JP5114036B2 - 積層型電池の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、積層型電池の製造方法に関し、特に正極および負極の複数枚の集電用タブを並列接続した積層型リチウムイオン電池の製造に好適な積層型電池の製造方法に関する。
近年、携帯電話やデジタルスチールカメラなどの携帯機器用の電源として高容量化、小型化の要求により、リチウムイオン電池が用いられている。また、電動アシスト自転車や電動工具の電源としても、高エネルギー密度で、メモリー効果のないリチウムイオン電池が用いられている。これらの携帯機器あるいは電源においては、小型化が要求され、それに伴いリチウムイオン電池も小型化、薄型化の設計が要求されてきている。
近年、複数の平板状の正極電極および負極電極をセパレータを介して積層し、それぞれに接続した集電用タブを並列に接続し、電池のエネルギー密度からも有利であるラミネート外装材を用いた積層型リチウムイオン電池が使用されるようになってきている。
図９（ａ）は従来の積層型リチウムイオン電池の積層後の状態を示す斜視図であり、図９（ｂ）はリード端子と集電タブ接続後の斜視図である。図９のように正極集電タブ３および負極集電タブ４は、正極リード端子６および負極リード端子７と、同じように、それぞれの溶接部９１で接続されるため、これ以降の図ではすべて正極側を例にして説明する。すなわち負極側は省略するが、負極側も同様に接続される。積層型リチウムイオン電池は複数枚の正極電極１と負極電極２がセパレータ（図示省略）を介して対向して図９（ａ）に示すように平板上に積層配置されており、正極電極１および負極電極２のそれぞれに接続した正極集電タブ３および負極集電タブ４をそれぞれ接触しないよう離間させて、正極リード端子６および負極リード端子７と図９（ｂ）に示すように並列に接続し、ラミネート材を用いて外装されている。
通常、正極および負極集電タブ３，４と、正極および負極リード端子６，７との接合には、超音波溶接が用いられ、アンビルと溶接チップで挟み込み加圧しながら溶接している。このような集電タブとリード端子の接続では、集電タブの枚数により超音波溶接の条件が異なり、集電タブの枚数を変化させるたびに各溶接装置の最適条件を求める必要があった。また積層型リチウムイオン電池の場合、集電タブは１枚の厚さが数μｍから数十μｍと薄く、集電タブの枚数増加により溶接エネルギーが大きくなると、溶接の際に集電タブが切れてしまう可能性があり、溶接条件のエネルギー増加に伴い集電タブは切れやすくなるという問題がある。
上記従来技術と関連する集電構造を持つものとして、特許文献１には、多数の電極板を有する蓄電池で、それら電極板を集電端子に接続させる構成において、蓄電池の容量を小さくすることなく電極板の破損を防ぐ集電構造が開示されている。
特開平９−２１３２９９号公報
従来の積層型リチウムイオン電池においては、正負極集電タブをリード端子に溶接する場合には、溶接する集電タブの枚数ごとに最適な溶接条件が必要なので、集電タブの枚数が変化するたびに最適条件を求める必要があり、また１枚が数μｍから数十μｍと薄い集電タブには超音波溶接などの溶接に耐えられる強度に限界があると考えられ、集電タブの増加に伴い、溶接の際に特に最端の集電タブが切れてしまう可能性が高くなるという問題がある。本発明は、安定に溶接が行える条件を一度確立すれば、あるいは、それまでに使用している条件を用いれば、集電タブ枚数が増加した場合でもその都度溶接の最適条件を求める必要がなくなり、溶接の際の集電タブ切れが起こることなく、また集電タブ枚数に上限なく、容易に増加した集電タブを溶接できる積層型リチウムイオン電池の製造方法を提供するものである。
また特許文献１の集電構造によっては、上記のような薄い集電タブに関わる問題点には対処できない。
この状況にあって、本発明の課題は、積層数の異なる多種類の積層型電池に対して、薄い帯状の集電タブのリード端子への溶接条件を変化させずに、積層数を増加できる積層型電池の製造方法を提供することにある。
