KR20210054825A - 벤팅 유도부가 형성된 파우치형 전지케이스 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조된 파우치형 전지케이스 - Google Patents

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KR20210054825A
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서태준
이우용
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Abstract

본 발명은 (a) 파우치형 전지케이스용 라미네이트 시트를 하부성형틀 상에 위치시키는 단계, (b) 상부성형틀로 상기 라미네이트 시트를 가압하여 전극조립체 수납부를 성형하는 단계, (c) 상기 전극조립체 수납부의 바닥에 벤팅 유도부를 성형하는 단계, 및 (d) 상기 전극조립체 수납부 및 상기 벤팅 유도부가 성형된 파우치형 전지케이스를 상기 하부성형틀에서 탈거하는 단계를 포함하는 파우치형 전지케이스 제조방법에 대한 것이다.

Description

벤팅 유도부가 형성된 파우치형 전지케이스 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조된 파우치형 전지케이스 {Method for Preparing Pouch-type Battery Case Formed with Venting Guide Portion and Pouch-type Battery Case Manufactured by the Same}
본원 발명은 벤팅 유도부가 형성된 파우치형 전지케이스 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조된 파우치형 전지케이스에 대한 것으로서, 구체적으로, 파우치형 전지케이스의 제조 과정 중에 상기 파우치형 전지케이스의 일부에 벤팅 유도부를 성형하는 과정을 포함하는 파우치형 전지케이스 제조방법 및 이에 의해 제조된 파우치형 전지케이스에 대한 것이다.
리튬 이차전지는 외형에 따라 크게 원통형 이차전지, 각형 이차전지 및 파우치형 이차전지로 분류될 수 있으며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 및 전고체 전지 등으로 분류될 수 있다.
웨어러블 디바이스(wearable device) 및 모바일 디바이스(mobile device)의 소형화 및 경량화 경향에 따라, 두께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히, 금속 캔을 사용하는 원통형 또는 각형 이차전지보다 전지케이스의 무게를 현저히 줄일 수 있어 전지의 경량화가 가능하며, 다양한 형태 변형이 가능한 파우치형 이차전지에 대한 관심이 높다. 상기 파우치형 이차전지는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트를 파우치형으로 만든 전지케이스에 전극조립체가 내장되는 형태이다.
상기 리튬 이차전지는 계속적인 충방전 과정에서 발생하는 열에 의해 전극조립체 및 전기적 연결부재 등의 온도가 증가하게 된다. 이와 같이 리튬 이차전지 내부의 온도가 높아지면 전해액 등이 분해되면서 가스가 발생하여 전지케이스가 팽창하게 된다. 또한, 중대형 전지팩은 다수의 전지셀들이 일정한 케이스 내에 고정된 상태로 장착된 구조로 되어 있으므로, 각각의 팽창된 전지셀들은 한정된 케이스 내에서 더욱 가압되고, 비정상적인 작동 조건 하에서 발화 및 폭발의 위험성이 증가한다.
이와 같은 리튬 이차전지의 위험성을 낮추기 위한 다양한 시도가 진행되고 있는 바, 특허문헌 1은 전지의 내압 상승으로 케이스가 수축되는 방향을 따라 코팅되어 다른 부분보다 우선적으로 파단되어 가스를 외부로 배출시키도록 케이스의 외면에 형성되는 파단층을 포함하는 리튬 폴리머 전지에 대한 것으로서, 상기 파단층은 케이스의 외면에 일정한 폭을 가지고 코팅된 폴리머 소재로서, 연신율이 우수한 소재이다.
특허문헌 2는 전극조립체에 연결되는 한 쌍의 전극리드들 중 상대적으로 유연성이 낮은 전극리드에 대응하는 부위의 실링부 상에, 소정의 압력이 인가될 때 물리적 변형이 유발되어 내부가스를 유발할 수 있는 취약부가 형성된 전지셀을 개시한다.
그러나, 상기 특허문헌 1과 특허문헌 2는 파단층이나 취약부를 형성하는 구체적인 방법을 제시하지 못하고 있다.
한편, 특허문헌 3은 가스 포켓부에서 전극조립체에 인접하게 전극조립체 가장자리부를 따라 내측 차단 라인과 외측 차단 라인을 설치하는 단계를 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법을 개시한다. 그러나, 상기 내측 및 외측 차단 라인은 파우치형 이차전지 제조시 디개싱 과정에서 전해액이 함께 토출되는 것을 방지하기 위한 구조일 뿐, 파우치형 이차전지의 안전성을 확보하기 위한 기술을 개시하지 못하고 있다.
