JPH06196153A - 電気化学セル - Google Patents
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- JPH06196153A JPH06196153A JP5187999A JP18799993A JPH06196153A JP H06196153 A JPH06196153 A JP H06196153A JP 5187999 A JP5187999 A JP 5187999A JP 18799993 A JP18799993 A JP 18799993A JP H06196153 A JPH06196153 A JP H06196153A
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- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
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- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
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- General Chemical & Material Sciences (AREA)
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- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 活性カソード材料として挿入材料を有した二
次電気化学セルにおいて放電容量の低下を招く不可逆な
格子変化を防止することを目的とする。 【構成】 二次電気化学セルは、放電中にイオンが挿入
されるV6 O13のような第1挿入材料を活性カソード材
料として備えている。放電容量の低下を招く不可逆な格
子変化を防ぐために、スレッシュホールドセル電圧に交
差する前に放電を終了させる。スレッシュホールドセル
電圧に到達する前に放電を開始する酸化チタンのような
第2挿入材料を僅かな割合でカソードに含ませることに
より不可逆な変化を抑制する。
次電気化学セルにおいて放電容量の低下を招く不可逆な
格子変化を防止することを目的とする。 【構成】 二次電気化学セルは、放電中にイオンが挿入
されるV6 O13のような第1挿入材料を活性カソード材
料として備えている。放電容量の低下を招く不可逆な格
子変化を防ぐために、スレッシュホールドセル電圧に交
差する前に放電を終了させる。スレッシュホールドセル
電圧に到達する前に放電を開始する酸化チタンのような
第2挿入材料を僅かな割合でカソードに含ませることに
より不可逆な変化を抑制する。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、挿入材料を活性カソー
ド材料として有する二次電気化学セル及びこのようなセ
ルのカソードに係る。
ド材料として有する二次電気化学セル及びこのようなセ
ルのカソードに係る。
【0002】
【従来の技術】電気化学セルに挿入材料(例えば、V6
O13、V2 O5 又はTiS2 )を活性カソード材料とし
て使用することは、例えば、GB特許第2,139,4
10号から知られている。このようなセルは二次特性を
示す。というのは、セルの放電中に挿入材料の構造体内
にイオン(例えば、リチウムイオン)を挿入しそしてそ
の後の充電中にそこからこのイオンを除去できるからで
ある。この挿入は、挿入材料がリチウムのサイクリング
容量が不充分な状態へと不可逆に変化してしまうスレッ
シュホールドを越えない限り、繰り返し可逆である。こ
のような変化は、おそらく、格子構造の変化によるもの
である。挿入の程度は、放電中のセル電圧を監視するこ
とによって監視でき、典型的に、この電圧は、放電中に
1つ以上のプラトーを伴って減少する。
O13、V2 O5 又はTiS2 )を活性カソード材料とし
て使用することは、例えば、GB特許第2,139,4
