JP6445601B2 - 全固体電池の製造方法、全固体電池の製造装置及び全固体電池 - Google Patents
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Description
集電体層、正極合剤層、固体電解質層及び負極合剤層をそれぞれ複数積層して、積層方向両端面と側面とを備える積層電池を得る、第1工程と、前記積層電池の前記側面にのみ液状の樹脂を供給する、第2工程と、前記液状の樹脂を硬化させる、第3工程と、を備え、前記第1工程において、前記集電体層、前記正極合剤層、前記固体電解質層及び前記負極合剤層のうちの少なくとも1層を他の層よりも延出させて延出層とし、前記積層電池の前記側面において前記延出層を複数延出させ、前記第2工程において、前記積層電池の前記側面にのみ液状の樹脂を供給することで、一の前記延出層と他の前記延出層との間の隙間に前記液状の樹脂を入り込ませる、全固体電池の製造方法
を開示する。
「集電体層、正極合剤層、固体電解質層及び負極合剤層をそれぞれ複数積層して」とは、例えば、集電体層、正極合剤層、固体電解質層及び負極合剤層をこの順に繰り返し積層することによって、電池素子が複数積層されたような状態となることをいう。すなわち、「積層電池」は複数の電池素子によって構成される。尚、集電体層と正極合材層、集電体層と負極合材層とは、例えば合材スラリーを集電体の表面に塗布するような形で互いに重なり合うように接合されていても良く、この工程は第1工程よりも先に行っても良い。
「積層方向両端面」とは、積層電池の積層方向最外側を構成する面をいう。
「側面」とは、正極層、固体電解質層及び負極層の外縁によって構成される面である。
「液状の樹脂」とは、未硬化樹脂をいい、その後何らかの処理によって硬化させることが可能なものであればよい。「液状」とは、必ずしも室温において液状である必要はなく、加熱によって溶融したような樹脂であってもよい。すなわち、本願において「液状の樹脂」には、熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂などの硬化性樹脂だけでなく熱可塑性樹脂も含まれる。
「側面にのみ液状の樹脂を供給する」とは、積層電池の積層方向両端面についてはその大部分を液状の樹脂で被覆することなく露出させたままで、積層電池の側面に対して液状の樹脂を供給することをいう。
「前記集電体層、前記正極合剤層、前記固体電解質層及び前記負極合剤層のうちの少なくとも1層を他の層よりも延出させて延出層とし」とは、集電体層、正極合剤層、固体電解質層及び負極合剤層のうちの少なくとも1層の外縁が、他の層の外縁よりも外方に延出していることを意味する。
積層方向両端面と側面とを有し、該側面において延出層が複数延出しているとともに、一の前記延出層と他の前記延出層との間に隙間を有する積層電池に対して、該積層電池の前記側面にのみ液状の樹脂を供給した後、該液状の樹脂を硬化させることによって全固体電池を製造する装置であって、前記積層電池を収容するチャンバと、前記チャンバに収容された前記積層電池の前記側面にのみ液状の樹脂を供給する樹脂供給手段と、を備える、全固体電池の製造装置
を開示する。
「樹脂供給手段」とは、液状の樹脂を吐出する等して積層電池の側面のみに液状の樹脂を供給できるものであればよい。吐出口を有する配管やノズル等、種々の形態をいずれも採用可能である。
集電体層、正極合剤層、固体電解質層及び負極合剤層がそれぞれ複数積層されてなる積層電池と、前記積層電池の積層方向両端面を構成する最外側集電体層と、前記積層電池の側面のみを被覆する樹脂と、を備え、前記集電体層、前記正極合剤層、前記固体電解質層及び前記負極合剤層のうちの少なくとも1層が他の層よりも外方に延出されて延出層とされ、前記積層電池の側面において該延出層が複数延出しており、一の前記延出層と他の前記延出層との間の隙間に前記樹脂が入り込んでおり、前記最外側集電体層と前記樹脂とによって、前記最外側集電体層を除く前記積層電池を封止するための電池ケースが構成されるとともに、前記最外側集電体層が電池端子とされている、全固体電池
を開示する。
