WO2023063797A1 - 버튼형 이차전지 - Google Patents

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WO2023063797A1
WO2023063797A1 PCT/KR2022/015657 KR2022015657W WO2023063797A1 WO 2023063797 A1 WO2023063797 A1 WO 2023063797A1 KR 2022015657 W KR2022015657 W KR 2022015657W WO 2023063797 A1 WO2023063797 A1 WO 2023063797A1
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insulator
electrode assembly
button
secondary battery
type secondary
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정영훈
태영지
성주환
조민수
박근영
김민규
김민선
채상학
주민영
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a button-type secondary battery having a shape in which the diameter is greater than the height, and more particularly, a top insulator and a bottom insulator absorb and expand an electrolyte solution, thereby reducing shock and vibration transmitted to an electrode assembly, It relates to a button-type secondary battery capable of preventing a short circuit caused by an impact from progressing to fire or explosion.
  • button-type batteries have a thin button or button shape, and are widely used in various devices such as remote controls, watches, toys, and computer parts.
  • buttons-type batteries were mainly manufactured as non-rechargeable primary batteries, but are also widely manufactured as secondary batteries capable of charging and discharging in line with the recent development of miniaturized devices.
  • the button-type secondary battery is manufactured in a structure in which an electrode assembly and an electrolyte are embedded in a case to allow repeated charging and discharging, like a cylindrical or pouch-type secondary battery.
  • a button-type battery case generally employs a welding method in which a top plate is welded to an upper surface of a lower can or a press-fit method in which an upper can is press-fitted into a lower can.
  • the welding connection method has a structure in which the lower can and the top plate are joined by welding, the lower can has a schale shape, and the top plate is manufactured in a disk shape that can be seated on the lower can, It has a structure in which the edge part is joined by seam welding in a seated state.
  • a positive terminal connected to a positive electrode tab is coupled to the top plate, and the positive terminal and the top plate are insulated from each other by a gasket.
  • the positive terminal is a rivet method in which the upper and lower diameters are expanded and fixed when the top plate is penetrated, or a heat welding method in which a portion of the positive terminal penetrates the top plate and a gasket is thermally fused to fix the top plate and the positive terminal. etc. can be coupled to the top plate.
  • the upper can 30 is pressurized and fitted to the lower can 20, and the coupling is performed.
  • the upper can 30 and the lower can 20 are manufactured to have a petri dish shape (flat cylindrical shape with a diameter greater than height), but the upper can 30 is slightly longer than the lower can 20 It is configured to have a large diameter.
  • the lower can 20 is mounted on the electrode assembly 10.
  • the electrolyte solution is injected into the can 20, the upper can 30 is press-fitted onto the lower can 20 and coupled thereto.
  • a gasket 40 is inserted between the upper wall part 32 of the upper can 30 and the lower wall part 22 of the lower can 20 facing each other, so that the upper can 30 and the lower can ( 20) is electrically insulated.
  • the electrode assembly 10 is put into and wound on a rotating core in the order of a separator, a cathode, a separator, and an anode (or other predetermined order), and has a flat cylindrical structure in which a center hole 10a is formed when the core is removed.
  • the negative electrode tab 12 extending from the negative electrode and the positive electrode tab 11 extending from the positive electrode protrude from the upper and lower surfaces, respectively, and the negative electrode tab 12 extends from the lower surface of the lower can 20. 21, and the positive electrode tab 11 is bonded to the upper surface 31 of the upper can 30 or the positive electrode terminal according to the bonding method as described above.
  • the lower can 20 has a negative electrode and the upper can 30 has a positive electrode.
  • the electrode assembly 10 since the electrode assembly 10 is in a state in which the positive electrode, the separator, and the negative electrode are wound, the negative electrode included in the electrode assembly 10 is prevented from contacting the upper can 30, and the positive electrode included in the electrode assembly is prevented from contacting the lower can 30.
  • top and bottom insulators 1 and 2 made of electrical insulator are laminated or attached to the upper and lower surfaces of the electrode assembly 10 , respectively.
  • the electrode assembly 10 is embedded in the lower can 20 described above.
  • the shock or vibration is directly transmitted to the electrode assembly 10 or the electrode assembly 10 is damaged or deformed due to crushing of the lower can 20 and the upper can 30 There were problems that could have been caused.
  • the positive electrode tab 11 and the negative electrode tab 12 may be bent during welding, if the electrode assembly 10 is continuously shaken by shock and vibration, the positive electrode tab 11 or the negative electrode tab 12 is disconnected. There was a problem that could cause this.
  • the present invention has a structure more robust to external impact (by filling the inner space between the upper can and the top insulator and the bottom insulator and the lower can) to solve the above problems, and to buffer the shock transmitted to the electrode assembly.
  • the main purpose is to provide a button-type secondary battery that can be used.
  • Another object of the present invention is to provide a button-type secondary battery capable of preventing fire or explosion by preventing thermal contraction by coating a protective layer on the surfaces of the top insulator and the bottom insulator.
  • the present invention for achieving the above object is, when the electrode assembly is mounted in the lower can having an upper wall portion formed upward along the circumference of the flat lower surface and the electrolyte is injected, the lower wall downward along the circumference of the flat upper surface.
  • a button-type secondary battery in which an upper can with a portion is press-fitted and coupled to the lower can so that the upper wall portion is located inside the lower wall portion, the negative electrode, the separator, and the positive electrode are wound to form a stacked state, and the negative electrode tab is lowered.
  • an electrode assembly in which the positive electrode tab extends upward; a gasket disposed between the upper and lower cans to insulate electricity; a top insulator disposed to cover the upper surface of the electrode assembly and having electrical insulation properties but expanding in volume by absorbing electrolyte; and a bottom insulator disposed to cover the lower surface of the electrode assembly and having electrical insulation but absorbing electrolyte and expanding in volume.
  • a protective layer for preventing heat shrinkage is coated on the surface.
  • a protective layer preventing heat shrinkage is coated on both surfaces of the top insulator facing the upper can and the bottom insulator facing the lower can.
