KR102256477B1 - 2차 전지 - Google Patents

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KR102256477B1
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Abstract

본 발명은 내부 가스 배출을 용이하게 하는 2차 전지에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 전극 집합체를 내부에 수용하는 캔부재 및 상기 캔부재의 개구부를 막는 탑캡 조립체를 포함하며, 상기 탑캡 조립체는, 상기 캔부재 측으로 함몰되어 절개 가능하게 형성되는 노치부와 상기 노치부의 외측 둘레에 요철 형상의 변형 방지부가 형성되는 벤트부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

2차 전지{SECONDARY BATTERY}
본 발명은 2차 전지에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 내부 가스 배출을 용이하게 하는 2차 전지에 관한 것이다.
물질의 물리적 반응이나 화학적 반응을 통해 전기에너지를 생성시켜 외부로 전원을 공급하게 되는 전지(cell, battery)는 각종 전기전자 기기로 둘러싸여 있는 생활환경에 따라, 건물로 공급되는 교류 전원을 획득하지 못할 경우나 직류전원이 필요할 경우 사용하게 된다.
이와 같은 전지 중에서 화학적 반응을 이용하는 화학전지인 일차전지와 이차전지가 일반적으로 많이 사용되고 있는데, 일차전지는 건전지로 통칭되는 것으로 소모성 전지이다. 또한, 이차전지는 전류와 물질 사이의 산화환원과정이 다수 반복 가능한 소재를 사용하여 제조되는 재충전식 전지로서, 전류에 의해 소재에 대한 환원반응이 수행되면 전원이 충전되고, 소재에 대한 산화반응이 수행되면 전원이 방전되는데, 이와 같은 충전-방전이 반복적으로 수행되면서 전기가 생성되게 된다.
한편, 이차 전지 중 리튬 이온 전지는 양극 도전 포일과 음극 도전 포일에 각각 활물질을 일정한 두께로 코팅하고, 상기 양 도전 포일 사이에는 분리막이 개재되도록 하여 대략 젤리 롤(jelly roll) 내지는 원통 형태로 다수 회 권취하여 제작한 전극 조립체를 원통형 또는 각형 캔, 파우치 등에 수납하고 이를 밀봉 처리하여 제작된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0095118호에는 종래의 2차 전지가 개시되어 있다.
2차 전지는 내부 압력 증가 시에 탑캡 조립체를 통해 내부 가스를 외부로 배출하며, 탑캡 조립체는 내부 가스의 배출을 위한 벤트(vent)가 형성된다.
이러한 벤트는 탑캡 조립체와 캔의 사이에 마련된 벤트 플렌지부에 형성된 노치가 캔 내부 압력 증가 시 절개되어 가스 배출을 위한 통로를 형성하는 구성이다.
그런데 종래에는 노치가 절개되는 과정에서 절개된 노치가 말려 올라가서 탑캡 조립체에 형성된 배기홀을 막아 가스의 배출을 방해하는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 탑캡 조립체를 개선하여 가스 배출 시 절개된 노치부에 의해 배기홀이 막히는 것을 방지할 수 있는 2차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 2차 전지는 전극 집합체(1)를 내부에 수용하는 캔부재(3); 및 상기 캔부재(3)의 개구부를 막는 탑캡 조립체(100); 를 포함하며, 상기 탑캡 조립체(100)는, 중앙에 외측으로 돌출되는 헤드부(111)와 헤드부(111)의 주면에 형성되는 배기홀(115)이 구비된 캡 플레이트(110), 상기 캡 플레이트(110)의 저면에 적층되는 벤트부재(120), 및 상기 벤트부재의 저면에 밀착되는 전류차단부재를 포함하고, 상기 벤트부재(120)는 상기 캔부재(3) 측으로 함몰되어 절개 가능하게 형성되는 노치홈(121a)이 형성된 노치부(121), 상기 캡 플레이트(110)와 체결되는 체결부(121b), 상기 노치부(121)의 외측 둘레와 체결부(121b)의 내측 둘레 사이에 구비되는 요철 형상의 변형 방지부(123)가 형성되며, 요철 형상의 변형 방지부(123)는 상기 체결부(121b)와 연결되고 전류차단부재(130) 측으로 돌출 형성되는 돌출부(123a)와 상기 노치부(121)의 노치홈(121a)과 연결되고 상기 캡 플레이트(110) 측으로 돌출 형성되는 상부 돌출부(123b)를 포함하되, 상기 변형 방지부는 요철 형상이 연속되게 형성되는 주름진 형상을 가지고, 상기 노치부(121)가 연결되는 상부 돌출부(123b)의 끝단은 상기 전류차단부재(130)를 향하는 수직면으로 형성되되, 상기 수직면과 상기 노치부 경계에 노치홈(121a)이 형성되며, 상기 벤트부재(120)의 노치부(121) 및 변형 방지부(123)는 상기 배기홀(115)보다 상기 캡 플레이트(110)의 중심으로부터 더 먼 곳에 위치되는 것을 특징으로 한다.
