KR20230057726A - 이차 전지 제조 장치 - Google Patents

이차 전지 제조 장치 Download PDF

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KR20230057726A
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강구용
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명은 이차 전지 제조 장치를 포함하고, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 집전체 상에 전극 슬러리를 코팅시키는 이차 전지 제조 장치에 있어서, 상기 전극 슬러리가 수용되는 내부 공간을 형성하는 수용부; 수직 이동하여 상기 수용부로부터 상기 전극 슬러리의 토출량을 조절하는 유량 밸브; 및 토출된 슬러리를 상기 전극 집전체에 코팅하는 다이부를 포함하고, 상기 유량 밸브는, 탄성 소재로 형성된 유량 제어부를 포함한다.

Description

이차 전지 제조 장치 {SECONDARY BATTERY MANUFACTURING DEVICE}
본 발명은 이차 전지 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 활물질 슬러리의 토출량을 조절할 수 있는 전극 제조용 이차 전지 제조 장치에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 이차전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북, 웨어러블 디바이스 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 받고 있다.
이차 전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극 조립체를 포함하며, 활물질, 도전재 및/또는 바인더 등을 용매에 분산시켜 슬러리를 제조한 다음, 상기 슬러리를 집전체에 직접 도포하여 형성하는 방법, 또는, 슬러리를 별도의 지지체 상부에 도포시키고, 상기 지지체로부터 박리한 필름을 집전체 상에 라미네이션하여 형성하는 방법을 통해 제조된다.
한편, 이차전지의 충방전 특성을 균일하게 하기 위해서는 상기 양극 슬러리 및 음극 슬러리가 집전체에 균일하게 도포되어야 하는데, 이를 위해 통상적으로 슬롯 다이 장치를 이용한 코팅 공정이 수행된다.
슬롯 다이(slot die) 코터는 기재에 일정 폭으로 코팅액을 코팅하여 물질층을 형성하기 위한 장치이며, 일반적으로 코팅액은 물질층 형성 조성물을 용매나 분산매에 녹여 용액이나 슬러리와 같은 유동성이 있는 물질을 말한다.
이차 전지 제조 장치는 만년필에서 잉크가 펜촉 끝단으로 나오듯이 슬롯 다이의 끝단의 틈으로 코팅액인 슬러리가 배출되도록 하는 구조로 되어 있다. 이차 전지 제조 장치를 이용하여 집전체 상에 슬러리를 코팅하기 위해서 이차 전지 제조 장치 자체가 움직이거나 기재인 집전체가 움직이게 된다. 이때, 균일한 코팅을 하기 위해서는 슬러리의 점도, 슬러리의 유동 및 슬롯 다이와 집전체 사이의 거리 제어가 중요하다.
특히, 슬러리의 유동과 관련하여, 외부의 슬러리 공급원으로부터 공급되어 슬롯 다이의 다이부에 저장된 슬러리를 집전체에 도포 시, 다이부와 맞물려 있는 조절부가 개방되면서 다이부에서 순간적으로 토출되는 슬러리의 유량 변동으로 인해 슬러리가 과공급(overshooting)되거나, 조절부가 다이부와 다시 맞물리면서 슬러리가 역류할 수 있다. 이로 인해, 전극 코팅 불균형이 발생하게 되므로, 상기 문제를 해결해야 할 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 활물질 슬러리의 토출량을 조절하여, 전극 코팅의 불균형을 방지할 수 있는 이차 전지 제조 장치를 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 제조 장치는, 전극 집전체 상에 전극 슬러리를 코팅시키는 이차 전지 제조 장치로, 상기 전극 슬러리가 수용되는 내부 공간을 형성하는 수용부; 수직 이동하여 상기 수용부로부터 상기 전극 슬러리의 토출량을 조절하는 유량 밸브; 및 토출된 슬러리를 상기 전극 집전체에 코팅하는 다이부를 포함하고, 상기 유량 밸브는, 탄성 소재로 형성된 유량 제어부를 포함한다.
상기 유량 밸브는, 수직 이동하여 상기 전극 슬러리를 상기 다이부에 공급하도록 개폐될 수 있다.
