JP2013543229A - 新規な構造体を有するキャップアセンブリ、およびそれを含む円筒状電池 - Google Patents

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Abstract

本発明は、カソード/セパレータ/アノード構造体を有するゼリーロール型電極アセンブリの金属容器の開口した上端に取り付けられるキャップアセンブリであって、ゼリーロールの電極リードが、電池内部で高圧が発生した場合に破断して高圧ガスを放出するノッチを有する安全ベントの下端に電気的に接続され、所定の温度で電流を遮断する安全部材が、安全ベントと電極リードとの間に配置された、キャップアセンブリを提供する。

Description

本発明は、新規な構造体のキャップアセンブリに関し、より詳細には、カソード/セパレータ/アノード構造体の電極アセンブリ(ゼリーロール)が中に取り付けられた電池の円筒状容器の、開口した上端に配設されるキャップアセンブリであって、ゼリーロールの電極リードが、電池内で高圧が発生すると破断して高圧ガスを放出するノッチを有する安全ベントの下端に電気的に接続され、所定の温度で電流を遮断する安全素子が、安全ベントと電極リードとの間に設けられた、キャップアセンブリに関する。
モバイル機器がますます開発され、かかるモバイル機器の需要が増大してきたことに伴い、二次電池の需要もやはり、モバイル機器のエネルギー源として急増してきている。かかる二次電池の1つに、高いエネルギー密度、および高い放電電圧を有するリチウム二次電池があり、リチウム二次電池には多くの研究が行われてきており、現在は商用化され、幅広く使用されている。
電池ケースの形状に依存して、二次電池は、円筒状の金属容器内に取り付けられた電極アセンブリを有する円筒状電池、角柱状の金属容器内に取り付けられた電極アセンブリを有する角柱状電池、またはアルミニウム積層シートで形成されたパウチ形のケース内に取り付けられた電極アセンブリを有するパウチ形電池として分類することができる。円筒状電池は、容量が比較的大きく、構造的に安定性があるという利点を有する。
また、電池ケース内に取り付けられた電極アセンブリは、カソード/セパレータ/アノード積層構造体を有する発電素子として働き、この発電素子は充放電することができる。この電極アセンブリは、活物質を塗布した長いシート型のカソードおよび長いシート型のアノードが巻き付けられ、セパレータがカソードとアノードとの間に配設された構造体を有するように構成されたゼリーロール型電極アセンブリ、または所定の寸法を有する複数のカソードとアノードとが順次積層され、セパレータがカソードとアノードとの間にそれぞれ配設された構造体を有するように構成された積層型電極アセンブリとして分類することができる。ゼリーロール型電極アセンブリは、製造しやすく、単位質量当たりのエネルギー密度が高いという利点を有する。
図1は、一般的な円筒状電池を典型的に示す垂直断面斜視図である。
図1を参照すると、円筒状電池100は、ゼリーロール型(巻付け型)電極アセンブリ120を円筒状ケース130内に挿入し、円筒状ケース130内に電解質を注入し、電極端子(図示せず)、例えばカソード端子を有するトップキャップ140を、円筒状ケース130の開口した上端に結合することによって製造されている。
ゼリーロール型電極アセンブリ120は、セパレータ123がカソード121とアノード122の間に配設された状態で、カソード121およびアノード122を丸めて巻き付けた構造体を有するように構成される。円筒状センターピン150が、ロールの中心、すなわち電極アセンブリ120の中心に配設されている。センターピン150は、所定の強度を示すように、一般に金属材料で作成されている。センターピン150は、金属シートを丸めることによって形成された中空の円筒状構造体を有するように構成される。センターピン150は、電極アセンブリ120を固定し、支持する働きをする。さらに、センターピン150は、二次電池が充放電するとき、または二次電池が動作するときに、二次電池の内部反応によって発生するガスを放出する流路として働く。
一方、リチウム二次電池は、安全性が低いという欠点を有する。例えば、この電池は、約4.5V以上まで過充電すると、カソード活物質が分解し、アノードでリチウム金属のデンドライト成長が生じ、電解質が分解する。この時点で、電池から熱が発生し、その結果、上述の分解、およびいくつかの副次的な分解(sub decomposition)が急速に進行し、最終的にはこの電池は発火し、破裂することがある。