図1〜5を参照しつつ、全固体電池10の製造方法(S10)について説明する。図1に示すように、S10は、集電体層1、正極合剤層2、固体電解質層5及び負極合剤層3をそれぞれ複数積層して、積層方向両端面と側面とを備える積層電池6を得る、第1工程(S1)と、積層電池6の側面にのみ液状の樹脂7’を供給する、第2工程(S2)と、液状の樹脂7’を硬化させる、第3工程(S3)と、を備えている。ここで、図2、3に示すように、第1工程(S1)においては、集電体層1、正極合剤層2、固体電解質層5及び負極合剤層3のうちの少なくとも1層を他の層よりも延出させて延出層とし、積層電池6の側面において延出層を複数延出させる。また、図4に示すように、第2工程(S2)においては、積層電池6の側面にのみ液状の樹脂7’を供給することで、一の延出層と他の延出層との間の隙間Xに液状の樹脂7’を入り込ませる。
S1は、集電体層1、正極合剤層2、固体電解質層5及び負極合剤層3をそれぞれ複数積層して、積層方向両端面と側面とを備える積層電池6を得る工程である。図2、3に示すように、S1においては、集電体層1、正極合剤層2、固体電解質層5及び負極合剤層3のうちの少なくとも1層を他の層よりも延出させて延出層とし、積層電池6の側面において延出層を複数延出させる。
集電体層1は、全固体電池の集電体して公知のものをいずれも採用可能である。例えば、金属箔や金属メッシュ等により構成すればよい。特に金属箔が好ましい。集電体層1の積層面の面積や厚みは特に限定されるものではない。集電体層1を構成する金属としては、Cu、Ni、Al、Fe、Ti等が挙げられる。
尚、集電体層1、正極合材層2及び負極合材層3がバイポーラ電極層を構成しない場合、積層電池6内において単電池が並列に接続されることとなる。言い換えれば、積層電池6を構成する複数の正極集電体層同士、及び、複数の負極集電体層同士をリード等で接続する必要がある。この場合、当該リード端部を最外側集電体層によって構成することで、最外側集電体層から電気を取り出すことができる。尚、この場合、樹脂の供給前(後述するS2の前)に、積層電池6の側面に当該リード等が露出している場合がある。この場合は後述するS2において積層電池6の側面にのみ樹脂を供給し、当該リードごと当該側面を封止することが有り得る。
正極合剤層2は、全固体電池の正極合剤層として公知のものをいずれも採用可能である。図2においては、正極合剤層2は集電体層1の一面側に積層される。
固体電解質層5は、固体電解質と任意にバインダーとを含む。固体電解質は上述した無機固体電解質が好ましい。バインダーは正極合剤層2に用いられるバインダーと同様のものを適宜選択して用いることができる。固体電解質層5における各成分の含有量は従来と同様とすればよい。固体電解質層5の形状はシート状とすればよい。固体電解質層5の厚みは、例えば0.1μm以上1mm以下であることが好ましく、1μm以上100μm以下であることがより好ましい。
負極合剤層3は、全固体電池の負極合剤層として公知のものをいずれも採用可能である。図2においては、負極合剤層3は集電体層1の他面側に積層される。
図2(B)に示すように、積層電池6は、上述した集電体層1、正極合剤層2、固体電解質層5及び負極合剤層3がそれぞれ複数積層されてなる。具体的には、集電体層1、正極合剤層2、固体電解質層5及び負極合剤層3をこの順に繰り返し積層することによって、電池素子が複数積層されたような状態となる。ここで、積層電池6においては、図2、3に示すように、集電体層1、正極合剤層2、固体電解質層5及び負極合剤層3のうちの少なくとも1層が他の層よりも延出されて延出層となっており、積層電池6の側面において延出層が複数延出した状態となる。
S2は、積層電池6の側面にのみ液状の樹脂7’を供給する工程である。図4に示すように、S2においては、積層電池6の側面にのみ液状の樹脂7’を供給する(図4(A)、(B))ことで、一の延出層と他の延出層との間の隙間Xに液状の樹脂7’を入り込ませる(図4(C))。
