KR20130106796A - 전해액을 포함하는 에어캡을 구비한 파우치형 전지 - Google Patents

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KR20130106796A
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Abstract

본 발명은 전해액을 포함하는 에어캡을 구비한 파우치형 전지에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 전극조립체 및 상기 전극조립체를 수용하는 전지케이스로 이루어진 파우치형 이차전지에 있어서, 상기 파우치형 이차전지의 내벽에 제1 전해액을 포함하는 하나 이상의 에어캡을 구비하는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지에 관한 것이다. 본 발명은 파우치형 전지가 충·방전을 거듭함에 따라 소모되는 전해액을 전지케이스 개봉 없이 추가적으로 공급할 수 있어, 전지의 수명 특성이 우수한 효과가 있다.

Description

전해액을 포함하는 에어캡을 구비한 파우치형 전지{POUCH-TYPE BATTERY HAVING A AIR-CAP COMPRISING A LIQUID ELECTROLYTE}
본 발명은 전해액을 포함하는 하나 이상의 에어캡을 구비한 파우치형 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로 리튬 이차전지는 발전요소로서의 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되고, 상기 소자 간에 액체 전해액이 주입되어 있는 구조를 가지고 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 일반적인 파우치형 전지는, 고분자 수지와 알루미늄의 라미네이트 시트로 파우치형 전지케이스(100)에 양극/분리막/음극으로 이루어진 전극조립체(105)를 장착한 후, 전극리드(111, 113)를 전지케이스 양 말단에 노출시킨 상태로 상부 라미네이트 시트(101)와 하부 라미네이트 시트(103)를 결합한 다음, 열압착 실링하여 제작된다.
한편, 이차 전지는 계속되는 충ㆍ방전에 의해 변성이 발생하여, 활용 가능한 이차 전지의 전해액이 부족하게 되면서 이차 전지의 수명이 감소된다. 즉, 이차 전지는 사용 횟수가 늘어남에 따라 충ㆍ방전 효율이 저하되는데, 이러한 전지의 열화를 막기 위해서는 전해액을 갈아주거나, 새로 보충해주어야 하는 문제점이 있다.
현재, 상기 활용 가능한 전해액 부족의 문제점을 해결하기 위한 방법으로 하기 특허문헌 1 및 2에 개시된 기술 등이 제안되고 있다.
특허문헌 1은 양극과 음극이 절연판을 사이에 두고 설치되는 전극부와, 상기한 전극부의 양극과 연결되는 캡 어셈블리와, 상기한 전극부의 음극과 연결되고 상기한 전극부가 삽입되는 캔과, 상기한 캔에 설치되는 전해액 주입장치를 포함하는 이차전지에 관한 것이고, 특허문헌 2는 전해액을 보충할 수 있는 전해액 보충 부재를 구비하여 수명이 향상된 이차 전지에 관한 것으로, 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판과 제 2 전극판 사이에 위치하는 세퍼레이터를 구비하는 전극조립체와; 상기 전극조립체를 수용하기 위한 내부 공간을 구비하는 이차 전지용 케이스와; 상기 이차 전지용 케이스에 주입된 전해액과; 이차 전지용 케이스 내부의 공간에 위치하는 전해액 보충 부재를 구비하는 이차 전지에 관한 것이다.
그런데, 상기한 바와 같이, 종래 기술이 제시하는 전해액 주입장치 또는 보충 부재를 구비하는 이차 전지는 상기 전해액 보충 부재를 설치하기 위한 복잡한 추가 공정을 필요로 하며, 상기 보충 부재의 구조 역시 복잡할 뿐 아니라, 전해액 주입을 위해 내부를 일부분 개방하는 형식을 취하고 있기 때문에, 전지 내부의 절연 저항이 파괴될 우려가 있다.
따라서, 보다 안전하고 편리한 방법으로 부족한 전해액을 추가로 공급할 수 있는 기술의 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 공개실용 제20-1998-0021641호 공보 대한민국 공개특허 제10-2005-0120465호 공보
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이차전지 내벽에 전해액을 추가 공급할 수 있는 전해액 보충 부재를 구비한 파우치형 이차전지를 제공한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 케이스의 사공간 내벽에 전해액 보충 부재로서, 전해액을 포함하는 하나 이상의 에어캡을 구비한 파우치형 이차전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 전해액을 포함하는 에어캡을 구비한 파우치형 이차전지의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 상기 파우치형 이차전지를 구비하는 중대형 모듈을 제공한다.
상기한 기술적 과제를 달성하고자, 본 발명은 이차전지 내벽에 전해액을 추가 공급할 수 있는 전해액 보충 부재를 구비한 파우치형 이차전지를 제공한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 전극조립체 및 상기 전극조립체를 수용하는 전지케이스로 이루어진 파우치형 이차전지에 있어서, 상기 파우치형 이차전지 내벽에 전해액 보충 부재로서 제1 전해액을 포함하는 하나 이상의 에어캡을 구비하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지를 제공한다.
상기 에어캡은 파우치형 전지의 사공간에 위치하며, 물리적 압력에 의하여 파괴가 용이한 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 전극조립체가 수용되는 수용부를 구비한 하부 케이스와 상기 수용부를 덮는 상부 케이스로 이루어진 전지케이스를 준비하는 단계; 상기 전지케이스의 사공간 예정 영역에 제1 전해액을 포함하는 하나 이상의 에어켑을 형성하는 단계; 상기 전지케이스의 수용부 내에 전극조립체를 수용한 후, 상기 상부 케이스를 덮어 밀봉하는 단계; 및 상기 밀봉된 전지케이스 내부에 제2 전해액을 주입하는 단계를 포함하는 파우치형 이차전지의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명의 파우치형 전지를 2 이상 전기적으로 연결하여 구성되는 중대형 전지모듈을 제공한다.
본 발명은, 파우치형 이차전지의 사공간 내벽에 전해액 보충 부재로서 전해액을 포함하는 하나 이상의 에어캡을 구비한 파우치형 전지를 제공함으로써, 충·방전을 거듭함에 따라 소모되는 전지의 전해액을 전지케이스 개봉 없이 추가적으로 공급할 수 있으므로, 전지의 수명 특성이 향상된 이차전지를 제조할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 일반적인 파우치형 전지를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 전해액을 포함하는 하나 이상의 에어캡을 구비한 파우치형 전지의 단면도이다.
이하 본 발명의 바람직한 구현예를 도면을 근거하여 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 구현예에 불과할 뿐으로, 본 발명의 기술적 사상이 후술하는 실시예의 내용에 한정되는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 하기 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 구조를 도시한 단면도이다. 이하, 도 2를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에서는 전극조립체(203) 및 상기 전극조립체를 수용하는 전지케이스(200)로 이루어진 파우치형 이차전지에 있어서, 상기 파우치형 이차전지 내벽에 전해액 보충 부재로서 제1 전해액(205)을 포함하는 하나 이상의 에어캡(207)을 구비한 파우치형 이차전지(300)를 제공한다.