  • a protective layer is additionally coated on a surface opposite to the surface of the top insulator facing the upper can and a surface opposite to the surface of the bottom insulator facing the lower can.
  • the top insulator may cover the entire upper surface of the electrode assembly, and the bottom insulator may be provided in a plate shape having a size to cover the entire lower surface of the electrode assembly.
  • the protective layer includes inorganic particles providing heat resistance to the protective layer. More specifically, the protective layer is prepared by mixing a binder polymer providing adhesive strength with the inorganic particles so as to be adhered to the surface of the top insulator or the bottom insulator.
  • top insulator and the bottom insulator expand by absorbing the electrolyte, they are each inflated enough to elastically press the electrode assembly from the top and bottom in the vertical direction.
  • One of the top insulator and the bottom insulator may expand more in a vertical direction than the other one.
  • top insulator or the bottom insulator certain parts may be coated with a protective layer thicker than other parts.
  • the present invention may further provide a secondary battery module configured by electrically connecting a plurality of button-type secondary batteries having the technical characteristics as described above.
  • the amount of deformation of the upper and lower cans can be reduced.
  • a protective layer for preventing heat shrinkage may be coated on the upper surface or both surfaces of the top insulator to prevent heat shrinkage of the top insulator and/or the bottom insulator due to heat generated during a short circuit.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a conventional button-type secondary battery.
  • FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view of a button-type secondary battery provided in the present invention, in which a protective layer is coated on the surface of each of the top insulator and the bottom insulator.
  • FIG. 3 is a view showing the expansion of the top insulator and the bottom insulator shown in FIG. 2 by absorbing electrolyte.
  • FIG 4 is an electrode assembly provided in the present invention, which shows a top insulator and a bottom insulator before expansion (upper figure) and after expansion (lower figure).
  • FIG. 5 is a before and after view when heat is applied to a conventional top insulator and a bottom insulator uncoated with a protective layer (above picture) and a top insulator and a bottom insulator of the present invention coated with a protective layer when heat is applied
  • This is a before-and-after view (pictured below).
  • FIG. 6 is a view of the top insulator uncoated with the protective layer being deformed when the impact bar 80 hits the upper can from the upper side during the impact test (above figure: A) and the top insulator coated with the protective layer being deformed
  • the appearance (picture below: B) is a drawing showing each.
  • the present invention relates to a button-type secondary battery having a larger diameter than a height, and is characterized in that it has a structure that can protect the electrode assembly 10 from external impact and does not lead to fire or explosion even if a short circuit occurs .
  • FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view of a button-type secondary battery provided in the present invention, showing a top insulator 50 and a bottom insulator 60 each coated with a protective layer 70
  • FIG. 3 is FIG. 2 4 shows the top insulator 50 and the bottom insulator 60 expanding by absorbing the electrolyte
  • FIG. This is a drawing showing the appearance before expansion (upper figure) and after expansion (below figure).
  • the upper can 30 moves over the lower can 20. It has a structure that is press-fitted and coupled, and is composed of an electrode assembly 10, a lower can 20, an upper can 30, a gasket 40, a top insulator 50, and a bottom insulator 60.
  • the electrode assembly 10 has a structure in which a separator, a cathode, a separator, and an anode are put into a rotating core in order (or in another order) and wound, so that the separator, the cathode, the separator, and the anode are wound in a stacked state.
  • the winding core When the winding core is separated after rotation, it has a structure in which a center hole 10a is formed in its place.
  • the negative electrode tab 12 extending from the negative electrode protrudes from the lower surface of the electrode assembly 10
  • the positive electrode tab 11 extending from the positive electrode protrudes from the upper surface of the electrode assembly 10 . That is, the electrode assembly 10 is inserted into the lower can 20 so that the negative electrode tab 12 is placed below and the positive electrode tab 11 is placed on top (in some cases, it may be inserted in the opposite direction).
  • the lower can 20 has an upper wall portion 22 extending vertically upward along the circumference of the lower surface 21, and the electrode assembly 20 is mounted in the inner space and the electrolyte is injected. do. And, the negative electrode tab 12 is welded to the lower surface 21 .
  • the negative electrode tab 12 may be welded by irradiating a welding laser into the center hole 10a or welding by entering a welding machine into the center hole 10a.
  • the lower can 20 becomes negative. Therefore, in order to prevent contact between the lower can 20 and the anode wound inside the electrode assembly 10, the electrode assembly 10 is in a state in which the bottom insulator 60 having electrical insulation is laminated (attached) to the lower surface. The furnace is mounted on the lower can 20.
  • the upper can 30 is formed so that the lower wall portion 32 extends vertically toward the lower side along the circumference of the upper surface 31, and the upper can 30 is press-fitted into the lower can 20.
  • the positive electrode tab 11 previously extended from the electrode assembly 10 is welded to the upper surface portion 31 of the upper can 30 .
  • the electrode assembly 10 has a top insulator having electrical insulation on its upper surface. (50) is laminated (attached).
  • a gasket 40 is placed either inside the lower wall portion 32 of the upper can 30 or outside the upper wall portion 22 of the lower can 20. ) is fixedly attached, the upper can 30 and the lower can 20 are press-fitted.
  • the top insulator 50 may cover the entire upper surface of the electrode assembly
  • the bottom insulator 60 may be provided in a disk shape having a size capable of covering the entire lower surface of the electrode assembly.
  • the electrode assembly 10 can be expanded to the extent that it can elastically press the electrode assembly 10 upward and downward from the top and bottom.
  • one of the top insulator 50 and the bottom insulator 60 may be configured to expand more vertically than the other one.
  • the top insulator 50 expands more than the bottom insulator 60, the internal space can be efficiently filled.
  • the converse configuration is also possible.
  • At least one of the top insulator 50 and the bottom insulator 60 is coated with a protective layer preventing heat shrinkage.
  • the present invention provides a button-type secondary battery in which a protective layer is coated on the surfaces of the top insulator 50 and the bottom insulator 60 as another embodiment.
