JPH09265987A - 非水電解液二次電池、二次電池用負極及び負極用炭素材 - Google Patents
非水電解液二次電池、二次電池用負極及び負極用炭素材Info
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- JPH09265987A JPH09265987A JP8075791A JP7579196A JPH09265987A JP H09265987 A JPH09265987 A JP H09265987A JP 8075791 A JP8075791 A JP 8075791A JP 7579196 A JP7579196 A JP 7579196A JP H09265987 A JPH09265987 A JP H09265987A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- secondary battery
- negative electrode
- graphite
- aqueous electrolyte
- electrolyte secondary
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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
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高い放電容量を有する非水電解液二次電池
(リチウム二次電池)を提供する。 【解決手段】 (A)X線広角回折法による(002)
面の面間隔(d002)が0.336nm以下、(B)X
線小角散乱法により求められる慣性半径(Rg)が25
nm未満の黒鉛を負極に用いる。当該黒鉛は、天然黒鉛
をジェット粉砕機により吐出圧力5kgf/cm2以上
で粉砕することにより製造できる。
(リチウム二次電池)を提供する。 【解決手段】 (A)X線広角回折法による(002)
面の面間隔(d002)が0.336nm以下、(B)X
線小角散乱法により求められる慣性半径(Rg)が25
nm未満の黒鉛を負極に用いる。当該黒鉛は、天然黒鉛
をジェット粉砕機により吐出圧力5kgf/cm2以上
で粉砕することにより製造できる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高い放電容量を有
する非水電解液二次電池、特にリチウム二次電池、その
ための負極、負極用炭素材、そのための黒鉛の製造方法
に関する。
する非水電解液二次電池、特にリチウム二次電池、その
ための負極、負極用炭素材、そのための黒鉛の製造方法
に関する。
【0002】
【従来の技術】リチウム二次電池等の非水電解液二次電
池の負極に黒鉛を用いる技術については、数多くの特許
出願がなされており公知である(特開昭57−2080
79号(特公昭62−23433号)公報等)。しかし
ながら、負極に黒鉛を用いた二次電池の理論的な容量
は、LiC6という組成から求められる372Ah/k
g(炭素基準)と言われており、放電容量に限界がある
という欠点があった。
池の負極に黒鉛を用いる技術については、数多くの特許
出願がなされており公知である(特開昭57−2080
79号(特公昭62−23433号)公報等)。しかし
ながら、負極に黒鉛を用いた二次電池の理論的な容量
は、LiC6という組成から求められる372Ah/k
g(炭素基準)と言われており、放電容量に限界がある
という欠点があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】リチウム二次電池用負
極のリチウムの担持体として黒鉛を用いた場合、一般に
LiC6という組成から求められる理論的な容量は37
2Ah/kg(炭素基準)である。ところが、電子機器
からの要請により、年々、電池の性能を飛躍的に向上さ
せなければならない状況にある。その要請に伴って、リ
チウム二次電池負極に対する要求も高くなってきてい
る。そういった状況から考えた場合、負極容量面で37
2Ah/kgという容量は必ずしも十分に高い容量とは
いえないようになってきた。従って、従来から提唱され
ているような黒鉛層間化合物の寄与だけでは、リチウム
を貯蔵できる量が充分ではないという課題を有してい