したがって、上述の課題を解決するために、一般的な円筒状二次電池には、電流遮断装置(CID)が、ゼリーロール型電極アセンブリとトップキャップとの間で画定される空間に取り付けられ、このCIDは、二次電池が誤動作したときに、電流を遮断し、内部圧力を解放する。
かかるCIDによって実施される一連の動作を図2から図4に示す。
これらの図面を参照すると、トップキャップ10が突出して、カソード端子を形成している。トップキャップ10は、排気口を有する。トップキャップ10の下方には、電池の内部温度が上昇したときに、電池抵抗が著しく増大することによって電流を遮断する正の温度係数(PTC)素子20と、正常状態では下方に陥凹した形状を有し、電池の内部圧力が増大すると突出し、破断してガスを排出するように構成された安全ベント30と、上端の一面が安全ベント30に結合され、下端の一面が電極アセンブリ40のカソードに接続された電流遮断装置50と、が順次配設されている。また、電流遮断装置50の外周は、電流遮断装置50を固定する電流遮断装置ガスケット52によって取り囲まれている。
したがって、正常な動作条件下では、電極アセンブリ40のカソードは、電極リード42、電流遮断装置50、安全ベント30、およびPTC素子20を介してトップキャップ10に接続されており、それによって通電している。
しかし、過充電など様々な理由で電極アセンブリ40からガスが発生すると、電池の内部圧力が増大し、安全ベント30の形状は、図3に示すように逆向きになる。すなわち、安全ベント30は、上方に突出する。この時点で、安全ベント30が、電流遮断装置50から分離して、電流を遮断する。その結果、過充電がさらに進行することが防止され、それによって安全性が実現される。しかし、電池の内部圧力が増大し続けると、安全ベント30は図4に示すように破断し、その結果、加圧ガスが、破断した安全ベント30を介してトップキャップ10の排気口から放出され、それによって電池の破裂が防止される。
一方、円筒状二次電池は、上述の過充電特性に加えて、高温保存特性を示さなければならない。
高温保存特性とは、電池を所定の温度(例えば、75℃)で長期間維持しても、電池の電圧が降下しないという電池の特性を意味する。具体的には、高温保存特性とは、試験後も正常電圧および正常電流で電池が動作することを意味する。
過充電特性とは、CIDが電圧および電流を有効に遮断し、それによって、電池が正常電圧よりも高いレベルまで充電されたときに、電池の内部圧力の増大および温度上昇により電池が破裂する前に、電池の破裂を防止する、CIDの正常動作を意味する。
高温保存特性および過充電特性をともに満足させるために、注入する電解質の量を短絡圧力範囲が8kgf/cmから14kgf/cmとなるように調節する方法が主に使用されている。
少量の電解質を円筒状電池容器に注入する場合、高温保存特性は有利になるが、過充電特性が不利となる。すなわち、電解質が少量であると、電池セルの内部空間が増大する。したがって、電池セルが過充電状態で、電池セル内にガスが発生すると、CIDを破断するのに十分なガスが発生する前に、その電池セルの内部温度が上昇し、その結果、電池セルが破裂することになる。
一方、大量の電解質を円筒状電池容器に注入する場合、過充電特性は有利になるが、高温保存特性が不利となる。すなわち、電解質が大量であると、電池セルの内部空間が減少する。したがって、電池セルが高温状態で、電池セル内にガスが発生すると、CIDが破断し、その結果、電池セルは使用することができなくなる。
したがって、注入する電解質の量を調整することなく、高温保存特性および過充電特性を同時に満足させることが可能な、新規な構造体のキャップアセンブリ、および前記キャップアセンブリを含む円筒状電池が非常に求められている。
したがって、本発明は、上述の課題、および未解決の他の技術的課題を解決するためになされたものである。
上述の課題を解決するために、広範かつ集中的な研究および実験を多種多様に行った結果、本願発明者らは、所定の温度で電流を遮断する安全素子を、キャップアセンブリの安全ベントと電極リードとの間に結合すると、注入する電解質の量を調整することなく、高温保存特性および過充電特性を同時に満足させることが可能となることを見出した。本発明は、こうした発見に基づいて完成したものである。
