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KR20160030688A - 과전류 차단수단이 구비된 이차전지 - Google Patents

과전류 차단수단이 구비된 이차전지 Download PDF

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Publication number
KR20160030688A
KR20160030688A KR1020140120164A KR20140120164A KR20160030688A KR 20160030688 A KR20160030688 A KR 20160030688A KR 1020140120164 A KR1020140120164 A KR 1020140120164A KR 20140120164 A KR20140120164 A KR 20140120164A KR 20160030688 A KR20160030688 A KR 20160030688A
Authority
KR
South Korea
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lead
overcurrent
blocking region
secondary battery
electrode plate
Prior art date
Application number
KR1020140120164A
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English (en)
Inventor
김경준
김인중
김유신
정택주
Original Assignee
주식회사 루트제이드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 주식회사 루트제이드 filed Critical 주식회사 루트제이드
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Abstract

본 발명은 과전류 차단수단이 구비된 이차전지에 관한 것으로서, 구체적으로는, 과충전, 과방전, 과전류 등으로부터 이차전지 및 전자기기를 보호할 수 있도록 구성된 과전류 차단 수단을 구비한 이차전지에 관한 것이며, 적어도 하나 이상의 양극판 및 음극판을 포함하는 전극체; 상기 전극체가 수납되는 전지 케이스; 상기 전극체의 전극탭과 연결되는 리드; 및 상기 리드의 길이방향 일부에 형성되며, 상기 리드의 단면적보다 작은 단면적을 가지는 과전류 차단 영역;을 포함할 수 있다.

Description

과전류 차단수단이 구비된 이차전지{Secondary battery having overcurrent shut-off means}
본 발명은 과전류 차단수단이 구비된 이차전지에 관한 것으로서, 구체적으로는, 과충전, 과방전, 과전류 등으로부터 이차전지 및 전자기기를 보호할 수 있도록 구성된 과전류 차단 수단을 구비한 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로, 최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저 용량 전지의 경우 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대 전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원의 경우에는 상기 전지 셀을 수십 개 직렬 또는 병렬로 연결하여 대용량의 이차 전지를 구성하게 된다.
상기 이차전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데 대표적인 형상으로는, 띠 상의 양극판과 음극판 사이에 절연체인 분리막(separator)을 개재(介在)하여 이를 와류 상으로 감아 전극군(또는 젤리롤, jelly-roll type)을 형성한 원통형과, 양극판과 음극판 및 분리막을 복수개로 적층하여 전극군을 형성한 후 이를 케이스에 내장 설치한 스택형(stack type)이 있다.
이러한 이차전지는 양극판, 음극판, 분리막 및 전해질로 이루어지며, 전기화학적 반응을 통해 양극판과 음극판 사이에서 이온이 이동될 때 발생되는 기전력에 의해 충전/방전이 이루어진다. 이와 같은 이차전지는 전지의 작동 전위가 높기 때문에 고에너지가 순간적으로 흐를 수 있고, 양극 물질은 과충전, 과방전 또는 단락(쇼트, short)에 의하여 화학적인 활성화가 크게 증대되기 때문에 전해질과 급격히 반응하여 다량의 가스를 발생시킨다. 그 결과 이차전지 내부의 압력이나 온도가 급격히 상승되고 전지의 폭발로 이어져, 주변 장치가 파손되거나 인체에 손상을 입힐 수 있다. 따라서 이차전지에는 폭발을 방지할 수 있는 다양한 형태의 안전 수단이 제안되고 있다.
따라서, 이차전지에는 과충전, 과방전, 과전류시 전류를 차단하는 보호회로, 온도 상승시 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(Postive Temperature Coefficient Element), 가스 발생에 따른 압력 상승시 전류를 차단하거나 가스를 배기하는 안전벤트 등의 안전 수단이 구비되어 있다.
예를 들어, 원통형의 이차전지에서는 원통형 캔에 내장되어 있는 전극 조립체 상부에 PTC 소자 및 안전벤트가 통상 설치되어 있고, 각형 또는 파우치형 이차전지에서는 보호회로모듈, PTC 소자 등이 일반적으로 탑재되어 있다.
