WO2018101079A1 - 二次電池及び電池パック - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to a secondary battery including a stacked electrode body and a battery pack using the secondary battery.
- each electrode body is allowed to expand not only in the initial state of the secondary battery but also in the end of life while allowing the electrode body to expand due to the deterioration of the battery.
- the distance between the electrodes can be maintained uniformly, and a reduction in the discharge capacity of the battery can be suppressed.
- the electrode body 12 is a stacked electrode body in which a plurality of positive electrodes and a plurality of negative electrodes are alternately stacked in the first direction via separators.
- the negative electrode is generally one size larger than the positive electrode, and the negative electrode mixture layer is always disposed opposite to the portion where the positive electrode mixture layer is formed.
- a plurality of separators may be used, or a single separator that is folded back a plurality of times may be used.
- the laminated structure of the electrode body 12 is maintained by being pressed in the first direction by the convex portion 16 of the exterior body 13.
- the exterior body 13 is a rectangular metal case composed of, for example, a bottomed cylindrical case body and a sealing plate that closes the opening of the case body. That is, the secondary battery 11 is a so-called square battery.
- the case main body of the exterior body 13 has two side wall portions 14 arranged to face each other, two side wall portions 15 arranged to face each other, and a bottom surface portion.
- the four side wall portions are formed substantially perpendicular to the bottom surface portion, for example.
- the upper surface portion of the exterior body 13 is formed by a sealing plate.
- the convex part 16 which bulged inside the exterior body 13 is formed in the side wall part 14.
- the electrode body 12 is accommodated in the exterior body 13 while being pressed and held in the first direction by the convex portion 16.
- the convex portion 16 is preferably formed on each of the two side wall portions 14 (first and second side wall portions), and preferably presses the electrode body 12 from both sides in the first direction. If the electrode body 12 is held in this way, the movement of the electrode body 12 in the exterior body 13 can be restricted, and the damage to the electrode body 12 such that the end of each electrode is pressed against the inner surface of the side wall 15 or the like and bent. Thus, the laminated structure of the electrode body 12 can be maintained.
- the electrode body 12 is accommodated in the exterior body 13 in a state where the end of each electrode does not contact the inner surface of the exterior body 13. In this case, a gap exists between each electrode and each side wall 15 and bottom surface.
- the interval between the side wall parts 14 before each convex part 16 is formed is larger than the thickness of the electrode body 12, and there is a gap between the electrode body 12 and the side wall part 14, but the convex part 16 is formed.
- the gap can be eliminated and the electrode body 12 can be pressed.
- the convex portion 16 is formed with a bulging length that eliminates the gap between the electrode body 12 and the side wall portion 14 and applies a predetermined pressure to the electrode body 12.
- the predetermined pressure may be a level that can maintain a uniform spacing between the electrodes of the electrode body 12 in the initial state of the secondary battery 11.
- the electrode body 12 expands with time when charging and discharging are repeated, but the convex portion 16 is deformed as the electrode body 12 expands, so that the electrode body 12 is maintained at a substantially constant pressure from the initial state of the secondary battery 11 to the end of its life. 12 can be held.
- the convex part 16 is pressed by the spacers 22 and 27, it is preferable that the convex part 16 itself is elastically deformed to some extent as the volume of the electrode body 12 changes.