本発明の課題は、正極電極と負極電極をセパレータを介して対向させつつ積層した積層体から同一方向に引き出された複数の正極集電タブおよび複数の負極集電タブが、それぞれ正極リード端子および負極リード端子と溶接で接続される積層型電池の製造方法であって、正極側および負極側のそれぞれに対し複数枚を重ねることで一括して溶接可能な集電タブの最大枚数および標準溶接条件をあらかじめ決定する工程と、前記最大枚数を越えない枚数を重ねることで同時に溶接可能な１つの組を形成し、各組の間で集電タブの溶接位置を、正極または負極のリード端子の面内での集電タブ引き出し方向またはこの方向と垂直な方向にずらして前記１つの組ごとに一括して、前記標準溶接条件で溶接する工程とを含み、前記１つの組を形成する集電タブは積層方向に１枚おきまたは複数枚おきにまとめて１つの組を形成したものである積層型電池の製造方法によって解決することができる。
前記集電タブの各組の間で、リード端子との接続位置を集電タブ引き出し方向と垂直な横方向にずらすと共に、前記リード端子の集電タブ引き出し方向と垂直な方向に広がる幅は一定に形成する前記の積層型電池の製造方法である。
前記集電タブの各組の間で、リード端子との接続位置を集電タブ引き出し方向と垂直な横方向にずらすと共に、前記リード端子はＴ字型、Ｌ字型、またはＴ字型の上部を左右非対称にする形状とした前記の積層型電池の製造方法である。
正極電極と負極電極をセパレータを介して対向させつつ積層した積層体から同一方向に引き出された複数の正極集電タブおよび複数の負極集電タブが、それぞれ正極リード端子および負極リード端子と溶接で接続される積層型電池の製造方法であって、正極側および負極側のそれぞれに対し複数枚を重ねることで一括して溶接可能な集電タブの最大枚数および標準溶接条件をあらかじめ決定する工程と、前記最大枚数を越えない枚数を重ねることで同時に溶接可能な１つの組を形成し、各組の間で集電タブの溶接位置を、正極または負極のリード端子の面内での集電タブ引き出し方向またはこの方向と垂直な方向にずらして前記１つの組ごとに一括して、前記標準溶接条件で溶接する工程とを含み、前記集電タブの各組の間で、リード端子との接続位置を集電タブ引き出し方向に垂直な横方向には、ずらさずに、集電タブの長さを変化させてリード端子の１つの面上で集電タブ引き出し方向での異なる位置に配置し、前記積層体に近い側から遠い側に向かって、前記積層体の下側の集電タブから始め上側の集電タブに進む順番で接続する積層型電池の製造方法である。
正極電極と負極電極をセパレータを介して対向させつつ積層した積層体から同一方向に引き出された複数の正極集電タブおよび複数の負極集電タブが、それぞれ正極リード端子および負極リード端子と溶接で接続される積層型電池の製造方法であって、正極側および負極側のそれぞれに対し複数枚を重ねることで一括して溶接可能な集電タブの最大枚数および標準溶接条件をあらかじめ決定する工程と、前記最大枚数を越えない枚数を重ねることで同時に溶接可能な１つの組を形成し、各組の間で集電タブの溶接位置を、正極または負極のリード端子の面内での集電タブ引き出し方向またはこの方向と垂直な方向にずらして前記１つの組ごとに一括して、前記標準溶接条件で溶接する工程とを含み、前記集電タブの各組の間で、リード端子との接続位置を集電タブ引き出し方向に垂直な横方向には、ずらさずに、集電タブの長さを変化させることで前記集電タブ引き出し方向での異なる位置に配置し、前記リード端子の高さ方向の位置を前記積層体の積層方向の中心の高さに合わせ、前記リード端子の表裏両面の各々で接続位置が重ならないようにすると共に前記積層体に近い側から表裏交互に接続する積層型電池の製造方法である。
前記１つの組を形成する集電タブの枚数は、集電タブの材質および形状に依存して、正極側と負極側で別々に決定された前記の積層型電池の製造方法である。
