은 절연팩의 탄성 변형 가능 범위, 절연팩과 파우치 케이스와의 결합력 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다. 즉, 통상의 기술자는 실험 내지 시뮬레이션 등을 통해 적절한 돌기의 개수 및/또는 돌기의 규격을 채택할 수 있을 것이다.
선택적으로, 절연팩(300)은 파우치 케이스(200)의 내벽에 접착결합될 수도 있다.
도 14는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 단면도이다.
도 14를 참조하면, 도 11 내지 도 13에 도시된 바와 마찬가지로 하부 파우치 케이스(220)에 절연팩(300b)이 끼움결합되어 있다. 그리고, 상부 파우치 케이스(210)의 하면에는 다른 절연팩(300a)이 접착결합되어 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 절연팩(300a)은 파우치 케이스(210)의 내벽에 접착결합될 수도 있다. 즉, 절연팩(300a)은 접착제에 의해 파우치 케이스(210)의 내벽에 접착될 수 있다. 따라서, 절연팩(300a)과 파우치 케이스(210) 사이에는 접착층(b)이 형성될 수 있다.
한편, 도 11 내지 도 14에서, 하부 파우치 케이스(220)에 절연팩(300b)이 끼움결합되고, 상부 파우치 케이스(210)에는 절연팩(300a)이 접착결합된 모습을 도시하였으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 이와 달리, 절연팩은, 상부 파우치 케이스(210) 및 하부 파우치 케이스(220) 모두에 끼움결합될 수도 있고, 하부 파우치 케이스(220)에 접착결합되고 상부 파우치 케이스(210)에 끼움결합될 수도 있으며, 그 밖의 다른 조합에 의해 파우치 케이스(200)에 결합될 수 있다. 뿐만 아니라, 절연팩(300)은, 이외의 다양한 방법에 의해 파우치형 이차 전지에 구비될 수도 있음은 물론이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상술한 파우치형 이차 전지(1000)는 배터리 모듈에 포함될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 상술한 파우치형 이차 전지(1000)를 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 파우치형 이차 전지(1000)를 하나 이상 구비한 파우치형 이차 전지(1000)의 집합체를 수용할 수 있다. 즉, 상기 배터리 모듈은, 하나 이상의 파우치형 이차 전지(1000) 및 상기 하나 이상의 파우치형 이차 전지(1000)를 수납하는 모듈 외장재(2000)로 구성될 수 있다.
도 15는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이고, 도 16은, 도 15의 배터리 모듈이 결합한 상태에서 침상체가 배터리 모듈의 정면으로 침투하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 모듈 외장재(2000) 및 3개의 파우치형 이차 전지(1000a, 1000b, 1000c)를 포함한다.
상기 모듈 외장재(2000)에는 3개의 슬릿(Sa, Sb, Sc)이 형성되어 있고, 이러한 3개의 슬릿(Sa, Sb, Sc)은 3개의 파우치형 이차 전지(1000a, 1000b, 1000c)를 각각 수용하는 공간을 제공한다. 따라서, 도 15의 3개의 파우치형 이차 전지(1000a, 1000b, 1000c)는 모듈 외장재(2000)에 형성된 슬릿(Sa, Sb, Sc)에 각각 삽입되어 도 16과 같은 배터리 모듈을 구성할 수 있다. 한편, 도면에는 도시되지 않았지만, 배터리 모듈은, 모듈 외장재(2000) 상부에 형성된 개구부, 특히 슬릿(Sa, Sb, Sc)의 개구부를 커버하는 상부 커버(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 3개의 파우치형 이차 전지(1000) 중 2개의 파우치형 이차 전지(1000a, 1000c)는 상술한 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지이다.
도 15 및 도 16에 도시된 3개의 파우치형 이차 전지(1000a, 1000b, 1000c)는, 정면에서 배면 방향을 따라 각각 제1파우치형 이차 전지(1000a), 제2파우치형 이차 전지(1000b), 제3파우치형 이차 전지(1000c)로 지칭될 수 있다.
즉, 도 15 및 도 16의 정면에 위치한 파우치형 이차 전지는 제1파우치형 이차 전지(1000a)이고, 도 15 및 도 16의 배면에 위치한 파우치형 이차 전지는 제3파우치형 이차 전지(1000c)이며, 제1파우치형 이차 전지(1000a)와 제3파우치형 이차 전지(1000c) 사이에 배치된 파우치형 이차 전지는 제2파우치형 이차 전지(1000b)이다.
여기서, 제1파우치형 이차 전지(1000a)와 제3파우치형 이차 전지(1000c)는 각각 내부에 절연팩(300)을 하나씩 구비하고 있다. 그리고, 상기 절연팩(300)은 파우치 케이스(200)와 전극 조립체(100) 사이에 개재되어 있다. 제1파우치형 이차 전지(1000a)의 경우, 절연팩(300)은 정면 방향의 파우치 케이스(200)와 전극 조립체(100) 사이에 개재되어 있고, 제3파우치형 이차 전지(1000c)의 경우, 이와 반대로, 절연팩(300)은 배면 방향의 파우치 케이스(200)와 전극 조립체(100) 사이에 개재되어 있다.
