JP2010044987A - Method for manufacturing cathode for lithium battery and lithium battery equipped with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウム電池用電極、特に正極活物質を含む正極合材層が正極集電体に保持された構成の電池用正極の製造方法と該製造方法により得られた電極を備えるリチウム電池に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for manufacturing a positive electrode for a battery having a structure in which a positive electrode mixture layer containing a positive electrode active material and a positive electrode active material is held by a positive electrode current collector, and a lithium battery including an electrode obtained by the manufacturing method. .
近年、リチウムイオン電池等のリチウム二次電池は、車両搭載用電源、或いはパソコンおよび携帯端末の電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン電池は、車両搭載用高出力電源として好ましく用いられるものとして期待されている。 In recent years, lithium secondary batteries such as lithium ion batteries have become increasingly important as power sources for mounting on vehicles or as power sources for personal computers and portable terminals. In particular, a lithium ion battery that is lightweight and obtains a high energy density is expected to be preferably used as a high-output power source mounted on a vehicle.
リチウム二次電池の一つの典型的な構成では、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出し得る正極活物質が正極集電体の上に形成された構造の正極を備えている。例えば、リチウム・ニッケル系複合酸化物(例えばニッケル酸リチウム)からなる正極活物質を用いたリチウム二次電池がこのようなものの一例として挙げられる。このようなリチウム・ニッケル系複合酸化物からなる正極活物質は、原料化合物、例えば、ニッケル含有化合物(例えば水酸化ニッケル)とリチウム含有化合物(例えば水酸化リチウム)とを空気中で反応させることにより合成され得る。この種の先行技術として例えば特許文献1が開示されている。
ところで、このようなリチウム・ニッケル系複合酸化物(例えばニッケル酸リチウム)からなる正極活物質は、大気中に保持する過程でその表面にリチウムイオンが活物質と電解質との間で移動するのを妨害する(即ち電池抵抗を増大させる)炭酸リチウム等の皮膜を形成する場合がある。このような炭酸リチウム等を主成分とする表面皮膜は、正極活物質の反応抵抗を増大させるなど電池性能の低下を引き起こすため、望ましくない。このような正極活物質表面の皮膜を除去するために、正極活物質をアセトンで洗浄する技術が提案されているが、それらの洗浄プロセスは工程の煩雑さを招きかねず生産性の問題が生じ得ることに加えて、一旦除去した後に新たな皮膜が形成される虞もあり、現実的ではない。 By the way, the positive electrode active material made of such a lithium / nickel composite oxide (for example, lithium nickelate) is liable to cause lithium ions to move between the active material and the electrolyte in the process of being held in the atmosphere. A film such as lithium carbonate may be formed that interferes (i.e. increases battery resistance). Such a surface film composed mainly of lithium carbonate or the like is not desirable because it causes a decrease in battery performance such as an increase in reaction resistance of the positive electrode active material. In order to remove such a film on the surface of the positive electrode active material, a technique for cleaning the positive electrode active material with acetone has been proposed. However, these cleaning processes may cause complexity of the process, resulting in productivity problems. In addition to obtaining, there is a possibility that a new film may be formed after the removal, which is not realistic.
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、正極活物質表面における皮膜生成を抑制し得るリチウム電池用正極の製造方法を提供することである。
また、他の目的は、そのような製造方法により製造された正極を備えるリチウム電池を提供することである。
This invention is made | formed in view of this point, The main objective is to provide the manufacturing method of the positive electrode for lithium batteries which can suppress the film | membrane production | generation in the positive electrode active material surface.
Moreover, the other objective is to provide a lithium battery provided with the positive electrode manufactured by such a manufacturing method.
本発明者は、鋭意検討の結果、上記表面皮膜の形成が、雰囲気中の二酸化炭素(CO2)濃度に依存することを突き止め、本発明を創出するに至った。
即ち、本発明により提供される製造方法は、正極活物質を含む正極合材層が正極集電体に保持された構成の電池用正極を製造する方法である。この方法は、正極活物質を分散媒体に分散させてなる正極合材層形成用スラリーを調製する工程と、上記調製した正極合材層形成用スラリーを上記正極集電体の表面に付与して上記正極合材層を形成する工程とを包含する。そして、上記正極合材層形成用スラリー調製工程と上記正極合材層形成工程において作業雰囲気中のCO2濃度を測定する若しくはCO2濃度が制御されたガスを作業雰囲気に導入することにより、少なくとも上記スラリー調製工程から上記正極合材層形成工程までの間の作業雰囲気中におけるCO2濃度を所定値以下に保つことを特徴とする。
As a result of intensive studies, the inventor has found that the formation of the surface film depends on the concentration of carbon dioxide (CO 2 ) in the atmosphere, and has created the present invention.
That is, the manufacturing method provided by the present invention is a method for manufacturing a positive electrode for a battery having a configuration in which a positive electrode mixture layer containing a positive electrode active material is held by a positive electrode current collector. This method comprises a step of preparing a slurry for forming a positive electrode mixture layer formed by dispersing a positive electrode active material in a dispersion medium, and applying the prepared slurry for forming a positive electrode mixture layer to the surface of the positive electrode current collector. Forming the positive electrode mixture layer. And, by measuring the CO 2 concentration in the working atmosphere in the positive electrode mixture layer forming slurry preparation step and the positive electrode mixture layer forming step, or introducing a gas having a controlled CO 2 concentration into the working atmosphere, at least The CO 2 concentration in the working atmosphere between the slurry preparation step and the positive electrode mixture layer formation step is maintained at a predetermined value or less.