本発明の一態様によれば、上記およびその他の目的は、カソード/セパレータ/アノード構造体の電極アセンブリ(ゼリーロール)が中に取り付けられた電池の円筒状容器の、開口した上端に配設されるキャップアセンブリであって、ゼリーロールの電極リードが、電池内で高圧が発生すると破断して高圧ガスを放出するノッチを有する安全ベントの下端に電気的に接続され、所定の温度で電流を遮断する安全素子が、安全ベントと電極リードとの間に設けられた、キャップアセンブリを提供することによって実現することができる。
すなわち、本発明によるキャップアセンブリでは、キャップアセンブリの安全ベントとゼリーロールの電極リードとが、所定の温度で電流を遮断する安全素子を介して互いに電気的に接続されている。その結果、注入する電解質の量を調整することなく、高温保存特性および過充電特性を同時に満足させることが可能となる。
具体的には、本発明によるキャップアセンブリにおいて、安全素子は、所定の温度で電流を遮断する働きをし、したがって電解質が大量であると、電池セルの内部空間が減少し、その結果、ガスが発生すると電流遮断装置(CID)が破断することになる、一般的なキャップアセンブリとは異なり、電池セルの内部圧力が幾分増大しても、電流は遮断されない。したがって、本発明によるキャップアセンブリは、高温保存特性に寄与する。
また、電解質が少量の場合でも、過充電のため電池セルの内部温度が上昇し続けると、安全素子によって電流が遮断されることになり、したがって電池セルの温度は、破裂する前に所定の温度に達する。したがって、さらなる温度上昇を抑制し、それによって電池セルの破裂を有効に防止することが可能である。
さらに、本発明によるキャップアセンブリには、電流遮断装置、および電流遮断装置用のガスケットが必要でなく、したがって製造費用を削減することが可能である。また、電池セルが正常に動作する程度まで電解質を適量注入すれば十分であり、したがって注入効率を向上させることが可能である。
さらに、安全素子がゼリーロールに隣接して配設されるように、安全素子を安全ベントと電極リードとの間に配置する。したがって、安全素子は、ゼリーロールの温度変化により迅速に反応して、電流を所定の温度で遮断することができる。
好ましくは、ゼリーロールと安全素子との間の接触を防止する絶縁プレートを、ゼリーロールの上面に取り付けて、安全素子とゼリーロールとの間の接触によって短絡が生じるのを防止する。
好適な一例において、安全素子には、温度ヒューズが含まれ得る。
温度ヒューズは、電池が熱衝撃、過充電、または落下を受けると電流を遮断し、それによって電池の安全性を高める。また、温度ヒューズによって、短絡圧力の増減などの、プロセスベースの問題(process-based problems)が容易に解決される。
所定の温度は、80℃から110℃、好ましくは80℃から100℃とすることができる。温度が低すぎると、高温保存状態下で電流が遮断されることがある。一方、温度が高すぎても、過充電状態下で電流が遮断されないことになる。
電極リードは、電極リードの、安全素子が結合される領域の前端から外方に、したがって電極リードがゼリーロールの中心から外方に向かうように折り曲げ、次いで、電極リードの、安全素子が結合される領域の後端から内方に折り曲げることができる。したがって、安全素子は、折れ曲がりおよび破損から防止される。
上記の構造体において、安全素子は、電極リードの上端部分に結合することができる。例えば、安全素子は、電極リードの上端部分に、溶接によって一体に結合することができる。
安全ベントは、電池の異常動作、または電池を構成している構成要素の劣化のため、電池の内部圧力が増大したときに、電池からガスを放出し、それによって電池の安全性を保証する、ある種の安全装置である。例えば、電池内でガスが発生し、電池の内部圧力が臨界値を超えると、安全ベントが破断し、したがってガスが破断した安全ベントを通過し、その後トップキャップに形成された1つまたは複数のガス放出口を介して電池から放出される。
安全ベント用の材料は、特に限定されない。好ましくは、安全ベントは、電池の内部圧力が臨界値を超えると、安全ベントが破断するように、厚さが0.15mmから0.4mmのアルミニウムシートで形成される。
好適な一例において、安全ベントは、その中央に、下方に陥凹するように構成された凹部を設けることができ、この凹部を画定している上側屈曲領域および下側屈曲領域に、第1のノッチおよび第2のノッチをそれぞれ形成することができ、第1のノッチは、閉曲線を成し、第1のノッチの下方に形成される第2のノッチは、その片側が開いた開曲線の形に構成することができ、第2のノッチは、第1のノッチよりも深く形成することができる。