正極電極と負極電極をセパレータを介して対向させつつ積層した積層体から同一方向に引き出された複数の正極集電タブおよび複数の負極集電タブが、それぞれ正極リード端子および負極リード端子と溶接で接続される積層型電池の製造方法であって、正極側および負極側のそれぞれに対し複数枚を重ねて溶接可能な集電タブの最大重なり枚数および標準溶接条件をあらかじめ決定する工程と、前記積層体から引き出される集電タブを１枚ずつ若しくは複数枚ずつ上下の集電タブが重なるように連続的に位置をずらし、前記集電タブが最も多く重なる部分での枚数が前記最大枚数を超えないように、ずらす量を定め、溶接接続部を重なり枚数が異なる複数の溶接領域に区分し、前記標準溶接条件で区分ごとの部分溶接を行う工程と、を含む積層型電池の製造方法である。
本発明によれば、正極集電タブおよび負極集電タブは集電タブの枚数に関係なく、安定して正極リード端子および負極リード端子に溶接接続でき、集電タブの損傷もなく、また信頼性を損なうことなく積層型電池の積層数の増加が可能となる効果がある。
次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第一の実施の形態）図１は、本発明の第一の実施の形態での積層型リチウムイオン電池を示し、図１（ａ）は積層体形成後の斜視図、図１（ｂ）は集電タブとリード端子の溶接後の斜視図である。なお、図１は正極側だけの端子接続構造を示し、負極側については省略しているが、本発明の実施の形態の全体にわたり、負極側の端子接続構造は正極側と同様であるので、その説明を省略する。
図１には、本発明に係る積層型リチウムイオン電池のうち、安定かつ確実に集電タブをリード端子に溶接できる枚数をひとかたまり（一組）として、そのかたまりごとの集電タブの位置をずらし、積層数を２倍にした場合を示した。
本実施の形態での積層型リチウムイオン電池の製造方法について説明する。まず、アルミニウム箔からなる正極集電体上に、正極集電体から引き出された正極集電タブ上を除き、リチウムイオンを吸蔵、放出するＬｉＭｎ2Ｏ4等の正極活物質を塗布して正極集電タブが引き出された正極電極を形成する。また、銅箔からなる負極集電体上に、負極集電体から引き出された負極集電タブ上を除き、リチウムイオンを吸蔵、放出するグラファイト等の負極活物質を塗布して負極集電タブが引き出された負極電極を形成する。正負極集電タブは正極電極あるいは負極電極をそれぞれ並列に接続し、さらに外部電極端子となる正負極リード端子と接続するためのものである。
正極電極、負極電極を形成した後、図１（ａ）に示すように、正極集電タブ３が引き出された正極電極と、負極集電タブが引き出された負極電極とをポリプロピレン若しくはポリプロピレン／ポリエチレン／ポリプロピレンの三層構造の多孔質膜セパレータ（図示省略）を介して対向させつつ積層して電池要素となる積層体５を作製する。このとき安定して溶接できる集電タブ枚数をひとかたまりの組とするように、あらかじめ集電タブの引き出し位置を変化させた正極電極および負極電極を形成しておき、積層体形成時に図１（ａ）のように組立てる。この積層体５から引き出された正極集電タブ３を、超音波溶接の確立された標準溶接条件で溶接を行い、図１（ｂ）のようにリード端子と接続する。このとき、正極リード端子６の幅は１７ｍｍであり、正極集電タブ３は幅７ｍｍで厚さ２０μｍのアルミニウム箔製で、溶接部１１は幅７ｍｍ、横３ｍｍである。なお、負極集電タブには厚さ１０μｍ程度の銅箔を使うが、同様の溶接方法が可能である。
ところで、この確立された標準溶接条件には、加圧力、溶接電力プログラムなどと共に、確実に溶接できる集電タブの最大枚数も付随させる。このように作製した積層体５を、アルミニウム箔等の金属薄膜の両面に合成樹脂製フィルムを積層したラミネート材を用いて外装し、本実施の形態の積層型リチウムイオン電池を完成させる。このように標準溶接条件を変更することなく、２箇所の溶接を実行するので、積層数が２倍になっても、新たに溶接条件を決定するための多大な時間が不要となった。
（第二の実施の形態）図２は本発明の第二の実施の形態での積層型リチウムイオン電池の集電タブとリード端子の溶接後の斜視図である。
