(57)【要約】【課題】短絡を抑制し得る二次電池を提供する。【解決手段】本発明の二次電池は、電極体８０と、電池ケース５０と、電極体８０と電池ケース５０の内壁との間に設けられた絶縁フィルム２０と、電極体８０を電池ケース５０および絶縁フィルム２０を介して積層方向９２に加圧しつつ拘束する拘束部材９０とを備える。拘束部材９０による積層方向９２の拘束圧が０．５ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲内に設定されている。電池ケース５０の肉厚をｔ１（μｍ）、絶縁フィルム２０の肉厚をｔ２（μｍ）とした場合に、５３０≦ｔ１≦１３１０、８０≦ｔ２≦２５０、１２００００≦ｔ１×ｔ２≦１３００００の関係を満たす。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と負極とがセパレータを介して積層方向に積層されて構成された電極体と、
前記電極体を収容したアルミニウム製の電池ケースと、
前記電極体と前記電池ケースの内壁との間に設けられ、該電極体と該電池ケースとを絶縁するポリプロピレン製の絶縁フィルムと、
前記電池ケースの外部に配置され、前記電極体を前記電池ケースおよび前記絶縁フィルムを介して前記積層方向に加圧しつつ拘束する拘束部材と
を備え、
前記拘束部材による前記積層方向の拘束圧が０．５ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲内に設定されており、
前記電池ケースの肉厚をｔ１（μｍ）、前記絶縁フィルムの肉厚をｔ２（μｍ）とした場合に、以下の関係：
５３０≦ｔ１≦１３１０、
８０≦ｔ２≦２５０、
１２００００≦ｔ１×ｔ２≦１３００００
を満たす、二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池に関する。詳しくは、正極と負極とがセパレータを介して積層されて構成された電極体を備える二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池その他の二次電池（蓄電池）は、車両搭載用電源、或いはパソコンおよび携帯端末の電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、車両搭載用高出力電源として好ましく用いられている。この種の二次電池においては、シート状正極とシート状負極とをセパレータを介して積層した電極体を備えた電池構造が知られている。
【０００３】
この種の電池においては電極体と電池ケース（即ち外装容器）とを別々に製造し、その後電極体を電池ケースに収容する場合がある。電池ケースとしては金属製のパッケージを使用することが多く、この場合には金属製パッケージと電極体とを絶縁するために電極体を絶縁性フィルムで包装する必要がある。例えば特許文献１には、ポリプロピレン製のフィルムを袋状に形成した絶縁部材に電極体を挿入し、電極体と金属製の電池ケースとを電気的に絶縁した二次電池の構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−０２６７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、この種の二次電池を自動車等の車両に搭載する場合、高出力を得るために該電池を複数直列接続して成る組電池が構築される。その際、搭載スペースが制限されることに加えて振動が発生する状態での使用が前提となることから、多数の電池を配列し且つ拘束した状態で組電池が構築され得る。かかる拘束時には組電池を構成する個々の電池に相当な圧力（拘束圧）が加えられることとなる。しかし、電極体に拘束圧を付与した電池において、電極体と電池ケースとの間に前述した絶縁フィルムを配置すると、電池内に混入した導電性異物（例えば金属屑）によって絶縁フィルムが破断され、電極体と電池ケースとが短絡する場合があった。また、該異物がセパレータを貫通して正負極間が短絡する場合があった。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、電池内部に異物が混入した場合でも、上記短絡を抑制し得る信頼性の高い二次電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するべく、本発明によって提供される二次電池は、正極と負極とがセパレータを介して積層方向に積層されて構成された電極体と、前記電極体を収容したアルミニウム製の電池ケースと、前記電極体と前記電池ケースの内壁との間に設けられ、該電極体と該電池ケースとを絶縁するポリプロピレン製の絶縁フィルムと、前記電池ケースの外部に配置され、前記電極体を前記電池ケースおよび前記絶縁フィルムを介して前記積層方向に加圧しつつ拘束する拘束部材とを備える。前記拘束部材による前記積層方向の拘束圧が０．５ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲内に設定されている。そして、前記電池ケースの肉厚をｔ１（μｍ）、前記絶縁フィルムの肉厚をｔ２（μｍ）とした場合に、５３０≦ｔ１≦１３１０、８０≦ｔ２≦２５０、１２００００≦ｔ１×ｔ２≦１３００００の関係を満たす。かかる構成によると、電池内部に異物が混入した場合でも、電極体‐電池ケース間および正負極間の短絡を抑制し得る信頼性の高い二次電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は一実施形態に係る二次電池を模式的に示す正面図である。
