JP5935265B2 - 巻回型電気化学デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、巻回型電気化学デバイスに関する。
リチウムイオン電池等の電気化学デバイスとして、例えば、集電体の両面に活物質が塗布された帯状の正極及び負極を帯状のセパレータを介して重ね合わせた状態で巻回し、正極及び負極に対してそれぞれリード線が取り付けられた巻回型の電気化学デバイスが知られている（例えば、特許文献１参照）。
近年、巻回型の電気化学デバイスの小型化に対する要望が高まっており、特に断面が略楕円形状となるラミネート型の巻回型電気化学デバイスでは、薄型化に対する強い要望がある。しかしながら、上記の巻回型電気化学デバイスでは、正極及び負極に取り付けられたリード線の厚みの影響により薄型化を十分に達成できない可能性がある。
本発明は上記を鑑みてなされたものであり、より薄型化を実現することが可能な巻回型電気化学デバイスを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る巻回型電気化学デバイスは、集電体の両面に活物質層が形成されると共に当該活物質層が形成されず当該集電体が露出された第１の露出部に第１のリード線が接続された帯状の第１の電極と、集電体の両面に活物質層が形成されると共に当該活物質層が形成されず当該集電体が露出された第２の露出部に第２のリード線が接続された帯状の第２の電極と、が帯状のセパレータを挟むようにして巻回されて積層された巻回型電気化学デバイスであって、前記第１の露出部は、前記第１のリード線が接続される第１の接続領域と、これに隣接して前記第２のリード線の幅より広い第１の開放領域とを有し、前記第２の露出部は、前記第２のリード線が接続される第２の接続領域と、これに隣接して前記第１のリード線の幅より広い第２の開放領域とを有し、前記第１の露出部と前記第２の露出部とは前記セパレータを介して対向しており、前記第１のリード線は、前記セパレータを介して前記第２の露出部の前記第２の開放領域と対向し、前記第２のリード線は、前記セパレータを介して前記第１の露出部の前記第１の開放領域と対向していることを特徴とする巻回型電気化学デバイス。
上記の巻回型電気化学デバイスによれば、セパレータを介して、第１のリード線と第２のリード線とが互いに対向する領域において、第１の電極及び第２の電極の集電体の表面の活物質層がそれぞれ除去され、第１の開放領域及び第２の開放領域が形成されている。そして、第１のリード線はセパレータを介して第２の開放領域と対向すると共に、第２のリード線はセパレータを介して第１の開放領域と対向している。したがって、第１の開放領域や第２の開放領域に活物質層が設けられている場合と比較して、巻回型電気化学デバイスの薄型化が実現される。
ここで前記第１の電極において、前記第１の露出部の両側には前記活物質層が形成され、前記第２の電極において、前記第２の露出部の両側には前記活物質層が形成されている態様とすることができる。
この場合、リード線は帯状の集電体の端部ではなく、中央側において、集電体と接続されている。したがって、集電体の端部にリード線を接続する場合と比較して、電極全体において、電流経路を最短距離化することができ、抵抗値を抑制することができる。
また、前記第１の電極、前記第２の電極、及び前記セパレータの巻回軸に対して垂直な断面が扁平形状であり、前記断面における長手方向に延在する前記セパレータを介して、前記第１の露出部と前記第２の露出部とが対向して設けられている態様とすることができる。
このように断面が扁平形状であるデバイスに対して本発明の構成を適用することで、薄型化をより効果的に実現することができる。
本発明によれば、より薄型化を実現することが可能な巻回型電気化学デバイスが提供される。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態である巻回型電気化学デバイスの構成を示す斜視図である。また、図２は、巻回型電気化学デバイスのII−II線に沿って切断した場合の模式断面図であり、図３は、図２の一部を拡大したものである。本実施形態に係る巻回型電気化学デバイス１は、所謂コンデンサ素子であり、帯状の正極１０（第１の電極）と、帯状の負極２０（第２の電極）とが、帯状のセパレータ３０を挟むようにして、扁平形状に巻回し、粘着テープ４０により固定されたものである。
