JP2000215875A - 非水電解質電池 - Google Patents

非水電解質電池

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JP2000215875A
JP2000215875A JP11017970A JP1797099A JP2000215875A JP 2000215875 A JP2000215875 A JP 2000215875A JP 11017970 A JP11017970 A JP 11017970A JP 1797099 A JP1797099 A JP 1797099A JP 2000215875 A JP2000215875 A JP 2000215875A
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polymer electrolyte
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Junichi Toriyama
順一 鳥山
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Japan Storage Battery Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】高分子電解質を使用した非水電解質二次電池に
おいては、固体高分子電解質膜の機械的強度がきわめて
弱く、取り扱いが困難であった。また、固体高分子電解
質が極めて薄いために、内部短絡が起こりやすく、電池
が発火するなどの危険性があった。 【解決手段】少なくとも一層の固体高分子電解質を含む
層と少なくとも一層のビカット軟化温度が100℃以下
の熱可塑性高分子化合物を含む層を備える隔離体を使用
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子電解質を用
いた非水電解質電池に関する。
【0002】
【従来の技術】電子機器の急激な小型軽量化に伴い、そ
の電源である電池に対して小型で軽量かつ高エネルギー
密度、更に繰り返し充放電が可能な二次電池への要求が
高まっている。また、大気汚染や二酸化炭素の増加等の
環境問題により、電気自動車の早期実用化が望まれてお
り、高効率、高出力、高エネルギー密度、軽量等の特徴
を有する優れた二次電池の開発が要望されている。
【0003】これらの要求を満たす二次電池として、非
水電解質を使用した二次電池が実用化されている。この
電池は、従来の水溶液電解液を使用した電池の数倍のエ
ネルギー密度を有している。その例として、正極にコバ
ルト複合酸化物、ニッケル複合酸化物又はスピネル型リ
チウムマンガン酸化物を用い、負極にリチウムが吸蔵・
放出可能な炭素材料などを用い、電解質として有機電解
液を用いた、高エネルギーで長寿命な4V級非水電解質
二次電池が実用化されている。
【0004】これらのリチウム系二次電池においては、
有機電解液を使用しているため、電解液が漏れやすいと
いう欠点を持ち、電池の密閉方法などの製造方法が複雑
であった。
【0005】そこで、液漏れのない電池系として、固体
高分子電解質を使用する電池が開発された。初期の固体
高分子電解質は、ポリエチレンオキシド等のポリマーと
過塩素酸リチウム等のリチウム塩を混合したもので、室
温でのリチウムイオン電導度が低いという欠点をもって
いた。
【0006】そこで、室温でのリチウムイオン電導度を
高め、しかも機械的強度の大きい固体高分子電解質を得
るために、網状架橋高分子や櫛型高分子を使用し、高分
子化合物の結晶化を防止する工夫がなされている。
【0007】さらに、固体高分子電解質の室温でのリチ
ウムイオン電導度を高めるために、固体高分子電解質と
有機電解液の混合系を使用したり、有孔性固体高分子電
解質を用いてその孔中に有機電解液を保持させる等の工
夫がなされている。
【0008】特に、有孔性固体高分子電解質膜は、高分
子膜の孔中にリチウムイオン導電性非水電解液を含み、
さらに高分子膜自身もリチウムイオンが通過可能なリチ
ウムイオン導電性電解質膜であり、室温でのリチウムイ
オン電導度が高く、高率放電が可能で大容量の電池に適
している。
【0009】一般に、固体高分子電解質膜を使用した電
