WO2014042400A1 - 적층형 이차전지 - Google Patents

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WO2014042400A1
WO2014042400A1 PCT/KR2013/008163 KR2013008163W WO2014042400A1 WO 2014042400 A1 WO2014042400 A1 WO 2014042400A1 KR 2013008163 W KR2013008163 W KR 2013008163W WO 2014042400 A1 WO2014042400 A1 WO 2014042400A1
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electrode
secondary battery
outer cap
stacked
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김경준
김인중
함덕호
정택주
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주식회사 루트제이드
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Definitions

  • the present invention relates to a stacked secondary battery, and more particularly, to a structure for electrically connecting an electrode plate and an outer case of an electrode assembly so that the outer case serves as a terminal.
  • Secondary Battery is a battery that can be charged and discharged, unlike a primary battery that can not be charged.
  • a small portable battery such as a mobile phone, a notebook computer, or a camcorder
  • a large capacity battery of a battery pack unit which is used in an electronic device and a plurality of battery cells are connected, it is widely used as a power source for driving a motor of a hybrid electric vehicle.
  • Such secondary batteries include lithium-ion secondary batteries, nickel-cadmium secondary batteries, nickel-hydrogen secondary batteries, lithium polymer secondary batteries, and the like, and are recently being spotlighted as super capacitors (Super Capacitors).
  • the secondary battery may be classified into a coin-type secondary battery, a square secondary battery, and the like according to its external shape.
  • the secondary battery may include an electrode assembly in which the positive electrode plate and the negative electrode plate are alternately stacked with a separator interposed therebetween, and an outer case made of a metal having an inner space for accommodating the electrode assembly.
  • the secondary battery has an adhesive bond attached to the edge or edge of the electrode assembly so that the stacked state of the electrode assembly is not disturbed, that is, the alignment state of the positive electrode plate, the separator, and the negative electrode plate constituting the electrode assembly is not misaligned. It may further include a tape.
  • the negative electrode plate or the positive electrode plate located on the outermost side of the electrode assembly may be configured to be in direct contact with the outer case (external cap or outer can) so that the outer cap or outer can serve as the negative terminal or the positive terminal.
  • the electrode plate (cathode electrode plate or cathode electrode plate) located on the outermost side of the electrode assembly is configured to be in direct contact with the case (external cap or case can) so that the case serves as a terminal as described above, a predetermined thickness Due to the interference of the binding tape having the electrode, the electrode plate does not come into contact with the outer case as a whole and is partially separated from each other, and the unstable contact between the electrode plate and the outer case degrades the conductivity and consequently deteriorates the performance of the secondary battery. There was this. And this problem may occur even if there is any other component between the electrode plate and the outer case located on the outermost side of the electrode assembly, even if not the binding tape.
  • An object of the present invention is a stacked type secondary battery including an electrode assembly in which a cathode electrode plate and an anode electrode plate are alternately stacked with a separator interposed therebetween, whereby a sufficient conductivity between the electrode plate and the outer case is stably ensured to ensure the performance of the secondary battery. It is to provide a laminated secondary battery that can be improved.
  • the object of the present invention is to provide a plurality of first electrode plates and a plurality of second electrode plates alternately stacked with the first electrode plate with the separator interposed therebetween with a polarity opposite to the first electrode plate.
  • An electrode assembly comprising; An outer can having an inner space for accommodating the electrode assembly; An outer cap coupled with the outer can to cover the open side of the outer can; A second electrode plate disposed between the outermost second electrode plate and the outer cap of the plurality of second electrode plates to electrically connect the second electrode plate and the outer cap, or to the outermost second electrode plate; Disposed between the outer can can be achieved by a stacked secondary battery comprising a conductive polymer film electrically connecting the second electrode plate and the outer can.
  • the conductive polymer film may have a characteristic of a positive temperature coefficient (PTC) in which the electrical resistance increases rapidly with respect to a temperature rise when a specific temperature is reached.
  • PTC positive temperature coefficient
  • the stacked secondary battery may further include a binding tape attached to an edge of the electrode assembly such that the stacked state of the electrode assembly is not disturbed.
  • the conductive polymer film may be disposed in a central region of the second electrode plate positioned at the outermost side so as not to overlap with the binding tape.
  • the conductive polymer film may have an opening formed at a position corresponding to the binding tape so as not to overlap the binding tape.
  • the conductive polymer film may have a thickness equal to or greater than the thickness of the binding tape.
  • the conductive polymer film may contact one surface of the second electrode plate positioned at the outermost side and the other surface of the conductive polymer film to contact the outer cap or the outer can.
  • the first electrode plate may be a positive electrode plate coated with a positive electrode active material
  • the second electrode plate may be a negative electrode plate coated with a negative electrode active material
  • the object of the present invention is to provide a plurality of first electrode plates and a plurality of second electrode plates alternately stacked with the first electrode plate with the separator interposed therebetween with a polarity opposite to the first electrode plate.
  • An electrode assembly comprising; An outer can having an inner space for accommodating the electrode assembly; An outer cap coupled with the outer can to cover the open side of the outer can; A second electrode plate disposed between the outermost second electrode plate and the outer cap of the plurality of second electrode plates to electrically connect the second electrode plate and the outer cap, or to the outermost second electrode plate; Is disposed between the outer can can be electrically connected to the second electrode plate and the outer can, it can be achieved by a stacked secondary battery comprising a metal foam (Metal Foam) having a compressibility.
  • Metal Foam Metal Foam
  • the metal foam may be compressed between the electrode assembly and the outer cap to reduce the thickness in whole or in part, or may be compressed between the electrode assembly and the outer cap to reduce the thickness in whole or in part.
  • the stacked secondary battery may further include a binding tape attached to an edge of the electrode assembly such that the stacked state of the electrode assembly is not disturbed.
  • the metal foam may be disposed on the second electrode plate positioned at the outermost side to cover the binding tape.
  • the metal foam may have a smaller thickness because portions overlapping with the binding tape are more compressed than portions overlapping with the binding tape.
  • the metal foam may have a thickness before pressing that is greater than a thickness of the binding tape.
  • the metal foam may contact one surface of the second electrode plate located at the outermost side, and the other surface may contact the outer cap or the outer can.
  • the first electrode plate may be a positive electrode plate coated with a positive electrode active material
  • the second electrode plate may be a negative electrode plate coated with a negative electrode active material
  • the object of the present invention is to provide a plurality of first electrode plates and a plurality of second electrode plates alternately stacked with the first electrode plate with the separator interposed therebetween with a polarity opposite to the first electrode plate.
  • An electrode assembly comprising; An outer can having an inner space for accommodating the electrode assembly; An outer cap coupled with the outer can to cover the open side of the outer can; A second electrode plate disposed between the outermost second electrode plate and the outer cap of the plurality of second electrode plates to electrically connect the second electrode plate and the outer cap, or to the outermost second electrode plate; And a conductive member disposed between the exterior cans to electrically connect the second electrode plate and the exterior cans.
  • the present invention relates to a stacked secondary battery including an electrode assembly in which a cathode electrode plate and an anode electrode plate are alternately stacked with a separator interposed therebetween, wherein a conductive polymer film is disposed between an electrode plate and an outer case disposed at an outermost side of the electrode assembly, and is electrically conductive.
  • a conductive polymer film is disposed between an electrode plate and an outer case disposed at an outermost side of the electrode assembly, and is electrically conductive.
  • the present invention applies a conductive polymer film having a positive temperature coefficient (PTC) characteristic, when the secondary battery is overheated for some reason and the temperature exceeds the normal temperature range, the electrical resistance value of the conductive polymer film is increased. Since the electrode plate and the outer case can be electrically cut off rapidly, the risk of explosion due to overheating of the secondary battery can be prevented and ultimately, the safety of the secondary battery can be improved.
  • PTC positive temperature coefficient
  • the present invention relates to a stacked secondary battery including an electrode assembly in which a cathode electrode plate and an anode electrode plate are alternately stacked with a separator interposed therebetween, wherein a metal foam is disposed between an electrode plate and an outer case disposed at an outermost side of the electrode assembly, and a metal foam is formed.
  • a metal foam is disposed between an electrode plate and an outer case disposed at an outermost side of the electrode assembly, and a metal foam is formed.
  • the present invention is because the metal foam is a structure that can be crimped between the electrode assembly and the outer case, without being interfered with other components (eg, binding tape) existing between the electrode plate located on the outermost side of the electrode assembly and the outer case. It can be arranged, and as a result can maximize the area in contact with the electrode plate and the outer case to further improve the conductivity between the electrode plate and the outer case.
  • other components eg, binding tape
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a stacked secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of an electrode assembly in the stacked rechargeable battery of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of the electrode assembly of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a schematic front view of the electrode assembly of FIG. 2.