상기 본 발명의 파우치형 이차전지에 있어서, 상기 에어캡 내에 포함되는 제1 전해액은 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 비닐렌카보네이트, 및 디에틸카보네이트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 용매를 사용할 수 있다.
상기 제1 전해액은 리튬염을 추가로 포함할 수 있다. 즉, 상기 제1 전해액은 파우치형 전지 제조 시에 전지케이스 내부에 전극 조립체를 수용한 다음, 주입되는 제2 전해액과 구성 성분이 동일하거나, 또는 상이할 수도 있다.
상기 에어캡의 두께 및 형태는 특별히 제한되지는 않지만, 파우치 외부를 손가락 등으로 눌렀을 때 가해지는 압력 또는 화학적 작용에 의해 용이하게 파괴될 수 있는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
예를 들면, 상기 에어캡은 열가소성 합성수지 필름, 즉 폴리에틸렌 필름으로 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 이치전지에 있어서, 상기 에어캡은 물리적 압력 또는 화학적 작용에 의해 쉽게 파괴되기 때문에, 내부에 포함되어 있던 전해액이 누출되면서 계속적인 충, 방전 동작으로 부족해진 전해액을 추가로 공급할 수 있다.
또한, 상기 에어캡은 파우치형 이차전지의 말단부의 사공간 내벽에 하나 이상 구비될 수 있다.
상기 '사공간'이란, 전극조립체와 파우치 간에 생기는 빈 공간으로서, 주로 전극 리드가 형성되는 파우치 내부의 들뜬 공간 부분에 나타낸다. 상기 사공간은 활용도가 없는 죽은 공간이라는 의미로서, '데드존(dead-zone)', '데드스페이스'(dead-space)'라고도 한다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 파우치형 이차전지는 사공간 내벽에 전해액을 포함하는 하나 이상의 에어캡을 구비함으로써 공간 활용도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 이차전지에 있어서, 상기 에어캡 내부는 불활성 기체를 더 포함할 수도 있다. 즉, 불활성 기체가 에어캡에 반드시 포함되어야 하는 것은 아니지만, 불활성 기체가 포함되게 되면, 보다 외부 충격을 잘 흡수할 수 있게 되고, 외부 충격에 의해 의도하지 않게 에어캡이 파괴되어 버리는 현상을 줄일 수 있다.
상기 불활성 기체는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 및 라돈 기체에서 선택되어지는 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 일 실시예에 있어서,
전극조립체가 수용되는 하부 케이스 및 이를 덮는 상부 케이스를 구비한 전지케이스를 준비하는 단계;
상기 전지케이스 사공간 예정 영역에 제1 전해액을 포함하는 하나 이상의 에어켑을 형성하는 단계;
상기 전지케이스의 수용부 내에 전극조립체를 수용한 후, 상기 상부 케이스를 덮어 밀봉하는 단계; 및
상기 밀봉된 전지케이스 내부에 제2 전해액을 주입하는 단계를 포함하는 본 발명의 파우치형 이차전지 제조 방법을 제공한다.
한편, 본 발명의 방법에 있어서, 상기 전극조립체는 서로 대향하는 양극판과 음극판, 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 것으로, 직사각형 또는 정사각형 형상으로 형성될 수 있으나, 그 구조를 특별히 한정하지 않는다.
예컨대, 상기 양극판 및 음극판은 양극집전체 및 음극집전제의 적어도 한 면에 전극활물질, 바인더 수지, 도전재, 충진제 및 기타 첨가제 등을 포함하는 활물질 슬러리를 도포시켜 제조할 수 있다.
이때, 양극집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
본 발명의 양극 활물질의 구체적인 예를 들면, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2),리튬 니켈 산화물(LiNiO2)등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4(여기서, x는 0∼0.33임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 -xMxO2(여기서, M=Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga이고, x=0.01∼0.3임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2(여기서, M=Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta이고, x=0.01∼0.1임) 또는 Li2Mn3MO8(여기서, M=Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.　
상기 바인더는 활물질과 도전재의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 전극 합제 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다.　이러한 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 도전재는 전극 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 전극 합제 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%로 첨가될 수 있다.　이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 재료는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), nxMe1 - xMe'yOz (Me:Mn,Fe,Pb,Ge;Me':Al,B,P,Si,주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4 및 Bi2O 5등의 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 세퍼레이터는 양극판과 음극판 사이에 개재되어 상기 양극판과 상기 음극판을 절연시키는 것으로, 통상적으로 알려진 폴리올레핀계 수지가 사용될 수 있으며, 다공막 구조를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 파우치형 이차전지에 사용되는 전해액은 리튬염과 비수 전해질을 포함하는 비수계 전해질로서, 상기 비수 전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐 붕산 리튬 또는 이미드 등이 사용될 수 있다.
상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑 (franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다. 또한, 상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명의 파우치형 전지를 2 이상 전기적으로 연결하여 구성되는 중대형 전지모듈을 제공한다. 특히, 파워 툴, 전기차, 하이브리드 전기차, 전력 저장 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원용으로 매우 적당하다.
100, 200: 전지케이스
101: 상부 라미네이트 시트
103: 하부 라미네이트 시트
105, 203: 전극조립체
111, 113: 전극 리드
205: 전해액
207: 에어캡
300: 본 발명의 파우치형 이차전지
a: 사공간