상기 노치부의 절개 시 상기 노치부는 상기 변형 방지부 측으로의 변형이 제한될 수 있다.
상기 벤트부재의 두께는 0.29mm ~ 0.4mm일 수 있다.
상기 벤트부재는 알루미늄(Al) 소재로 형성될 수 있다.
상기 변형 방지부는 주름진 형상일 수 있다.
상기 벤트부재의 외측에 적층되며, 배기홀이 관통 형성되는 캡 플레이트와 상기 벤트부재의 내측에 적층되며, 상기 캔부재 내부의 압력 증가 시 파단되어 전류를 차단하는 전류차단부재를 더 포함할 수 있다.
상기 변형 방지부는 상기 전류차단부재 측으로 돌출 형성되는 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 벤트부재의 노치부는 절개된 후에 상기 캡 플레이트 측으로 벌어질 수 있다.
상기 벤트부재의 변형 방지부는 상기 배기홀에 대응하게 형성될 수 있다.
상기 벤트부재의 노치부 및 변형방지부는 상기 배기홀보다 상기 캡 플레이트의 중심으로부터 더 먼 곳에 위치될 수 있다.
상기 벤트부재는 상기 캡 플레이트와 체결될 수 있다.
본 발명에 따르면, 벤트부재의 노치부를 전류차단부재 측으로 함몰되게 형성하여 노치부 절개 시 절개된 노치부에 의해 배기홀이 막히는 현상을 방지하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 벤트부재의 노치부 외측 둘레에 변형 방지부를 형성하여 노치부 절개 시 절개된 노치부에 의해 배기홀이 막히지 않도록 노치부의 함몰 높이를 충분히 확보하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 벤트부재의 노치부 외측 둘레에 변형 방지부를 형성하여 절개된 노치부가 외측으로 변형되어 배기홀을 막는 것을 방지하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 벤트부재의 변형 방지부가 캡 플레이트의 하단부에 형성되어 캡 플레이트에 의해 변형 방지부가 지지되어 노치부가 외측으로 변형되는 것을 방지하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 벤트부재의 노치부가 절개될 때 절개된 노치부에 의해 배출홀이 막히는 것을 방지하여 가스 배출구를 확보하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 절개된 노치부에 의해 배출홀이 막히지 않기 때문에 설계 시 배출홀을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전지에서 주요부만을 확대하여 내부를 도시한 단면도이다.
도 2는 종래의 2차 전지의 일부만을 확대하여 내부를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2에서 내부 가스가 탑캡 조립체를 통해 외부로 배출되는 것을 도시한 구성도이다.
도 4는 도 1에서 내부 가스가 탑캡 조립체를 통해 외부로 배출되는 것을 도시한 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차 전지에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
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 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전지에서 주요부만을 확대하여 내부를 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전지는 전극 집합체(1)를 내부에 수용하는 캔부재(3) 및 상기 캔부재(3)의 개구부를 막는 탑캡 조립체(100)를 포함하며, 상기 탑캡 조립체(100)는 상기 캔부재(3) 측으로 함몰되어 절개 가능하게 형성되는 노치부(121)와 상기 노치부(121)의 외측 둘레에 요철 형상의 변형 방지부(123)가 형성되는 벤트부재(120)를 포함한다.
전극 집합체(1)는, 예를 들어, 양극 활물질이 도포된 양극과 음극 활물질이 도포된 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 복수 회 적층하여 제작할 수 있다.
그리고 전극 집합체(1)는 양극과 분리막 및 음극을 적층한 적층체를 젤리 롤 형태로 권취하여 제작할 수도 있다.