正極１０は、金属箔からなる集電体１０ａの両面にカソード活物質層となる活物質層１０ｂを形成することにより構成され、さらに略平板状の正極リード線１１が帯状の集電体１０ａの短手方向に延びるように接続されている。この正極リード線１１は、集電体１０ａの表面に活物質層１０ｂが形成されておらず、集電体１０ａが露出している露出部１０ｃに超音波溶接や冷間圧接等により接続されている。この正極リード線１１のうちセパレータ３０に対向する領域は絶縁テープ１２により覆われている。なお、正極１０のうち、セパレータ３０を介して負極２０と対向しない領域（例えば、巻回体の外側となる領域）には活物質層１０ｂが形成されていない。また、正極リード線１１は、抵抗を小さくする目的から帯状の集電体１０ａの長手方向中央付近に設けられる。このため、正極リード線１１が接続される領域の両側には、活物質層１０ｂが形成される。
同様に、負極２０は、金属箔からなる集電体２０ａの両面にアノード活物質層となる活物質層２０ｂを形成することにより構成され、さらに略平板状の負極リード２１が帯状の集電体２０ａの短手方向に延びるように接続されている。この負極リード線２１は、集電体２０ａの表面に活物質層２０ｂが形成されておらず、集電体２０ａが露出している露出部２０ｃに超音波溶接や冷間圧接等により接続されている。負極リード線２１のうちセパレータ３０に対向する領域は絶縁テープ２２により覆われている。また、負極リード線２１は、正極リード線１１と同様に、抵抗を小さくする目的から、帯状の集電体２０ａの長手方向中央付近に設けられる。このため、負極リード線２１が接続される領域の両側には、活物質層２０ｂが形成される。
正極１０，２０の正極リード線１１及び負極リード線２１に取り付けられる絶縁テープ１２，２２は、それぞれ正極リード線１１及び負極リード線２１の表面を保護すると共に、これらのリード線がセパレータ３０を突き破ることで短絡が発生することを防止している。
巻回型電気化学デバイス１のうち、正極リード線１１及び負極リード線２１の周辺の構成についての詳細は後述する。
上記の巻回型電気化学素子１は、電気二重層キャパシタ等に用いられる。電気二重層キャパシタに巻回型電気化学素子１を用いる場合、活物質層１０ｂ、２０ｂとしては、例えば、アセチレンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭等が用いられる。また、電解質溶液としては、例えば、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートのような４級アンモニウム塩を、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、アセトニトリル等の有機溶媒に溶解したものが使用される。また集電体１０ａ，１０ｂとしては、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル等を帯状に成形したものが使用される。
また、セパレータ３０としては、例えば、電気絶縁性の多孔体から形成されたものを使用することができる。電気絶縁性の多孔体としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン類からなるフィルムの単層体又は積層体、樹脂の混合物の延伸膜、又は、セルロース、ポリエステル、ポリエチレン及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも１種の構成材料からなる繊維不織布等が挙げられる。
巻回型電気化学素子１のうち、正極１０、負極２０及びセパレータ３０により構成される巻回体の長手方向の最大長さＬは１６〜１８ｍｍ程度であり、巻回体の短手方向の最大長さＨは１．０〜１．３ｍｍ程度であり、巻回体の幅Ｗは、１３．５〜１５ｍｍ程度である。
また、正極１０及び負極２０を構成する集電体１０ａ，２０ａの厚さは２０μｍ程度、活物質層１０ｂ，２０ｂの厚さは１８〜５０μｍ程度、セパレータ３０の厚さは２４μｍ程度、リード１１，２１の厚さは８０〜１００μｍ程度とされる。