ここで開示される上記構成の正極製造方法によれば、上記正極合材層形成用スラリー調製工程と上記正極合材層形成工程において、作業雰囲気中のCO2濃度を測定し、上記スラリー調製工程から上記正極合材層形成工程までの一連の工程をCO2濃度が所定値以下となるような雰囲気管理下で行っているので、正極合材層形成用スラリーから正極合材層を形成するに際して、該スラリー中に混入するCO2の量を低減させることができ、該スラリー中の正極活物質がCO2を吸着することを抑制することができる。その結果、CO2の吸着に起因する正極活物質表面における皮膜(例えば炭酸リチウムを主成分とする表面皮膜)の生成を抑制することができ、該表面皮膜の存在による影響(例えば正極活物質表面においてリチウムイオンなどの電荷移動が阻害されることによる反応抵抗の増大など)を回避することができる。すなわち、本発明の製造方法によれば、正極活物質表面における皮膜生成を抑制して電池性能の低下を回避し得る電池用正極を提供することができる。 According to the positive electrode manufacturing method having the above-described configuration disclosed herein, in the positive electrode mixture layer forming slurry preparation step and the positive electrode mixture layer formation step, the CO 2 concentration in the working atmosphere is measured, and the slurry preparation step Since the series of steps from the positive electrode mixture layer formation step to the positive electrode mixture layer formation step are performed under an atmosphere control such that the CO 2 concentration is a predetermined value or less, the positive electrode mixture layer is formed from the positive electrode mixture layer formation slurry. The amount of CO 2 mixed in the slurry can be reduced, and the positive electrode active material in the slurry can be prevented from adsorbing CO 2 . As a result, it is possible to suppress the formation of a film (for example, a surface film mainly composed of lithium carbonate) on the surface of the positive electrode active material due to the adsorption of CO 2 , and the influence (for example, the surface of the positive electrode active material) In this case, an increase in reaction resistance due to inhibition of charge transfer of lithium ions or the like can be avoided. That is, according to the production method of the present invention, it is possible to provide a positive electrode for a battery that can suppress the formation of a film on the surface of the positive electrode active material and avoid a decrease in battery performance.
ここに開示される正極製造方法の好ましい一態様では、上記作業雰囲気中におけるCO2濃度を400ppm以下(例えば300〜400ppm)に保つことを特徴とする。このようなCO2濃度の上限を設定することにより、電池性能に影響を与えない程度にスラリー中に混入するCO2の量を低減させることができ、正極活物質のCO2吸着(延いては炭酸リチウムなどの表面皮膜の生成)を効果的に抑制することができる。なお、作業雰囲気中のCO2濃度は、例えば市販される種々の機構のCO2センサによって容易に測定することができる。 In a preferred embodiment of the positive electrode manufacturing method disclosed herein, the CO 2 concentration in the working atmosphere is maintained at 400 ppm or less (for example, 300 to 400 ppm). By setting the upper limit of such CO 2 concentration, it is possible to reduce the amount of CO 2 to be mixed into a slurry to such an extent that does not affect the battery performance, In its CO 2 adsorption (extension of the positive electrode active material Generation of a surface film such as lithium carbonate) can be effectively suppressed. Note that the CO 2 concentration in the working atmosphere can be easily measured by, for example, commercially available CO 2 sensors having various mechanisms.
ここに開示される正極製造方法の好ましい一態様では、上記正極活物質として、リチウムと一種または二種以上の遷移金属元素とを構成金属元素として含むリチウム遷移金属複合酸化物を使用する。上記のリチウム遷移金属複合酸化物は、周囲の水分と反応するとCO2を吸着して炭酸リチウム等からなる表面皮膜を生成しやすい性質がある。したがって、正極活物質が上記リチウム遷移金属複合酸化物である場合、正極活物質表面における皮膜生成を抑制するためにスラリー調製工程から正極合材層形成工程までの間の作業雰囲気中におけるCO2濃度を所定値以下に制御・管理するという本発明の方法を採用することによる効果が特によく発揮され得る。 In a preferred embodiment of the positive electrode manufacturing method disclosed herein, a lithium transition metal composite oxide containing lithium and one or more transition metal elements as constituent metal elements is used as the positive electrode active material. The lithium transition metal composite oxide has a property that when it reacts with surrounding moisture, it adsorbs CO 2 and easily forms a surface film made of lithium carbonate or the like. Therefore, when the positive electrode active material is the lithium transition metal composite oxide, the CO 2 concentration in the working atmosphere from the slurry preparation step to the positive electrode mixture layer formation step in order to suppress film formation on the surface of the positive electrode active material The effect of adopting the method of the present invention for controlling and managing the value below a predetermined value can be exhibited particularly well.
ここに開示される正極製造方法の好ましい一態様では、さらに、上記正極活物質を原料化合物から合成する工程を包含する。そして、該正極活物質合成工程における作業雰囲気中のCO2濃度を測定する若しくはCO2濃度が制御されたガスを作業雰囲気に導入することにより、少なくとも上記正極活物質合成工程から上記正極合材層形成工程までの間の作業雰囲気中におけるCO2濃度を所定値以下(好ましくは400ppm以下)に保つことを特徴とする。かかる態様によれば、正極合材層形成用スラリー中に混入したCO2の存在に起因する正極活物質表面皮膜の生成を抑制するだけでなく、正極活物質の合成作業雰囲気中(典型的には外気中)のCO2の存在に起因する正極活物質表面皮膜の生成も抑制することができる。 In a preferable embodiment of the positive electrode manufacturing method disclosed herein, the method further includes a step of synthesizing the positive electrode active material from a raw material compound. By or the CO 2 concentration measured CO 2 concentration in the working atmosphere at positive electrode active material synthesis step is introduced into the work atmosphere controlled gas, the positive-electrode mixture layer from at least the positive electrode active material synthesis step It is characterized in that the CO 2 concentration in the working atmosphere until the forming step is kept at a predetermined value or less (preferably 400 ppm or less). According to this aspect, not only the generation of the positive electrode active material surface film due to the presence of CO 2 mixed in the positive electrode mixture layer forming slurry is suppressed, but also in the atmosphere of the synthesis of the positive electrode active material (typically Can also suppress the formation of the positive electrode active material surface film due to the presence of CO 2 in the outside air).
以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。また、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、電極活物質の製造方法、セパレータや電解質の構成および製法、電池その他の電池の構築に係る一般的技術等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following drawings, members / parts having the same action are described with the same reference numerals. In addition, this invention is not limited to the following embodiment. Further, matters other than matters specifically mentioned in the present specification and matters necessary for carrying out the present invention (for example, manufacturing method of electrode active material, configuration and manufacturing method of separator and electrolyte, construction of batteries and other batteries) Can be grasped as a design matter of those skilled in the art based on the prior art in this field.