液状の樹脂7’の種類は特に限定されるものではない。熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等、種々の樹脂を採用できる。特に熱硬化性樹脂が好ましい。積層電池6に液状の樹脂7’を供給する際の、当該液状の樹脂7’の粘度は25℃において3000mPa・s以上3500mPa・s以下であることが好ましい。このような粘度の液状の樹脂7’によれば、毛細管現象によって、上述した積層電池6の側面の隙間の内部へと、液状の樹脂7’をより容易に入り込ませることができる。液状の樹脂7’の具体例としては、半導体製造分野におけるアンダーフィル用樹脂と同様のものを用いることが好ましい。すなわち、エポキシ系樹脂等を用いることができる。或いはアミン系樹脂等を用いることもできる。
S3は、液状の樹脂7’を硬化させる工程である。図5に示すように、積層電池6の側面において液状の樹脂7’が徐々に硬化し(図5(A))、積層電池6の側面に硬化樹脂層7が設けられ、全固体電池10となる(図5(B))。
以上の通り、本開示の製造方法S10においては、S1〜S3が必須で備えられる。ここで、S1〜S3は大気圧雰囲気下で行うことが可能であるが、雰囲気圧力を制御することによって、積層電池6の側面の隙間に液状の樹脂7’を一層効率的に入り込ませることができる。
図6に示すように、S10は、S2の完了後且つS3の開始前に、S2における雰囲気圧力よりも、雰囲気圧力を高くする加圧工程を備えることが好ましい。これにより、積層電池6の側面において、液状の樹脂7’の隙間への入り込みを促進することができる。尚、後述するように、S1の完了後且つS2の開始前に減圧工程を行う場合、S2の完了後且つS3の開始前において、雰囲気圧力を大気圧に開放することで、S2における雰囲気圧力よりも、雰囲気圧力を高くすることができる。すなわち、S10において「加圧工程」とは、雰囲気圧力を必ずしも大気圧よりも大きくする必要はない。
図6に示すように、S10は、S1の完了後且つS2の開始前に、S1における雰囲気圧力よりも、雰囲気圧力を低くする減圧工程を備えることが好ましい。これにより、液状の樹脂7’を供給する前に、積層電池6の側面の隙間中の空気等や積層電池6の内部に存在する水分等を除去することができ、積層電池6の側面に液状の樹脂7’を供給した際、樹脂が当該隙間に入り込み易くなり、ボイドの発生を防ぐことができる。減圧工程における減圧度については特に限定されるものではない。例えば、雰囲気圧力が好ましくは1000Pa以下、より好ましくは500Pa以下、さらに好ましくは130Pa以下となるまで、減圧を行う。
図7に示すように、S10は、S1の完了後且つS2の開始前に、積層電池6の積層方向両端面を被覆部材で被覆する工程を備えることが好ましい。被覆手段としては特に限定されるものではない。例えば、積層電池6を積層方向両端から挟み込むようにして保持するジグによって、積層電池6の積層方向両端面を被覆することができる。或いは、積層電池6の積層方向両端面にマスキングテープを貼り付けるような形態であってもよい。生産効率が高く、且つ、繰り返し使用可能である観点から、被覆部材としてジグを用いた形態が好ましい。
図8に、製造方法S10を実施可能な全固体電池の製造装置100を概略的に示す。製造装置100は、積層方向両端面と側面とを有し、該側面において延出層が複数延出しているとともに、一の延出層と他の延出層との間に隙間を有する積層電池6に対して、積層電池6の側面にのみ液状の樹脂を供給した後、該液状の樹脂を硬化させることによって全固体電池を製造する装置である。図8に示すように、製造装置100は、積層電池6を収容するチャンバ101と、チャンバ101に収容された積層電池6の側面にのみ液状の樹脂7’を供給する樹脂供給手段102と、を備えている。
チャンバは、内部に積層電池6を収容可能なものであればよく、内部の圧力を制御できるように密閉可能なものが好ましい。チャンバ自体は公知のチャンバを採用できるため、ここでは説明を省略する。
樹脂供給手段102は、チャンバ101に収容された積層電池6の側面にのみ液状の樹脂7’を供給する手段である。例えば、図8に示すように、チャンバー101の内部に積層電池6が設置された状態において、積層電池6の側面近傍となる箇所にディスペンスノズル102を設置し、これを樹脂供給手段として機能させることができる。具体的には、ディスペンスノズル102は、チャンバー101の外部に設けられた樹脂供給源103に接続されており、当該樹脂供給源103から配管を介してディスペンスノズル102へと供給された液状の樹脂7’が、ディスペンスノズル102の先端から吐出されることによって、積層電池6の側面にのみ液状の樹脂7’を供給することができる。