  • the protective layer 70 may be coated not only on the surface facing the upper surface 31 of the upper can 30 but also on the opposite surface thereof. Also, it may be applied to one or both of both surfaces of the bottom insulator 60 .
  • the protective layer 70 is coated on only one surface of each of the top insulator 50 and the bottom insulator 60 for reasons of production cost and process, the surface opposite to the surface facing the electrode assembly 10, that is, the top insulator 50 ), the protective layer 70 is preferably coated on the upper surface and the lower surface of the bottom insulator 60 .
  • the coating layer 70 is formed on only one of the top insulator 50 and the bottom insulator 60, in general, the button-type secondary battery is mounted so that the anode is placed on the upper side and is not subject to damage by objects falling from the upper side. Considering the possibility, it is preferable that the coating layer 70 is formed on the surface of the top insulator 50 rather than the bottom insulator 60 .
  • top insulator 50 or the bottom insulator 60 may be coated to have a thicker protective layer than other portions.
  • a specific portion of the top insulator 50 or the bottom insulator 60 may be coated to have a thicker protective layer than other portions.
  • the possibility of heat shrinkage at that point can be further reduced by forming a thicker protective layer than at other places in areas where an external impact is applied and the possibility of short circuit is relatively high (eg, near the cathode and anode tabs).
  • the protective layer 70 includes inorganic particles that impart heat resistance to the protective layer 70 . More specifically, the protective layer is prepared by mixing inorganic particles and binder polymers.
  • the inorganic particles are provided in a nanoscale (nano unit size). More specifically, the mixture of inorganic particles and binder polymers disclosed in Patent Registration No. 10-0775310 may be a coating layer applied on the separator substrate.
  • the coating layer 70 does not cause thermal contraction of the top insulator 50 and the bottom insulator 60 at a high temperature (for example, a temperature in the range of 120 to 140° C.) due to the heat resistance of the inorganic particles.
  • FIG. 5 is a before-and-after view when heat is applied to a conventional top insulator 1 and a bottom insulator 2 uncoated with a protective layer 70 (above figure) and the protective layer 70 coated with the present invention.
  • This is a view showing the front and back views (below figure) when heat is applied to the top insulator 50 and the bottom insulator 60
  • FIG. 6 shows that the impact bar 80 hits the upper can 30 from the upper side during the impact test.
  • the protective layer 70 is not coated, the top insulator 1 is deformed (upper figure: A) and the top insulator 50 coated with the protective layer 70 is deformed (lower figure: B ) are each shown.
  • swelling tape used in the field of secondary batteries may be used for the bottom insulator 60 and the top insulator 50 to have electrical insulating properties and at the same time absorb electrolyte and expand.
  • the bottom insulator 60 and the top insulator 50 provided with the swelling tape undergo heat shrinkage along with vaporization of the absorbed electrolyte when a high temperature is applied.
  • the thickness is reduced (w1 ⁇ w2) and the length is also reduced (d1 ⁇ d2).
  • the impact bar 80 hits the center of the upper surface 31 of the upper can 30, and the crushed portion of the upper can 30 is the electrode assembly 10 ), heat is generated by a short circuit (caused by contact between the anode and the cathode).
  • the top insulator 1 shrinks due to the heat caused by the short circuit, and the contact area between the anode and the top plate 30 or the cathode The contact area between the and the positive electrode terminal 40 increases by the amount of shrinkage of the top insulator.
  • the size of the short circuit gradually increases as the area of the short circuit increases in the situation where only a little heat is generated in the first minute short circuit and the short circuit is terminated (as the short circuit current increases), the risk of fire or explosion increases. .
  • the top insulator 50 maintains its original area due to the heat caused by the short circuit. Therefore, the short-circuit state is maintained with the size of the first minute short-circuit caused by the impact bar 80 hitting, and then the current is cut off and the situation ends (that is, the short-circuit current does not increase and gradually decreases, so the calorific value also gradually decreases, leading to fire or explosion). not extended).
  • the protective layer 70 when the protective layer 70 is coated on the top insulator 50 and the bottom insulator 60 as in the present invention, even if a short circuit occurs from impact applied from the upper and lower sides of the secondary battery, it does not progress to fire or explosion. Since the situation can be terminated, the stability can be further improved.
  • the effect of increasing the thickness of the bottom insulator 60 and the top insulator 50 can be expected by coating the protective layer 70, not only can the possibility of occurrence of a short circuit be further reduced, but even if a short circuit occurs, at least of short-circuit current can be generated.
  • the amount of deformation of the upper can 30 and the lower can 20 can be reduced.
  • the present invention may further provide a secondary battery module configured by electrically connecting a plurality of button-type secondary batteries having the technical characteristics as described above.

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Abstract

본 발명은, 평평한 하부면의 둘레를 따라 상측으로 상측벽부가 형성된 하부캔에 전극조립체가 탑재되고 전해액이 주입되면, 평평한 상부면의 둘레를 따라 하측으로 하측벽부가 형성된 상부캔이 상기 하측벽부 내측으로 상측벽부가 위치하도록 상기 하부캔에 압입되어 결합되는 버튼형 이차전지에 있어서, 음극, 분리막, 양극이 권취되어 제조되고, 하측으로 음극탭이 연장되며 상측으로 양극탭이 연장된 전극조립체; 상기 상부캔과 하부캔 사이에 배치되어 전기를 절연하는 가스켓; 상기 전극조립체의 상면을 덮도록 배치되며 전기절연성을 갖되 전해액을 흡수하여 부피가 팽창하는 탑인슐레이터; 및 상기 전극조립체의 하면을 덮도록 배치되며 전기절연성을 갖되 전해액을 흡수하여 부피가 팽창하는 바텀인슐레이터를 포함하고, 상기 탑인슐레이터와 바텀인슐레이터 중 적어도 어느 하나 이상은 열수축을 방지하는 보호층이 표면에 코팅된 것을 특징으로 한다.