特に限定することを意図したものではないが、以下では主としてリチウムイオン電池を例として、図1および図2を参照しつつ、本実施形態に係る電池100および電極体80の構成について説明する。図1は本実施形態に係るリチウムイオン電池100の構成を模式的に示す断面図であり、図2は本実施形態に係る電極体80の構成を模式的に示す説明図である。
Although not intended to be particularly limited, the configuration of the
図1に示すように、ここで開示される電池100は、従来のリチウムイオン二次電池と同様、典型的には所定の電池構成材料(正負極それぞれの活物質、正負極それぞれの集電体、セパレータ等)を具備する電極体80と、該電極体80および適当な電解液を収容する電池ケース50とを備える。
As shown in FIG. 1, a
電池ケース50は、電池ケース本体52と蓋体54とから構成されている。電池ケース本体52は、後述する捲回電極体80を収容し得る形状(ここでは箱型状)を有する。電池ケース本体52は、少なくとも一端に開口部(図では上端開口部)が設けられ、該開口部を介して電極体80を収容可能になっている。蓋体54は、電池ケース本体52の開口部を塞ぐ部材である。電池ケース本体52および蓋体54の材質は、軽量で熱伝導性が良い金属製材料が好ましく、このような金属製材料として例えばアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼などが挙げられる。
The
かかる電池ケース50には、電極体80および電解液(図示せず)が収容されている。電極体80は、正極10と負極20とがセパレータ30を介して積層されてなる積層電極体である。この実施形態では、通常のリチウムイオン二次電池の電極体と同様、正極シート10と負極シート20とが2枚のセパレータシート30a、30bを介して積層され、更には捲回された捲回タイプの積層電極体(捲回電極体)である。
In the
正極シート10は、長尺シート状の箔状の正極集電体12の両面に正極活物質を含む正極合材層14が形成されている。ただし、正極合材層14はシート幅方向の端辺に沿う一方の側縁(図では下側の側縁部分)には付着されず、正極集電体12を一定の幅にて露出させた集電体露出部分16が形成されている。
In the
正極集電体12にはアルミニウム箔その他の正極に適する金属箔が好適に使用される。正極活物質は従来からリチウムイオン電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができる。好適例として、リチウムと一種または二種以上の遷移金属元素とを構成金属元素として含むリチウム遷移金属複合酸化物を主成分とするものが好ましく用いられる。かかるリチウム遷移金属複合酸化物の好ましい代表例として、リチウム・ニッケル系複合酸化物、リチウム・コバルト系複合酸化物およびリチウムマンガン系複合酸化物が挙げられる。この実施形態では、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)である。例えば、集電体としての長尺状アルミニウム箔の表面の所定領域にリチウム遷移金属複合酸化物を主体とする正極合材層14を形成することによって好適な正極シート10が得られる。正極合材層14は、必要に応じて使用される他の正極合材層形成成分(例えば、導電材やバインダ等)を含んでいてもよい。
For the positive electrode
負極シート20も正極シート10と同様に、長尺シート状の箔状の負極集電体22の両面に負極活物質を含む負極合材層24が形成されている。ただし、負極合材層24はシート幅方向の端辺に沿う一方の側縁(図では上側の側縁部分)には付着されず、負極集電体22を一定の幅にて露出させた集電体露出部分26が形成されている。
Similarly to the
負極集電体22には銅箔その他の負極に適する金属箔が好適に使用される。負極活物質は従来からリチウムイオン電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができる。好適例として、グラファイトカーボン、アモルファスカーボン等の炭素系材料、リチウム遷移金属複合酸化物(リチウムチタン複合酸化物等)、リチウム遷移金属複合窒化物等が挙げられる。例えば、集電体としての長尺状銅箔の表面の所定領域に常法によって黒鉛を主体とする負極合材層24を形成することによって好適な負極シート20が得られる。
For the negative electrode current collector 22, a copper foil or other metal foil suitable for the negative electrode is preferably used. As the negative electrode active material, one or more of materials conventionally used in lithium ion batteries can be used without any particular limitation. Preferable examples include carbon-based materials such as graphite carbon and amorphous carbon, lithium transition metal composite oxides (lithium titanium composite oxides, etc.), lithium transition metal composite nitrides, and the like. For example, a suitable
捲回電極体80の製造に際しては、正極シート10と負極シート20を計2枚のセパレータシート30a、30bと共に重ね合わせ、さらに当該正極シート10と負極シート20とを捲回することによって作製する。このとき、セパレータシート30a、30bは、正極シート10および負極シート20の集電体露出部分16、26が外方にはみ出るように(即ち正極合材層14とセパレータシート30a、30bと負極合材層24とが対向するように)重ね合せられる。そして、集電体露出部分16、26にそれぞれ正極リード端子42aおよび負極リード端子42bがそれぞれ付設される。そして、正極リード端子42aおよび負極リード端子42bは、電池ケース50の蓋体54に突設された外部接続用の正極端子40aおよび負極端子40bに電気的に接続される。このようにして、本実施形態に係る電池100が構築され得る。
In manufacturing the
次に、図3を加えて、本実施形態に係る正極シート10および該正極シート10を備えた電池100の製造方法について説明する。
Next, a manufacturing method of the
本実施形態に係る正極シート10は、上述のように、正極活物質を含む正極合材層14が正極集電体12に保持された構成を有している。この電池用正極10の製造方法について説明する。
As described above, the
まず、ステップS10において、電池用正極に用いる正極活物質を用意する。ここでは、正極活物質を原料化合物から合成する。正極活物質を合成する方法としては、従来公知の一般的な正極活物質合成方法を適宜採用することができる。この実施形態では、正極活物質としてニッケル酸リチウム(LiNiO2)を合成する。なお、電池用正極に用いる正極活物質を例えば外部の製造メーカーから購入してもよい。 First, in step S10, a positive electrode active material used for a battery positive electrode is prepared. Here, the positive electrode active material is synthesized from a raw material compound. As a method of synthesizing the positive electrode active material, a conventionally known general positive electrode active material synthesis method can be appropriately employed. In this embodiment, lithium nickelate (LiNiO 2 ) is synthesized as the positive electrode active material. In addition, you may purchase the positive electrode active material used for the positive electrode for batteries, for example from an external manufacturer.