以上の通り、製造装置100は、チャンバ101と樹脂供給手段102とを必須で備える。製造装置100は、これらに加えて、さらに以下の圧力制御手段を備えることが好ましい。すなわち、全固体電池の製造は大気圧雰囲気下で行うことが可能であるが、チャンバ101内の圧力を制御することによって、積層電池6の側面の隙間に液状の樹脂7’を一層効率的に入り込ませることができる。
すなわち、製造装置100は、チャンバ101内の圧力を制御する圧力制御手段104をさらに備えることが好ましい。圧力制御手段104によって、チャンバ101内の圧力は、例えば、以下の(1)及び/又は(2)のように制御される。尚、チャンバ101内の圧力(雰囲気圧力)を制御することの作用・効果については上述の加圧工程や減圧工程にて説明したとおりであり、ここでは説明を省略する。
(1)樹脂供給手段102から積層電池6の側面にのみ液状の樹脂7’が供給された後、且つ、液状の樹脂7’を硬化させる前において、チャンバ101内の圧力を高める(加圧する)。
(2)積層電池6をチャンバ101内に収容した後、且つ、樹脂供給手段102から積層電池6の側面にのみ液状の樹脂7’が供給される前において、チャンバ101内の圧力を低くする(減圧する)。
製造装置100は、積層電池6の積層方向端面を保護しながら積層電池6を保持する冶具105をさらに備えることが好ましい。冶具105は、チャンバ101内に固定されていてもよいし、チャンバ101内に着脱可能とされていてもよい。製造装置100が冶具105を備える場合、チャンバ101内において、治具105が積層電池6の積層方向端面を保護した状態で、樹脂供給手段102から積層電池6の側面にのみ液状の樹脂7’を供給することができ、電池の積層方向の体積増加を容易に防止することができる。
製造装置100は、積層電池6の側面に供給された液状の樹脂7’の硬化を進行・促進する樹脂硬化手段106を備えることが好ましい。例えば、液状の樹脂7’が熱硬化性樹脂である場合、製造装置100は、樹脂硬化手段106として、積層電池6の少なくとも側面を加熱する加熱手段をさらに備えることが好ましい。一方、液状の樹脂7’が熱可塑性樹脂である場合、製造装置100は、樹脂硬化手段106として、積層電池6の少なくとも側面を冷却する冷却手段をさらに備えることが好ましい。或いは、液状の樹脂7’が紫外線硬化樹脂である場合は、樹脂硬化手段106として紫外線照射手段をさらに備えることが好ましい。
(1)ドライエアー環境下で、積層電池6の積層方向両端面を冶具105で挟み込む。
(2)冶具105を搬送手段に設置し、搬送手段を稼動させて積層電池6を冶具105ごとチャンバ101内に収容する。
(3)圧力制御手段によってチャンバ101内を減圧する。これにより、積層電池6から空気や水分が除去される。
(4)減圧雰囲気下、積層電池6の側面に対して、樹脂供給手段102から液状の樹脂7’を吐出させ、毛細管現象により積層電池6の側面の隙間へ液状の樹脂7’を入り込ませる。ここで、積層電池6の積層方向端面は治具105によって保護されており、液状の樹脂7’が付着することはない。
(5)チャンバ101を開放し、ドライエアーをチャンバ101内に導入する。このとき、差圧によって、積層電池6の側面の隙間に液状の樹脂7’をさらに押し込む。
(6)チャンバ101から冶具105を取り外し、装置内にある樹脂硬化手段105内に、積層電池6を冶具105ごと設置し、樹脂硬化手段105を稼動させて液状の樹脂7’を硬化させて硬化樹脂層7とする。