池では、電解質そのものが柔軟性に富み、しかも薄くす
ることが可能なこと、さらに電解質を薄くすればそれだ
け電解質の電導度が高くなるため、できるだけ薄い電解
質を使用することが好ましい。
【0010】このような固体高分子電解質膜を使用した
電池は、あらかじめ調製された正極と負極とを固体高分
子電解質膜を介在させて組み合わせたのち、巻回または
積層して作られ、高率での放電や低温での放電が可能と
なる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】一般に、固体高分子電
解質膜はポリマーとリチウム塩とから構成され、さらに
有機電解液を含ませる場合もあるために、その機械的強
度がきわめて弱く、取り扱いが困難で、製造工程が複雑
であった。また、固体高分子電解質膜は室温でのリチウ
ムイオン電導度を高めるために、極めて薄い形状で使用
されるために、過充電時のリチウムデンドライトの発生
や、放電時の正極の膨張等の原因によって、内部短絡を
起こし、電池が発火したり爆発するという危険性があっ
た。
【0012】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、機械的強度が強く、電池の内部短絡
によるは発火や爆発を防止し、安全性の高い非水電解質
電池を提供するものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明になる非水電解質
電池は、正極、負極および隔離体を備え、上記隔離体
が、少なくとも一層の固体高分子電解質を含む層と少な
くとも一層のビカット軟化温度が100℃以下の熱可塑
性高分子化合物を含む層を備えるものである。
【0014】また、上記隔離体が、固体高分子電解質を
含む層とビカット軟化温度が100℃以下の熱可塑性高
分子化合物を含む層とからなる二層構造であるか、固体
高分子電解質を含む層とビカット軟化温度が100℃以
下の熱可塑性高分子化合物を含む層と固体高分子電解質
を含む層とを順次積層した三層構造であるか、あるいは
ビカット軟化温度が100℃以下の熱可塑性高分子化合
物を含む層と固体高分子電解質を含む層とビカット軟化
温度が100℃以下の熱可塑性高分子化合物を含む層と
を順次積層した三層構造とするものである。
【0015】なお、、本発明においては、上記隔離体を
構成する固体高分子電解質がビカット軟化温度が100
℃以下の熱可塑性高分子化合物を含んでいてもよい。さ
らに、本発明においては、上記ビカット軟化温度が10
0℃以下の熱可塑性高分子化合物としてポリエチレンま
たはポリプロピレン使用することが好ましく、また、上
記固体高分子電解質が有孔性であってもよい。
【0016】
【発明の実施の形態】本発明になる少なくとも一層の固
体高分子電解質を含む層と少なくとも一層のビカット軟
化温度が100℃以下の熱可塑性高分子化合物を含む層
を備えた隔離体は、次のような手順で作製する。
【0017】まず、高分子の粉末を有機溶媒に溶解した
高分子溶液を作製し、次にこの高分子溶液にリチウム塩
を溶解して均一な溶液を作製し、これを平板上に塗布
し、有機溶媒を蒸発させ、平板から引き剥がすことによ
って、固体高分子電解質膜を作製する。
【0018】別に、ビカット軟化温度が100℃以下の
熱可塑性高分子化合物の樹脂を、繊維状とした後不織布
に加工した膜や、フィルム状とした後微細な孔を多数開
けた多孔膜を作製する。
【0019】そして、固体高分子電解質膜と多孔膜を一
層づつ積層して二層構造にするか、固体高分子電解質膜
と多孔膜と固体高分子電解質膜を三層に積層するか、あ
るいは多孔膜と固体高分子電解質膜と多孔膜を三層に積
層して、隔離体とする。このようにして作製した隔離体
は、有機電解液で膨潤させたり、有機電解液を含ませ
て、電池に使用する。
【0020】なお、本発明になる隔離体を構成する固体
高分子電解質にビカット軟化温度が100℃以下の熱可
塑性高分子化合物を含ませる場合には、まず高分子の粉
末を有機溶媒に溶解した高分子溶液を作製し、次にこの
高分子溶液にリチウム塩を溶解し、さらにビカット軟化
温度が100℃以下の熱可塑性高分子化合物を溶解また
は分散させて均一な溶液を作製し、これをガラス板等の
平板上に塗布し、有機溶媒を蒸発させ、平板から引き剥
がすことによって作製する。