次に、図３を参照しながら、巻回型電気化学素子１のうち正極リード線１１及び負極リード線２１近辺の構造についてさらに詳細に説明する。
図３に示すように、正極１０の集電体１０ａには活物質層１０ｂが形成されていない露出部１０ｃが形成されている。この露出部１０ｃには、正極リード線１１が接続される接続領域１０ｄと、接続領域１０ｄに隣接した開放領域１０ｅとが含まれる。開放領域１０ｅは、正極リード線１１が接続される接続領域１０ｄを挟むように、接続領域１０ｄの両側に形成されている。同様に、負極２０の集電体２０ａにおいても、活物質層２０ｂが形成されていない露出部２０ｃが形成されている。この露出部２０ｃには、負極リード線２１が接続される接続領域２０ｄと、接続領域２０ｄに隣接した開放領域２０ｅとが含まれる。開放領域２０ｅは、負極リード線２１が接続される接続領域２０ｄを挟むように、接続領域２０ｄの両側に形成されている
正極１０の露出部１０ｃと、負極２０の露出部２０ｃとは、セパレータ３０を介して対向する位置に設けられる。この露出部１０ｃにおける接続領域１０ｄに正極リード線１１が接続されると共に、露出部２０ｃにおける接続領域２０ｄに負極リード線２２が接続される。その結果、正極リード線１１及び負極リード線２１は、巻回軸に対して垂直な断面（図２，３に示す面）で見たときに、各々が単層のセパレータ３０に対して保護テープ１２及び２２を介して当接するように配置される。
正極１０における露出部１０ｃのうち、開放領域１０ｅは、巻回軸に対して垂直な断面で見たときに、単層のセパレータ３０を介して負極リード線２１に対して対向する位置に設けられる。開放領域１０ｅの幅は、負極リード線２１よりも広くされている。より詳細には、開放領域１０ｅの幅は、図３において接続領域１０ｄよりも右側において、セパレータ３０の厚さの２倍と負極リード線２１の幅との和よりも大きく、また接続領域１０ｄよりも左側において、セパレータ３０の厚さよりも大きくされている。そして開放領域１０ｅに対して負極リード線２１が単層のセパレータ３０を介して当接している。すなわち、正極１０の露出部１０ｃの幅（接続領域１０ｄの幅と開放領域１０ｅの幅との和）は、正極リード線１１の幅、負極リード線２１の幅、及び、セパレータ３０の厚さの３倍の和よりも大きい。なお、開放領域１０ｅのうち図３において接続領域１０ｄの左側に形成される領域（負極リード線２１と対向する領域とは逆側の領域）の幅がセパレータ３０の幅とほぼ同一の長さしかない場合には、接続領域１０ｄに接続される正極リード線１１と、開放領域１０ｅの左側に形成された活物質層１０ｂとが近接し、開放領域が実質的には存在しない場合もある。
同様に、負極２０における露出部２０ｃのうち、開放領域２０ｅは、巻回軸に対して垂直な断面で見たときに、単層のセパレータ３０を介して正極リード線１１に対して対向する位置に設けられる。開放領域２０ｅの幅は、正極リード線１１よりも広くされている。より詳細には、開放領域２０ｅの幅は、図３において接続領域２０ｄよりも左側において、セパレータ３０の厚さの２倍と正極リード線１１の幅との和よりも大きく、また接続領域２０ｄよりも右側において、セパレータ３０の厚さよりも大きくされている。そして開放領域２０ｅに対して正極リード線１１が単層のセパレータ３０を介して当接している。すなわち、負極２０の露出部２０ｃの幅（接続領域２０ｄの幅と開放領域２０ｅの幅との和）は、正極リード線１１の幅、負極リード線２１の幅、及び、セパレータ３０の厚さの３倍の和よりも大きい。なお、開放領域２０ｅのうち図３において接続領域２０ｄの右側に形成される領域（正極リード線１１と対向する領域とは逆側の領域）の幅がセパレータ３０の幅とほぼ同一の長さしかない場合には、接続領域２０ｄに接続される負極リード線２１と、開放領域２０ｅの右側に形成された活物質層２０ｂとが近接し、開放領域が実質的には存在しない場合もある。
