JP5226027B2 - リチウムイオン電池集電体用銅箔 - Google Patents

リチウムイオン電池集電体用銅箔 Download PDF

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Description

本発明はリチウムイオン電池集電体用銅箔に関し、とりわけリチウムイオン二次電池負極集電体用銅箔に関する。
リチウムイオン電池はエネルギー密度が高く、比較的高い電圧が得ることができるという特徴を有し、ノートパソコン、ビデオカメラ、デジタルカメラ、携帯電話等の小型電子機器用に多用されている。将来、電気自動車や一般家庭の分散配置型電源といった大型機器の電源としての利用も有望視されている。
リチウムイオン電池の電極体は一般に、正極、セパレータ及び負極が幾十にも巻回又は積層されたスタック構造を有している。一般的には、正極は、アルミニウム箔でできた正極集電体とその表面に設けられたLiCoO2、LiNiO2及びLiMn24といったリチウム複合酸化物を材料とする正極活物質から構成され、負極は銅箔でできた負極集電体とその表面に塗布されたカーボン等を材料とする負極活物質から構成される。
負極集電体として使用される銅箔の重要課題として負極活物質との密着性があり、従来はこの密着性を向上させることを中心に集電体用銅箔の研究開発がなされてきた。活物質層との密着性を改善するための一般的な方法としては、予め粗化処理と呼ばれる銅箔表面に凹凸を形成する表面処理が挙げられる。粗化処理の方法としては、ブラスト処理、粗面ロールによる圧延、機械研磨、電解研磨、化学研磨及び電着粒のめっき等の方法が知られており、これらの中でも特に電着粒のめっきは多用されている。この技術は、硫酸銅酸性めっき浴を用いて、銅箔表面に樹枝状又は小球状に銅を多数電着せしめて微細な凹凸を形成し、投錨効果による密着性の改善を狙ったり、体積変化の大きな活物質の膨張時に活物質層の凹部に応力を集中させて亀裂を形成せしめ、集電体界面に応力が集中することによる剥離を防ぐことを狙ったりして行われている(例えば、特許第3733067号公報)。
特許第3733065号公報には、好ましい表面性状が粗さのパラメータで具体的に特定されており、表面粗さRaの値が大きな銅箔を集電体として用いることにより、集電体と活物質との密着性が向上することが記載されている(段落0209)。集電体の表面粗さRaは、0.01μm以上であることが好ましく、さらに好ましくは0.01〜1μmであり、さらに好ましくは0.05〜0.5μmであるとされる(段落0021等)。集電体の表面粗さRaと局部山頂の平均間隔Sは、100Ra≧Sの関係を有することが好ましいとされる(段落0022等)。集電体表面の凹凸の凸部の形状は錐体状であることが好ましいとされる(段落0023等)。
そして、このような表面形態は、電解銅箔(段落0044)、圧延銅箔の表面に電解法により銅を析出させて表面を粗面化すること(段落0045)、及びエメリー紙で研磨処理すること(段落0205)で得られることが記載されている。
特許第3733067号公報 特許第3733065号公報
リチウムイオン電池の電池容量は負極活物質の塗布量に応じて変化するため、電池特性の安定化を図るためには負極活物質の塗布量の制御・管理が重要となるが、負極活物質の塗布工程における塗布量の管理は、塗布後の銅箔を含めた重量で行われているのが現状である。したがって、集電体である銅箔の厚みが一定でなければ塗布すべき負極活物質の量を適切に管理することができない。銅箔の比重は約8.92g/cm3であり、負極活物質として使用されるカーボンの比重は約0.5g/cm3であることから、例えば、銅箔の厚み0.1μmに相当するカーボンの厚みは1.78μmである。したがって、厚み10μmを目標として銅箔を製造したときに厚みがわずか0.1μm(1.00%)ばらつくだけで、カーボンの厚みに1.78μm(厚み40μmを目標とした場合は4.45%に相当する。)もの誤差を生じさせてしまうことになる。これは、40μmの厚みの活物質では、4.45%のばらつきに相当する。すなわち、銅箔の僅かな厚みのばらつきが活物質の厚みに大きく影響を与える結果となる。そのため、板厚精度に優れた銅箔が望まれる。