【0021】発明になる非水電解質二次電池は、このよ
うにして作製した隔離体と、正極と、負極とを備えたも
のであり、平板状の正極と隔離体と負極とを交互に積層
した極板群、あるいは帯状の正極板と負極板の間に隔離
体を挟んで巻回した極板群を使用するものである。
【0022】本発明になる隔離体に含ませるビカット軟
化温度が100℃以下の熱可塑性高分子化合物として
は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポ
リメタクリル酸メチル、ポリ塩化ビニリデン、ポリプロ
ピレン−塩化ビニル共重合体等、もしくはこれらの混合
物を使用することができる。なお、熱可塑性プラスチッ
クのビカット軟化温度試験方法は、JIS K 7206
(−1982)に定められている。
【0023】また、隔離体が少なくとも一層の固体高分
子電解質を含む層と少なくとも一層のビカット軟化温度
が100℃以下の熱可塑性高分子化合物を含む層を備え
たものである場合には、ビカット軟化温度が100℃以
下の熱可塑性高分子化合物を含む層としては、熱可塑性
高分子化合物の樹脂を、繊維状とした後不織布に加工し
た膜や、フィルム状とした後微細な孔を多数開けた多孔
膜を使用する。
【0024】隔離体の一部にビカット軟化温度が100
℃以下の熱可塑性高分子化合物を含ませることによっ
て、この隔離体を電池に使用した場合、優れたシャット
ダウン機能を示すものである。
【0025】なお、ここでいう「シャットダウン機能」
とは、外部短絡などによる大電流によって、電池温度が
異常に上昇した時、隔離体に使用したビカット軟化温度
が100℃以下の熱可塑性高分子化合物が熱収縮してイ
オンの通路である孔を塞ぎ、それ以降の短絡電流の流れ
を止め、発熱を抑える機能をいう。
【0026】また、本発明になる非水電解質電池におい
て、隔離体を構成する固体高分子電解質がビカット軟化
温度が100℃以下の熱可塑性高分子化合物を含む場
合、ビカット軟化温度が100℃以下の熱可塑性高分子
化合物の形状としては、球状、塊状、繊維状など、種々
の形状のものが使用できる。また固体高分子電解質への
ビカット軟化温度が100℃以下の熱可塑性高分子化合
物の添加量は、使用する固体高分子電解質の材質と熱可
塑性高分子化合物の材質によって選択すればよい。ただ
し、熱可塑性高分子化合物の添加量が少なすぎると目的
の機械的強度が得られないし、シャットダウン機能が正
常に働かず、また、添加量が多すぎると高分子固体電解
質膜の電導度が低下して、電池特性が低下するため、添
加量は適当な範囲に限定する必要がある。そのため熱可
塑性高分子化合物の添加量は、固体高分子100重量部
に対し、10〜40重量部とすることが好ましい。
【0027】さらに本発明においては、隔離体に使用す
る固体高分子電解質として有孔性固体高分子電解質を使
用することも可能である。有孔性固体高分子電解質は、
次のような溶媒抽出法によって作製する。まず、有機電
解液で膨潤または湿潤する性質を持つ高分子の粉末を有
機溶媒(a)に溶解して高分子溶液を作製し、この溶液
を水やアルコール等の抽出用溶媒(b)中に浸漬し、有
機溶媒(a)を抽出して、目的の多孔度をもつ有孔性固
体高分子電解質を得る。なお、有孔性高分子電解質電解
質の多孔度は、室温で高いリチウムイオン電導度を得る
ためには、20〜90%であることが好ましい。
【0028】なお、高分子溶液にビカット軟化温度が1
00℃以下の熱可塑性高分子化合物を加えた後、溶媒抽
出することによって、熱可塑性高分子化合物を含んだ有
孔性固体高分子電解質を得ることもできる。
【0029】この有孔性固体高分子電解質の固体高分子
電解質部分を有機電解液で膨潤させ、さらに孔中に有機
電解液を含ませて、有孔性固体高分子電解質とした。
【0030】高分子電解質電解質に使用する高分子とし
ては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリ塩化ビ
ニル(PVC)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポ
リエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシ
ド、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレー
