JP6943292B2 - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
前記電極は、電極活物質および電極結着剤を含む電極合剤層と、電極集電体とを含み、
前記電極活物質は、シリコンを含む合金(Si合金)を含み、
前記Si合金のメジアン径(D50粒径)は1.2μm以下であり、
前記電極合剤層の重量に対する電極結着剤の含有量が、12重量%以上50重量%以下であり、
前記電解液が、
60体積%以上99体積%以下のリン酸エステル化合物と、
0体積%以上30体積%以下のフッ素化エーテル化合物と、
1体積%以上35体積%以下のフッ素化カーボネート化合物と、を含み、
前記リン酸エステル化合物と前記フッ素化エーテル化合物との合計が65体積%以上である、リチウムイオン二次電池。
電極と電解液とを備え、
電極は、電極活物質および電極結着剤を含む電極合剤層と、電極集電体とを含み、
電極活物質は、シリコンを含む合金(「Si合金」とも記載する)を含み、
Si合金のメジアン径(D50粒径)は1.2μm以下であり、
前記電極合剤層の重量に対する電極結着剤の含有量が、12重量%以上50重量%以下であり、
電解液は、
60体積%以上99体積%以下のリン酸エステル化合物と、
0体積%以上30体積%以下のフッ素化エーテル化合物と、
1体積%以上35体積%以下のフッ素化カーボネート化合物と、を含み、
該リン酸エステル化合物と該フッ素化エーテル化合物との合計が65体積%以上である。
本実施形態において、電極は、電極活物質および電極結着剤を含む電極合剤層と、電極集電体とを含み、電極活物質は、シリコンを含む合金(Si合金)を含み、Si合金のメジアン径(D50粒径)は1.2μm以下であり、電極合剤層の重量に対する電極結着剤の含有量が、12重量%以上50重量%以下である。この電極は、フルセルのリチウムイオン二次電池においては負極としてはたらく。
負極は、負極集電体上に、負極活物質を含む負極合剤層が形成された構成とすることができる。本実施形態の負極は、例えば、金属箔等で形成される負極集電体と、負極集電体の片面又は両面に形成された負極合剤層とを有する。負極合剤層は負極結着剤によって負極集電体を覆うように形成される。負極集電体は、負極端子と接続する延長部を有するように構成され、この延長部には負極合剤層は形成されない。ここで、本明細書において、「負極合剤層」とは、負極の構成要素のうち、負極集電体を除く部分のことをいい、負極活物質および負極結着剤を含み、必要に応じて導電助剤等の添加剤等を含んでもよい。また、負極活物質は、リチウムを吸蔵放出し得る物質である。本明細書において、例えば結着剤など、リチウムを吸蔵放出しない物質は、負極活物質には含まれない。
負極活物質および負極結着剤を含む負極合剤層と、負極集電体とを含み、
該負極活物質は、Si合金を含み、
該Si合金のメジアン径(D50粒径)は1.2μm以下であり、
負極合剤層の総重量に対する負極結着剤の含有量が、12重量%以上50重量%以下である。
本実施形態において、負極活物質は、シリコンを含む合金(「Si合金」または「シリコン合金」とも記載する)を含む。シリコンを含む合金は、シリコンとシリコン以外の金属(非シリコン金属)との合金であればよく、シリコンと非シリコン金属とが金属結合を有している。例えば、シリコンと、Li、B、Al、Ti、Fe、Pb、Sn、In、Bi、Ag、Ba、Ca、Hg、Pd、Pt、Te、Zn、La、Ni、PおよびNからなる群より選択される少なくとも一種との合金が好ましい。また、シリコンと、Li、B、Al、P、N、Ti、FeおよびNiからなる群から選択される少なくとも一種との合金がより好ましく、シリコンと、B、Al、PおよびTiからなる群から選ばれる少なくとも一種との合金がさらに好ましい。シリコンと非シリコン金属との合金中の非シリコン金属の含有量は、特に限定されないが、例えば、0.1〜5質量%であるのが好ましい。シリコンと非シリコン金属との合金の製造方法としては、例えば、単体シリコンと非シリコン金属を混合および溶融する方法、単体シリコンの表面に非シリコン金属を蒸着等により被覆する方法が挙げられる。具体的には、Siに意図的に、ホウ素、窒素、リンなどのドナー・アクセプター形成元素を添加する方法、Ti、Fe等をSiにドープする方法、電気化学的にSiとリチウムとを反応させる方法等が挙げられる。
