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JP6511693B2 - 電池 - Google Patents
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Description

本発明は、電池に関する。
電池では、カソード電極、セパレータ、及びアノード電極を積層させることがある。例えば、特許文献1及び特許文献2には、カソード電極又はアノード電極を2つのセパレータで挟むことが記載されている。具体的には、特許文献1では、2つのセパレータの間に熱可塑性樹脂を設けている。この場合、セパレータを加熱することで熱可塑性樹脂が溶融する。そしてこの熱可塑性樹脂を介して2つのセパレータは互いに貼り付けられる。
さらに、特許文献3には、互いに貼り合わされた2つの第1セパレータの間にカソード電極を位置させた場合において電池の温度が上昇しても、これらの第1セパレータが縮むことを抑制する方法が記載されている。具体的には、特許文献3では、各第1セパレータとアノード電極の間に第2セパレータを設けている。そして第2セパレータは、第1セパレータよりも融点が低い。特許文献3には、この場合、電池の温度が上昇しても第1セパレータが縮むことが抑制されると記載されている。
特開昭61−80752号公報 特開2007−287724号公報 特開2012−151036号公報
上記したように、電池では、互いに貼り合わされた2つのセパレータの間にカソード電極又はアノード電極を位置させることがある。このような構造を有する電池においてカソード電極とアノード電極の間の耐熱性を高いものにするには、高融点のセパレータをカソード電極とアノード電極の間に設けることが望ましい。本発明者は、カソード電極とアノード電極の間に高融点のセパレータを設けるための構造を検討した。
本発明の目的は、互いに貼り合わされた2つのセパレータの間にカソード電極又はアノード電極を有する電池において、新規な構造で、カソード電極とアノード電極の間に高融点のセパレータを設けることにある。
本発明によれば、
第1面を有し、前記第1面とは反対側の面である第2面を有する第1電極と、
前記第1面を覆っており、融点が第1温度である第1セパレータと、
前記第2面を覆っており、融点が前記第1温度よりも高く、270℃以上400℃以下の第2温度である第2セパレータと、
前記第1セパレータの一部を溶融することにより形成され、前記第1セパレータと前記第2セパレータを互いに貼り合せる第1接着層と、
前記第1電極とは極性が異なっており、第3面を有し、前記第3面とは反対側の面である第4面を有し、前記第3面が前記第2セパレータを介して前記第1電極の前記第2面と対向するように前記第1電極と重なっている第2電極と、
前記第3面を覆っており、融点が前記第1温度である第3セパレータと、
前記第4面を覆っており、融点が前記第2温度である第4セパレータと、
前記第3セパレータの一部を溶融することにより形成され、前記第3セパレータと前記第4セパレータを互いに貼り合せる第2接着層と、
を備える電池が提供される。
本発明によれば、
第1面を有し、前記第1面とは反対側の面である第2面を有する第1電極と、
前記第1面を覆っており、融点が第1温度である第1セパレータと、
前記第2面を覆っており、融点が前記第1温度よりも高く、270℃以上400℃以下の第2温度である第2セパレータと、
前記第1セパレータの一部を溶融することにより形成され、前記第1セパレータと前記第2セパレータを互いに貼り合せる第1接着層と、
前記第2セパレータを介して前記第1電極の反対側に位置しており、融点が前記第1温度である第3セパレータと、
前記第1セパレータを介して前記第1電極の反対側に位置しており、融点が前記第2温度である第4セパレータと、
前記第1セパレータの一部を溶融することにより形成され、前記第1セパレータと前記第4セパレータを互いに貼り合せる第2接着層と、
前記第3セパレータの一部を溶融することにより形成され、前記第2セパレータと前記第3セパレータを互いに貼り合せる第3接着層と、
前記第1電極とは極性が異なっており、第3面を有し、前記第3面とは反対側の面である第4面を有し、前記第3面が前記第2セパレータを介して前記第1電極の前記第2面と対向するように前記第1電極と重なっている第2電極と、
を備え、
前記第1セパレータ及び前記第4セパレータは、前記第2接着層と重ならずに互いに重なり、かつ互いに貼り合わされていない部分を含み、