  • FIG. 5 is a schematic plan view illustrating a conductive polymer film disposed on an electrode assembly in the stacked rechargeable battery of FIG. 1.
  • FIG. 6 is an enlarged view of region 'A' of FIG. 1.
  • FIG. 7 and 8 are schematic cross-sectional view and a plan view for explaining a modification of the conductive polymer film in the stacked secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • 9 and 10 are schematic cross-sectional views for explaining the configuration of a stacked secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic plan view illustrating a metal foam disposed on an electrode assembly in the stacked secondary battery of FIG. 9.
  • FIG. 12 is an enlarged view of region 'A' of FIG. 10.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a stacked secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • the stacked rechargeable battery 100 may include exterior cases 110 and 120, an electrode assembly 130, a binding tape 140, and a conductive polymer film 150 that is a conductive member. .
  • the present invention is not limited thereto, and the lithium-ion secondary battery of another appearance, as well as a nickel-cadmium secondary battery and a nickel-hydrogen secondary battery It can be applied to other various kinds of secondary batteries.
  • the exterior cases 110 and 120 cover the open can 110 and the open side of the exterior can 110 having an interior space for accommodating the electrode assembly 130. It may be configured with an outer cap 120 to be coupled with.
  • the outer can 110 and the outer cap 120 may be made of a metal material, for example, stainless steel so as to itself serve as a negative terminal or a positive terminal.
  • the outer can 110 and the outer cap 120 may be electrically insulated by the gasket 115 made of an insulating synthetic resin, as shown in FIG. 1.
  • the gasket 115 made of an insulating synthetic resin
  • the exterior cases 110 and 120 may be injected with an electrolyte therein while the electrode assembly 130 is accommodated therein. Meanwhile, in the present exemplary embodiment, the exterior cases 110 and 120 have a flat coin shape, but the shapes of the exterior cases 110 and 120 may be appropriately changed.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of an electrode assembly in the stacked secondary battery of FIG. 1
  • FIG. 3 is a schematic plan view of the electrode assembly of FIG. 2
  • FIG. 4 is a schematic front view of the electrode assembly of FIG. 2.
  • the electrode assembly 130 has a plurality of first electrode plates 131, polarities opposite to the first electrode plates 131, and a first electrode with the separator 135 interposed therebetween.
  • a plurality of second electrode plates 132 stacked alternately with the plate 131 may be included. That is, the electrode assembly 130 may have a structure in which the first electrode plate 131, the separator 135, and the second electrode plate 132 are sequentially stacked.
  • the first electrode plate 131 will be described as being a positive electrode plate coated with a positive electrode active material, and the second electrode plate 132 is limited to a negative electrode plate coated with a negative electrode active material.
  • the first electrode plate 131 may be a negative electrode plate coated with a negative electrode active material
  • the second electrode plate 132 may be provided as a positive electrode plate coated with a positive electrode active material.
  • Cathode electrode plates 132 may be disposed on both of the outermost sides of the electrode assembly 130 (both ends in the stacking direction) as shown in FIG. 4. Alternatively, the cathode electrode plate 132 may be disposed on one of the outermost sides of the electrode assembly 130, and the cathode electrode plate 131 may be disposed on the other thereof.
  • the electrode assembly 130 is shown in a stacked structure in three stages using three cathode electrode plate 131 and four cathode electrode plate 132 for the sake of simplicity in the accompanying drawings, it is actually 10 In many cases, a single stacked stage is employed. However, the present invention is, of course, not limited to such a stacked stage.
  • the positive electrode plate 131 may be provided by coating or coating a positive electrode active material such as lithium cobalt oxide on both sides of a substantially circular aluminum thin plate.
  • the anode electrode plate 131 includes an anode protrusion 131a extending in one direction as shown in FIGS. 2 to 4, and these anode protrusions 131a are arranged in one state as shown in FIG. 1.
  • the inner bottom of the outer can 110 is electrically connected by ultrasonic welding or the like. Thus, the outer can 110 may serve as a positive terminal.
  • the cathode active material is not coated on the cathode protrusion 131a and is also exposed from the separator 135.
  • the cathode electrode plate 132 may be provided by coating or coating an anode active material such as graphite on both surfaces or one surface of a substantially circular copper thin plate.
  • the negative electrode plate 132 is coated on both sides of the negative electrode plate 132 except for the negative electrode plate 132 positioned at both outer and upper ends of the electrode assembly 130, that is, in FIG. 4.
  • the negative electrode active material is applied only to the bottom surface of the negative electrode plate 132 positioned at the top end of the electrode assembly 130, and the negative electrode plate 132 located at the bottom end side of the electrode assembly 130 only has the top surface thereof.
  • a negative electrode active material is apply
  • an insulating seal 160 is disposed between the lower surface of the cathode electrode plate 132 positioned at the lowermost side of the electrode assembly 130 and the inner bottom surface of the outer can 110 to expose the outer can ( 110 and the negative electrode plate 132 may be insulated from each other.
  • the insulating seal 160 may be provided in a tape structure made of polyethylene terephthalate (PET) or polyamide.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the negative electrode plate 132 includes a negative electrode protrusion 132a extending in a direction opposite to the positive electrode protrusion 131a, and the negative electrode protrusions 132a are illustrated in FIG. 1. As shown in the drawing, they are electrically connected by ultrasonic welding or the like in one state. At this time, the negative electrode active material is not applied to the negative electrode protrusion 132a and is also exposed from the separator 135.
  • the separator 135 may be disposed between the positive electrode plate 131 and the negative electrode plate 132 as shown in FIG. 4.
  • the separator 135 is a means for insulating between the positive electrode plate 131 and the negative electrode plate 132.
  • the separator 135 may be made of a porous microporous thin film made of polyethylene having excellent insulation properties to allow lithium ions to pass therethrough. Meanwhile, in the present exemplary embodiment, the separator 135 is simply disposed between the anode electrode plate 131 and the cathode electrode plate 132. However, the separator 135 covers both surfaces of the cathode electrode plate 131.
  • It may be provided as a positive electrode plate made of a so-called 'pocketing technology' that is adhesively fixed by an insulating polymer film (not shown) in the state.
  • a pocketing technique is disclosed in detail in Korean Patent Publication Nos. 10-0393484, 10-1048690, and the like.
  • the binding tape 140 may be attached to an edge or an edge of the electrode assembly 130 so that the stacked state of the electrode assembly 130 is not disturbed. That is, the binding tape 140 is a means for binding the electrode assembly 130 to prevent misalignment of the positive electrode plate 131, the separator 135, and the negative electrode plate 132 constituting the electrode assembly 130. can do.
  • the binding tape 140 may be made of polypropylene having excellent chemical resistance. Specifically, two binding tapes 140 are disposed at the edges of the electrode assembly 130 between the anode protrusion 131a and the cathode protrusion 132a, as shown in FIGS. 2 and 3, respectively.
  • the 131a and 132a may be bonded to the electrode assembly 130 while being wound around the outer circumference of the electrode assembly 130 in a direction perpendicular to the extending direction.
  • the binding tape 140 may be made of polypropylene having excellent chemical resistance.
  • the number and attachment positions of the binding tape 140 are not limited to those disclosed in the present embodiment and may be appropriately changed.
  • FIG. 5 is a schematic plan view illustrating a conductive polymer film disposed on an electrode assembly in the stacked secondary battery of FIG. 1, and FIG. 6 is an enlarged view of region 'A' of FIG. 1.
  • the conductive polymer film 150 is a conductive member and has a cathode electrode plate 132 positioned on the outermost side of the plurality of cathode electrode plates 132 (that is, the electrode assembly 130 of FIG. 4). It is disposed between the cathode electrode plate 132 and the outer cap 120 disposed at the uppermost end to electrically connect or connect the cathode electrode plate 132 and the outer cap 120. Thus, the outer cap 120 may serve as a negative terminal. As illustrated in FIG. 1, the conductive polymer film 150 is configured such that one surface (lower surface) contacts the cathode electrode plate 132 located at the outermost side and the other surface (upper surface) contacts the outer cap 120. Can be.
  • the conducting polymer film (150) is a film made of a conductive polymer that has a high conductivity despite being a polymer by doping an electron acceptor or electron donor to the polymer generally, doped with a representative conductive polymer Polyethylene, polypyrrole, polythiophene and the like.
  • the outer electrode 120 is configured such that the negative electrode plate 132 located at the outermost side of the electrode assembly 130 is in direct contact with the outer cap 120 so that the outer cap 120 serves as a negative electrode terminal.