이와 같이, 파우치형 이차전지의 제조과정에서, 파우치형 전지케이스의 외면에 파단을 유도하여 전지케이스의 폭발을 방지할 수 있는 방법의 개발이 필요한 실정이다.
한국 공개특허공보 제2003-0035187호 (2003.05.09) 한국 공개특허공보 제2008-0094602호 (2008.10.23) 한국 공개특허공보 제2018-0059373호 (2018.06.04)
본원 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 파우치형 전지케이스를 성형하는 과정 중에 벤팅 유도부를 형성하는 경우, 파우치형 전지케이스 제조공정을 간소화할 수 있으면서, 파우치형 전지케이스의 내압 증가시 파단이 유도되어 폭발을 방지할 수 있는 구조를 포함하는 파우치형 전지케이스 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조된 파우치형 전지케이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원 발명에 따른 파우치형 전지케이스 제조방법은 (a) 파우치형 전지케이스용 라미네이트 시트를 하부성형틀 상에 위치시키는 단계, (b) 상부성형틀로 상기 라미네이트 시트를 가압하여 전극조립체 수납부를 성형하는 단계, (c) 상기 전극조립체 수납부의 바닥에 벤팅 유도부를 성형하는 단계, 및 (d) 상기 전극조립체 수납부 및 상기 벤팅 유도부가 성형된 파우치형 전지케이스를 상기 하부성형틀에서 탈거하는 단계를 포함할 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 단계 (b)와 단계 (c)는 동시에 진행되며, 상기 상부성형틀은, 하면의 크기가 전극조립체 수납부의 바닥과 대응되는 크기로 이루어지고 하면에는 홈이 형성되어 있는 제1상부성형틀이고, 상기 하부성형틀은 상기 제1상부성형틀의 홈과 대응되는 상면에 돌기가 형성되어 있는 제1하부성형틀일 수 있다.
다른 하나의 실시예에서, 상기 단계 (b)와 단계 (c)는 순차적으로 진행되고, 상기 단계 (b)는, 하면의 크기가 전극조립체 수납부의 바닥과 대응되는 크기로 이루어진 제2상부성형틀 및 제2하부성형틀을 사용하고, 상기 단계 (c)는, 하면의 크기가 전극조립체 수납부의 바닥과 대응되는 크기로 이루어지고 하면에는 홈이 형성되어 있는 제1상부성형틀 및, 상기 제1상부성형틀의 홈과 대응되는 상면에 돌기가 형성되어 있는 제1하부성형틀을 사용할 수 있다.
상기 홈은 상기 제1상부성형틀의 중심부에 형성될 수 있다.
또한, 상기 홈에 상기 돌기가 삽입되는 구조로서 상기 홈과 돌기는 서로 대응되는 크기 및 형태로 이루어지고, 상기 돌기의 형태는 다각뿔, 다각뿔대, 원뿔, 원뿔대, 및 반구 중 어느 하나일 수 있다.
상기 돌기는 복수의 돌기들이 상기 하부성형틀의 중심부에 집중되도록 형성될 수 있다.
상기 단계 (c)는 벤팅 유도부의 금속층 두께를 얇게 하기 위하여 복수회 수행될 수 있다.
또한, 상기 단계 (c)는, 라미네이트 시트를 복수회 펀칭하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 파우치형 전지케이스는, 외부 피복층, 금속층 및 내부 접착층을 포함하는 상부케이스 및 하부 케이스로 구성되고, 상기 상부케이스 및 하부케이스 중 적어도 어느 하나 이상에는 전극조립체 수납부가 형성되어 있으며, 상기 전극조립체 수납부에는 벤팅 유도부가 형성되는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 벤팅 유도부에서 상기 금속층의 두께는 상기 벤팅 유도부를 제외한 전극조립체 수납부 바닥의 두께보다 더 얇을 수 있다.
상기 벤팅 유도부는 상기 전극조립체 수납부 바닥의 중심부에 형성될 수 있다.
상기 벤팅 유도부의 벤팅 압력은 열융착 밀봉되는 상부케이스 및 하부케이스 실링부의 벤팅 압력보다 작다.
본 발명은 또한, 상기 파우치형 전지케이스를 포함하는 파우치형 전지셀을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 파우치형 전지케이스 제조방법은 전지케이스를 성형하는 과정 중에 벤팅 유도부를 형성하기 때문에 제조공정을 간소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 파우치형 전지케이스는 내압 증가로 팽창하는 경우, 벤팅 유도부의 파단이 이루어지기 때문에 파우치형 이차전지의 폭발을 미연에 방지할 수 있다.
