JP7024910B2 - 接着剤、電池用包装材用接着剤、積層体、電池用包装材、電池用容器及び電池 - Google Patents
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Description
これらフィルム状の積層体からなる電池用包装材は、電池用容器や電池パックを形成するために外層側基材層側が凸面を構成し、シーラント層側が凹面を構成するように成型される場合がある。
また、電池用包装材においては外層側基材層が外層、シーラント層が内層となり、電池の組み立て時に電池素子の周縁に位置するシーラント層同士を熱融着して電池素子を密封することにより、電池素子が封止される。
例えば特許文献1には、樹脂フィルムからなる内層、第1接着剤層、金属層、第2接着剤層、及び樹脂フィルムからなる外層を備えた積層型包装材において、前記第1接着剤層及び第2接着剤層の少なくとも一方を、側鎖に活性水素基を有する樹脂、多官能イソシアネート類、及び多官能アミン化合物を含む接着剤組成物で形成することにより、より深い成型に対して信頼性の高い包装材が得られることが開示されている。
本発明の接着剤は、ポリオール組成物(A)とポリイソシアネート組成物(B)とを必須成分とし、ポリオール組成物(A)がポリエステルポリオール(A1)とポリエステルポリオール(A2)とを含む2液型の接着剤である。
(ポリエステルポリオール(A1))
本発明のポリオール組成物(A)はガラス転移温度が-30℃以上20℃以下であり、多塩基酸又はその誘導体(a1)と多価アルコール(a2)とを必須原料とし、多塩基酸はその誘導体(a1)の30モル%以上が芳香族環を有する多塩基酸又はその誘導体(a1’)であるポリエステルポリオール(A1)を含む。
一方、重量平均分子量(Mw)は、5,000~300,000の範囲であることが好ましく、10,000~200,000の範囲であることがなお好ましい。
カラム ;東ソー株式会社製 TSKgel 4000HXL、TSKgel 3000HXL、TSKgel 2000HXL、TSKgel 1000HXL
検出器 ;RI(示差屈折計)
データ処理;東ソー株式会社製 マルチステーションGPC-8020modelII
測定条件 ;カラム温度 40℃
溶媒 テトラヒドロフラン
流速 0.35ml/分
標準 ;単分散ポリスチレン
試料 ;樹脂固形分換算で0.2質量%のテトラヒドロフラン溶液をマイクロフィルターでろ過したもの(100μl)
示差走査熱量測定装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製DSC-7000、以下DSCとする)を用い、試料5mgを30mL/minの窒素気流下で室温から10℃/minで200℃まで昇温した後、10℃/minで-80℃まで冷却する。再び10℃/minで150℃まで昇温させてDSC曲線を測定し、二度目の昇温工程で観測される測定結果における低温側のベースラインを高温側に延長した直線と、ガラス転移の階段状部分の曲線の勾配が最大になるような点で引いた接線との交点をガラス転移点とし、このときの温度をガラス転移温度とする。また、一度目の昇温で200℃まで昇温させているが、これはポリエステルポリオール(A1)が十分に溶融する温度であればよく、200℃では不十分である場合は適宜調整する。同様に、冷却温度も-80℃では不十分な場合(ガラス転移温度がより低い場合など)には適宜調整する。
本発明のポリオール組成物(A)はガラス転移温度が50℃以上110℃以下であり、多塩基酸又はその誘導体(a3)と多価アルコール(a4)とを必須原料とし、多塩基酸又はその誘導体(a3)の45モル%以上が芳香族環を有する多塩基酸又はその誘導体(a3’)であり、芳香族環を有する多塩基酸又はその誘導体(a3’)の51モル%以上がテレフタル酸であるポリエステルポリオール(A2)を含む。
一方、重量平均分子量(Mw)は、5,000~300,000の範囲であることが好ましく、10,000~200,000の範囲であることがなお好ましい。