하지만, 전지에 과전류가 흐르거나, 과충전 또는 과방전시 전지 내부의 온도와 안전 수단에서 감지되는 온도가 차이가 발생하여 결과적으로 전극 조립체를 제대로 보호할 수 없게 되는 문제점이 있다.
또한, 안전수단은 전극 조립체와 별도로 마련되기 때문에 안전수단이 차지하는 공간만큼 이차전지의 전체 크기도 커져 버리는 문제점이 있다.
따라서, 본 출원인은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명을 개발하게 되었으며, 이와 관련된 선행기술문헌으로는 대한민국 공개특허공보 공개번호 10-2011-0075789호의 '폭발방지수단을 구비하는 이차전지'가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 이차전지에 과전류가 흐를 시에 일시적으로 저항을 증가시켜 과전류의 흐름을 차단할 수 있도록 하는 과전류 차단 수단이 구비된 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 과전류 차단수단이 구비된 이차전지는, 적어도 하나 이상의 양극판 및 음극판을 포함하는 전극체; 상기 전극체가 수납되는 전지 케이스; 상기 전극체의 전극탭과 연결되는 리드; 및 상기 리드의 길이방향 일부에 형성되며, 상기 리드의 단면적보다 작은 단면적을 가지는 과전류 차단 영역;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 과전류 차단수단이 구비된 이차전지는, 적어도 하나 이상의 양극판 및 음극판을 포함하는 전극체; 상기 전극체가 수납되는 전지 케이스; 상기 전극체의 전극탭과 연결되는 리드; 및 상기 리드에 형성되며, 다른 부위 보다 큰 저항을 가지는 과전류 차단 영역;을 포함할 수 있다.
상기 과전류 차단 영역은, 상기 리드의 일면에서 서로 일정간격을 두고 상기 리드의 두께방향을 따라 형성되는 복수개의 수직벽과, 상기 복수개의 수직벽 일단을 서로 연결하는 수평벽을 포함할 수 있다.
상기 과전류 차단영역은, 상기 리드의 폭방향 길이 전체 또는 폭방향 길이 일부에 형성될 수 있다.
상기 과전류 차단영역은, 상기 리드의 두께방향 및 폭방향으로 서로 일정간격을 두고 상기 리드의 상면 및 하면에서 복수개로 형성될 수 있다.
상기 과전류 차단영역이 형성된 리드 부위의 두께방향 길이 또는 폭방향 길이는 상기 과전류 차단영역이 형성되지 않은 리드 부위의 두께 또는 폭보다 작게 형성될 수 있다.
상기 과전류 차단 영역은, 상기 리드의 폭방향 또는 두께방향으로 형성되는 관통구멍을 포함할 수 있다.
상기 관통구멍은 상기 리드의 폭방향 중앙부 또는 두께방향 중앙부에 형성될 수 있다.
상기 과전류 차단 영역이 형성된 상기 리드의 부위에는 도전성 테이프가 감겨질 수 있다.
상기 과전류 차단 영역의 수직벽 또는 수평벽에는 노치가 형성될 수 있다.
상기 노치는 V자 형상, ㄷ자 형상 또는 원호의 형상 중 적어도 어느 하나의 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 과전류 차단수단이 구비된 이차전지는, 이차전지에 과전류가 흐르거나 과충전, 과방전 또는 쇼트시에 이차전지의 전류 흐름을 신속히 차단하여 이차전지 및 전자기기를 폭발의 위험에서 보호하고, 또한, 안전사고를 미연에 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은, 과전류 안전수단을 이차전지와 별도로 마련하지 않아도 되므로, 이차전지의 전체적인 사이즈를 줄이면서 이차전지 및 전자기기를 전기적으로 안정되기 보호할 수 있다.
또한, 본 발명의 과전류 차단영역은 이차전지가 충격이나 진동을 많이 받는 환경에서도 견딜 수 있는 구조로 상기 리드에 형성되기 때문에, 이차전지가 사용되는 전자기기의 안전성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 양극판과 음극판의 적층구조를 보여주는 사시도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 과전류 차단수단이 구비된 이차전지의 사시도 및 측면도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 과전류 차단수단이 구비된 이차전지의 사시도 및 측면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 과전류 차단영역에 노치가 형성된 모습을 보여주는 도면.