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Abstract
実施形態の一例である電池パックは、複数の二次電池と、各二次電池の間に介在する複数のスペーサとを備える。二次電池は、複数の正極と複数の負極がセパレータを介して第１方向に交互に積層された積層型の電極体と、電極体の膨張に伴って変形する側壁部を含む外装体とを備える。側壁部には、側壁部の内側に膨出した凸部が形成されている。電極体は、凸部によって第１方向に押圧され、保持された状態で外装体内に収容される。
Description
本開示は、積層型の電極体を含む二次電池、及びそれを用いた電池パックに関する。
従来、巻回型の電極体を含む扁平形の二次電池を複数積層してなる電池積層体を備えた電池パックが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された電池パックは、一対のエンドプレートと、当該プレートに連結されて電池積層体を所定の締め付け圧で加圧するバインドバーとを備え、二次電池の電極体がバインドバーによる締め付け圧よりも高いプレス圧で扁平状にプレス成形されている。
ところで、二次電池の電極体は、電池の劣化によって経時的に膨張するため、電極体に加わる圧力も経時的に増加する。特許文献１の電池パックでは、上記所定の締め付け圧が電池の寿命末期の状態において電池パックが破損しないよう設定されているため、初期状態では電極体にかける圧力をゼロに限りなく近く設定している。
特許文献１の電池パックでは、電極体が巻回構造を有するため、電極体にかかる圧力がゼロであっても電極体の構造を維持できるが、積層型の電極体を用いた場合に当該圧力がゼロであると、例えば電極体を構成する各電極の間隔が不均一になる。そして、各電極の間隔が不均一になれば、電池の放電容量が低下するといった問題が生じる。なお、電池の寿命末期になると電極体が膨張して電極体に圧力が加わるが、初期状態で低下した放電容量は回復しない。
他方、電池の劣化に伴う電極体の膨張はある程度許容する必要があるため、電池の初期状態から単純に高い締め付け圧で電極体を加圧することは好ましくない。また、電極体に損傷を与えない状態で電極体に圧力を加え、各電極の間隔を均一に維持することが重要である。
本開示の一態様である二次電池は、複数の正極と複数の負極がセパレータを介して第１方向に交互に積層された積層型の電極体と、前記電極体の膨張に伴って変形する側壁部を含む外装体とを備える。前記側壁部には、前記外装体の内側に膨出した凸部が形成され、前記電極体は、前記凸部によって前記第１方向に押圧され、保持された状態で前記外装体内に収容される。
本開示の一態様である電池パックは、複数の上記二次電池と、前記各二次電池の間に介在する複数のスペーサとを備える。前記二次電池と前記スペーサが前記第１方向に交互に配置されてなる電池パックであって、前記外装体の前記側壁部には、前記凸部の外側に対応する位置に凹部が形成され、前記スペーサは、前記凹部に当接すると共に、前記凹部を押圧しながら前記凹部の変形に追従して変形する。
本開示の一態様によれば、積層型の電極体を含む二次電池の初期状態から寿命末期にわたって、電池の劣化に伴う電極体の膨張を許容しながら、電極体を構成する各電極の間隔を均一に維持することが可能な二次電池及び電池パックを提供できる。また、本開示の一態様によれば、電極体が損傷し難い状態で外装体内に収容される。
本開示の一態様である二次電池によれば、上述のように、外装体に形成された凸部によって電極体が押圧され、保持された状態で外装体内に収容される。このため、例えば電池が落下したり、振動したりした際に、電極体の動きを制限することができるので、正極及び負極の端部が外装体の内面に押し付けられて、電極の端部が折れ曲がるといった電極体の損傷を抑制しながら、電極体に所定の圧力を加えて電極体の構造を維持できる。また好ましくは、正極及び負極の端部が外装体の内面に接触しない状態で保持される。また、凸部を含む外装体の側壁部は電極体の膨張に伴って変形するため、二次電池の初期状態だけでなく寿命末期にわたって、電池の劣化に伴う電極体の膨張を許容しながら各電極の間隔を均一に維持することが可能であり、電池の放電容量の低下を抑制できる。