  • the negative electrode plate 132 may not be in contact with the exterior cap 120 as a whole but partially spaced apart from each other.
  • the unstable contact between the negative electrode plate 132 and the outer cap 120 has a problem of lowering conductivity and consequently degrading the performance of the secondary battery.
  • the conductive polymer film 150 is configured to solve the problems of the prior art as described above, disposed between the cathode electrode plate 132 and the outer cap 120 located on the outermost side, and the cathode electrode plate 132 and By electrically connecting the outer cap 120, sufficient conductivity between the negative electrode plate 132 and the outer cap 120 may be stably secured, thereby improving the performance of the secondary battery.
  • the conductive polymer film 150 is the center of the negative electrode plate 132 so as not to overlap or overlap with the binding tape 140 attached to the edge of the electrode assembly 130 as shown in FIGS. 1 and 5. May be placed in the area. Accordingly, the conductive polymer film 150 may stably maintain contact with the cathode electrode plate 130 and the outer cap 120 positioned on the outermost side without being affected by the binding tape 140. In addition, in order to ensure more stable contact, the conductive polymer film 150 preferably has a thickness T1 greater than the thickness T0 of the binding tape 140 as shown in FIGS. 1 and 6, and at least It should have the same thickness as the thickness T0 of the tape 140. Meanwhile, although the conductive polymer film 150 is illustrated in a disc shape in FIG. 5, the present invention is not limited thereto, and the plate shape of the conductive polymer film 150 may be appropriately changed.
  • the conductive polymer film 150 may have a characteristic of a positive temperature coefficient (PTC). That is, the conductive polymer film 150 may be made of a polymer-based PTC device or a PCT polymer, which is recently used for overcurrent and overheating protection in various circuits.
  • the characteristic of the constant temperature coefficient (PTC) refers to a characteristic in which the electrical resistance increases rapidly with respect to the temperature rise when a specific temperature is reached.
  • the conductive polymer film 150 having the characteristic of the positive temperature coefficient (PTC) electrically connects the negative electrode plate 132 and the outer cap 120 as described above in the normal operating temperature range of the secondary battery 100.
  • the present invention can prevent the explosion risk due to overheating of the secondary battery 100, and as a result, it is possible to improve the safety of the secondary battery 100.
  • the negative electrode plate 132 is disposed on the outermost side (both ends in the stacking direction) of the electrode assembly 130, and the negative electrode plate 132 positioned on the outermost side (the uppermost side in FIG. 4) and
  • the present invention has been described with reference to the configuration in which the conductive polymer film 150 is disposed between the outer cap 120, the present invention is not limited thereto.
  • the anode electrode plate 131 may be disposed on the outermost side of the electrode assembly 130 and may be disposed.
  • the conductive polymer film 150 is disposed between the anode electrode plate 131 located at the outside and the exterior cap 120, or between the anode electrode plate 131 located at the outermost side and the exterior can 110. 150 may be disposed.
  • FIG. 7 and 8 are schematic cross-sectional view and a plan view for explaining a modification of the conductive polymer film in the stacked secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • the conductive polymer film 150A is different from the conductive polymer film 150 illustrated in FIGS. 1 and 5 disposed only in the center region of the cathode electrode plate 132.
  • the opening 151A may be formed at a position corresponding to the binding tape 140, as shown in FIG. 8 so as to be disposed in almost the entire area of the) and not overlap or overlap with the binding tape 140.
  • the conductive polymer film 150A having such a configuration is the same as the conductive polymer film 150 illustrated in FIGS. 1 and 5, while avoiding interference with the binding tape 140, the conductive polymer film 150A may have a negative electrode plate ( Since the area in contact with the 132 and the outer cap 120 can be increased, conductivity between the negative electrode plate 132 and the outer cap 120 can be further improved.
  • the shape of the opening 151A of the conductive polymer film 150A is not limited to the rectangular shape shown in FIG. 8 and may be appropriately changed.
  • FIGS. 9 through 12 a stacked rechargeable battery according to another exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 through 12 based on differences from the aforementioned exemplary embodiment.
  • FIG. 9 and 10 are schematic cross-sectional views for explaining the configuration of a stacked secondary battery according to another embodiment of the present invention
  • Figure 11 is a metal foam disposed on the electrode assembly in the stacked secondary battery of
  • Figure 9 12 is a schematic plan view illustrating an enlarged area 'A' of FIG. 10.
  • the stacked rechargeable battery 200 may include exterior cases 110 and 120, an electrode assembly 130, a binding tape 140, and a metal foam 250 as a conductive member.
  • the outer case 110, 120 is an outer cap coupled to the outer can 110 to cover the open side of the outer can 110 and the outer can 110 is formed an inner space for accommodating the electrode assembly 130 120.
  • the stacked rechargeable battery 200 according to the present exemplary embodiment may include an outer case in which the conductive polymer film 150 is replaced with the configured metal foam 250 in the stacked rechargeable battery 100 according to the above-described embodiment. Since the configurations of the 110, 120, the electrode assembly 130, and the binding tape 140 are substantially the same as those of the stacked secondary battery 100 according to the above-described embodiment, the same reference numerals are given to the same configurations. Will apply mutatis mutandis to the above-described embodiment.
  • the metal foam 250 is a conductive member disposed between the cathode electrode plate 132 positioned on the outermost side of the plurality of cathode electrode plates 132 and the exterior cap 120 to form a cathode electrode plate. 132 and the outer cap 120 may be electrically connected or connected. Thus, the outer cap 120 may serve as a negative terminal. As shown in FIGS. 9 and 10, the metal foam 250 is in contact with the cathode electrode plate 132 positioned at the outermost side thereof, and the other side thereof is in contact with the outer cap 120. It can be configured to.
  • the metal foam (150, Metal Foam) is a porous metal structure or a foamed metal structure made of a metal material such as aluminum, nickel, copper, brass, iron, and the like after exhaust treatment for vehicles / ships, industrial catalytic chemical process, industrial pad It is used for industrial filter, household filter and so on. Since the metal foam 250 is made of a metal material, the metal foam 250 has conductivity, and since the metal foam 250 has a porous structure including a plurality of pores, the metal foam 250 is compressed when external force is applied. For reference, in the present embodiment, a metal foam made of nickel, a so-called nickel foam (Ni Foam) is used, but the present invention is not limited thereto.
  • Ni Foam nickel foam
  • the cathode electrode plate 132 located at the outermost side of the electrode assembly 130 is configured to be in direct contact with the exterior cap 120 so that the exterior cap 120 serves as a cathode terminal.
  • the negative electrode plate 132 may not be in contact with the exterior cap 120 as a whole but partially spaced apart from each other.
  • the unstable contact between the negative electrode plate 132 and the outer cap 120 has a problem of lowering conductivity and consequently degrading the performance of the secondary battery.
  • the metal foam 250 is configured to solve the problems of the prior art as described above, disposed between the cathode electrode plate 132 and the outer cap 120 located on the outermost side, the cathode electrode plate 132 and the exterior By electrically connecting the cap 120, sufficient conductivity between the negative electrode plate 132 and the outer cap 120 may be stably secured, thereby improving the performance of the secondary battery.
  • the metal foam 250 may be compressed between the electrode assembly 130 and the outer cap 120 to reduce the thickness in whole or in part, since the metal foam 250 is a porous structure including a plurality of pores. It is possible.
  • the metal foam 250 has an initial thickness T2 as shown in FIG. 9 before the compression, while the metal foam 250 is larger than the thickness T2 before the compression in the compressed state between the electrode assembly 130 and the outer cap 120. It may have a small thickness (T2-1, T2-2) as shown in Figs. Accordingly, the metal foam 250 may be disposed without interference of the binding tape 140 attached to the edge of the electrode assembly 130, resulting in contact with the negative electrode plate 132 and the outer cap 120. Since the area to be maximized, the conductivity between the cathode electrode plate 132 and the outer cap 120 may be further improved.
  • the metal foam 250 is disposed on the outermost negative electrode plate 132 so as to cover the binding tape 140 attached to the edge of the electrode assembly 130 as shown in FIGS. 10 and 11. Can be.
  • the thickness T2 before the pressing of the metal foam 250 should be larger than the thickness T0 of the binding tape 140. If the thickness T2 before the metal foam 250 is smaller than the thickness T0 of the binding tape 140, the metal foam 250 and the cathode electrode plate () may not be overlapped with the binding tape 140. 132) the separation may occur.
  • the metal foam 250 may be compressed between the electrode assembly 130 and the outer cap 120 as described above, and thus, the negative electrode plate 132 or the outer cap ( It is possible to maintain a stable contact as a whole without separation with 132).