Description

버튼형 이차전지
관련 출원과의 상호인용
본 출원은 2021년 10월 14일자 한국특허출원 제10-2021-0136974호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본 발명은 직경이 높이 보다 더 큰 형태를 갖는 버튼형 이차전지에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 탑인슐레이터와 바텀인슐레이터가 전해액을 흡수하여 팽창함으로써 전극조립체로 전달되는 충격과 진동을 감소시킬 수 있고, 충격에 의한 단락이 화재나 폭발로 진행되는 것을 방지할 수 있는 버튼형 이차전지에 관한 것이다.
통상적으로 코인형 전지, 단추형 전지 등으로도 통용되는 버튼형 전지는 얇은 단추 또는 버튼 형상을 가지며, 리모컨, 시계, 장남감, 컴퓨터부품 등 여러 기기에서 널리 사용되고 있다.
이러한, 버튼형 전지는 주로 재충전이 불가능한 일차전지로 제조되었었으나, 최근 소형화기기의 개발에 맞춰 충방전이 가능한 이차전지로도 널리 제조되고 있다. 그리고, 버튼형 이차전지 또한 원통형 또는 파우치형 이차전지와 같이 케이스 내에 전극조립체 및 전해액이 내장되어 반복적인 충방전이 가능한 구조로 제조된다.
한편, 버튼형 전지의 케이스는 하부캔의 상면에 탑플레이트를 용접으로 결합시키는 용접결합방식 또는 상부캔을 하부캔에 압입하여 결합하는 압입결합방식이 일반적으로 적용된다.
통상적으로 용접결합방식은 하부캔과 탑플레이트가 용접으로 결합되는 구조를 갖되, 하부캔은 샬레(Schale) 모양을 가지며, 탑플레이트는 하부캔 위에 안착될 수 있는 원판형으로 제조되어 상기 하부캔 위에 안착된 상태에서 테두리 부분이 심용접(Seam welding)으로 결합되는 구조를 갖는다.
이때, 상기 탑플레이트에는 양극탭과 연결되는 양극단자가 결합되되, 상기 양극단자와 탑플레이트는 가스켓에 의해 절연되는 구조로 제조된다. 상기 양극단자는 탑플레이트를 관통하면 상단과 하단의 직경이 확장되어 고정되는 리벳(rivet) 방식 또는 양극단자의 일부분이 탑플레이트를 관통한 상태에서 가스켓의 열융착되어 탑플레이트와 양극단자를 고정시키는 열융착방식 등으로 탑플레이트에 결합될 수 있다.
그리고, 도 1 에 나타난 바와 같이, 압입결합방식은 하부캔(20)에 상부캔(30)을 가압하여 끼워맞추는 방식으로 결합이 이뤄진다. 압입결합방식에서 상기 상부캔(30)과 하부캔(20)은 샬레 모양(높이 보다 직경이 더 큰 납작한 원통형상)을 갖도록 제조되되, 상기 상부캔(30)은 하부캔(20) 보다 약간 더 큰 직경을 갖도록 구성된다. 그리고, 하부캔(20)에 전극조립체(10)에 탑재된 상태에서 음극탭(12)과 양극탭(11)이 상기 하부캔(20)과 상부캔(30)에 각각 용접된 후, 상기 하부캔(20)에 전해액이 주입되면 상기 상부캔(30)은 하부캔(20) 위로 압입되어 결합이 이뤄진다. 이때, 서로 마주하게 되는 상기 상부캔(30)의 상측벽부(32)과 하부캔(20)의 하측벽부(22) 사이는 가스켓(40)이 삽입되어 상부캔(30)과 하부캔(20)은 전기적으로 절연된다.
그리고, 상기 전극조립체(10)는 회전하는 권심에 분리막, 음극, 분리막, 양극 순서(또는 다르게 정해진 순서)로 투입되어 권취되며 상기 권심이 빠지면 센터홀(10a)이 형성된 납짝한 원통형 구조를 갖는다.
아울러, 상기 전극조립체(10)는 음극에서 연장된 음극탭(12) 및 양극에서 연장된 양극탭(11)이 상면 및 하면 각각에서 돌출되고 상기 음극탭(12은 하부캔(20)의 하부면(21)에 접합되고, 상기 양극탭(11)은 전술한 바와 같이 결합방식에 따라 상부캔(30)의 상부면(31) 또는 양극단자에 접합된다.
따라서, 하부캔(20)은 음극을 띄게 되고, 상부캔(30)는 양극을 띄게 된다. 이때, 전극조립체(10)는 양극, 분리막, 음극이 권취된 상태이므로, 상기 전극조립체(10)에 포함된 음극이 상부캔(30)에 접촉하는 것을 방지하고 상기 전극조립체에 포함된 양극이 하부캔(20)에 접촉하는 것을 방지하기 위하여 상기 전극조립체(10)의 상면과 하면 각각에는 전기절연체로 제조된 탑인슐레이터(1)와 바텀인슐레이터(2)가 적층 또는 부착된다.
한편, 압입결합방식이던 용접결합방식이던 상관 없이, 상기 전극조립체(10)는 위에 설명한 하부캔(20)에 내장된다. 그리고, 외부 충격 및 진동이 가해질 때, 직접적으로 전극조립체(10)에 충격이나 진동이 전달되어 또는 하부캔(20)과 상부캔(30)의 찌그러짐에 의해 전극조립체(10)의 파손 또는 변형이 유발될 수 있는 문제가 있었다.
특히, 양극탭(11)과 음극탭(12)은 용접 시 절곡이 이뤄질 수 있으므로, 충격과 진동에 의해 전극조립체(10)가 지속적으로 흔들린다면 양극탭(11) 또는 음극탭(12)의 단선이 유발될 수 있는 문제가 있었다.
또한, 전극조립체(10)는 제조 후, 권심이 제거되면 상기 전극조립체(10)의 센터홀(10a) 근방은 충격과 진동에 의해 변형이 발생할 가능성이 더 증대될 수 있는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 (상부캔와 탑인슐레이터 및 바텀인슐레이터와 하부캔 사이의 내부공간을 메움으로써) 외부충격에 더 강건한 구조를 갖고, 전극조립체로 전달되는 충격을 완충시킬 수 있는 버튼형 이차전지를 제공하는 것에 주목적이 있다.