상기 유량 제어부는, 상기 유량 밸브의 이동에 의해 형상이 변경될 수 있다.
상기 유량 제어부는, 상기 유량 밸브가 수직 방향으로 이동할 때, 형상이 상기 수용부와 인접한 방향으로 움푹 들어간 형상일 수 있다.
상기 유량 제어부는, 상기 유량 밸브가 수직 방향으로 이동할 때, 상기 수용부와 인접한 방향으로 곡률을 가질 수 있다.
상기 유량 제어부는, 상기 수용부와 인접한 방향으로 움푹 들어간 형상의 부피만큼 버퍼 볼륨(Buffer volume)을 형성할 수 있다.
상기 유량 제어부는, 상기 유량 밸브가 정지 상태일 때, 평평한 면일 수 있다.
상기 유량 제어부는, 고무로 형성될 수 있다.
상기 유량 밸브는, 상기 유량 제어부, 상기 유량 제어부의 양 단부와 접하면서 위치하는 중간부, 및 상기 중간부의 일면과 접하면서 위치하는 지지부를 포함할 수 있다.
상기 중간부는, 수평 방향으로 연장되어 있는 제1 면 및 상기 제1 면의 양 단부에서 각각 연장되는 제2 면 및 제3 면을 포함할 수 있다.
상기 유량 제어부의 양 단부는, 상기 중간부의 상기 제2 면 및 상기 제3 면의 일단부와 접할 수 있다.
상기 유량 제어부의 길이는, 상기 제1 면의 길이보다 길 수 있다.
상기 유량 제어부는, 상기 제1 면과 평행한 면일 수 있다.
상기 유량 제어부와 상기 중간부의 제1 면, 제2 면 및 제3 면 사이에는 빈 공간인 제1 영역이 형성될 수 있다.
상기 제1 영역에는 유체가 위치할 수 있다.
상기 유체는 공기 또는 압축성 유체일 수 있다.
상기 지지부는, 상기 제1 면과 접하면서 위치할 수 있다.
실시예들에 따르면, 탄성 소재로 형성되는 유량 밸브의 상단부 구성으로, 슬러리의 토출량을 조절하여, 균일한 전극 코팅이 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 제조 장치의 단면을 나타내는 도면이다.
도 3은 종래의 이차 전지 제조 장치를 사용하여, 전극 코팅 시 시간에 따른 슬러리의 유동을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 밸브의 단면을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 밸브의 개폐 시의 단면을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 밸브의 개폐에 따른 슬러리를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 제조 장치의 단면을 나타내는 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 제조 장치는 전극 코팅용 슬롯 다이 코터일 수 있다.
도 1은 유량 밸브가 개방되지 않은 상태에서의 이차 전지 제조 장치의 단면을 나타내고, 도 2는 유량 밸브가 개방된 상태에서의 이차 전지 제조 장치의 단면을 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 제조 장치(100)는 외부의 슬러리 공급원(미도시)으로부터 슬러리를 제공받아 수용하는 수용부(200), 및 수용부(200)로부터 분배되는 슬러리의 토출량을 조절하는 유량 밸브(300) 및 유량 밸브(300)에서 토출된 슬러리가 통과한 후 집전체에 슬러리를 코팅하는 다이부(400)를 포함한다. 구체적으로, 슬러리가 수용부(200)에 채워지면 유량 밸브(300)의 개폐로 인해 슬러리가 다이부(400)로 토출되고, 다이부(400)로 토출된 슬러리는 집전체에 도포된 후 건조 등의 후속 공정을 거쳐 전극을 형성한다.
슬러리는 미세한 고체 입자를 액체 중에 섞어 유동성이 적은 상태로 만든 혼합물로, 바인더를 용매에 일정 비율 혼합하여 만들 수 있다. 상기 전극 슬러리는 활물질, 바인더 및 도전재 등을 포함하며, 활물질은 양극 활물질 또는 음극 활물질일 수 있다. 슬러리는 비압축성 유체일 수 있다. 집전체는 장방형의 금속 시트이다.
