KR20180116563A - 예비 절단선이 형성된 파우치형 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극조립체가 전해액과 함께 파우치형 케이스에 수납되어 있는 파우치형 이차전지로서, 상기 파우치형 케이스는 외부 피복층, 금속층 및 내부 접착층으로 이루어진 라미네이트 시트로 이루어지고, 상부 케이스 및 하부 케이스가 절곡부를 중심으로 연결된 일체형 구조이며, 상부 케이스의 일측 단부에는, 전극조립체의 절단에 의한 변형 발생시 발화를 방지하기 위한 예비 절단선이 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.

Description

예비 절단선이 형성된 파우치형 이차전지 {Pouch-type Secondary Battery Having Preliminary Cutting Line}
본 발명은 예비 절단선이 형성된 파우치형 이차전지에 대한 것이다.
최근 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해지고 있으며, 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
이러한 이차전지는, 그것의 형상에 따라 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 파우치형 전지셀 등으로 구분할 수 있다. 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 저렴하고 변형이 용이한 파우치형 전지셀이 많은 관심을 모으고 있다.
일반적으로 파우치형 전지셀은, 전극조립체가 수납되는 하부 케이스와 상기 하부 케이스의 외주변과 실링되면서 밀봉하는 상부 케이스로 이루어지고, 상부 케이스와 하부 케이스가 연결되어 절곡되는 구조의 일체형, 또는 상부 케이스와 하부 케이스가 서로 분리되는 구조의 분리형으로 구분될 수 있다.
분리형 파우치형 전지케이스는 평면상 상하좌우 네 개의 외주면에서 각각 실링이 이루어지기 때문에, 전지셀 내부에서 가스가 발생하는 경우 상기 외주면 실링부가 개방되면서 가스의 배기가 이루어질 수 있다.
반면, 일체형 파우치형 전지케이스의 경우, 평면상 네 개의 외주면 가운데 어느 일측에서 절곡이 이루어지는 구조인 바, 절곡이 이루어지는 외주면에서는 전지케이스가 개방될 수 없는 구조이다.
그러나, 충격 테스트 등 전지셀 외부에서 압력을 인가하여 전극조립체의 분리가 일어나는 경우, 전지케이스의 절곡이 이루어지는 방향으로 분리된 전극조립체는 전지케이스 방향으로 밀리면서 구조의 변형이 이루어지게 된다. 이로 인하여, 내부 쇼트가 일어날 가능성이 커지고, 나아가 전지셀의 폭발 내지 발화의 위험성이 증가될 수 있다.
따라서, 일체형 파우치형 전지케이스를 사용하는 경우에도 절단된 전지케이스가 전지케이스의 절곡부로 이동시에 전지케이스가 절단되어 전극조립체 형상이 변형되는 것을 방지할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 전극조립체의 절단에 의한 변형 발생시 발화를 방지하기 위한 예비 절단선이 형성된 파우치형 전지케이스를 사용하는 경우, 상기 전극조립체가 예비 절단선이 형성된 외주변으로 이동하는 경우, 예비 절단선이 절단되어 전극조립체의 형상이 변형되는 것을 방지할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 전극조립체가 전해액과 함께 파우치형 케이스에 수납되어 있는 파우치형 이차전지로서, 상기 파우치형 케이스는 외부 피복층, 금속층 및 내부 접착층으로 이루어진 라미네이트 시트로 이루어지고, 상부 케이스 및 하부 케이스가 절곡부를 중심으로 연결된 일체형 구조이며, 상부 케이스의 일측 단부에는, 전극조립체의 절단에 의한 변형 발생시 발화를 방지하기 위한 예비 절단선이 형성된 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 이차전지는 파우치형 전지케이스로서 상부 케이스 및 하부 케이스로 구성되고, 상기 상부 케이스 및 하부 케이스는 절곡부를 중심으로 연결된 일체형 구조인 바, 절곡부를 제외한 나머지 외주변에서는 상부 케이스와 하부 케이스의 외주변이 대면하는 부분에서 열융착 실링으로 밀봉이 이루어진다.