양극은 알루미늄 판일 수 있으며, 양극 활물질이 도포된 양극 활물질부와, 양극 활물질이 도포되지 않은 양극 무지부를 포함할 수 있다.
양극 활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMnO4와 같은 리튬 함유 전이금속 산화물 또는 리튬 칼코게나이드 화합물일 수 있다.
양극 활물질부는 예를 들어, 알루미늄판의 적어도 어느 한 면의 일부에 양극 활물질을 도포하여 형성하며, 양극 활물질이 미 도포된 알루미늄판의 나머지 부분이 양극 무지부가 될 수 있다.
음극은 구리 판일 수 있으며, 음극 활물질이 도포된 음극 활물질부와 음극 활물질이 도포되지 않은 음극 무지부를 포함할 수 있다.
음극 활물질은, 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유와 같은 탄소 재료, 리튬 금속 또는 리튬 합금 등일 수 있다.
음극 활물질부는 예를 들어, 구리판의 적어도 어느 한 면의 일부에 음극 활물질을 도포하여 형성하며, 음극 활물질이 미 도포된 구리판의 나머지 부분이 음극 무지부가 될 수 있다.
분리막은 예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 폴리스틸렌(PS), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)의 공중합체(co-polymer)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 기재에 폴리비닐리덴 플로우라이드-헥사플로로프로필렌 공중합체(PVDF-HFP co-polymer)를 코팅함으로써 제조될 수 있다.
캔부재(3)는 원형 리튬이온 2차 전지에서 대략 원통형의 위쪽이 개방된 형상을 가진 금속재질의 용기이거나 각형 리튬이온 2차 전지에 대략 각형의 위쪽이 개방된 형상을 가진 금속재질의 용기일 수 있으며, 일반적으로 가볍고 부식에 대처가 용이한 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용된다.
캔부재(3)는 전극 집합체(1)와 전해액(미도시)의 용기가 되고, 전극 집합체(1)가 캔부재(3)의 개방된 상단, 즉, 상단개구부를 통해 캔부재(3)에 삽입된 뒤 캔부재(3)의 상단개구부는 탑캡 조립체(100)에 의해 봉해진다.
탑캡 조립체(100)는 중앙에 외측으로 돌출되는 헤드부(111)와 헤드부(111)의 주변에 배기홀(115)이 관통 형성되는 캡 플레이트(110)를 더 포함한다.
그리고 도 1에서 보아 캡 플레이트(110)의 저면에 적층되며 캔부재(3) 내부의 압력 증가 시 절개되는 노치부(121)가 구비되는 벤트부재(120)를 포함한다.
벤트부재(120)의 노치부(121)는 캔부재(3) 내부의 압력 증가 시 캔부재(3) 내부의 가스에 의해 절개되어 캔부재(3) 내부의 가스가 캔부재(3) 외부로 배출되게 하는 기능을 한다.
그리고 탑캡 조립체(100)는 도 1에서 보아 벤트부재(120)의 저면에 밀착되고 전극 집합체(1)와 전기적으로 연결되는 전류차단부재(130)를 더 포함한다.
전류차단부재(130)는 캔부재(3) 내부의 가스에 의한 압력 증가 시 일정 압력을 초과하면 파단되어 전류를 차단한다.
도 2는 종래의 2차 전지의 일부만을 확대하여 내부를 도시한 단면도이고, 도 3은 도 2에서 내부 가스가 탑캡 조립체를 통해 외부로 배출되는 것을 도시한 구성도이다.
도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 2차 전지는 내부 가스 발생 시 가스는 파단된 전류차단필터(13)를 통과하고, 가스의 압력에 의해 벤트(12)의 노치(12a)를 절개하여 캡 부재(11)의 배기 통로(15)를 통해 외부로 배출된다.
하지만, 종래의 2차 전지는 노치(12a)가 절개되어 캡 부재(11) 측으로 휘어져 올라가면서 절개된 노치(12a)의 외측 둘레면이 배기 통로(15)의 일부를 막아서 배기 통로(15)의 입구를 좁게 만들어 가스의 원활한 배출을 방해하는 현상이 발생하곤 하였다.