ポリエステルポリオール(A2)はテレフタル酸が要因となって結晶性か、そうでない場合も結晶性に近い性質を示し、ガラス転移温度を超えた後も凝集力を発揮する。またポリエステルポリオール(A1)とポリエステルポリオール(A2)とはその骨格、ガラス転移温度差に由来して適度な相溶性があり、共存下ではポリエステルポリオール(A1)が海、ポリエステルポリオール(A2)が島の海島構造のような状態となっており、微視的には2液型接着剤の硬化塗膜の物性は均一ではなく、物性が異なる部位が点在していると考えられる。このためポリエステルポリオール(A1)の優れた基材への濡れ性、接着性、成型性が発揮されるとともに、高温、高湿下で硬化塗膜のポリエステルポリオール(A1)に由来する部位の粘弾性が低下した場合にも、ポリエステルポリオール(A2)に由来する部位が擬似的にフィラーのような役割を果たし、良好な接着性を示すと考えられる。
本発明で使用するポリイソシアネート組成物(B)は、イソシアネート化合物(B)を含む。イソシアネート化合物(B)は、一分子中に2以上のイソシアネート基を有する化合物であれば特に限定されず、各種の化合物を用いることができる。具体的には、前述のポリエステルポリオール(A1)、ポリエステルポリオール(A2)の原料で述べた各種のジイソシアネート化合物、ジイソシアネート化合物のオリゴマー、各種のジイソシアネート化合物とジオール化合物とを反応させて得られるアダクト変性ジイソシアネート化合物、これらのビウレット変性体、アロファネート変性体や、各種3官能以上のポリイソシアネート化合物を使用することができる。これらイソシアネート化合物(B)はそれぞれ単独で使用しても良いし、二種類以上を併用しても良い。
本発明の接着剤は、本発明の効果を損なわない範囲において、他の成分を併用することができる。例えばポリオール組成物(A)には、ポリエステルポリオール(A1)、ポリエステルポリオール(A2)の他、ポリカーボネートポリオール化合物を含有することが好ましい。この時、ポリエステルポリオール(A1)及びポリエステルポリオール(A2)の総量とポリカーボネートポリオール化合物との配合比率は、各種の基材に対する接着性が高く、耐湿熱性にも優れる接着剤となることから、両者の合計質量に対しポリエステルポリオール(A1)及びポリエステルポリオール(A2)の総質量が30~99.5質量%の範囲であることが好ましく、60~99質量%の範囲であることが好ましい。
本発明の積層体は、複数の基材を本発明の接着剤を用いてドライラミネート法やノンソルベントラミネート法にて貼り合せて得られる。基材としては、紙、オレフィン系樹脂、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン共重合体(ABS樹脂)、ポリ塩化ビニル系樹脂、フッ素系樹脂、ポリ(メタ)アクリル系樹脂、カーボネート系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリフェニレンエーテル系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂やポリエステル系樹脂から得られた合成樹脂フィルム、銅箔、アルミニウム箔の様な金属箔等が挙げられる。
電池用包装材は、図1に示すように、少なくとも、外層側基材層1、接着層2、金属層3、及びシーラント層4が順次積層された積層体からなる。本発明の電池用包装材において、外層側基材層1が最外層になり、シーラント層4は最内層になる。即ち、電池の組み立て時に、電池素子の周縁に位置するシーラント層4同士が熱融着して電池素子を密封することにより、電池素子が封止される。本発明の接着剤は、接着層2に使用する。また、本発明の電池用包装材は、図2に示すように、金属層3とシーラント層4との間に、これらの接着性を高める目的で、必要に応じて接着層5が設けられていてもよい。
