KR20160085063A - 이차 전지 - Google Patents

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KR20160085063A
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Abstract

본 발명은 이차 전지에 관한 것이다.
일례로, 음극판, 양극판, 상기 음극판과 양극판 사이에 개재된 세퍼레이터, 상기 음극판과 연결된 음극탭 및 상기 양극판과 연결된 양극탭을 권취하여 형성된 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및 상기 케이스를 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 음극탭이 상기 전극 조립체의 권심부에 위치하는 이차 전지를 개시한다.

Description

이차 전지{SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로 비디오, 카메라, 휴대형 전화, 휴대형 컴퓨터 등과 같은 휴대형
무선기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동전원으로 사용되는 이차전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 이차전지는 예를 들면, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지, 리튬 이온 이차 전지 등이 있다.
이들 중에서 리튬이온 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로서, 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
최근에는 고용량 및 고출력의 성능을 위해 전지의 에너지 밀도가 높게 설계됨에 따라 음극판의 팽창과 수축이 반복적으로 일어나게 된다. 특히, 원통형 이차전지의 경우 음극탭이 전극 조립체의 최외곽 부분에 위치하게 되는데, 음극판의 팽창과 수축이 반복적으로 일어나면서 스트레스가 누적되어 음극탭이 피로파단되는 현상이 발생하게 된다.
또한, 전류가 흐르는 부분인 음극탭의 발열이 가중됨에 따라 세퍼레이터가 수축되거나 녹아서 전극 조립체의 내부가 단락되는 현상이 발생할 수 있다.
본 발명은, 전극 조립체의 부피 팽창에 따른 전극탭의 피로파단 현상과 전극탭의 발열에 따른 내부 단락을 방지할 수 있는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 음극판, 양극판, 상기 음극판과 양극판 사이에 개재된 세퍼레이터, 상기 음극판과 연결된 음극탭 및 상기 양극판과 연결된 양극탭을 권취하여 형성된 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및 상기 케이스를 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 음극탭이 상기 전극 조립체의 권심부에 위치한다.
또한, 상기 음극판은 음극 집전체, 상기 음극 집전체 상에 코팅된 음극 활물질부 및 상기 음극 집전체의 권취 선단에 상기 음극 활물질부가 형성되지 않은 음극 무지부를 포함하고, 상기 음극탭은 상기 음극 무지부와 연결될 수 있다.
또한, 상기 음극 무지부는 상기 양극탭보다 먼저 권취되며 상기 음극탭을 지나도록 권취될 수 있다.
또한, 상기 음극 무지부 중 상기 음극탭 및 상기 음극 활물질부 사이는 상기 권심부를 따라 적어도 1회 이상 상기 양극판보다 먼저 권취될 수 있다.
또한, 상기 음극 활물질부는 흑연, 흑연과 금속계 복합물, 실리콘계 복합물, 및 금속계 활물질부 중 하나를 포함하고, 상기 금속계는 실리콘 및 주석 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 세퍼레이터는 상기 권심부를 따라 상기 음극판 및 상기 양극판보다 먼저 권취될 수 있다.
또한, 상기 세퍼레이터는 상기 음극판 및 상기 양극판보다 2 내지 3회 먼저 권취될 수 있다.
또한, 상기 양극탭은 상기 권심부에서 상기 전극 조립체의 최외각 방향으로 1/3 내지 2/3 지점 내에 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지는 음극판, 양극판, 상기 음극판과 양극판 사이에 개재된 세퍼레이터, 상기 음극판과 연결된 음극탭 및 상기 양극판과 연결된 양극탭을 권취하여 형성된 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및 상기 케이스를 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 음극탭은 상기 전극 조립체의 권심부에 위치하며, 상기 음극탭 및 상기 음극탭과 인접한 상기 양극판 사이에 상기 음극판이 개재된다.
또한, 상기 음극판은 음극 집전체, 상기 음극 집전체 상에 코팅된 음극 활물질부 및 상기 음극 집전체의 권취 선단에 상기 음극 활물질부가 형성되지 않은 음극 무지부를 포함하고, 상기 음극탭은 상기 음극 무지부와 연결되며, 상기 음극탭 및 상기 음극탭과 인접한 상기 양극판 사이에 상기 음극 무지부가 개재될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전극 조립체의 부피 팽창에 따른 전극탭의 피로파단 현상과 전극탭의 발열에 따른 내부 단락을 방지할 수 있는 이차 전지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 조립 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 조립 순서 및 구조를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 종단면도이다.