第2のノッチは、第1のノッチよりも深く形成されているので、第2のノッチは、圧力が臨界圧力を超えた加圧ガスが安全ベントに加わると、切り離される。一方、圧力が臨界圧力未満の加圧ガスが安全ベントに加わると、第1のノッチは第2のノッチと協働して、凹部を上方に押し上げる。
好適な一例において、このキャップアセンブリは、少なくとも1つのガス放出口が形成されたトップキャップと、安全ベントと、が積層された構造体を有するように構成することができ、キャップアセンブリの外周にガスケットを取り付けることができる。
したがって、安全素子が結合される電極リードの上部を溶接によって安全ベントに結合すると、連続した工程でキャップアセンブリを製造することが可能となる。
また、上述の構造体を有するように構成されたキャップアセンブリには、図2に示した、トップキャップ、安全ベント、正の温度係数(PTC)素子、電流遮断装置(CID)、および電流遮断装置ガスケットを含む一般的なキャップアセンブリと比較して、正の温度係数(PTC)素子、電流遮断装置(CID)、および電流遮断装置ガスケットが必要でない。
上述のように、本発明によるキャップアセンブリには、電流遮断装置(CID)、および電流遮断装置ガスケットが必要でないので、キャップアセンブリの製造費用を削減することが可能である。また、本発明によるキャップアセンブリには、PTC素子が必要でないので、圧着部の高さをPTC素子の高さに比例して低減させることが可能であり、その結果、ビード部の高さが増し、それによってゼリーロールの電池容量が増大することになる。
本発明の別の態様によれば、キャップアセンブリを含む円筒状電池が提供される。
本発明による円筒状二次電池は、キャップアセンブリを、ゼリーロール型電極アセンブリが円筒状金属容器内に取り付けられた状態で、その円筒状金属容器の開口した上端に結合し、電極アセンブリのアノードを容器の下端に溶接し、電極アセンブリのカソードを容器の上端に結合されたキャップアセンブリに溶接して、電極アセンブリおよび電解質が容器内に収容された状態で、電池を気密封止することによって製造される。
本発明による電池は、高いエネルギー密度、高い放電電圧、および高い出力安定性を有するリチウム二次電池とすることができる。本発明によるリチウム二次電池の他の構成要素について、以下で詳細に説明する。
一般に、リチウム二次電池は、カソード、アノード、セパレータ、およびリチウム塩を含有した非水電解質を含む。
カソードは、例えば、カソード活物質、導電材料、およびバインダの混合物をカソード集電体に塗布し、その塗布した混合物を乾燥させることによって製造することができる。必要に応じて、フィラーをさらに加えることができる。アノードは、アノード材料をアノード集電体に塗布し、その塗布したアノード材料を乾燥させることによって製造することができる。必要に応じて、上述の原料をさらに加えることができる。
セパレータは、アノードとカソードとの間に配設される。セパレータは、高いイオン透過性、および高い機械的強度を示す絶縁薄膜で形成することができる。
リチウム塩を含有した非水電解質は、非水電解質、およびリチウム塩からなる。液体非水電解質、固体非水電解質、または無機固体非水電解質を、非水電解質として使用することができる。
集電体、電極活物質、導電材料、バインダ、フィラー、セパレータ、電解質、およびリチウム塩は、本発明が属する技術分野では周知であり、したがってそれらの詳細な説明は省略する。
本発明によるリチウム二次電池は、本発明が属する技術分野で周知の通常の方法を用いて製造することができる。すなわち、リチウム二次電池は、カソードとアノードとの間に多孔性セパレータを配設し、そこに電解質を注入することによって製造することができる。
カソードは、例えば、リチウム遷移金属酸化物活物質、上述の導電材料、およびバインダからなるスラリを集電体に塗布して、そのスラリを乾燥させることによって製造することができる。同様に、アノードは、例えば、炭素活物質、上述の導電材料、およびバインダからなるスラリを薄膜集電体に塗布して、そのスラリを乾燥させることによって製造することができる。
上記の説明から明らかなように、本発明によるキャップアセンブリにおいて、所定の温度で電流を遮断する安全素子が、安全ベントと電極リードとの間に接続されている。したがって、注入する電解質の量を調整することなく、高温保存特性および過充電特性を同時に満足させることが可能となる。
