KR20020046199A - 밀폐형 전지 - Google Patents

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KR20020046199A
KR20020046199A KR1020010077567A KR20010077567A KR20020046199A KR 20020046199 A KR20020046199 A KR 20020046199A KR 1020010077567 A KR1020010077567 A KR 1020010077567A KR 20010077567 A KR20010077567 A KR 20010077567A KR 20020046199 A KR20020046199 A KR 20020046199A
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KR1020010077567A
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오오야마노리히데
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아이미 토시히코
엔이씨모바일에너지 가부시키가이샤
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Abstract

띠형상의 양극 전극 및 음극 전극을 세퍼레이터를 통해 권회하여 제조한 전지 요소를 가요성 외장재에 의해 봉구한 밀폐형 전지에 있어서, 전지 요소는 평면부와 곡면부로 이루어지는 권회체로 구성됨과 동시에, 양극 전극 및 음극 전극의 각각의 최(最) 외주부에 위치하는 곡면부의 적어도 한쪽 면은 활물질층을 형성한 밀폐형 전지.

Description

밀폐형 전지{Sealed battery}
본 발명은 밀폐형 전지에 관한 것으로, 특히 가요성 외장재에 의해 봉구한 각형의 밀폐형 전지에 관한 것이다.
휴대전화 등의 소위 모바일 기기 등의 소형 전자기기용 전원에 사용되는 전지는, 전지의 수납부에 합치한 각형 또는 그것과 유사한 형상의 리튬 이온 전지, 또는 리튬 폴리머 전지 등이 사용되고 있다.
각형의 리튬 이온 전지를 예로 들어 설명하면, 리튬 전이 금속 복합 산화물을 함유하는 양극 활물질층을 형성한 양극 전극과, 리튬을 도프, 탈도프하는 탄소질물질 등을 함유한 음극 활물질층을 형성한 음극 전극을 세퍼레이터를 통해 권회한 전지 요소를 밀폐 용기에 수납한 후에 봉구하고 있다. 밀폐 용기로서 전지 캔을 사용한 전지에 있어서는, 용기로서 니켈 도금 연강(軟鋼)이나 알루미늄 합금으로 이루어지는 금속제 재료를 사용하고 있으므로, 소형화, 경량화에는 한계가 있어, 열융착성의 합성수지 필름과 알루미늄 등의 금속 필름을 적층한 라미네이트 필름 등의 가요성 외장재를 사용한 전지가 제안되어 있다.
도 4는 종래의 가요성 외장재를 사용하여 봉구한 밀폐형 전지를 설명하는 도면이다. 도 4(A)는 투시한 사시도를 나타내며, 도 4(B)는 A-A′선에서의 단면도를 나타낸다.
전지 요소를 투시한 밀폐형 전지(1)는 가요성 외장재(2)에 의해 전지 요소를 봉구하고 있다. 전지 요소(4)는 장척형상의 음극 전극, 양극 전극, 2장의 세퍼레이터를 적층하여 권회하고, 권회 풀림 방지 테이프(3)에 의해 고착하고 있다. 전지 요소에는 양극 도전 탭(8) 및 음극 도전 탭(9)이 각각 접합되어 있다.
그리고 어느 한쪽의 도전 탭, 즉 도 3에서는 양극 도전 탭(8)이 전지 요소(4)의 중심부에 위치하고, 다른쪽의 음극 도전 탭(9)이 전지 요소(4)의 주변부에 위치하고 있다.
중심부에 위치하는 양극 도전 탭(8)과 주변부에 위치하는 음극 도전 탭(9)은전극의 적층 방향 즉 권회체의 직경 방향으로 거리를 가지므로, 어느 한 도전 탭, 도 4(A)에서는 양극 도전 탭(8)은 굽힘과 동시에, 절연성 부재(15)에 의해 피복 가공을 행하고 있다.
양극 전극(5) 및 음극 전극(6)을 세퍼레이터(7)를 통해 권회하고, 양극 전극(5) 및 음극 전극(6)의 최(最) 외주부의 집전체의 표면에는 활물질층을 형성하지 않은 활물질층 비형성부(16)를 설치하고, 권회 후에 권회 풀림 방지 테이프(3)에 의해 고착하고, 가요성 외장재(2)에 의해 봉구하고 있다. 이들 조립 작업을 용이하게 하고, 또 권회 풀림이 발생하지 않도록 고정하기 위해 최 외주부에는 긴 활물질층 비형성부(16)를 설치하고 있다.