た。本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであ
り、充放電容量が理論容量である372Ah/kgを超
えたリチウム二次電池用負極を提供することを目的とす
る。
極のリチウムの担持体として黒鉛を用いた場合、一般に
LiC6という組成から求められる理論的な容量は37
2Ah/kg(炭素基準)である。ところが、電子機器
からの要請により、年々、電池の性能を飛躍的に向上さ
せなければならない状況にある。その要請に伴って、リ
チウム二次電池負極に対する要求も高くなってきてい
る。そういった状況から考えた場合、負極容量面で37
2Ah/kgという容量は必ずしも十分に高い容量とは
いえないようになってきた。従って、従来から提唱され
ているような黒鉛層間化合物の寄与だけでは、リチウム
を貯蔵できる量が充分ではないという課題を有してい
た。本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであ
り、充放電容量が理論容量である372Ah/kgを超
えたリチウム二次電池用負極を提供することを目的とす
る。
【0004】
【課題を解決するための手段】かかる事情に鑑み、本発
明者らは鋭意研究を重ねた結果、黒鉛の結晶構造中に意
図的に空隙を生成させることにより、意外にも前記課題
を解決できること並びに黒鉛の充放電反応に有効な空隙
がX線広角回折法による(002)面の面間隔
(d002)及びX線小角散乱法により求められる慣性半
径(Rg)により特定されることを見出し、本発明を完
成するに至った。
明者らは鋭意研究を重ねた結果、黒鉛の結晶構造中に意
図的に空隙を生成させることにより、意外にも前記課題
を解決できること並びに黒鉛の充放電反応に有効な空隙
がX線広角回折法による(002)面の面間隔
(d002)及びX線小角散乱法により求められる慣性半
径(Rg)により特定されることを見出し、本発明を完
成するに至った。
【0005】即ち、本発明は、結晶構造中に空隙を生成
させることのできる処理を用いて製造された黒鉛をリチ
ウム二次電池負極用炭素材として提供するものである。
させることのできる処理を用いて製造された黒鉛をリチ
ウム二次電池負極用炭素材として提供するものである。
【0006】1. 本発明は、次の特性を満たす黒鉛か
らなる非水電解液二次電池負極用炭素材にある。
らなる非水電解液二次電池負極用炭素材にある。
【0007】(A)X線広角回折法による(002)面
の面間隔(d002)が下式を満足する。
の面間隔(d002)が下式を満足する。
【0008】d002≦0.336nm (B)X線小角散乱法により求められる慣性半径(R
g)が下式を満足する。
g)が下式を満足する。
【0009】Rg<25nm 2. 本発明は、天然黒鉛をジェット粉砕機により吐出
圧力5kgf/cm2以上で粉砕することを特徴とする
前記項1の特性を満たす黒鉛の製造方法にある。
圧力5kgf/cm2以上で粉砕することを特徴とする
前記項1の特性を満たす黒鉛の製造方法にある。
【0010】3. 本発明は、前記項1に記載の炭素材
を構成要素として用いることを特徴とする非水電解液二
次電池用負極にある。
を構成要素として用いることを特徴とする非水電解液二
次電池用負極にある。
【0011】4. 本発明は、前記項3に記載の負極を
用いることを特徴とする非水電解液二次電池にある。
用いることを特徴とする非水電解液二次電池にある。
【0012】
【発明の実施の形態】炭素材 本発明の炭素材は、結晶構造中に充放電反応に有効な空
隙を多量に有する。本発明においては、充放電反応に有
効な空隙を特定するためのパラメータとして、(A)X
線広角回折法による(002)面の面間隔(d002)及
び(B)X線小角散乱法により求められる慣性半径(R
g)を用いる。本発明の負極用炭素材は、d002が0.
336nm以下(通常は0.3354〜0.336n
m)であり、Rgが25nm未満(通常は20nm以上
25nm未満)である。
隙を多量に有する。本発明においては、充放電反応に有
効な空隙を特定するためのパラメータとして、(A)X
線広角回折法による(002)面の面間隔(d002)及
び(B)X線小角散乱法により求められる慣性半径(R
g)を用いる。本発明の負極用炭素材は、d002が0.