次いで、ステップS20において、合成した正極活物質を分散媒体に分散させてなる正極合材層形成用スラリーを調製する。この実施形態では、正極活物質(LiNiO2)の粉末と、必要に応じて使用される他の正極合材層形成成分(例えば導電材やバインダ等)とを適当な分散媒体に分散(典型的には溶解)させて混練することにより、ペースト状の正極合材層形成用スラリーを調製する。分散媒体は、水または水を主体とする混合溶媒であってもよいし、非水系媒体の有機系媒体(例えばN−メチルピロリドン)であってもよい。正極合材層形成用スラリーの分散・混練は、例えば薄膜旋回型混合機(薄膜旋回型ミキサー)を用いて行うことができる。 Next, in step S20, a positive electrode mixture layer forming slurry is prepared by dispersing the synthesized positive electrode active material in a dispersion medium. In this embodiment, the positive electrode active material (LiNiO 2 ) powder and other positive electrode mixture layer forming components (for example, a conductive material and a binder) used as necessary are dispersed in a suitable dispersion medium (typically Are dissolved) and kneaded to prepare a paste-like positive electrode mixture layer forming slurry. The dispersion medium may be water or a mixed solvent mainly composed of water, or may be an organic medium such as a non-aqueous medium (for example, N-methylpyrrolidone). Dispersion and kneading of the positive electrode mixture layer forming slurry can be performed using, for example, a thin film swirling mixer (thin film swirling mixer).
次いで、ステップS30において、調製した正極合材層形成用スラリーを正極集電体12の表面に付与して正極合材層14を形成する。
Next, in step S <b> 30, the prepared positive electrode mixture layer forming slurry is applied to the surface of the positive electrode
この実施形態では、まず、ステップS32において、調製したペースト状の正極合材層形成用スラリーを正極集電体12の上に塗布する。正極合材層形成用スラリーの塗布は、例えば、適当な塗布装置(スリットコーター、ダイコーター、コンマコーター等)を使用して、上記正極集電体12の上から所定量の正極合材層形成用スラリーを均一な厚さにコーティングすることにより行うことができる。
In this embodiment, first, in Step S <b> 32, the prepared paste-like positive electrode mixture layer forming slurry is applied onto the positive electrode
次に、ステップS34において、適当な乾燥手段で正極合材層形成用スラリーを乾燥(典型的には70〜200℃)することによって、正極合材層形成用スラリー中の分散媒体を除去する。正極合材層形成用スラリーから分散媒体を除去することによって、正極活物質を含む正極合材層14が形成される。
Next, in step S <b> 34, the dispersion medium in the positive electrode mixture layer forming slurry is removed by drying (typically 70 to 200 ° C.) the positive electrode mixture layer forming slurry by an appropriate drying means. By removing the dispersion medium from the slurry for forming the positive electrode mixture layer, the positive
そして、ステップS36において、乾燥後、必要に応じて適当なプレス処理(例えばロールプレス処理)を施すことによって、正極合材層14の厚みや密度を適宜調製する。このようにして、ステップS40において、正極集電体12の表面に正極合材層14が保持された正極シート(電池用正極)10を得ることができる。
In step S36, after drying, an appropriate press process (for example, a roll press process) is performed as necessary, so that the thickness and density of the positive
ここで、本実施形態においては、正極合材層形成用スラリーの調製工程(ステップS20)と正極合材層の形成工程(ステップS30)において作業雰囲気中のCO2濃度を測定し、少なくともスラリー調製工程(ステップS20)から正極合材層形成工程(ステップS30)までの間の作業雰囲気中におけるCO2濃度を(典型的には該測定値に基づいて)所定値以下に保つような処置(CO2濃度管理)を実行する。このような処置(CO2濃度管理)は、例えば正極合材層形成用スラリーの調製工程(ステップS20)から正極合材層形成工程(ステップS30)までの間に行われる各種作業を、CO2ガス濃度が制御されたガスが導入されたチャンバー内(例えばグローブボックスやドライルーム内)で実施することにより容易に行うことができる。この実施形態では、正極合材層形成用スラリーの分散・混練工程(ステップS20)から正極合材層形成用スラリーの塗布・乾燥工程(ステップS34)までの各種作業をCO2ガス濃度が所定値以下に制御されたガスが導入されたグローブボックス内で実施し、正極合材層に対してプレス処理を施す工程(ステップS36)の各種作業をCO2ガス濃度が制御されたドライルーム内で実施する。
作業雰囲気中のCO2濃度を測定する方法としては特に制限されず、例えば市販される種々の炭酸ガス濃度計(CO2センサ)を用いて容易に行うことができる。また、測定値に基づいて作業雰囲気中におけるCO2濃度を所定値以下に保つような制御方法としては、作業雰囲気中におけるCO2濃度を制御するための従来公知の方法を適宜採用することができる。例えば、作業雰囲気中におけるCO2濃度が高すぎる場合には、一般的な脱炭酸ガス処理方法を用いて作業雰囲気中におけるCO2ガスを適当量だけ除去すればよい。CO2ガスを除去する方法としては、例えば作業雰囲気ガスを希ガス(例えばArガス)などで置換する方法や、CO2ガスを物理的に吸収する吸収材(例えばゼオライト、アルミナなどのセラミック材料)を作業雰囲気中に設置する方法や、CO2ガスを化学的に吸着する吸着材(例えばメチルアミン、アニリン、トルイジン、ベンジジン、N,N−ジメチルプロパン−2−アミンなどの有機液体)を作業雰囲気中に設置する方法などを適宜採用すればよい。
Here, in this embodiment, the concentration of CO 2 in the working atmosphere is measured in the step of preparing the positive electrode mixture layer forming slurry (step S20) and the step of forming the positive electrode mixture layer (step S30), and at least the slurry preparation is performed. A treatment (CO that keeps the CO 2 concentration in the working atmosphere between the process (step S20) and the positive electrode mixture layer forming process (step S30) below a predetermined value (typically based on the measured value). 2 concentration management). Such treatment (CO 2 concentration control), for example the various tasks to be performed during the period from the preparation process of the positive-electrode mixture layer slurry (step S20) until the positive-electrode mixture layer formation step (step S30), CO 2 It can be easily performed by carrying out in a chamber (for example, in a glove box or a dry room) into which a gas having a controlled gas concentration is introduced. In this embodiment, the CO 2 gas concentration is a predetermined value in various operations from the dispersion / kneading step (step S20) of the positive electrode mixture layer forming slurry to the application / drying step (step S34) of the positive electrode mixture layer forming slurry. The following operations are performed in a glove box into which a controlled gas is introduced, and various operations in the step of pressing the positive electrode mixture layer (step S36) are performed in a dry room in which the CO 2 gas concentration is controlled. To do.