그런데, 이러한 밀폐형 전지에 있어서는, 낙하 등의 충격에 대해 특성이 불충분한 것이 발생하여, 밀폐형 전지 또는 전지 사용 기기의 낙하시 등에 전지의 내부 단락이 발생하는 것이 있었다. 특히, 두께가 얇은 전지일수록 문제가 발생하는 경우가 많고, 4mm 이하의 두께의 전지에서는 현저하다는 것을 알았다.
본 발명은 양극 전극 및 음극 전극을 세퍼레이터를 통해 권회한 전지 요소를 가요성 외장재에 의해 봉구한 밀폐형 전지에 있어서, 밀폐형 전지 또는 전지 사용기기의 낙하시에 전지의 내부 단락 등이 발생하지 않는 봉구 특성이 양호한 밀폐형 전지를 제공하는 것을 과제로 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 밀폐형 전지의 일 실시예를 설명하는 도면이며, 도 1(A)는 사시도, 도 1(B)는 도 1(A)에서의 A-A′선에서 절단한 단면도,
도 2는 본 발명의 밀폐형 전지의 다른 실시예를 설명하는 도면이며, 도 2(A)는 사시도, 도 2(B)는 도 2(A)에서의 A-A′선에서 절단한 단면도,
도 3은 양극 전극이 최(最) 외주부에 위치하는 밀폐형 전지의 일 실시예를 설명하는 도면이며, 전지 요소를 절단한 단면도,
도 4는 종래의 가요성 외장재를 사용하여 봉구한 밀폐형 전지를 설명하는 도면이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1 … 밀폐형 전지 2 … 가요성 외장재
3 … 권회 풀림 방지 테이프 4 … 전지 요소
5 … 양극 전극 6 … 음극 전극
7 … 세퍼레이터 8 … 양극 도전 탭
9 … 음극 도전 탭 10 … 음극 활물질층
11 … 양극 활물질층 12 … 양극 활물질 비도포부
13 … 곡면부 14 … 편면 도포부
15 … 절연성 부재 16 … 활물질층 비형성부
본 발명은 띠형상의 양극 전극 및 음극 전극을 세퍼레이터를 통해 권회하여 제조한 전지 요소를 가요성 외장재에 의해 봉구한 밀폐형 전지에 있어서, 전지 요소는 평면부와 곡면부로 이루어지는 권회체로 구성됨과 동시에, 양극 전극 및 음극 전극의 각각의 최 외주부에 위치하는 곡면부의 적어도 한쪽 면은 활물질층을 형성한 밀폐형 전지이다.
또, 전지 요소의 최 외주부의 양극 전극 및 음극 전극에 양극 도전 탭 및 음극 도전 탭을 위치시킨 상태로 봉구한 상기 밀폐형 전지이다.
양극 도전 탭 및 음극 도전 탭과 외장재의 봉구 부분에는 열융착성 물질의 도포층 또는 열융착성 필름이 접착되어 있는 밀폐형 전지이다.
전지 요소가 평면부와 오목부를 갖는 가요성 외장재의 오목부에 수납되고, 평면부에 전지 요소의 양극 도전 탭 및 음극 도전 탭을 위치시킨 상태로 봉구한 것인 상기 밀폐형 전지이다.
리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지인 상기 밀폐형 전지이다.
본 발명의 전지는 전지 요소를 가요성 외장재에 의해 봉구한 밀폐형 전지에 있어서, 전지의 낙하 등의 충격에 의한 내부 단락은 양극 전극과 음극 전극 사이에 배치한 세퍼레이터가 손상을 받아 양극 전극과 음극 전극 사이에 단락을 발생시키는 것이 원인이며, 특히 평면부와 곡면부로 이루어지는 실패형상의 전지 요소의 곡면부, 또는 각부로서, 양극 전극의 집전체 상에 활물질층을 형성하고 있지 않은 부분에서 세퍼레이터를 손상시킨 결과, 내부 단락을 발생시키는 것을 발견한 것이다.