しかしながら、集電体用銅箔のこれまでの開発の方向性は、負極活物質との密着性向上を狙ったミクロ的な視点での表面性状制御が圧倒的であった。そのため、マクロ的な視点で銅箔の板厚精度を向上させて、リチウムイオン電池の容量安定性を図るという課題は未解決のままである。
そこで、本発明は板厚精度の高いリチウムイオン電池集電体用銅箔を提供することを課題の一つとする。また、本発明はそのような銅箔の製造方法を提供することを別の課題の一つとする。
銅箔は圧延銅箔と電解銅箔に大別される。圧延銅箔においては、板厚精度は圧延機の機能(能力)に起因することが多いが、現状の圧延機では板厚精度は目標とする板厚10μmにおいて±1.6%が限度である。根本的な対策として圧延機の改造や開発も望まれるが、多額の研究開発費用が必要となるため、直ちに行うことは困難である。
本発明者はこのような実情の下で、上記課題を解決するために研究を重ねたところ、圧延銅箔の製造過程において、圧延の多くはフィードフォワードでの板厚制御のため、製品の板厚精度について、最終冷間圧延の最終パス前の表面粗さのばらつきが板厚制御に影響を与える要因の一つであることに着目し、最終パスの前段階において表面粗さを小さくし、表面粗さのばらつきを小さくすることで、板厚精度が向上することを見出した。具体的には、最終パス前の圧延について表面粗さの小さなワークロールを用い、最終パスにおいて所望する表面粗さのワークロールを用いることで最終的に板厚精度がよく、所望の表面粗さを有する銅箔を得ることができることが分かった。集電体用銅箔では活物質との密着性を考慮する関係から一定の表面粗さが要求されるが、最終冷間圧延の最終パス前において表面粗さを可及的に小さくしておくことで、板厚精度を高めながら所望の表面粗さを有することができるのである。
以上の知見を基礎として完成した本発明は一側面において、圧延平行方向における任意の10点の表面粗さRaの平均(Raavg)が0.01〜0.15μmであり、任意の10点の表面粗さRaの最大値Ra max と最小値Ra min の差ΔRa=Ramax−Ramin が0.025μm以下であることを特徴とするリチウムイオン電池集電体用銅箔である。
本発明に係るリチウムイオン電池集電体用銅箔の一実施形態においては、銅箔の板厚が5〜20μmである。
本発明に係るリチウムイオン電池集電体用銅箔の別の一実施形態においては、銅箔の任意の10点の板厚の最大値(tmax)と銅箔の任意の10点の板厚の平均値(tavg)との差、又は銅箔の任意の10点の板厚の最小値(tmin)と銅箔の任意の10点の板厚の平均値(tavg)との差のいずれか大きい方の値の、板厚の平均値(tavg)に対する割合が1.3%以下である。
本発明に係るリチウムイオン電池集電体用銅箔の一実施形態においては、圧延平行方向における任意の10点の表面粗さRSmの平均(RSmavg)に対する任意の10点の表面粗さRsmの最大値RSm max と最小値RSm min との差ΔRSm=RSmmax−RSmmin の比(ΔRSm/RSmavg)が0.5以下である。
本発明に係るリチウムイオン電池集電体用銅箔の別の一実施形態においては、銅箔がリチウムイオン二次電池負極集電体用である。
本発明は別の一側面において、本発明に係る銅箔を集電体として備えたリチウムイオン電池である。
本発明は更に別の一側面において、最終冷間圧延工程において、最終パスに用いられるワークロールの表面粗さRaが0.03μm以上であり、最終パス直前の1パスに用いられるワークロールの表面粗さRaが0.03μm未満であることを特徴とするリチウムイオン電池集電体用銅箔の製造方法である。
本発明に係る銅箔は板厚精度に優れているため、負極活物質の塗布量の誤差を抑えることが可能となるので、量産されるリチウムイオン電池の電池容量の安定化を図ることができる。
本発明において使用する銅箔基材は圧延銅箔である。「銅箔」には銅合金箔も含まれるものとする。銅箔の材料としては、特に制限はなく、用途や要求特性に応じて適宜選択すればよい。例えば、限定的ではないが、高純度の銅(無酸素銅やタフピッチ銅等)の他、Sn、Ag、Fe、In、Te等を添加した銅合金、Ni、Si等を添加したCu−Ni−Si系銅合金、Cr、Zr等を添加したCu−Zr系、Cu−Cr−Zr系銅合金のような銅合金が挙げられる。圧延銅箔は、強度が高く、振動が継続的に発生する環境に対応でき、耐屈曲性が高い点で優れている。