10号から知られている。このようなセルは二次特性を
示す。というのは、セルの放電中に挿入材料の構造体内
にイオン(例えば、リチウムイオン)を挿入しそしてそ
の後の充電中にそこからこのイオンを除去できるからで
ある。この挿入は、挿入材料がリチウムのサイクリング
容量が不充分な状態へと不可逆に変化してしまうスレッ
シュホールドを越えない限り、繰り返し可逆である。こ
のような変化は、おそらく、格子構造の変化によるもの
である。挿入の程度は、放電中のセル電圧を監視するこ
とによって監視でき、典型的に、この電圧は、放電中に
1つ以上のプラトーを伴って減少する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従って、リチウムの不
充分なサイクリング容量を招く挿入材料のこのような不
可逆の変化は、放電中のセル電圧を監視しそして電圧が
プリセット値に到達したときに放電を停止することによ
って防止することができる。このようなセルからのエネ
ルギー出力を最大にするためには、このプリセット電圧
をできるだけ低くしなければならないが、挿入のスレッ
シュホールドに対応するスレッシュホールド電圧より低
くしてはならない。実際には、挿入の程度がカソード材
料全体にわたって厳密に均一ではないので、プリセット
値は、スレッシュホールド電圧より相当に高くセットし
なければならない。そこで、プリセット電圧をスレッシ
ュホールド電圧に近づけることができる一方、確実に可
逆であるようなセルが効果的である。
充分なサイクリング容量を招く挿入材料のこのような不
可逆の変化は、放電中のセル電圧を監視しそして電圧が
プリセット値に到達したときに放電を停止することによ
って防止することができる。このようなセルからのエネ
ルギー出力を最大にするためには、このプリセット電圧
をできるだけ低くしなければならないが、挿入のスレッ
シュホールドに対応するスレッシュホールド電圧より低
くしてはならない。実際には、挿入の程度がカソード材
料全体にわたって厳密に均一ではないので、プリセット
値は、スレッシュホールド電圧より相当に高くセットし
なければならない。そこで、プリセット電圧をスレッシ
ュホールド電圧に近づけることができる一方、確実に可
逆であるようなセルが効果的である。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、第1の
挿入材料を備えた可逆電気セルのカソードであって、更
に第2の挿入材料を僅かな割合で備え、その放電が、セ
ルのサイクリング容量を低下させる不可逆の変化が上記
第1挿入材料に対して生じる電圧より高いセル電圧で開
始するようにしたカソードが提供される。
挿入材料を備えた可逆電気セルのカソードであって、更
に第2の挿入材料を僅かな割合で備え、その放電が、セ
ルのサイクリング容量を低下させる不可逆の変化が上記
第1挿入材料に対して生じる電圧より高いセル電圧で開
始するようにしたカソードが提供される。
【0005】上記第2挿入材料の質量は、好ましくは、
上記第1挿入材料の質量の20%未満であり、更に好ま
しくは、8%ないし12%の間の例えば約10%であ
る。上記カソードは、実際に、上記第1挿入材料のみを
活性材料として含む層と、上記第1挿入材料及び上記僅
かな割合の第2挿入材料の両方を含む表面被膜とを備え
ている。
上記第1挿入材料の質量の20%未満であり、更に好ま
しくは、8%ないし12%の間の例えば約10%であ
る。上記カソードは、実際に、上記第1挿入材料のみを
活性材料として含む層と、上記第1挿入材料及び上記僅
かな割合の第2挿入材料の両方を含む表面被膜とを備え
ている。
【0006】上記第2挿入材料は、上記第1挿入材料に
対して不可逆の変化が生じる電圧よりも高い放電電圧プ
ラトーを有しているのが望ましい。上記第2挿入材料の
放電は、上記第1挿入材料に対して不可逆の変化が生じ
る電圧よりも0.1Vないし0.5V上で開始するのが
好ましく、そして上記第2挿入材料が電圧プラトーを有
する場合に、これは、上記第1挿入材料に対して不可逆
の変化が生じる電圧よりも0.05Vないし0.25V
上であるのが好ましい。