336nm以下(通常は0.3354〜0.336n
m)であり、Rgが25nm未満(通常は20nm以上
25nm未満)である。
【0013】X線小角散乱法により求められる慣性半径
(Rg)は、X線小角散乱強度I(h)より求めること
ができる。慣性半径というパラメータは、粒子の大きさ
と形状の両方を一つのパラメータで表現している。散乱
強度を次式によって逆フーリエ正弦変換すると距離分布
関数p(r)が求められる。
(Rg)は、X線小角散乱強度I(h)より求めること
ができる。慣性半径というパラメータは、粒子の大きさ
と形状の両方を一つのパラメータで表現している。散乱
強度を次式によって逆フーリエ正弦変換すると距離分布
関数p(r)が求められる。
【0014】
【数1】
【0015】さらに、この距離分布関数を用いて慣性半
径の値を計算することができる。
径の値を計算することができる。
【0016】
【数2】
【0017】本発明においては、X線小角散乱の測定
は、CuKα線(理学電機社製X線源、RINT250
0)および小角散乱装置(2203E6)を用いて、2
θ=0.08−8.00°の範囲で行った。測定した散
乱データについて、平滑化、バックグラウンド処理、角
度0°への外挿処理を行った後、上記(1)、(2)式
に基づき慣性半径(Rg)を算出した。
は、CuKα線(理学電機社製X線源、RINT250
0)および小角散乱装置(2203E6)を用いて、2
θ=0.08−8.00°の範囲で行った。測定した散
乱データについて、平滑化、バックグラウンド処理、角
度0°への外挿処理を行った後、上記(1)、(2)式
に基づき慣性半径(Rg)を算出した。
【0018】炭素材(黒鉛)の製造方法 本発明の炭素材は、通常の炭素原料、例えば、天然黒鉛
の結晶構造中に空隙を生成させる処理を施すことにより
製造できる。炭素の結晶構造中に空隙を生成させる処理
としては、物理的な外力を与える方法であればどのよう
な処理でもよい。最も簡便な方法としては、粉砕法が挙
げられる。粉砕法以外の処理方法としては、超音波・マ
イクロ波などによる処理方法も利用できる。
の結晶構造中に空隙を生成させる処理を施すことにより
製造できる。炭素の結晶構造中に空隙を生成させる処理
としては、物理的な外力を与える方法であればどのよう
な処理でもよい。最も簡便な方法としては、粉砕法が挙
げられる。粉砕法以外の処理方法としては、超音波・マ
イクロ波などによる処理方法も利用できる。
【0019】粉砕法における粉砕方法は特に制限されな
いが、ボールミル、ハンマーミル、CFミル、アトマイ
ザーミルといったような機械的に摩砕する方法、ジェッ
トミルのような風力を利用する方法がある。また、粉砕
時の発熱を抑制して粉砕効率を高めるために冷凍または
凍結粉砕機なども利用できる。好ましい実施の形態で
は、炭素原料を、風力を利用するジェット粉砕機を用い
て粉砕する。
いが、ボールミル、ハンマーミル、CFミル、アトマイ
ザーミルといったような機械的に摩砕する方法、ジェッ
トミルのような風力を利用する方法がある。また、粉砕
時の発熱を抑制して粉砕効率を高めるために冷凍または
凍結粉砕機なども利用できる。好ましい実施の形態で
は、炭素原料を、風力を利用するジェット粉砕機を用い
て粉砕する。
【0020】空隙を生成させるための方法については、
上述したようにいずれの方法を用いてもよいが、炭素構
造中に空隙を生成させるために炭素原料に与える物理的
な外力の程度には、ある下限があると考えられる。すな
わち、ある程度以下の外力を加えても充放電反応に有効
な空隙は生成しないと考えられる。例えば、ジェット粉
砕機を用いて炭素原料を粉砕する場合には、吐出圧力5
kgf/cm2以上(通常は5〜10kgf/cm2)で
粉砕する必要がある。
上述したようにいずれの方法を用いてもよいが、炭素構
造中に空隙を生成させるために炭素原料に与える物理的
な外力の程度には、ある下限があると考えられる。すな
わち、ある程度以下の外力を加えても充放電反応に有効
な空隙は生成しないと考えられる。例えば、ジェット粉
砕機を用いて炭素原料を粉砕する場合には、吐出圧力5
kgf/cm2以上(通常は5〜10kgf/cm2)で
粉砕する必要がある。
【0021】炭素原料に空隙を生成させる処理を施す場
合、炭素原料のc軸方向の結晶子サイズの変化が空隙生
成の目安となる。従って、本発明により炭素材(黒鉛)