上記二次電池とスペーサが交互に配置されてなる電池パックでは、スペーサが二次電池の凸部に対応する位置に形成された凹部に当接して凹部を押圧すると共に、凹部の変形に追従して変形する。このため、電極体の膨張により凹部が変形した場合でも、スペーサによって所定の圧力が凹部に作用し、電極体を構成する各電極の間隔を均一に維持し易くなる。例えば、二次電池の側壁部のバネ性が低い場合（電極体の体積変化により塑性変形し易い場合）であっても、スペーサによって電極の間隔を均一に維持できる。
以下、図面を参照しながら、実施形態の一例について詳細に説明する。但し、本開示の二次電池及び電池パックは、以下で説明する実施形態に限定されない。実施形態の説明で参照する図面は模式的に記載されたものであり、図面に描画された構成要素の寸法比率などは以下の説明を参酌して判断されるべきである。なお、本明細書において「略～」とは、略平行を例に説明すると、完全に平行はもとより、実質的に平行と認められるものを含む意図である。
図１は実施形態の一例である電池パック１０の断面図、図２は図１の一部を拡大して示す図である。本実施形態では、電池パック１０を構成する各二次電池１１が水平方向に並んでいる。以下では、説明の便宜上、各二次電池１１が並ぶ方向を「第１方向」とする。また、水平方向のうち第１方向に直交する方向を「第２方向」、第１及び第２方向に直交する方向を「上下方向」とする。
図１及び図２に例示するように、電池パック１０は、複数の二次電池１１と、各二次電池１１の間に介在する複数のスペーサ２２とを備え、二次電池１１とスペーサ２２が第１方向に交互に配置されてなる。電池パック１０は、複数の二次電池１１を電気的に接続して構成される組電池であって、電池モジュールとも呼ばれる。各二次電池１１には、容量、寸法、種類等が異なる電池を用いてもよいが、好ましくは同じものを用いる。二次電池１１の例としては、リチウムイオン電池等の非水電解質二次電池が挙げられる。
電池パック１０は、複数の二次電池１１の積層体１８の第１方向両側に設けられた一対のエンドプレート２０と、各エンドプレート２０によって積層体１８に所定の締め付け圧が作用するように、各エンドプレート２０に連結されたバインドバー２１とを備える。各エンドプレート２０は、二次電池１１の最も大きな側壁部１４よりも一回り大きな板状体であって、積層体１８を第１方向両側から挟持する。バインドバー２１は、例えば第１方向に沿って設けられる棒状の部材である。積層体１８は、複数の二次電池１１と、複数のスペーサ２２とで構成される。また、積層体１８はエンドプレート２０と二次電池１１との間に介在するスペーサ２７を２つ含む。
本実施形態では、一対のエンドプレート２０にわたって複数のバインドバー２１が取り付けられている。即ち、一対のエンドプレート２０は複数のバインドバー２１によって連結されている。具体的には、バインドバー２１の一端部が一方のエンドプレート２０に、バインドバー２１の他端部が他方のエンドプレート２０にそれぞれ締結され、各エンドプレート２０によって積層体１８に所定の締め付け圧が作用するようにしている。エンドプレート２０に対するバインドバー２１の締結力を調整することで、当該締め付け圧を変更することができる。バインドバー２１は、例えば積層体１８の第２方向両側にそれぞれ１本又は２本ずつ設けられる。
積層体１８を構成する二次電池１１は、電極体１２と、電極体１２及び電解液を収容する外装体１３とを備える。なお、電解液の代わりにゲル状ポリマー等を用いた固体電解質を用いてもよい。詳しくは後述するが、外装体１３は、電極体１２の膨張に伴って変形する側壁部１４を含み、側壁部１４には外装体１３の内側に膨出した凸部１６が形成されている。
二次電池１１は、電極体１２の正極と電気的に接続された正極端子と、負極と電気的意に接続された負極端子とを有する（いずれも図示せず）。例えば、正極端子は外装体１３の上面部の第２方向一端側に設けられ、負極端子は外装体１３の上面部の第２方向他端側に設けられる。電池パック１０は、隣り合う二次電池１１同士を電気的に接続する複数のバスバー（図示せず）を備え、各バスバーによって各二次電池１１が直列接続される。但し、各二次電池１１の接続形態はこれに限定されない。
電極体１２は、複数の正極と複数の負極がセパレータを介して第１方向に交互に積層された積層型の電極体である。負極は、一般的に正極よりも一回り大きく、正極の合材層が形成された部分には必ず負極の合材層が対向配置される。電極体１２には、複数のセパレータを用いてもよく、複数回折り返された１枚のセパレータを用いてもよい。電極体１２の積層構造は、外装体１３の凸部１６によって第１方向に押圧されることで維持される。