도 1은 제1실시예에 따른 파우치형 전지케이스 제조방법의 모식도이다.
도 2는 제2실시예에 따른 파우치형 전지케이스 제조방법의 모식도이다.
도 3은 제3실시에에 따른 파우치형 전지케이스 제조방법의 모식도이다.
도 4는 도 1의 제조방법에 따라 제조된 파우치형 전지케이스의 사시도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정한 발명으로 한정하지 않는다.
본원 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 제1실시예에 따른 파우치형 전지케이스 제조방법의 모식도이다.
도 1을 참조하면, 파우치형 전지케이스용 라미네이트 시트(110)는 외부 피복층(101), 금속층(102) 및 내부 접착층(103)을 포함하고, 경우에 따라, 외부 피복층과 금속층 사이, 및 금속층과 내부 접착층 사이에 접착층을 추가로 더 포함할 수 있다.
파우치형 전지케이스용 라미네이트 시트(110)를 제1하부성형틀(121) 상에 위치시킨 후, 제1상부성형틀(131)로 라미네이트 시트(110)를 가압하여 전극조립체 수납부(112)와 벤팅 유도부(113)를 성형한다.
제1상부성형틀(131)은 하면 크기가 전극조립체 수납부(112)의 바닥과 대응되는 크기로 이루어지고 하면에는 홈(135)이 형성되어 있다. 제1하부성형틀(121)은 제1상부성형틀(131)의 홈(135)과 대응되는 위치로서 상면에 돌기(125)가 형성되어 있다.
제1상부성형틀(131)의 홈(135)은 제1상부성형틀(131)의 하면 중심부에 형성되고, 제1하부성형틀(121)의 돌기(125)는 제1하부성형틀(121)의 상면 중심부에 형성된다.
따라서, 상기 과정을 거쳐서 제조된 파우치형 전지케이스(111)는 전극조립체 수납부(112)의 바닥의 중심부에 벤팅 유도부(113)가 형성된다.
일반적으로, 리튬 이차전지의 내압 증가로 전지케이스가 팽창했을 때, 압력이 집중되는 부분에서 벤팅이 이루어지는 점을 고려할 때, 상기 벤팅 유도부는 전극조립체 수납부의 중심부에 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 돌기(125)는 복수의 개수로 형성될 수 있고, 특히, 하부성형틀의 중심부에 복수의 돌기가 집중되도록 형성될 수 있다.
본 발명은, 상부성형틀의 홈(135)에 하부성형틀의 돌기(125)가 삽입되는 구조로서, 홈(135)과 돌기(125)는 서로 대응되는 크기 및 형태로 이루어진다.
예를 들어, 돌기(125)의 형태는 다각뿔, 다각뿔대, 원뿔, 원뿔대, 및 반구 중 어느 하나의 형태로 이루어질 수 있으며, 상세하게는 반구 형태로 이루어질 수 있다.
상기 과정 (c)의 벤팅 유도부를 성형하는 단계는, 제1상부성형틀(131)로 라미네이트 시트(110)를 펀칭하는 과정으로 진행될 수 있으며, 벤팅 유도부에서 라미네이트 시트(110)의 금속층(102) 두께를 얇게 하기 위하여, 상기 펀칭하는 과정을 복수회 반복하여 진행할 수 있다.
이와 같이 전극조립체 수납부 및 벤팅 유도부가 성형된 파우치형 전지케이스(111)를 제1하부성형틀(121)에서 탈거한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 파우치형 전지케이스는 벤팅 유도부에서 금속층의 두께가, 벤팅 유도부를 제외한 전극조립체 수납부 바닥의 두께보다 더 얇게 형성되는 바, 리튬 이차전지의 내압 증가시 상기 벤팅 유도부에 압력이 집중되면서 빠르게 파단이 이루어져 가스를 배출할 수 있다.
따라서, 리튬 이차전지의 내압 증가로 인한 폭발이 일어나기 이전에 미리 벤팅 유도부의 파단이 이루어지는 바, 리튬 이차전지의 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 파우치형 전지케이스 제조방법과 같이 전극조립체 수납부의 성형과 벤팅 유도부의 성형을 동시에 진행하는 경우에는, 파우치형 전지케이스의 제조과정을 간략하게 설계할 수 있으므로, 제조비용을 절감하고, 생산성이 향상될 수 있다.
