JPS603862A - 二次電池 - Google Patents

二次電池

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JPS603862A
JPS603862A JP58112427A JP11242783A JPS603862A JP S603862 A JPS603862 A JP S603862A JP 58112427 A JP58112427 A JP 58112427A JP 11242783 A JP11242783 A JP 11242783A JP S603862 A JPS603862 A JP S603862A
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iii
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Tatsuaki Ataka
龍明 安宅
Koji Iwasa
浩二 岩佐
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Seiko Instruments Inc
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    • C01C3/08Simple or complex cyanides of metals
    • C01C3/12Simple or complex iron cyanides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/36Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40Electric properties
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/60Optical properties, e.g. expressed in CIELAB-values
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、電池の陽極および陰極拐料に関し、プルシ
アンブルー及びプルシアンブルー類似体(Prussi
an、 Btu、u AnaLags )が電気化学的
な酸化反応と還元反応に対して高い可逆性を有すること
を見いだしたので、こ扛ら還元体を陰極材料として提供
することを目的としている。
従来技術 近年、電子腕時計、カメラ、卓上計算機、ライター、補
聴器など、電池をその電源とする小型携帯電子機器の普
及発展は著しい。そnに伴い、電池はますます小型化、
薄型化、高容量化のガロに開発が進めらnている。しか
し、小型携帯電子機器の多機能化は、必然的に消費重力
の増大をもたらし、電池の小型化、薄型化と相反する性
能の要求が、電池になさnつつある。そこで、太陽電池
と二次電池の組み合わせによる保守不用電源への要望が
高まってきた。
二次電池として現在使用さnているものにはいくつか種
類がある。たとえば、水溶液光電T液を用いるカドミウ
ム、ニッケル電池や亜鉛、酸化銀電池などや、非水溶媒
系の電解液を用いるリチウム、二硫化チタン電池などが
ある。このような二次電池に、電池として要求さ扛てい
る性能には、充放電サイクルが多くできること、充電効
率がよいこと、自己放電率の小さいことなどがある。
さらにこnらの要求さnている性質を陽極材料と□。。
ゆ、オえ、2イ、□、よ、1 電気化学反応に伴う構造変化が小さやかできnばないこ
と、電気化学的酸化還元反応が可逆であること、電解液
への溶解度が小さいことなどが要求さr15、一方陰極
活物質には充電時におけるデンドライトの発生がないこ
とや副反応によるガス発生のないことなどが要求さnて
いる。
しかしながら、従来までの二次電池活物質には上記すべ
ての性質を充分に備えたものはなかった。たとえば、カ
ドミウム、ニッケル電池は、充電時に陽極での酸素発生
などの副反応によシ充電効率がよくないこと、リチウム
、二硫化チタン電池では、放電に伴いリチウムイオンが