上記では全固体電池の製造方法に関して説明した。以下、図9を参照しつつ全固体電池そのものについて説明する。図9において、既に説明した部材と同様の部材については同一符号を付し、説明を省略する。図9に示すように、全固体電池10は、集電体層1、正極合剤層2、固体電解質層5及び負極合剤層3がそれぞれ複数積層されてなる積層電池6と、積層電池6の積層方向両端面を構成する最外側集電体1a、1bと、積層電池6の側面のみを被覆する樹脂7と、を備え、集電体層1、正極合剤層2、固体電解質層5及び負極合剤層3のうちの少なくとも1層が他の層よりも外方に延出されて延出層とされ、積層電池6の側面において延出層が複数延出しており、一の延出層と他の延出層との間の隙間に樹脂7が入り込んでおり、最外側集電体1a、1bと樹脂7とによって、最外側集電体1a、1bを除く積層電池6を封止するための電池ケース8が構成されるとともに、最外側集電体1a、1bが電池端子とされている。
ただし、エネルギー密度を一層向上させる観点から、図9に示すように、全固体電池10においては、集電体層1、正極合剤層2及び負極合剤層3が、バイポーラ電極層4を構成していることが好ましい。
本発明者らの新たな知見では、上記第2工程S2において、積層電池6の側面にのみ液状の樹脂7’を供給する場合において、積層電池6を所定のテーパー側面を有する治具を用いることで、積層電池6の側面のみに効率的に樹脂7’を供給することができる。
(実施例)
キャピラリーアンダーフィル工法を応用することで積層電池の隙間に樹脂を導入し、樹脂封止を行った。
具体的には、バイポーラ型積層電池(73mm×73mm、積層高さ2.88mm、側面における延出層の延出長さ2mm、一の延出層と他の延出層との隙間幅0.2mm)を準備し、当該積層電池の積層方向端面を冶具(150mm×150mm、全固体電池接触部にフッ素系プレートを組み込んだSUS製冶具)にて挟み込んだ。当該冶具を、図8に示すような装置のチャンバ内にセットした。チャンバ内を130Paにまで減圧した。減圧したチャンバ内で、ディスペンスノズルから、液状の樹脂(ナミックス社製 SUF1575-9)を7000PPSの供給速度にて、1115mgの塗布量となるように、積層電池の側面にのみ供給した。樹脂の塗布完了から60秒後、チャンバのドアを開放し、ドライエアーをチャンバー内に導入した。その後、チャンバから冶具を取り外し、オーブンにて80℃、150分間加熱することで、液状の樹脂を硬化させた。
射出成形を応用することで積層電池の隙間に樹脂を導入し、樹脂封止を行った。具体的には、上記と同様のバイポーラ型積層電池の側面に対して、樹脂を射出することによって樹脂封止を行った。
図12に示すように、実施例に係る全固体電池は、積層電池の側面の隙間の奥にまで樹脂を注入することができていた。また、ボイドが抑制されており、電池の短絡もなく、最外側集電体を介して適切に充電及び放電を行うことができた。さらに、最外側集電体と樹脂とによって、積層電池を適切に封止することができ、且つ、十分な強度が確保できており、最外側集電体を電池端子として機能させることで、別途、ラミネートパック等の電池ケースに収納せずとも、そのまま電池として使用可能であった。
図10、11に示すような、側面にテーパー角度αを有する治具を用いて積層電池を保持しつつ、上記の実施例と同様の方法で積層電池の側面のみに樹脂を注入して全固体電池を製造した。テーパー角度αを種々変更させ、電池の封止状態と電池の外観状態とを目視にて観察した。結果を下記表1に示す。
2 正極合剤層
3 負極合剤層
4 バイポーラ電極層
5 固体電解質層
6 積層電池
7’ 液状の樹脂
7 硬化樹脂
10 全固体電池
50 治具
50a 下側底面
50b 上側被覆部材
50c 側面
100 全固体電池の製造装置
101 チャンバ
102 樹脂供給手段(ディスペンスノズル)
103 樹脂供給源
104 圧力制御手段
105 ジグ(被覆部材)
106 樹脂硬化手段(加熱手段、冷却手段)
Claims (11)
- 集電体層、正極合剤層、固体電解質層及び負極合剤層をそれぞれ複数積層して、積層方向両端面と側面とを備える積層電池を得る、第1工程と、
前記積層電池の前記側面にのみ液状の樹脂を供給する、第2工程と、
前記液状の樹脂を硬化させる、第3工程と、
を備え、
前記第1工程において、前記集電体層、前記正極合剤層、前記固体電解質層及び前記負極合剤層のうちの少なくとも1層を他の層よりも延出させて延出層とし、前記積層電池の前記側面において前記延出層を複数延出させ、