前記第2セパレータ及び前記第3セパレータは、前記第3接着層と重ならずに互いに重なり、かつ互いに貼り合わされていない部分を含む、電池が提供される。
本発明によれば、互いに貼り合わされた2つのセパレータの間にカソード電極又はアノード電極を有する電池において、新規な構造で、カソード電極とアノード電極の間に高融点のセパレータを設けることができる。
第1の実施形態に係る電池の構成を示す平面図である。 図1のA−A´断面図である。 図2に示した単位セルの構成を示す分解斜視図である。 (a)は、図3に示したカソード電極を含む積層体の構成を示す平面図である、(b)は、(a)のA−A´断面図である。 図4(b)の破線αで囲んだ領域を拡大した図である。 図4の第1の変形例を示す図である。 図4の第2の変形例を示す図である。 図4の第3の変形例を示す図である。 図4に示した積層体の製造方法の一例を示す図である。 第2の実施形態に係る電池に用いられる単位セルの構成を示す分解斜視図である。 (a)は、図10に示したカソード電極を含む積層体の構成を示す平面図であり、(b)は、(a)のA−A´断面図である。 図11(b)の破線αで囲んだ領域を拡大した図である。 図11に示した積層体の製造方法を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る電池の構成を示す平面図である。図2は、図1のA−A´断面図である。この電池は、積層体10、カソードタブ20、アノードタブ30、カバー部材40、及び電解液50を備えている。
カバー部材40は、互いに対向するカバー42,44を備えている。カバー部材40の平面形状は、長辺及び短辺を有する矩形である。そしてカバー42,44は、カバー部材40の各辺に沿って位置する封止領域46を有している。カバー42,44は、封止領域46において互いに貼り合わされている。これにより、カバー42,44によって挟まれた領域は、外部の領域から封止される。なお、カバー42,44は、例えば、アルミニウムフィルムを用いて形成されている。
積層体10及び電解液50は、カバー部材40によって封止された空間に位置している。積層体10は、互いに積層された複数の単位セル100(図3を用いて詳細を後述)を含んでいる。電解液50は、非水電解液である。具体的には、電解液50は、リチウム塩及び有機溶媒を含んでいる。
上記したリチウム塩は、例えば、LiClO、LiBF、LiPF、LiCFSO、LiCFCO、LiAsF、LiSbF、LiB10Cl10、LiAlCl、LiCl、LiBr、LiB(C、CFSOLi、CHSOLi、LiCSO、Li(CFSON、又は低級脂肪酸カルボン酸リチウムである。
上記した有機溶媒は、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、及びビニレンカーボネート(VC)等のカーボネート類;γ−ブチロラクトン及びγ−バレロラクトン等のラクトン類;トリメトキシメタン、1,2−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、及び2−メチルテトラヒドロフラン等のエーテル類;ジメチルスルホキシド等のスルホキシド類;1,3−ジオキソラン及び4−メチル−1,3−ジオキソラン等のオキソラン類;アセトニトリル、ニトロメタン、ホルムアミド、及びジメチルホルムアミド等の含窒素溶媒;ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、及びプロピオン酸エチル等の有機酸エステル類;リン酸トリエステル等のエステル類;ジグライム類;トリグライム類;スルホラン及びメチルスルホラン等のスルホラン類;3−メチル−2−オキサゾリジノン等のオキサゾリジノン類;1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、及びナフタスルトン等のスルトン類である。上記した有機溶媒は、これらのうちの1種のみを含んでいてもよいし、又はこれらのうちの2種以上を含んでいてもよい。
図1に示す例において、カソードタブ20及びアノードタブ30は、平面視において、カバー部材40の同一の短辺から外側に突出している。さらに、カソードタブ20及びアノードタブ30は、この辺に沿って互いに逆側に位置している。これにより、カソードタブ20及びアノードタブ30の短絡を防止することができる。なお、カソードタブ20及びアノードタブ30は、それぞれ、カソードリード200及びアノードリード300(図3を用いて後述)を介して単位セル100に電気的に接続している。