그리고, 단락의 원인이 되는 세퍼레이터의 손상은 양극 전극의 외주부의 집전체에는 평면부를 제외한 활물질층을 형성한 양극 전극을 사용함으로써 해결되는 것을 발견한 것이다.
리튬 이온 전지 등과 같이 리튬 등의 금속이 도프, 탈도프되는 전지에 있어서는, 충전시에 음극 전극 표면에 전류의 집중 부분이 발생하면, 도프되지 않는 금속이 음극 전극에 석출하는 것이 발생한다. 음극 표면에 석출하는 금속이 수지형상 결정으로서 성장하면 세퍼레이터를 관통하여 양극 전극과 단락할 가능성이 있으므로, 음극 전극을 양극 전극보다도 길게 하여, 음극 전극을 양극 전극의 단부를 초과하여 배치함으로써 음극 전극의 단부에서 전류의 집중이 발생하는 부분이 형성되는 것을 방지하고 있다.
이러한 밀폐형 전지에 있어서는, 양극 전극의 집전체로서 일반적으로 사용되고 있는 알루미늄은 그 표면에 양극 활물질층이 형성되어 있지 않은 각부, 또는 곡면부는 큰 경도를 가짐과 동시에, 낙하시 등에는 돌출부로서 작용하는 결과, 세퍼레이터에 손상을 주는 것으로 생각된다.
그런데, 알루미늄 등의 양극 집전체의 표면에 양극 활물질층을 형성한 경우에는, 양극 활물질층에 의해 집전체의 굽힘부가 둔각, 또는 곡면이 됨과 동시에, 형성한 양극 활물질층이 완충재로서 작용하는 것으로 보이며, 전지의 낙하시 등에 세퍼레이터가 받는 충격의 완화가 가능해지는 것을 발견한 것이다.
도 1은 본 발명의 전지의 일 실시예를 설명하는 도면이며, 도 1(A)는 사시도를 나타내고, 도 1(B)는 도 1(A)에서의 A-A′선에서 절단한 단면도이다.
본 발명의 밀폐형 전지(1)는 가요성 외장재(2)에 의해 권회 풀림 방지 테이프(3)에 의해 고착한 전지 요소(4)를 봉구하고 있다. 전지 요소(4)는 양극 전극(5), 세퍼레이터(6), 음극 전극(7)이 배치되어 있다. 전지 요소는 원통형상이 아니라, 평면부와 곡면부로 이루어지는 실패형상의 권회체로서 형성되어 있다. 또한, 본 발명에 있어서 평면부는 엄밀한 의미에서의 평면이 아니며, 그 단면이 직선으로 한정되지 않고 완만한 곡선인 것도 포함하고, 각형의 전지용 전지 요소를 넓게 의미하는 것이다.
또, 전지 요소의 양극 전극(5)의 최 내주부에 양극 집전 탭(8)이 설치되어 있으며, 또 음극 전극(6)의 최 외주부에는 각각 음극 도전 탭(9)이 설치되어 있다.
따라서, 양극 도전 탭(8)은 굽힘 가공을 하고, 이어서 절연성 부재(15)로 피복한 후, 음극 도전 탭(8)과 동일 평면에 배치한 상태로 가요성 외장재에 의해 봉구된다.
또, 음극 전극의 음극 활물질층(10)은 대향하는 양극 전극의 양극 활물질층(11)보다도 넓은 영역에 형성되어 있음과 동시에, 전지 요소의 최 외주부의 양극 활물질 비도포부(12)는 실패형상으로 권회한 전지 요소의 곡면부(13)에는 존재하지 않으며, 곡면부는 모두 양극 활물질층(11)이 형성되어 있다.
또, 음극 전극(6)의 음극 활물질층(10)은 양극 활물질이 존재하고 있는 영역에 대향하는 영역에는 반드시 존재하고 있으나, 음극 전극의 최 외주부는 양극 전극에 대향하는 면에만 형성되어 있으면 되므로, 음극 전극의 최 외주부는 활물질층이 편면에만 도포된 편면 도포부(14)이어도 된다.