二硫化チタン結晶の層間に侵入するため結晶のC軸方向
への伸びがあり、充放電IC繰返すたびに結晶が<7r
:rtて行くという問題があシ、亜鉛、酸化銀電池では
品率充電時に陰極でのテントライトの発生という問題が
あった。
発明の目的 この発明で4−1:、、上記二次電池活物質に要求さ7
Lる性質すべてを備えた活物質材料として、プルシアン
ブルーおよびその類似体の酸化体および還元体が、陽極
材料としても陰@利料としても最適であることを新たに
見い出したので、こnら材料を二次電池活物質として提
供すること全目的とする発明の構成 プルシアンブルー、及びプルシアンシアンブルー類似体
について説明する場合、昔からよ(研究さ牡ているプル
シアンブルーについて述べるのが最も適切であり、プル
シアンブルー類似体については、そこから容易に理解す
ることができる。
プルシアンブルーは、1704年にベルリンの染料職人
ディースバツハ(Diesbach)によシ、金属錯体
として合広さ2tた最初の化合物である。
以来、プルシアンブルーはその深い青色のため、印刷用
インク、ペイントの顔料やその他の着色用途に広く用い
ら扛てきた。プルシアンブルーは、単に最初に合成さn
た金属錯体という以外に、いくつかの興味深い性質があ
る。プルシアンブルーには、1可溶性プルシ了ンブルー
” (MlFg(Ill)[F h(n) (ON) 
6 )と“不溶性プルシアンブルー″ (X!l)’(
1+ CFf1’(11) (C”) e Es ) 
ノ2fi類があるとさIしている。ただし、Mffは一
価カチオンを示す。プルシアンブルーの興味深い性質の
第一のものは、どちらの種類のプルシアンブルーにして
も、同一結晶中に酸化状態の異なるFe(6))とFe
 (If)が共存していることであり、このためプルシ
アンブルーは混合原子価錯体の例としても有名である。
その第二のもe)は、′可溶性プルシアンブルー“にし
ても、″不溶件ブルシ了ンブルー1にしても、不溶性の
塩であり、その溶解度積Kop=10−ψである。また
、その第三の興味深い性質としては、その還元生成物で
あるエベリットの塩(Wver’itt’s 5alt
 、 MJF e(II)(F 5(II) (ON)
 6)またはM:Fe(II)4 [Fe(If) (
CN) a )s )やその酸化生成物であるベルリン
グリーン(BerlinGreen e ’ g(m)
[Fg(1(CN) a 〕i*はF。
([11)4 [:Fe([1) (CN) a :)
s 、 3X−*ただし、X−は−価了ニオン)ハ、プ
ルシアンブルート同じ格子定数10.2Aであることが
知らnている(たとえば、J、 F 、 Ke#/6n
 CLncl F 、 D 、ム1iles、Haty
、re 、137 577 (1936))すなわち、
酸化還元反応によって471・造不変であるということ
で心る。
以上、代表的な例として、プルシアンブルーの興味深い
性質について述べてきたが、プルシアンブルー類似体(
Prussian B17Le Att、alofjs
 )と称さfる一群の化合物についても、同様のことが
言える。
たとえば、シ丁ノ基の炭素側の’ e (II)ff:
Ru(n)に置き換えた化合物は、やはり混合原子価錯
体として知らn1ルテニウム紫(Rutheniwm 
Pu、rPle)という紫色の顔料であシ、格子定数1
0゜4ズである。(たとえば、J 、 K 、Keg&
in and、 F、D、Mi16B、 Natu、r
e、137 、577 (193−6) )また、〔0
r(III)(CN)6 〕3−もM 、t−f−、F
、 !+、 C□*+、00*+ 、N 7*+や(3
d”などと、M、++(:Cr(ON)s )xでmh
さnるプルシアンブルー 1と同形で格子定数α=IO
,l〜10 、6 Xの間の難溶性塩を作ることが知ら
牡て、!=−シ、同様にCM(Ill)(ON)、13
− (MUMna+、00m+# R7,a+や工r 
s + )もプルシアンブルー類似体をつくる。
(タトエば、B 、 M o chadwick an
d A 、 G 。
Bharpe 、 Advan 、工nor9 、ch
ern 、 Radio chem、8.83(196