도 4는 도 1에서 내부 가스가 탑캡 조립체를 통해 외부로 배출되는 것을 도시한 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 캔부재(3) 내부의 가스가 파단된 전류차단부재(130)를 통과하여 가스의 압력에 의해 벤트부재(120)의 노치부(121)를 절개하여 절개된 노치부(121)를 통해 캡 플레이트(110)의 배기홀(115)을 통과하여 외부로 배출되는 가스의 이동을 화살표로 도시하였다.
여기서 본 발명은 절개된 노치부(121)에 의해 배기홀(115)이 막히지 않도록 하기 위해 벤트부재(120)에서 노치부(121)를 전류차단부재(130) 측에서 캡 플레이트(111) 방향으로 함몰되도록 형성하여 노치부(121)와 배기홀(115) 사이의 거리를 최대한 멀어지게 함에 따라 노치부(121)의 절개 시 절개된 노치부(121)가 벌어질 수 있는 공간을 확보한다.
즉, 노치부(121)는 전류차단부재(130) 측으로 함몰되도록 형성되고, 노치부(121)의 절개 시 캔부재(3) 내부에서 배출되는 가스에 의해 노치부(121)는 벤트부재(120)를 기준으로 전류차단부재(130)의 반대 측에 위치한 캡 플레이트(110) 측으로 벌어지기 때문에 노치부(121)를 전류차단부재(130) 측으로 함몰시킨 길이만큼 절개된 노치부(121)의 벌어지는 공간을 확보할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 노치부(121)의 외측 둘레에 변형 방지부(123)를 마련하여 노치부(121)가 변형 방지부(123) 측으로 변형되는 것을 제한하게 할 수 있다.
도 1 또는 도 4에 도시된 바와 같이 변형 방지부(123)는 전류차단부재(130) 측으로 돌출되는 돌출부(123a)를 포함하는 요철형을 형성할 수 있으며, 요철형의 변형 방지부(123)에 의해 노치부(121)의 외측 둘레의 두께가 노치부(121)의 다른 부위에 비해 두께가 두꺼워지는 효과가 있어 캔부재(3) 내부의 가스 압력에 의한 노치부(121)의 절개 시 노치부(121)의 둘레 외측 면은 거의 변형되지 않고 노치부(121)의 둘레 내측 면이 캡 플레이트(110) 측으로 벌어지면서 가스의 이동로를 형성하기 때문에 절개된 노치부(121)에 의해 캡 플레이트(110)의 배기홀(115)이 막히지 않게 하는 효과가 있다.
변형 방지부(123)는 요철형이 연속되게 형성되어 주름진 형상을 형성할 수도 있다.
한편, 변형 방지부(123)의 위치가 캡 플레이트(110)의 배기홀(115)에 대응하는 위치에 형성되면 노치부(121)의 절개 시 절개된 노치부(121) 내측 둘레의 변형에 의해 배기홀(115)이 막히지 않도록 설계하는데 유리하다.
또한, 가스의 압력에 의해 노치부(121)가 절개될 시 가스의 압력에 의한 변형 방지부(123)의 변형을 극소화하도록 제한하기 위한 조건을 만족하기 위해서 벤트부재(120)는 0.29mm ~ 0.4mm 두께의 알루미늄(Al) 소재로 이루어질 수 있다.
또한, 벤트부재(120)의 노치부(121) 및 변형 방지부(123)는 캡 플레이트(110)의 배기홀(115)보다 캡 플레이트(110)의 중심으로부터 더 먼 곳에 위치 하면, 캔부재(3) 내부의 가스 압력에 의해 노치부(121)가 절개될 시 캡 플레이트(111)의 외곽부가 변형 방지부(123)를 아래 방향으로 눌러 지지할 수 있게 되므로 변형 방지부(123)가 배기홀(115) 측으로 휘어지는 변형이 제한될 수 있고, 또한 노치부(121)가 노치부(121)의 둘레 내측으로 벌어져서 배기홀(115)을 막지 않도록 설계하는데 유리할 수 있다.
또한, 벤트부재(120)의 테두리가 캡 플레이트(110)의 테두리를 감싸게 절곡되게 하여 캡 플레이트(110)에 벤트부재(120)를 결합시킬 수 있다.