이상의 설명의 전지에서는, 양극 도전 탭(8)이 전지 요소(4)의 중앙부에 위치하고 있으므로, 전지 요소에는 양극 도전 탭에 의한 권회 뒤틀림이 발생하는 경우가 있다. 특히, 박형의 전지에 있어서는 양극 도전 탭이 전지 요소에서 차지하는 비율이 커지므로, 박형 전지에서는 중심부의 양극 도전 탭(8)에 의해 발생하는 권회 뒤틀림에 의한 영향이 커진다. 귄회 뒤틀림이 발생한 부분에서는 전류 분포가 불균일해져, 전류가 집중하는 부분에서는 발열 등이 발생하거나, 부분적으로 전지의 열화가 빠르게 진행하는 등의 현상이 발생하는 경우도 있다. 따라서, 전지 요소의 중앙부에 도전 탭을 갖지 않는 전지가 보다 바람직하다.
도 2는 본 발명의 전지의 다른 실시예를 설명하는 도면이며, 도 2(A)는 사시도를 나타내고, 도 2(B)는 도 2(A)에서의 A-A′선에서 절단한 단면도이다.
본 발명의 밀폐형 전지(1)는 가요성 외장재(2)에 의해 권회 풀림 방지 테이프(3)에 의해 고착한 전지 요소(4)를 봉구하고 있다. 전지 요소(4)는 양극 전극(5), 음극 전극(6)이 세퍼레이터(7)를 통해 배치되어 있다.
또, 전지 요소의 양극 전극(5) 및 음극 전극(6)의 최 외주부에는 각각 양극도전 탭(8) 및 음극 도전 탭(9)이 설치되어 있다.
양극 도전 탭(8) 및 음극 도전 탭(9)은 실질적으로 동일 평면에 배치되어 있다.
따라서, 양극 도전 탭(8) 및 음극 도전 탭(9)은 모두 굽힘 가공 등을 하지 않고, 동일 평면에서 외장재를 사용하여 봉구할 수 있다.
또, 음극 전극의 음극 활물질층(10)은 대향하는 양극 전극의 양극 활물질층(11)보다도 넓은 영역에 형성되어 있음과 동시에, 전지 요소의 최 외주부의 양극 활물질 비도포부(12)는 실패형상으로 권회한 전지 요소의 곡면부(13)에는 존재하지 않으며, 곡면부는 양극 활물질층(11)으로 피복되어 있다.
또, 음극 전극(6)의 음극 활물질층(10)은 양극 활물질이 존재하고 있는 영역에 대향하는 영역에는 반드시 존재하고 있으나, 음극 전극의 최 외주부는 양극 전극에 대향하는 면에만 형성되어 있으면 되므로, 음극 전극의 최 외주부는 활물질층이 편면에만 도포된 편면 도포부(14)이어도 된다.
이상의 설명에서는, 음극 전극을 외측에 배치한 밀폐형 전지에 대해 설명했으나, 다음으로 양극 전극을 외측에 배치한 밀폐형 전지에 대해 설명한다.
도 3은 양극 전극이 최 외주부에 위치하는 밀폐형 전지의 일 실시예를 설명하는 도면이며, 전지 요소를 절단한 단면도이다.
양극 전극(5) 및 음극 전극(6)이 세퍼레이터(7)를 통해 배치되어 있다. 양극 전극(5)이 외측에 배치되어 있으며, 전지 요소의 최 외주부에는 양극 전극이 위치하고 있다. 최 외주부의 양극 전극의 외측 면에는 양극 활물질 비도포부(12)와양극 활물질층(11)을 형성하고 있지 않으며, 내측 면에만 양극 활물질층(11)이 형성되어 있다.
그리고, 최 외주부의 양극 전극의 내측 면의 곡면부(13)는 양극 활물질층으로 피복되어 있다.
한편, 음극 전극(6)은 충전시에 음극 표면에 금속 리튬이 석출되지 않도록 하기 위해, 대향하는 양극 전극의 양극 활물질층보다도 음극 활물질층의 영역을 넓게 하는 것이 행해지고 있으므로, 양극 전극의 최 외주부의 곡면부 내면측의 양극 활물질층이 형성된 면보다도, 넓은 면에 음극 활물질층이 형성되어 있다. 이러한 구조로 함으로써 낙하시에 세퍼레이터에 주는 충격을 완화할 수 있다.
