KR20210003572A - 이차전지 - Google Patents

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KR20210003572A
KR20210003572A KR1020190079544A KR20190079544A KR20210003572A KR 20210003572 A KR20210003572 A KR 20210003572A KR 1020190079544 A KR1020190079544 A KR 1020190079544A KR 20190079544 A KR20190079544 A KR 20190079544A KR 20210003572 A KR20210003572 A KR 20210003572A
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권민형
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예는 이차전지에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 과충전안전장치가 작동할 때 안정적으로 중성 셀이 될 수 있는 이차전지를 제공하는 데 있다.
이를 위해 본 발명은 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 전극조립체, 상기 전극조립체를 수용하는 케이스, 상기 케이스를 밀폐하기 위한 것으로, 상기 제1 전극에 전기적으로 연결되는 캡플레이트, 상기 캡플레이트상에 배치되어 전기적으로 연결되는 퓨즈, 상기 퓨즈에 접촉되어 전기적으로 연결되는 제1 전극단자 및 상기 전극조립체의 제2 전극에 전기적으로 연결되는 제2 전극단자를 포함하는 이차전지를 개시한다.

Description

이차전지 {SECONDARY BATTERY}
본 발명의 실시예는 이차전지에 관한 것이다.
이차전지는 일차전지와 달리 충전 및 방전을 반복적으로 수행하는 전지이다. 소용량화 이차전지는 휴대폰, 노트북(Laptop) 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용된다. 대용량화 및 고밀도화 이차전지는 하이브리드자동차 및 전기자동차의 모터 구동용 전원이나 에너지 저장용으로 사용된다.
이러한 이차전지는 흔히 전류를 충전 및 방전하는 전극조립체, 전극조립체를 수용하는 케이스, 케이스를 밀폐하는 캡플레이트, 전극단자 및 과충전안전장치를 포함한다.
과충전안전장치는 음극단자 측에 설치되어, 과충전 시 발생하는 내부압력에 따라 이격 또는 단락되는 단락탭과 멤브레인을 포함한다. 단락탭은 음극단자에 전기적으로 연결되며 절연부재를 사이에 두고 캡플레이트의 외측에 배치된다. 또한 멤브레인은 단락탭으로부터 이격되어 캡플레이트의 단락홀에 설치된다.
이에 과충전 시 이차전지의 내압에 의해 멤브레인이 반전되어 단락탭에 접촉된다. 즉 과충전안전장치가 작동하여 전극조립체에 충전되어 있던 전류를 방전한다. 그러나 이때 양극단자는 전극조립체에 연결된 상태를 유지하고 있기 때문에, 이차전지는 불완전한 중성 셀이 되어 안정성이 낮아질 수 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것일 뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예는 과충전안전장치가 작동할 때 안정적으로 중성 셀이 될 수 있는 이차전지를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지는 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 전극조립체, 상기 전극조립체를 수용하는 케이스, 상기 케이스를 밀폐하기 위한 것으로, 상기 제1 전극에 전기적으로 연결되는 캡플레이트, 상기 캡플레이트상에 배치되어 전기적으로 연결되는 퓨즈, 상기 퓨즈에 접촉되어 전기적으로 연결되는 제1 전극단자 및 상기 전극조립체의 제2 전극에 전기적으로 연결되는 제2 전극단자를 포함할 수 있다.
또한 상기 퓨즈는 판형으로 형성되어, 가운데 부분이 상기 제1 전극단자를 향해 볼록하게 휘어지고, 양단이 상기 캡플레이트상에 지지될 수 있다.
또한 상기 캡플레이트는 지지홈을 갖고, 상기 퓨즈는 양단이 상기 지지홈의 내측에서 가장자리에 지지될 수 있다.
또한 상기 제1 전극단자는 상기 퓨즈를 향해 돌출되어 상기 퓨즈에 점접촉되는 돌기를 가질 수 있다.
또한 상기 제1 전극단자는 상기 퓨즈를 향해 돌출되어 상기 퓨즈에 면접촉되는 돌기를 가질 수 있다.
또한 상기 제1 전극단자는 상기 퓨즈를 향해 돌출되어 상기 퓨즈에 각각 접촉되는 복수의 돌기를 가질 수 있다.
또한 상기 퓨즈는 상기 제1 전극단자를 향해 돌출되어 상기 제1 전극단자에 접촉되는 돌기를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지는 과충전안전장치가 작동할 때 퓨즈와 양극단자의 접점이 녹아 끊어짐으로써 이차전지가 중성 셀로 될 수 있다. 이때 퓨즈가 상대적으로 얇은 두께를 갖기 때문에, 보다 신속하게 녹아 끊어질 수 있어 이차전지의 안전성을 더욱 도모할 수 있다.