を製造するにあたっては、炭素原料及び処理後の炭素材
のc軸方向の結晶子サイズを測定することにより、空隙
の生成の程度を検知でき、これを利用することにより炭
素材の品質を制御できる。
合、炭素原料のc軸方向の結晶子サイズの変化が空隙生
成の目安となる。従って、本発明により炭素材(黒鉛)
を製造するにあたっては、炭素原料及び処理後の炭素材
のc軸方向の結晶子サイズを測定することにより、空隙
の生成の程度を検知でき、これを利用することにより炭
素材の品質を制御できる。
【0022】非水電解液二次電池 本発明の炭素材料(黒鉛)を常法により成形し、その他
の構成要素と組み合わせることにより、非水電解液二次
電池、特にリチウム二次電池の負極として好適な炭素電
極を製造できる。かくして、得られる本発明の炭素電極
(負極)を、常法により、正極、電解液、セパレータ、
集電体、ガスケット、封口板、ケース等の非水電解液二
次電池の他の構成要素と組み合わせることにより、高い
放電容量を有する非水電解液二次電池を作成できる。
の構成要素と組み合わせることにより、非水電解液二次
電池、特にリチウム二次電池の負極として好適な炭素電
極を製造できる。かくして、得られる本発明の炭素電極
(負極)を、常法により、正極、電解液、セパレータ、
集電体、ガスケット、封口板、ケース等の非水電解液二
次電池の他の構成要素と組み合わせることにより、高い
放電容量を有する非水電解液二次電池を作成できる。
【0023】正極としては、例えば、TiS2、Mo
S3、NbSe3、FeS、VS2、VSe2等の層状構造
を有する金属カルコゲン化物、CoO2、Cr3O5、T
iO2、CuO、V3O6、Mo3O、V2O5(・P
2O5)、Mn2O(・Li2O)等の金属酸化物、ポリア
セチレン、ポリアニリン、ポリパラフェニレン、ポリチ
オフェン、ポリピロール等の導電性を有する共役系高分
子物質等を正極活物質とする電極を使用できる。好まし
い実施の形態ではV2O5、Mn2Oを正極活物質とする
電極を正極として用いる。
S3、NbSe3、FeS、VS2、VSe2等の層状構造
を有する金属カルコゲン化物、CoO2、Cr3O5、T
iO2、CuO、V3O6、Mo3O、V2O5(・P
2O5)、Mn2O(・Li2O)等の金属酸化物、ポリア
セチレン、ポリアニリン、ポリパラフェニレン、ポリチ
オフェン、ポリピロール等の導電性を有する共役系高分
子物質等を正極活物質とする電極を使用できる。好まし
い実施の形態ではV2O5、Mn2Oを正極活物質とする
電極を正極として用いる。
【0024】電解液としては、不活性の溶媒に電解物質
を溶解した電解液を使用できる。電解液の溶媒として
は、非プロトン性溶媒、例えば、プロピレンカーボネー
ト、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、テト
ラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジオ
キソラン、4−メチルジオキソラン、スルホラン、1,
2−ジメトキシエタン、ジメチルスルホキシド、アセト
ニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、ジエチレン
グリコール、ジメチルエーテル等又はこれらの2種類以
上の混合溶媒を使用できる。好ましい実施の形態では、
強い還元雰囲気でも安定なエーテル系溶媒、例えば、テ
トラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジ
オキソラン、4−メチルジオキソランを溶媒とする電解
液を用いる。
を溶解した電解液を使用できる。電解液の溶媒として
は、非プロトン性溶媒、例えば、プロピレンカーボネー
ト、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、テト
ラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジオ
キソラン、4−メチルジオキソラン、スルホラン、1,
2−ジメトキシエタン、ジメチルスルホキシド、アセト
ニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、ジエチレン
グリコール、ジメチルエーテル等又はこれらの2種類以
上の混合溶媒を使用できる。好ましい実施の形態では、