도 6은 이차 전지의 충방전 사이클에 따른 음극판의 부피 팽창의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 음극 활물질부의 함량에 따른 음극판의 부피 팽창률을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 조립 사시도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 조립 순서 및 구조를 설명하기 위해 나타낸 도면이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 횡단면도이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 종단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지(100)는 케이스(110), 전극 조립체(130) 및 캡 조립체(150)를 포함한다. 더불어 상기 이차 전지(100)는 하부 절연판(120)과 센터 핀(140)을 더 포함할 수 있다.
상기 케이스(110)는 일정 직경을 갖는 원통면(111)과 상기 원통면 하부에 원판 형태의 바닥면(112)을 구비하며, 상부가 개방된 원통형 캔으로 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 전극 조립체(130)와 센터 핀(140)은 상기 케이스(110)의 상부를 통해 내부로 수용될 수 있다. 상기 케이스(110)는 스틸, 스테인레스 스틸, 알루미늄 또는 이의 등가물로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 여기서, 상기 전극 조립체(130)의 음극탭(134)은 상기 케이스(110)의 바닥면(112)에 용접될 수 있다. 따라서 상기 케이스(110)는 음극으로 동작할 수 있다. 물론, 반대로 상기 양극탭(135)이 상기 케이스(110)의 바닥면(112)에 용접될 수 있으며, 이러한 경우 상기 케이스(110)는 양극으로 동작할 수 있다.
상기 전극 조립체(130)는 상기 케이스(110)에 수납되며, 상기 하부 절연판(120) 위에 위치한다. 이러한 전극 조립체(130)는 음극판(131), 양극판(132), 상기 음극판(131)과 양극판(132) 사이에 개재된 세퍼레이터(133), 상기 음극판(131)과 연결된 음극탭(134) 및 상기 양극판(132)과 연결된 양극탭(135)를 포함한다.
상기 음극판(131)은 음극 집전체 상에 음극 활물질이 코팅된 음극 활물질부(131b) 및 상기 음극 집전체의 권취 선단에 상기 음극 활물질부(131b)이 형성되지 않은 음극 무지부(131a)를 포함할 수 있다. 상기 음극 집전체는 구리(Cu)를 포함할 수 있고, 상기 음극 활물질부(131b)는 흑연, 흑연과 금속계 복합물, 실리콘계 복합물 및 금속계 활물질을 포함할 수 있으며, 상기 금속계 활물질은 실리콘 및 주석을 포함할 수 있으나, 본 발명에서는 이러한 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 양극판(132)은 양극 집전체 상에 양극 활물질이 코팅된 양극 활물질부(132b)를 포함할 수 있다. 상기 양극 집전체는 알루미늄(Al) 포일로 이루어질 수 있으며, 상기 양극 활물질부(132b)는 전이금속산화물 예를 들어 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등을 포함할 수 있으나, 본 발명에서 이러한 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 세퍼레이터(133)는 상기 음극판(131)과 양극판(132) 간의 쇼트를 방지하고, 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 역할을 한다. 상기 세퍼레이터(133)는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)을 포함할 수 있으나, 본 발명에서 이러한 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 음극탭(134)은 상기 음극 무지부(131a)에 용접되며, 상기 음극판(131)의 하부로 일정 길이 돌출되고 연장될 수 있다. 상기 음극탭(134)은 니켈(Ni) 재질로 이루어질 수 있으나, 본 발명에서 이러한 재질을 한정하는 것은 아니다. 상기 음극탭(134) 중 상기 음극판(131)으로부터 돌출되어 연장된 부분은 상기 하부 절연판(120)에 형성된 제 1 홀(120a)를 관통하고 절곡되어 상기 케이스(110)의 바닥면(112)에 용접될 수 있다.