図3は、図2に示した単位セル100の構成を示す分解斜視図である。本図に示すように、単位セル100は、カソード電極110、アノード電極120、第1セパレータ130、第2セパレータ140、カソードリード200、及びアノードリード300を備えている。カソードリード200は、カソード電極110に電気的に接続している。同様に、アノードリード300は、アノード電極120に電気的に接続している。
本図に示す例では、第1セパレータ130、アノード電極120、第2セパレータ140、第1セパレータ130、カソード電極110、及び第2セパレータ140がこの順で積層されている。詳細には、図4を用いて後述するように、カソード電極110は、互いに貼り合わされた第1セパレータ130及び第2セパレータ140の間に位置している。同様に、アノード電極120は、互いに貼り合わされた第1セパレータ130及び第2セパレータ140の間に位置している。
本図に示す例では、図2に示した積層体10において、第1セパレータ130、アノード電極120、第2セパレータ140、第1セパレータ130、カソード電極110、及び第2セパレータ140がこの順で繰り返し積層されることになる。この場合において積層体10からカソード電極110及びアノード電極120を取り除くと、第1セパレータ130及び第2セパレータ140が交互に積層されることになる。この場合、第1セパレータ130及び第2セパレータ140の偏在を防止ことができる。
本図に示す例において、カソード電極110を挟む第1セパレータ130及び第2セパレータ140、並びにアノード電極120を挟む第1セパレータ130及び第2セパレータ140は、いずれも同一の平面形状を有している。そして、カソード電極110を挟む第1セパレータ130及び第2セパレータ140は、平面視でカソード電極110を内側に含んでいる。そしてカソードリード200の一部は、第1セパレータ130及び第2セパレータ140と重なる領域の外側に突出している。同様に、アノード電極120を挟む第1セパレータ130及び第2セパレータ140は、平面視でアノード電極120を内側に含んでいる。そしてアノードリード300の一部は、第1セパレータ130及び第2セパレータ140と重なる領域の外側に突出している。
本図に示す例では、平面視において、カソード電極110は、アノード電極120の内側に含まれている。この場合、カソード電極110の配置が若干ずれても、カソード電極110とアノード電極120が互いに重なっている領域の面積が変化することが防止される。
カソード電極110は、カソード活物質を含んでいる。具体的には、カソード活物質は、例えば、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、及びリチウム−マンガン−ニッケル複合酸化物等のリチウムと遷移金属との複合酸化物;TiS、FeS、及びMoS等の遷移金属硫化物;MnO、V、V13、及びTiO等の遷移金属酸化物、又はオリビン型リチウムリン酸化物である。アノード電極120は、アノード活物質を含んでいる。具体的には、アノード活物質は、例えば、人造黒鉛、天然黒鉛、非晶質炭素、ダイヤモンド状炭素、フラーレン、カーボンナノチューブ、及びカーボンナノホーン等の炭素材料;リチウム金属材料;シリコン及びスズ等の合金系材料;Nb及びTiO等の酸化物系材料;又はこれらの複合物である。カソードリード200及びアノードリード300は、金属(例えば、銅又はアルミニウム)を用いて形成されている。
図4(a)は、図3に示したカソード電極110を含む積層体の構成を示す平面図である。図4(b)は、図4(a)のA−A´断面図である。図5は、図4(b)の破線αで囲んだ領域を拡大した図である。
図4(b)及び図5に示すように、第1セパレータ130と第2セパレータ140は、接着層132を介して互いに貼り合わされている。接着層132は、第1セパレータ130を溶融することにより形成された接着層である。詳細には、第1セパレータ130は、融点が第1温度である。これに対して第2セパレータ140は、融点が第1温度よりも高い第2温度である。そして詳細を後述するように、接着層132は、第2セパレータ140を介して第1セパレータ130の反対側から第2セパレータ140を第1温度以上第2温度未満である第3温度に加熱しつつ第2セパレータ140を第1セパレータ130に押し付けることで形成される。