도 7은 ㄷ자 및 원호의 형상으로 과전류 차단영역의 수평벽에 형성된 노치를 보여주는 평면도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 과전류 차단수단이 젤리롤 타입 이차전지의 적용된 상태를 보여주는 사시도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 과전류 차단수단이 구비된 이차전지가 상세하게 설명된다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략된다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 과전류 차단수단이 구비된 이차전지(100)는, 적어도 하나 이상의 양극판(11) 및 음극판(12)을 포함하는 전극체(10)와, 상기 전극체(10)가 수납되는 전지 케이스(20, 도2참조)와, 상기 전극체(10)의 전극탭(15)과 연결되는 리드(30) 및 상기 리드(30)의 길이방향 일부에 형성되며, 상기 리드(30)의 단면적보다 작은 단면적을 가지는 과전류 차단 영역(40)을 포함할 수 있다.
상기 전극체 내지 전극조립체(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 적어도 하나 이상의 양극판(11)과 음극판(12)이 교대로 적층되어 형성되며, 상기 양극판(11)과 음극판(12) 사이에는 분리막(separator, 13)이 위치할 수 있다.
그리고, 상기 양극판(11) 및 음극판(12)의 일측에는 전극탭(15)이 각각 돌출 형성될 수 있다.
상기 양극판(11)과 상기 음극판(12)이 교대로 적층되면, 상기 양극판(11)에서 돌출된 전극탭(15)은 서로 일치되어 적층되고, 상기 음극판(12)에서 돌출된 전극탭(15)도 서로 일치되어 적층될 수 있다.
그리고, 도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 양극판(11) 및 음극판(12)에서 각각 돌출된 전극탭(15)은 상기 리드(30)와 연결될 수 있다. 참고로, 본 발명의 실시예에서는 도면이 복잡하게 보이지 않도록 하기 위하여, 상기 양극판(11)에서 돌출된 전극탭(15)만 리드(30)에 연결되는 것으로 도면에 도시하였으며, 상기 음극판(12)에서 돌출된 전극탭(15)이 상기 리드(30)와 연결되는 구조 및 연결방식은 상기 양극판(11)에서 돌출된 전극탭(15)이 상기 리드(30)에 연결되는 구조 및 연결방식과 동일하며, 이하에서 언급되는 전극탭(15)은 상기 양극판(11)에서 돌출된 전극탭(15)으로 정의한다.
상기 전극탭(15)과 상기 리드(30)는 레이저용접이나 초음파용접 등과 같은 접합방식으로 서로 연결될 수 있다.
상기 전지 케이스(20)는, 파우치(pouch) 형상을 포함할 수 있으며, 상기 전극체(10)를 수용할 수 있는 크기를 갖는다면 그 형상 또는 재질에는 제한이 없다.
상기 과전류 차단영역(40)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 리드(30)의 일면에서 서로 일정간격을 두고 상기 리드(30)의 두께방향을 따라 형성되는 복수개의 수직벽(41)과, 상기 복수개의 수직벽(41) 일단을 서로 연결하는 수평벽(42)을 포함할 수 있다.
상기 과전류 차단영역(40)은, 상기 리드(30)에 과전류가 흐를 경우에, 상기 리드(30)의 길이방향 일부에서 상기 리드(30)의 단면적을 감소시켜 단선이 유도되도록 한다. 즉, 상기 과전류 차단영역(40)은, 과전류에 따른 저항의 역할을 하고, 이에 따라 상기 리드(30)의 길이방향 일부에서 부분적으로 리드(30)가 녹거나 용융되어 상기 리드(30)가 단선 즉, 끊어질 수 있도록 한다.
하지만, 상기 과전류 차단영역(40)이 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 리드(30)의 두께방향 일측으로 치우치게 형성되어 상기 리드(30)의 두께방향에서의 단면적을 과도하게 감소시킬 경우, 즉, 상기 리드(30)의 두께를 과도하게 감소시킬 경우에는 상기 리드(30)가 구조적으로 취약하게 되어 외력에 의해 쉽게 변형되거나 부러질 수도 있다.
따라서, 상기 과전류 차단영역(40)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 리드(30)의 두께방향 및 폭방향으로 서로 일정간격을 두고 상기 리드(30)의 상면 및 하면에 각각 형성될 수 있다.