【図２】図２は一実施形態に係る二次電池を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は一実施形態に係る二次電池の要部を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は一実施形態に係る二次電池の要部を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は比較例の二次電池の要部を模式的に示す断面図である。
【図６】図６は比較例の二次電池の要部を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しながら本発明による実施形態を説明する。なお、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。また、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、正極および負極を備えた電極体の構成および製法、電池（ケース）の形状等、電池の構築に係る一般的技術等）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明し、重複する説明は省略または簡略化することがある。
【０００９】
特に限定することを意図したものではないが、以下では主としてリチウムイオン二次電池の場合を例として、本発明の二次電池に係る好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において「リチウムイオン二次電池」とは、電解質イオンとしてリチウムイオン（Ｌｉイオン）を利用し、正負極間におけるＬｉイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。
【００１０】
図１は本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の外観を模式的に示す正面図であり、図２はその断面図である。図３は、リチウムイオン二次電池の要部を模式的に示す断面図である。本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００は、図１〜図３に示すように、正極８２および負極８４を備える電極体８０と、該電極体８０を収容する電池ケース５０と、絶縁フィルム２０と、拘束部材９０とを備えている。
【００１１】
電池ケース５０は、電池ケース本体５２と蓋体５４とから構成されている。電池ケース本体５２は、電極体８０を収容し得る形状を有する。この実施形態では、電池ケース本体５２は、扁平形状の電極体８０を収容し得る箱型の形状である。電池ケース本体５２は上部開口端５３を有し、該上部開口端５３を介して電極体８０を収容し得るように構成されている。電池ケース本体５２を構成する外壁は、電池の厚み方向の両端に形成された幅広な側面５２Ａ（図１）と、電池の幅方向の両端に形成された幅狭な側面５２Ｂ（図１）と、底面５２Ｃ（図１）とから構成されている。蓋体５４は電池ケース本体５２の上部開口端５３を塞ぐ部材であり、この実施形態では、略矩形状の板状部材を好適に用いている。電池ケース本体５２および蓋体５４の材質はアルミニウム（Ａｌ）である。
【００１２】
蓋体５４の上面には、安全弁７０が従来の電池ケースと同様に設けられている。安全弁７０は、電池ケース５０内の圧力が異常に上昇すると安全のために弁体（図示せず）が変形し、該弁体と蓋体５４との間に生じた隙間から内部のガス等が放出され得るように構成されている。さらに、蓋体５４の上面には注液口６２が設けられている。注液口６２は、該注液口６２を介して電池ケース５０内に電解液を収容し得るようになっており、通常時は封止栓６０によって封口されている。電池ケース５０に収容され得る電解液としては、例えば非水溶媒に電解質を溶解した非水電解液を用いることができる。この実施形態では、非水溶媒としてはジエチルカーボネートとエチレンカーボネートとの混合溶媒（例えば質量比１：１）を使用し、電解質としてはヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を使用し、その濃度は約１ｍｏｌ／リットルに調整されている。
【００１３】
電池ケース５０内には上記電解液とともに電極体８０が収容されている。電極体８０は、通常のリチウムイオン電池の電極体と同様、正極８２および負極８４と、該正負の電極間に介在するセパレータ８６とを備える。電極体８０は、正極８２と負極８４とがセパレータ８６を介して積層されて構成されている。この実施形態では、電極体８０は、正極シート８２と負極シート８４を計２枚のセパレータ８６と共に積層し、さらに当該正極シート８２と負極シート８４とをややずらしつつ捲回し、次いで得られた捲回体を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって作製される扁平形状の捲回電極体８０である。