銅箔の厚みは特に制限はなく、要求特性に応じて適宜選択すればよい。一般的には1〜100μmであるが、リチウムイオン二次電池負極の集電体として使用する場合、銅箔を薄肉化した方がより高容量の電池を得ることができる。そのような観点から、典型的には2〜50μm、より典型的には5〜20μm程度である。
本発明に係る銅箔は、圧延平行方向における表面粗さRaの平均(Raavg)、及びΔRa=Ramax−Raminによって規定される。Raは粗さ曲線を中心線から折り返し、その粗さ曲線と中心線によって得られた面積を基準長さLで割った値であり、JIS B0601:2001に準拠して測定される。本発明において表面粗さRaの平均(Raavg)とは、任意の10点の平均であり、本発明においてΔRaとは、測定した10点のRaのうち、最大値であるRamaxと最小値であるRaminの差である。ただし、ここでいう任意の10点は、各測定点がお互いの近傍での10点を意味するものではなく、たとえば、コイル状の場合であれば、得られた長さに応じて、圧延方向に少なくとも150mm間隔、好ましくは400mm間隔、より好ましくは1m間隔以上で10点を選択する。各測定点におけるRaは測定点近傍を3回測定した平均値で与えられる。なお、各測定点は、幅方向中央のRaをとする。また、電池を分解した場合には複数重ねられた負極用銅箔のシートであっても150mm以上の測定間隔が確保できるのであれば、そのシートに対して表面粗さの測定することができる。
本発明に係る銅箔は圧延平行方向における表面粗さRaの平均(Raavg)について、0.01〜0.15μmを満たすことを特徴としている。0.01μm≦Ra≦0.15μmを条件としたのは、Raが0.01μm未満だと表面が平滑で負極活物質との十分な接着性が得られない一方で、0.15μmを超えるとたとえ、最終パス前の圧延で粗さを小さくして表面粗さのばらつきが少ない状態にしても最終パスの圧延でばらついてしまうからである。しかし、表面傷等の表面欠陥の少ない外観品質が安定的に作りこめるという観点から考えるとRa0.03μm以上が望ましく、0.03μm≦Ra≦0.1μmがより好ましい範囲である。
また、ΔRa=Ramax−Raminが0.025μm以下を満たすことも特徴としている。ΔRa=Ramax−Raminが0.025μm以下を条件としたのは、製品である最終圧延後の銅箔のΔRaが0.025μm以下であれば、最終圧延の最終パス前のΔRaが0.025μm以下であることを意味することができるからである。最終圧延の最終パス前のΔRaが0.025μm以下であれば、最終圧延の最終パス時での表面粗さのばらつき(変動)による板厚制御への影響は小さく、最終パスでのすなわち、製品の板厚精度が向上する。ΔRaが0.025μmを超える場合には、最終圧延の最終パス前のΔRaが0.25μmを超えている場合が多く、その場合には表面粗さの大きいところと表面粗さの小さいところの粗さが最終圧延の最終パスの板厚制御に与える影響が異なり、結果としてその条における最終圧延板厚のばらつきが大きくなる。ΔRaは好ましくは0.025μm以下であり、より好ましくは0.020μm以下である。
一方で、圧延銅箔においては、ロール目によって定まる表面粗さとは別に、オイルピットとよばれる圧延銅箔特有のくぼみが表面上に多数存在する。オイルピットは圧延油が被圧延材に押し込まれて発生するくぼみであり、圧延油の油膜の厚さによって表面上のオイルピットの密度が異なることとなる。表面上のオイルピットの密度が異なれば、重量法で求められる銅箔の板厚にも影響を与え、ばらつきの要因となる。従って、オイルピットは銅箔表面上に均一に分布しているほうが望ましい。