그리고 탑캡 조립체(100)의 가스켓부(140)는 벤트부재(120)와 전류차단부재(130)의 테두리 외측면을 감싸게 형성될 수 있는데, 특히 가스켓부(140)의 내면에서 벤트부재(120)와 전류차단부재(130)가 각각 안착되는 부분에는 단차가 형성되는 지지단부(141)가 구비되어 벤트부재(120)와 전류차단부재(130)의 저면을 각각 지지하도록 할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 벤트부재의 노치부를 전류차단부재 측으로 함몰되게 형성하여 노치부 절개 시 절개된 노치부에 의해 배기홀이 막히는 현상을 방지하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 벤트부재의 노치부 외측 둘레에 요철 형상의 변형 방지부를 형성하여 노치부 절개 시 절개된 노치부에 의해 배기홀이 막히지 않도록 노치부의 함몰 높이를 충분히 확보하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 벤트부재의 노치부 외측 둘레에 요철 형상의 변형 방지부를 형성하여 절개된 노치부가 외측으로 변형되어 배기홀을 막는 것을 방지하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 벤트부재의 변형 방지부가 캡 플레이트의 하단부에 형성되어 캡 플레이트에 의해 변형 방지부가 지지되어 노치부가 외측으로 변형되는 것을 방지하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 벤트부재의 노치부가 절개될 때 절개된 노치부에 의해 배출홀이 막히는 것을 방지하여 가스 배출구를 확보하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 절개된 노치부에 의해 배출홀이 막히지 않기 때문에 설계 시 배출홀을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 2차 전지를 예시된 도면을 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 실시가 가능하다.
1: 전극 집합체
3: 캔부재
100: 탑캡 조립체
110: 캡 플레이트
111: 헤드부
115: 배기홀
120: 벤트부재
121: 노치부
123: 변형 방지부
123a: 돌출부
130: 전류차단부재
140: 가스켓부
141: 지지단부

Claims (11)

  1. 전극 집합체(1)를 내부에 수용하는 캔부재(3); 및
    상기 캔부재(3)의 개구부를 막는 탑캡 조립체(100); 를 포함하며,
    상기 탑캡 조립체(100)는, 중앙에 외측으로 돌출되는 헤드부(111)와 헤드부(111)의 주면에 형성되는 배기홀(115)이 구비된 캡 플레이트(110), 상기 캡 플레이트(110)의 저면에 적층되는 벤트부재(120), 및 상기 벤트부재의 저면에 밀착되는 전류차단부재를 포함하고,
    상기 벤트부재(120)는 상기 캔부재(3) 측으로 함몰되어 절개 가능하게 형성되는 노치홈(121a)이 형성된 노치부(121), 상기 캡 플레이트(110)와 체결되는 체결부(121b), 상기 노치부(121)의 외측 둘레와 체결부(121b)의 내측 둘레 사이에 구비되는 요철 형상의 변형 방지부(123)가 형성되며,
    요철 형상의 변형 방지부(123)는 상기 체결부(121b)와 연결되고 전류차단부재(130) 측으로 돌출 형성되는 돌출부(123a)와 상기 노치부(121)의 노치홈(121a)과 연결되고 상기 캡 플레이트(110) 측으로 돌출 형성되는 상부 돌출부(123b)를 포함하되, 상기 변형 방지부는 요철 형상이 연속되게 형성되는 주름진 형상을 가지고,
    상기 노치부(121)가 연결되는 상부 돌출부(123b)의 끝단은 상기 전류차단부재(130)를 향하는 수직면으로 형성되되, 상기 수직면과 상기 노치부 경계에 노치홈(121a)이 형성되며,
    상기 벤트부재(120)의 노치부(121) 및 변형 방지부(123)는 상기 배기홀(115)보다 상기 캡 플레이트(110)의 중심으로부터 더 먼 곳에 위치되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 노치부(121)의 절개 시 상기 노치부(121)는 상기 변형 방지부(123) 측으로의 변형이 제한 되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 벤트부재(120)의 두께는 0.29mm ~ 0.4mm인 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 벤트부재(120)는 알루미늄(Al) 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 벤트부재(120)의 노치부(121)는 절개된 후에 상기 캡 플레이트(110) 측으로 벌어지는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 벤트부재(120)의 변형 방지부(123)는 상기 배기홀(115)에 대응하게 형성되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  10. 삭제
  11. 삭제
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