対して不可逆の変化が生じる電圧よりも高い放電電圧プ
ラトーを有しているのが望ましい。上記第2挿入材料の
放電は、上記第1挿入材料に対して不可逆の変化が生じ
る電圧よりも0.1Vないし0.5V上で開始するのが
好ましく、そして上記第2挿入材料が電圧プラトーを有
する場合に、これは、上記第1挿入材料に対して不可逆
の変化が生じる電圧よりも0.05Vないし0.25V
上であるのが好ましい。
【0007】
【実施例】以下、添付図面を参照し、本発明を一例とし
て詳細に説明する。以下に述べる各セルは、ポリマ電解
質を有するソリッドステートリチウムセルである。各々
の場合に、アノードはニッケル集電板上にリチウムホイ
ルを施したものであり、電解質は、ポリ(エチレン酸化
物)(PEO)にLiClO4 のようなリチウム塩を合
成したもので、これはアセトニトリルにPEO及びLi
ClO4 を含む溶液から蒸発を行うことによって作成さ
れ、そしてカソードは、ニッケル集電板上に活性の挿入
材料、カーボンブラック及び電解質を施したものより成
る。
て詳細に説明する。以下に述べる各セルは、ポリマ電解
質を有するソリッドステートリチウムセルである。各々
の場合に、アノードはニッケル集電板上にリチウムホイ
ルを施したものであり、電解質は、ポリ(エチレン酸化
物)(PEO)にLiClO4 のようなリチウム塩を合
成したもので、これはアセトニトリルにPEO及びLi
ClO4 を含む溶液から蒸発を行うことによって作成さ
れ、そしてカソードは、ニッケル集電板上に活性の挿入
材料、カーボンブラック及び電解質を施したものより成
る。
【0008】図1には、カソードの挿入材料としてV6
O13を有する上記したセルの第1の放電に対する放電曲
線が示されている。約2.1Vに長いプラトーがあるこ
とが観察されよう。放電が更に進んで1.7Vのセル電
圧になることを許すと、V6O13に対して不可逆な変化
が生じる。
O13を有する上記したセルの第1の放電に対する放電曲
線が示されている。約2.1Vに長いプラトーがあるこ
とが観察されよう。放電が更に進んで1.7Vのセル電
圧になることを許すと、V6O13に対して不可逆な変化
が生じる。
【0009】図2には、4つの異なるカソード材料をも
つセルに対する放電曲線が示されており、その各々は、
1.7Vより高い電圧で放電を開始しそして1.7Vよ
り高い放電電圧に対しては相当な程度の容量(各場合に
20%以上)を備えている。その1つの場合には、挿入
材料が酸化ルテニウムRuO2 であり、電解質の〔E
O〕:〔Li〕の比が8であり、放電は80℃で生じ、
そして第5放電の曲線が示されている。放電は約2.1
Vで開始し、そして2.0Vに全容量の約40%までの
プラトーがあることが観察される。(この資料は、ソリ
ッドステートイオニックス15(1985年)第91な
いし94ページに掲載されたP.ダラード氏等の論文か
ら引用した。)
つセルに対する放電曲線が示されており、その各々は、
1.7Vより高い電圧で放電を開始しそして1.7Vよ
り高い放電電圧に対しては相当な程度の容量(各場合に
20%以上)を備えている。その1つの場合には、挿入
材料が酸化ルテニウムRuO2 であり、電解質の〔E
O〕:〔Li〕の比が8であり、放電は80℃で生じ、
そして第5放電の曲線が示されている。放電は約2.1
Vで開始し、そして2.0Vに全容量の約40%までの
プラトーがあることが観察される。(この資料は、ソリ
ッドステートイオニックス15(1985年)第91な
いし94ページに掲載されたP.ダラード氏等の論文か
ら引用した。)
【0010】2つの曲線は、挿入材料が二酸化チタン形
態の場合であり、その一方の場合にはアナターゼの形態
であり(TiO2 で示す)そして他方の場合はアルコキ
シドの加水分解で形成されたアモルファス酸化チタン
(Ti−Oで示す)である。各々の場合に、電解質は
〔EO〕:〔Li〕の比が12であり、放電は120℃
で生じ、そして第1放電の曲線が示されている。アナタ
ーゼチタニアの場合には、放電が約2.3Vで開始し、
1.78Vのプラトーまで急激に降下し、これは全容量
の約60%まで続きそして約1.55Vの第2プラトー