또한, 본 발명은 탑인슐레이터와 바텀인슐레이터의 표면에 보호층이 코팅되어 열수축이 방지됨으로써 화재 또는 폭발로 진행되는 것을 방지할 수 있는 버튼형 이차전지를 제공하는 것에 또 다른 목적이 있다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 평평한 하부면의 둘레를 따라 상측으로 상측벽부가 형성된 하부캔에 전극조립체가 탑재되고 전해액이 주입되면, 평평한 상부면의 둘레를 따라 하측으로 하측벽부가 형성된 상부캔이 상기 하측벽부 내측으로 상측벽부가 위치하도록 상기 하부캔에 압입되어 결합되는 버튼형 이차전지에 있어서, 음극, 분리막, 양극이 적층된 상태를 이루도록 권취되어 제조되고, 하측으로 음극탭이 연장되며 상측으로 양극탭이 연장된 전극조립체; 상기 상부캔과 하부캔 사이에 배치되어 전기를 절연하는 가스켓; 상기 전극조립체의 상면을 덮도록 배치되며 전기절연성을 갖되 전해액을 흡수하여 부피가 팽창하는 탑인슐레이터; 및 상기 전극조립체의 하면을 덮도록 배치되며 전기절연성을 갖되 전해액을 흡수하여 부피가 팽창하는 바텀인슐레이터를 포함하고, 상기 탑인슐레이터와 바텀인슐레이터는 상기 하부캔 내에서 전해액을 흡수하여 부피가 팽창하여 공간을 메우며, 상기 탑인슐레이터와 바텀인슐레이터 중 적어도 어느 하나 이상은 열수축을 방지하는 보호층이 표면에 코팅된 것을 특징으로 한다.
상기 탑인슐레이터에서 상부캔을 향하는 면 및 바텀인슐레이터에서 하부캔을 향하는 면 각각 모두의 표면에 열수축을 방지하는 보호층이 코팅된다.
상기 탑인슐레이터에서 상부캔을 향하는 면의 반대쪽 면 및 바텀인슐레이터에서 하부캔을 향하는 면의 반대쪽 면의 표면에도 보호층이 추가로 코팅된다.
상기 탑인슐레이터는 전극조립체의 상면 전체를 덮을 수 있고, 상기 바텀인슐레이터는 전극조립체의 하면 전체를 덮을 수 있는 크기를 갖는 판 모양으로 제공된다.
상기 보호층은 보호층에 내열성을 제공하는 무기물입자를 포함한다. 더 상세하게는 상기 보호층은 탑인슐레이터 또는 바텀인슐레이터의 표면에서 접착될 수 있도록 접착력을 제공하는 바인더고분자가 상기 무기물입자와 혼합되어 제조된다.
상기 탑인슐레이터와 바텀인슐레이터는 전해액을 흡수하여 팽창했을 때, 전극조립체를 윗쪽과 아랫쪽에서 상하방향으로 탄성가압할 수 있을 정도로 각각 팽창된다.
상기 탑인슐레이터와 바텀인슐레이터 둘 중 하나는 다른 하나 보다 상하방향으로 더 크게 팽창될 수 있다.
상기 탑인슐레이터 또는 바텀인슐레이터에서 특정부분은 다른 부분보다 보호층이 더 두꺼운 두께를 갖도록 코팅될 수 있다.
아울러, 본 발명에서는 전술한 바와 같은 기술적 특징을 갖는 버튼형 이차전지 복수 개가 서로 간에 전기적으로 연결되어 구성된 이차전지모듈을 추가로 제공할 수 있다.
상술한 바와 같은 기술적 특징을 갖는 본 발명은 바텀인슐레이터와 탑인슐레이터가 팽창하여 상부캔과 하부캔 내부의 공간을 메우므로, 상기 전극조립체로 전달되는 외부충격을 완충시키고 진동에 의한 영향을 감쇠시킬 수 있다.
이에 따라, 전극조립체의 파손을 방지할 수 있고 이차전지의 내구성을 더욱 증대시킬 수 있다.
또한, 상부캔과 하부캔의 변형량을 감소시킬 수 있다.
상기 바텀인슐레이터와 탑인슐레이터는 전극조립체에 안착된 상태에서 팽창하며 빈 공간을 메우는 구조이므로, 하부캔의 높이를 증대시킬 필요가 없어 불필요한 부피 증대를 방지할 수 있다.
상기 탑인슐레이터의 상면 또는 양면 모두에는 열수축을 방지하는 보호층이 코팅되어 단락 시 발생되는 열에 의해 탑인슐레이터 및/또는 바텀인슐레이터의 열수축을 방지할 수 있다.
이에 따라, (상부캔과 음극의 접촉면적 또는 하부캔과 양극의 접촉면적 증가에 기인하여) 단락전류가 증가해 화재 또는 폭발로 진행되는 문제를 해소할 수 있다.
도 1 은 종래의 버튼형 이차전지의 종단면도이다.
도 2 는 본 발명에서 제공되는 버튼형 이차전지의 종단면도로써, 탑인슐레이터와 바텀인슐레이터 각각의 표면에 보호층이 코팅된 모습이 나타난 도면이다.
도 3 는 도 2 에 도시된 탑인슐레이터와 바텀인슐레이터가 전해액을 흡수하여 팽창한 모습이 나타난 도면이다.
도 4 는 본 발명에서 제공되는 전극조립체로써, 탑인슐레이터와 바텀인슐레이터가 팽창되기 전의 모습(위 그림)과 팽창한 후의 모습(아래 그림)이 나타난 도면이다.
도 5 는 보호층이 미코팅된 종래의 탑인슐레이터와 바텀인슐레이터에 열이 가해졌을 때의 전후 모습(위 그림)과 보호층이 코팅된 본 발명의 탑인슐레이터와 바텀인슐레이터에 열이 가해졌을 때의 전후 모습(아래 그림)이 나타난 도면이다.