外装体１３は、例えば有底筒状のケース本体と、当該ケース本体の開口部を塞ぐ封口板とで構成される角形の金属製ケースである。即ち、二次電池１１はいわゆる角形電池である。外装体１３のケース本体は、互いに対向配置された２つの側壁部１４と、互いに対向配置された２つの側壁部１５と、底面部とを有する。４つの側壁部は、例えば底面部に対して略垂直に形成されている。外装体１３の上面部は、封口板によって形成される。
本実施形態では、各側壁部１４が電極体１２を構成する正極、負極と略平行に配置され、各側壁部１５が第１方向に沿って配置されている。また、各側壁部１４は各エンドプレート２０と略平行に配置されている。このため、一対のエンドプレート２０によって積層体１８に作用する上記締め付け圧は、各二次電池１１の側壁部１４に作用する。
側壁部１４は、側壁部１５よりも大きく形成されている。側壁部１４は、電極体１２を構成する正極及び負極の面積よりも大面積に形成される。側壁部１５は、電極体１２の厚みよりも長く形成される。例えば、側壁部１４は上下方向より第２方向に長い略矩形形状を有し、側壁部１５は第１方向より上下方向に長い略矩形形状を有する。本実施形態では、側壁部１４，１５のうち電極体１２の膨張に伴って側壁部１４だけが変形する。
側壁部１４には、外装体１３の内側に膨出した凸部１６が形成されている。電極体１２は、凸部１６によって第１方向に押圧され、保持された状態で外装体１３内に収容される。凸部１６は、２つの側壁部１４（第１及び第２側壁部）にそれぞれ形成され、第１方向の両側から電極体１２を押圧することが好適である。このように電極体１２が保持されていれば、外装体１３内における電極体１２の動きを制限でき、各電極の端部が側壁部１５等の内面に押し付けされて折れ曲がるといった電極体１２の損傷を防止しながら、電極体１２の積層構造を維持できる。好ましくは、各電極の端部が外装体１３の内面に接触しない状態で、電極体１２が外装体１３内に収容される。この場合、各電極と各側壁部１５及び底面部との間に隙間が存在する。
凸部１６は、各側壁部１４を外側からプレスして形成される。このため、各側壁部１４の外面には、各凸部１６に対応する位置に凹部１７がそれぞれ形成される。各凸部１６（及び各凹部１７）は、例えば電極体１２を外装体１３のケース本体内に挿入した後、各電極の端部が各側壁部１５及び底面部にできるだけ接触しない状態として、又は全く接触しない状態として各側壁部１４を外側からプレスすることにより形成される。各凸部１６が形成される前の側壁部１４同士の間隔は電極体１２の厚みより大きく、電極体１２と側壁部１４との間には隙間が存在するが、凸部１６を形成することで、当該隙間をなくし、電極体１２を押圧することができる。
凸部１６は、側壁部１４の中央部に形成され、好ましくは側壁部１４の広範囲に形成される。凸部１６は、側壁部１４の周縁部以外に形成されてもよく、側壁部１４の略全体に形成されてもよい。本実施形態では、側壁部１５との境界位置から側壁部１４が次第に内側に入り込み、側壁部１４の周縁部を除く広範囲が略平坦に形成され、エンドプレート２０と略平行となっている。この場合、側壁部１４の略全域に凸部１６が形成されているといえる。凸部１６は、例えば電極体１２の第１方向両端面の全域に当接していてもよい。
凸部１６は、電極体１２と側壁部１４との上記隙間をなくし、電極体１２に所定の圧力がかかるような膨出長さで形成される。所定の圧力は、二次電池１１の初期状態において電極体１２の各電極の間隔を均一に維持できる程度であればよい。電極体１２は充放電を繰り返すと経時的に膨張するが、凸部１６は電極体１２の膨張に伴って変形するため、二次電池１１の初期状態から寿命末期にわたって略一定の圧力で電極体１２を保持することが可能である。凸部１６は、スペーサ２２，２７によって押圧されるが、電極体１２の体積変化に伴って凸部１６自体がある程度弾性変形することが好ましい。