6)。より一般的な表現を用いtしば、(1)式で、プ
ルシアンブルー類似体(Prussian Blue 
Analogs ) @表わすことができる訃(MA十
B(OIJ) a ) t 、 XH,o (t)ただ
し、 MA:A価の金属イオン M”=B価の金属イオン に:1から4までの正数 t:1から3までの正数 X:0を含む任意の正数 以上では、プルシアンブルー及びその類似体751同形
の構造をもつ離心1生塩であることを示した。
次に、プルシアンブルー及びその類似体が電気1ヒ学的
に活性な化合物であり、可逆的な酸化還元反応を行なう
ことを示す。こtLまで、プルシアンブルー及びその類
似体が混合原子価錯体でめ勺1金属イオン′−1酸化還
元中心を持つにもかかわらずその電気化学的挙動がよく
知らjしてぃながっ九。こnaよ、プルシアンブルー及
びその類似体が、コロイド粒子としてしか得ら7Lなか
ったことにょる◎たとえば、プルシアンブルーを得てい
た方法は次のようである。
((L) Fg”+[Fe(m)(ON)6 〕”−−
〕+jルシ了ンシンブル−I’es十+CFe(n)C
ON)6 〕〕’−−+1ルシTンブルーC) F e
” ++(: F e(U) (ON) e 〕参−→
エベリットのtA憾ヒブルシ了ンブルー こfl cO)@) 、 (6)や(c)のどの方法に
よっても、速い化学反応性から、プルシアンブルーはコ
ロイド状粉体としてしか得らnない。そのため、フ]−
シアンブルーの電気1学的掌’mt k tillべる
適切な電接を得ることができなかった。
この発明にj?いては、次の二つの方法にょクブルシア
ンプルー及びその類似体の電気化学的誉勤全調べる適切
な形状の電極を用いた。
(1)電解成膜法により、電子伝導性基拐にプルシアン
ブルー汲びブルシ了ンブルー類イ以体の薄膜電極をイ(
Fる方法。
(2) マトリックスポリマー、アセチレンブラック々
どの導電剤、及びプルシアンブルーまたiIプルシアン
ブルー類似体の複合被膜電極を得る方法。
以下、(1)と(2)の方法を簡単に説明し、プルシア
ンブルー4すとして、その電気化学的挙動について述べ
る。
才ず、(1)の方法について述べる。この方法は、プル
シアンブルーの薄膜を得らnると言う意味で重要である
ばかりでな(、(2)の方法の適切さを検討する上でも
重要である。この方法は、Fea+と〔Fe (ON)
s )”−の混合溶液は、前述のプルシアンブルーの合
成法(α) 、 (b)や(Q)とは異なり、沈澱を生
じないという実験事実に基づいている。前記のy 、1
1+とC’e (ON)a 〕”−’x含む混合溶液に
、その表面にプルシアンブルー薄膜を析出させる微小白
金板電極と、封板として用いる面積の大きい白金板電極
とを浸漬する。次に、この微小白板電極を約10μA/
−の電泥密度で陰分極し、約10分問屋電流電解を行な
う。電解終了後、この微小白金板電極上に青色の薄膜と
してプルシアンブルーが析出した。次に、こcl、)よ
うにして得たプルシアンブルー薄膜電極の電気化学的挙
動を調べる目的で、IMKOt中で3電極式電解セルを
用いて三角波状に電位に’を引するサイクリックポルタ
モグラムを測足した。側層結果を第1図(1)に示した
。飽和甘木電極(SOE)に対する電位で、+〇。6v
では、プルシアンブルー薄J莫電ア1参は、プルシアン
ブルーの状態にあシ、+0.6Vよフカソード側に電位
全掃引すると、+0.2V句近に還元ピークを示し、→
、2vで還元生成物であるoエベリットの塩(Eve 
−ritt’s 5alt)の状態となる。また、−0
,2Vからアノード方間に゛電位を掃引すると、+o、
2v付近にエベリットの塩からプルシア/ブルーへの酸
化ピークを示し、+0.5Vj(、よ(1) 7.、n
、シアy 7’ # −(/−)お、い−、1どる。
以上を電気化学反応式を用いて表わせば、次のようにな
る。
’6011)番 (Fg(n) (OH) s )a 
+4e”+4k +、2に、F e(n)! C′f!
′ g (If)(ON)a ’1プルシアンブルー 
エベリットの塩 次に、この電極全十〇。6vよりアノード側に電位を掃
引すると、+0.9V付近に酸化ピークを示し、+1.