도 6 은 충격테스트 시 상측에서 임팩트바(80)가 상부캔을 타격했을 때, 보호층이 미코팅된 탑인슐레이터가 변형되는 모습(위 그림: A) 및 보호층이 코팅된 탑인슐레이터가 변형되는 모습(아래 그림: B)이 각각 도시된 도면이다.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 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, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 직경이 높이보다 더 크게 형성되는 버튼형 이차전지에 관한 것으로써, 외부충격으로부터 전극조립체(10)를 보호할 수 있고, 단락이 발생하더라도 화재 또는 폭발로 이어지지 않는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 더욱 상세히 설명한다.
도 2 는 본 발명에서 제공되는 버튼형 이차전지의 종단면도로써, 탑인슐레이터(50)와 바텀인슐레이터(60) 각각의 표면에 보호층(70)이 코팅된 모습이 나타난 도면이고, 도 3 는 도 2 에 도시된 탑인슐레이터(50)와 바텀인슐레이터(60)가 전해액을 흡수하여 팽창한 모습이 나타난 도면이며, 도 4 는 본 발명에서 제공되는 전극조립체로써, 탑인슐레이터(50)와 바텀인슐레이터(60)가 팽창되기 전의 모습(위 그림)과 팽창한 후의 모습(아래 그림)이 나타난 도면이다.
본 발명의 실시예에서 제공되는 버튼형 이차전지는 종래의 구조와 같이, 하부캔(20)에 전극조립체(10)가 탑재되고 전해액이 주입되면, 상부캔(30)이 상기 하부캔(20) 위로 압입되어 결합되는 구조를 가지며, 전극조립체(10), 하부캔(20), 상부캔(30), 가스켓(40), 탑인슐레이터(50), 바텀인슐레이터(60)를 포함하여 구성된다.
상기 전극조립체(10)는 회전하는 권심에 분리막, 음극, 분리막, 양극 순서로(또는 다른 순서로) 투입되어 권취됨으로써, 분리막, 음극, 분리막, 양극이 적층된 상태로 권취된 구조를 가지며, 상기 권심이 회전한 후 분리되면, 그 자리에 센터홀(10a)이 형성된 구조를 갖는다.
그리고, 음극에서 연장된 음극탭(12)은 전극조립체(10)의 하면에서 돌출되고, 양극에서 연장된 양극탭(11)은 전극조립체(10)의 상면에서 돌출된다. 즉, 상기 전극조립체(10)는 음극탭(12)이 아래에 놓이고 양극탭(11)이 위로 놓이도록 하부캔(20)에 삽입된다(경우에 따라서는 반대 방향으로 삽입될 수 있다).
상기 하부캔(20)은 하부면(21)의 둘레를 따라 상측을 향해 수직방향으로 상측벽부(22)가 연장되게 형성되며, 그 내부 공간으로 상기 전극조립체(20)가 탑재되고 전해액이 주입된다. 그리고, 상기 하부면(21)에는 음극탭(12)이 용접된다. 상기 음극탭(12)은 센터홀(10a)로 용접용레이저를 조사하는 방법 또는 센터홀(10a)로 용접기를 진입시켜 용접하는 방법 등으로 용접될 수 있다.
한편, 상기 하부캔(20)에 음극탭(12)이 용접됨에 따라 하부캔(20)은 음극을 띄게 된다. 따라서, 하부캔(20)과 전극조립체(10) 내에 권취된 양극과의 접촉을 방지하기 위해 상기 전극조립체(10)는 하면에는 전기절연성을 갖는 바텀인슐레이터(60)가 적층된(부착된) 상태로 하부캔(20)에 탑재된다.
아울러, 상기 상부캔(30)은 상부면(31)의 둘레를 따라 하측을 향해 수직방향으로 하측벽부(32)가 연장되게 형성되며, 상부캔(30)이 하부캔(20)에 압입되기 전에 전극조립체(10)로부터 연장된 양극탭(11)은 상부캔(30)의 상면부(31)에 용접된다.
그리고, 마찬가지 이유로, 양극탭(11)에 연결되는 상부캔(30)과 전극조립체(10) 내에 권취된 음극과의 접촉을 방지하기 위해 상기 전극조립체(10)는 상면에 전기절연성을 갖는 탑인슐레이터(50)가 적층된다(부착된다).
양극탭(11)과 음극탭(12)의 용접이 이뤄진 후, 상부캔(30)의 하측벽부(32) 내측 또는 하부캔(20)의 상측벽부(22) 외측 중 한 곳에 가스켓(40)이 고정부착된 상태에서 상부캔(30)과 하부캔(20)의 압입이 이뤄진다.
한편, 도 3, 4 에 도시된 바와 같이, 상기 탑인슐레이터(50)와 바텀인슐레이터(60)는 전극조립체(10)에 적층된 상태에서 하부캔(20) 내부로 전해액(미도시)이 주입되면 상기 전해액을 흡수함으로써 부피가 팽창한다. 이에 따라 하부캔(20)과 상부캔(30) 내부의 공간은 팽창한 탑인슐레이터(50)와 바텀인슐레이터(60)의 부피 증가분만큼 메워진다.
이때, 상기 탑인슐레이터(50)는 전극조립체의 상면 전체를 덮을 수 있고, 상기 바텀인슐레이터(60)는 전극조립체의 하면 전체를 덮을 수 있는 크기를 갖는 원판 모양으로 제공된다.
그리고, 상기 탑인슐레이터(50)와 바텀인슐레이터(60)는 전해액을 흡수하여 팽창했을 때, 전극조립체(10)를 윗쪽과 아랫쪽에서 상하방향으로 탄성가압할 수 있을 정도로 각각 팽창될 수 있다.