본 발명의 실시예에 따른 전극은 양극 또는 음극일 수 있으며, 상기 전극이 양극일 경우에는 상기 전극 활물질은 양극 활물질일 수 있고, 상기 전극이 음극일 경우에는 상기 전극 활물질은 음극 활물질일 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 상기 전극의 제조 방법은 양극과 음극에 특별히 제한되지 않고 어떠한 전극 제조에도 용이하게 적용 가능하며, 상기 각 전극의 제조에 사용되는 재료(예컨대, 양극 활물질 또는 음극 활물질)에 따라 상이한 전극을 제조할 수 있다.
수용부(200)는 내부에 슬러리를 수용할 수 있고, 수용부(200)의 내부에 수용된 슬러리가 외부로 토출되는 배출부(210)를 포함할 수 있다.
유량 밸브(300)는 수용부(200)와 접하면서 위치할 수 있다. 유량 밸브(300)는 수용부(200)의 배출부(210)와 맞물리게 장착되어 위치할 수 있다. 유량 밸브(300)는 수직 방향(z축 방향 또는 -z축 방향)으로 이동할 수 있고, 상기 수직 이동으로 배출부(210)를 개폐하여, 배출부(210)를 통해 슬러리가 토출되는 것을 조절할 수 있다.
구체적으로, 도 1과 같이 유량 밸브(300)가 수용부(200)와 접하면서 장착되어 있으면, 수용부(200)에 수용된 슬러리는 다이부(400)로 이동한 후 외부로 토출될 수 없다. 도 2와 같이 유량 밸브(300)가 수직 방향(z축 방향)으로 이동하는 경우, 유량 밸브(300)와 수용부(200) 사이에 슬러리가 이동할 수 있는 공간이 생기게 되고, 수용부(200)에 수용된 슬러리는 배출부(210)를 통해 다이부(400)로 이동한 후 외부로 토출되어 집전체 상에 도포될 수 있다.
도 3은 종래의 이차 전지 제조 장치를 사용하여, 전극 코팅 시 시간에 따른 슬러리의 유동을 나타낸 도면이다.
통상적인 코팅 공정에서는 유량 밸브(300)의 개폐 속도가 빠르고, 유량 밸브(300)가 수직 이동하여 배출부(210)를 개방하는 경우, 유량 밸브(300)가 순간적으로 슬러리를 밀어내게 되어 슬러리가 정상 상태 유량보다 과공급되는 현상이 발생할 수 있다. 반대로, 유량 밸브(300)가 수직 이동하여 배출부(210)를 폐쇄하는 경우, 슬러리 공급 유량이 줄고, 유량 밸브(300)의 움직임에 의한 압력 강하로 인해 일시적으로 슬러리의 역류 현상이 발생할 수 있다. 상기 내용은, 도 3의 시간에 따른 공급 유량(supply flowrate) 그래프로 확인할 수 있다.
이론적으로는, 전극 코팅 시, 유량 밸브(300)가 개폐되면, 수용부(200)와 유량 밸브(300) 사이에 형성되는 공간에 따라서 슬러리의 유량이 점점 증가하여야 한다. 다만, 슬러리는 비압축성 유체이고, 종래의 유량 밸브는 스테인리스(Stainless) 재질로 형성되어 유량 밸브(300) 자체의 형상 변화가 어려우므로 버퍼 볼륨(buffer volume)도 생성되기 어려워, 슬러리의 유량을 조절하기 쉽지 않았다.
따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 밸브(300)는 탄성 소재로 형성된 유량 제어부(320)를 포함할 수 있고, 해당 내용은 이하에서 자세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 밸브의 단면을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하여, 도 2에서 설명한 유량 밸브(300)에 대해 보다 자세히 설명한다.
유량 밸브(300)는 콘 형상의 중간부(350), 중간부(350)를 지지하는 막대 형상의 지지부(310), 중간부(350)의 상면에 구비되는 유량 제어부(320)를 포함한다.