本発明の上記およびその他の目的、特徴、ならびにその他の利点は、以下の詳細な説明を添付の図面とともに読めば、より明確に理解されよう。
一般的な円筒状電池を示す垂直断面斜視図である。 電流遮断装置(CID)の動作によって電流を遮断して、円筒状電池から高圧ガスを放出する一工程を示す垂直断面図である。 電流遮断装置(CID)の動作によって電流を遮断して、円筒状電池から高圧ガスを放出する一工程を示す垂直断面図である。 電流遮断装置(CID)の動作によって電流を遮断して、円筒状電池から高圧ガスを放出する一工程を示す垂直断面図である。 本発明の一実施形態による円筒状電池を典型的に示す部分断面図である。 図5の円筒状電池に使用される安全ベントを示す斜視図である。 図5の安全素子を典型的に示す断面図である。
次に、本発明の好適な実施形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は、例示の実施形態によって限定されるものではないことに留意されたい。
図5は、本発明の一実施形態による円筒状電池を典型的に示す部分断面図であり、図6は、図5の円筒状電池に使用される安全ベントを典型的に示す斜視図である。
これらの図面を参照すると、本発明の一実施形態による円筒状電池100aは、ゼリーロール110を容器200内に挿入し、容器200内に電解質を注入し、容器200の開口した上端にキャップアセンブリ300を取り付けることによって製造されている。
キャップアセンブリ300は、トップキャップ310、および電池の内部圧力を低減させるための安全ベント320が、容器の圧着部202の内側、かつ容器200のビード部210の上部内側に取り付けられた気密ガスケット400内に、互いに密着して配設された構造体を有するように構成されている。トップキャップ310の中央は、上方に突出しており、外部回路との接続をなすカソード端子として働く。複数の貫通孔312が、トップキャップ310の凸部周囲に形成され、したがって圧縮ガスがこれらの貫通孔312を介して容器200から放出されることになる。
また、キャップアセンブリ300は、ガス放出口として働く貫通孔312が形成されたトップキャップ310と、安全ベント320と、が積層された構造体を有するように構成されている。ガスケット400は、キャップアセンブリ300の外周に取り付けられている。
その結果、図5のキャップアセンブリ300には、図2のキャップアセンブリと比較して、正の温度係数(PTC)素子20が必要でない。したがって、圧着部202の高さは、PTC素子20の高さに比例して低減し、その結果、ビード部210の高さHが増し、それによってゼリーロール110の電池容量が増大することになる。
安全ベント320は、電流を伝導する薄膜構造体である。安全ベント320の中央は陥凹して、陥凹中央部322を形成している。異なる深さを有する2つのノッチ324および326が、中央部322の上側屈曲領域および下側屈曲領域にそれぞれ形成されている。
また、ゼリーロール110の電極リード600が、安全ベント320の下端に接続されている。80℃から110℃の温度で電流を遮断する安全素子610が、電極リード600に結合されている。
安全素子610がゼリーロール100に隣接して配設されているので、安全素子610は、ゼリーロール100の温度変化により迅速に反応して、電流を遮断することができる。
ゼリーロール110と安全素子610との間の接触を防止する絶縁プレート220が、ゼリーロール110の上面に取り付けられ、それによってゼリーロール110と安全素子610との間の接触による短絡発生が防止される。
また、電極リード600は、電極リード600の、安全素子610が結合される領域の前端から外方に、したがって電極リード600がゼリーロールの中心から外方に向かうように折れ曲がり、次いで、電極リード600の、安全素子610が結合される領域の後端から内方に折れ曲がっている。
一方、安全ベント320の上部に形成された第1のノッチ324は、閉曲線を成し、安全ベント320の下部に形成された第2のノッチ326は、その片側が開いた開曲線の形に構成されている。また、第2のノッチ326は、第1のノッチ324よりも深く形成されている。したがって、第2のノッチ326の結合力は、第1のノッチ324の結合力よりも弱い。
したがって、容器200の内部圧力が臨界圧力を超えると、安全ベント320の第2のノッチ326が破断し、その結果、加圧ガスが、トップキャップ310の貫通孔312を介して容器200から放出される。