전극조립체(10)의 높이와 측벽부(22)의 높이에 따라, 상기 탑인슐레이터(50)와 바텀인슐레이터(60) 둘 중 하나는 다른 하나 보다 상하방향으로 더 크게 팽창되게 구성될 수 있다. 가령, 전극조립체(10)와 하부캔(20)의 하부면(21) 사이의 공간 보다 전극조립체(10)와 상부캔(30)의 상부면(31) 사이의 공간이 더 크게 형성되므로, 탑인슐레이터(50)가 바텀인슐레이터(60) 보다 더 크게 팽창된다면 내부 공간을 효율적으로 메울 수 있다. 또는, 그 반대의 구성도 가능하다.
특히, 본 발명에서 탑인슐레이터(50)와 바텀인슐레이터(60) 중 적어도 어느 하나 바람직하게는 모두는 열수축을 방지하는 보호층이 표면에 코팅된다.
즉, 본 발명에서는 탑인슐레이터(50)와 바텀인슐레이터(60)의 표면에 보호층이 코팅되는 버튼형 이차전지를 다른 실시예로써 제공한다.
도시된 바와 같이, 상기 보호층(70)은 상부캔(30)의 상부면(31)과 마주하는 면 뿐만아니라 그 반대쪽 면에도 코팅될 수 있다. 그리고, 바텀인슐레이터(60)의 양면 중 한 곳 또는 두 곳 모두에도 도포될 수 있다.
다만, 생산단가 및 공정상의 이유로 탑인슐레이터(50)와 바텀인슐레이터(60) 각각에서 한 면에만 보호층(70)이 코팅된다면, 전극조립체(10)를 향하는 면의 반대쪽 면 즉, 탑인슐레이터(50)에서는 상측에 놓이는 면 그리고, 바텀인슐레이터(60)에서는 하측에 놓이는 면에 보호층(70)이 코팅되는 것이 바람직하다.
그리고, 탑인슐레이터(50)와 바텀인슐레이터(60) 중 하나에만 코팅층(70)이 형성된다면, 일반적으로 버튼형 이차전지는 양극이 상측에 놓이도록 탑재되는 점 및 상측에서 낙하되는 물건에 의해 타격을 받을 가능성이 있는 점을 고려하여 바텀인슐레이터(60) 보다는 탑인슐레이터(50)의 표면에 코팅층(70)이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 탑인슐레이터(50) 또는 바텀인슐레이터(60)에서 특정부분은 다른 부분보다 보호층이 더 두꺼운 두께를 갖도록 코팅될 수 있다. 가령, 외부충격이 가해져 단락 발생 가능성이 상대적으로 더 큰 부분(예를 들어, 양극탭과 음극탭 근방)에서는 다른 곳 보다 보호층을 더 두껍게 형성하여 그 지점에서 열수축이 발생할 가능성을 더욱 낮출 수 있다.
한편, 상기 보호층(70)은 보호층(70)에 내열성을 부여하는 무기물입자를 포함한다. 더 상세하게는 상기 보호층은 무기물입자 입자와 바인더고분자가 혼합되어 제조된다.
이때, 무기물입자 입자는 나노 스케일(나노 단위의 크기)로 제공된다. 더 상세하게는 특허등록 제10-0775310호에 개시된 무기물입자와 바인더고분자의 혼합물로써 분리막기재 상에 도포되는 코팅층일 수 있다.
이러한 코팅층(70)은 무기물입자의 내열성으로 인해 고온(가령 120~140℃ 범위의 온도)에서 탑인슐레이터(50)와 바텀인슐레이터(60)의 열수축을 발생시키지 않는다.
도 5 는 보호층(70)이 미코팅된 종래의 탑인슐레이터(1)와 바텀인슐레이터(2)에 열이 가해졌을 때의 전후 모습(위 그림)과 보호층(70)이 코팅된 본 발명의 탑인슐레이터(50)와 바텀인슐레이터(60)에 열이 가해졌을 때의 전후 모습(아래 그림)이 나타난 도면이며, 도 6 은 충격테스트 시 상측에서 임팩트바(80)가 상부캔(30)을 타격했을 때, 보호층(70)이 미코팅된 탑인슐레이터(1)가 변형되는 모습(위 그림: A) 및 보호층(70)이 코팅된 탑인슐레이터(50)가 변형되는 모습(아래 그림: B)이 각각 도시된 도면이다.
즉, 바텀인슐레이터(60) 및 탑인슐레이터(50)는 전기절연성을 가짐과 동시에 전해액을 흡수하여 팽창할 수 있도록 이차전지 분야에서 사용되는 스웰링테이프 등이 사용될 수 있다.
하지만, 이러한 스웰링테이프로 제공된 바텀인슐레이터(60) 및 탑인슐레이터(50)는 도 5 에 나타난 바와 같이, 고온이 가해지면 흡수된 전해액의 기화와 함께 열수축이 발생하게 된다.
따라서, 보호층(70)이 미코팅된 종래의 바텀인슐레이터(2) 및 탑인슐레이터(1)은 열이 가해지면 두께가 축소되고(w1 → w2) 길이 또한 축소된다(d1 → d2).
반면, 보호층(70)이 표면에 코팅된 본 발명의 바텀인슐레이터(60) 및 탑인슐레이터(50)은 열이 가해져도 두께 및 길이가 동일하게 유지될 수 있다(w3 = w4, d3 = d4).
그러므로, 도 6 에 도시된 바와 같이, 충격 실험 시, 임팩트바(80)가 상부캔(30)의 상부면(31) 중앙을 타격하여 상기 상부캔(30)의 찌그러지는 부분이 전극조립체(10)의 음극과 접촉하게 되면, (양극과 음극의 접촉에 의해 발생하는) 단락에 의해 열이 발생하게 된다.
이때, 탑인슐레이터(50)에 보호층(70)이 코팅되지 않은 경우<A>에는, 단락에 의한 열에 의해 탑인슐레이터(1)는 수축하게 되고, 양극과 탑플레이트(30)의 접촉면적 또는 음극과 양극단자(40)의 접촉 면적은 탑인슐레이터의 수축량만큼 증가하게 된다.