상기 양극탭(135)은 상기 양극판(132)에 용접되며, 상기 양극판(132)의 상부로 일정 길이 돌출되어 연장될 수 있다. 상기 양극탭(135)은 알루미늄(Al) 재질로 이루어질 수 있으나, 본 발명에서 이러한 재질을 한정하는 것은 아니다.
이하, 상기 전극 조립체(130)의 권취 방식 및 상기 음극탭(134)과 양극탭(135)의 위치 구성에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 세퍼레이터(133)는 상기 음극판(131)과 상기 양극판(132) 사이에 각각 위치한다. 여기서, 상기 세퍼레이터(133)는 상기 세퍼레이터(133)의 선단부가 권취 시작부(P)에 놓이도록 배치될 수 있다. 상기 음극판(131)은 상기 음극판(131)의 선단부인 상기 음극 무지부(131a)가 상기 권취 시작부(P)로부터 제 1 길이(L1)만큼 떨어진 위치에 놓이도록 배치될 수 있다. 상기 음극탭(134)은, 상기 음극 무지부(131a)에 연결되며, 상기 음극 활물질부(131b)로부터 제 2 길이(L2)만큼 떨어진 위치에 연결될 수 있다. 상기 양극판(132)은 상기 양극판(132)의 선단부가 상기 음극탭(134)으로부터 상기 제 2 길이(L2)만큼 떨어진 위치 또는 상기 음극 활물질부(131b)가 시작되는 위치에 놓이도록 배치될 수 있다.
이와 같이 배치된 상태에서, 상기 권취 시작부(P)에서부터 권취를 시작하면, 상기 세퍼레이터(133)는 상기 음극판(131)과 양극판(132)보다 상기 제 1 길이(L1)만큼 먼저 권취되어 상기 전극 조립체(130)의 권심부를 이룰 수 있다. 여기서, 상기 제 1 길이(L1)는 상기 세퍼레이터(133)가 2~3회 정도 권취될 수 있을 정도의 길이를 의미할 수 있다. 상기 제 1 길이(L1)는 맨드릴(mandrel)의 직경에 따라 달라질 수 있으므로, 구체적인 수치에 대해서는 한정하지 않는다.
이와 같이 상기 세퍼레이터(133)가 2~3회 먼저 권취된 후, 상기 음극판(131)의 권취가 시작될 수 있다. 이때, 상기 음극판(131)은 상기 음극탭(134)이 연결된 상기 음극 무지부(131a)부터 권취됨으로써, 상기 음극탭(134)은 상기 전극 조립체(130)의 권심부에 위치하게 된다. 상기 음극 무지부(131a) 중에서 상기 음극탭(134)과 음극 활물질부(131b) 사이는 상기 음극탭(134)보다 먼저 권취되는 부분으로, 적어도 1회 이상 권취되어 상기 음극탭(134)을 지날 수 있다. 따라서, 상기 제 2 길이(L2)는 상기 음극 무지부(131a)가 적어도 1회 이상 권취되어 상기 음극탭(134)을 지날 수 있을 정도의 길이를 의미할 수 있다. 상기 제 2 길이(L2)는 맨드릴의 직경에 따라 달라질 수 있으므로, 구체적인 수치에 대해서는 한정하지 않는다.
이와 같이 상기 세퍼레이터(133)와 상기 음극 무지부(131a)가 차례로 권취된 후, 상기 양극판(132)과 상기 음극 활물질부(131b)의 권취가 시작될 수 있다. 상기 양극탭(135)은 상기 전극 조립체(130)의 권심부에서 상기 전극 조립체(130)의 최외각 방향으로 1/3 내지 2/3 지점 내에 위치하도록 상기 양극판(132)에 연결될 수 있다.
이와 같은 방식으로 상기 전극 조립체(130)를 조립하면, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 음극탭(134)이 상기 전극 조립체(130)의 권심부에 위치할 수 있다. 이러한 경우, 셀의 충방전에 의한 부피팽창에 따라 음극탭과 음극판의 연결부위에서 받는 스트레스를 줄일 수 있으므로, 최외곽부에 음극탭이 위치하는 종래의 경우 보다 음극탭이 피로 파단되는 현상을 최소화할 수 있다.