  • the metal foam 250 has a thickness T 2-2 of the portion where the thickness T 2-2 overlaps with the binding tape 140 and does not overlap with the binding tape 140. Can be smaller than 1). That is, the metal foam 250 may have a smaller thickness because the portion overlapping with the binding tape 140 is more compressed than the portion not overlapping with the binding tape 140.
  • FIG. 10 the metal foam 250 may have a thickness T 2-2 of the portion where the thickness T 2-2 overlaps with the binding tape 140 and does not overlap with the binding tape 140.
  • the metal foam 250 is preferably provided in a size and shape to cover all regions of the cathode electrode plate 132 except for the cathode protrusion 132a, which is the cathode electrode plate 132. And to maximize the area in contact with the outer cap 120 to further increase the conductivity between the negative electrode plate 132 and the outer cap 120.
  • the metal foam 250 is disposed in the central region of the cathode electrode plate 132 so as not to overlap with the binding tape 140 attached to the edge of the electrode assembly 130 differently from the embodiment disclosed herein, or the binding tape ( An opening may be formed at a position corresponding to the binding tape 140 so as not to overlap with the 140.
  • the shape of the metal foam 250 is also not limited to that shown in FIG. 11 and may be appropriately changed.
  • the cathode electrode plate 132 is disposed on the outermost side (both ends in the stacking direction) of the electrode assembly 130, and is disposed between the cathode electrode plate 132 positioned on the outermost side and the outer cap 120.
  • the present invention has been described with reference to the configuration in which the metal foam 250 is disposed, the present invention is not limited thereto.
  • the anode electrode plate 131 is disposed on the outermost side of the electrode assembly 130 and the anode electrode plate 131 is disposed on the outermost side.
  • the metal foam 250 may be disposed between the outer cap 120 or the outermost outermost electrode plate 131 and the outer can 110. have.
  • the present invention can be used in various types of secondary batteries such as nickel-cadmium secondary batteries, nickel-hydrogen secondary batteries, including lithium ion secondary batteries.

Abstract

적층형 이차전지가 개시된다. 본 발명의 적층형 이차전지는, 복수 개의 제1 전극판과, 상기 제1 전극판과 반대되는 극성을 가지며 분리막을 사이에 두고 상기 제1 전극판과 교대로 적층되는 복수 개의 제2 전극판을 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 내부 공간이 형성되는 외장 캔; 상기 외장 캔의 개방된 측을 덮도록 상기 외장 캔과 결합하는 외장 캡; 및 상기 복수 개의 제2 전극판 중 최외측에 위치한 제2 전극판과 상기 외장 캡 사이에 배치되어 상기 제2 전극판과 상기 외장 캡을 전기적으로 연결하거나, 상기 최외측에 위치한 제2 전극판과 상기 외장 캔 사이에 배치되어 상기 제2 전극판과 상기 외장 캔을 전기적으로 연결하는 전도성 고분자 필름을 포함한다.

Description

적층형 이차전지
본 발명은, 적층형 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 외장 케이스가 단자 역할을 하도록 전극 조립체의 전극판과 외장 케이스를 전기적으로 연결하는 구조에 관한 것이다.
이차전지(Secondary Battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 휴대용 전화기나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 전지 셀이 다수개 연결된 전지 팩 단위의 대용량 전지의 경우 하이브리드 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
이러한 이차전지는 리튬이온 이차전지, 니켈-카드뮴 이차전지, 니켈-수소 이차전지, 리튬폴리머 이차전지 등을 포함하며, 최근 각광을 받고 있는 슈퍼 커패시터(Super Capacitor) 또한 이차전지의 일종이라 볼 수 있다. 또한, 이차전지 그 외관 형상에 따라 코인형 이차전지, 각형 이차전지 등으로 구분될 수 있다.
통상적으로, 이차전지는 양극 전극판과 음극 전극판이 분리막을 사이에 두고 교대로 적층되는 전극 조립체와, 전극 조립체를 수용하기 위한 내부공간이 형성되는 금속 재질의 외장 케이스를 포함할 수 있다. 또한, 이차전지는 전극 조립체의 적층된 상태가 흐트러지지 않도록, 즉 전극 조립체를 구성하는 양극 전극판, 분리막, 음극 전극판의 정렬 상태가 어긋나지 않도록, 전극 조립체의 가장자리 혹은 테두리에 부착되는 접착성의 결속 테이프를 더 포함할 수 있다.
한편, 전극 조립체의 최외측에 위치한 음극 전극판 또는 양극 전극판은 외장 케이스(외장 캡 또는 외장 캔)과 직접 접촉하여 외장 캡 또는 외장 캔이 음극 단자 또는 양극 단자의 역할을 하도록 구성될 수 있다.
그런데, 위와 같이 외장 케이스가 단자 역할을 하도록 전극 조립체의 최외측에 위치한 전극판(음극 전극판 또는 양극 전극판)을 외장 케이스(외장 캡 또는 외장 캔)과 직접 접촉하도록 구성하는 경우, 소정의 두께를 갖는 결속 테이프의 간섭으로 인해 전극판이 외장 케이스와 전체적으로 접촉하지 못하고 부분적으로 이격되는 현상이 발생하고 이러한 전극판과 외장 케이스 사이의 불안정한 접촉은 전도성을 떨어뜨려 결과적으로 이차전지의 성능을 저하시키는 문제점이 있었다. 그리고 이러한 문제점은 결속 테이프가 아니더라도 전극 조립체의 최외측에 위치한 전극판과 외장 케이스 사이에 다른 어떠한 부품이 존재하는 경우에도 발생할 수 있다.
본 발명의 목적은, 양극 전극판과 음극 전극판이 분리막을 사이에 두고 교대로 적층되는 전극 조립체를 포함한 적층형 이차전지에 있어서, 전극판과 외장 케이스 사이의 충분한 전도성을 안정적으로 확보하여 이차전지의 성능을 향상시킬 수 있는 적층형 이차전지를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 복수 개의 제1 전극판과, 상기 제1 전극판과 반대되는 극성을 가지며 분리막을 사이에 두고 상기 제1 전극판과 교대로 적층되는 복수 개의 제2 전극판을 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 내부 공간이 형성되는 외장 캔; 상기 외장 캔의 개방된 측을 덮도록 상기 외장 캔과 결합하는 외장 캡; 및 상기 복수 개의 제2 전극판 중 최외측에 위치한 제2 전극판과 상기 외장 캡 사이에 배치되어 상기 제2 전극판과 상기 외장 캡을 전기적으로 연결하거나, 상기 최외측에 위치한 제2 전극판과 상기 외장 캔 사이에 배치되어 상기 제2 전극판과 상기 외장 캔을 전기적으로 연결하는 전도성 고분자 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 이차전지에 의해 달성될 수 있다.
상기 전도성 고분자 필름은, 특정 온도에 도달하면 온도 상승에 대하여 전기 저항값이 급격히 증가하는 정온도계수(PTC, Positive Temperature Coefficient)의 특성을 가질 수 있다.
상기 적층형 이차전지는, 상기 전극 조립체의 적층된 상태가 흐트러지지 않도록 상기 전극 조립체의 가장자리에 부착되는 결속 테이프를 더 포함할 수 있다.
상기 전도성 고분자 필름은, 상기 결속 테이프와 중첩되지 않도록 상기 최외측에 위치한 제2 전극판의 중앙 영역에 배치될 수 있다.
상기 전도성 고분자 필름은, 상기 결속 테이프와 중첩되지 않도록 상기 결속 테이프와 대응하는 위치에 개구가 형성될 수 있다.
상기 전도성 고분자 필름은, 상기 결속 테이프의 두께와 동일하거나 상기 결속 테이프의 두께보다 큰 두께를 가질 수 있다.
상기 전도성 고분자 필름은, 일면이 상기 최외측에 위치한 제2 전극판과 접촉하고, 타면이 상기 외장 캡 또는 상기 외장 캔과 접촉할 수 있다.
상기 제1 전극판은 양극 활물질이 도포된 양극 전극판이고, 상기 제2 전극판은 음극 활물질이 도포된 음극 전극판일 수 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 복수 개의 제1 전극판과, 상기 제1 전극판과 반대되는 극성을 가지며 분리막을 사이에 두고 상기 제1 전극판과 교대로 적층되는 복수 개의 제2 전극판을 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 내부 공간이 형성되는 외장 캔; 상기 외장 캔의 개방된 측을 덮도록 상기 외장 캔과 결합하는 외장 캡; 및 상기 복수 개의 제2 전극판 중 최외측에 위치한 제2 전극판과 상기 외장 캡 사이에 배치되어 상기 제2 전극판과 상기 외장 캡을 전기적으로 연결하거나, 상기 최외측에 위치한 제2 전극판과 상기 외장 캔 사이에 배치되어 상기 제2 전극판과 상기 외장 캔을 전기적으로 연결하되, 압축성을 갖는 메탈 폼(Metal Foam)을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 이차전지에 의해 달성될 수 있다.