따라서, 최초 미세 단락으로 약간의 열만 발생하며 종료됐을 상황에서 단락되는 면적이 증가함에 따라 단락의 크기가 점차 커지므로(단락전류가 증대됨에 따라), 화재 또는 폭발로 이어질 수 있는 위험성은 더 증대된다.
반면, 탑인슐레이터(0)에 보호층(70)이 코팅된 경우<B>에는, 단락에 의한 열에 의해 탑인슐레이터(50)는 원래의 면적을 유지하게 된다. 따라서, 임팩트바(80)가 타격하여 발생하는 최초 미세 단락의 크기로 단락상태이 유지되다가 전류가 끊기고 상황이 종료된다(즉, 단락전류가 증가하지 않고 점차 낮아지므로 발열량 또한 점차 감소하여 화재 또는 폭발로 확장되지 않는다).
즉, 본 발명과 같이 탑인슐레이터(50) 및 바텀인슐레이터(60)에 보호층(70)이 코팅된 경우에는 이차전지의 상측 및 하측에서 가해지는 충격으로부터 단락이 발생하더라도 화재 또는 폭발까지 진행시키지 않고 상황을 종료시킬 수 있으므로, 안정성이 더욱 향상될 수 있다.
상술한 바와 같은 기술적 특징을 갖는 본 발명은 바텀인슐레이터(60)와 탑인슐레이터(50)가 팽창하여 하부캔 내부의 공간을 메우므로, 상기 전극조립체(10)로 전달되는 외부충격을 완충시키고 진동에 의한 영향을 감쇠시킬 수 있다.
또한, 보호층(70)의 코팅에 의해 바텀인슐레이터(60)와 탑인슐레이터(50)의 두께가 증가될 수 있는 효과 또한 기대할 수 있으므로, 단락 발생 가능성을 더욱 낮출 수 있을 뿐만아니라 단락이 발생하더라도 최소한의 단락전류만 발생시킬 수 있다.
이에 따라, 전극조립체(10)의 파손을 방지할 수 있고 이차전지의 내구성을 더욱 증대시킬 수 있다.
또한, 상부캔(30)과 하부캔(20)의 변형량을 감소시킬 수 있다.
상기 바텀인슐레이터(60)와 탑인슐레이터(50)는 전극조립체(10)에 안착된 상태에서 팽창하며 빈 공간을 메우는 구조이므로, 하부캔(20)의 높이를 증대시킬 필요가 없어 불필요한 부피 증대를 방지할 수 있다.
아울러, 본 발명에서는 전술한 바와 같은 기술적 특징을 갖는 버튼형 이차전지 복수 개가 서로 간에 전기적으로 연결되어 구성된 이차전지모듈을 추가로 제공할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.
[부호의 설명]
10 : 전극조립체
20 : 하부캔
30 : 상부캔
40 : 가스켓
50 : 탑인슐레이터
60 : 바텀인슐레이터
70 : 보호층

Claims (10)

  1. 평평한 하부면의 둘레를 따라 상측으로 상측벽부가 형성된 하부캔에 전극조립체가 탑재되고 전해액이 주입되면, 평평한 상부면의 둘레를 따라 하측으로 하측벽부가 형성된 상부캔이 상기 하측벽부 내측으로 상측벽부가 위치하도록 상기 하부캔에 압입되어 결합되는 버튼형 이차전지에 있어서,
    음극, 분리막, 양극이 권취되어 제조되고, 하측으로 음극탭이 연장되며 상측으로 양극탭이 연장된 전극조립체;
    상기 상부캔과 하부캔 사이에 배치되어 전기를 절연하는 가스켓;
    상기 전극조립체의 상면을 덮도록 배치되며 전기절연성을 갖되 전해액을 흡수하여 부피가 팽창하는 탑인슐레이터; 및
    상기 전극조립체의 하면을 덮도록 배치되며 전기절연성을 갖되 전해액을 흡수하여 부피가 팽창하는 바텀인슐레이터를 포함하고,
    상기 탑인슐레이터와 바텀인슐레이터 중 적어도 어느 하나 이상은 열수축을 방지하는 보호층이 표면에 코팅된 버튼형 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탑인슐레이터에서 상부캔을 향하는 면 및 바텀인슐레이터에서 하부캔을 향하는 면 각각 모두의 표면에 열수축을 방지하는 보호층이 코팅된 버튼형 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 탑인슐레이터에서 상부캔을 향하는 면의 반대쪽 면 및 바텀인슐레이터에서 하부캔을 향하는 면의 반대쪽 면의 표면에 열수축을 방지하는 보호층이 추가로 코팅된 버튼형 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탑인슐레이터는 전극조립체의 상면 전체를 덮을 수 있고, 상기 바텀인슐레이터는 전극조립체의 하면 전체를 덮을 수 있는 크기를 갖는 판 모양으로 제공된 것을 특징으로 하는 버튼형 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호층은 보호층에 내열성을 제공하는 무기물입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 버튼형 이차전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 보호층은 탑인슐레이터 또는 바텀인슐레이터의 표면에서 접착될 수 있도록 접착력을 제공하는 바인더고분자가 상기 무기물입자와 혼합되어 제조된 것을 특징으로 하는 버튼형 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 탑인슐레이터와 바텀인슐레이터는 전해액을 흡수하여 팽창했을 때, 전극조립체를 윗쪽과 아랫쪽에서 상하방향으로 탄성가압할 수 있을 정도로 각각 팽창되는 것을 특징으로 하는 버튼형 이차전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 탑인슐레이터와 바텀인슐레이터 둘 중 하나는 다른 하나 보다 상하방향으로 더 크게 팽창하는 것을 특징으로 하는 버튼형 이차전지.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 탑인슐레이터 또는 바텀인슐레이터에서 특정부분은 다른 부분보다 보호층이 더 두꺼운 두께를 갖도록 코팅된 것을 특징으로 하는버튼형 이차전지.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 버튼형 이차전지 복수 개가 서로 간에 전기적으로 연결되어 구성된 이차전지모듈.
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