ト、ポリビニルアルコール、ポリメタクリロニトリル、
ポリビニルアセテート、ポリビニルピロリドン、ポリエ
チレンイミン、ポリブタジエン、ポリスチレンおよびポ
リイソプレン、もしくはこれらの誘導体を、単独で、あ
るいは混合して用いてもよい。また、上記高分子を構成
する各種モノマーを共重合させた高分子を用いてもよ
い。
【0031】これらの高分子の中では、ポリフッ化ビニ
リデン(PVdF)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリ
アクリロニトリル(PAN)を用いた場合に、特に優れ
た特性を示す電池が得られた。その理由は、有機電解液
に対するPVdF、PVCおよびPANの膨潤性が、他
の高分子よりも高いためである。
【0032】また、固体高分子電解質の固体高分子電解
質中および孔中にに含有させる電解液としては、有機溶
媒とリチウム塩の混合溶液を使用する。その有機溶媒と
しては、 エチレンカーボネート(EC)、プロピレン
カーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DM
C)、ジエチルカーボネート(DEC)、γ− ブチロ
ラクトン、スルホラン、ジメチルスルホキシド、アセト
ニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミ
ド、1,2−ジメトキシエタン、1,2-ジエトキシエ
タン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフ
ラン、ジオキソラン、メチルアセテート等の極性溶媒、
もしくはこれらの混合物を使用してもよい。
【0033】また、電解液に溶解するリチウム塩として
は、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3
2、LiCF3SO3、LiN(SO2CF32、LiN
(SO2CF2CF32、LiN(COCF32およびL
iN(COCF2CF32などの塩もしくはこれらの混
合物を使用することができる。
【0034】さらに、電池の正極活物質としては、無機
化合物としては、組成式LixMO 2、またはLiyM2
4(ただし、Mは遷移金属、0≦x≦1、0≦y≦
2)で表される、複合酸化物、トンネル状の空孔を有す
る酸化物、層状構造の金属カルコゲン化物を用いること
ができる。その具体例としては、 LiCoO2、LiN
iO2、LiMn24、Li2Mn24、MnO2、Fe
2、V25、V613、TiO2、TiS2等が挙げられ
る。また、有機化合物としては、例えばポリアニリン等
の導電性高分子等が挙げられる。さらに、無機化合物、
有機化合物を問わず、上記各種活物質を混合して用いて
もよい。
【0035】さらに、電池の負極活物質としては、リチ
ウムまたは/およびリチウムイオンを吸蔵・放出可能な
物質である炭素材料やグラファイト等、その他に、A
l、Si、Pb、Sn、Zn、Cd等とリチウムとの合
金、LiFe23等の遷移金属複合酸化物、WO2、M
oO2等の遷移金属酸化物、グラファイト、カーボン等
の炭素質材料、Li5(Li3N)等の窒化リチウム、も
しくは金属リチウム箔、又はこれらの混合物を用いても
よい。
【0036】
【実施例】以下、本発明を好適な実施例を用いて説明す
る。
【0037】[実施例1]正極活物質にコバルト酸リチ
ウム、負極活物質にグラファイト、隔離体として固体高
分子電解質膜とポリエチレン不織布を1枚づつ重ね合わ
せたものを使用した非水電解質二次電池を作製した。固
体高分子電解質としてはポリフッ化ビニリデン(PVd
F)/エチレンカーボネート+ジエチルカーボネート+
六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)系を使用し、設
計容量400mAhの非水電解質電池(A)を5個作製
した。
【0038】正極板は、コバルト酸リチウム(LiCo
2)70wt%、アセチレンブラック6wt%、ポリ
フッ化ビニリデン(PVdF)9wt%、n−メチル−
2−ピロリドン(NMP)15wt%を混合したもの
を、厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗布し、150