중간부(350)는 스테인리스 재질로 형성될 수 있고, 콘 형상일 수 있다. 중간부(350)는 수평 방향(y 방향 또는 -y 방향)으로 연장되어 있는 제1 면(351)과, 제1 면(351)의 양 단부에서 각각 연장되는 제2 면(355) 및 제3 면(356)을 포함할 수 있다.
제1 면(351)은 지지부(310)의 일 단부와 접하면서 위치할 수 있다. 제2 면(355) 및 제3 면(356)은, 제1 면(351)의 양 단부에서 지지부(310)가 위치하는 방향과 반대 방향으로 연장될 수 있다. 제2 면(355) 및 제3 면(356)은, 제1 면(351)을 기준으로 둔각을 형성하면서 각각 연장될 수 있다. 이 경우, 제2 면(355)과 제3 면(356)이 형성하는 둔각의 각도는 동일할 수 있다. 또한, 제2 면(355)과 제3 면(356)의 길이는 동일할 수 있다. 제1 면(351)과 접하지 않는 제2 면(355)의 일 단부와 제3 면(356)의 일 단부는, 제1 면(351)과 평행한 선상에 위치할 수 있다. 본 단면도에서 제2 면(355)과 제3 면(356)은 각각의 면으로 도시되었지만, 실질적으로는 상기 제1 면(351)의 가장자리를 따라 형성되는 하나의 면일 수 있다.
지지부(310)는 막대 형상으로, 유량 제어부(320) 및 중간부(350)를 지지할 수 있다. 지지부(310)는, 일 단부가 중간부(350)와 접할 수 있다. 지지부(310)는, 일 단부가 중간부(350)의 제1 면(351)에 접할 수 있다. 지지부(310)는 스테인리스 재질로 형성될 수 있다.
유량 제어부(320)는 평평한 면으로, 중간부(350)와 접하면서 구비될 수 있다. 유량 제어부(320)는 중간부(350)의 제1 면(351)과 평행하는 면일 수 있다. 유량 제어부(320)의 양 단부는, 각각 제2 면(355)의 일 단부와 제3 면(356)의 일 단부와 접할 수 있다. 구체적으로, 유량 제어부(320)는 제1 면(351)과 평행하면서, 제2 면(355)의 일 단부와 제3 면(356)의 일 단부 사이의 거리와 대응되는 평평한 면일 수 있다. 유량 제어부(320)의 길이는 제1 면(351)의 길이보다 길 수 있다.
유량 제어부(320)는 중간부(350)의 제2 면(355)의 일 단부와 제3 면(356)의 일 단부와 접하면서 위치하므로, 유량 제어부(320)와 중간부(350)의 제1 면(351), 제2 면(355) 및 제3 면(356) 사이에는 빈 공간인 제1 영역(358)이 형성될 수 있다. 상기 제1 영역(358)에는 유체가 위치할 수 있고, 상기 유체는 공기 또는 압축성 유체일 수 있다.
유량 제어부(320)는 탄성 소재로 형성될 수 있다. 일 예로, 유량 제어부(320)는 고무 소재로 형성될 수 있다. 따라서, 유량 제어부(320)는 유량 밸브(300)의 수직 이동에 따라 형상이 변화할 수 있다. 유량 제어부(320)의 형상 변화에 대해서는 이하에서 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 밸브의 개폐 시의 단면을 나타내는 도면이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 밸브의 개폐에 따른 슬러리를 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 유량 밸브(300)가 수직 방향(z축 방향 또는 -z축 방향)으로 이동함으로 인해, 유량 제어부(320)의 형상이 변화한다. 구체적으로, 유량 밸브(300)가 z축 방향으로 이동하는 경우, 유량 제어부(320)는 지지부(310)와 인접한 방향(-z축 방향)으로 움푹 들어간 형상으로 변화할 수 있다. 구체적으로, 이 경우, 유량 제어부(320)는 -z축 방향으로 곡률을 가지는 형상으로 변화할 수 있다. 이 경우, -z축 방향으로 움푹 들어간 형상의 부피만큼 버퍼 볼륨(buffer volume)이 생성될 수 있다. 즉, 버퍼 볼륨은, 형상이 변화하기 전의 유량 제어부(320)의 위치를 기준으로, 형상이 변화한 후의 유량 제어부(320)의 위치에 대한 공간일 수 있다.