強い還元雰囲気でも安定なエーテル系溶媒、例えば、テ
トラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジ
オキソラン、4−メチルジオキソランを溶媒とする電解
液を用いる。
【0025】電解液の電解物質としては、溶媒和しにく
いアニオンを生成する塩、例えば、LiPF6、LiC
lO4、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、LiA
lO4、LiAlCl4、LiCl、LiI等を使用でき
る。
いアニオンを生成する塩、例えば、LiPF6、LiC
lO4、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、LiA
lO4、LiAlCl4、LiCl、LiI等を使用でき
る。
【0026】セパレータとしては、通常使用される多孔
質ポリプロピレン製不織布等のポリオレフィン系の多孔
質膜を使用できる。本発明の非水電解液二次電池の形態
については、特に限定はなく、円筒型、角型又はボタン
型等の形態とすることができる。
質ポリプロピレン製不織布等のポリオレフィン系の多孔
質膜を使用できる。本発明の非水電解液二次電池の形態
については、特に限定はなく、円筒型、角型又はボタン
型等の形態とすることができる。
【0027】
【発明の効果】本発明の空隙を意図的に生成させた炭素
材(黒鉛)によれば、未処理の黒鉛と比較して、約1.
2倍の放電容量が得られるため、同じ性能では非水電解
液二次電池の体積や重量を低減できるという効果ああ
る。
材(黒鉛)によれば、未処理の黒鉛と比較して、約1.
2倍の放電容量が得られるため、同じ性能では非水電解
液二次電池の体積や重量を低減できるという効果ああ
る。
【0028】
【実施例】実施例1 〔黒鉛の改質〕マダガスカル産の天然黒鉛100gを超
音速ジェット粉砕器(日本ニューマチック工業(株)製
のLABO JET MILL)により吐出圧力6kg
f/cm2で粉砕した。得られた改質黒鉛の構造パラメ
ータであるd002、Rgは、それぞれ、0.3356n
m、24.7nmであった。
音速ジェット粉砕器(日本ニューマチック工業(株)製
のLABO JET MILL)により吐出圧力6kg
f/cm2で粉砕した。得られた改質黒鉛の構造パラメ
ータであるd002、Rgは、それぞれ、0.3356n
m、24.7nmであった。
【0029】〔炭素電極の作成〕上記改質黒鉛96重量
部を、ディスパージョンタイプのPTFE(ダイキン工
業(株)製、D−1)4重量部と混合し、液相で均一に
攪拌した後、乾燥させ、ペースト状とした。こうして得
られた混合物30mgをニッケルメッシュに圧着させる
ことで炭素電極を作成した。こうして得られた電極につ
いて200℃で6時間の真空乾燥を行った。
部を、ディスパージョンタイプのPTFE(ダイキン工
業(株)製、D−1)4重量部と混合し、液相で均一に
攪拌した後、乾燥させ、ペースト状とした。こうして得
られた混合物30mgをニッケルメッシュに圧着させる
ことで炭素電極を作成した。こうして得られた電極につ
いて200℃で6時間の真空乾燥を行った。
【0030】〔試験セル(リチウム二次電池)の組立〕
前記にて得られた炭素電極を作用極とし、対極として充
分な量の金属リチウムを用いてリチウム二次電池を作成
した。電解液としては1モル/lの濃度にLiClO4
を溶解させたエチレンカーボネートとジエチルカーボネ
ートとの混合溶媒(体積比1:1)を用い、セパレータ
としてはポリプロピレン不織布を用いた。
前記にて得られた炭素電極を作用極とし、対極として充
分な量の金属リチウムを用いてリチウム二次電池を作成
した。電解液としては1モル/lの濃度にLiClO4
を溶解させたエチレンカーボネートとジエチルカーボネ
ートとの混合溶媒(体積比1:1)を用い、セパレータ
としてはポリプロピレン不織布を用いた。
【0031】〔電極特性の測定〕本実験で得られたリチ
ウム二次電池の充放電特性を測定した。測定は0.1m
A/cm2の定電流充放電下で行った。充電を0Vまで
行った後に2Vまで放電させた。放電容量は、カット電
圧が2.0Vの時の容量である。
ウム二次電池の充放電特性を測定した。測定は0.1m
A/cm2の定電流充放電下で行った。充電を0Vまで
行った後に2Vまで放電させた。放電容量は、カット電