図7は、図5の安全素子を典型的に示す断面図である。
図7を参照すると、温度ヒューズ610が、安全素子として、温度ヒューズ610の中央領域Aが薄シートの形に形成されるように構成されている。したがって、電池の内部温度が例えば80℃以下である場合、電流は遮断されず、それによって高温保存特性が満足させられる。一方、電池セルの内部温度が80℃を超えると、温度ヒューズ610の、比較的薄い中央領域Aが破断して、電流がゼリーロール110から安全ベント320へと流れるのを遮断し、それによって過充電による電池の破裂が防止される。
上述の構造体に加えて、他の様々な構造体を用いて、電流を所定の温度で遮断することができる。
本発明の好適な実施形態について、例示の目的で開示してきたが、添付の特許請求の範囲に開示した本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、様々な変更、追加、および置換を行うことが可能であることが、当業者には理解されよう。
10 トップキャップ
20 正の温度係数(PTC)素子
30 安全ベント
40 電極アセンブリ
42 電極リード
50 電流遮断装置
52 電流遮断装置ガスケット
100、100a 円筒状電池
110 ゼリーロール
120 ゼリーロール型電極アセンブリ
121 カソード
122 アノード
123 セパレータ
130 円筒状ケース
140 トップキャップ
150 円筒状センターピン
200 容器
202 圧着部
210 ビード部
300 キャップアセンブリ
310 トップキャップ
312 貫通孔
320 安全ベント
322 陥凹中央部
324 第1のノッチ
326 第2のノッチ
400 気密ガスケット
600 電極リード
610 安全素子(温度ヒューズ)

Claims (12)

  1. カソード/セパレータ/アノード構造体の電極アセンブリ(ゼリーロール)が中に取り付けられた電池の円筒状容器の、開口した上端に配設されるキャップアセンブリであって、
    前記ゼリーロールの電極リードが、前記電池内で高圧が発生すると破断して高圧ガスを放出するノッチを有する安全ベントの下端に電気的に接続され、所定の温度で電流を遮断する安全素子が、前記安全ベントと前記電極リードとの間に設けられたキャップアセンブリ。
  2. 前記ゼリーロールと前記安全素子との間の接触を防止する絶縁プレートが、前記ゼリーロールの上面に取り付けられた請求項1に記載のキャップアセンブリ。
  3. 前記安全素子が、温度ヒューズを備える請求項1に記載のキャップアセンブリ。
  4. 前記所定の温度が、80℃から110℃である請求項1に記載のキャップアセンブリ。
  5. 前記所定の温度が、90℃から100℃である請求項1に記載のキャップアセンブリ。
  6. 前記電極リードが、前記電極リードの、前記安全素子が結合される領域の前端から外方に、したがって前記電極リードが前記ゼリーロールの中心から外方に向かうように折れ曲がり、次いで、前記電極リードの、前記安全素子が結合される前記領域の後端から内方に折れ曲がっている請求項1に記載のキャップアセンブリ。
  7. 前記安全素子が、前記電極リードの上端部分に形成された請求項6に記載のキャップアセンブリ。
  8. 前記安全ベントは、厚さが0.15mmから0.4mmのアルミニウムシートで形成された請求項1に記載のキャップアセンブリ。
  9. 前記安全ベントの中央に、下方に陥凹するように構成された凹部が設けられ、第1のノッチおよび第2のノッチが、前記凹部を画定している上側屈曲領域および下側屈曲領域にそれぞれ形成され、前記第1のノッチが、閉曲線を成し、前記第1のノッチの下方に形成される第2のノッチが、その片側が開いた開曲線の形に構成され、前記第2のノッチが、前記第1のノッチよりも深く形成されている請求項1に記載のキャップアセンブリ。
  10. 前記キャップアセンブリが、少なくとも1つのガス放出口が形成されたトップキャップと前記安全ベントとが積層された構造体を有するように構成され、ガスケットが、前記キャップアセンブリの外周に取り付けられている請求項1に記載のキャップアセンブリ。
  11. 請求項1から10のいずれか一項に記載のキャップアセンブリを備える円筒状電池。
  12. 前記電池が、リチウム二次電池を備えている請求項11に記載の円筒状電池。
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