상기 과전류 차단영역(40)은, 상기 리드(30)의 두께방향 및 폭방향에서 일측으로 치우치지 않게 서로 일정간격 이격되어 상기 리드(30)에 복수개로 형성되기 때문에, 외력에 의해 발생되는 상기 리드(30)의 변형률을 감소시켜 내구성을 향상시킬 수 있다.
참고로, 상기 과전류 차단영역(40)으로 상기 리드(30)의 두께 및 폭을 줄여 상기 리드(30)의 단면적을 감소시키는 비율은 전지의 용량과 재료의 특성 등을 감안하여 결정될 수 있다.
그리고, 상기 과전류 차단영역(40)으로 상기 리드(30)의 단면적을 감소시키는 구성은 전술한 실시예 이외에도 다양한 실시예가 적용될 수 있다. 즉, 전술한 실시예 에서는, 상기 수직벽(41) 및 수평벽(42)에 의해 상기 리드(30)에 음각의 홈을 형성시켜 상기 과전류 차단영역(40)을 형성하는 것으로 설명되었으나, 이에 한정되지 않고, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 과전류 차단영역(40)은, 상기 리드(30)의 폭방향 또는 두께방향으로 형성되는 관통구멍(43)을 포함할 수 있다.
상기 관통구멍(43)도 상기 리드(30)의 구조적 안정을 위하여 상기 리드(30)의 두께방향 중앙부 또는 폭방향 중앙부에 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 과전류 차단영역(40)이 상기 리드(30)의 두께방향 중앙부 또는 폭방향 중앙부에 형성된다고 하여도, 상기 과전류 차단영역(40)이 형성된 상기 리드(30)의 부위는 단면적(두께 또는 폭)이 감소됨에 따라 취약한 구조를 가지는 것은 어쩔 수 없기 때문에, 상기 리드(30)의 구조적 취약성을 보완하기 위하여 상기 과전류 차단영역(40)이 형성된 부위에 도전성 테이프(미도시)를 감는 테이핑 작업을 하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 과전류 차단영역(40)의 수직벽(41) 또는 수평벽(42)에는 도 6에 도시된 바와 같이, 노치(notch, 44)가 형성될 수 있다. 참고로, 본 발명의 명세서 도 6에는 상기 노치(44)가 상기 수평벽(42)에만 형성되어 상기 리드(30)의 폭을 줄이는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 과전류 차단영역(40)이 상기 리드(30)의 폭방향에서 서로 일정간격 이격되어 복수개로 형성되었을 시에는, 상기 수직벽(41)에 형성되어 상기 리드(30)의 두께를 줄일 수도 있다.
상기 노치(44)는 상기 과전류 차단영역(40)의 수직벽(41) 또는 수평벽(42)이 과전류에 의해 용이하게 끊어질 수 있도록, 도 6에 도시된 바와 같이 V자 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 노치(44)는 상기 수직벽(41) 또는 수평벽(42)의 길이방향 일부에서 상기 수직벽(41) 또는 수평벽(42)의 폭 방향 또는 높이방향을 따라 절개되어 상기 수직벽(41)의 높이 또는 상기 수평벽(42)의 폭을 줄일 수 있는 형상이라면 다양한 형상이 적용될 수 있다.
참고로, 상기 노치(44)가 V자 형상으로 형성될 경우, 과전류에 의해서만 끊어져야 하는 상기 과전류 차단영역(40)이 외력에 의해서도 쉽게 끊어질 가능성이 높기 때문에 상기 과전류 차단영역(40)이 제 기능을 수행하지 못할 수가 있다.