負極結着剤は、特に限定されないが、例えば、ポリアクリル酸(「PAA」とも記載する)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリフッ化ビニリデン、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフルオライド−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル等を用いることができ、一種を単独で用いても二種以上を組み合わせて用いてもよい。また、カルボキシメチルセルロース(CMC)等の増粘剤を組み合わせて使用することもできる。これらのうち、結着性に優れるという観点から、SBR、SBRとCMCの組合せ、またはポリアクリル酸を含むことが好ましく、ポリアクリル酸を用いることがより好ましい。
以下、Si合金を含む電極をリチウムイオン二次電池の負極として用いた場合の対極となる正極について説明する。正極は、正極集電体上に、正極活物質を含む正極合剤層が形成された構成とすることができる。本実施形態の正極は、例えば、金属箔で形成される正極集電体と、正極集電体の片面又は両面に形成された正極合剤層とを有する。正極合剤層は正極結着剤によって正極集電体を覆うように形成される。正極集電体は、正極端子と接続する延長部を有するように構成され、この延長部には正極合剤層は形成されない。ここで、本明細書において、「正極合剤層」とは、正極の構成要素のうち、正極集電体を除く部分のことをいい、正極活物質および正極結着剤を含み、必要に応じて導電助剤等の添加剤等を含んでもよい。また、正極活物質は、リチウムを吸蔵放出し得る物質である。本明細書において、例えば結着剤など、リチウムを吸蔵放出しない物質は、正極活物質には含まれない。
(式(A1)中、0.1≦x<0.3、0.4≦z≦0.8、MはNi、Co、Fe、Ti、Al及びMgのうちの少なくとも一種である。);
LiyNi(1−x)MxO2 (A2)
(式(A2)中、0≦x<1、0<y≦1、MはLi、Co、Al、Mn、Fe、Ti及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である。)
電解液(非水電解液)としては、例えば支持塩を非水溶媒に溶解した溶液を用いることができる。
Ra−O−Rb (4−1)
[式(4−1)中、Ra及びRbは、それぞれ独立に、アルキル基又はフッ素置換アルキル基を示し、Ra及びRbの少なくとも一つはフッ素置換アルキル基である。]
で表される化合物が好ましく、下記式(4−2):
H−(CX1X2−CX3X4)n−CH2O−CX5X6−CX7X8−H (4−2)
[式(4−2)中、nは1、2、3または4であり、X1〜X8はそれぞれ独立にフッ素原子または水素原子である。ただし、X1〜X4の少なくとも1つはフッ素原子であり、X5〜X8の少なくとも1つはフッ素原子である。また、式(4−2)の化合物に結合しているフッ素原子と水素原子の原子比〔(フッ素原子の総数)/(水素原子の総数)〕≧1である。]
で表される化合物がより好ましく、下記式(4−3):
H−(CF2−CF2)n−CH2O−CF2−CF2−H (4−3)
[式(4−3)中、nは1または2である。]
で表される化合物がさらに好ましい。
セパレータは、正極および負極の導通を抑制し、荷電体の透過を阻害せず、電解液に対して耐久性を有するものであれば、いずれであってもよい。具体的な材質としては、ポリプロピレンおよびポリエチレン等のポリオレフィン、セルロース、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリフッ化ビニリデンならびにポリメタフェニレンイソフタルアミド、ポリパラフェニレンテレフタルアミドおよびコポリパラフェニレン−3,4’−オキシジフェニレンテレフタルアミド等の芳香族ポリアミド等(アラミド)が挙げられる。これらは、多孔質フィルム、織物、不織布等として用いることができる。
正極、負極、およびセパレータの少なくとも1つの表面に絶縁層を形成してもよい。絶縁層の形成方法としては、ドクターブレード法、ディップコーティング法、ダイコーター法、CVD法、スパッタリング法等が挙げられる。正極、負極、セパレータの形成と同時に絶縁層を形成することもできる。絶縁層を形成する物質としては、酸化アルミニウムやチタン酸バリウムなどとSBRやPVDF(ポリフッ化ビニリデン)との混合物などが挙げられる。