【００１４】
捲回電極体８０の捲回方向に対する横方向において、上記のとおりにややずらしつつ捲回された結果として、正極シート８２および負極シート８４の端の一部がそれぞれ捲回コア部分８１（即ち正極シート８２の正極活物質層形成部分と負極シート８４の負極活物質層形成部分とセパレータ８６とが密に捲回された部分）から外方にはみ出ている。かかる正極側はみ出し部分（即ち正極活物質層の非形成部分）８２Ａおよび負極側はみ出し部分（即ち負極活物質層の非形成部分）８４Ａには、正極リード端子８２Ｂおよび負極リード端子８４Ａが付設されており、それぞれ正極端子４２および負極端子４４と電気的に接続される。この実施形態では、正極端子４２および負極端子４４は、ガスケット（図示せず）を介して電池ケース５０の蓋体５４にそれぞれ取り付けられている。
【００１５】
捲回電極体８０を構成する材料および部材自体は、従来のリチウムイオン二次電池の電極体と同様でよく、特に制限はない。例えば、正極シート８２は長尺状の正極集電体（この実施形態ではアルミニウム箔）の上にリチウムイオン二次電池用正極活物質層が付与されて形成される。一方、負極シート８４は長尺状の負極集電体（この実施形態では銅箔）の上にリチウムイオン二次電池用負極活物質層が付与されて形成される。負極シート８４全体の厚みは例えば９０μｍであり得る。そのうち負極集電体の厚みは、例えば１０μｍであり得る。
【００１６】
また、正負極シート８２，８４間に介在する好適なセパレータ８６としては多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成されたものが挙げられる。例えば、合成樹脂製（例えばポリエチレン等のポリオレフィン製）多孔質セパレータを好適に使用することができる。
【００１７】
電極体８０と電池ケース５０の内壁との間には、当該電極体８０と電池ケース５０とを隔離する絶縁フィルム２０が配置されている。絶縁フィルム２０は、電極体８０を包囲する（好適には包み込む）形状に形成されている。また、絶縁フィルム２０は、捲回電極体８０全体を被覆するように構成されている。このように絶縁フィルム２０を介在させることによって発電要素である捲回電極体８０と電池ケース５０との直接の接触が回避され、捲回電極体８０と電池ケース５０との絶縁性を確保することができる。絶縁フィルム２０の材質はポリプロピレン（ＰＰ）である。
【００１８】
拘束部材９０は、電池ケース５０の外部に配置され、電極体８０を電池ケース５０および絶縁フィルム２０を介して積層方向９２に加圧しつつ拘束する部材である。この実施形態では、電池１００を単電池とし、該単電池の複数個を拘束部材９０で一体に保持してなる組電池が構築される。この組電池は、複数の電池１００が所定方向（積層方向９２）に配列され且つ該配列方向に荷重が加えられた状態で拘束される。具体的には、複数の電池１００は、それぞれの正極端子４２および負極端子４４が交互に配置されるように一つずつ反転させて配置されており、電池ケース５０の幅広な側面５２Ａ（図１）が対向する方向に配列される。そして、配列させた電池１００の周囲には、複数の電池１００をまとめて拘束する拘束部材９０が配備される。すなわち、単電池配列方向の最外側に位置する電池１００の更に外側には、一対の拘束板（拘束部材９０）が配置される。また、当該一対の拘束板を架橋するように締付け用ビーム材が取り付けられる。そして、ビーム材の端部をビスにより拘束板に締め付け且つ固定することによって上記電池１００をその配列方向に所定の荷重が加わるように拘束することができる。ビーム材の締め付け具合に応じたレベルで、締め付け方向（即ち配列方向）への拘束圧（面圧）が各電池１００の幅広な側面に加えられる。ここでは、拘束部材９０による積層方向９２の拘束圧が０．５ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲内に設定されている。
【００１９】
本実施形態の電池ケース５０は歪みやすい薄い材質（アルミニウム）で構成されている。そのため、電池１００の配列方向（積層方向９２）に加わった拘束圧は、電池ケース５０の幅広な側面５２Ａおよび絶縁フィルム２０を介して電極体８０に伝達される。すなわち、ビーム材の締め付け具合に応じたレベルで締め付け方向（即ち配列方向）に加わった拘束圧によって、０．５ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲内に設定された積層方向９２の拘束圧を電池ケース５０内の電極体８０に対して加えることができる。
【００２０】
ここに開示される技術では、上記のように電池ケース５０の外部から電池ケース５０および絶縁フィルム２０を介して電極体８０の積層方向９２に拘束圧を加えている電池において、電池ケース５０の肉厚をｔ１（μｍ）とし、絶縁フィルム２０の肉厚をｔ２（μｍ）とした場合に、以下の関係：