圧が2.0Vの時の容量である。
【0032】比較例1 ジェットミルの吐出圧力を4kgf/cm2とした以外
は、すべて実施例1と同様に評価した。得られた改質黒
鉛の構造パラメータであるd002、Rgは、それぞれ、
0.3356nm、25.6nmであった。
は、すべて実施例1と同様に評価した。得られた改質黒
鉛の構造パラメータであるd002、Rgは、それぞれ、
0.3356nm、25.6nmであった。
【0033】比較例2 ジェットミルの吐出圧力を2kgf/cm2とした以外
は、すべて実施例1と同様に評価した。得られた改質黒
鉛の構造パラメータであるd002、Rgは、それぞれ、
0.3356nm、25.6nmであった。
は、すべて実施例1と同様に評価した。得られた改質黒
鉛の構造パラメータであるd002、Rgは、それぞれ、
0.3356nm、25.6nmであった。
【0034】結果 上記の実施例1及び比較例1・2の結果をまとめて表1
に示す。但し、表1中、d002はX線広角回折による
(002)面の面間隔、RgはX線小角散乱による慣性
半径を意味する。
に示す。但し、表1中、d002はX線広角回折による
(002)面の面間隔、RgはX線小角散乱による慣性
半径を意味する。
【0035】
【表1】 ジェットミルの吐出圧力 d002 Rg 放電容量 (kgf/cm 2) (nm) (nm) (Ah/kg) 実施例1 6 0.3356 24.7 430 比較例1 4 0.3356 25.6 360比較例2 2 0.3356 25.6 300
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 嘉数 隆敬 大阪府大阪市中央区平野町四丁目1番2号 大阪瓦斯株式会社内
Claims (4)
- 【請求項1】 次の特性を満たす黒鉛からなる非水電解
液二次電池負極用炭素材。 (A)X線広角回折法による(002)面の面間隔(d
002)が下式を満足する。 d002≦0.336nm (B)X線小角散乱法により求められる慣性半径(R
g)が下式を満足する。 Rg<25nm - 【請求項2】 天然黒鉛をジェット粉砕機により吐出圧
力5kgf/cm2以上で粉砕することを特徴とする次
の特性を満たす黒鉛の製造方法。 (A)X線広角回折法による(002)面の面間隔(d
002)が下式を満足する。 d002≦0.336nm (B)X線小角散乱法により求められる慣性半径(R
g)が下式を満足する。 Rg<25nm - 【請求項3】 請求項1に記載の炭素材を構成要素とし
て用いることを特徴とする非水電解液二次電池用負極。 - 【請求項4】 請求項3に記載の負極を用いることを特
徴とする非水電解液二次電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8075791A JPH09265987A (ja) | 1996-03-29 | 1996-03-29 | 非水電解液二次電池、二次電池用負極及び負極用炭素材 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8075791A JPH09265987A (ja) | 1996-03-29 | 1996-03-29 | 非水電解液二次電池、二次電池用負極及び負極用炭素材 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09265987A true JPH09265987A (ja) | 1997-10-07 |
Family
ID=13586400
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8075791A Pending JPH09265987A (ja) | 1996-03-29 | 1996-03-29 | 非水電解液二次電池、二次電池用負極及び負極用炭素材 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH09265987A (ja) |
-
1996
- 1996-03-29 JP JP8075791A patent/JPH09265987A/ja active Pending
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