The method for measuring the CO 2 concentration in the working atmosphere is not particularly limited, and can be easily performed using, for example, various commercially available carbon dioxide concentration meters (CO 2 sensors). As a control method for keeping the CO 2 concentration in the working atmosphere below a predetermined value based on the measured value, a conventionally known method for controlling the CO 2 concentration in the working atmosphere can be appropriately employed. . For example, when the CO 2 concentration in the working atmosphere is too high, an appropriate amount of CO 2 gas in the working atmosphere may be removed using a general decarbonation treatment method. As a method of removing the CO 2 gas, for example, a method of replacing the working atmosphere gas with a rare gas (for example, Ar gas) or the like, or an absorber that physically absorbs the CO 2 gas (for example, a ceramic material such as zeolite or alumina). In a working atmosphere or an adsorbent that chemically adsorbs CO 2 gas (for example, an organic liquid such as methylamine, aniline, toluidine, benzidine, N, N-dimethylpropan-2-amine). A method of installing inside may be adopted as appropriate.
この実施形態では、正極活物質合成工程(ステップS10)の作業雰囲気中におけるCO2濃度も所定値以下となるように制御する。すなわち、正極活物質合成工程における作業雰囲気中のCO2濃度を測定し、該測定値に基づいて少なくとも正極活物質合成工程から正極合材層形成工程までの間の作業雰囲気中におけるCO2濃度を所定値以下に保つような処置(CO2濃度管理)を実行する。このような処置(CO2濃度管理)は、例えば正極活物質の合成時に行われる各種作業(例えば、原料化合物を秤量しそれらを混合して焼成する作業など)を、CO2ガス濃度が制御されたチャンバー内(例えばグローブボックス)で実施することにより容易に行うことができる。 In this embodiment, control is performed so that the CO 2 concentration in the working atmosphere of the positive electrode active material synthesis step (step S10) also becomes a predetermined value or less. That is, the CO 2 concentration in the working atmosphere in the positive electrode active material synthesis step was measured, the CO 2 concentration in the working atmosphere during at least the positive electrode active material synthesis process based on the measured value to the positive-electrode mixture layer formation step A measure (CO 2 concentration management) is performed to keep the value below a predetermined value. Such treatment (CO 2 concentration management) is performed, for example, in various operations performed during the synthesis of the positive electrode active material (for example, operations in which raw material compounds are weighed, mixed and fired, etc.), and the CO 2 gas concentration is controlled. It can be easily performed by carrying out in a separate chamber (for example, a glove box).
本実施形態に係る正極製造方法によれば、上記正極合材層形成用スラリーの調製工程と上記正極合材層の形成工程において作業雰囲気中のCO2濃度を測定し、該測定値に基づいて上記スラリー調製工程から上記正極合材層形成工程までの一連の工程をCO2濃度が所定値以下となるような雰囲気管理下で行っているので、正極合材層形成用スラリーから正極合材層を形成するに際して、該スラリー中に混入するCO2の量を低減させることができ、該スラリー中の正極活物質がCO2を吸着することを抑制することができる。その結果、CO2の吸着に起因する正極活物質表面における皮膜(例えば炭酸リチウムを主成分とする表面皮膜)の生成を抑制することができ、該表面皮膜の存在による影響(例えば正極活物質表面においてリチウムイオンなどの電荷移動が阻害されることによる反応抵抗の増大など)を回避することができる。すなわち、本実施形態の製造方法によれば、正極活物質表面における皮膜生成を抑制して電池性能の低下を回避し得る電池用正極を提供することができる。 According to the positive electrode manufacturing method according to the present embodiment, the CO 2 concentration in the working atmosphere is measured in the step of preparing the positive electrode mixture layer forming slurry and the step of forming the positive electrode mixture layer, and based on the measured value. Since a series of steps from the slurry preparation step to the positive electrode mixture layer forming step is performed under an atmosphere control such that the CO 2 concentration is a predetermined value or less, the slurry for forming the positive electrode mixture layer is changed to the positive electrode mixture layer. When forming, the amount of CO 2 mixed in the slurry can be reduced, and the positive electrode active material in the slurry can be suppressed from adsorbing CO 2 . As a result, it is possible to suppress the formation of a film (for example, a surface film mainly composed of lithium carbonate) on the surface of the positive electrode active material due to the adsorption of CO 2 , and the influence (for example, the surface of the positive electrode active material) due to the presence of the surface film In this case, an increase in reaction resistance due to inhibition of charge transfer of lithium ions or the like can be avoided. That is, according to the manufacturing method of the present embodiment, it is possible to provide a positive electrode for a battery that can suppress the formation of a film on the surface of the positive electrode active material and avoid a decrease in battery performance.
上述したCO2濃度管理下においては、CO2濃度を400ppm以下に保つことが好ましく、さらに好ましくは200ppm以下に設定され得る。このようなCO2濃度の上限を設定することにより、電池性能に影響を与えない程度にスラリー中に混入するCO2の量を低減させることができ、正極活物質のCO2吸着(延いては炭酸リチウムなどの表面皮膜の生成)を効果的に抑制することができる。 Under the above-described CO 2 concentration control, the CO 2 concentration is preferably maintained at 400 ppm or less, and more preferably 200 ppm or less. By setting the upper limit of such CO 2 concentration, it is possible to reduce the amount of CO 2 to be mixed into a slurry to such an extent that does not affect the battery performance, In its CO 2 adsorption (extension of the positive electrode active material Generation of a surface film such as lithium carbonate) can be effectively suppressed.