となる。アモルファスチタニアの場合には、放電が約
2.4Vで開始し、連続的に降下するが、1.7Vより
高い電圧で全容量の約60%である。
態の場合であり、その一方の場合にはアナターゼの形態
であり(TiO2 で示す)そして他方の場合はアルコキ
シドの加水分解で形成されたアモルファス酸化チタン
(Ti−Oで示す)である。各々の場合に、電解質は
〔EO〕:〔Li〕の比が12であり、放電は120℃
で生じ、そして第1放電の曲線が示されている。アナタ
ーゼチタニアの場合には、放電が約2.3Vで開始し、
1.78Vのプラトーまで急激に降下し、これは全容量
の約60%まで続きそして約1.55Vの第2プラトー
となる。アモルファスチタニアの場合には、放電が約
2.4Vで開始し、連続的に降下するが、1.7Vより
高い電圧で全容量の約60%である。
【0011】第4の曲線は、挿入材料がLiX TiO2
である場合のもので(xは0.5ないし1.0)、ルチ
ルの形態の二酸化チタンを最初に含むセルを放電するこ
とによって形成されたものである。電解質は〔EO〕:
〔Li〕の比が12であり、放電は120℃で生じ、そ
して第10放電の曲線が示されている。放電は約2.2
Vで開始し、連続的に下降するが、1.7Vより高い電
圧において全容量の25%以上である。この電極材料は
容易に且つ繰り返し可逆である。
である場合のもので(xは0.5ないし1.0)、ルチ
ルの形態の二酸化チタンを最初に含むセルを放電するこ
とによって形成されたものである。電解質は〔EO〕:
〔Li〕の比が12であり、放電は120℃で生じ、そ
して第10放電の曲線が示されている。放電は約2.2
Vで開始し、連続的に下降するが、1.7Vより高い電
圧において全容量の25%以上である。この電極材料は
容易に且つ繰り返し可逆である。
【0012】従って、本発明は、カソードの主たる挿入
材料がV6 O13であって、リチウムイオンの挿入が1.
7Vの放電電圧に対応する値を越えてはならない(この
挿入材料に対する不可逆の変化を防止するために)場合
に、例えば、10質量%といった僅かな割合のRu
O2 、アナターゼ又はアモルファスのTiO2 又はLi
XTiO2 を上記したようにカソードに組み込むことに
よってセルの性能を向上できることを教示するものであ
る。この第2の挿入材料は、V6 O13がその2.1Vプ
ラトーの終わりに達した際にその放電の大部分を経験
し、従って、V6 O13格子への過剰なリチウム挿入が生
じ得る程度を減少する。しかし、それでも放電は、セル
電圧が1.7Vに下降する前に停止しなければならな
い。又、2つの形態のチタニアを比較すると、アモルフ
ァスチタニアの方が、アナターゼよりも第2の挿入材料
としてより効果的であると予想できることに注意された
い。というのは、アナターゼチタニアは、1.7Vのス
レッシュホールド電圧を越えること0.1V未満である
1.78Vのプラトーに達するまで著しい容量を与えな
いからである。
材料がV6 O13であって、リチウムイオンの挿入が1.
7Vの放電電圧に対応する値を越えてはならない(この
挿入材料に対する不可逆の変化を防止するために)場合
に、例えば、10質量%といった僅かな割合のRu
O2 、アナターゼ又はアモルファスのTiO2 又はLi
XTiO2 を上記したようにカソードに組み込むことに
よってセルの性能を向上できることを教示するものであ
る。この第2の挿入材料は、V6 O13がその2.1Vプ
ラトーの終わりに達した際にその放電の大部分を経験
し、従って、V6 O13格子への過剰なリチウム挿入が生
じ得る程度を減少する。しかし、それでも放電は、セル
電圧が1.7Vに下降する前に停止しなければならな
い。又、2つの形態のチタニアを比較すると、アモルフ
ァスチタニアの方が、アナターゼよりも第2の挿入材料
としてより効果的であると予想できることに注意された
い。というのは、アナターゼチタニアは、1.7Vのス
レッシュホールド電圧を越えること0.1V未満である
1.78Vのプラトーに達するまで著しい容量を与えな
いからである。
【0013】図3は、2つの異なるカソードに対し、放
電/充電サイクル数に伴うリチウムセルの容量の変化を