オイルピットの発生量は、圧延平行方向における表面粗さRSmを指標とすることができる。RSmが大きい場合には表面上のオイルピットが少なく、RSmが小さい場合にはオイルピットの量が多いことを示す。板厚精度の特定に影響を与えるのは、オイルピットの分布のばらつきであることから、圧延平行方向における表面粗さRSmの平均(RSmavg)に対するΔRSm=RSmmax−RSmminの比(ΔRSm/RSmavg)を指標とした。ΔRSm/RSmavgが小さいほど、オイルピットが銅箔表面上に均一に分布していることを示す。RSmavgで割ることとしたのは、分布のばらつきにおいては、ΔRSmが大きいからといって必ずしもばらつきは大きいとはいえないからである。すなわち、たとえ、同じΔRSmでも、RSmavgが大きければ分布のばらつきとしては大きくないためその影響は小さく、RSmavgが小さい場合には分布のばらつきとして大きいため影響が大きくなる。
圧延速度を速く、圧延油の粘度を高く、又は1パス当たりの圧下率を小さくすることでオイルピットの発生量が増加し、RSmが小さくなりやすい。逆に、圧延速度を遅く、圧延油の粘度を低く、又は1パス当たりの圧下率を大きくすることでオイルピットの発生量が減少し、RSmが大きくなりやすい。
RSmは粗さ曲線が平均線と交差する交点から求めた山谷−周期の間隔の平均値であり、JIS B0601:2001に準拠して測定される。本発明において表面粗さRSmの平均(RSmavg)は任意の10点の平均であり、ΔRSmとは測定した10点のRsmのうち、最大値であるRSmmaxと最小値であるRSmminの差である。ただし、ここでいう任意の10点は、各測定点がお互いの近傍での10点を意味するものではなく、たとえば、コイル状の場合であれば、得られた長さに応じて、圧延方向に少なくとも150mm間隔、好ましくは400mm間隔、より好ましくは1m間隔以上で10点を選択する。各測定点におけるRSmは測定点近傍を3回測定した平均値で与えられる。なお、各測定点は、幅方向中央のRSmとする。また、電池を分解した場合には複数重ねられた負極用銅箔のシートであっても150mm以上の測定間隔が確保できるのであれば、そのシートに対して表面粗さの測定することができる。
本発明に係る銅箔の好ましい一実施形態においては、ΔRSm/RSmavgが0.5以下である。
本発明に係る銅箔の好ましい一実施形態においては、銅箔の板厚の最大値(tmax)と板厚の平均値(tavg)との差、又は最小値(tmin)と板厚の平均値(tavg)との差のいずれか大きい方の値の、板圧の平均値(tavg)に対する割合が1.3%以下とすることができる。この割合は好ましくは1.2%以下とすることもでき、より好ましくは1.1%以下とすることもできる。
次に、本発明に係る銅箔の製造方法について説明する。表面粗さRaの制御はワークロールの表面粗さの調整により行うことができ、例えば、Raの大きなワークロールを使用すれば得られる圧延銅箔のRaも大きくなり、逆に、Raの小さなワークロールを使用すれば得られる圧延銅箔のRaも小さくなる。一方、一般的にばらつきの値自体は平均値が大きい方が大きくなる。表面粗さRaのばらつきの値についても同様で、表面粗さRaの平均値が大きいほうがばらつきの値も大きいので、表面粗さRaのばらつきの値を低減するため、表面粗さRaの平均値を小さくすればよい。
ただし、各々の製品においては、負極活物質との密着性などの観点から求められる表面粗さの要求があるので、最終的には求められる値に作りこむ必要がある。また、冷間圧延においては、圧延速度を高く設定できるという圧延効率の観点では表面粗さがある程度粗いほうがよい。
そこで、例えば、最終冷間圧延の最終パス直前の1パスについてのみ表面粗さの小さいワークロールを用いて表面粗さの小さな、すなわち表面が平滑な銅箔を作り込み、最終パスで表面粗さの大きなワークロールを用いて所望の表面粗さRaを作り込む。
これにより、高い厚み精度を得ながら所望の表面粗さを有し、活物質との密着性の良好な銅箔を得ることができる。すなわち、最終パスの2パス前までは表面粗さRaの粗いロールでよく、最終パス直前の1パスのみ、前パス及び最終パスより小さい粗さのロールを用いる。
最終パス直前の1パスのみならず、それ以前のパスについても表面粗さの小さなワークロールを使用してもよいが、表面粗さの小さいロールは、圧延速度を上げることが出来ないため、生産性の観点からは望まれない。そこで通常は最終パス直前のパスに使用するワークロールのみ表面粗さを小さくする。ただし、生産性の観点を無視すれば、最終パス直前の1パスよりも前のパスについても表面粗さの小さいロールとする方が表面粗さのばらつきの低減効果は高い。例えば最終パス直前の2パスだけ表面粗さの小さいロールとするのでも効果はある。