따라서, 상기 노치(44)는, 도 7에 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 수직벽(41) 또는 수평벽(42)이 외력에 의해 쉽게 끊어지는 것을 방지하고 과전류에 의해서만 끊어질 수 있도록 ㄷ자 또는 원호 또는 만곡(彎曲) 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 리드(30)에 형성되는 과전류 차단영역(40)은 리드(30)에 함몰지게 형성된 것이면 어떠한 모양이라도 적용될 수 있다. 예를 들면, 리드(30)의 두께 방향에서 볼 때 곡면으로 형성될 수도 있다. 즉, 과전류가 흐를 경우에 리드(30)의 다른 부분 보다 큰 저항을 가지는 것이면 어떠한 모양, 구조라도 과전류 차단수단 또는 차단영역(40)이 될 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 과전류 차단수단을 구비한 이차전지는, 상기 전극체(10)에서 발생되는 과전류에도 상기 리드(30)가 상기 과전류 차단영역(40)에 의해 저항이 증가되어 단선될 수 있으므로, 이차전지 및 전자기기를 폭발의 위험에서 보호하여 안전사고를 미연에 방지할 수 있다.
그리고, 상기 리드(30)에 직접적으로 과전류 차단영역(40)을 형성하기 때문에, 이차전지의 전체적인 사이즈를 줄이면서 이차전지 및 전자기기를 전기적으로 안정되게 보호할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
즉, 본 발명에 실시예에 따른 과전류 안전수단이 구비된 이차전지는, 적층형 전극군을 가지는 이차전지에 적용될 수 있을 뿐만 아니라 도 8에 도시된 바와 같이, 다른 형태(예를 들면, 젤리롤 타입의 권선형 전극군을 포함하는 전지 또는 하나의 양극판과 하나의 음극판을 접어서 형성된 전극군을 포함하는 전지 등)의 이차전지에도 적용될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 전극체 11 : 양극판
12 : 음극판 15 : 전극탭
20 : 전지 케이스 30 : 리드
40 : 과전류 차단영역 41 : 수직벽
42 : 수평벽 43 : 관통구멍
44 : 노치

Claims (11)

  1. 적어도 하나 이상의 양극판 및 음극판을 포함하는 전극체;
    상기 전극체가 수납되는 전지 케이스;
    상기 전극체의 전극탭과 연결되는 리드; 및
    상기 리드의 길이방향 일부에 형성되며, 상기 리드의 단면적보다 작은 단면적을 가지는 과전류 차단 영역;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 과전류 차단수단이 구비된 이차전지.
  2. 적어도 하나 이상의 양극판 및 음극판을 포함하는 전극체;
    상기 전극체가 수납되는 전지 케이스;
    상기 전극체의 전극탭과 연결되는 리드; 및
    상기 리드에 형성되며, 다른 부위 보다 큰 저항을 가지는 과전류 차단 영역;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 과전류 차단수단이 구비된 이차전지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 과전류 차단 영역은,
    상기 리드의 일면에서 서로 일정간격을 두고 상기 리드의 두께방향을 따라 형성되는 복수개의 수직벽과, 상기 복수개의 수직벽 일단을 서로 연결하는 수평벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 과전류 차단수단이 구비된 이차전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 과전류 차단영역은,
    상기 리드의 폭방향 길이 전체 또는 폭방향 길이 일부에 형성되는 것을 특징으로 하는 과전류 차단수단이 구비된 이차전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 과전류 차단영역은,
    상기 리드의 두께방향 및 폭방향으로 서로 일정간격을 두고 상기 리드의 상면 및 하면에서 복수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 과전류 차단수단이 구비된 이차전지.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 과전류 차단영역이 형성된 리드 부위의 두께방향 길이 또는 폭방향 길이는 상기 과전류 차단영역이 형성되지 않은 리드 부위의 두께 또는 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 과전류 차단수단이 구비된 이차전지.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 과전류 차단 영역은,
    상기 리드의 폭방향 또는 두께방향으로 형성되는 관통구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 과전류 차단수단이 구비된 이차전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 관통구멍은 상기 리드의 폭방향 중앙부 또는 두께방향 중앙부에 형성되는 것을 특징으로 하는 과전류 차단수단이 구비된 이차전지.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 과전류 차단 영역이 형성된 상기 리드의 부위에는 도전성 테이프가 감겨지는 것을 특징으로 하는 과전류 차단수단이 구비된 이차전지.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 과전류 차단 영역의 수직벽 또는 수평벽에는 노치가 형성되는 것을 특징으로 하는 과전류 차단수단이 구비된 이차전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 노치는 V자 형상, ㄷ자 형상 또는 원호의 형상 중 적어도 어느 하나의 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 과전류 차단수단이 구비된 이차전지.
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