상기 메탈 폼은, 상기 전극 조립체와 상기 외장 캡 사이에서 압착되어 전체적으로 또는 부분적으로 두께가 줄어들거나, 상기 전극 조립체와 상기 외장 캔 사이에서 압착되어 전체적으로 또는 부분적으로 두께가 줄어들 수 있다.
상기 적층형 이차전지는, 상기 전극 조립체의 적층된 상태가 흐트러지지 않도록 상기 전극 조립체의 가장자리에 부착되는 결속 테이프를 더 포함할 수 있다.
상기 메탈 폼은, 상기 결속 테이프를 덮도록 상기 최외측에 위치한 제2 전극판 상에 배치될 수 있다.
상기 메탈 폼은, 상기 결속 테이프와 중첩되는 부분이 상기 결속 테이프와 중첩되지 않은 부분에 비해 더 압착되어 더 작은 두께를 가질 수 있다.
상기 메탈 폼은, 압착 전의 두께가 상기 결속 테이프의 두께보다 클 수 있다.
상기 메탈 폼은, 일면이 상기 최외측에 위치한 제2 전극판과 접촉하고, 타면이 상기 외장 캡 또는 상기 외장 캔과 접촉할 수 있다.
상기 제1 전극판은 양극 활물질이 도포된 양극 전극판이고, 상기 제2 전극판은 음극 활물질이 도포된 음극 전극판일 수 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 복수 개의 제1 전극판과, 상기 제1 전극판과 반대되는 극성을 가지며 분리막을 사이에 두고 상기 제1 전극판과 교대로 적층되는 복수 개의 제2 전극판을 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 내부 공간이 형성되는 외장 캔; 상기 외장 캔의 개방된 측을 덮도록 상기 외장 캔과 결합하는 외장 캡; 및 상기 복수 개의 제2 전극판 중 최외측에 위치한 제2 전극판과 상기 외장 캡 사이에 배치되어 상기 제2 전극판과 상기 외장 캡을 전기적으로 연결하거나, 상기 최외측에 위치한 제2 전극판과 상기 외장 캔 사이에 배치되어 상기 제2 전극판과 상기 외장 캔을 전기적으로 연결하는 전도성 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 이차전지에 의해 달성될 수 있다.
본 발명은 양극 전극판과 음극 전극판이 분리막을 사이에 두고 교대로 적층되는 전극 조립체를 포함한 적층형 이차전지에 있어서, 전극 조립체의 최외측에 위치한 전극판과 외장 케이스 사이에 전도성 고분자 필름을 배치하고 전도성 고분자 필름을 통해 전극판과 외장 케이스를 전기적으로 연결함으로써, 전극 조립체의 최외측에 위치한 전극판과 외장 케이스 사이에 다른 부품(예컨대, 결속 테이프)이 존재하더라도 전극판과 외장 케이스 사이의 충분한 전도성을 안정적으로 확보하여 궁극적으로 이차전지의 성능을 향상시킬 수 있다. 이때, 본 발명은 정온도계수(PTC, Positive Temperature Coefficient)의 특성을 갖는 전도성 고분자 필름을 적용함으로써, 이차전지가 어떠한 이유로 과열되어 온도가 정상적인 온도 범위를 넘어서는 경우에는 전도성 고분자 필름의 전기적 저항값이 급격히 증가하여 전극판과 외장 케이스를 전기적으로 차단할 수 있으므로, 이차전지의 과열에 의한 폭발 위험 등을 방지하여 궁극적으로 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 양극 전극판과 음극 전극판이 분리막을 사이에 두고 교대로 적층되는 전극 조립체를 포함한 적층형 이차전지에 있어서, 전극 조립체의 최외측에 위치한 전극판과 외장 케이스 사이에 메탈 폼을 배치하고 메탈 폼을 통해 전극판과 외장 케이스를 전기적으로 연결함으로써, 전극 조립체의 최외측에 위치한 전극판과 외장 케이스 사이에 다른 부품(예컨대, 결속 테이프)이 존재하더라도 전극판과 외장 케이스 사이의 충분한 전도성을 안정적으로 확보하여 궁극적으로 이차전지의 성능을 향상시킬 수 있다. 이때, 본 발명은 메탈 폼이 전극 조립체와 외장 케이스 사이에서 압착 가능한 구조이기 때문에, 전극 조립체의 최외측에 위치한 전극판과 외장 케이스 사이에 존재하는 다른 부품(예컨대, 결속 테이프)의 간섭을 받지 않고 배치될 수 있고, 그 결과 전극판 및 외장 케이스와 접촉되는 면적을 최대화하여 전극판과 외장 케이스 사이의 전도성을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 이차전지의 구성을 설명하기 위한 개략적인 단면 구성도이다.
도 2는 도 1의 적층형 이차전지에서 전극 조립체의 개략적인 사시도이다.
도 3은 도 2의 전극 조립체의 개략적인 평면도이다.
도 4는 도 2의 전극 조립체의 개략적인 정면도이다.
도 5는 도 1의 적층형 이차전지에서 전극 조립체 위에 배치된 전도성 고분자 필름을 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 6은 도 1의 'A' 영역을 확대한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 이차전지에서 전도성 고분자 필름의 변형 예를 설명하기 위한 개략적인 단면 구성도 및 평면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층형 이차전지의 구성을 설명하기 위한 개략적인 단면 구성도들이다.
도 11은 도 9의 적층형 이차전지에서 전극 조립체 위에 배치된 메탈 폼을 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 12는 도 10의 'A' 영역을 확대한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 이차전지의 구성을 설명하기 위한 개략적인 단면 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 적층형 이차전지(100)는 외장 케이스(110,120), 전극 조립체(130), 결속 테이프(140) 및 전도성 부재인 전도성 고분자 필름(150)을 포함할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 코인 형상의 리튬이온 이차전지의 일 예를 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 다른 외관 형상의 리튬이온 이차전지는 물론, 니켈-카드뮴 이차전지, 니켈-수소 이차전지 등의 다른 다양한 종류의 이차전지에 적용될 수 있다.
외장 케이스(110,120)는 도 1에 도시된 바와 같이 전극 조립체(130)를 수용하기 위한 내부 공간이 형성되는 외장 캔(110)과 외장 캔(110)의 개방된 측을 덮도록 외장 캔(110)과 결합하는 외장 캡(120)으로 구성될 수 있다. 이때, 외장 캔(110)과 외장 캡(120)은 그 자체가 음극 단자 혹은 양극 단자 역할을 할 수 있도록 금속 재질, 예컨대 스테인리스강 등으로 제작될 수 있다. 외장 캔(110)과 외장 캡(120)은 도 1에 도시된 바와 같이 절연성 합성 수지로 이루어진 개스킷(115)에 의해 전기적으로 절연될 수 있다. 외장 캔(110)과 외장 캡(120)의 결합에 있어서, 크림핑 혹은 코킹 가공을 사용하여 밀봉된 외장 케이스(110,120)를 제공할 수 있다. 이러한 외장 케이스(110,120)는 전극 조립체(130)가 수용된 상태에서 그 내부에 전해액이 주입될 수 있다. 한편, 본 실시예에서 외장 케이스(110,120)는 편평한 코인 형상을 개시되고 있지만, 외장 케이스(110,120)의 형상은 적절히 변경될 수 있다.
도 2는 도 1의 적층형 이차전지에서 전극 조립체의 개략적인 사시도이고, 도 3은 도 2의 전극 조립체의 개략적인 평면도이며, 도 4는 도 2의 전극 조립체의 개략적인 정면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 전극 조립체(130)는 복수 개의 제1 전극판(131)과, 제1 전극판(131)과 반대되는 극성을 가지며 분리막(135)을 사이에 두고 제1 전극판(131)과 교대로 적층되는 복수 개의 제2 전극판(132)을 포함할 수 있다. 즉, 전극 조립체(130)는 제1 전극판(131), 분리막(135) 및 제2 전극판(132)이 순차적으로 적층되는 구조를 가질 수 있다. 이하에서는, 제1 전극판(131)은 양극 활물질이 도포된 양극 전극판으로, 제2 전극판(132)은 음극 활물질이 도포된 음극 전극판으로 한정하여 설명하기로 한다. 이와 다르게, 본 발명에서 제1 전극판(131)은 음극 활물질이 도포된 음극 전극판으로, 제2 전극판(132)은 양극 활물질이 도포된 양극 전극판으로 제공될 수도 있다.