따라서, 상기 열융착 실링부는 이차전지 내부에서 발생한 가스에 의해 내압이 상승하게 되면 개봉이 되어 가스의 배기가 이루어질 수 있으나, 절곡부가 있는 외주변에서는 상부 케이스와 하부 케이스가 분리될 수 없는 구조이다.
종래에는, 상기와 같은 일체형의 파우치형 전지케이스 내부에 전극조립체를 삽입한 후, 충격 실험 등 외부에서 전지케이스에 대해 힘을 인가하여 전극조립체를 절단하는 경우, 절곡부 방향으로 분리된 전극조립체는 외측으로 밀리는 힘에 의해 전극조립체의 형상이 변형됨으로써, 서로 다른 전극들 간에 접촉으로 인한 쇼트 및 폭발 내지 발화의 위험이 있었다.
그러나, 본원발명은, 상기와 같은 전극조립체의 형상 변형의 문제를 방지하기 위하여, 절곡부가 형성된 외주변 측에 예비 절단선을 형성함으로써, 전지케이스 내부에서 외측으로 밀리는 응력 발생시 예비 절단선이 절단되는 구조로 이루어지는 바, 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있다.
상기 전극조립체의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 단위 부피당 고용량의 전극조립체를 제공하기 위하여, 바람직하게는, 스택-폴딩형 전극조립체 또는 젤리롤형 전극조립체일 수 있다.
한편, 이차전지의 제조공정을 간소화하고 제조비용을 감축하기 위한 목적을 고려할 때, 상기 예비 절단선은 파우치형 케이스의 성형 단계에서 전극조립체 수납부의 형성과 함께 형성될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 예비 절단선의 형상은 특별히 제한되지 않지만, 이차전지 내부의 응력이 예비 절단선에 집중되는 경우, 신속하게 예비 절단선이 절단될 수 있도록 절곡부와 평행하도록 형성될 수 있으며, 구체적으로, 상기 예비 절단선은 직선형으로 형성될 수 있다.
상기 예비 절단선이 전지케이스 절곡부 상에 형성되면, 절곡 과정에서 예비 절단선을 따라 전지케이스가 절단되는 문제가 발생할 수 있으며, 상기 예비 절단선은 전극조립체 수납부 성형시 상부 케이스 예정부와 대응되는 다이 상면에 형성된 돌기부에 의해 형성되기 때문에, 수납부에 너무 가까이 형성되지 않는 것이 바람직하다. 또한, 상기 예비 절단선이 절곡부로부터 너무 멀리 떨어져 있는 경우에는, 전지셀 내부의 응력이 집중되는 부분은 절곡부인 점을 고려할 때, 용이하게 절단이 이루어지지 않는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 상기 예비 절단선은 전극조립체 수납부로부터 0.5 mm 내지 2.0 mm 이격되도록 상부 케이스에 형성될 수 있다.
또한, 일반적으로 전극조립체 수납부의 깊이 방향 코너부가 라운딩 형상으로 이루어지는 점, 및 예비 절단선의 길이가 너무 짧을 경우에는 소망하는 시점에 절단이 용이하게 이루어지지 않는 점을 고려할 때, 상기 예비 절단선의 길이는 전극조립체 수납부의 단축 방향 길이의 50%보다 크고 전극조립체 수납부의 단축 방향 길이에서 수납부의 양측 라운딩 코너부의 폭을 뺀 길이보다 작게 형성될 수 있다.
상기 예비 절단선이 형성된 부분의 금속층 두께는, 예비 절단선이 형성되지 않은 부분의 금속층 두께를 기준으로 50% 내지 80%로 형성될 수 있는 바, 금속층 두께의 50%보다 작게 형성되는 경우에는 정상적인 전지셀의 작동 과정 중에 절단될 우려가 있는 등 내구성이 문제될 수 있으며, 80%보다 크게 형성되는 경우에는 소망하는 시점에 절단이 용이하게 이루어지지 않을 수 있으므로 바람직하지 않다.
본 발명은 또한, 상기의 이차전지를 제조하기 위한 장치를 제공한다.