본 발명의 밀폐형 전지는 각종 리튬 이온 전지, 폴리머 리튬 전지 등의 각종 밀폐형 전지에 적용할 수 있다.
리튬 이온 전지를 예로 들어 설명하면, 양극 전극은 띠형상의 알루미늄박에 LixMO2(단 M은 적어도 1종의 전이 금속을 나타낸다)인 복합 산화물, 예를 들면 LixCoO2, LixNiO2, LixMn2O4, LixMnO3, LixNiyCo(1-y)O2등을 카본블랙 등의 도전성 물질, 폴리불화 비닐리덴(PVDF) 등의 결착제를 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 등의 용제를 분산 혼연, 조제한 양극 도료가 본 발명의 도포 장치에 의해 도포된다. 편면 도포가 끝난 것은 건조 후에 반대 면도 동일하게 도포하여, 양 면이 도포된다.
또, 음극 전극은 띠형상의 구리박 등의 표면에 리튬을 도프 및 탈도프 가능한 열분해 탄소류, 피치코크스, 니들코크스, 석유코크스 등의 코크스류, 그라파이트류, 유리상 탄소류, 페놀 수지, 푸란 수지 등을 소성한 유기 고분자 화합물 소성체, 탄소 섬유, 활성탄 등의 탄소질 재료, 폴리아세틸렌, 폴리피롤 등의 도전성 고분자 재료를 카본블랙 등의 도전성 물질, 폴리불화 비닐리덴(PVDF) 등의 결착제를 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 등의 용제를 분산 혼연, 조제한 음극 도포액을 본 발명의 도포 장치에 의해 도포한다. 편면 도포가 끝난 것은 건조 후에 반대면도 동일하게 도포하여, 양 면이 도포된다.
또한, 음극 전극에 있어서는, 권회하여 전지 요소를 제작한 경우에 편면이 양극 활물질층에 대향하지 않는 부분에 있어서는, 편면에만 음극 활물질층을 형성해도 된다.
이어서, 음극 전극 및 양극 전극에 음극 도전 탭 및 양극 도전 탭을 초음파 용접, 저항 용접 등의 방법에 의해 접합한 후에, 권회 장치로 권회하고, 권회 고정 테이프에 의해 전지 요소를 고착한 후, 압박하여 평면부와 곡면부로 이루어지는 소정 형상으로 성형하여 제조할 수 있다.
본 발명의 밀폐형 전지에 사용할 수 있는 가요성 외장재로는, 알루미늄박의 전지 내면에 위치하는 면에 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아이오노머, 에틸렌-메타크릴레이트 공중합 수지, 에틸렌-(메타)크릴레이트 공중합 수지 등의 열가소성 수지층을 접착제층을 통해, 또는 접착제층을 사용하지 않고 열융착에 의해 접합하고, 반대측에는 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르 수지, 또는 나일론 수지 등을 적층한 것이 사용된다.
또, 내면의 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 접합면으로부터 수분이 전지 용기 내에 침입하면, 전해질로서 사용되고 있는 LiPF6등이 분해하여 불화 수소산이 생성되어, 전지 활물질로의 악영향이나 외장재의 알루미늄의 부식 등의 문제도 발생하므로 봉구면의 성능을 장기간에 걸쳐 유지하는 것은 극히 중요하다.
봉구면의 열융착 특성의 개선을 위해, 내면의 필름에는 융착 특성이 양호한 미연신 폴리에틸렌 필름을 사용해도 되고, 또 적어도 봉구면에는 말레인산 변성 올레핀 수지층을 형성한 것이어도 된다.
또한, 양극 도전 탭 및 음극 도전 탭과 외장재가 접촉하는 부분에는, 미리 말레인산 올레핀 등을 도포하여 표면 처리하거나, 말레인산 올레핀 필름 등으로 피복하여 외장재와의 접합 강도를 높인 것이어도 된다.
이하에 실시예를 나타내어, 본 발명을 설명한다.