図4(b)及び図5に示す例では、カソード電極110は、厚さ方向に互いに対向する第1面及び第2面の一方が第2セパレータ140によって覆われている。これにより、カソード電極110のうち第2セパレータ140によって覆われている面は、第2セパレータ140を介してアノード電極120(図3)と対向するようになる。そして上記したように、第2セパレータ140は、融点が高い。このため、カソード電極110とアノード電極120の間の耐熱性を高いものにすることができる。
第1温度は、例えば、120℃以上250℃以下の温度である。これに対して、第2温度は、例えば、270℃以上400℃以下の温度である。さらに、第1セパレータ130は、多孔性樹脂を用いて形成されており、例えば、ポリプロピレン又はポリエチレンを用いて形成されている。これに対して、第2セパレータ140は、多孔性樹脂を用いて形成されており、例えば、ポリアミド又はポリイミドを用いて形成されている。
図4(a)に示す例において、第1セパレータ130及び第2セパレータ140の平面形状は、長辺及び短辺を有する矩形である。本図に示す例では、第1セパレータ130及び第2セパレータ140の短辺の一辺からカソードリード200が突出している。そして接着層132は、カソードリード200が突出している辺以外の3辺に配置されている。本図(a)に示す例では、平面視において、複数の接着層132が各辺に沿って一列に配置されている。
なお、図3においてアノード電極120を含む積層体の構造は、カソード電極110がアノード電極120になっている点を除いて、図4及び図5に示す例と同様である。
図6は、図4の第1の変形例を示す図である。本図(a)に示すように、接着層132は、第1セパレータ130及び第2セパレータ140の4辺に配置されていてもよい。そして本図(a)に示す例では、複数の接着層132が第1セパレータ130及び第2セパレータ140の各辺に沿って一列に配置されている。なお、本図(a)に示す例では、カソードリード200と平面視で重なる領域には、接着層132は形成されない。
図7は、図4の第2の変形例を示す図である。本図(a)に示すように、接着層132は、第1セパレータ130及び第2セパレータ140の2辺のみに配置されていてもよい。具体的には、本図(a)に示す例では、接着層132は、カソードリード200が突出している短辺に対向する短辺に配置され、かつ残りの2辺のうちの1辺に配置されている。そして複数の接着層132が各辺に沿って一列に配置されている。
図8は、図4の第3の変形例を示す図である。本図(a)に示すように、接着層132は、第1セパレータ130及び第2セパレータ140の各辺に沿って連続的に形成されていてもよい。さらに、本図(a)に示す例では、各辺に沿って連続的に形成された接着層132が互いに繋がっている。さらに、本図(a)に示す例では、長辺に沿って形成された接着層132の一端は、カソードリード200が突出している短辺に達している。
図9は、図4に示した積層体の製造方法の一例を示す図である。まず、本図(a)に示すように、第1セパレータ130、カソード電極110、及び第2セパレータ140をこの順で積層する。次いで、本図(b)に示すように、第2セパレータ140を介して第1セパレータ130の反対側からプレス600を第2セパレータ140に押し付ける。これにより、第2セパレータ140の一部を第1セパレータ130に接触させる。プレス600の先端は、第1温度以上第2温度未満である第3温度に加熱されている。この場合、第2セパレータ140は、溶融しない。一方、プレス600の先端の熱(第3温度)は、第2セパレータ140を介して第1セパレータ130に伝わる。これにより、第1セパレータ130は、第2セパレータ140に接触している部分が溶融する。これにより、接着層132(図4)が形成される。なお、第1温度をT1[℃]としたとき、第3温度は、例えば、(T1+5)℃以上(T1+50)℃以下の温度である。より具体的には、第3温度は、例えば、125℃以上300℃以下の温度である。
以上、本実施形態によれば、融点が低い第1セパレータ130及び融点が高い第2セパレータ140を互いに貼り合せている。この場合、第1セパレータ130を溶融することにより形成された接着層132を介して第1セパレータ130と第2セパレータ140を互いに貼り合せることができる。そしてこれら第1セパレータ130と第2セパレータ140の間には、カソード電極110が位置している。この場合、第2セパレータ140を介してカソード電極110の反対側に位置するアノード電極120は、第2セパレータ140を介してカソード電極110に対向するようになる。これにより、カソード電極110とアノード電極120の間の耐熱性を高いものにすることができる。