本発明の電池用包装材において、外層側基材層1は最外層を形成する層である。外層側基材層1を形成する素材については、絶縁性を備えるものでれば特に制限されず、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリウレタン樹脂、珪素樹脂、フェノール樹脂、及びこれらの混合物や共重合物等の樹脂フィルムが挙げられる。これらの中でも、好ましくはポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂であり、より好ましくは2軸延伸ポリエステル樹脂、2軸延伸ポリアミド樹脂である。ポリエステル樹脂としては、具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンナフタレート、共重合ポリエステル、ポリカーボネート等が挙げられる。また、ポリアミド樹脂としては、具体的には、ナイロン6、ナイロン6,6、ナイロン6とナイロン6,6との共重合体、ナイロン6,10、ポリメタキシリレンアジパミド(MXD6)等が挙げられる。
電池用包装材において、金属層3は、電池用包装材の強度向上の他、電池内部に水蒸気、酸素、光などが侵入することを防止するためのバリア層として機能する層である。金属層3を構成する金属としては、具体的には、アルミニウム、ステンレス、チタンなどが挙げられ、好ましくはアルミニウムである。金属層3は、金属箔や金属蒸着などにより形成することができ、金属箔により形成することが好ましく、アルミニウム箔により形成することがさらに好ましい。また、金属層3は、接着の安定化、溶解や腐食の防止などのために、少なくとも一方の面、好ましくは両面が化成処理されていることが好ましい。ここで、化成処理とは、金属層の表面に耐酸性皮膜を形成する処理をいう。
本発明の電池用包装材においてシーラント層4は、最内層に該当し、電池の組み立て時にシーラント層同士が熱融着して電池素子を密封する層である。
本発明の電池用包装材において、接着層5は、金属層3とシーラント層4を強固に接着させために、これらの間に必要に応じて設けられる層である。
接着層2および接着層5の両方がエージングを必要とする場合には、まとめてエージングすることができる。尚、エージング温度は室温~90℃とすることで、2日~2週間で硬化が完了し、成型性が発現する。
本発明の電池用包装材においては、意匠性、耐電解液性、耐擦過性、成型性の向上などを目的として、必要に応じて、外層側基材層1の上(外層側基材層1の金属層3とは反対側)にコーティング層6を設けてもよい。コーティング層6は、電池を組み立てた時に最外層に位置する層である。
本発明の電池用包装材の製造方法については、所定の組成の各層を積層させた積層体が得られる限り特に制限されないが、以下の方法が例示される。
本発明の電池用容器は、前述の電池用包装材を用い、外層側基材層1が凸面を構成し、シーラント層4が凹面を構成するように成型して得ることができる。
なお凹部の成型方法としては、以下のような方法がある。
・加熱圧空成型法:電池用包装材を高温、高圧のエアーが供給される孔を有する下型と、ポケット形状の凹部を有する上型に挟み、加熱軟化させながらエアーを供給して凹部を形成する方法。
・プレヒーター平板式圧空成型法:電池用包装材を加熱軟化させた後、高圧のエアーが供給される孔を有する下型と、ポケット形状の凹部を有する上型に挟み、エアーを供給して凹部を形成する方法。
・ドラム式真空成型法:電池用包装材を加熱ドラムで部分的に加熱軟化後、ポケット形状の凹部を有するドラムの該凹部を真空引きして凹部を成型する方法。
・ピン成型法:底材シートを加熱軟化後ポケット形状の凹凸金型で圧着する方法。
・プレヒータープラグアシスト圧空成型法:電池用包装材を加熱軟化させた後、高圧のエアーが供給される孔を有する下型と、ポケット形状の凹部を有する上型に挟み、エアーを供給して凹部を形成する方法であって、成型の際に、凸形状のプラグを上昇及び降下をさせて成型を補助する方法。
本発明の電池用包装材は、正極、負極、電解質等の電池素子を密封して収容する電池用容器として使用される。
(合成例1) ポリエステルポリオール(A1-1)の合成
イソフタル酸790.8部、テレフタル酸339.4部、無水トリメリット酸20.0部、1,6-ヘキサンジオール738.0部、ネオペンチルグリコール107.4部を用い、定法に従いポリエステルポリオールを合成した。得られたポリエステルポリオールを酢酸エチルで樹脂固形分58%に希釈して、数平均分子量(Mn)が7,900、重量平均分子量(Mw)が25,700、樹脂水酸基価(固形分換算)が22.2mgKOH/g、樹脂酸価(固形分換算)が0.82mgKOH/g、ガラス転移温度(Tg)が7.3℃のポリエステルポリオール(A1-1)を得た。