(실시예 1)
길이 205mm, 폭 20mm, 두께 0.02mm의 알루미늄박의 표면에 망간산 리튬, 카본블랙, 폴리불화 비닐리덴, N-메틸피롤리돈으로 이루어지는 양극 활물질을 알루미늄박의 길이 방향의 단부로부터 19mm를 남기고 도포하여, 양극 활물질의 비도포부에 양극 도전 탭을 접합했다.
한편, 길이 212mm, 폭 21.4mm, 두께 0.01mm의 구리박의 표면에 그라파이트, 카본블랙, 폴리불화 비닐리덴, N-메틸피롤리돈으로 이루어지는 음극 활물질을 알루미늄박의 길이 방향의 단부로부터 18mm를 남기고 도포하고, 음극 활물질을 도포하지 않은 부분에 음극 도전 탭을 결합했다.
두께 25㎛의 폴리에틸렌제 세퍼레이터를 양극 전극과 음극 전극 사이와 함께 음극 전극의 외측에 배치하고, 음극 전극이 외측이 되도록 권회한 후에 두 면이 거의 평행이 되도록 프레스 성형했다. 또, 전지 요소의 양극 전극 및 음극 전극의 최 외주부의 곡면부는 활물질층으로 피복된 것이었다.
얻어진 전지 1개를 질량 70g의 휴대형 기기와 동일한 장방형의 용기에 수납하고, 높이 75cm, 1m에서 15회씩 낙하하는 시험을 200개의 전지에 대해 행한 후에, 전지 전압을 측정한 바, 내부 단락이 발생한 것은 없었다.
(비교예 1)
양극 전극 및 음극 전극의 양극 활물질 비도포부를 길이 방향의 단부로부터 23mm로 함과 동시에, 음극 활물질 비도포부를 길이 방향의 단부로부터 22mm로 하여 권회하고, 양극 전극의 곡면부에는 양극 활물질층이 형성되어 있지 않은 부분이 존재하도록 하여 권회한 점을 제외하고 실시예 1과 동일하게 하여 밀폐형 전지를 제작하여 실시예 1과 동일하게 평가를 행한 바, 75cm에서는 0.5%의 전지에, 또 1m에서는 2.5%의 전지에 내부 단락의 이상이 발생했다.
본 발명의 밀폐형 전지는 전지 요소의 최 외주부의 전극의 곡면부에는 활물질층을 갖고 있으므로, 전지의 낙하 등의 경우에도 충격에 의해 세퍼레이터에 손상을 주지 않아, 신뢰성이 큰 밀폐형 전지를 얻을 수 있다.

Claims (6)

  1. 띠형상의 양극 전극 및 음극 전극을 세퍼레이터를 통해 권회하여 제조한 전지 요소를 가요성의 외장재에 의해 봉구한 밀폐형 전지에 있어서, 전지 요소는 평면부와 곡면부로 이루어지는 권회체로 구성됨과 동시에, 양극 전극 및 음극 전극의 각각의 최(最) 외주부에 위치하는 곡면부의 적어도 한쪽 면은 활물질층을 형성한 것을 특징으로 하는 밀폐형 전지.
  2. 제1항에 있어서, 전지 요소의 최 외주부의 양극 전극 및 음극 전극에 양극 도전 탭 및 음극 도전 탭을 위치시킨 상태로 봉구한 것을 특징으로 하는 밀폐형 전지.
  3. 제2항에 있어서, 양극 도전 탭 및 음극 도전 탭과 외장재의 봉구 부분에는 열융착성 물질의 도포층 또는 열융착성 필름이 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 밀폐형 전지.
  4. 제2항에 있어서, 전지 요소가 평면부와 오목부를 갖는 가요성 외장재의 오목부에 수납되고, 평면부에 전지 요소의 양극 도전 탭 및 음극 도전 탭을 위치시킨 상태로 봉구한 것임을 특징으로 하는 밀폐형 전지.
  5. 제3항에 있어서, 전지 요소가 평면부와 오목부를 갖는 가요성 외장재의 오목부에 수납되고, 평면부에 전지 요소의 양극 도전 탭 및 음극 도전 탭을 위치시킨 상태로 봉구한 것임을 특징으로 하는 밀폐형 전지.
  6. 제1항에 있어서, 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 밀폐형 전지.
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