도 2는 제2실시예에 따른 파우치형 전지케이스 제조방법의 모식도이다.
도 2의 파우치형 전지케이스 제조방법은 도 1의 파우치형 전지케이스 제조방법과 달리 전극조립체 수납부를 성형하는 단계 (b)와 벤팅 유도부를 성형하는 단계 (c)가 순차적으로 진행된다.
구체적으로, 도 2를 참조하면, 라미네이트 시트(210)를 제2하부성형틀(222) 상에 위치시킨 후, 제2상부성형틀(232)로 라미네이트 시트(210)를 가압하여 전극조립체 수납부(212)를 성형한다.
이후, 전극조립체 수납부(212)가 성형된 파우치형 전지케이스를 돌기(225)가 형성된 제1하부성형틀(221) 상에 배치하고, 홈(235)이 형성된 제1상부성형틀(231)로 파우치형 전지케이스(211)를 가압하여 벤팅 유도부를 성형한다.
상기 벤팅 유도부의 성형 방법은 도 1의 설명에 기재된 바와 동일하다.
또한, 제1하부성형틀(221)과 제1상부성형틀(231) 각각은 도 1의 설명에서 설명한 제1하부성형틀(121)과 제1상부성형틀(131)과 홈 및 돌기 구조와 그 위치 및 형태면에서 동일한 바, 이하에서는 그 설명을 생략한다.
상기 도 2에 도시된 파우치형 전지케이스 제조방법과 같이 전극조립체 수납부의 성형과 벤팅 유도부의 성형을 순차적으로 진행하는 경우에는, 전극조립체 수납부가 형성될 때 라미네이트 시트가 1차적으로 연신된 상태에서 벤팅 유도부를 성형하기 때문에, 제1상부성형틀로 라미네이트 시트를 펀칭하는 과정을 독립적으로 수회 진행할 수 있으므로, 라미네이트 시트 금속층의 두께를 더욱 얇게 성형할 수 있고, 금속층의 두께 편차를 줄일 수 있다.
도 3은 제3실시에에 따른 파우치형 전지케이스 제조방법의 모식도이다.
도 3을 참조하면, 도 3에 도시된 파우치형 전지케이스 제조방법은 도 1에 도시된 방법과 같이 전극조립체 수납부를 성형하는 단계 (b)와 벤팅 유도부를 성형하는 단계 (c)가 동시에 진행된다.
따라서, 도 3에 도시된 제1하부성형틀(321)은 상면에 돌기(325)가 형성되어 있고, 제1상부성형틀(331)은 하면에 홈(335)이 형성된 구조이다.
또한, 파우치형 전지케이스(311)는 상부케이스(311a)와 하부케이스(311b) 각각에 벤팅 유도부(315)와 벤팅 유도부(315)가 형성되는 구조로서, 제1하부성형틀(321)은, 라미네이트 시트에서 상부케이스 예정부 및 하부케이스 예정부가 배치되는 부분 각각에 돌기들(325)이 형성되어 있으며, 상기 돌기들과 대응되는 위치에 제1상부성형틀(331) 2개가 하강하여 라미네이트 시트를 펀칭한다.
도 4는 도 1의 제조방법에 따라 제조된 파우치형 전지케이스의 사시도를 도시하고 있다.
도 4를 참조하면, 파우치형 전지셀(100)은 전극조립체 수납부(112)가 상부케이스 및 하부케이스 중 어느 한쪽에 형성된 구조로서, 전극조립체 수납부의 바닥(112a)의 중심부에 벤팅 유도부 (113)가 형성된 형태이다.
벤팅 유도부에서, 라미네이트 시트 금속층의 두께는 전극조립체 수납부 바닥에서 벤팅 유도부를 제외한 부분의 두께보다 더 얇게 형성되기 때문에, 전지케이스 팽창시 물리적인 강도가 약한 벤팅 유도부가 파단된다.
또한, 벤팅 유도부(113)의 벤팅 압력은 열융착 밀봉되는 상부케이스 및 하부케이스 실링부의 벤팅 압력보다 작은 크기이다. 따라서, 파우치형 전지셀 내부 압력 증가시, 상부케이스 및 하부케이스 실링부가 벤팅되기 전에 벤팅 유도부가 먼저 파단된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 파우치형 전지케이스 제조방법은 파우치형 전지셀의 안전성을 확보하기 위한 구조로서 벤팅 유도부를 포함하고, 상기 벤팅 유도부의 형성 과정이 파우치형 전지케이스 성형 과정에 포함되기 때문에, 파우치형 전지케이스 제조 단계가 증가하지 않으면서 파우치형 전지셀의 안전성을 향상시킬 수 있다.