なお、この実施形態では、正極活物質として、リチウムと一種または二種以上の遷移金属元素とを構成金属元素として含むリチウム遷移金属複合酸化物(ここではニッケル酸リチウム)を使用している。これらのリチウム複合酸化物は、周囲の水分と反応するとCO2を吸着して炭酸リチウム等からなる表面皮膜を生成しやすい性質がある。したがって、正極活物質が上記リチウム遷移金属複合酸化物である場合、正極活物質表面における皮膜生成を抑制するためにスラリー調製工程から正極合材層形成工程までの間の作業雰囲気中におけるCO2濃度を制御するという本実施形態の方法を採用することによる効果が特によく発揮され得る。 In this embodiment, a lithium transition metal composite oxide (here, lithium nickelate) containing lithium and one or more transition metal elements as constituent metal elements is used as the positive electrode active material. These lithium composite oxides tend to generate a surface film made of lithium carbonate or the like by adsorbing CO 2 when reacted with surrounding moisture. Therefore, when the positive electrode active material is the lithium transition metal composite oxide, the CO 2 concentration in the working atmosphere from the slurry preparation step to the positive electrode mixture layer formation step in order to suppress film formation on the surface of the positive electrode active material The effect of adopting the method of the present embodiment for controlling the temperature can be exhibited particularly well.
また、この実施形態では、スラリー調製工程から正極合材層形成工程までの間の作業雰囲気中におけるCO2濃度を制御するだけでなく、さらに正極活物質合成工程(ステップS10)の作業雰囲気中におけるCO2濃度も所定値以下となるように制御する。かかる態様によれば、正極合材層形成用スラリー中に混入したCO2の存在に起因する正極活物質表面皮膜の生成を抑制するだけでなく、正極活物質の合成作業雰囲気中(典型的には外気中)のCO2の存在に起因する正極活物質表面皮膜の生成も抑制することができる。 In this embodiment, not only the CO 2 concentration in the working atmosphere from the slurry preparation step to the positive electrode mixture layer forming step is controlled, but also in the working atmosphere of the positive electrode active material synthesis step (step S10). The CO 2 concentration is also controlled to be a predetermined value or less. According to this aspect, not only the generation of the positive electrode active material surface film due to the presence of CO 2 mixed in the positive electrode mixture layer forming slurry is suppressed, but also in the atmosphere of the synthesis of the positive electrode active material (typically Can also suppress the formation of the positive electrode active material surface film due to the presence of CO 2 in the outside air).
続いて、図1および図4を参照しつつ、ステップS40で得られた電池用正極(ここでは正極シート)10を用いて電池を構築する工程について説明する。 Next, a process of building a battery using the battery positive electrode (here, positive electrode sheet) 10 obtained in step S40 will be described with reference to FIG. 1 and FIG.
まず、ステップS50において、ステップS40で得られた正極シート10を用いて電極体80を作製する。この実施形態では、まず、ステップS52において、得られた正極シート10と、別途作製した負極シート20とを2枚のセパレータシート30a、30bを介して共に重ね合わせて捲回することにより捲回体を作製し、次いで、ステップS54において、得られた捲回体を側面方向から押しつぶして拉げさせる(扁平状となるようにプレスする)ことによって扁平状の捲回電極体80を作製する。
First, in step S50, the
次いで、ステップS60において、作製した電極体80を電池ケース50に収容して電池100を構築する。この実施形態では、まず、ステップS62において、ステップS50で作製した捲回電極体80の集電体露出部分16、26に正極リード端子42aおよび負極リード端子42bをそれぞれ付設し、この正極リード端子42aおよび負極リード端子42bを蓋体54の正極端子40aおよび負極端子40bに溶接する。次に、ステップS64において、捲回電極体80を電池ケース50に収容する。この実施形態では、電池ケース本体52の上端開口部を介して捲回電極体80を収容し、該上端開口部に蓋体54を溶接等の手段によって取り付ける。次に、ステップS66において、捲回電極体80に電解液を供給する。この実施形態では、電解液の供給は、蓋体54の注液口58から電解液を注入することにより行われる。その後、電池ケース50の注液口58に封止栓56等で封口することにより、本実施形態に係る電池100の製造フローが完了する(ステップS70)。
Next, in step S <b> 60, the produced
ここで、本実施形態においては、電極体作製工程(ステップS50)と電池構築工程(ステップS60)において作業雰囲気中のCO2濃度を測定し、該測定値に基づいて少なくとも電極体作製工程(ステップS50)から電池構築工程(ステップS60)までの間の作業雰囲気中におけるCO2濃度を所定値以下に保つような処置(CO2濃度管理)を実行する。このような処置(CO2濃度管理)は、例えば電極体作製工程(ステップS50)から電解液注液工程(ステップS66)の間に行われる各種作業を、CO2濃度が制御されたドライルーム内(この実施形態ではCO2濃度が400ppm以下で、かつ露点−30℃となるドライ環境下)で実施することにより容易に行うことができる。 Here, in this embodiment, the CO 2 concentration in the working atmosphere is measured in the electrode body manufacturing process (step S50) and the battery construction process (step S60), and at least the electrode body manufacturing process (step A treatment (CO 2 concentration management) is performed to keep the CO 2 concentration in the working atmosphere between S50) and the battery construction step (step S60) below a predetermined value. Such treatment (CO 2 concentration management) is performed, for example, in various operations performed between the electrode body preparation process (step S50) and the electrolyte solution injection process (step S66) in a dry room in which the CO 2 concentration is controlled. (In this embodiment, it can be easily performed in a dry environment where the CO 2 concentration is 400 ppm or less and the dew point is −30 ° C.).
このように電池用正極製造工程の作業雰囲気中におけるCO2濃度を制御するだけでなく、後工程である電極体作製工程(ステップS50)や電池構築工程(ステップS60)の間の作業雰囲気中におけるCO2濃度も所定値以下となるように制御することにより、電極体作製中あるいは電池構築中のCO2の存在に起因する正極活物質表面皮膜の生成も抑制することができ、電池性能への影響を確実に回避することができる。 Thus, not only the CO 2 concentration in the working atmosphere of the battery positive electrode manufacturing process is controlled, but also in the working atmosphere during the electrode body manufacturing process (step S50) and the battery construction process (step S60), which are subsequent processes. By controlling the CO 2 concentration to be equal to or less than the predetermined value, it is possible to suppress the formation of the positive electrode active material surface film due to the presence of CO 2 during the production of the electrode body or during the battery construction. The influence can be avoided reliably.