積層体１８を構成するスペーサ２２，２７は、二次電池１１の側壁部１４に形成された凹部１７に当接すると共に、凹部１７を押圧しながら凹部１７の変形に追従して変形する。スペーサ２２は二次電池１１同士の間に、スペーサ２７は二次電池１１とエンドプレート２０との間にそれぞれ配置されており、一対のエンドプレート２０による上記締め付け圧は各スペーサを介して各二次電池１１の側壁部１４に伝達される。そして、各凹部１７の内側には凸部１６が形成されているため、当該締め付け圧は各凸部１６を介して電極体１２に作用する。例えば、二次電池１１の初期状態では、電極体１２に対して、当該締め付け圧と、各凸部１６自体による押圧力とが作用する。
スペーサ２２，２７は、二次電池１１の凹部１７のうち略平坦に形成された部分の広範囲に当接することが好適である。この場合、電極体１２の全体が均一に押圧され易くなる。スペーサ２２，２７は、当該略平坦に形成された部分の全体に当接していてもよい。二次電池１１は、各凸部１６の機能により電極体１２の構造を維持することも可能であるが、凹部１７に当接するスペーサ２２，２７が存在することでより安定に電極体１２を保持できる。
スペーサ２２，２７は、剛性のある芯材２３，２８と、当該芯材に取り付けられ、二次電池１１の凹部１７に当接する弾性部材２４，２９とをそれぞれ有することが好ましい。スペーサ２２，２７は、例えば弾性部材２４，２９のみで構成されてもよいが、剛性のある芯材２３，２８を用いることで、スペーサ２２，２７の形状が安定化し、各二次電池１１に対してより均一な押圧力が作用し易くなる。特に、２つの二次電池１１に挟まれるスペーサ２２は、芯材２３を有することが好ましい。スペーサ２２は芯材２３の両面に弾性部材２４を有し、スペーサ２７は芯材２８の二次電池１１側に向いた面のみに弾性部材２９を有する。
芯材２３は、例えば二次電池１１の膨張によって実質的に変形しない剛性のある樹脂部材で構成される。芯材２３は、板状の基部２５と、基部２５の第２方向両端部に形成された保持部２６とを有していてもよい。基部２５は、２つの二次電池１１の間に設けられ、弾性部材２４の支持体として機能する。弾性部材２４は、基部２５の両面にそれぞれ固定されている。スペーサ２７もスペーサ２２と同様の形状を有するが、弾性部材２９が芯材２８の二次電池１１側に向いた面のみに固定されている点で、スペーサ２２と異なる。
本実施形態では、芯材２３が二次電池１１の端部を保持し、第１方向に隣接配置されるスペーサ２２同士が芯材２３によって連結されている。具体的には、芯材２３の各保持部２６が二次電池１１の各側壁部１５に略当接して第２方向両側から二次電池１１を挟むと共に、隣接配置される保持部２６同士が連結されることで、積層体１８の構造が安定に維持される。
また、保持部２６の一部を各二次電池１１の間に介在させ、各二次電池１１が各スペーサ２２の間で搖動しないように各二次電池１１を支持することが好ましい。電池パック１０では、電極端子の位置が動かないように各二次電池１１がしっかり保持されていることが好ましいが、芯材２３を用いることで電極端子の位置が安定化する。なお、スペーサ２７は、積層体１８の第１方向両端にそれぞれ位置する二次電池１１の側壁部１５に略当接し、隣接配置されるスペーサ２２と連結されている。
弾性部材２４は、二次電池１１の膨張によって弾性変形する部材であって、例えばゴム、発泡体、熱可塑性エラストマーなどで構成される。中でも、ゴム又は発泡体が好ましい。好適な弾性部材２４の一例としては、シリコーンゴム、フッ素ゴム、エチレン－プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）等が挙げられる。弾性部材２４の厚みは凹部１７の深さよりも厚く、弾性部材２４は、二次電池１１の凹部１７に嵌り、凹部１７の略平坦に形成された最奥部分の略全体に当接していてもよい。弾性部材２４は、凹部１７の変形に追従して弾性変形し、厚みが変化する。一般的に、弾性部材２４の厚みは二次電池１１の使用に伴って次第に薄くなる。
弾性部材２４には、ゴム、エラストマ―、樹脂発泡体の代わりに、例えばバネを用いてもよい。バネには、圧縮バネ、板バネ等を用いることもできるし、気体又は水、油等の液体を利用したバネを用いてもよい。また、可撓性の容器、袋等に気体、液体、又はゲル等の半固形物を封入した部材を弾性部材２４として用いてもよい。或いは、弾性部材２４に代えて、積層体１８の積層構造中に圧力を検知するロードセル等の圧電素子を配置し、その検知情報に基づいて二次電池１１の側壁部１４に加わる圧力を変化させる加圧機構を設けてもよい。加圧機構としては、圧力可変シリンダを用いた加圧機構、ボールネジとサーボモータを用いた加圧機構等が例示できる。