또한, 상기 음극 무지부(131a)가 상기 음극탭(134)과 양극판(132) 사이에 적어도 1층 이상 개재되어 있으므로, 외부 단락 시 상기 음극탭(134)의 온도 증가에 의해 상기 세퍼레이터(133)가 녹는다 하더라도, 상기 음극탭(134)이 상기 양극판(132)에 직접 접촉하여 단락되는 것을 방지할 수 있다.
상기 센터핀(140)은 상기 전극 조립체(130)의 대략 중앙에 결합되어 있으며, 전지의 충방전 중 상기 전극 조립체(130)의 변형을 억제하는 역할을 한다.
상기 센터핀(140)은 전체적으로 대략 내부가 비워있는 원통형상을 이루게 된다. 그리고 상기 센터핀(140)은 스테인레스 스틸(Steel Using Stainless;SUS) 등의 금속 재질 또는 폴리부틸렌 테프탈레이트(PolyButylene Terepthalate; PBT) 등의 절연 재질일 수 있다. 상기 전극 조립체(130) 및 상기 센터핀(140)의 상부에는 다수의 제 2 홀(137a)이 형성된 상부 절연판(137)이 개재된다. 상기 제 2 홀(137a)을 통해 상기 양극탭(135)이 상기 상부 절연판(137)을 관통하고, 전해액이 주입될 수 있다. 이와 같이 상기 상부 절연판(137)은 상기 전극 조립체(130)와 상기 캡 조립체(150)의 접촉을 방지하는 역할을 한다.
상기 캡 조립체(150)는 상기 케이스(110)의 상부 영역(즉, 상기 전극 조립체(130) 및 센터핀(140)의 상부 영역)에 대략 링 형태로 절연성 가스켓(151)이 결합되고, 상기 절연성 가스켓(151)에는 도전성 상기 안전밴트(152)가 결합되어 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 안전밴트(152)에는 상기 양극탭(135)이 접속될 수 있다. 물론, 반대로 상기 안전밴트(152)에는 상기 음극탭(134)이 접속될 수도 있다. 상기 안전밴트(152)는 주지된 바와 같이 상기 원통형 캔(130)의 내부 압력 상승 시 변형되거나 파열되어 하기할 회로기판(153)을 파손시키거나 또는 가스를 외부로 방출시키는 역할을 한다.
또한, 상기 안전밴트(152)의 상부에는 상기 안전밴트(152)의 변형 시 파손 또는 파괴되어 전류가 차단되는 상기 회로기판(153)이 더 위치되어 있고, 상기 회로기판(153)의 상부에는 과전류 시 전류가 차단되는 양성 온도 소자(154)가 위치되어 있다. 더불어, 상기 양성 온도 소자(154)의 상부에는 외부에 양극 전압(또는 음극 전압)을 제공하며, 가스 배출이 용이하도록 다수의 통공(155a)이 형성된 도전성 양극 캡(155)(또는 음극 캡)이 더 위치되어 있다. 물론, 상술한 상기 안전밴트(152), 상기 회로기판(153), 상기 양성 온도 소자(154) 및 상기 양극 캡(155)은 모두 절연성 상기 가스켓(151)의 내측에 장착되어 있음으로써, 상기 원통형 캔(110)과의 직접적인 쇼트가 방지되도록 되어 있다. 더불어, 상기 회로기판(153)의 표면에는 배선 패턴(153a)이 형성되어 있는데, 이러한 배선 패턴(153a)은 상기 회로기판(153)이 파손되거나 파괴되면 자연스럽게 끊어지도록 되어 있다.
한편, 상기 원통형 캔(110)에는 상기 캡 조립체(150)가 외부로 이탈되지 않도록 캡 조립체(150)를 중심으로 그 하부에는 내부로 움푹 파인 비딩부(beading part)(113)가 형성되고, 그 상부에는 내부로 절곡된 크림핑부(crimping part)(114)가 형성되어 있다. 이러한 상기 비딩부(113) 및 상기 크림핑부(114)는 상기 캡조립체(150)를 원통형 캔(110)에 단단히 고정 및 지지하는 역할을 하며, 또한 전해액이 외부로 누액되지 않도록 하는 역할을 한다.