℃で乾燥してNMPを蒸発させ、この操作をアルミニウ
ム箔の両面におこなった後に、プレスすることによって
作製した。プレス後の正極板の厚さは170μmであっ
た。
【0039】負極板は、グラファイト81wt%、PV
dF9wt%、NMP10wt%を混合したものを、厚
さ14μmの銅箔上に塗布し、150℃で乾燥してNM
Pを蒸発させ、この操作を銅箔の両面に対しておこなっ
た後に、プレスすることによって作製した。プレス後の
負極の厚さは190μmであった。固体高分子電解質膜
は次の手順で作製した。まず、平均分子量60,000
のポリフッ化ビニリデン(PVdF)の粉末12gを8
8gのN−メチルピロリドン(NMP)に溶解し、均一
に分散させた溶液とした。この溶液をガラス平板状に塗
布し、自然乾燥によってNMPを除去し、厚さ20μm
とした。このようにして得た固体高分子電解質膜1枚
と、ポリエチレン不織布1枚を重ねあわせて、隔離体を
得た。
【0040】次に、正極と隔離体と負極とを重ね合わせ
て、偏平形に巻回し、高さ47.0mm、幅22.2m
m、厚さ6.4mmの角型のステンレスケース中に挿入
した。この電池の内部に、エチレンカーボネート(E
C)とジエチルカーボネート(DEC)の体積比1:1
の混合溶媒に、1mol/lのLiPF6を溶解させた
電解液を真空注液によって加え、隔離体に電解液を含ま
せた。
【0041】そして、5個の非水電解質電池(A)につ
いて、25℃において、400mA/cellの電流で
4.1Vまで、続いて4.1Vの定電圧で2時間充電
し、800mA/cellの電流で2.75Vまで放電
するという、充放電サイクル試験を行った。さらに、1
0サイクルの充放電試験終了後、25℃において、電源
電圧を10Vとし、800mA/cellの電流で連続
的に充電し、過充電試験を行った。
【0042】その結果、充放電サイクル試験の10サイ
クル目の平均放電容量は409mAhとなり、また過充
電試験においては電池から発煙は生じなかった。 [実施例2]隔離体を構成するポリエチレン不織布の代
わりにポリエチレン微多孔膜を使用した以外は実施例1
と同一構成である、設計容量400mAhの非水電解質
電池(B)を5個作製した。実施例1と同様の試験を行
った結果、充放電サイクル試験の10サイクル目の平均
放電容量は408mAhとなり、また過充電試験におい
ては電池から発煙は生じなかった。
【0043】[実施例3]隔離体を構成するポリエチレ
ン不織布の代わりにポリプロピレン微多孔膜を使用した
以外は実施例1と同一構成である、設計容量400mA
hの非水電解質電池(C)を5個作製した。実施例1と
同様の試験を行った結果、充放電サイクル試験の10サ
イクル目の平均放電容量は412mAhとなり、また過
充電試験においては電池から発煙は生じなかった。
【0044】[実施例4]隔離体として、実施例1で使
用したのと同じ固体高分子電解質膜2枚の間にポリエチ
レン不織布を1枚挟んだ、3層構造のものを使用した以
外は実施例1と同一構成である、設計容量400mAh
の非水電解質電池(D)を5個作製した。
【0045】実施例1と同様の試験を行った結果、充放
電サイクル試験の10サイクル目の平均放電容量は41
0mAhとなり、また過充電試験においては電池から発
煙は生じなかった。
【0046】[実施例5]隔離体として、ポリエチレン
不織布2枚の間に実施例4で使用したのと同じ固体高分
子電解質膜を1枚挟んだ、3層構造のものを使用した以
外は実施例4と同一構成である、設計容量400mAh
の非水電解質電池(E)を5個作製した。
【0047】実施例1と同様の試験を行った結果、充放
電サイクル試験の10サイクル目の平均放電容量は40
9mAhとなり、また過充電試験においては電池から発
煙は生じなかった。
【0048】[実施例6]隔離体を構成する固体高分子
電解質膜中に高密度ポリエチレン(PE)を含ませたも
のものを使用した以外は実施例4と同一構成である、設
計容量400mAhの非水電解質電池(F)を5個作製
した。
【0049】隔離体の作製方法は次の手順によった。ま
ず、平均分子量60,000のポリフッ化ビニリデン
(PVdF)の粉末12gを88gのN−メチルピロリ
ドン(NMP)に溶解し、この溶液に高密度ポリエチレ
ン(PE)粉末3.6gを加えて均一に分散させた溶液