4V付近で酸1し生成物であるベルリングリーンl(B
erlin Green )の状態となる。また、+1
゜4vからカソードク11に電位を掃引すると、十〇。
9■付近にベルリングリーンからプルシア/ブルーへの
還元ピークを示し、十0゜6■でもとQ)プルシア/ブ
ルーの状態へもどる。以上な電気化学反応式を用いて表
わせば、次のようになる。
’g(III)4 C’ e(If) (0”) s 
)s 、 3g−−)−3Ct−2Fg(III)4(
Fg(III)(Oすe :)3.3ct−プルシアン
ブルー ベルリングリーン 次に、電極形成法(2)を用いた場合について述ベル・
まず、F e ! + @含む水溶液と[:Fg(ON
)。
]3−ヲ含む水溶液を混合し、コロイド状沈澱としてプ
ルシア/ブルーを得る。次に、このプルシア/プルーを
充分に真壁乾燥後、ミキサーミルを用いて1μm以下の
超微粉に粉砕する。このようにして得た微粉プルシア/
ブルー100 mfi、アセチレンブラック100m1
とffllW%J度の低密度ポリエチレン−トルエン溶
液に分散する。このようにして得た分散溶液を微小白金
板電極上にスピンコーティング法により展開し、溶媒で
あるトルエン全乾燥器により蒸発させ、プルシア/ブル
ー。
アセチレンブラック、低密度ポリエチレン複合被膜電極
を得る。この複合被膜電極の電気化学的特性を調べるた
め、IMKO7中でサイクリックボルタンメ)IJ−’
r行なった。結果を第1図(2)に示す。この方法によ
っても、(1)の方法と同様に、プルシアンブルーの電
気化学的挙動全適切に検討することができる。
以上、電解成脱法(1)が複合被膜法(2)を用いるこ
トニヨって、プルシア/ブルーが顔料としての用途のみ
ならず、電気化学的に可逆反応をする物質であり、二次
電池陽極活物質としても陰、陽極活物質としても有用で
あることを明らかにすることができた。
すなわち、プルシアンブルー(F B)の還元体である
エベリットの塩(B S)は可逆性のよい二次電池陰極
活物質であフ、PBCv酸化体酸化石ベルリングリーン
(B G)はb」逆性のより二次電池陽極活物質である
と1゛うことである。
また同様の方法によって、プルシアンブルー類似(不も
二次電池活物質として有用であることが分かった。
以下に実施例に基づいて、プルシアンブルーおよびプル
シアンブルー類似体の酸化体と還元体はそtしぞtL二
次屯電池執活物質や二次電池陰極活物質として山川であ
ることを説明する。
実施列l この実施例では、プルシアンブルー−エベリットの垣間
の単極定電流充放電特性について説明する。
面積的161!の白金板と面積50iの白金板とをa 
度2t) m Mのフェリシアン化カリウム(K、Fg
(ON)、)とm41! 20フn Mの塩1シd3二
鉄(FeOls)k含むpH1,0の水溶液に浸漬し、
面積的1dO)白金板全陰極として10μへの電流密度
で10分間電解しンでところ、この而’Yxcraの白
金板上にf色のプルシアンブルー薄膜が析出した。
この電極と面積10−の白金板とさらに参照電極として
1和カロメル電極(SOE)2.44度0.5Mの硫酸
カリウム(K2fJo、)水醪液に浸漬し、3電極式の
電解セル全講成する。この3電極式の電解セルを用いて
、プルシアンブルー被j漠電極の足電流単極光放1fU
特性ケ調べた。充放電Q)i’:l、流蜜度10μA 
/ aJりときの光放電11¥性を第2図の(1)に示
した。充放電の電流効率は各々100q6と98%であ
り、10’回りン光放電すイクル後の電流効率もほぼ同
じであった。
実施例2 この実施例で)j: 、プルシアンブルーの還元体すな
わちエベリットの塩を陰極活物質とし、プルシ 与・ア
ンブル−の酸化体すなわちベルリングリーンを陽極活物
質とした場合の二次電池の充放電/iに性について説明
する。
実施列1と同様の方法で面積1c#Iの白金板上にプル