イソフタル酸191.5部、アジピン酸252.5部、1,6-ヘキサンジオール243.0部、ネオペンチルグリコール16.6部、PM-8701L(日本乳化剤株式会社、ビスフェノールAのエチレンオキサイド付加物)296.5部を用い、定法に従いポリエステルポリオールを合成した。得られたポリエステルポリオールを酢酸エチルで樹脂固形分60%に希釈して、数平均分子量(Mn)が2,820、重量平均分子量(Mw)が12,550、樹脂水酸基価(固形分換算)が26.6mgKOH/g、樹脂酸価(固形分換算)が0.81mgKOH/g、ガラス転移温度(Tg)が-15.6℃のポリエステルポリオール(A1-2)を得た。
テレフタル酸697.2部、エチレングリコール72.9部、1,2-プロピレングリコール229.9部を用い、定法に従いポリエステルポリオールを得た。得られたポリエステルポリオールをメチルエチルケトンで樹脂固形分30%に希釈して、数平均分子量(Mn)が8,400、重量平均分子量(Mw)が61,300、樹脂水酸基価(固形分換算)が5.0mgKOH/g、樹脂酸価(固形分換算)が4.0mgKOH/g、ガラス転移温度が84℃のポリエステルポリオール(A2-1)を得た。
イソフタル酸167.6部、テレフタル酸530.8部、1,2-プロピレングリコール220.7部、エチレングリコール80.9部を用い、定法に従いポリエステルポリオールを得た。得られたポリエステルポリオールをメチルエチルケトンで樹脂固形分30%に希釈して、数平均分子量(Mn)が5,400、重量平均分子量(Mw)が63,200、樹脂水酸基価(固形分換算)が5.0mgKOH/g、樹脂酸価(固形分換算)が2.0mgKOH/g、ガラス転移温度が79℃のポリエステルポリオール(A2-2)を得た。
イソフタル酸278.7部、テレフタル酸318.5部、セバシン酸80.8部、ネオペンチルグリコール183.1部、エチレングリコール138.9部を用い、定法に従いポリエステルポリオールを得た。得られたポリエステルポリオールをメチルエチルケトンで樹脂固形分30%に希釈して、数平均分子量(Mn)が3,600、重量平均分子量(Mw)が40,500、樹脂水酸基価(固形分換算)が5.0mgKOH/g、樹脂酸価(固形分換算)が2.0mgKOH/g、ガラス転移温度が47℃のポリエステルポリオール(A2-3)を得た。
イソフタル酸332.17部、テレフタル酸332.15部、ネオペンチルグリコール216.6部、エチレングリコール119.1部を用い、定法に従いポリエステルポリオールを得た。得られたポリエステルポリオールをメチルエチルケトンで樹脂固形分30%に希釈して、数平均分子量(Mn)が11,400、重量平均分子量(Mw)が45,800、樹脂水酸基価(固形分換算)が6.0mgKOH/g、樹脂酸価(固形分換算)が2.0mgKOH/g、ガラス転移温度が67℃のポリエステルポリオール(A2-4)を得た。
B:重量平均分子量
C:固形分水酸基価(mgKOH/g)
D:固形分酸価(mgKOH/g)
E:ガラス転移温度(℃)
F:合成に用いた多塩基酸又はその誘導体に占める芳香族環を有する多塩基酸又はその誘導体の配合量(モル%)
G:芳香族環を有する多塩基酸またはその誘導体に占めるテレフタル酸の配合量(モル%)
(分子量測定法)
測定装置 ;東ソー株式会社製 HLC-8320GPC
カラム ;東ソー株式会社製 TSKgel 4000HXL、TSKgel 3000HXL、TSKgel 2000HXL、TSKgel 1000HXL
検出器 ;RI(示差屈折計)
データ処理;東ソー株式会社製 マルチステーションGPC-8020modelII
測定条件 ;カラム温度 40℃
溶媒 テトラヒドロフラン
流速 0.35ml/分
標準 ;単分散ポリスチレン
試料 ;樹脂固形分換算で0.2質量%のテトラヒドロフラン溶液をマイクロフィルターでろ過したもの(100μl)
試料5.0gを精秤し、中性溶剤30mLを加えて溶解させ、0.1mol/L水酸化カリウム溶液(メタノール性)を用いて滴定した。指示薬にはフェノールフタレインを用いた。測定結果は、試料1gを中和するために要した水酸化カリウムの量に換算し、単位はmgKOH/gとした。