示すグラフであり、第1のカソードは酸化バナジウムの
みを挿入材料として含むものであり(V−Oと示す)そ
して第2のカソードは酸化バナジウム及び酸化チタンの
両方を挿入材料として含むものである(V−O/Ti−
Oと示す)。第2のセルは、サイクリング中にその容量
を相当良好に維持することが観察される。本発明による
カソードは、2つの挿入材料の混合物より成るもので、
10質量%の二酸化チタンを含んでいる。
電/充電サイクル数に伴うリチウムセルの容量の変化を
示すグラフであり、第1のカソードは酸化バナジウムの
みを挿入材料として含むものであり(V−Oと示す)そ
して第2のカソードは酸化バナジウム及び酸化チタンの
両方を挿入材料として含むものである(V−O/Ti−
Oと示す)。第2のセルは、サイクリング中にその容量
を相当良好に維持することが観察される。本発明による
カソードは、2つの挿入材料の混合物より成るもので、
10質量%の二酸化チタンを含んでいる。
【0014】図3に示す実験結果は、V6 O13カソード
に適した電圧範囲内で120℃においてセルを繰り返し
動作させて(即ち、3.4Vまで充電し、1.7Vまで
放電する)得たものである。両酸化物は、各々、対応す
るアルコキシドの加水分解により形成されたアモルファ
ス材料で、形式VOy (yは2.4ないし2.5)のも
のと、アモルファスTiO2 であった。このようなアモ
ルファスVOy セルの放電曲線は、プラトーをもたない
という点で、図1に示すV6 O13の放電曲線とは若干異
なるが、リチウムサイクリング容量が低下するところの
スレッシュホールド電圧は同じである。(実際に、12
0℃で繰り返し動作したV6 O13セルでは、約10サイ
クルを越えると、挿入材料がアモルファス酸化バナジウ
ムに対して構造変化を受け、その放電曲線がこのVOy
セルと実質的に同じになり、この構造変化は容量の低下
を招かないことが分かった。)
に適した電圧範囲内で120℃においてセルを繰り返し
動作させて(即ち、3.4Vまで充電し、1.7Vまで
放電する)得たものである。両酸化物は、各々、対応す
るアルコキシドの加水分解により形成されたアモルファ
ス材料で、形式VOy (yは2.4ないし2.5)のも
のと、アモルファスTiO2 であった。このようなアモ
ルファスVOy セルの放電曲線は、プラトーをもたない
という点で、図1に示すV6 O13の放電曲線とは若干異
なるが、リチウムサイクリング容量が低下するところの
スレッシュホールド電圧は同じである。(実際に、12
0℃で繰り返し動作したV6 O13セルでは、約10サイ
クルを越えると、挿入材料がアモルファス酸化バナジウ
ムに対して構造変化を受け、その放電曲線がこのVOy
セルと実質的に同じになり、この構造変化は容量の低下
を招かないことが分かった。)
【0015】図3に関連して上記した効果は、5ないし
20%の酸化チタンを含む混合物によって達成できるこ
とが分かった。又、これは、例えば、式V0.9 Ti0.1
Oyの同様の割合でアモルファス混合バナジウム/チタ
ン酸化物を含む挿入材料でも達成され、このような酸化
物は、適当なバナジウム及びチタンアルコキシドの適当
な割合の混合物を加水分解することによって形成でき
る。
20%の酸化チタンを含む混合物によって達成できるこ
とが分かった。又、これは、例えば、式V0.9 Ti0.1
Oyの同様の割合でアモルファス混合バナジウム/チタ
ン酸化物を含む挿入材料でも達成され、このような酸化
物は、適当なバナジウム及びチタンアルコキシドの適当
な割合の混合物を加水分解することによって形成でき
る。
【0016】第2の挿入材料の役割は、主として、電解
質と接触するカソードの前面において重要である。とい
うのは、リチウムのイオンフラックスがそこで最大とな
るからである。従って、別の実施例のカソードは、第1
の挿入材料(例えば、酸化バナジウム)のみを含む例え
ば30ミクロン厚みの第1層と、第1及び第2の挿入材
料(例えば、酸化バナジウム及び酸化チタン)の両方を
含む例えば10ミクロン厚みの第2層とが集電板に被覆
された形態をとることができる。