巻回型電気化学デバイス１では、上記のように、正極リード線１１がセパレータ３０を介して負極２０の開放領域２０ｅに対向すると共に、正極リード線１１、セパレータ３０、及び集電体２０ａが当接している。また、負極リード線２１がセパレータ３０を介して正極１０の開放領域１０ｅに対向すると共に、負極リード線２１、セパレータ３０、及び集電体１０ａが当接している。この結果、セパレータ３０は、図３に示すように、略Ｓ字形状に湾曲しながら、集電体１０ａ，２０ａ、正極リード線１１及び負極リード線２１に挟まれた構造となる。巻回型電気化学デバイス１では、正極リード線１１と負極リード線２１との間に設けられるセパレータ３０が十分な柔軟性を有し、正極リード線１１及び負極リード線２１の形状に応じて変形可能となっている。本実施形態の巻回型電気化学デバイス１のように、正極リード線１１と負極リード線２１とに挟まれるセパレータ３０が単層であることが柔軟性の観点から好ましい。ただし、正極リード線１１と負極リード線２１とに挟まれるセパレータが、正極リード線１１及び負極リード線２１の形状に応じて変形可能な柔軟性を有していれば、単層に限定されない。
ここで、本実施形態の巻回型電気化学デバイス１では、正極１０側の露出部１０ｃと負極２０側の露出部２０ｃとは、同一の形状とされている。また、正極リード線１１及び負極リード線２１の断面が同一形状である。この結果、図３の上下方向で見たときに（巻回型電気化学デバイス１の厚さ方向で見たときに）露出部１０ｃと露出部２０ｃとがちょうど重なるように配置されるとともに、一方露出部の接続領域に接続されたリード線に対して他方の露出部の開放領域が対向して設けられ、これらが、図３に示すように上下方向で密着するような構成となっている。本実施形態に係る巻回型電気化学デバイス１は、このような構成を備えることにより、活物質層１０ｂ、２０ｂが形成されている領域をデバイスの容量確保のために効率よく利用することができ、デバイスの容量の低下を抑制することができる。
さらに、負極２０においては、露出部２０ｃの開放領域２０ｅの裏面の活物質層２０ｂについてもその一部が除去されている。具体的には、集電体２０ａを介して負極リード線２１に対向する領域の活物質層２０ｂが除去されていて集電体２０ａが露出しているが当該領域には絶縁テープ２２が貼付されている。負極リード線２１の裏面側の活物質層２０ｂについては除去されていなくてもよい。
次に上記の巻回型電気化学デバイス１の製造方法について、図４，５を用いて説明する。巻回型電気化学デバイス１は、帯状の正極１０、帯状の負極２０、及び帯状のセパレータ３０を１つずつ用いて巻回することにより形成される。
まず、帯状の正極１０、負極２０を構成する集電体の両面を活物質層となる活物質により被覆し、さらにリード線を取り付ける。図４（Ａ）では、負極２０となる集電体２０ａの両面に活物質層２０ｂを形成したものと、負極リード線２１及び絶縁テープ２２を分解斜視図で示している。集電体２０ａは、両面が全て活物質層２０ｂにより覆われるのではなく、接続領域２０ｄ及び開放領域２０ｅからなる露出部２０ｃとなる領域と、負極リード線２１が取り付けられる領域の裏面側と、が外部に露出するように活物質層２０ｂにより被覆される。その後、負極リード線２１が超音波溶接により取り付けられ、さらにこの負極リード線２１を覆うように絶縁テープ２２が貼付される。また、負極リード線２１の裏面側の集電体２０ａが露出している領域にも絶縁テープが貼付される。これにより負極リード線２１が接続された帯状の負極２０が得られる。なお、正極リード線１１が接続された帯状の正極１０についても負極２０と同様に方法により製造される。ただし、正極１０では、正極リード線１１が取り付けられる面とは逆側の面において、活物質層１０ｂが最外層となる領域には活物質層２０ｂは形成しないため、負極２０の集電体２０ａと比較して集電体１０ａが露出する領域が大きくなる。
次に、図４（Ｂ）に示すように、帯状の正極１０及び負極２０によりセパレータ３０を挟み込む。このとき、図４（Ｂ）に示すように、セパレータ３０を介して開放領域１０ｅ、２０ｅ（図示せず）が対向するように、正極１０及び負極２０を配置する。図４（Ｂ）では、負極２０のうち、負極リード線２１が接続された面の裏面側が示されている。これにより、集電体１０ａと集電体２０ａとにより挟まれた領域に、正極リード線１１及び開放領域１０ｅ、セパレータ３０、負極リード線２１及び開放領域２０ｅが、集電体１０ａから集電体２０ａに向けてこの順となるように配置される。なお図４（Ｂ）中、図示上下方向に延びる破線は、正極１０、負極２０及びセパレータ３０を扁平形状に巻回する際の折り目となる位置である。そして、図４（Ｃ）に示すように、正極１０、負極２０及びセパレータ３０を重ね合わせられる。