最終パスにおいて、銅箔の圧延平行方向におけるRaの平均(Raavg)が0.01〜0.15μmとなるように、ワークロールは表面粗さRaが0.01μmを超えるものを用いることになるため、表面粗さのばらつきの値を小さくするためには、最終パス直前の1パスに用いられるワークロールの表面粗さRaは、最終パスに用いられるワークロールより小さくなければならない。したがって、最終パス直前の1パスに用いられるワークロールの表面粗さRaは、0.01μm以下が望ましい。
しかしながら、表面粗さRaが0.01μm以下で表面傷等の外観上の問題ないロールを安定的に作製することは、高い技術を要し、コスト的にも割高となる。
したがって、より好ましい範囲は、最終パスにおいて使用するワークロールは表面粗さRaが0.03μm以上であるのが好ましく、ゆえに最終パス直前の1パスに用いられるワークロールの表面粗さRaは、0.03μm未満とすることが望ましい。
表面粗さRSmのばらつきを低減するためには、オイルピットの分布を均一にすることが重要となる。オイルピットの分布を均一にするには、いくつかの要因の中でも圧延油の粘度を圧延中に一定に保つことが重要である。圧延油の粘度は圧延油の種類によって基本的に定まるが、圧延中の加工熱によって圧延油が徐々に上昇することで粘度が低下する。圧延油の粘度の変化に伴い、圧延油が銅箔表面へ押し込まれる度合いが変化すると、オイルピット分布のばらつきにつながる。
例えば、圧延油は、圧延前の温度調整においては25℃前後に保たれる時、圧延油を圧延中のワークロールに噴射すると加工熱によって上昇したワークロール等からの熱が伝わり、圧延油は40℃くらいまで上昇する。この状態で維持できれば、オイルピットの分布のばらつきは少なく、銅箔形状には問題ない。しかしながら、圧延油の温度制御が十分でなく、圧延油温度が40℃を超えてばらつく場合には、銅箔の表面性状がばらつきやすくなるだけでなく、板形状にも影響を与える。従って、圧延中の圧延油の温度を40℃程度に調整するためには、ロール噴射前の圧延油温度、圧延速度、加工度等を総合的に調整する必要がある。
本発明に係る圧延銅箔を材料とする集電体とその上に形成された活物質層によって構成された負極を用いて、慣用手段によりリチウムイオン電池を作製することができる。リチウムイオン電池には、電解質中のリチウムイオンが電気伝導を担うリチウムイオン一次電池用及びリチウムイオン二次電池が含まれる。負極活物質としては、限定的ではないが、炭素、珪素、スズ、ゲルマニウム、鉛、アンチモン、アルミニウム、インジウム、リチウム、酸化スズ、チタン酸リチウム、窒化リチウム、インジウムを固溶した酸化錫、インジウム−錫合金、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−インジウム合金等が挙げられる。
以下、本発明の実施例を示すが、これらは本発明をより良く理解するために提供するものであり、本発明が限定されることを意図するものではない。
<例1(表面粗さRaのばらつきの影響)>
[圧延銅箔の製造]
タフピッチ銅のインゴットを熱間圧延した後、焼鈍と冷間圧延を繰り返し、最後に冷間圧延を行って圧延方向長さが10m以上で設定厚み10μmの圧延銅箔(No.1〜6)を得た。最終冷間圧延において、最終パス直前の1パスにのみ用いたワークロールの表面粗さ、及び最終パスに用いたワークロール表面粗さを表1に示す。用いた圧延油の粘度は7.0cSt(40℃)であり、最終冷間圧延における圧延油の温度は40℃前後に制御した。ワークロールの表面粗さは、JIS B0601:2001に従い、接触式の表面粗さ計にて測定した。
得られた圧延銅箔をガラス板上に乗せて固定し、レーザーテック社のコンフォーカル顕微鏡HD100Dを用い、Raavg、ΔRa、RSmavg、及びΔRSmを先述した測定方法に基づいて算出した。結果を表1に示す。
[板厚精度評価]