試料4.0g(固形分換算)を精秤し、無水酢酸/ピリジン(容量比1/19)からなるアセチル化剤25mLを加え、密閉して100℃で1時間加熱した。アセチル化後、イオン交換水10mLとテトラヒドロフラン100mLを加え、0.5mol/L水酸化カリウム溶液(アルコール性)を用いて滴定した。指示薬にはフェノールフタレインを用いた。測定結果は、試料1gをアセチル化させたときに生じる酢酸を中和するために要した水酸化カリウムの量に換算し、単位はmgKOH/gとした。
試料5mgを、DSCを用いて、30mL/minの窒素気流下で室温から10℃/minで200℃まで昇温した後、10℃/minで-80℃まで冷却、再び150℃まで10℃/minで昇温してDSC曲線を測定した。二度目の昇温工程で観測される測定結果において、低温側のベースラインを高温側に延長した直線と、ガラス転移の階段状部分の曲線の勾配が最大になるような点で引いた接線との交点をガラス転移点とし、このときの温度をガラス転移温度とした。
(実施例1)
ポリエステルポリオール(A1-1)の樹脂固形分が95.0部、ポリエステルポリオール(A2-1)の樹脂固形分が5部となるよう配合した混合溶液に、KBM-403(信越化学社製のシランカップリング剤 不揮発分:100%)1.9部を加えてKBM-403が完全溶解するまで良く攪拌した。ここに、KW-75(DIC社製のポリイソシアネート 不揮発分:75% NCO%:13.3)を不揮発分量が35.9部となるよう加え、さらに不揮発分が25%になるように酢酸エチルを加えて良く攪拌させて、実施例1の接着剤を作製した。
接着剤の調整に用いる材料、配合を表1に記載の値に調整した以外は実施例1と同様にして、実施例2~実施例8の接着剤を製造した。
接着剤の調整に用いる材料、配合を表1に記載の値に調整した以外は実施例1と同様にして、比較例1~比較例6の接着剤を製造した。
なお、表1、表2に記載の値は固形分量(不揮発分量)である。
(実施例1)
金属層3として厚さ40μmのアルミニウム箔のマット面に、接着層2として実施例1の接着剤を塗布量:4g/平方メートルとなる量でドライラミネーターによって塗布し、溶剤を揮散させた後、外層側基材層1として厚さ25μmの延伸ポリアミドフィルムを積層した。
次に、得られた積層フィルムの金属層3のアルミニウム箔の光沢面に、接着層5用の接着剤を塗布量:4g/平方メートルとなる量でドライラミネーターによって塗布し、溶剤を揮散させた後、シーラント層4として厚さ40μmの未延伸ポリプロピレンフィルムを積層し、その後、60℃、5日間の硬化(エージング)を行い、接着剤を硬化させてラミネート物を得た。
実施例1と同様にして、接着層2として実施例2~8の接着剤を用いて、実施例2~実施例8の電池用包装材を得た。
実施例1と同様にして、接着層2として比較例1~6の接着剤を用いて、比較例1~6の電池用包装材を得た。
<接着強度>
株式会社島津製作所の「オートグラフAGS-J」を使用し、剥離速度100mm/min、剥離幅15mm、剥離形態180°剥離の条件で、実施例または比較例の電池用包装材の外層側基材層1と金属層3の界面の接着強度を評価した。数値が高いほど接着剤として好適であることを示す。
株式会社山岡製作所の「1ton卓上サーボプレス(SBN-1000)」を使用し、実施例または比較例の電池用包装材を60×60mmの大きさに切断し、ブランク(被成型材、素材)とした。前記ブランクに対し、アルミニウム箔マット面が凸側になるようにして、成型高さフリーのストレート金型にて成型高さを4.5mmから6.5mmまで変えて張り出し成型を行い、アルミニウム箔の破断や、各層間の浮きが発生しない、最大の成型高さにより成型性を評価した。
〇:5.0mm 以上(実用上優れる)
△:4.5mm (実用域)
×:4.5mm でアルミニウム箔の破断や、各層間の浮きが発生