次に、図５（Ａ）に示すように、図４（Ｃ）の折り目Ｂに沿って、折り目Ｂより左側のセパレータ３０を右側へ折り返す。これにより、折り目Ｃと折り目Ａが重なるようにセパレータ３０が折り畳まれ、図示折り目Ｂより右側において、負極２０の両面がセパレータ３０により挟まれる。
次に、図５（Ｂ）に示すように、折り目Ｂに沿って、折り目Ｂより正極１０を右側へ折り返す。これにより、折り目Ｂと折り目Ｃとの間で、セパレータ３０より手前側に正極１０が積層された状態となる。
さらに、図５（Ｃ）に示すように、折り目Ｃ（及び折り目Ａ）に沿って、折り目Ｃ（Ａ）より右側にある積層部分（手前から、セパレータ３０、負極２０、セパレータ３０及び正極１０の順となっている）を全て左側に折り返す。これにより、図５（Ｃ）に示すように、折り目Ｂと折り目Ｃとの間で、図示奥側から手前側へ、セパレータ３０、負極２０、セパレータ３０、正極１０がこの順序となるように積層される。そして、正極１０、セパレータ３０及び負極２０の端部が図示左端（折り目Ｂ側端部）に位置するので、これを粘着テープ４０により固定する。
以上の方法により、図１及び図２に示す巻回型電気化学デバイス１が製造される。上記のように、本実施形態に係る巻回型電気化学デバイスの製造方法では、巻芯等を必要とせず、巻芯の抜き取り等に伴う巻回体の変形等は発生しない。
なお、上記の巻回型電気化学デバイス１を例えば電気二重層キャパシタとして使用する場合には、巻回型電気化学デバイス１及び電解質溶液を、正極リード線１１及び負極リード線２１が外部に露出した状態で外装ケース（図示せず）に封入して用いられる。また必要に応じて、複数の巻回型電気化学デバイスを積層した状態で使用することもできる。
以上のように、本実施形態の巻回型電気化学デバイス１によれば、セパレータ３０を介して正極リード線１１及び負極リード線２１が互いに対向する領域では、集電体１０ａ及び２０ｂの表面の活物質層が除去され、開放領域１０ｅ、２０ｅが形成されている。この開放領域となっている領域は、元来、仮に集電体表面に活物質層が形成されていたとしても、セパレータを介して対向する面には絶縁テープで保護されたリード線が設けられていることからキャパシタとしての機能を有しない領域である。したがって、本実施形態の巻回型電気化学デバイス１では、キャパシタとしての機能を有しない位置の活物質層を除去することによりデバイスとしての容量の低減を抑制しつつさらなる薄型化が達成される。
また、本実施形態の巻回型電気化学デバイス１では、帯状の正極及び負極のリード線の両側に活物質層が形成されている。すなわち、リード線は帯状の集電体の端部ではなく、中央側において、集電体と接続されている。したがって、集電体の端部にリード線を接続する場合と比較して、電極全体において、電流経路を最短距離化することができ、抵抗値を抑制することができる。
また、本実施形態の巻回型電気化学デバイス１では、セパレータ３０の巻回軸に対して垂直な断面、すなわち図２に示す断面が扁平形状であり、この断面における長手方向に延在する単層のセパレータ３０を介して、正極１０の露出部１０ｃと負極２０の露出部２０ｃとが対向して設けられている。これにより、露出部１０ｃ及び露出部２０ｃにそれぞれ接続された正極リード線１１及び負極リード線２１の形状に応じて、両者に挟まれたセパレータ３０の形状の変化が容易となるため、巻回型電気化学デバイス１の厚さ（図２に示す断面において短手方向となる上下方向の長さ）をより薄くすることが可能となる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変更を行うことができる。
例えば、上記実施形態では、断面が扁平形状である巻回型電気化学デバイスについて説明したが、断面形状が扁平ではないデバイス、例えば、断面が略円形であるデバイスにも適用することができる。