５３０≦ｔ１≦１３１０、
８０≦ｔ２≦２５０、
１２００００≦ｔ１×ｔ２≦１３００００
を満たす。このことにより、電池内部に導電性異物（例えば金属屑）が混入した場合でも、電極体８０‐電池ケース５０間および正極８２‐負極８４間の短絡を適切に抑制することができる。
【００２１】
このような効果が得られる理由としては、特に限定的に解釈されるものではないが、例えば以下のように考えられる。すなわち、図５に示すように、絶縁フィルム２０および電池ケース５０の双方の肉厚ｔ１、ｔ２が薄すぎる場合、電池内に導電性異物９４が混入すると、該異物９４が絶縁フィルム２０に埋まりきらず、該異物９４からかかる荷重が直接電池ケース５０に加わる。その際、拘束部材９０によって電池ケース５０の変形が制限されるため、荷重がさらに増大する。その結果、該異物９４により絶縁フィルム２０が破断され、電極体８０と電池ケース５０とが短絡しやすくなる。一方、絶縁フィルム２０および電池ケース５０の双方の肉厚ｔ１、ｔ２が厚すぎると、図６に示すように、絶縁フィルム２０および電池ケース５０の変形が制限されるため、電池内に混入した導電性異物９４が絶縁フィルム２０に殆ど埋まらない。その結果、該異物９４がセパレータ８６を貫通して正極８２‐負極８４間が短絡しやすくなる。これに対し、電池ケース５０の肉厚ｔ１と絶縁フィルム２０の肉厚ｔ２とが上記関係を満たす電池では、図４に示すように、電池内に混入した導電性異物９４が絶縁フィルム２０に適度に埋まることで、該異物９４からかかる荷重が緩和される。また、電池ケース５０が絶縁フィルム２０と同じ変形をすることで、該荷重がさらに低減される。その結果、絶縁フィルム２０およびセパレータ８６の破断が抑制され得る。このことが上記短絡の抑制に寄与するものと考えられる。
【００２２】
電池ケース５０の肉厚ｔ１と絶縁フィルム２０の肉厚ｔ２との積（ｔ１×ｔ２）は、通常は１２００００以上、典型的には１２２０００以上、例えば１２４０００以上である。また、上記肉厚の積（ｔ１×ｔ２）は、通常は１３００００以下、典型的には１２８０００以下、例えば１２６０００以下である。所定範囲内の肉厚の積（ｔ１×ｔ２）を有する電池は、電池内に混入した異物９４が絶縁フィルム２０および電池ケース５０に適度に埋設する。したがって、ここに開示される技術の適用効果が適切に発揮され得る。
【００２３】
電池ケース５０の肉厚ｔ１は、通常は５３０μｍ以上である。電池ケース５０の肉厚ｔ１は、絶縁フィルム２０の破断（ひいては電池ケース５０と電極体８０との短絡）を抑制する観点から、例えば６００μｍ以上、典型的には７００μｍ以上である。また、電池ケース５０の肉厚ｔ１は、例えば１３１０μｍ以下であり得る。セパレータ８６の破断（ひいては正極８２と負極８４との短絡）を抑制する観点から、例えば１０００μｍ以下、典型的には９００μｍ以下である。例えば、肉厚ｔ１が６００μｍ以上１３００μｍ以下（例えば７００μｍ以上９００μｍ以下）の電池ケース５０を好ましく採用し得る。
【００２４】
絶縁フィルム２０の肉厚ｔ２は、通常は８０μｍ以上である。絶縁フィルム２０の肉厚ｔ２は、絶縁フィルム２０の破断（ひいては電池ケース５０と電極体８０との短絡）を抑制する観点から、例えば１００μｍ以上、典型的には１３０μｍ以上である。また、絶縁フィルム２０の肉厚ｔ２は、通常は２５０μｍ以下である。セパレータ８６の破断（ひいては正極８２と負極８４との短絡）を抑制する観点から、絶縁フィルム２０の肉厚ｔ２は、例えば２２０μｍ以下、典型的には１８０μｍ以下である。例えば、肉厚ｔ２が１００μｍ以上２００μｍ以下（例えば１３０μｍ以上１８０μｍ以下）の絶縁フィルム２０を好ましく採用し得る。
【００２５】
次に、本発明に関する試験例を説明するが、本発明を試験例に示すものに限定することを意図したものではない。
【００２６】
ここで、評価用セルは、正極シートと負極シートとがセパレータを介して捲回されて構成された捲回電極体と、捲回電極体を収容したアルミニウム製の電池ケースと、捲回電極体と電池ケースの内壁との間に設けられたポリプロピレン製の絶縁フィルムと、電池ケースの外部から捲回電極体の積層方向に拘束圧を与える拘束部材とを備えている。ここでは、電池ケースの肉厚ｔ１、絶縁フィルムの肉厚ｔ２、電極体に加わる積層方向の拘束圧が種々異なる電池を作製した。
【００２７】
正極シートは、正極活物質層に含まれる正極活物質粒子としてＬｉＮｉ１／３Ｍｎ１／３Ｃｏ１／３Ｏ２粉末、バインダとしてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、導電材としてアセチレンブラック（ＡＢ）を用いた。ここで、正極活物質層を形成する際の合剤には、ＬｉＮｉ１／３Ｍｎ１／３Ｃｏ１／３Ｏ２と、ＰＶＤＦと、ＡＢと、分散溶媒としてのＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）とを、所定の質量割合にて混合した合剤ペーストを用意した。そして、かかる合剤ペーストを、正極集電体としてのアルミニウム箔の両面に塗布し乾燥させ、圧延を行なって、正極シートを形成した。
【００２８】