더불어, 상기 케이스(110)의 내측에는 전해액이 주입되어 있으며, 이는 충방전시 전지 내부의 상기 음극판(131) 및 양극판(132)에 서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온이 이동 가능하게 하는 역할을 한다. 이러한 전해액은 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액일 수 있다. 더불어, 상기 전해액은 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있으며, 여기서 상기 전해액의 종류를 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에 따르면, 음극탭이 전극 조립체의 권심부에 위치함으로써, 셀의 충방전에 의한 부피 팽창에 따라 음극탭과 음극판의 연결부위에서 받는 스트레스를 줄일 수 있기 때문에, 최외곽부에 음극탭이 위치하는 종래의 경우 보다 음극탭이 피로 파단되는 현상을 최소화할 수 있다.
또한, 음극탭과 양극판 사이에 음극 무지부가 개재되어 있으므로, 이차 전지의 외부 단락 시 음극탭의 온도 증가에 의해 세퍼레이터가 녹는다 하더라도, 음극탭이 양극판에 직접 접촉하여 단락되는 것을 방지할 수 있다.
도 6은 이차 전지의 충방전 사이클에 따른 음극판의 부피 팽창의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 7은 음극 활물질부의 함량에 따른 음극판의 부피 팽창률을 나타낸 그래프이다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 음극 활물질의 종류와 함량(음극판의 합제밀도 1.45g/cc 이상)에 따른 음극판의 팽창률이 높은 경우에는 본 발명의 실시예에 같이 전극 조립체를 구성하는 것이 효과적이다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100: 이차 전지 110: 케이스
120: 하부 절연판 130: 전극 조립체
131: 음극판 131a: 음극 무지부
131b: 음극 활물질부 132: 양극판
132b: 양극 활물질부 133: 세퍼레이터
134: 음극탭 135: 양극탭
140: 센터핀 150: 캡 조립체

Claims (10)

  1. 음극판, 양극판, 상기 음극판과 양극판 사이에 개재된 세퍼레이터, 상기 음극판과 연결된 음극탭 및 상기 양극판과 연결된 양극탭을 권취하여 형성된 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및
    상기 케이스를 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고,
    상기 음극탭은 상기 전극 조립체의 권심부에 위치한 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극판은 음극 집전체, 상기 음극 집전체 상에 코팅된 음극 활물질부 및 상기 음극 집전체의 권취 선단에 상기 음극 활물질부가 형성되지 않은 음극 무지부를 포함하고,
    상기 음극탭은 상기 음극 무지부와 연결된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 음극 무지부는 상기 양극탭보다 먼저 권취되며 상기 음극탭을 지나도록 권취된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 음극 무지부 중 상기 음극탭 및 상기 음극 활물질부 사이는 상기 권심부를 따라 적어도 1회 이상 상기 양극판보다 먼저 권취된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 음극 활물질부는 흑연, 흑연과 금속계 복합물, 실리콘계 복합물, 및 금속계 활물질부 중 하나를 포함하고,
    상기 금속계는 실리콘 및 주석 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 권심부를 따라 상기 음극판 및 상기 양극판보다 먼저 권취된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 음극판 및 상기 양극판보다 2 내지 3회 먼저 권취된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극탭은 상기 권심부에서 상기 전극 조립체의 최외각 방향으로 1/3 내지 2/3 지점 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  9. 음극판, 양극판, 상기 음극판과 양극판 사이에 개재된 세퍼레이터, 상기 음극판과 연결된 음극탭 및 상기 양극판과 연결된 양극탭을 권취하여 형성된 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및
    상기 케이스를 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고,
    상기 음극탭은 상기 전극 조립체의 권심부에 위치하며,
    상기 음극탭 및 상기 음극탭과 인접한 상기 양극판 사이에 상기 음극판이 개재된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 음극판은 음극 집전체, 상기 음극 집전체 상에 코팅된 음극 활물질부 및 상기 음극 집전체의 권취 선단에 상기 음극 활물질부가 형성되지 않은 음극 무지부를 포함하고,
    상기 음극탭은 상기 음극 무지부와 연결되며,
    상기 음극탭 및 상기 음극탭과 인접한 상기 양극판 사이에 상기 음극 무지부가 개재된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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