(第2の実施形態)
図10は、第2の実施形態に係る電池に用いられる単位セル100の構成を示す分解斜視図であり、第1の実施形態の図3に対応する。本実施形態に係る電池は、以下の点を除いて、第1の実施形態に係る電池と同様の構成である。
本図に示す例では、アノード電極120、第1セパレータ130、第2セパレータ140、カソード電極110、第1セパレータ130、及び第2セパレータ140がこの順で積層されている。詳細には、図11を用いて後述するように、カソード電極110は、互いに貼り合わされた第1セパレータ130及び第2セパレータ140の間に位置している。さらに、カソード電極110の一方の面を覆う第1セパレータ130には、第2セパレータ140が貼り合わされている。さらに、カソード電極110の他方の面を覆う第2セパレータ140には、第1セパレータ130が貼り合わされている。
本図に示す例では、平面視において、カソード電極110は、アノード電極120の内側に含まれている。この場合、カソード電極110の配置が若干ずれても、カソード電極110とアノード電極120が互いに重なっている領域の面積が変化することが防止される。
本図に示す例では、図2に示した積層体10において、アノード電極120、第1セパレータ130、第2セパレータ140、カソード電極110、第1セパレータ130、及び第2セパレータ140がこの順で繰り返し積層されることになる。この場合において積層体10からカソード電極110及びアノード電極120を取り除くと、第1セパレータ130及び第2セパレータ140が交互に積層されることになる。この場合、第1セパレータ130及び第2セパレータ140の偏在を防止ことができる。
図11(a)は、図10に示したカソード電極110を含む積層体の構成を示す平面図である。図11(b)は、図11(a)のA−A´断面図である。図12は、図11(b)の破線αで囲んだ領域を拡大した図である。
図11(b)及び図12に示すように、カソード電極110を挟む第1セパレータ130及び第2セパレータ140は、接着層132を介して互いに貼り合わされている。さらに、この積層体の最上層に位置する第2セパレータ140は、他の接着層132を介して第1セパレータ130に貼り合わされている。さらに、この積層体の最下層に位置する第1セパレータ130は、他の接着層132を介して第2セパレータ140に貼り合わされている。図13を用いて後述するように、いずれの接着層132も、第1セパレータ130を溶融することにより形成された接着層である。
図13は、図11に示した積層体の製造方法を示す図である。まず、本図(a)に示すように、第1セパレータ130、第2セパレータ140、カソード電極110、第1セパレータ130、及び第2セパレータ140をこの順で積層する。次いで、本図(b)に示すように、プレス600をこの積層体の最上層に位置する第2セパレータ140に押し付ける。プレス600の先端は、第1温度以上第2温度未満である第3温度に加熱されている。この場合、プレス600で押し付けられている部分では、第2セパレータ140が溶融する。これにより、互いに隣り合っている第1セパレータ130と第2セパレータ140の間では、接着層132(図11)が形成される。
なお、本図に示す例では、プレス600と平面視で重なる領域に位置するいずれの接着層132(例えば、カソード電極110を挟む第1セパレータ130と第2セパレータ140の間の接着層132、及び最上層の第2セパレータ140とカソード電極110の一方の面を覆う第1セパレータ130の間の接着層132)も、ほぼ同時に形成されることになる。そしてこれらの接着層132は、平面視で互いに重なることになる。
本実施形態においても、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
以下、参考形態の例を付記する。
1. 第1面を有し、前記第1面とは反対側の面である第2面を有する第1電極と、
前記第1面を覆っており、融点が第1温度である第1セパレータと、
前記第2面を覆っており、融点が前記第1温度よりも高い第2温度である第2セパレータと、
前記第1セパレータの一部を溶融することにより形成され、前記第1セパレータと前記第2セパレータを互いに貼り合せる第1接着層と、
を備える電池。
2. 1.に記載の電池において、
前記第1電極とは極性が異なっており、第3面を有し、前記第3面とは反対側の面である第4面を有する第2電極と、
前記第3面を覆っており、融点が前記第1温度である第3セパレータと、