負極シートは、負極活物質層に含まれる負極活物質粒子としてグラファイト粉末、バインダとしてスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）を用いた。ここで、負極活物質層を形成する際の合剤には、黒鉛と、ＳＢＲと、ＣＭＣと、分散溶媒としての水とを、質量割合にて混合した合剤ペーストを用意した。そして、かかる合剤ペーストを、負極集電体としての銅箔の両面に塗布し乾燥させ、圧延を行なって、負極シートを形成した。負極シートの厚みは９０μｍ、負極集電体の厚みは１０μｍとした。
【００２９】
セパレータには、ポリエチレン製の多孔質樹脂シートを用いた。電解液には、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとエチルメチルカーボネートとを体積比率において、３：４：３で配合し、ＬｉＰＦ６を１．１モル溶解させたものを用いた。
【００３０】
上記正極シートおよび負極シートを、セパレータを介して積層し、その積層体を捲回して捲回電極体を作製した。次いで、捲回電極体を袋状の絶縁フィルムに収容し、これを電解液とともに箱型の電池ケースに収容し、評価用セルを作製した。そして、得られた評価用セルの電池ケースの幅広な側面を拘束部材で拘束し、電池ケース内に収容した電極体の積層方向に対して所定の圧力が加わるように拘束部材による拘束圧を設定した。
【００３１】
各例の評価用セルは、電池ケースの肉厚ｔ１、絶縁フィルムの肉厚ｔ２、拘束圧が異なる。各例に係る評価用セルについて、電池ケースの肉厚ｔ１、絶縁フィルムの肉厚ｔ２、肉厚の積（ｔ１×ｔ２）、拘束圧（表７のみ）を表１〜表７に纏めて示す。なお、表１〜表６の評価用セルについては、拘束圧を１ＭＰａに設定した。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
【表２】
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【００３４】
【表３】
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【００３５】
【表４】
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【００３６】
【表５】
2018045797.tif 000007
【００３７】
【表６】
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【００３８】
【表７】
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【００３９】
＜異物混入試験＞
各例の評価用セルについて、電池ケースの幅広な側面の内壁と絶縁フィルムとの間に球形の導電性異物（粒径５００μｍ）を混入し、電池ケースと電極体間および正極と負極間の電気抵抗を測定した。そして、電気抵抗が１００Ω以下となった場合に、電池ケースと電極体間もしくは正極と負極間が短絡したと判定した。なお、使用した導電性異物の粒径５００μｍは、電池内に混入される可能性がある導電性異物の最大粒径である。結果を表１〜表７の該当欄に示す。
【００４０】
表１〜表６に示すように、電池ケースの肉厚ｔ１（μｍ）と絶縁フィルムの肉厚ｔ２（μｍ）とが５３０≦ｔ１≦１３１０、８０≦ｔ２≦２５０、かつ、１２００００≦ｔ１×ｔ２≦１３００００の関係を満たす例８〜１３、２６〜３２、４４〜５４、６４、７７、７８、９４の評価用セルは、異物混入後においても短絡せず、異物耐性が良好であった。また、表７に示すように、かかる短絡抑制効果は、拘束部材による拘束圧が０．５ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲内で有効に発現し得ることが判る。
【００４１】
以上から、拘束圧が０．５ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲内に設定された電池において、電池ケースの肉厚ｔ１（μｍ）と絶縁フィルムの肉厚ｔ２（μｍ）とが５３０≦ｔ１≦１３１０、８０≦ｔ２≦２５０、かつ、１２００００≦ｔ１×ｔ２≦１３００００の関係を満たすことによって、電池内部に異物が混入した場合でも、電極体と電池ケース間および正極と負極間の短絡を抑制し得ることが確かめられた。
【００４２】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれ得る。
【符号の説明】
【００４３】
２０    絶縁フィルム
５０    電池ケース
８０    電極体
８２    正極
８４    負極
８６    セパレータ
９０    拘束部材
９２    積層方向
９４    導電性異物
１００  二次電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2018045797.tif 000013
【図５】
2018045797.tif 000014
【図６】
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