圧延銅箔の板厚は、重量法(IPC−TM−650)に準拠して測定した。得られた銅箔から任意の10mの圧延方向長さを選択し、これについて1mおきに板厚を10点測定した。各測定点の板厚Tは3回測定した平均値を取った。10点のTの平均値をTavg、10点のTの最大値をTmax、10点のTの最小値をTminとした。表1には(Tavg−Tmin)/Tavg及び(Tmax−Tavg)/Tavgの大きい方を「板厚ばらつき(%)」として記載した。
No.1〜No.4は発明例であり、板厚のばらつきを1.3%以下に抑えることができた。
No.5は最終パス直前の1パスの表面粗さが大きかったため、ΔRaが十分に制御できなかった。No.6は最終パス直前の1パスのワークロールの表面粗さを大きくするかわりに、最終パスのワークロールの表面粗を小さくしたが、依然としてΔRaが十分に制御できなかった。
Figure 0005226027
<例2(オイルピットの分布の影響)>
[圧延銅箔の製造]
タフピッチ銅のインゴットを熱間圧延した後、焼鈍と冷間圧延を繰り返し、最後に冷間圧延を行って圧延方向長さが10m以上で設定厚み10μmの圧延銅箔(No.7〜12)を得た。最終冷間圧延において、最終パス前まで用いたワークロールの表面粗さRaを0.010μm、及び最終パスに用いたワークロール表面粗さRaを0.050μmとした。用いた圧延油の粘度は7.0cSt(40℃)であり、発明例は、最終冷間圧延中の圧延油の温度を40℃前後となるように調整した。各種特性評価は例1と同様の方法で行った。試験結果を表2に示す。
発明例No.7〜9は最終圧延機の圧延油の温度管理が40℃に管理されているため、オイルピットの分布は均一となり、ばらつきは少なく、板厚のばらつきは1.2%未満と小さかった。
発明例No.10〜12は、最終冷間圧延機中の圧延油の温度の管理以外は発明例No.7〜9と同じ条件で実施した。ここでは最終冷間圧延機中の圧延油の温度の管理を十分には行なわなかったため、40℃を超えて45℃程度にまで上昇した。測定では確認できないが局部的には50℃を超える部分もあったと想定される。その結果、オイルピットの分布は均一化することができず、板厚のばらつきが1.2%を超えるケースが見られた。
Figure 0005226027

Claims (7)

  1. 圧延平行方向における任意の10点の表面粗さRaの平均(Raavg)が0.01〜0.15μmであり、任意の10点の表面粗さRaの最大値Ra max と最小値Ra min の差ΔRa=Ramax−Ramin が0.025μm以下であることを特徴とするリチウムイオン電池集電体用銅箔。
  2. 銅箔の板厚が5〜20μmであることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン電池集電体用銅箔。
  3. 銅箔の任意の10点の板厚の最大値(tmax)と銅箔の任意の10点の板厚の平均値(tavg)との差、又は銅箔の任意の10点の板厚の最小値(tmin)と銅箔の任意の10点の板厚の平均値(tavg)との差のいずれか大きい方の値の、板厚の平均値(tavg)に対する割合が1.3%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のリチウムイオン電池集電体用銅箔。
  4. 圧延平行方向における任意の10点の表面粗さRSmの平均(RSmavg)に対する任意の10点の表面粗さRsmの最大値RSm max と最小値RSm min との差ΔRSm=RSmmax−RSmmin の比(ΔRSm/RSmavg)が0.5以下であることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項記載のリチウムイオン電池集電体用銅箔。
  5. リチウムイオン二次電池負極集電体用である請求項1〜4何れか一項記載のリチウムイオン電池集電体用銅箔。
  6. 請求項1〜5何れか一項記載の銅箔を集電体として備えたリチウムイオン電池。
  7. 最終冷間圧延工程において、最終パスに用いられるワークロールの表面粗さRaが0.03μm以上であり、最終パス直前の1パスに用いられるワークロールの表面粗さRaが0.03μm未満であることを特徴とするリチウムイオン電池集電体用銅箔の製造方法。
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