また、上記実施形態では、巻回型電気化学デバイスが電気二重層キャパシタとして用いられる場合について主に説明したが、本実施形態に係る巻回型電気化学デバイスは、他の用途、例えば、リチウムイオン或いはその他の二次電池、リチウムキャパシタ等に用いることができる。また、電解質溶液を固体電解質に換えた全固体電池に用いることも可能であり、さらに、マグネシウムイオン電池やカルシウムイオン電池に用いることもできる。また、その場合、用途に応じて活物質層に用いられる活物質等の材料は適宜選択される。
また、巻回型電気化学デバイスの製造方法は上記実施形態で説明した方法に限定されない。特に、正極、負極及びセパレータの巻回方法は上記の方法に限定されず他の方法を用いることも出来る。このとき、巻回方法によっては、セパレータ（及び正極、負極）の端部が巻回体の最外部の複数個所に設けられる場合がある。その場合には、粘着テープを複数個所に貼付することにより、セパレータ及び正極、負極を固定することができる。また、正極リード線及び負極リード線は、帯状の集電体の短手方向において、全面が接続する場合について説明したが、短手方向において集電体の一部のみがリード線と接続する構成であってもよい。また、集電体表面のうち活物質層が設けられる位置についても、巻回型電気化学デバイスの使用方法及び製造方法（巻回方法）により適宜変更することができる。
また、上記実施形態では、巻回した状態での最外層に正極が設けられる場合について説明したが、正極と負極とを入れ替えた場合であっても上記実施形態と同様の効果が奏される。
１…巻回型電気化学デバイス、１０…正極、１０ａ…集電体、１０ｂ…活物質層、１０ｃ…露出部、１０ｄ…接続領域、１０ｅ…開放領域、１１…正極リード線、１２…絶縁テープ、２０…負極、２０ａ…集電体、２０ｂ…活物質層、２０ｃ…露出部、２０ｄ…接続領域、２０ｅ…開放領域、２１…負極リード線、２２…絶縁テープ、３０…セパレータ、４０…粘着テープ。
Claims (3)
- 集電体の両面に活物質層が形成されると共に当該活物質層が形成されず当該集電体が露出された第１の露出部に第１のリード線が接続された帯状の第１の電極と、集電体の両面に活物質層が形成されると共に当該活物質層が形成されず当該集電体が露出された第２の露出部に第２のリード線が接続された帯状の第２の電極と、が帯状のセパレータを挟むようにして巻回されて積層された巻回型電気化学デバイスであって、
前記第１の露出部は、前記第１のリード線が接続される第１の接続領域と、これに隣接して前記第２のリード線の幅より広い第１の開放領域とを有し、
前記第２の露出部は、前記第２のリード線が接続される第２の接続領域と、これに隣接して前記第１のリード線の幅より広い第２の開放領域とを有し、
前記第１の露出部と前記第２の露出部とは前記セパレータを介して対向しており、
前記第１のリード線は、前記セパレータを介して前記第２の露出部の前記第２の開放領域と対向し、
前記第２のリード線は、前記セパレータを介して前記第１の露出部の前記第１の開放領域と対向していて、
前記第１の電極の集電体と前記第２の電極の集電体との間に、前記第１のリード線及び前記第１の開放領域、前記セパレータ、並びに、前記第２のリード線及び前記第２の開放領域がこの順となるように配置され、
前記第１のリード線及び前記第２のリード線は、巻回して積層された前記第１の電極及び前記第２の電極に対して同一の方向へ突出していて、且つ、巻回軸に対して垂直な断面において、前記第１のリード線及び前記第２のリード線が並んで配置される
ことを特徴とする巻回型電気化学デバイス。 - 前記第１の電極において、前記第１の露出部の両側には前記活物質層が形成され、
前記第２の電極において、前記第２の露出部の両側には前記活物質層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の巻回型電気化学デバイス。 - 前記第１の電極、前記第２の電極、及び前記セパレータの巻回軸に対して垂直な断面が扁平形状であり、前記断面における長手方向に延在する前記セパレータを介して、前記第１の露出部と前記第２の露出部とが対向して設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の巻回型電気化学デバイス。
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