質と接触するカソードの前面において重要である。とい
うのは、リチウムのイオンフラックスがそこで最大とな
るからである。従って、別の実施例のカソードは、第1
の挿入材料(例えば、酸化バナジウム)のみを含む例え
ば30ミクロン厚みの第1層と、第1及び第2の挿入材
料(例えば、酸化バナジウム及び酸化チタン)の両方を
含む例えば10ミクロン厚みの第2層とが集電板に被覆
された形態をとることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】V6 O13より成るカソードを備えたセルの放電
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図2】アナターゼTiO2 、アモルファス酸化チタン
LiX TiO2 及びRuO2 より成るカソードを備えた
セルの放電を示すグラフである。
LiX TiO2 及びRuO2 より成るカソードを備えた
セルの放電を示すグラフである。
【図3】酸化バナジウムより成るカソードを備えたセル
と、酸化バナジウム及び酸化チタンより成るカソードを
備えた本発明によるセルとに対し、サイクル数に伴うセ
ル容量の変化を示したグラフである。
と、酸化バナジウム及び酸化チタンより成るカソードを
備えた本発明によるセルとに対し、サイクル数に伴うセ
ル容量の変化を示したグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウィリアム ジェームズ マックリン イギリス国 オックスフォードシャー オ ーエックス11 0アールエイ ディドコッ ト ハーウェル 329 ユナイテッド キ ングドム アトミック エナヂイ オーソ リティ パテンツ デパートメント内 (72)発明者 アンドリュー ディヴィス イギリス国 オックスフォードシャー オ ーエックス11 0アールエイ ディドコッ ト ハーウェル 329 ユナイテッド キ ングドム アトミック エナヂイ オーソ リティ パテンツ デパートメント内 (72)発明者 リチャード ジョン ホブソン イギリス国 オックスフォードシャー オ ーエックス11 0アールエイ ディドコッ ト ハーウェル 329 ユナイテッド キ ングドム アトミック エナヂイ オーソ リティ パテンツ デパートメント内
Claims (10)
- 【請求項1】 第1の挿入材料を備えた可逆電気セルの
カソードにおいて、更に第2の挿入材料を僅かな割合で
備えていて、その放電が、セルのサイクリング容量を低
下させる不可逆の変化が上記第1挿入材料に対して生じ
る電圧より高いセル電圧で開始するようにしたことを特
徴とするカソード。 - 【請求項2】 上記第1挿入材料のみを活性材料として
含む層と、上記第1挿入材料及び上記僅かな割合の第2
挿入材料の両方を含む表面被膜とを備えた請求項1に記
載のカソード。 - 【請求項3】 上記僅かな割合は、上記第1挿入材料の
質量の20%未満である請求項1又は2に記載のカソー
ド。 - 【請求項4】 上記僅かな割合は、上記第1挿入材料の
質量の約10%である請求項3に記載のカソード。 - 【請求項5】 上記第2挿入材料は上記第1挿入材料と
混合される請求項の前記いずれかに記載のカソード。 - 【請求項6】 上記第1及び第2の挿入材料は、合成挿
入材料を形成するように化学的に結合される請求項1な
いし4のいずれかに記載のカソード。 - 【請求項7】 上記第2挿入材料の放電容量の少なくと
も20%が上記セル電圧より高い電圧で生じる請求項の
前記いずれかに記載のカソード。 - 【請求項8】 上記第2挿入材料は、上記セル電圧より
も0.05Vないし0.25V高いところに放電電圧プ
ラトーを有している請求項の前記いずれかに記載のカソ
ード。 - 【請求項9】 上記第1挿入材料はアモルファスの酸化
バナジウムであり、上記第2挿入材料はアモルファスの
酸化チタンである請求項1ないし6のいずれかに記載の
カソード。 - 【請求項10】 請求項の前記いずれかに記載のカソー
ドを組み込んだことを特徴とする可逆電気セル。
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