Claims (11)

  1. 전극 조립체 및 상기 전극조립체를 수용하는 전지케이스로 이루어진 파우치형 이차전지에 있어서, 상기 파우치형 이차전지의 내벽에 전해액 보충 부재로서 제1 전해액을 포함하는 하나 이상의 에어캡을 구비하는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전해액은 (i) 리튬염 및 (ii) 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 비닐렌카보네이트 및 디에틸카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 파우치형 전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 에어캡은 물리적 압력 또는 화학적 작용에 의하여 용이하게 파괴될 수 있는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 파우치형 전지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 에어캡은 열가소성 합성수지 필름으로 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 전지.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 에어캡은 폴리에틸렌 필름으로 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 에어캡은 파우치형 이차전지의 말단부의 사공간 내벽에 하나 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 에어캡은 불활성 기체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 불활성 기체는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 및 라돈 기체에서 선택되어지는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 파우치형 전지.
  9. 전극조립체가 수용되는 수용부를 구비한 하부 케이스와 상기 수용부를 덮는 상부 케이스로 이루어진 전지케이스를 준비하는 단계;
    상기 전지케이스의 사공간 내벽에 제1 전해액을 포함하는 하나 이상의 에어켑을 형성하는 단계;
    상기 전지케이스의 수용부 내에 전극조립체를 수용한 후, 상기 상부 케이스를 덮어 밀봉하는 단계; 및
    상기 밀봉된 전지케이스 내부에 제2 전해액을 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 청구항 1 기재의 파우치형 이차전지의 제조 방법.
  10. 청구항 1 기재의 파우치형 전지를 2 이상 전기적으로 연결하여 구성되는 중대형 전지모듈.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 중대형 전지모듈은, 파워 툴, 전기차, 하이브리드 전기차, 전력 저장 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원용인 것임을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
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