전극 조립체(130)의 최외측 모두(적층 방향에서의 양쪽 끝)에는 도 4에 도시된 바와 같이 음극 전극판(132)이 배치될 수 있다. 이와 다르게, 전극 조립체(130)의 최외측 중 하나에는 음극 전극판(132)이 배치되고 다른 하나에는 양극 전극판(131)이 배치될 수도 있다.
한편, 전극 조립체(130)는 첨부된 도면들에서 간략화를 위해 3개의 양극 전극판(131)과 4개의 음극 전극판(132)을 사용하여 3단으로 적층된 구조로 도시되어 있으나, 실제로는 10단 정도의 적층 단수를 채용하는 경우가 많다. 다만, 본 발명은 이러한 적층 단수에 한정되지 않는 것은 물론이다.
양극 전극판(131)은 대략 원형의 알루미늄 박판의 양면에 코발트산 리튬 등의 양극 활물질을 도포 혹은 코팅하여 마련될 수 있다. 양극 전극판(131)은 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 일 방향으로 연장되는 양극 돌출부(131a)를 포함하는데, 이러한 양극 돌출부(131a)들은 도 1에 도시된 바와 같이 하나로 정리된 상태에서 외장 캔(110)의 내저면에 초음파 용접 등으로 전기적으로 접속되어 있다. 이에, 외장 캔(110)은 양극 단자의 역할을 할 수 있다. 이때, 양극 돌출부(131a)에는 양극 활물질이 도포되지 않으며, 분리막(135)으로부터도 노출되어 있다.
음극 전극판(132)은 양극 전극판(131)과 마찬가지로 대략 원형의 구리 박판의 양면 또는 일면에 흑연 등의 음극 활물질을 도포 혹은 코팅하여 마련될 수 있다. 구체적으로, 음극 전극판(132)은 전극 조립체(130)의 최외측, 즉 도 4에서 상하 양쪽 끝에 위치하는 음극 전극판(132)을 제외하고는 그 양면에 음극 활물질이 도포되어 있다. 그리고, 전극 조립체(130)의 최상단측에 위치하는 음극 전극판(132)은 그 하면에만 음극 활물질이 도포되고, 전극 조립체(130)의 최하단측에 위치하는 음극 전극판(132)은 그 상면에만 음극 활물질이 도포되어 있다. 이때, 전극 조립체(130)의 최하단측에 위치하는 음극 전극판(132)의 하면과 외장 캔(110)의 내저면 사이에는 도 1에 도시된 바와 같이 절연 시일(160)이 배치되어 외장 캔(110)과 음극 전극판(132)은 서로 절연될 수 있다. 이때, 절연 시일(160)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethylene terephthalate)나 폴리아미드(polyamide) 등으로 제작된 테이프 구조로 제공될 수 있다. 한편, 음극 전극판(132)은 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 양극 돌출부(131a)와 반대되는 방향으로 연장되는 음극 돌출부(132a)를 포함하는데, 이러한 음극 돌출부(132a)들은 도 1에 도시된 바와 같이 하나로 정리된 상태에서 초음파 용접 등으로 전기적으로 접속되어 있다. 이때, 음극 돌출부(132a)에는 음극 활물질이 도포되지 않으며, 분리막(135)으로부터도 노출되어 있다.
분리막(135, separator)은 도 4에 도시된 바와 같이 양극 전극판(131)과 음극 전극판(132) 사이에 배치될 수 있다. 분리막(135)은 양극 전극판(131)과 음극 전극판(132) 사이를 절연시키는 수단으로, 통상 절연성이 우수한 폴리에틸렌제의 미세한 다공성 박막 등으로 이루어져 리튬 이온이 투과 가능하도록 구성될 수 있다. 한편, 본 실시예에서는 분리막(135)이 양극 전극판(131)과 음극 전극판(132) 사이에 단순히 배치되는 구조이지만, 이와 다르게 분리막(135)이 양극 전극판(131)의 양면을 피복한 상태에서 절연성 고분자 필름(미도시) 등에 의해 접착 고정되는 이른바 '포켓팅 기술'으로 제작된 양극 전극판으로 제공될 수도 있다. 참고로, 이러한 포켓팅 기술은 등록특허공보 제10-0393484호, 등록특허공보 제10-1048690호 등에 자세히 개시되어 있다.
결속 테이프(140)는 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 전극 조립체(130)의 적층된 상태가 흐트러지지 않도록 전극 조립체(130)의 가장자리 혹은 테두리에 부착될 수 있다. 즉, 결속 테이프(140)는 전극 조립체(130)를 구성하는 양극 전극판(131), 분리막(135), 음극 전극판(132)의 정렬 상태가 어긋나지 않도록 전극 조립체(130)를 결속하는 수단이라 할 수 있다. 결속 테이프(140)는 내약품성이 우수한 폴리프로필렌(polypropylene) 등으로 제작될 수 있다. 구체적으로, 결속 테이프(140)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 양극 돌출부(131a)와 음극 돌출부(132a) 사이에서 전극 조립체(130)의 가장자리에 2개가 배치되어 각각 양극/음극 돌출부(131a,132a)가 연장되는 방향과 직교하는 방향으로 전극 조립체(130)의 바깥 둘레에 감긴 상태로 전극 조립체(130)에 접착될 수 있다. 이때, 결속 테이프(140)는 내약품성이 우수한 폴리프로필렌(polypropylene) 등으로 제작될 수 있다. 다만, 본 발명에서 결속 테이프(140)의 개수 및 부착 위치 등은 본 실시예에서 개시된 것에 한정되지 아니하고 적절히 변경될 수 있음은 물론이다.
도 5는 도 1의 적층형 이차전지에서 전극 조립체 위에 배치된 전도성 고분자 필름을 설명하기 위한 개략적인 평면도이며, 도 6은 도 1의 'A' 영역을 확대한 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 전도성 고분자 필름(150)은 전도성 부재로서 복수 개의 음극 전극판(132) 중 최외측에 위치한 음극 전극판(132)(즉, 도 4에서 전극 조립체(130)의 최상단에 위치한 음극 전극판(132))과 외장 캡(120) 사이에 배치되어 음극 전극판(132)과 외장 캡(120)을 전기적으로 연결 혹은 접속할 수 있다. 이에, 외장 캡(120)은 음극 단자의 역할을 할 수 있다. 전도성 고분자 필름(150)은 도 1에 도시된 바와 같이 그 일면(하면)이 상기 최외측에 위치한 음극 전극판(132)과 접촉하고, 그 타면(상면)이 외장 캡(120)과 접촉하도록 구성될 수 있다.
여기서, 전도성 고분자 필름(150, conducting polymer film)은 일반적으로 전자 수용체 또는 전자 공여체를 고분자에 도프함으로써 고분자임에 불구하고 높은 전도율을 갖게 된 전도성 고분자로 제작된 필름으로, 대표적인 전도성 고분자로는 도프된 폴리에틸렌, 폴리피롤, 폴리티오펜 등이 있다.
종래에는 외장 캡(120)이 음극 단자의 역할을 하도록 전극 조립체(130)의 최외측에 위치한 음극 전극판(132)이 외장 캡(120)과 직접 접촉하도록 구성하였지만, 이러한 경우 도 4에 도시된 바와 같이 소정의 두께(T0)를 갖는 결속 테이프(140)의 간섭에 의해 음극 전극판(132)이 외장 캡(120)과 전체적으로 접촉하지 못하고 부분적으로 이격되는 현상이 있었다. 이러한 음극 전극판(132)과 외장 캡(120) 사이의 불안정한 접촉은 전도성을 떨어뜨려 결과적으로 이차전지의 성능을 저하시키는 문제점이 있었다.
본 발명에서 전도성 고분자 필름(150)은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 구성으로, 최외측에 위치한 음극 전극판(132)과 외장 캡(120) 사이에 배치되어 음극 전극판(132)과 외장 캡(120)을 전기적으로 연결함으로써, 음극 전극판(132)과 외장 캡(120) 사이에 충분한 전도성을 안정적으로 확보할 수 있고, 이에 따라 이차전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 전도성 고분자 필름(150)은 도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이 전극 조립체(130)의 가장자리에 부착된 결속 테이프(140)와 중첩되지 혹은 겹쳐지지 않도록 음극 전극판(132)의 중앙 영역에 배치될 수 있다. 이에 따라, 전도성 고분자 필름(150)은 결속 테이프(140)의 간섭을 받지 않고 최외측에 위치한 음극 전극판(130) 및 외장 캡(120)과의 접촉을 안정적으로 유지할 수 있다. 또한, 더 안정적인 접촉을 확보하기 위해서 전도성 고분자 필름(150)은 도 1 및 도 6에 도시된 바와 같이 결속 테이프(140)의 두께(T0)보다 큰 두께(T1)를 갖는 것이 바람직하며, 적어도 결속 테이프(140)의 두께(T0)와 동일한 두께를 가져야 할 것이다. 한편, 도 5에는 전도성 고분자 필름(150)이 원판 형상으로 도시되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 전도성 고분자 필름(150)의 판면 형상은 적절히 변경될 수 있다.