図２には、本発明の積層型リチウムイオン電池のうち、安定に集電タブをリード端子に溶接できる枚数をひとかたまりとして、そのかたまりごとの位置をずらし、３つの溶接部２１を設けて積層数を３倍にした場合を示した。ところで、４倍以上の積層数でも同様に集電タブの位置をずらすことで作製可能となる。また、本発明のすべての実施の形態において、電池要素の積層体の製造方法は、積層数が異なる点と集電タブの引き出し位置が異なる点以外では共通である。
（第三の実施の形態）図３は、本発明の第三の実施の形態での集電タブとリード端子の溶接後の斜視図である。
図３では本発明の積層型リチウムイオン電池のうち、安定に集電タブをリード端子に溶接できる枚数をひとかたまりとし、２つの溶接部３１を設けるが、ひとかたまりにする正極集電タブ３は積層方向（上下方向）に連続したものだけでなく、ここでは１枚おきにひとかたまりにした場合を示した。積層体から集電タブを引き出す位置の偏りがないことから、正極リード端子６を積層体５と平行に位置させることが容易になる。
（第四の実施の形態）図４は、本発明の第四の実施の形態での積層型リチウムイオン電池を示し、図４（ａ）は積層体形成後の斜視図、図４（ｂ）は集電タブとリード端子の溶接後の斜視図である。
図４（ａ）は本発明の積層型リチウムイオン電池のうち、積層体５から引き出される集電タブを１枚ずつ、あるいは複数枚ずつ（図４では１枚ずつ）積層上下の集電タブが部分的に重なるように少しずつ位置をずらした場合であり、図４（ｂ）は少しずつ位置をずらした正極集電タブ３を正極リード端子６と溶接した場合を示した。このとき最も集電タブの枚数が重なる部分が、安定に溶接できるように確立された標準溶接条件の枚数よりも少なくなるように、ずらす量を設定する。
実際の溶接では、溶接部４１の全体を同時に溶接するのでなく、正極集電タブ３の重なり枚数が異なる溶接領域に区分して溶接する。図４（ｂ）では、左斜め上から右斜め下に向かい、８個の区分があり、重なりの最大枚数は３である。各区分に対し、いずれも、あらかじめ決定された標準溶接条件を変えずに溶接する。ただし、複数の区分を順番にほぼ同時に溶接できる複合的な溶接ヘッドを用いることは可能である。ところで、最大重なり枚数に応じて、正極集電タブ３のずらし量を変化させる。本実施の形態においても、１つの標準溶接条件を用いて、すべての溶接を行うので、積層数が異なる積層電池への工程変更が迅速に行える。
（第五の実施の形態）図５は、本発明の第五の実施の形態での集電タブとリード端子の接続構造を示し、図５（ａ）はその斜視図、図５（ｂ）はその側面図である。
図５（ａ）には本発明の積層型リチウムイオン電池のうち、集電タブのかたまりをリード端子と溶接する位置を、横方向ではなく、集電タブの長さを変化させ縦方向（集電タブの引き出し方向と同方向）にずらし、２つの溶接部５１を設けた場合を示し、図５（ｂ）にはその側面から見た接続構造を示した。ところで、正極集電タブ３の溶接の順番は、積層体５の下部から引き出された正極集電タブ３の一組（３枚）を、正極リード端子６の積層体５に近い位置に溶接し、積層体５の上部から引き出された正極集電タブ３の一組（３枚）を、正極リード端子６上で積層体５から遠ざけて前の溶接位置に重ならないように溶接する。
（第六の実施の形態）図６は、本発明の第六の実施の形態での集電タブとリード端子の接続構造を示し、図６（ａ）はその斜視図、図６（ｂ）はその側面図である。
図６（ａ）には本発明の積層型リチウムイオン電池のうち、集電タブのかたまりをリード端子と溶接部６１の位置を横方向ではなく、集電タブの長さを変化させ縦方向にずらしつつ正極リード端子６の表裏両面に接続する場合を示すが、まず一組の正極集電タブ３を正極リード端子６の上側に溶接し、さらにリード端子の高さ位置を積層体の中心まで高め、正極リード端子６の下側に接続し、溶接位置が重ならないようにしており、図６（ｂ）にはその側面から見た接続構造を示した。ところで、積層数が、さらに増加した場合、このような表裏両面の溶接位置をずらしながら表裏交互に行うとよい。
次に、本発明の実施の形態で用いるリード端子について説明する。図７は本発明に係るリード端子の形状を示す模式図である。また、図８は本発明に係るリード端子の他の形状を示す模式図であり、図８（ａ）はＴ字型、図８（ｂ）はＬ字型、図８（ｃ）非対称なＴ字型を示す図である。