株式会社山岡製作所の「1ton卓上サーボプレス(SBN-1000)」を使用し、実施例または比較例の電池用包装材を60×60mmの大きさに切断し、アルミニウム箔マット面が外側になるようにして、成型高さフリーのストレート金型にて成型高さ5.0mmにて張り出し成型を行った。得られた30mm角型トレイのフランジ部に側壁部に接するように190℃3秒ヒートシールバーを当て、フランジ部と側壁部との境界部近傍における外観を確認し、延伸ポリアミドフィルムとアルミニウム箔との間に浮きが発生していないかを評価した。
○:浮きなし(実用上優れる)
△:浮き発生(実用域)
×:浮き発生
株式会社山岡製作所の「1ton卓上サーボプレス(SBN-1000)」を使用し、実施例または比較例の電池用包装材を60×60mmの大きさに切断し、アルミニウム箔マット面が外側になるようにして、成型高さフリーのストレート金型にて成型高さ5.0mmにて張り出し成型を行った。得られた30mm角型のトレイを、85℃、85%RH雰囲気下の恒温恒湿槽に入れ、48時間静置した。恒温恒湿槽から前記トレイを取り出し、フランジ部と側壁部との境界部近傍における外観を確認し、延伸ポリアミドフィルムとアルミニウム箔との間に浮きが発生していないかを評価した。
○:浮きなし(実用上優れる)
△:浮き発生(実用域)
×:浮き発生
2:接着層
3:金属層
4:シーラント層
5:接着層
Claims (11)
- ポリエステルポリオール(A1)とポリエステルポリオール(A2)とを含むポリオール組成物(A)と、
ポリイソシアネート組成物(B)と、を含み、
前記ポリエステルポリオール(A1)はガラス転移温度が-30℃以上20℃以下であり、多塩基酸又はその誘導体(a1)と多価アルコール(a2)との反応生成物であり、前記多塩基酸又はその誘導体(a1)の30モル%以上が芳香族環を有する多塩基酸又はその誘導体(a1’)であり、
前記ポリエステルポリオール(A2)はガラス転移温度が50℃以上110℃以下であり、多塩基酸又はその誘導体(a3)と多価アルコール(a4)との反応生成物であり、多塩基酸又はその誘導体(a3)の70モル%以上が芳香族環を有する多塩基酸又はその誘導体(a3’)であり、前記芳香族環を有する多塩基酸又はその誘導体(a3’)の65モル%以上がテレフタル酸であり、前記ポリエステルポリオール(A1)と前記ポリエステルポリオール(A2)との固形分質量比(ポリエステルポリオール(A1)/ポリエステルポリオール(A2))が、97/3以上35/65以下であり、
前記ポリイソシアネート組成物(B)に含まれるイソシアネート基と、前記ポリオール組成物(A)に含まれる水酸基との比[NCO]/[OH]が2.0以上10.0以下であることを特徴とする2液型接着剤。 - 前記ポリエステルポリオール(A1)と前記ポリエステルポリオール(A2)との固形分質量比(ポリエステルポリオール(A1)/ポリエステルポリオール(A2))が、97/3~75/25であることを特徴とする請求項1に記載の2液型接着剤。
- 前記ポリエステルポリオール(A1)と前記ポリエステルポリオール(A2)との固形分質量比(ポリエステルポリオール(A1)/ポリエステルポリオール(A2))が、75/25~35/65であることを特徴とする請求項1に記載の2液型接着剤。
- 前記[NCO]/[OH]が8.0以下である請求項1乃至3のいずれか一項に記載の2液型接着剤。
- 前記[NCO]/[OH]が2.5以上である請求項1乃至4のいずれか一項に記載の2液型接着剤。
- 前記芳香族環を有する多塩基酸又はその誘導体(a3’)に占めるテレフタル酸の割合が70モル%以上である請求項1乃至5のいずれか一項に記載の2液型接着剤。
- 前記多塩基酸又はその誘導体(a3)の96モル%以上が芳香族環を有する多塩基酸又はその誘導体(a3’)である請求項1乃至6のいずれか一項に記載の2液型接着剤。
- 電池用包装材に用いられる請求項1乃至7のいずれか一項に記載の2液型接着剤。
- 少なくとも、外層側基材層1、接着層2、金属層3、及びシーラント層4が順次積層された電池用包装材であって、前記接着層2が請求項1乃至8のいずれかに記載の2液型接着剤の硬化物であることを特徴とする電池用包装材。
- 請求項9に記載の電池用包装材を成型してなる電池用容器。
- 請求項10に記載の電池用容器を使用してなる電池。
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