한편 퓨즈는 판형으로 형성되어 가운데 부분이 제1 전극단자를 향해 볼록하게 휘어지고 양단이 캡플레이트의 지지홈의 내측에서 가장자리에 지지됨으로써, 제1 전극단자에 대해 일종의 판스프링의 역할을 할 수 있다. 따라서 제1 전극단자가 퓨즈에 접촉된 상태로 압박되어 고정됨으로써, 퓨즈와 제1 전극단자의 접촉이 더욱더 긴밀하게 유지될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 양극단자 측의 확대도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 양극단자 측의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 양극단자 측의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 양극단자 측의 확대도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함할 수 있다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)의 단면도이다.
또한 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)의 양극단자(160) 측의 확대도이다.
먼저 도 1과 도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는 전극조립체(110), 제1 전극탭(121), 제2 전극탭(122), 케이스(130), 캡플레이트(140), 퓨즈(150), 제1 전극단자(160), 제2 전극단자(170), 과충전안전장치(Overcharge Safety Device, OSD)(180), 제1 절연부재(191) 및 제2 절연부재(192)를 포함한다.
전극조립체(110)는 전류를 충전 및 방전하기 위한 것으로, 제1 전극(이하 "양극"이라 함)(111), 제2 전극(이하 "음극"이라 함)(112) 및 양극(111)과 음극(112) 사이에 개재되는 세퍼레이터(113)를 포함한다.
양극(111)은 예컨대 알루미늄 포일로 이루어진 양극집전체에, 예컨대 전이금속산화물로 이루어진 양극활물질이 도포된 양극코팅부(111A) 및 양극활물질이 도포되지 않은 양극무지부(111B)를 갖는다.
또한 음극(112)은 예컨대 구리나 니켈 포일로 이루어진 음극집전체에, 예컨대 탄소나 흑연으로 이루어진 음극활물질이 도포된 음극코팅부(112A) 및 음극활물질이 도포되지 않은 음극무지부(112B)를 갖는다.
세퍼레이터(113)는 절연체로서 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌 복합 필름으로 이루어질 수 있다. 이에 세퍼레이터(113)는 양극(111)과 음극(112) 사이에 개재되어 양극(111)과 음극(112) 사이의 단락을 방지하는 한편, 이온의 이동을 허용한다.
이러한 전극조립체(110)는 양극(111), 음극(112) 및 세퍼레이터(113)가 이른바 젤리롤(Jelly Roll) 형태로 함께 권취됨으로써 제작될 수도 있고, 이들이 서로 적층됨으로써 제작될 수도 있다.
제1 전극탭(이하 "양극탭"이라 함)(121)은 양극무지부(111B)로부터 인출되어 제1 전극단자(이하 "양극단자"라 함)(160)에 전기적으로 연결된다. 이를 위해 양극탭(121)은 캡플레이트(140)의 내면에 용접될 수 있으며, 이로써 캡플레이트(140) 및 후술할 퓨즈(150)를 통해 양극단자(160)에 전기적으로 연결된다.
또한 제2 전극탭(이하 "음극탭"이라 함)(122)은 음극무지부(112B)로부터 인출되어 제2 전극단자(이하 "음극단자"라 함)(170)에 전기적으로 연결된다. 이를 위해 음극탭(122)은 음극단자(170)의 하단에 코킹(Caulking)될 수 있다.
케이스(130)는 일면이 개방된 직육면체 형태로 형성되어 그 내부에 전극조립체(110)와 전해액을 수용한다.
여기서 전해액은 예컨대 에틸렌카보네이트(Ethylene Carbonate, PC), 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 디메틸카보네이트(Dimethyl Carbonate, DMC), 에틸메틸카보네이트(Ethyl Methyl Carbonate, EMC) 등과 같은 유기 용매 및 LiPF6, LibF4 등과 같은 리튬염으로 이루어질 수 있다.
캡플레이트(140)는 케이스(130)의 일면에 결합되어 케이스(130)를 밀폐하는 역할을 한다. 이를 위해 케이스(130)와 캡플레이트(140)가 알루미늄으로 이루어져 서로 용접될 수 있다.
또한 캡플레이트(140)는 전해액주입구(140A), 벤트홀(140B), 캡플레이트(140)의 외면에 위치하는 지지홈(140C)(도 3 참조), 단자홀(140D) 및 단락홀(140E)을 갖는다.
전해액주입구(140A)는 케이스(130)에 캡플레이트(140)를 결합한 후 케이스(130)의 내부로 전해액을 주입하기 위한 부분이다. 나아가 전해액 주입 후 마개(141)를 이용해 전해액주입구(140A)를 밀폐할 수 있다.