前記第2工程において、前記積層電池の前記側面にのみ液状の樹脂を供給することで、一の前記延出層と他の前記延出層との間の隙間に前記液状の樹脂を入り込ませ、
前記第1工程の完了後且つ前記第2工程の開始前に、前記積層電池の前記積層方向両端面を治具で被覆する工程を備え、前記第2工程において、前記治具によって前記積層電池を保持するとともに前記積層方向両端面を前記液状の樹脂から保護し、
前記治具として、前記積層電池の積層方向一端面を被覆する下側底面と、前記積層電池の積層方向他端面を被覆する上側被覆部材と、前記上側被覆部材から前記下側底面に向かって先細りとなっている側面とを有する治具を用いる、
全固体電池の製造方法。 - 前記第2工程の完了後且つ前記第3工程の開始前に、前記第2工程における雰囲気圧力よりも、雰囲気圧力を高くする加圧工程を備える、
請求項1に記載の製造方法。 - 前記第1工程の完了後且つ前記第2工程の開始前に、前記第1工程における雰囲気圧力よりも、雰囲気圧力を低くする減圧工程を備える、
請求項1又は2に記載の製造方法。 - 前記第1工程において、前記集電体層、前記正極層及び前記負極層によってバイポーラ電極層を構成する、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法。 - 積層方向両端面と側面とを有し、該側面において延出層が複数延出しているとともに、一の前記延出層と他の前記延出層との間に隙間を有する積層電池に対して、該積層電池の前記側面にのみ液状の樹脂を供給した後、該液状の樹脂を硬化させることによって全固体電池を製造する装置であって、
前記積層電池を収容するチャンバと、
前記チャンバに収容された前記積層電池の前記側面にのみ液状の樹脂を供給する樹脂供給手段と、
を備え、
前記積層電池の前記積層方向端面を保護しながら該積層電池を保持する冶具をさらに備え、
前記治具が、前記積層電池の積層方向一端面を被覆する下側底面と、前記積層電池の積層方向他端面を被覆する上側被覆部材と、前記上側被覆部材から前記下側底面に向かって先細りとなっている側面とを有し、
前記治具が前記積層電池の前記積層方向端面を保護した状態で、前記樹脂供給手段から前記積層電池の前記側面にのみ前記液状の樹脂が供給される、
全固体電池の製造装置。 - 前記チャンバ内の圧力を制御する圧力制御手段をさらに備え、
前記樹脂供給手段から前記積層電池の前記側面にのみ前記液状の樹脂が供給された後、且つ、前記液状の樹脂を硬化させる前において、前記圧力制御手段によって、前記チャンバ内の圧力が相対的に高められる、
請求項5に記載の装置。 - 前記チャンバ内の圧力を制御する圧力制御手段をさらに備え、
前記積層電池を前記チャンバ内に収容した後、且つ、前記樹脂供給手段から前記積層電池の前記側面にのみ前記液状の樹脂が供給される前において、前記圧力制御手段によって、前記チャンバ内の圧力が相対的に低減される、
請求項5又は6に記載の装置。 - 前記積層電池の少なくとも側面を加熱する加熱手段をさらに備える、
請求項5〜7のいずれか1項に記載の装置。 - 前記積層電池の少なくとも側面を冷却する冷却手段をさらに備える、
請求項5〜8のいずれか1項に記載の装置。 - 集電体層、正極合剤層、固体電解質層及び負極合剤層がそれぞれ複数積層されてなる積層電池と、
前記積層電池の積層方向両端面を構成する最外側集電体と、
前記積層電池の側面のみ、且つ、側面全体を被覆する樹脂と、
を備え、
前記集電体層、前記正極合剤層、前記固体電解質層及び前記負極合剤層のうちの少なくとも1層が他の層よりも外方に延出されて延出層とされ、前記積層電池の側面において該延出層が複数延出しており、
一の前記延出層と他の前記延出層との間の隙間に前記樹脂が入り込んでおり、
前記最外側集電体と前記樹脂とによって、前記最外側集電体を除く前記積層電池を封止するための電池ケースが構成されるとともに、前記最外側集電体が電池端子とされている、
全固体電池。 - 前記集電体層、前記正極合剤層及び前記負極合剤層が、バイポーラ電極層を構成している、
請求項10に記載のバイポーラ型全固体電池。
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