図1に、本実施形態に係る二次電池の一例として、ラミネートタイプの二次電池を示す。正極活物質を含む正極合剤層1と正極集電体3とからなる正極と、負極合剤層2と負極集電体4とからなる負極との間に、セパレータ5が挟まれている。正極集電体3は正極リード端子8と接続され、負極集電体4は負極リード端子7と接続されている。外装体には外装ラミネート6が用いられ、二次電池内部は電解液で満たされている。なお、電極素子(「電池要素」又は「電極積層体」ともいう)は、図2に示すように、複数の正極及び複数の負極がセパレータを介して積層された構成とすることも好ましい。
本実施形態によるリチウムイオン二次電池は、通常の方法に従って作製することができる。積層ラミネート型のリチウムイオン二次電池を例に、リチウムイオン二次電池の製造方法の一例を説明する。まず、乾燥空気または不活性雰囲気において、正極および負極を、セパレータを介して対向配置して、電極素子を形成する。次に、この電極素子を外装体(容器)に収容し、電解液を注入して電極に電解液を含浸させる。その後、外装体の開口部を封止してリチウムイオン二次電池を完成する。
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池を複数組み合わせて組電池とすることができる。組電池は、例えば、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池を2つ以上用い、直列、並列又はその両方で接続した構成とすることができる。直列および/または並列接続することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。組電池が備えるリチウムイオン二次電池の個数については、電池容量や出力に応じて適宜設定することができる。
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池またはその組電池は、車両に用いることができる。本実施形態に係る車両としては、ハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バス等の商用車、軽自動車等)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)が挙げられる。なお、本実施形態に係る車両は自動車に限定されるわけではなく、他の車両、例えば電車等の移動体の各種電源として用いることもできる。
SBR:スチレンブタジエンラバー
PAA:ポリアクリル酸(アクリル酸とアクリル酸ナトリウムとの共重合体)
TEP:リン酸トリエチル
TMP:リン酸トリメチル
FEC:フルオロエチレンカーボネート(4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン)
DFEC:トランス−ジフルオロエチレンカーボネート
FE1:1,1,2,2−テトラフルオロエチル−2,2,3,3−テトラフルオロプロピルエーテル
EC:エチレンカーボネート
DEC:ジエチルカーボネート
SUS:ステンレス箔
Cu:銅箔
高強度Cu:高強度銅箔
NCA:LiNi0.80Co0.15Al0.05O2
以下の実施例、比較例において、それぞれ、電解液をグラスファイバーシートに浸し、ガスバーナーを用いて、5秒間接炎させた。電解液を浸したグラスファイバーシートをガスバーナーから離した時、炎が確認されたものを「自己消火性なし」、炎が確認されなかったものを「自己消火性あり」と判断した。
TEP(リン酸トリエチル)とFEC(フルオロエチレンカーボネート)とを60:40(体積比)で混合した電解液の自己消火性を評価したところ、炎が確認され、自己消火性がないものと判断した。
本実施例の電池の作製について説明する。
(電極)
電極活物質としての結晶性シリコン合金(シリコンとホウ素との合金、重量比は、シリコン:ホウ素=99:1、メジアン径1μm、結晶子サイズ200nm、比表面積12m2/cm3)と、電極結着剤としてのSBRとを重量比85:15となるように計量し、それらを蒸留水にて混練し、負極合剤層用のスラリーとした。調製した負極スラリーを、集電体としての厚み10μmの電解銅箔に片面1mg/cm2の目付け量にて塗布、乾燥した。続いて、直径12mmの円状に切断し負極を得た。この負極を用いた場合の1C電流値は、約3mAhである。