벤트홀(140B)은 이차전지(100)의 내부에 가스가 발생할 경우 그 가스를 배출하여 이차전지(100)의 폭발을 방지하기 위한 부분이다. 단 평상시(즉 이차전지(100)의 내부에 가스가 발생하지 않을 때) 벤트부재(142)가 벤트홀(140B)을 폐쇄하고 있다. 여기서 벤트부재(142)는 캡플레이트(140)에 일체로 구비된 박막일 수 있다. 이에 이차전지(100)의 내부에 가스가 발생하여 이차전지(100)의 내압이 미리 정해진 수준에 이르게 되면 벤트부재(142)가 절개됨으로써 벤트홀(140B)을 개방할 수 있다. 더욱이 벤트부재(142)는 노치(142A)를 가질 수 있다. 이에 의하면 이차전지(100)의 내부에 가스가 발생했을 때 벤트부재(142)가 그 노치(142A)를 중심으로 더 확실하게 절개될 수 있다.
도 3을 함께 참조하면 퓨즈(150)는 캡플레이트(140)보다 얇은 두께의 판형으로 형성되어 캡플레이트(140)의 지지홈(140C)의 내측에 배치된다.
또한 퓨즈(150)는 가운데 부분이 캡플레이트(140)의 외측을 향해 볼록하게 휘어지고, 양단이 지지홈(140C)의 가장자리에 지지됨으로써 캡플레이트(140)에 전기적으로 연결된다.
양극단자(160)는 제1 절연부재(191)를 사이에 두고 캡플레이트(140)로부터 이격되어 퓨즈(150) 위에 배치된다.
또한 양극단자(160)는 퓨즈(150)를 향해 돌출된 돌기(161)를 가져, 그 돌기(161)가 퓨즈(150)의 가운데 부분에 점접촉됨으로써 퓨즈(150)에 전기적으로 연결된다. 도면에서는 돌기(161)의 끝단이 둥근 윤곽을 갖는 것으로 예시되어 있으나, 필요에 따라 돌기(161)의 끝단은 각진 윤곽을 가질 수도 있다.
나아가 제1 절연부재(191)의 일측은 캡플레이트(140)에 접착되고, 제1 절연부재(191)의 타측은 후크 형태로 형성되어 양극단자(160)의 가장자리에 맞물려, 양극단자(160)가 캡플레이트(140)에 대해 안정적으로 고정될 수 있다.
음극단자(170)는 캡플레이트(140)의 단자홀(140D)에 삽입되는 리벳터미널(171), 캡플레이트(140)의 내측에서 리벳터미널(171)로부터 방사상으로 연장되는 플랜지(172) 및 캡플레이트(140)의 외측에서 리벳터미널(171)에 리베팅(Riveting)되는 플레이트터미널(173)을 포함한다.
또한 음극단자(170)는 캡플레이트(140)와 리벳터미널(171) 및 플랜지(172) 사이를 밀봉하여 그 사이의 틈으로 전해액이 누출되는 것을 방지하는 한편 캡플레이트(140)로부터 리벳터미널(171)과 플랜지(172)를 절연하는 개스킷(174)을 더 포함한다.
제2 절연부재(192)는 음극탭(122)과 캡플레이트(140) 사이에 배치되어 음극탭(122)과 캡플레이트(140)를 절연한다.
나아가 제2 절연부재(192)의 일측은 캡플레이트(140)에 접착되고, 제2 절연부재(192)의 타측은 음극탭(122) 및 리벳터미널(171)과 플랜지(172)를 함께 둘러싸, 음극탭(122)과 음극단자(170)가 보다 안정적으로 고정될 수 있다.
과충전안전장치(180)는 단락탭(181), 절연부재(182) 및 단락부재(183)를 포함한다.
단락탭(181)은 캡플레이트(140)의 외측에서 음극단자(170)에 전기적으로 연결되며, 절연부재(182)를 사이에 두고 캡플레이트(140)로부터 이격되어 단락홀(140E) 위에 배치된다.
단락부재(183)는 단락홀(140E)을 폐쇄하는데, 미리 설정된 두께의 판형으로 형성되어, 가운데 부분이 이차전지(100)의 내측을 향해 볼록하게 휘어져 단락탭(181)으로부터 이격되고, 양단이 단락홀(140E)의 가장자리에 결합될 수 있다.
이에 단락부재(183)는 이차전지(100)의 과충전으로 인해 이차전지(100)의 내압이 상승할 경우, 도 2에서 점선으로 표시한 바와 같이 가운데 부분이 이차전지(100)의 외측을 향해 볼록하게 휘어지도록, 다시 말해 단락탭(181)에 접촉되도록 변형된다. 따라서 양극으로 대전되어 있던 캡플레이트(140)와 음극으로 대전되어 있던 음극단자(170)가 서로 단락되어 이차전지(100)의 전류를 방전할 수 있다.