シアンプル−被A外を析出させる。′電流密度lOμA
で10分間m解した電極Aを、15分間電解した′tL
極Bt一つくる。
次に、この1!極Aと電極Bを用いた二次電池を措反す
る。電解液にはPH4,0の濃度005Mの硫酸カリウ
ム水溶液を用いた。電流密度10μA/L:rAでのだ
電流充放電特性を第2図(匂に示す。
充電の際は電極Aiカソードに、電極Bをアノードとす
る。放電の場合はこの逆である。
この充放電特性よシ、平均端子電圧0.8vで光放電効
率は約90チでめった。端子電圧および充放電効率は、
103回の充放1uサイクル後もほぼ同じであった。
この二次電池について、各々の極での電気化学反応を1
とめると次のようになる。
〈電極A〉 (Fs(1り(ON)@ )m プルシアンブルー エベリットの塩 〈電極B〉 プルシアンブルー ベルリングリーン この実施例により、プルシアンブルーの還元体(エベリ
ットの塩]は二次電池陰極活物質となシ、その酸化体(
ベルリングリーン)は二次電池陽極活物質となることが
分かった。すなわち、この実施例のめざすところは、酸
化状態は異なるが同一化合物を陰極と陽極に用いた薄膜
二次電池である。
実施例3゜ 電極形成法(2)會用い、面積的1 crAの白金板上
に作る。実施例と同様の充放電特性を調べたところ、平
均端子電圧約0.8vで充放電効率的8(1であ、jl
+、10”回の充放電サイクル後もこ牡らの値はt9:
、とんど同じでめった。
実施例4゜ この実施例では、Fg(III)a C08(i+) 
(c N) m]、、7u、oの還元体と酸化体をそn
ぞ牡陰極活物質と陽極活物質とする薄膜二次電池につい
て説明する。
まず、常法に従って合成したに4 COs (ON)、
1〕を硫酸酸性水溶液中で不溶性の酸化剤であるPbo
、を用いて酸1じし、〔O8(III) (On )a
 )l−イオンを含む溶液とする。この(0s(Iff
) (ON)6〕3−イオンr2()ηtM含む水溶液
に同一濃度で同容量の塩化第二鉄(FeOLB)f含む
PH1,Qの水溶液を混合し、淡黄色透明溶液をする。
この溶液に陽極となる面稍約50erIct)白金板と
面積1dの白金板を浸漬し、面積1cI11の白金板を
陰極とし5μAの電流を流す定電流電解を15分間行っ
たところ、陰極上に紫色の薄膜が析出した。この電極を
電極Aとする。同様な方法で、面積1 cJの白金板上
に、iQ 5「1’r全20分間行って紫色の%厄ヲ析
出させ電極B1fcする。
次に、こnら′電極AとBi用い二次電池tI¥成し定
電流充放電特性會測足した。方法は実施例2と同様であ
り、充電の場合は電極Aをカソードとし、放電の場合は
その逆とした。その結果、平均端子電圧的0.8vで、
10s回の充放電サイクル後の充放電効率は約80%で
あった。
実施例5゜ この実施例では、Fe(II)s (Mi(m) (O
N) s)**zH,Oの還元体と酸化体上そnぞ牡陰
極活物質を陽極活物質とする薄膜二次電池について説明
する。
Ka (Mw(m)(CN)a 〕’c含む水酸液とF
CL*’に含む水溶液を同モル混合して、’g(II)
a[”n<III) (CN) s )意、 ZHt 
Oの沈#を得る。
この沈澱を電極形成法(2)ヲ用い白金板上に、Fe(
1)s CMiQIl) (o ’) a :lt−ア
セチレンブラック−低密度ポリエチレン複合波L4電極
を得る。こうして得た複合被悶電極全2枚用いて二次電
池を構成する。実施例2と同様な定電流充放電特性を測
定したところ、平均端子電圧的0.9,100゜。え、
ケイ、−8つえア、。*ttxgqrog−c !あっ
た。
実施例6゜ コび)実施列でrよ、Q tL(N)(F g(n) 
(ON) 、)。II(,0の還元体と酸化体をそ1し
ぞ扛陰極活物質と陽極活物質とする薄膜二次電池につい
て説明する。
K4 C’ g(II) (C”) e 〕’に含む水