本発明の第一から第三の実施の形態で用いるリード端子の形状は、図７または図８のように所望の形に決めることができる。図７には集電タブを溶接する幅に合わせて、すなわち、２つの溶接部７１を横方向に並べて、それに合わせてりード端子も広くした場合を示した。このように、リード端子の集電タブ引き出し方向に垂直方向に広がる幅が一定である形状にした。こうすると、電流容量を大きくとれる。
他方、図８には集電タブを溶接する部分、すなわち、２つの溶接部８１が設けられた部分の幅は広くするが、ラミネートフィルムと熱溶着する部分を従来例と同様のサイズにした場合を示した。その際、図８のように、ラミネート外装材の所望の位置からリード端子を引き出すために、集電タブはＴ字型（図８（ａ））、Ｌ字型（図８（ｂ））、非対称なＴ字型（図８（ｃ））に形成するとよい。この場合は、端子引き出し部の封止性を優先した。
本発明は、あらかじめ集電タブを安定に溶接できる条件を超音波溶接などで確立しておき、集電タブの溶接位置を変化させることにより、その確立された条件のみを用いて多数の集電タブの溶接を行うことを可能にしたものである。
以上、本発明の実施の形態を積層型リチウムイオン電池の例で説明したが、本発明は、扁平な素電池を積層し一方向に集電タブを引き出した一般の積層型電池についても適用できることは明らかである。
本発明の第一の実施の形態での積層型リチウムイオン電池を示し、図１（ａ）は積層体形成後の斜視図、図１（ｂ）は集電タブとリード端子の溶接後の斜視図。 本発明の第二の実施の形態での積層型リチウムイオン電池の集電タブとリード端子の溶接後の斜視図。 本発明の第三の実施の形態での集電タブとリード端子の溶接後の斜視図。 本発明の第四の実施の形態での積層型リチウムイオン電池を示し、図４（ａ）は積層体形成後の斜視図、図４（ｂ）は集電タブとリード端子の溶接後の斜視図。 本発明の第五の実施の形態での集電タブとリード端子の接続構造を示し、図５（ａ）はその斜視図、図５（ｂ）はその側面図。 本発明の第六の実施の形態での集電タブとリード端子の接続構造を示し、図６（ａ）はその斜視図、図６（ｂ）はその側面図。 本発明に係るリード端子の形状を示す模式図。 本発明に係るリード端子の他の形状を示す模式図であり、図８（ａ）はＴ字型、図８（ｂ）はＬ字型、図８（ｃ）非対称なＴ字型の図。 従来の積層型リチウムイオン電池を示し、図９（ａ）は積層体形成後の斜視図、図９（ｂ）は集電タブとリード端子の溶接後の斜視図。
符号の説明
１ 正極電極
２ 負極電極
３ 正極集電タブ
４ 負極集電タブ
５ 積層体
６ 正極リード端子
７ 負極リード端子
１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１，９１ 溶接部

Claims (9)

  1. 正極電極と負極電極をセパレータを介して対向させつつ積層した積層体から同一方向に引き出された複数の正極集電タブおよび複数の負極集電タブが、それぞれ正極リード端子および負極リード端子と溶接で接続される積層型電池の製造方法であって、正極側および負極側のそれぞれに対し複数枚を重ねることで一括して溶接可能な集電タブの最大枚数および標準溶接条件をあらかじめ決定する工程と、前記最大枚数を越えない枚数を重ねることで同時に溶接可能な１つの組を形成し、各組の間で集電タブの溶接位置を、正極または負極のリード端子の面内での集電タブ引き出し方向またはこの方向と垂直な方向にずらして前記１つの組ごとに一括して、前記標準溶接条件で溶接する工程とを含み、前記１つの組を形成する集電タブは積層方向に１枚おきまたは複数枚おきにまとめて１つの組を形成したものであることを特徴とする積層型電池の製造方法。
  2. 前記１つの組を形成する集電タブの枚数は、集電タブの材質および形状に依存して、正極側と負極側で別々に決定されたことを特徴とする請求項１に記載の積層型電池の製造方法。
  3. 前記集電タブの各組の間で、リード端子との接続位置を集電タブ引き出し方向と垂直な横方向にずらすと共に、前記リード端子の集電タブ引き出し方向と垂直な方向に広がる幅は一定に形成することを特徴とする請求項１または２に記載の積層型電池の製造方法。