得られた電極を用いて金属リチウムを対極としたハーフセルを作製した。電解液には、非水溶媒として、リン酸トリエチル(以下、TEPと略記する)とフルオロエチレンカーボネート(以下、FECと略記する)を98:2(体積比)の割合で混合し、さらに支持塩としてLiPF6を1モル/Lの濃度で溶解したものを用いた。セパレータには、セルガード製PP(ポリプロピレン)セパレータを用いた。
充電として、0.5C電流値で0VまでCCCV充電を行い、放電として0.5C電流値で1VまでCC放電を行った。充放電を10回繰り返し、10サイクル後の容量維持率を、下記式:
{(10サイクル後の放電容量)/(1サイクル後の放電容量)}×100(単位:%)
により算出した。結果を表1に示す。
電解液の非水溶媒を、TEP:FEC=90:10(体積比)の割合に変更したこと以外は、実施例1と同様に電池を作製し、評価した。
シリコン合金のメジアン径を0.5μmに変更したこと以外は、実施例2と同様に電池を作製し、評価した。
電解液の非水溶媒を、TEP:FEC:FE1=70:10:20(体積比)の混合物に変更したこと以外は、実施例3と同様に電池を作製し、評価した。
電極活物質を、シリコン合金:SiO(メジアン径5μm):黒鉛(メジアン径10μm)=97:2:1(重量比)の混合物に変更したこと以外は、実施例4と同様に電池を作製し、評価した。
電極結着剤をSBRに代えてポリアクリル酸ナトリウム塩(アクリル酸とアクリル酸ナトリウムとの共重合体、PAA)とし、電極活物質:PAA=85:15(重量比)の割合に変更したこと以外は、実施例5と同様に電池を作製し、評価した。
電極活物質:PAA=70:30(重量比)の割合に変更したこと以外は、実施例6と同様に電池を作製し、評価した。
電極用集電箔をSUS箔に変更したこと以外は、実施例7と同様に電池を作製し、評価した。
電解液中の非水溶媒を、TEP:FEC:FE1=65:5:30(体積比)の混合物に変更した以外は、実施例8と同様にして電池を作製し、評価した。
電解液中の非水溶媒を、TEP:FEC:FE1=60:10:30(体積比)の混合物に変更した以外は、実施例8と同様にして電池を作製し、評価した。
電解液中の非水溶媒を、TEP:FEC:FE1=85:5:10(体積比)の混合物に変更した以外は、実施例8と同様にして電池を作製し、評価した。
電解液中の非水溶媒を、TEP:FEC:FE1=80:10:10(体積比)の混合物に変更した以外は、実施例8と同様にして電池を作製し、評価した。
電極活物質のSi合金を、SiとAlの合金(Si:Al=99:1(重量比))に変更したこと以外は、実施例8と同様に電池を作製、評価した。
電極活物質のSi合金を、SiとPの合金(Si:P=99:1(重量比))に変更したこと以外は、実施例8と同様に電池を作製、評価した。
電極用活物質のSi合金を、SiとTi(Si:Ti=99:1(重量比))の合金に変更したこと以外は、実施例8と同様に電池を作製、評価した。
対極(正極)として、ニッケル酸リチウム電極を用いたこと以外は、実施例8と同様に電池を作製して、評価した。ニッケル酸リチウム電極の製法を以下に示す。正極活物質としてのニッケル酸リチウム(LiNi0.80Co0.15Al0.05O2、「NCA」とも記載)と、導電補助剤としてのカーボンブラックと、正極用結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとを、90:5:5の質量比で計量し、それらをn−メチルピロリドンと混合して、正極スラリーとした。正極スラリーを厚さ20μmのアルミ箔に塗布した。その際、対向する負極と正極との容量比が、1.1〜1.2になるように目付量を調整した。塗布した後に乾燥し、さらにプレスすることで、正極を作製した。正極の容量から、単セルとして1時間で満充電となる電流値を1C電流値と規定し、4.1Vから3Vの範囲で1/50C電流値で充放電を行った。
負極用集電箔を高強度銅箔(JX金属株式会社製)に変更したこと以外は、実施例16と同様に電池を作製、評価した。
電解液中のTEPに代えてTMP(リン酸トリメチル)を用いた以外は、実施例8と同様に電池を作製し、評価した。
電解液中のFECに代えてDFEC(トランス−ジフルオロエチレンカーボネート)を用いた以外は、実施例8と同様に電池を作製し、評価した。