以下、ここで開示される電池製造方法の好適な幾つかの実施例を説明する。すなわち、作業雰囲気中のCO2ガス濃度を相互に異ならせて試験用正極を幾つか作製し、それらを用いた試験用リチウムイオン電池を構築した。そして、各試験用電池についての交流インピーダンス測定を行い、それらの反応抵抗を評価した。なお、試験用リチウムイオン電池は、以下のようにして作製した。 Several preferred embodiments of the battery manufacturing method disclosed herein will be described below. That is, several test positive electrodes were produced by varying the CO 2 gas concentration in the working atmosphere, and a test lithium ion battery using them was constructed. And the alternating current impedance measurement about each battery for a test was performed, and those reaction resistance was evaluated. The test lithium ion battery was produced as follows.
<試験用正極の作製>
まず、正極活物質としてのニッケル酸リチウム87質量%を、正極導電剤としてのアセチレンブラック10質量%および正極結着材としてのPTFE(固形分)3質量%とともに適当な溶媒(水)に分散させ、二軸攪拌機にて1時間攪拌してペースト状の正極合材層形成用スラリーを調製した。このペースト状スラリーを正極集電体(アルミニウム箔)に塗布及びプレスして溶媒を揮発させ、正極集電体の片面に正極合材層が設けられた試験用正極を作製した。この試験用正極の作製は、CO2ガス濃度が164ppmに管理されたチャンバー内で実施した。
<Preparation of test positive electrode>
First, 87% by mass of lithium nickelate as a positive electrode active material is dispersed in an appropriate solvent (water) together with 10% by mass of acetylene black as a positive electrode conductive agent and 3% by mass of PTFE (solid content) as a positive electrode binder. The mixture was stirred for 1 hour with a biaxial stirrer to prepare a paste-form positive electrode mixture layer forming slurry. This paste slurry was applied and pressed onto a positive electrode current collector (aluminum foil) to volatilize the solvent, and a positive electrode for testing was prepared in which a positive electrode mixture layer was provided on one side of the positive electrode current collector. The test positive electrode was produced in a chamber in which the CO 2 gas concentration was controlled to 164 ppm.
<負極の作製>
一方、負極活物質としての鱗片状グラファイト95質量%を、負極結着材としてのPVDF(固形分)5質量%とともに適当な溶媒(NMP)に分散させ、二軸攪拌機にて1時間攪拌してペースト状の負極合材層形成用スラリーを調製した。このスラリーを負極集電体(銅箔)に塗布及びプレスして溶媒を揮発させ、負極集電体の片面に負極合材層が設けられた負極を作製した。
<Production of negative electrode>
On the other hand, 95% by mass of scaly graphite as a negative electrode active material is dispersed in an appropriate solvent (NMP) together with 5% by mass of PVDF (solid content) as a negative electrode binder, and stirred for 1 hour with a biaxial stirrer. A paste-form slurry for forming a negative electrode mixture layer was prepared. This slurry was applied to a negative electrode current collector (copper foil) and pressed to volatilize the solvent, thereby preparing a negative electrode in which a negative electrode mixture layer was provided on one side of the negative electrode current collector.
<試験用電池の構築>
次いで、微細多孔質ポリエチレン製のセパレータを介してこれらの試験用正極および負極を積層して電極体を作製した。次いで、このようにして得られた積層電極体を電池ケースに収容し、該電池ケースに電解液を注入して試験用電池を構築した。電解液としてはエチレンカーボネイトとジエチルカーボネートとの1:1(質量比)混合溶媒に約1MのLiPF6を溶解させたものを使用した。この試験用電池の作製は、CO2ガス濃度が164ppmに管理されたドライルーム内で実施した。このようにして作製したリチウムイオン電池を試験例1とした。
<Construction of test battery>
Subsequently, these test positive electrodes and negative electrodes were laminated through a separator made of fine porous polyethylene to prepare an electrode body. Next, the laminated electrode body thus obtained was accommodated in a battery case, and an electrolyte was injected into the battery case to construct a test battery. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving about 1M LiPF 6 in a 1: 1 (mass ratio) mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate was used. The test battery was manufactured in a dry room in which the CO 2 gas concentration was controlled to 164 ppm. The lithium ion battery thus produced was designated as Test Example 1.
また、試験例2〜5として、作業雰囲気中のCO2ガス濃度を相互に異ならせてリチウムイオン二次電池を作製した。具体的には、試験例2〜5の順にCO2ガス濃度をそれぞれ391ppm、452ppm、615ppm、882ppmに変えて試験用電池を作製した。CO2ガス濃度を変えたこと以外は試験例1と同様の条件にて作製した。 In addition, as Test Examples 2 to 5, lithium ion secondary batteries were manufactured by varying the CO 2 gas concentrations in the working atmosphere. Specifically, test batteries were produced by changing the CO 2 gas concentration to 391 ppm, 452 ppm, 615 ppm, and 882 ppm in the order of Test Examples 2 to 5, respectively. It was produced under the same conditions as in Test Example 1 except that the CO 2 gas concentration was changed.
<交流インピーダンス測定>
以上のように作製した試験例1〜5の試験用電池の交流インピーダンスを測定し、それらの反応抵抗を評価した。交流インピーダンスの測定条件については、交流印加電圧250mV、周波数範囲10μHz〜1MHzとした。なお、上記インピーダンス測定は、全て60℃、10日保存した試験用電池について実施した。その結果を図5および表1に示す。なお、図5中の横軸は作業雰囲気中のCO2濃度(ppm)を表し、縦軸はインピーダンス測定結果から得られた反応抵抗値(mΩ)を表す。
<AC impedance measurement>
The alternating current impedance of the test batteries of Test Examples 1 to 5 produced as described above was measured, and their reaction resistance was evaluated. The AC impedance measurement conditions were an AC applied voltage of 250 mV and a frequency range of 10 μHz to 1 MHz. The impedance measurements were all performed on test batteries stored at 60 ° C. for 10 days. The results are shown in FIG. In FIG. 5, the horizontal axis represents the CO 2 concentration (ppm) in the working atmosphere, and the vertical axis represents the reaction resistance value (mΩ) obtained from the impedance measurement result.