상기 이차전지의 제조 장치는,
파우치형 전지케이스용 라미네이트 시트를 상면에 위치시키면서, 전극조립체 수납부의 크기 및 형상과 대응되는 크기 및 형상의 오목부가 형성되어 있는 다이,
상기 라미네이트 시트의 상면에서 하향으로 가압하여 전극조립체 수납부를 성형하는 펀치; 및
상기 펀치에 의한 전극조립체 수납부 형성시 라미네이트 시트를 고정하기 위한 스트립퍼로 이루어지며,
상기 다이의 상면으로서 전지케이스의 절곡 예정부 인접부에는, 라미네이트 시트의 금속층의 두께를 상대적으로 얇게 성형하기 위한 돌기부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
따라서, 상기와 같은 구조의 이차전지 제조장치를 사용하는 경우에는, 다이에 형성된 돌기부에 의해 전지케이스의 절곡 예정부의 인접부에 상대적으로 라미네이트 시트 금속층의 두께가 얇은 예비 절단선이 형성되는 바, 외부 충격에 의해 전극조립체가 분리되더라도 예비 절단선이 절단되면서 전극조립체의 형상이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 돌기부의 형상은 특별히 제한되지 않지만, 이차전지 내부의 응력이 예비 절단선에 집중되는 경우, 신속하게 예비 절단선이 절단될 수 있도록, 평면상 직사각형의 전극조립체 수납부의 일측변과 평행한 선형 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 돌기부는, 라미네이트 시트의 금속층의 두께가 상대적으로 얇게 형성되는 구조인 바, 수직 단면의 형상이 반원형, 반타원형 또는 다각형 등으로 이루어질 수 있다.
상기 돌기부의 위치는, 예비 절단선의 위치와 대응되는 지점에 형성되는 바, 절곡부로부터 0.5 mm 내지 2.0 mm 이격되어 있는 구조일 수 있다.
또한, 일반적으로 전극조립체 수납부의 깊이 방향 코너부가 라운딩 형상으로 이루어지는 점, 및 예비 절단선의 길이가 너무 짧을 경우에는 소망하는 시점에 절단이 용이하게 이루어지지 않는 점을 고려할 때, 상기 돌기부의 길이는 전극조립체 수납부의 단축 방향 길이의 50%보다 크고 전극조립체 수납부의 단축 방향 길이에서 수납부의 양측 라운딩 코너부의 폭을 뺀 길이보다 작게 형성될 수 있다.
상기 예비 절단선이 형성되는 부분의 금속층 두께가 예비 절단선이 형성되지 않은 부분의 금속층 두께를 기준으로 50% 내지 80인 점을 고려할 때, 상기 돌기부의 높이는 금속층 두께의 20% 내지 50%로 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 단위 전지로 포함하는 전지모듈을 제공하고, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.
구체적으로, 상기 전지팩은 고온 안전성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있으며, 이러한 디바이스의 상세한 예로는 스마트폰, 휴대폰, 노트북, 테블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터 또는 전지 기반 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 및 전력저장용 시스템으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는, 전극조립체의 절단에 의한 변형 발생시 발화를 방지하기 위한 예비 절단선이 형성된 파우치형 전지케이스를 사용함으로써, 외부 충격에 의해 전극조립체가 절단되어 예비 절단선이 형성된 전지케이스의 외주변으로 이동하는 경우, 예비 절단선이 절단되어 전극조립체의 변형을 방지할 수 있으므로, 전지셀 내부 쇼트로 인한 폭발 내지 발화를 방지할 수 있는 안전성이 향상된 이차전지를 제공할 수 있다.
도 1은 하나의 실시예에 따른 전지케이스 제조단계의 라미네이트 시트의 평면도이다;
도 2는 하나의 실시예에 따른 라미네이트 시트의 단면도이다;
도 3은 하나의 실시예에 따른 이차전지의 측면도이다;
도 4는 하나의 실시예에 따른 이차전지 제조장치의 단면도이다; 및
도 5는 도 4의 부분 확대도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1은 하나의 실시예에 따른 전지케이스 제조단계의 라미네이트 시트의 평면도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 라미네이트 시트(100)에는 제 1 전지 케이스(101) 예정부 및 제 2 전지 케이스(102) 예정부가 있다. 제 1 전지 케이스(101) 예정부의 도면 상 하측에는 오목한 구조의 전극조립체 수납부(111)가 형성되어 있고, 전극조립체 수납부(111)의 일측으로서 상부 케이스의 절곡이 이루어지는 절곡부(141)와 접하도록 상부 케이스(121) 예정부가 있다.