シリコン合金を、メジアン径5μmのものに変更し、電解液の非水溶媒をTEP:EC:DEC=70:9:21の混合物にそれぞれ変更した以外は、実施例1と同様に電池を作製し、評価した。
電解液の非水溶媒をTEP:EC:DEC=70:9:21の混合物に変更した以外は、実施例8と同様に電池を作製し、評価した。
シリコン合金を、メジアン径5μmのものに変更した以外は、実施例1と同様に電池を作製し、評価した。
電極活物質:PAA=92:8(重量比)の割合に変更したこと以外は、実施例8と同様に電池を作製し、評価した。
電極活物質:PAA=40:60(重量比)の割合に変更したこと以外は、実施例8と同様に電池を作製し、評価した。
電極活物質:PAA=40:60(重量比)の割合に変更し、かつ、電解液の非水溶媒をTEP:FEC:FE1=60:5:35の混合物に変更した以外は、実施例8と同様に電池を作製し、評価した。
電解液の非水溶媒をTEP:FEC:FE1=60:5:35の混合物に変更した以外は、実施例8と同様に電池を作製し、評価した。
電極と電解液とを備え、
前記電極は、電極活物質および電極結着剤を含む電極合剤層と、電極集電体とを含み、
前記電極活物質は、シリコンを含む合金(Si合金)を含み、
前記Si合金のメジアン径(D50粒径)は1.2μm以下であり、
前記電極合剤層の重量に対する電極結着剤の含有量が、12重量%以上50重量%以下であり、
前記電解液が、
60体積%以上99体積%以下のリン酸エステル化合物と、
0体積%以上30体積%以下のフッ素化エーテル化合物と、
1体積%以上35体積%以下のフッ素化カーボネート化合物と、を含み、
前記リン酸エステル化合物と前記フッ素化エーテル化合物との合計が65体積%以上である、リチウムイオン二次電池。
前記電解液が、1体積%以上30体積%以下のフッ素化エーテル化合物を含む、付記1に記載のリチウムイオン二次電池。
前記電極活物質の全重量に対する、前記Si合金の含有量が65重量%以上である、付記1または2に記載のリチウムイオン二次電池。
前記電極結着剤が、ポリアクリル酸を含む、付記1〜3のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
前記Si合金が、Siと、ホウ素、アルミニウム、リン、およびチタンからなる群から選ばれる少なくとも1種との合金である、付記1〜4のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
前記電極集電体が、ステンレス箔、圧延銅箔、またはクラッド集電箔である、付記1〜5のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
前記Si合金が、結晶性を有する、付記1〜6のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
前記電極が、負極である、付記1〜7のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
さらに正極を備え、
前記正極が、下記式(A2):
LiyNi(1−x)MxO2 (A2)
(式(A2)中、0≦x<1、0<y≦1、MはLi、Co、Al、Mn、Fe、Ti及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である。)
で表される正極活物質を含む、付記8に記載のリチウムイオン二次電池。
付記1〜9のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池を含む組電池。
付記1〜9のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池を備えた車両。
正極と負極とをセパレータを介して積層して電極素子を製造する工程と、
前記電極素子と電解液とを外装体に封入する工程と、
を含み、
前記負極は、負極活物質および負極結着剤を含む負極合剤層と、負極集電体とを含み、
前記負極活物質は、シリコンを含む合金(Si合金)を含み、
前記Si合金のメジアン径(D50粒径)は1.2μm以下であり、
前記負極合剤層の重量に対する負極結着剤の含有量が、12重量%以上50重量%以下であり、
前記電解液が、
60体積%以上99体積%以下のリン酸エステル化合物と、
0体積%以上30体積%以下のフッ素化エーテル化合物と、
1体積%以上35体積%以下のフッ素化カーボネート化合物と、を含み、