とした。この溶液をガラス平板状に塗布し、自然乾燥に
よってNMPを除去し、厚さ25μmの隔離体を得た。
このようにして得た隔離体の引っ張り強度は、取り扱い
に問題が生じない程度の大きさであった。
【0050】実施例1と同様の試験を行った結果、充放
電サイクル試験の10サイクル目の平均放電容量は40
9mAhとなり、また過充電試験においては電池から発
煙は生じなかった。
【0051】[実施例7]隔離体として、有孔性固体高
分子電解質膜を使用した以外は実施例1と同一構成であ
る、設計容量400mAhの非水電解質電池(G)を5
個作製した。
【0052】有孔性固体高分子電解質膜は次の溶媒抽出
法によって作製した。まず、平均分子量60,000の
ポリフッ化ビニリデン(PVdF)の粉末12gを88
gのN−メチルピロリドン(NMP)に溶解し、均一に
分散させた溶液とした。この溶液を水中に浸漬すること
によってNMPを抽出し、多孔度60%で厚さ25μm
の有孔性ポリフッ化ビニリデン膜を作製した。
【0053】実施例1と同様の試験を行った結果、充放
電サイクル試験の10サイクル目の平均放電容量は41
0mAhとなり、また過充電試験においては電池から発
煙は生じなかった。
【0054】
【発明の効果】本発明になる非水電解質二次電池におい
ては、隔離体が、少なくとも一層の固体高分子電解質を
含む層と少なくとも一層のビカット軟化温度が100℃
以下の熱可塑性高分子化合物を含む層を備えているため
に、隔離の機械的強度が高まり、取り扱いが容易とな
り、製造工程が簡単になる。
【0055】また、隔離体の一部にビカット軟化温度が
100℃以下の熱可塑性高分子化合物を使用することに
より、電池が内部短絡を起こして高温になった場合に、
フィラーがすみやかに溶解してしてシャットダウン機能
を発揮して、電池の発火や爆発等を防止することがで
き、きわめて安全性の高い非水電解質二次電池が得られ
るものである。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】正極、負極および隔離体を備え、上記隔離
    体が、少なくとも一層の固体高分子電解質を含む層と少
    なくとも一層のビカット軟化温度が100℃以下の熱可
    塑性高分子化合物を含む層を備えることを特徴とする非
    水電解質電池。
  2. 【請求項2】隔離体が、固体高分子電解質を含む層とビ
    カット軟化温度が100℃以下の熱可塑性高分子化合物
    を含む層とからなる二層構造であることを特徴とする、
    請求項1記載の非水電解質電池。
  3. 【請求項3】隔離体が、固体高分子電解質を含む層とビ
    カット軟化温度が100℃以下の熱可塑性高分子化合物
    を含む層と固体高分子電解質を含む層とを順次積層した
    三層構造であることを特徴とする、請求項1記載の非水
    電解質電池。
  4. 【請求項4】隔離体が、ビカット軟化温度が100℃以
    下の熱可塑性高分子化合物を含む層と固体高分子電解質
    を含む層とビカット軟化温度が100℃以下の熱可塑性
    高分子化合物を含む層とを順次積層した三層構造である
    ことを特徴とする、請求項1記載の非水電解質電池。
  5. 【請求項5】隔離体を構成する固体高分子電解質層が、
    ビカット軟化温度が100℃以下の熱可塑性高分子化合
    物を含むことを特徴とする、請求項1〜4記載の非水電
    解質電池。
  6. 【請求項6】ビカット軟化温度が100℃以下の熱可塑
    性高分子化合物がポリエチレンまたはポリプロピレンで
    あることを特徴とする、請求項1〜5記載の非水電解質
    電池。
  7. 【請求項7】固体高分子電解質が有孔性であることを特
    徴とする、請求項1〜6記載の非水電解質電池。
  8. 【請求項8】固体高分子電解質を構成する高分子化合物
    が、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニルおよびポリ
    アクリロニトリルから選ばれた少なくとも1種以上の高
    分子化合物であることを特徴とする、請求項1〜7記載
    の非水電解質電池。
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