절곡부(141)와 평행한 직선형의 예비 절단선(131)이 상부 케이스 예정부 상에 형성되어 있는 바, 예비 절단선(131)은 절곡부(141)로부터 0.5 mm 내지 2.0 mm 이격되도록 형성되어 있다. 예비 절단선(131)의 길이는 전극조립체 수납부(141)의 단축 방향(L) 길이의 50%보다 크고 전극조립체 수납부의 단축 방향(L) 길이에서 수납부의 양측 라운딩 코너부의 폭(r)을 뺀 길이보다 작게 형성되어 있다.
도 2는 하나의 실시예에 따른 라미네이트 시트의 단면을 모식적으로 도시하고 있다.
도 2를 참조하면, 라미네이트 시트는 위에서 아래 방향으로 내부 접착층(201), 금속층(202) 및 외부 피복층(203)이 순차적으로 적층되어 있으며, 외부 피복층(203)에서 금속층(202) 방향으로 오목한 구조의 예비 절단선(231)이 형성되어 있다.
예비 절단선의 수직 단면은 반타원형으로 형성된 형태를 도시하고 있으나, 상기와 같은 형태로 한정되지 않고 반원형 또는 다각형으로 이루어질 수 있다.
예비 절단선이 형성된 부분은 전체적인 라미네이트 시트의 두께가 얇게 형성되는 바, 예비 절단선이 형성된 부분의 금속층 두께(c1)는 예비 절단선이 형성되지 않은 금속층의 두께(C)를 기준으로 50% 내지 80%로 형성되어 있다.
도 3은 하나의 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 측면도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 3을 참조하면, 파우치형 전지케이스는 상부 케이스(301) 및 하부 케이스(302)로 이루어지고, 전극단자(310)가 돌출된 방향과 반대 방향에서 상부 케이스와 하부 케이스가 절곡되면서 연결된 일체형 구조이다. 전지케이스는 내부에 전극조립체(도시하지 않음)를 수납한 후, 상부 케이스(301)는 하부 케이스(302)의 실링부(303)와 열융착 밀봉된다.
전지케이스의 절곡부(341)를 확대해 보면, 상부 케이스(301)에는 상대적으로 두께가 얇은 예비 절단선(330)이 형성되어 있는 바, 전극조립체가 외부 충격에 의해 파단되어 분리되면서 절곡부 방향으로 이동하는 경우, 상대적으로 상부 케이스 중에서 두께가 얇은 예비 절단선에 응력이 집중되면서 절단이 이루어지게 된다.
도 4는 하나의 실시예에 따른 이차전지 제조장치를 모식적으로 도시하고 있고, 도 5는 도 4의 A부분의 부분 확대도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 이차전지 제조장치(400)는 라미네이트 시트(401)를 상면에 위치시키고, 전극조립체 수납부의 넓이에 대응되는 넓이의 오목부가 형성된 다이(411), 라미네이트 시트의 상면에서 하향으로 가압하여 전극조립체 수납부(402)를 형성하는 펀치(421) 및 라미네이트 시트를 고정하기 위한 스트립퍼(431)로 이루어진다.
라미네이트 시트(401)에서 상부 케이스 예정부와 대면하는 다이(411)의 상면에는 수직 단면상 형상이 반원형인 구조의, 돌기부(430)가 형성되어 있는 바, 스트립퍼로 라미네이트를 고정하기 위해 하향 가압하면, 돌기부(430) 상의 라미네이트 시트에는 돌기부가 형성되지 않은 다이 상의 다른 라미네이트 시트 부분에 비해 더 큰 압력이 인가된다. 따라서, 돌기부의 상면에 위치하게 되는 라미네이트 시트는 상대적으로 두께가 얇게 형성되면서 예비 절단선이 형성되게 된다.