試験例1、2と試験例3、4、5との比較から明らかなように、作業雰囲気中のCO2ガス濃度が400ppm付近を下回ると、反応抵抗が小さくなることが分かった。これは、作業雰囲気中のCO2ガスを減らすことにより、CO2吸着に起因する正極活物質表面の皮膜生成を抑制することができたためと考えられる。以上のことから、スラリー調製工程から正極合材層形成工程までの間の作業雰囲気中におけるCO2濃度を400ppm以下に保つことにより、正極活物質表面の皮膜生成による電池性能の低下を抑制し得ることが確認された。 As is clear from the comparison between Test Examples 1 and 2 and Test Examples 3, 4, and 5, it was found that the reaction resistance decreases when the CO 2 gas concentration in the working atmosphere is below 400 ppm. This is presumably because the formation of a film on the surface of the positive electrode active material due to CO 2 adsorption could be suppressed by reducing the CO 2 gas in the working atmosphere. From the above, by maintaining the CO 2 concentration in the working atmosphere between the slurry preparation step and the positive electrode mixture layer forming step at 400 ppm or less, it is possible to suppress a decrease in battery performance due to film formation on the surface of the positive electrode active material. It was confirmed.
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、ここまでは主としてリチウムイオン二次電池を例として本発明に係る電池用正極の製造方法について説明してきたが、本発明を適用可能な電池はリチウムイオン二次電池に限らない。例えば、本発明の製造方法を適用してリチウムイオン一次電池用の正極を好ましく製造することができる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated by suitable embodiment, such description is not a limitation matter and of course various modifications are possible. For example, the method for producing a positive electrode for a battery according to the present invention has been described so far mainly using a lithium ion secondary battery as an example, but a battery to which the present invention can be applied is not limited to a lithium ion secondary battery. For example, the production method of the present invention can be applied to preferably produce a positive electrode for a lithium ion primary battery.
本実施形態に係る電池用正極を備えた電池は、上述したように正極活物質表面における皮膜生成による電池性能の低下を抑制し得るため、特に自動車等の車両に搭載されるモーター(電動機)用電源として好適に使用し得る。すなわち、上記電池を単電池として所定の方向に配列し、当該単電池をその配列方向に拘束することによって組電池を構築し、かかる組電池を電源として備える車両(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車)を提供することができる。 Since the battery including the positive electrode for a battery according to the present embodiment can suppress a decrease in battery performance due to film formation on the surface of the positive electrode active material as described above, it is particularly for a motor (electric motor) mounted on a vehicle such as an automobile. It can be suitably used as a power source. That is, a battery (typically an automobile, in particular a hybrid), in which the battery is arranged as a single battery in a predetermined direction, an assembled battery is constructed by restraining the single battery in the arrangement direction, and the assembled battery is used as a power source. An automobile equipped with an electric motor such as an automobile, an electric automobile, and a fuel cell automobile) can be provided.
なお、上述した特許文献1(特開2000−58053号公報)には、空気中のCO2ガスが正極活物質(リチウムニッケル系複合酸化物)の原料である水酸化リチウムと反応して炭酸リチウムなどの不純物を生じることを抑制するため、CO2ガス濃度を規定する技術が開示されている。しかし、特許文献1は合成時の作業雰囲気中での二酸化炭素ガス濃度を規定しているにすぎず、本発明の構成、すなわち正極合材層形成用スラリーの調製工程と正極合材層の形成工程において作業雰囲気中のCO2濃度を測定し、該測定値に基づいて少なくともスラリー調製工程から正極合材層形成工程までの間の作業雰囲気中におけるCO2濃度を所定値以下に保つことについては、開示も示唆もなされていない。
In Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-58053) described above, CO 2 gas in the air reacts with lithium hydroxide that is a raw material of the positive electrode active material (lithium nickel-based composite oxide) to react with lithium carbonate. In order to suppress the generation of impurities such as the above, a technique for defining the CO 2 gas concentration is disclosed. However,
10 正極
12 正極集電体
14 正極合材層
16 集電体露出部分
20 負極
22 負極集電体
24 負極合材層
26 集電体露出部分
30a、30b セパレータ
40a 正極端子
40b 負極端子
42a 正極リード端子
42b 負極リード端子
50 電池ケース
52 電池ケース本体
54 蓋体
56 封止栓
58 注液口
80 電極体
100 電池
DESCRIPTION OF
Claims (5)
正極活物質を分散媒体に分散させてなる正極合材層形成用スラリーを調製する工程と、
前記調製した正極合材層形成用スラリーを前記正極集電体の表面に付与して前記正極合材層を形成する工程と
を包含し、
ここで、前記正極合材層形成用スラリー調製工程と前記正極合材層形成工程において、作業雰囲気中のCO2濃度を測定する若しくはCO2濃度が制御されたガスを作業雰囲気に導入することにより、少なくとも前記スラリー調製工程から前記正極合材層形成工程までの間の作業雰囲気中におけるCO2濃度を所定値以下に保つことを特徴とする、電池用正極の製造方法。 A method for producing a positive electrode for a lithium battery having a configuration in which a positive electrode mixture layer containing a positive electrode active material is held by a positive electrode current collector,
Preparing a slurry for forming a positive electrode mixture layer formed by dispersing a positive electrode active material in a dispersion medium;
Providing the prepared slurry for forming a positive electrode mixture layer on the surface of the positive electrode current collector to form the positive electrode mixture layer,
Here, in the positive electrode mixture layer forming slurry preparation step and the positive electrode mixture layer formation step, by measuring the CO 2 concentration in the working atmosphere or introducing a gas having a controlled CO 2 concentration into the working atmosphere A method for producing a positive electrode for a battery, wherein a CO 2 concentration in a working atmosphere at least from the slurry preparation step to the positive electrode mixture layer formation step is maintained at a predetermined value or less.
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2008
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
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