한편, 전도성 고분자 필름(150)은 정온도계수(PTC, Positive Temperature Coefficient)의 특성을 가질 수 있다. 즉, 전도성 고분자 필름(150)은 최근 다양한 회로에서 과전류, 과열 보호의 용도로 사용되고 있는 폴리머계 PTC 소자 혹은 PCT 폴리머로 제작될 수 있다. 여기서, 정온도계수(PTC)의 특성이란 특정 온도에 도달하면 온도 상승에 대하여 전기 저항값이 급격히 증가하는 특성을 말한다. 이처럼, 정온도계수(PTC)의 특성을 갖는 전도성 고분자 필름(150)은 이차전지(100)의 정상적인 작동 온도 범위에서는 전술한 바와 같이 음극 전극판(132)과 외장 캡(120)을 전기적으로 연결하여 안정성인 전도성을 확보하는 한편, 이차전지(100)가 어떠한 이유로 과열되어 온도가 정상적인 온도 범위를 넘어서는 경우에는 전기적 저항값이 급격히 증가하여 음극 전극판(132)과 외장 캡(120)를 전기적으로 차단할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 이차전지(100)의 과열에 의한 폭발 위험 등을 방지하여 결과적으로 이차전지(100)의 안전성을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 전극 조립체(130)의 최외측(적층 방향에서의 양쪽 끝)에 음극 전극판(132)이 배치되고 최외측(도 4에서 최상단측)에 위치한 음극 전극판(132)과 외장 캡(120) 사이에 전도성 고분자 필름(150)이 배치되는 구성에 한정하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 예컨대 전극 조립체(130)의 최외측에 양극 전극판(131)이 배치되고 최외측에 위치한 양극 전극판(131)과 외장 캡(120) 사이에 전도성 고분자 필름(150)이 배치되거나, 다른 최외측에 위치한 양극 전극판(131)과 외장 캔(110) 사이에 전도성 고분자 필름(150)이 배치되는 구성을 포함할 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 이차전지에서 전도성 고분자 필름의 변형 예를 설명하기 위한 개략적인 단면 구성도 및 평면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 전도성 고분자 필름(150A)은 음극 전극판(132)의 중앙 영역에만 배치되는 도 1 및 도 5에 도시된 전도성 고분자 필름(150)과 다르게, 음극 전극판(132)의 거의 전체 영역에 배치되되, 결속 테이프(140)와 중첩되지 혹은 겹쳐지지 않도록 도 8에 도시된 바와 같이 결속 테이프(140)와 대응하는 위치에 개구(151A)가 형성될 수 있다.
이러한 구성을 갖는 전도성 고분자 필름(150A)은 도 1 및 도 5에 도시된 전도성 고분자 필름(150)과 마찬가지로 결속 테이프(140)와의 간섭을 피하면서도 전술한 전도성 고분자 필름(150)보다 음극 전극판(132) 및 외장 캡(120)과 접촉되는 면적을 크게 할 수 있으므로, 음극 전극판(132)과 외장 캡(120) 사이의 전도성을 더욱 향상시킬 수 있다. 한편, 전도성 고분자 필름(150A)의 개구(151A) 형상은 도 8에 개시된 사각 형상에 한정되지 아니하고 적절히 변경될 수 있음은 물론이다.
이하, 도 9 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층형 이차전지를 전술한 실시예와 상이한 점을 중심으로 설명한다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층형 이차전지의 구성을 설명하기 위한 개략적인 단면 구성도들이고, 도 11은 도 9의 적층형 이차전지에서 전극 조립체 위에 배치된 메탈 폼을 설명하기 위한 개략적인 평면도이며, 도 12는 도 10의 'A' 영역을 확대한 도면이다.
도 9 내지 도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 적층형 이차전지(200)는 외장 케이스(110,120), 전극 조립체(130), 결속 테이프(140) 및 전도성 부재인 메탈 폼(250)을 포함할 수 있다. 이때, 외장 케이스(110,120)는 전극 조립체(130)를 수용하기 위한 내부 공간이 형성되는 외장 캔(110)과 외장 캔(110)의 개방된 측을 덮도록 외장 캔(110)과 결합하는 외장 캡(120)으로 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 적층형 이차전지(200)는 전술한 실시예에 따른 적층형 이차전지(100)에서 전도성 고분자 필름(150)의 구성이 메탈 폼(250)의 구성으로 대체되는 것을 제외하고, 외장 케이스(110,120), 전극 조립체(130) 및 결속 테이프(140)의 구성은 전술한 실시예에 따른 적층형 이차전지(100)와 실질적으로 동일하므로, 그 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였으며 그에 대한 설명은 전술한 실시예를 준용하기로 한다.
도 9 내지 도 12를 참조하면, 메탈 폼(250)은 전도성 부재로서 복수 개의 음극 전극판(132) 중 최외측에 위치한 음극 전극판(132)과 외장 캡(120) 사이에 배치되어 음극 전극판(132)과 외장 캡(120)을 전기적으로 연결 혹은 접속할 수 있다. 이에, 외장 캡(120)은 음극 단자의 역할을 할 수 있다. 메탈 폼(250)은 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 그 일면(하면)이 상기 최외측에 위치한 음극 전극판(132)과 접촉하고, 그 타면(상면)이 외장 캡(120)과 접촉하도록 구성될 수 있다.
여기서, 메탈 폼(150, Metal Foam)은 다공성 금속 구조체 혹은 발포성 금속 구조체로 알루미늄, 니켈, 구리, 황동, 철 등의 금속 재질로 제작되며, 차량/선박용 배기 후처리, 산업용 촉매 화학 공정, 산업용 패드, 산업용 필터, 가정용 필터 등에 사용되고 있다. 이러한 메탈 폼(250)은 금속 재질로 이루어지기 때문에 전도성을 가지며, 다수의 기공을 포함하는 다공성 구조이기 때문에 외력이 가해지면 압착되는 압축성을 갖는다. 참고로, 본 실시예에서는 니켈로 제작된 메탈 폼, 이른바 니켈 폼(Ni Foam)이 사용되고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다.
종래에는 외장 캡(120)이 음극 단자의 역할을 하도록 전극 조립체(130)의 최외측에 위치한 음극 전극판(132)이 외장 캡(120)과 직접 접촉하도록 구성하였지만, 이러한 경우 도 12에 도시된 바와 같이 소정의 두께(T0)를 갖는 결속 테이프(140)의 간섭에 의해 음극 전극판(132)이 외장 캡(120)과 전체적으로 접촉하지 못하고 부분적으로 이격되는 현상이 있었다. 이러한 음극 전극판(132)과 외장 캡(120) 사이의 불안정한 접촉은 전도성을 떨어뜨려 결과적으로 이차전지의 성능을 저하시키는 문제점이 있었다.
본 발명에서 메탈 폼(250)은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 구성으로, 최외측에 위치한 음극 전극판(132)과 외장 캡(120) 사이에 배치되어 음극 전극판(132)과 외장 캡(120)을 전기적으로 연결함으로써, 음극 전극판(132)과 외장 캡(120) 사이에 충분한 전도성을 안정적으로 확보할 수 있고, 이에 따라 이차전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
특히, 메탈 폼(250)은 전극 조립체(130)와 외장 캡(120) 사이에서 압착되어 전체적으로 또는 부분적으로 두께가 줄어들 수 있는데, 이는 메탈 폼(250)이 다수의 기공을 포함하는 다공성 구조이기 때문에 가능한 것이다. 예컨대, 메탈 폼(250)은 압착 전에는 도 9에 도시된 바와 같은 최초 두께(T2)를 갖는 반면, 전극 조립체(130)와 외장 캡(120) 사이에서 압착된 상태에서는 압착 전의 두께(T2)보다 작은 도 10 및 도 12에 도시된 바와 같은 두께(T2-1,T2-2)를 가질 수 있다. 이에 따라, 메탈 폼(250)은 전극 조립체(130)의 가장자리에 부착된 결속 테이프(140)의 간섭을 받지 않고 배치될 수 있고, 그 결과 음극 전극판(132) 및 외장 캡(120)과 접촉되는 면적을 최대화할 수 있으므로, 음극 전극판(132)과 외장 캡(120) 사이의 전도성을 더욱 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 메탈 폼(250)은 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 전극 조립체(130)의 가장자리에 부착된 결속 테이프(140)를 덥도록 최외측에 위치한 음극 전극판(132) 상에 배치될 수 있다. 이때, 메탈 폼(250)의 압착 전의 두께(T2)는 결속 테이프(140)의 두께(T0)보다 커야할 것이다. 왜냐하면, 메탈 폼(250)의 압착 전의 두께(T2)가 결속 테이프(140)의 두께(T0)보다 작은 경우에는 결속 테이프(140)와 중첩되지 않는 부분에서 메탈 폼(250)과 음극 전극판(132) 사이에 이격이 발생할 수 있기 때문이다.