溶液と塩酸酸性水溶液に溶解した5n(IV)O44を
同モル混付して、5n(r/)[Fe(1) (C”)
 a 〕−ZII* 0&)白色沈澱を得る。この沈澱
全電極形成法(2)を用い白金板上に”tL(■)[F
g(4)(ON)sol−アセチレンブラック−低密度
ポリエチレン複合被膜電極を得る。こうして得た機会被
膜電極を2枚用いて二次電池管考(°リイる。実施例2
と同様な定電流充放vrt ir#性を測定したところ
、平均嬬子電圧約0.8■、100回の充放電サイクル
後の充放電効率は約70係であった。
発明の効果 X願発明によ扛ば新規活物質を用いIC二次電池を得る
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(1)、!、−よび(2)は、そrLぞ!し電極
形成法(1)、(2)によるブルシ了/ブルーの酸化還
元反応を示すサイクリックポルタモグラムを示す。 ゛
第2図(1)は、PB→BEIの単極足′1に流充放電
特性を示し、(2)は電池E S / E G ct)
定電流充放電特性を示す。 以上 出願人 株式会社第二rR工舎 代理人 弁理士最上 務

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1)陰極と、陽極と、さらにそ扛ら陰極と陽極との両
    方に接した電解質とから構成さ【て訃り、tltl記し
    た陽極は一般式(1)で示さnる多核金属シアン錯体の
    酸化体を電気化学的活物質として含み1、前記した陰極
    は一般式(1)で示さ!しる多核金属シアン、錯体の還
    元体を電気化学的活物質として含むことを特徴とする二
    次電池。 MJK(MB(ON) a ) t−” Ht 0(1
    )ただし、 MA:A価の金属イオン MB:B価の金属イオン K :1から4までの正数 t :1から3までの正数 τ :0を含む任意の正数 また、A、B、にとtの間には、次の関係式が満足さn
    ている。 A x k = (6−B ) X t(2、特許請求
    の範囲第1項記載の多核金属シアン錯体が、組成式(2
    )で示さtしることを特徴とする二次電池。 ME〔” (CN)a )s −ZH* 0 (2)た
    だし、 MA: Fg(III)、 Rn(III)、 Os(
    m)、 A t(III)、 Sb(m)、 B #(
    fll)。 Os(In) M”: Fg(II)、 Rn(II)、 O5(11
    )。 x:Oを含む任意の正数 (3)特許請求の範囲第1項記載の多核金属シアン錯体
    が、組成式(3)で示さnることf:特徴とする二次電
    池。 M#(”(ON)s :lt −xH* 0 (31c
    だし、 MA:Mn(4)* Fg(IIL ”z(n)s 0
    s(n)、 co(u)t Nz(n)*C76(”L
     ”?Z(”)e Cd(n)、 s n(II)、 
    Pb(”L H9(”LFd(m)、RA(n)、Tん
    ωL ’r 1(n)。 MB: 0 γ(m)、 ”n@)e ’ g(In)
    、 co(III)t RA(m)、工r (Ill)
    。 z:0を含む任意の正数。 (4)特許請求の範囲第1項記載の多核金属シアン錯体
    が、組成式(4)で示さ扛ることを特徴とする二次電池
    。 、A(yB、(ON ) a ]。πHt O(4)た
    だし、 MA’ S” (■) e ’ e(r’)MB: O
    r(It)、 MtL(n)、 Fe(It)、 Rt
    L(It)、06(nL O0(It)#Rh(n)、
    工r (It) x:0を含む任意の正数
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