이러한 상태에서 도 16에 도시된 바와 같이 정면 방향으로 침상체(P)가 침투할 경우, 상기 침상체(P)는, 제1파우치형 이차 전지(1000a)에 구비된 절연팩(300)이 보유하고 있는 절연물질에 의해 코팅될 수 있게 된다. 따라서, 침상체(P)가 정면 방향으로 침투하더라도 침상체(P)와 전극 조립체(100) 사이에 전기적 단락이 발생하지 않는다.
이와 마찬가지로, 도 16의 배면에서 정면 방향으로 침상체(P)가 침투할 경우, 상기 침상체(P)는, 제3파우치형 이차 전지(1000c)에 구비된 절연팩(300)이 보유하고 있는 절연물질에 의해 코팅될 수 있게 된다.
이와 같이 파우치형 이차 전지(1000)가 적층된 상태로 모듈 케이스 내에 구비된 실시예에 있어서, 최외곽에 배치된 파우치형 이차 전지(1000a, 1000c)에 절연팩(300)을 구비함으로써, 침상체(P)의 침투로부터 발생할 수 있는 전기적 단락을 방지할 수 있다.
한편, 도 15 및 도 16에 도시된 실시예는 하나의 예에 불과하므로, 배터리 모듈에 구비되는 파우치형 이차 전지(1000)는 이와 달리 구성될 수도 있다. 즉, 모듈 케이스의 최외곽에는 도 8에 도시된 파우치형 이차 전지(양면에 절연팩이 구비된 파우치형 이차 전지)가 배치될 수도 있고, 배터리 모듈에 구비된 모든 파우치형 이차 전지(1000)의 내부에 절연팩(300)이 구비될 수도 있음은 물론이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상술한 절연팩은 배터리 모듈에 구비될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 절연팩은 배터리 모듈에 구비되되, 파우치형 이차 전지의 외부에 구비될 수 있다.
즉, 전술한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 절연팩을 구비한 파우치형 이차 전지를 포함하는 것인데 반해, 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 모듈은, 파우치형 이차 전지가 절연팩을 구비하고 있는지와 관계없이 배터리 모듈이 절연팩을 구비한다.
도 17은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 17을 참조하면, 상기 배터리 모듈은, 하나 이상의 파우치형 이차 전지(1000), 모듈 외장재(2000) 및 절연팩(3000)을 포함한다.
상기 파우치형 이차 전지(1000)는 상술한 바와 같이 내부에 절연팩(300)을 구비할 수도 있으나, 절연팩(300)을 구비하고 있지 않아도 무방하다.
상기 절연팩(3000)은, 내부에 절연물질을 보유할 수 있다. 그리고, 상기 절연물질은 전기 전도도가 매우 낮은 물질로서, 실질적으로 부도체이다. 바람직하게는, 상기 절연물질은 점성을 가지고 있으며, 액체 또는 겔 상태일 수 있다. 전술한 바와 마찬가지로, 절연팩(3000)이 보유하는 절연물질은, 절연성과 점성을 가져 침상체(P)가 절연팩(3000)으로 침투할 경우, 침상체(P)의 침투 속도를 떨어뜨리고, 침상체(P)의 외부표면을 자연스럽게 코팅할 수 있다.
또한 상기 절연팩(3000)은, 파우치형 이차 전지(1000)의 적어도 일부분을 커버하는 형태로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 절연팩(3000)은, 파우치형 이차 전지(1000)의 넓은 표면을 커버할 수 있도록 파우치형 이차 전지(1000)의 넓이보다 넓은 것이 좋다.
바람직하게는, 상기 절연팩(3000)은 2 이상 구비될 수 있다. 구체적으로 절연팩(3000)은, 모듈 외장재(2000)의 상부 내벽과 이에 인접한 파우치형 이차 전지(1000) 사이에 하나가 개재되고, 모듈 외장재(2000)의 하부 내벽과 이에 인접한 파우치형 이차 전지(1000) 사이에 또 하나가 개재될 수 있다.
여기서, 상부 내벽과 하부 내벽은 파우치형 이차 전지(1000)의 넓은 표면을 커버하는 부분을 의미한다. 예를 들어, 도 17에서, 모듈 외장재(2000)의 정면 부분과 배면 부분이 각각 모듈 외장재(2000)의 상부와 하부가 될 수 있다.
이와 같이 절연팩(3000) 중 하나는, 모듈 외장재(2000)의 하부 내벽과 이에 인접한 파우치형 이차 전지(1000) 사이에 개재되고, 다른 하나는, 모듈 외장재(2000)의 하부 내벽과 이에 인접한 파우치형 이차 전지(1000) 사이에 개재되어, 침상체(P)가 파우치형 이차 전지(1000)의 넓은 표면으로 곧바로 침투하는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 곧바로 침투한다는 것은 절연팩(3000)을 관통하지 않은 상태로 파우치형 이차 전지(1000)로 침투한다는 의미로 사용된다.