이처럼, 메탈 폼(250)은 결속 테이프(140)를 덮도록 배치되더라도 전술한 바와 같이 전극 조립체(130)와 외장 캡(120) 사이에서 압착될 수 있으므로, 음극 전극판(132) 또는 외장 캡(132)과의 이격이 발생하지 않고 전체적으로 안정적인 접촉을 유지할 수 있다. 이때, 메탈 폼(250)은 도 10 및 도 12에 도시된 바와 같이 결속 테이프(140)과 중첩되는 부분의 두께(T2-2)가 결속 테이프(140)와 중첩되지 않는 부분의 두께(T2-1)보다 작아질 수 있다. 즉, 메탈 폼(250)은 결속 테이프(140)와 중첩되는 부분이 결속 테이프(140)와 중첩되지 않는 부분에 비해 더 압착되어 더 작은 두께를 가질 수 있다. 더 나아가, 메탈 폼(250)은 도 11에 도시된 바와 같이 음극 전극판(132)에서 음극 돌출부(132a)를 제외한 모든 영역을 덮는 크기 및 형상으로 마련되는 것이 바람직한데, 이는 음극 전극판(132) 및 외장 캡(120)과 접촉되는 면적을 최대화하여 음극 전극판(132)과 외장 캡(120) 사이의 전도성을 더욱 증가시키기 위함이다.
다만, 메탈 폼(250)은 본 실시예에서 개시된 것과 다르게 전극 조립체(130)의 가장자리에 부착된 결속 테이프(140)와 중첩되지 않도록 음극 전극판(132)의 중앙 영역에 배치되거나, 결속 테이프(140)와 중첩되지 않도록 결속 테이프(140)와 대응하는 위치에 개구가 형성될 수도 있다. 또한, 메탈 폼(250)의 형상 또한 도 11에 도시된 것에 한정되지 아니하고 적절히 변경될 수 있음은 물론이다.
한편, 본 실시예에서는 전극 조립체(130)의 최외측(적층 방향에서의 양쪽 끝)에 음극 전극판(132)이 배치되고 최외측에 위치한 음극 전극판(132)과 외장 캡(120) 사이에 메탈 폼(250)이 배치되는 구성에 한정하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 예컨대 전극 조립체(130)의 최외측에 양극 전극판(131)이 배치되고 최외측에 위치한 양극 전극판(131)과 외장 캡(120) 사이에 메탈 폼(250)이 배치되거나, 다른 최외측에 위치한 양극 전극판(131)과 외장 캔(110) 사이에 메탈 폼(250)이 배치되는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
본 발명은 리튬이온 이차전지를 포함하여 니켈-카드뮴 이차전지, 니켈-수소 이차전지 등의 다양한 종류의 이차전지에 이용될 수 있다.

Claims (17)

  1. 복수 개의 제1 전극판과, 상기 제1 전극판과 반대되는 극성을 가지며 분리막을 사이에 두고 상기 제1 전극판과 교대로 적층되는 복수 개의 제2 전극판을 포함하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하기 위한 내부 공간이 형성되는 외장 캔;
    상기 외장 캔의 개방된 측을 덮도록 상기 외장 캔과 결합하는 외장 캡; 및
    상기 복수 개의 제2 전극판 중 최외측에 위치한 제2 전극판과 상기 외장 캡 사이에 배치되어 상기 제2 전극판과 상기 외장 캡을 전기적으로 연결하거나, 상기 최외측에 위치한 제2 전극판과 상기 외장 캔 사이에 배치되어 상기 제2 전극판과 상기 외장 캔을 전기적으로 연결하는 전도성 고분자 필름;을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 고분자 필름은,
    특정 온도에 도달하면 온도 상승에 대하여 전기 저항값이 급격히 증가하는 정온도계수(PTC, Positive Temperature Coefficient)의 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 적층형 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적층형 이차전지는,
    상기 전극 조립체의 적층된 상태가 흐트러지지 않도록 상기 전극 조립체의 가장자리에 부착되는 결속 테이프;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 이차전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전도성 고분자 필름은,
    상기 결속 테이프와 중첩되지 않도록 상기 최외측에 위치한 제2 전극판의 중앙 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 적층형 이차전지.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전도성 고분자 필름은,
    상기 결속 테이프와 중첩되지 않도록 상기 결속 테이프와 대응하는 위치에 개구가 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 이차전지.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 전도성 고분자 필름은,
    상기 결속 테이프의 두께와 동일하거나 상기 결속 테이프의 두께보다 큰 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 적층형 이차전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 고분자 필름은,
    일면이 상기 최외측에 위치한 제2 전극판과 접촉하고, 타면이 상기 외장 캡 또는 상기 외장 캔과 접촉하는 것을 특징으로 하는 적층형 이차전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극판은 양극 활물질이 도포된 양극 전극판이고,
    상기 제2 전극판은 음극 활물질이 도포된 음극 전극판인 것을 특징으로 하는 적층형 이차전지.
  9. 복수 개의 제1 전극판과, 상기 제1 전극판과 반대되는 극성을 가지며 분리막을 사이에 두고 상기 제1 전극판과 교대로 적층되는 복수 개의 제2 전극판을 포함하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하기 위한 내부 공간이 형성되는 외장 캔;
    상기 외장 캔의 개방된 측을 덮도록 상기 외장 캔과 결합하는 외장 캡; 및
    상기 복수 개의 제2 전극판 중 최외측에 위치한 제2 전극판과 상기 외장 캡 사이에 배치되어 상기 제2 전극판과 상기 외장 캡을 전기적으로 연결하거나, 상기 최외측에 위치한 제2 전극판과 상기 외장 캔 사이에 배치되어 상기 제2 전극판과 상기 외장 캔을 전기적으로 연결하되, 압축성을 갖는 메탈 폼(Metal Foam);을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 이차전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 메탈 폼은,
    상기 전극 조립체와 상기 외장 캡 사이에서 압착되어 전체적으로 또는 부분적으로 두께가 줄어들거나, 상기 전극 조립체와 상기 외장 캔 사이에서 압착되어 전체적으로 또는 부분적으로 두께가 줄어는 것을 특징으로 하는 적층형 이차전지.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 적층형 이차전지는,
    상기 전극 조립체의 적층된 상태가 흐트러지지 않도록 상기 전극 조립체의 가장자리에 부착되는 결속 테이프;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 이차전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 메탈 폼은,
    상기 결속 테이프를 덮도록 상기 최외측에 위치한 제2 전극판 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 적층형 이차전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 메탈 폼은,
    상기 결속 테이프와 중첩되는 부분이 상기 결속 테이프와 중첩되지 않은 부분에 비해 더 압착되어 더 작은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 적층형 이차전지.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 메탈 폼은,
    압착 전의 두께가 상기 결속 테이프의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 적층형 이차전지.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 메탈 폼은,
    일면이 상기 최외측에 위치한 제2 전극판과 접촉하고, 타면이 상기 외장 캡 또는 상기 외장 캔과 접촉하는 것을 특징으로 하는 적층형 이차전지.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 제1 전극판은 양극 활물질이 도포된 양극 전극판이고,
    상기 제2 전극판은 음극 활물질이 도포된 음극 전극판인 것을 특징으로 하는 적층형 이차전지.
  17. 복수 개의 제1 전극판과, 상기 제1 전극판과 반대되는 극성을 가지며 분리막을 사이에 두고 상기 제1 전극판과 교대로 적층되는 복수 개의 제2 전극판을 포함하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하기 위한 내부 공간이 형성되는 외장 캔;
    상기 외장 캔의 개방된 측을 덮도록 상기 외장 캔과 결합하는 외장 캡; 및
    상기 복수 개의 제2 전극판 중 최외측에 위치한 제2 전극판과 상기 외장 캡 사이에 배치되어 상기 제2 전극판과 상기 외장 캡을 전기적으로 연결하거나, 상기 최외측에 위치한 제2 전극판과 상기 외장 캔 사이에 배치되어 상기 제2 전극판과 상기 외장 캔을 전기적으로 연결하는 전도성 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 이차전지.
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