図３は、二次電池１１の劣化により電極体１２（二次電池１１）が膨張した状態を示す図である。図３に示すように、例えば二次電池１１の寿命末期では、電極体１２が第１方向に膨張し、電極体１２に押された外装体１３の各側壁部１４が変形する。そして、スペーサ２２の弾性部材２４が圧縮されて厚みが薄くなる。図３に示す例では、二次電池１１の凸部１６、凹部１７がなくなり、側壁部１４は全体が略平坦、或いは外側に少し膨らんだ形状となっている。なお、二次電池１１の寿命末期においても凸部１６、凹部１７が存在するように、これらを形成することも可能である。
上述のように、電池パック１０では、二次電池１１の初期状態において、凸部１６により第１方向両側から電極体１２が挟持され、電極体１２は電極の端部が側壁部１５等に触れない状態で外装体１３内に収容される。また、電極体１２には、スペーサ２２等を介して一対のエンドプレート２０による締め付け圧が作用する。そして、電極体１２の経時的な膨張により側壁部１４が次第に外側に膨らむと、その変形に追従してスペーサ２２の弾性部材２４が弾性変形する。このように、電池パック１０では、二次電池１１の初期状態から寿命末期にわたり、二次電池１１の劣化に伴う電極体１２の膨張を許容しながら電極体１２に所定の押圧力を加えて、各電極の間隔を均一に維持することができる。
１０ 電池パック
１１ 二次電池
１２ 電極体
１３ 外装体
１４，１５ 側壁部
１６ 凸部
１７ 凹部
１８ 積層体
２０ エンドプレート
２１ バインドバー
２２，２７ スペーサ
２３，２８ 芯材
２４，２９ 弾性部材
２５ 基部
２６ 保持部
１１ 二次電池
１２ 電極体
１３ 外装体
１４，１５ 側壁部
１６ 凸部
１７ 凹部
１８ 積層体
２０ エンドプレート
２１ バインドバー
２２，２７ スペーサ
２３，２８ 芯材
２４，２９ 弾性部材
２５ 基部
２６ 保持部
Claims (7)
- 複数の正極と複数の負極がセパレータを介して第１方向に交互に積層された積層型の電極体と、
前記電極体の膨張に伴って変形する側壁部を含む外装体と、
を備え、
前記側壁部には、前記外装体の内側に膨出した凸部が形成され、
前記電極体は、前記凸部によって前記第１方向に押圧され、保持された状態で前記外装体内に収容される、二次電池。 - 前記電極体は、前記正極及び前記負極の端部が前記外装体の内面に接触しない状態で前記外装体内に収容される、請求項１に記載の二次電池。
- 前記外装体は、互いに対向配置され、前記電極体の膨張に伴って変形する第１及び第２側壁部を含み、
前記凸部は、前記第１及び前記第２側壁部にそれぞれ形成され、前記第１方向の両側から前記電極体を押圧する、請求項１又は２に記載の二次電池。 - 請求項１～３のいずれか１項に記載の複数の二次電池と、
前記各二次電池の間に介在する複数のスペーサと、
を備え、前記二次電池と前記スペーサが前記第１方向に交互に配置されてなる電池パックであって、
前記外装体の前記側壁部には、前記凸部の外側に対応する位置に凹部が形成され、
前記スペーサは、前記凹部に当接すると共に、前記凹部を押圧しながら前記凹部の変形に追従して変形する、電池パック。 - 前記各二次電池の積層体の前記第１方向の両側に設けられた一対のエンドプレートと、
前記各エンドプレートによって前記積層体に所定の締め付け圧が作用するように、前記各エンドプレートに連結されたバインドバーと、
を備えた、請求項４に記載の電池パック。 - 前記スペーサは、剛性のある芯材と、前記芯材に取り付けられ、前記二次電池の前記凹部に当接する弾性部材とを有する、請求項４又は５に記載の電池パック。
- 前記スペーサの前記芯材は、前記二次電池の端部を保持し、
前記第１方向に隣接配置される前記スペーサ同士が、前記芯材によって連結されている、請求項６に記載の電池パック。
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2017
- 2017-11-17 WO PCT/JP2017/041420 patent/WO2018101079A1/ja active Application Filing
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