본원 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
100: 파우치형 전지셀
101: 외부 피복층
102: 금속층
103: 내부 접착층
110, 210, 310: 라미네이트 시트
111, 211, 311: 파우치형 전지케이스
112, 212: 전극조립체 수납부
112a: 전극조립체 수납부의 바닥
113, 213, 314, 315: 벤팅 유도부
121, 221: 제1하부성형틀
125, 225, 325: 돌기
131, 231, 331: 제1상부성형틀
135, 235, 335: 홈
222: 제2하부성형틀
232: 제2상부성형틀
311a: 상부케이스
311b: 하부케이스

Claims (13)

  1. (a) 파우치형 전지케이스용 라미네이트 시트를 하부성형틀 상에 위치시키는 단계;
    (b) 상부성형틀로 상기 라미네이트 시트를 가압하여 전극조립체 수납부를 성형하는 단계;
    (c) 상기 전극조립체 수납부의 바닥에 벤팅 유도부를 성형하는 단계; 및
    (d) 상기 전극조립체 수납부 및 상기 벤팅 유도부가 성형된 파우치형 전지케이스를 상기 하부성형틀에서 탈거하는 단계;
    를 포함하는 파우치형 전지케이스 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 (b)와 단계 (c)는 동시에 진행되며,
    상기 상부성형틀은, 하면의 크기가 전극조립체 수납부의 바닥과 대응되는 크기로 이루어지고 하면에는 홈이 형성되어 있는 제1상부성형틀이고,
    상기 하부성형틀은 상기 제1상부성형틀의 홈과 대응되는 상면에 돌기가 형성되어 있는 제1하부성형틀인 파우치형 전지케이스 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단계 (b)와 단계 (c)는 순차적으로 진행되고,
    상기 단계 (b)는, 하면의 크기가 전극조립체 수납부의 바닥과 대응되는 크기로 이루어진 제2상부성형틀 및 제2하부성형틀을 사용하고,
    상기 단계 (c)는, 하면의 크기가 전극조립체 수납부의 바닥과 대응되는 크기로 이루어지고 하면에는 홈이 형성되어 있는 제1상부성형틀 및, 상기 제1상부성형틀의 홈과 대응되는 상면에 돌기가 형성되어 있는 제1하부성형틀을 사용하는 파우치형 전지케이스 제조방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 홈은 상기 제1상부성형틀의 중심부에 형성되어 있는 파우치형 전지케이스 제조방법.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 홈에 상기 돌기가 삽입되는 구조로서 상기 홈과 돌기는 서로 대응되는 크기 및 형태로 이루어지고,
    상기 돌기의 형태는 다각뿔, 다각뿔대, 원뿔, 원뿔대, 및 반구 중 어느 하나인 파우치형 전지케이스 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 돌기는 복수의 돌기들이 상기 하부성형틀의 중심부에 집중되도록 형성되는 파우치형 전지케이스 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 단계 (c)는 벤팅 유도부의 금속층 두께를 얇게 하기 위하여 복수회 수행되는 파우치형 전지케이스 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 단계 (c)는, 라미네이트 시트를 복수회 펀칭하는 과정을 포함하는 파우치형 전지케이스 제조방법.
  9. 외부 피복층, 금속층 및 내부 접착층을 포함하는 상부케이스 및 하부 케이스로 구성되고,
    상기 상부케이스 및 하부케이스 중 적어도 어느 하나 이상에는 전극조립체 수납부가 형성되어 있으며,
    상기 전극조립체 수납부에는 벤팅 유도부가 형성되어 있는 파우치형 전지케이스.
  10. 제9항에 있어서, 상기 벤팅 유도부에서 상기 금속층의 두께는 상기 벤팅 유도부를 제외한 전극조립체 수납부 바닥의 두께보다 더 얇은 파우치형 전지케이스.
  11. 제9항에 있어서, 상기 벤팅 유도부는 상기 전극조립체 수납부 바닥의 중심부에 형성되는 파우치형 전지케이스.
  12. 제9항에 있어서, 상기 벤팅 유도부의 벤팅 압력은 열융착 밀봉되는 상부케이스 및 하부케이스 실링부의 벤팅 압력보다 작은 파우치형 전지케이스.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 파우치형 전지케이스를 포함하는 파우치형 전지셀.
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