前記リン酸エステル化合物と前記フッ素化エーテル化合物との合計含有量が電解液中65体積%以上である、リチウムイオン二次電池の製造方法。
負極と電解液とを備え、
前記負極は、負極活物質および負極結着剤を含む負極合剤層と、負極集電体とを含み、
前記負極活物質は、シリコンを含む合金(Si合金)を含み、
前記Si合金のメジアン径(D50粒径)は1.2μm以下であり、
前記負極合剤層の重量に対する負極結着剤の含有量が、12重量%以上50重量%以下であり、
前記電解液が、
60体積%以上99体積%以下のリン酸エステル化合物と、
0体積%以上30体積%以下のフッ素化エーテル化合物と、
1体積%以上35体積%以下のフッ素化カーボネート化合物と、を含み、
前記リン酸エステル化合物と前記フッ素化エーテル化合物との合計が65体積%以上である、リチウムイオン二次電池。
2 負極合剤層
3 正極集電体
4 負極集電体
5 セパレータ
6 外装ラミネート
7 負極リード端子
8 正極リード端子
10 フィルム外装体
20 電池要素
25 セパレータ
30 正極
40 負極
Claims (10)
- 電極と電解液とを備え、
前記電極は、電極活物質および電極結着剤を含む電極合剤層と、電極集電体とを含み、
前記電極活物質は、シリコンを含む合金(Si合金)を含み、
前記Si合金のメジアン径(D50粒径)は1.2μm以下であり、
前記電極合剤層の重量に対する電極結着剤の含有量が、12重量%以上50重量%以下であり、
前記電解液が、
60体積%以上99体積%以下のリン酸エステル化合物と、
1体積%以上30体積%以下のフッ素化エーテル化合物と、
1体積%以上35体積%以下のフッ素化カーボネート化合物と、を含み、
前記リン酸エステル化合物と前記フッ素化エーテル化合物との合計が65体積%以上である、リチウムイオン二次電池。 - 前記電極結着剤が、ポリアクリル酸を含む、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。
- 電極と電解液とを備え、
前記電極は、電極活物質および電極結着剤を含む電極合剤層と、電極集電体とを含み、
前記電極活物質は、シリコンを含む合金(Si合金)を含み、
前記Si合金のメジアン径(D50粒径)は1.2μm以下であり、
前記電極合剤層の重量に対する電極結着剤の含有量が、12重量%以上50重量%以下であり、
前記電解液が、
60体積%以上99体積%以下のリン酸エステル化合物と、
0体積%以上30体積%以下のフッ素化エーテル化合物と、
1体積%以上35体積%以下のフッ素化カーボネート化合物と、を含み、
前記リン酸エステル化合物と前記フッ素化エーテル化合物との合計が65体積%以上であり、
前記電極結着剤が、ポリアクリル酸を含む、リチウムイオン二次電池。 - 前記電極活物質の全重量に対する前記Si合金の含有量が65重量%以上である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記Si合金が、Siと、ホウ素、アルミニウム、リン、およびチタンからなる群から選ばれる少なくとも1種との合金である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記Si合金が、結晶性を有する、請求項1〜5のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記電極が、負極である、請求項1〜6のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- さらに正極を備え、
前記正極が、下記式(A2):
LiyNi(1−x)MxO2 (A2)
(式(A2)中、0≦x<1、0<y≦1、MはLi、Co、Al、Mn、Fe、Ti及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である。)
で表される正極活物質を含む、請求項7に記載のリチウムイオン二次電池。 - 請求項1〜8のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池を含む組電池。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池を備えた車両。
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