버퍼 볼륨이 생성되면, 버퍼 볼륨의 부피만큼 슬러리(500)를 저장할 수 있다. 이 경우, 유량 밸브(300)의 이동에 의한 슬러리(500)의 과공급이 일어나지 않을 수 있다. 따라서, 전극 코팅 시 슬러리가 다이부(400)에서 균일한 양으로 토출될 수 있어, 균일하게 코팅된 전극을 형성할 수 있고, 전극의 품질을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 이차 전지 제조 장치
200: 다이부
210: 배출부
300: 유량 밸브
310: 지지부
320: 유량 제어부
350: 중간부

Claims (17)

  1. 전극 집전체 상에 전극 슬러리를 코팅시키는 이차 전지 제조 장치에 있어서,
    상기 전극 슬러리가 수용되는 내부 공간을 형성하는 수용부;
    수직 이동하여 상기 수용부로부터 상기 전극 슬러리의 토출량을 조절하는 유량 밸브; 및
    토출된 슬러리를 상기 전극 집전체에 코팅하는 다이부를 포함하고,
    상기 유량 밸브는, 탄성 소재로 형성된 유량 제어부를 포함하는 이차 전지 제조 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 유량 밸브는, 수직 이동하여 상기 전극 슬러리를 상기 다이부에 공급하도록 개폐되는 이차 전지 제조 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 유량 제어부는, 상기 유량 밸브의 이동에 의해 형상이 변경되는 이차 전지 제조 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 유량 제어부는, 상기 유량 밸브가 수직 방향으로 이동할 때, 형상이 상기 수용부와 인접한 방향으로 움푹 들어간 형상인 이차 전지 제조 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 유량 제어부는, 상기 유량 밸브가 수직 방향으로 이동할 때, 상기 수용부와 인접한 방향으로 곡률을 가지는 이차 전지 제조 장치.
  6. 제3항에서,
    상기 유량 제어부는, 상기 수용부와 인접한 방향으로 움푹 들어간 형상의 부피만큼 버퍼 볼륨(Buffer volume)을 형성하는 이차 전지 제조 장치.
  7. 제3항에서,
    상기 유량 제어부는, 상기 유량 밸브가 정지 상태일 때, 평평한 면인 이차 전지 제조 장치.
  8. 제1항에서,
    상기 유량 제어부는, 고무로 형성되는 이차 전지 제조 장치.
  9. 제1항에서,
    상기 유량 밸브는, 상기 유량 제어부, 상기 유량 제어부의 양 단부와 접하면서 위치하는 중간부, 및 상기 중간부의 일면과 접하면서 위치하는 지지부를 포함하는 이차 전지 제조 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 중간부는, 수평 방향으로 연장되어 있는 제1 면 및 상기 제1 면의 양 단부에서 각각 연장되는 제2 면 및 제3 면을 포함하는 이차 전지 제조 장치.
  11. 제10항에서,
    상기 유량 제어부의 양 단부는, 상기 중간부의 상기 제2 면 및 상기 제3 면의 일단부와 접하는 이차 전지 제조 장치.
  12. 제10항에서,
    상기 유량 제어부의 길이는, 상기 제1 면의 길이보다 긴 이차 전지 제조 장치.
  13. 제10항에서,
    상기 유량 제어부는, 상기 제1 면과 평행한 면인 이차 전지 제조 장치.
  14. 제10항에서,
    상기 유량 제어부와 상기 중간부의 제1 면, 제2 면 및 제3 면 사이에는 빈 공간인 제1 영역이 형성되는 이차 전지 제조 장치.
  15. 제14항에서,
    상기 제1 영역에는 유체가 위치하는 이차 전지 제조 장치.
  16. 제15항에서,
    상기 유체는 공기 또는 압축성 유체인 이차 전지 제조 장치.
  17. 제10항에서,
    상기 지지부는, 상기 제1 면과 접하면서 위치하는 이차 전지 제조 장치.

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