前記第4面を覆っており、融点が前記第2温度である第4セパレータと、
前記第3セパレータの一部を溶融することにより形成され、前記第3セパレータと前記第4セパレータを互いに貼り合せる第2接着層と、
を備える電池。
3. 2.に記載の電池において、
前記第1セパレータは、前記第4セパレータ上に積層されており、又は
前記第3セパレータは、前記第2セパレータ上に積層されている電池。
4. 1.に記載の電池において、
前記第2セパレータを介して前記第1電極の反対側に位置しており、融点が前記第1温度である第3セパレータと、
前記第1セパレータを介して前記第1電極の反対側に位置しており、融点が前記第2温度である第4セパレータと、
前記第1セパレータの一部を溶融することにより形成され、前記第1セパレータと前記第4セパレータを互いに貼り合せる第2接着層と、
前記第3セパレータの一部を溶融することにより形成され、前記第2セパレータと前記第3セパレータを互いに貼り合せる第3接着層と、
を備える電池。
5. 4.に記載の電池において、
前記第1接着層、前記第2接着層、及び前記第3接着層は、平面視で互いに重なる電池。
10 積層体
20 カソードタブ
30 アノードタブ
40 カバー部材
42 カバー
44 カバー
46 封止領域
50 電解液
100 単位セル
110 カソード電極
120 アノード電極
130 第1セパレータ
132 接着層
140 第2セパレータ
200 カソードリード
300 アノードリード
600 プレス

Claims (3)

  1. 第1面を有し、前記第1面とは反対側の面である第2面を有する第1電極と、
    前記第1面を覆っており、融点が第1温度である第1セパレータと、
    前記第2面を覆っており、融点が前記第1温度よりも高く、270℃以上400℃以下の第2温度である第2セパレータと、
    前記第1セパレータの一部を溶融することにより形成され、前記第1セパレータと前記第2セパレータを互いに貼り合せる第1接着層と、
    前記第1電極とは極性が異なっており、第3面を有し、前記第3面とは反対側の面である第4面を有し、前記第3面が前記第2セパレータを介して前記第1電極の前記第2面と対向するように前記第1電極と重なっている第2電極と、
    前記第3面を覆っており、融点が前記第1温度である第3セパレータと、
    前記第4面を覆っており、融点が前記第2温度である第4セパレータと、
    前記第3セパレータの一部を溶融することにより形成され、前記第3セパレータと前記第4セパレータを互いに貼り合せる第2接着層と、
    を備える電池。
  2. 第1面を有し、前記第1面とは反対側の面である第2面を有する第1電極と、
    前記第1面を覆っており、融点が第1温度である第1セパレータと、
    前記第2面を覆っており、融点が前記第1温度よりも高く、270℃以上400℃以下の第2温度である第2セパレータと、
    前記第1セパレータの一部を溶融することにより形成され、前記第1セパレータと前記第2セパレータを互いに貼り合せる第1接着層と、
    前記第2セパレータを介して前記第1電極の反対側に位置しており、融点が前記第1温度である第3セパレータと、
    前記第1セパレータを介して前記第1電極の反対側に位置しており、融点が前記第2温度である第4セパレータと、
    前記第1セパレータの一部を溶融することにより形成され、前記第1セパレータと前記第4セパレータを互いに貼り合せる第2接着層と、
    前記第3セパレータの一部を溶融することにより形成され、前記第2セパレータと前記第3セパレータを互いに貼り合せる第3接着層と、
    前記第1電極とは極性が異なっており、第3面を有し、前記第3面とは反対側の面である第4面を有し、前記第3面が前記第2セパレータを介して前記第1電極の前記第2面と対向するように前記第1電極と重なっている第2電極と、
    を備え
    前記第1セパレータ及び前記第4セパレータは、前記第2接着層と重ならずに互いに重なり、かつ互いに貼り合わされていない部分を含み、
    前記第2セパレータ及び前記第3セパレータは、前記第3接着層と重ならずに互いに重なり、かつ互いに貼り合わされていない部分を含む、電池。
  3. 請求項に記載の電池において、
    前記第1接着層、前記第2接着層、及び前記第3接着層は、平面視で互いに重なる電池。
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