아울러 이 경우 퓨즈(150)와 양극단자(160)의 돌기(161)의 접점을 통해 과전류가 흐르게 된다. 따라서 줄 열에 의해 그 접점이 녹아 끊어지게 되며, 이로써 이차전지(100)가 중성 셀로 된다.
이때 퓨즈(150)가 캡플레이트(140)보다 얇은 두께를 갖기 때문에, 보다 신속하게 녹아 끊어질 수 있어 이차전지(100)의 안전성을 더욱 도모할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 양극단자(260) 측의 확대도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지는 앞서 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 이차전지(100)와 비교할 때, 퓨즈(250)와 양극단자(260)의 접촉 양상에 있어서 차이점이 있다. 그밖에 다른 사항은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)와 실질적으로 동일하며, 혹 상이한 부분이 있더라도 이는 통상의 기술자라면 상기 차이점에 대응하여 당연히 변경할 것으로 예상되는 정도에 해당하므로, 이에 대해 반복적인 설명은 생략한다.
이는 후술할 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 역시 마찬가지이다.
도 4를 참조하면 양극단자(260)는 퓨즈(250)를 향해 돌출된 돌기(261)를 갖는다.
특히 퓨즈(250)의 가운데 부분과 돌기(261)의 끝단이 서로 대응되는 윤곽을 가져, 돌기(261)가 퓨즈(250)에 면접촉된다.
이에 의하면 퓨즈(250)와 돌기(261)가 더 넓은 면적을 통해 접촉될 수 있어, 평상시(즉 과충전안전장치(180)가 작동하지 않을 때) 퓨즈(250)와 양극단자(260)의 전기적 연결을 확실하게 보장할 수 있다.
그뿐만 아니라 퓨즈(250)와 돌기(261)의 접촉 면적을 가변함으로써 그 접점 부위의 저항을 조절하여, 접점이 녹아 끊어지기 위한 과전류의 값을 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 양극단자(360) 측의 사시도이다.
도 5를 참조하면 양극단자(360)는 퓨즈(350)를 향해 돌출된 복수의 돌기(361, 362)를 갖는다.
이들 중 어느 하나를 제1 돌기(361)라 하고, 다른 하나를 제2 돌기(362)라 한다면, 제1 돌기(361)와 제2 돌기(362)는 퓨즈(350)에 각각 점접촉될 수 있다.
또는 제1 돌기(361)와 제2 돌기(362)는 퓨즈(350)에 각각 면접촉될 수도 있다.
또는 제1 돌기(361)는 퓨즈(350)에 점접촉되고, 제2 돌기(362)는 퓨즈(350)에 면접촉될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 양극단자(460) 측의 사시도이다.
도 6을 참조하면 양극단자(460)는 퓨즈(450)를 향해 돌출된 돌기(461)를 갖는다.
나아가 퓨즈(450)도 양극단자(460)를 향해 돌출된 돌기(451)를 갖는다.
이에 퓨즈(450)의 돌기(451)와 양극단자(460)의 돌기(461)가 서로 점접촉된다.
도면에서는 퓨즈(450)가 두 개의 돌기를 갖는 것으로 예시되어 있으나, 필요에 따라 퓨즈(450)는 한 개의 돌기를 가질 수도 있고, 세 개 이상의 돌기를 가질 수도 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 이차전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (7)

  1. 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 전극조립체,
    상기 전극조립체를 수용하는 케이스,
    상기 케이스를 밀폐하기 위한 것으로, 상기 제1 전극에 전기적으로 연결되는 캡플레이트,
    상기 캡플레이트상에 배치되어 전기적으로 연결되는 퓨즈,
    상기 퓨즈에 접촉되어 전기적으로 연결되는 제1 전극단자 및
    상기 전극조립체의 제2 전극에 전기적으로 연결되는 제2 전극단자를 포함하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 퓨즈는 판형으로 형성되어, 가운데 부분이 상기 제1 전극단자를 향해 볼록하게 휘어지고, 양단이 상기 캡플레이트상에 지지되는 이차전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 캡플레이트는 지지홈을 갖고,
    상기 퓨즈는 양단이 상기 지지홈의 내측에서 가장자리에 지지되는 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극단자는 상기 퓨즈를 향해 돌출되어 상기 퓨즈에 점접촉되는 돌기를 갖는 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극단자는 상기 퓨즈를 향해 돌출되어 상기 퓨즈에 면접촉되는 돌기를 갖는 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극단자는 상기 퓨즈를 향해 돌출되어 상기 퓨즈에 각각 접촉되는 복수의 돌기를 갖는 이차전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 퓨즈는 상기 제1 전극단자를 향해 돌출되어 상기 제1 전극단자에 접촉되는 돌기를 갖는 이차전지.
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