  4. 前記集電タブの各組の間で、リード端子との接続位置を集電タブ引き出し方向と垂直な横方向にずらすと共に、前記リード端子はＴ字型、Ｌ字型、またはＴ字型の上部を左右非対称にする形状としたことを特徴とする請求項１または２に記載の積層型電池の製造方法。
  5. 正極電極と負極電極をセパレータを介して対向させつつ積層した積層体から同一方向に引き出された複数の正極集電タブおよび複数の負極集電タブが、それぞれ正極リード端子および負極リード端子と溶接で接続される積層型電池の製造方法であって、正極側および負極側のそれぞれに対し複数枚を重ねることで一括して溶接可能な集電タブの最大枚数および標準溶接条件をあらかじめ決定する工程と、前記最大枚数を越えない枚数を重ねることで同時に溶接可能な１つの組を形成し、各組の間で集電タブの溶接位置を、正極または負極のリード端子の面内での集電タブ引き出し方向またはこの方向と垂直な方向にずらして前記１つの組ごとに一括して、前記標準溶接条件で溶接する工程とを含み、
    前記集電タブの各組の間で、リード端子との接続位置を集電タブ引き出し方向に垂直な横方向には、ずらさずに、集電タブの長さを変化させてリード端子の１つの面上で集電タブ引き出し方向での異なる位置に配置し、前記積層体に近い側から遠い側に向かって、前記積層体の下側の集電タブから始め上側の集電タブに進む順番で接続することを特徴とする積層型電池の製造方法。
  6. 前記１つの組を形成する集電タブの枚数は、集電タブの材質および形状に依存して、正極側と負極側で別々に決定されたことを特徴とする請求項５に記載の積層型電池の製造方法。
  7. 正極電極と負極電極をセパレータを介して対向させつつ積層した積層体から同一方向に引き出された複数の正極集電タブおよび複数の負極集電タブが、それぞれ正極リード端子および負極リード端子と溶接で接続される積層型電池の製造方法であって、正極側および負極側のそれぞれに対し複数枚を重ねることで一括して溶接可能な集電タブの最大枚数および標準溶接条件をあらかじめ決定する工程と、前記最大枚数を越えない枚数を重ねることで同時に溶接可能な１つの組を形成し、各組の間で集電タブの溶接位置を、正極または負極のリード端子の面内での集電タブ引き出し方向またはこの方向と垂直な方向にずらして前記１つの組ごとに一括して、前記標準溶接条件で溶接する工程とを含み、
    前記集電タブの各組の間で、リード端子との接続位置を集電タブ引き出し方向に垂直な横方向には、ずらさずに、集電タブの長さを変化させることで前記集電タブ引き出し方向での異なる位置に配置し、前記リード端子の高さ方向の位置を前記積層体の積層方向の中心の高さに合わせ、前記リード端子の表裏両面の各々で接続位置が重ならないようにすると共に前記積層体に近い側から表裏交互に接続することを特徴とする積層型電池の製造方法。
  8. 前記１つの組を形成する集電タブの枚数は、集電タブの材質および形状に依存して、正極側と負極側で別々に決定されたことを特徴とする請求項７に記載の積層型電池の製造方法。
  9. 正極電極と負極電極をセパレータを介して対向させつつ積層した積層体から同一方向に引き出された複数の正極集電タブおよび複数の負極集電タブが、それぞれ正極リード端子および負極リード端子と溶接で接続される積層型電池の製造方法であって、正極側および負極側のそれぞれに対し複数枚を重ねて溶接可能な集電タブの最大重なり枚数および標準溶接条件をあらかじめ決定する工程と、前記積層体から引き出される集電タブを１枚ずつ若しくは複数枚ずつ上下の集電タブが重なるように連続的に位置をずらし、前記集電タブが最も多く重なる部分での枚数が前記最大枚数を超えないように、ずらす量を定め、溶接接続部を重なり枚数が異なる複数の溶接領域に区分し、前記標準溶接条件で区分ごとの部分溶接を行う工程と、を含むことを特徴とする積層型電池の製造方法。
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