또한, 상기 절연팩(3000)은, 모듈 외장재(2000)의 내부 공간의 적어도 일부분의 형상과 대응되는 형상을 가질 수 있다. 선택적으로, 상기 절연팩(3000)은, 하나 이상의 파우치형 이차 전지(1000)로 이루어진 파우치형 이차 전지(1000)의 집합체의 전면을 커버할 수 있도록 모듈 외장재(2000)의 내부 공간의 형상과 대응되는 형상을 가질 수도 있다.
또한, 상기 절연팩(3000)은, 탄성 변형이 가능하여 모듈 외장재(2000)의 내부 공간에 밀착될 수도 있다.
상기 모듈 외장재(2000)는, 내부 공간에 상기 파우치형 이차 전지(1000)를 수납할 수 있다. 따라서, 모듈 외장재(2000)에는 파우치형 이차 전지(1000)를 수납할 수 있는 공간이 형성되어 있다. 상기 파우치형 이차 전지(1000)를 수납할 수 있는 공간의 구체적인 양태에는 제한이 없으며, 하나 이상의 파우치형 이차 전지(1000)가 수납될 수 있으면 어떠한 형태이더라도 무방하다.
일 예로 상기 모듈 외장재(2000)에는, 도 17에 도시된 바와 같이, 슬릿이 형성될 수 있다. 파우치형 이차 전지(1000)가 삽입될 수 있는 슬릿(Sa, Sb, Sc)이 형성되어, 이러한 슬릿(Sa, Sb, Sc)에 파우치형 이차 전지(1000)가 삽입될 수 있다.
뿐만 아니라, 도 17에 도시된 바와 같이, 모듈 외장재(2000)의 양 끝단에 슬릿(Sd, Se)이 더 형성될 수 있다. 이와 같이 모듈 외장재(2000)의 양 끝단에 형성된 슬릿(Sd, Se)은 절연팩(3000)이 삽입되는 공간을 제공할 수 있다. 따라서, 모듈 외장재(2000)의 양 끝단에 형성된 슬릿(Sd, Se)은, 절연팩(3000)이 삽입될 수 있을 정도의 공간을 제공하도록 형성되는 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는, 상기 절연팩(3000)이 삽입되는 슬릿(Sd, Se)은, 파우치형 이차 전지(1000)가 적층되는 방향을 따라 양 끝단에 형성되는 것이 좋다. 이에 따르면, 슬릿(Sd, Se)에 삽입되는 절연팩(3000a, 3000b)이 적층된 파우치형 이차 전지(1000) 중 최외곽에 배치된 파우치형 이차 전지(1000a, 1000c)들을 넓은 표면을 커버할 수 있다.
일 예로, 도 17에 도시된 바와 같이, 절연팩(3000)이 삽입되는 슬릿(Sd, Se)은, 파우치형 이차 전지(1000)가 삽입되는 슬릿(Sa, Sb, Sc)과 평행한 형태로 형성되되, 모듈 외장재(2000)의 양 끝단에 형성될 수 있다. 절연팩(3000a, 3000b)과 파우치형 이차 전지(1000a, 1000b, 1000c)가 각각의 슬릿(Sa, Sb, Sc, Sd, Se)에 삽입되면, 절연팩(3000a, 3000b)은, 정면에 위치하는 파우치형 이차 전지(1000a)의 넓은 표면과 배면에 위치하는 파우치형 이차 전지(1000c)의 넓은 표면을 커버할 수 있다.
한편, 상기 절연팩(3000)은, 전술한 파우치형 이차 전지(1000)에 구비되는 절연팩(300)과 실질적으로 큰 차이가 없으므로, 모순되지 않을 경우, 파우치형 이차 전지(1000)에 구비되는 절연팩(300)에 대한 설명이 그대로 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 파우치 케이스(200)에 대한 설명 또한 모듈 외장재(2000)에 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서, 상, 하, 정면, 배면 등과 같이 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 관측자의 보는 위치나 대상이 놓여진 위치 등에 따라 다른게 표현될 수 있는 것이므로 절대적인 의미로 해석되어서는 아니 된다.
P: 침상체
100: 전극 조립체
200: 파우치 케이스
300, 3000: 절연팩
400: 전해액
1000: 파우치형 이차 전지
2000: 모듈 외장재

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  14. 하나 이상의 파우치형 이차 전지;
    내부 공간에 상기 파우치형 이차 전지를 수납하는 모듈 외장재; 및
    상기 파우치형 이차 전지의 적어도 일부분을 커버하는 형태로 구성되고, 내부에 절연물질을 보유하는 절연팩을 포함하며,
    상기 모듈 외장재는, 상기 내부 공간을 구획하여 상기 파우치형 이차전지 및 상기 절연팩을 개별적으로 삽입시킬 수 있게 마련되는 적어도 하나의 슬릿을 더 포함하고, 상기 절연팩은, 상기 파우치형 이차 전지들을 사이에 두고 양 끝단에 형성된 상기 슬릿에 하나씩 삽입되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 절연물질은, 점성을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 절연물질은, 액체 또는 겔 상태인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
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  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 절연팩은, 상기 모듈 외장재의 내부 공간의 적어도 일부분의 형상과 대응되는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 절연팩은, 상기 모듈 외장재의 내부 공간에 밀착되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
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