돌기부(430)의 수직 단면상 형상은 반원형으로 도시되어 있으나, 반타원형 또는 다각형으로 이루어질 수 있으며, 돌기부(430)는 전지케이스의 절곡부가 형성되는 수납부의 일측변과 평행한 선형 구조로 이루어진다.
돌기부(430)는 전극조립체 수납부(402)로부터 0.5 mm 내지 2 mm(a1) 이격되도록 형성되어 있으며, 돌기부의 높이(c2)는, 라미네이트 시트의 외부 피복층 두께와 금속층 두께가 상대적으로 얇게 형성될 수 있도록, 금속층 두께의 100% 내지 150%로 형성될 수 있다. 이 때, 외부 피복층과 금속층이 돌기에 의해 압연되면서 연신될 수 있는 바, 외부 피복층 및 금속층 각각의 두께와 소망하는 예비 절단선이 형성되는 부분의 금속층 두께의 범위를 고려하여, 돌기부의 높이가 결정될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 이차전지 제조장치 및 이를 이용하여 제조된 이차전지는, 전지케이스의 상부 케이스 및 하부 케이스를 연결하는 절곡부와 인접한 상부 케이스 상에 예비 절단선이 형성되어 있는 바, 전극조립체의 이동에 의한 응력 집중 시, 예비 절단선이 절단되어 전극조립체의 형상이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (13)

  1. 전극조립체가 전해액과 함께 파우치형 케이스에 수납되어 있는 파우치형 이차전지로서,
    상기 파우치형 케이스는 외부 피복층, 금속층 및 내부 접착층으로 이루어진 라미네이트 시트로 이루어지고, 상부 케이스 및 하부 케이스가 절곡부를 중심으로 연결된 일체형 구조이며,
    상부 케이스의 일측 단부에는, 전극조립체의 절단에 의한 변형 발생시 발화를 방지하기 위한 예비 절단선이 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 스택-폴딩형 전극조립체 또는 젤리롤형 전극조립체인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 예비 절단선은 파우치형 케이스의 성형 단계에서 전극조립체 수납부의 형성과 함께 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 예비 절단선은, 절곡부와 평행하도록 절곡부와 인접한 상부 케이스 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 예비 절단선은 전극조립체 수납부로부터 0.5 mm 내지 2.0 mm 이격되도록 상부 케이스에 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 예비 절단선의 길이는 전극조립체 수납부의 단축 방향 길이의 50%보다 크고 전극조립체 수납부의 단축 방향 길이에서 수납부의 양측 라운딩 코너부의 폭을 뺀 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 예비 절단선이 형성된 부분의 금속층 두께는, 예비 절단선이 형성되지 않은 부분의 금속층 두께를 기준으로 50% 내지 80%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 1 항에 따른 이차전지를 제조하기 위한 장치로서,
    파우치형 전지케이스용 라미네이트 시트를 상면에 위치시키면서, 평면상 전극조립체 수납부의 넓이에 대응되는 넓이로 오목부가 형성되어 있는 다이;
    상기 라미네이트 시트의 상면에서 하향으로 가압하여 전극조립체 수납부를 성형하는 펀치; 및
    상기 펀치에 의한 전극조립체 수납부 형성시 라미네이트 시트를 고정하기 위한 스트립퍼로 이루어지며,
    상기 다이의 상면으로서 전지케이스의 절곡 예정부 인접부에는, 라미네이트 시트의 금속층의 두께를 상대적으로 얇게 성형하기 위한 돌기부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 돌기부는 전극조립체 수납부의 일측변과 평행한 선형 구조인 것을 특징으로 하는 이차전지 제조장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 돌기부는 수직 단면의 형상이 반원형, 반타원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 이차전지 제조장치.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 돌기부의 위치는 전극조립체 수납부로부터 0.5 mm 내지 2.0 mm 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조장치.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 돌기부의 길이는 전극조립체 수납부의 단축 방향 길이의 50%보다 크고 전극조립체 수납부의 단축 방향 길이에서 수납부의 양측 라운딩 코너부의 폭을 뺀 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 이차전지 제조장치.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 돌기부의 높이는 상기 금속층 두께의 100 내지 150%인 것을 특징으로 하는 이차전지 제조장치.
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