专利摘要:
本發明提供一種效率良好地製造具有微小且不均較少之粒徑的電池特性良好之鋰離子電池正極用活性物質之方法。鋰離子電池用正極活性物質之製造方法包含下述步驟:準備含有鋰鹽與金屬硝酸鹽之鋰金屬硝酸鹽溶液漿料之步驟;使用微型噴霧乾燥機將鋰金屬硝酸鹽溶液漿料噴霧乾燥,而獲得鋰金屬鹽複合體粉末之步驟;及燒成粉末之步驟。
公开号:TW201310758A
申请号:TW101110472
申请日:2012-03-27
公开日:2013-03-01
发明作者:Kentaro Okamoto;Yasuhiro Kawahashi;Ryuichi Nagase
申请人:Jx Nippon Mining & Metals Corp;
IPC主号:C01G53-00
专利说明:
鋰離子電池用正極活性物質之製造方法
本發明係關於一種鋰離子電池用正極活性物質之製造方法。
近年來,作為高能量密度電池,非水系鋰離子二次電池之需要急速增加,且關於提高其性能,進行有根據各種觀點之研究。
該鋰離子二次電池係由正極及負極、以及保持介於兩電極間之電解質的分隔件此3個基本元件所構成,正極及負極係使用將活性物質、導電材、黏著材及視需要之塑化劑混合分散於分散介質而成之漿料塗佈於金屬箔或金屬網眼等集電體者。
作為其中之正極活性物質,一直應用鈷系複合氧化物(LiCoO2)、鎳系複合氧化物(LiNiO2)、錳系複合氧化物(LiMn2O4)等鋰與過渡金屬之複合氧化物,且目前為止亦提出以該等作為基本之各種材料。
用作鋰離子二次電池用之正極材料之上述鋰複合氧化物,通常係藉由以特定比率將成為鋰離子二次電池用正極材料主體之元素的化合物(Co、Ni及Mn等之碳酸鹽或氧化物等)與鋰化合物(碳酸鋰等)混合,並對其進行熱處理而合成。此種鋰複合氧化物之合成方法,例如於專利文獻1中揭示有一種鋰離子二次電池正極材料用前驅物材料之製造方法,其特徵在於:於碳酸鋰懸浮液中,投入含有Ni、Mn或Co之硝酸鹽之1種以上的水溶液,或該水溶液與含有Mg、Al、Ti、Cr、Fe、Cu或Zr之硝酸鹽之1種以上之水溶液的混合液,而使含有Li之複合金屬碳酸鹽析出,並藉由固液分離將所獲得之含Li複合金屬碳酸鹽自溶液中加以分離後,將其燒成。
[專利文獻1]日本特開2006-004724號公報
為了得到良好的電池特性,特別是為了可急速地充放電,鋰離子電池用正極活性物質之粒徑較小且粒徑不均較少是有效的。因此,針對微小且具有不均較少之粒徑的鋰離子電池用正極活性物質之製造方法的研究、開發正蓬勃地進行著。
因此,本發明之課題在於提供一種效率良好地製造具有微小且不均較少之粒徑的電池特性(急速充放電特性)良好之鋰離子電池用正極活性物質的方法。
本發明人等進行潛心研究,結果發現:於使用微型噴霧乾燥機將含有鋰鹽及金屬硝酸鹽之鋰金屬硝酸鹽溶液漿料進行噴霧乾燥,形成為鋰金屬鹽之複合體粉末後,進行燒成,藉此可效率良好地製造具有微小且不均較少之粒徑的電池特性良好之鋰離子電池用正極活性物質。
以上述見解為基礎而完成之本發明於一態樣中,係一種鋰離子電池用正極活性物質之製造方法,其包含下述步驟:準備含有鋰鹽與金屬硝酸鹽之鋰金屬硝酸鹽溶液漿料之步驟;使用微型噴霧乾燥機將上述鋰金屬硝酸鹽溶液漿料進行噴霧乾燥而獲得鋰金屬鹽之複合體粉末的步驟;及燒成上述粉末之步驟。
本發明之鋰離子電池用正極活性物質之製造方法於一實施形態中,上述金屬硝酸鹽所含有之金屬係選自Ni、Mn及Co中之1種以上。
本發明之鋰離子電池用正極活性物質之製造方法於另一實施形態中,上述金屬硝酸鹽至少含有Ni,上述粉末所含有之金屬中之Ni的莫耳比率為0.3以上。
本發明之鋰離子電池用正極活性物質之製造方法於又一實施形態中,上述金屬硝酸鹽至少含有Ni及Mn,上述粉末所含有之金屬中之Ni的莫耳比率大於Mn的莫耳比率。
本發明之鋰離子電池用正極活性物質之製造方法於又一實施形態中,上述鋰鹽為碳酸鋰。
根據本發明之製造方法,藉由使用微型噴霧乾燥機將鋰金屬硝酸鹽溶液漿料進行噴霧乾燥,可使粒子之粒度分布變得精確,可良好地控制粒徑之不均,並可使一般乾燥時20~30μm粒徑之乾燥粉末形成數μm之微小粒徑。因此,使用有利用本發明之製造方法製成之鋰離子電池用正極活性物質的鋰離子電池之各種特性變得良好。進一步,可同時進行乾燥及微小粒子化,製造效率變得良好。
(鋰離子電池用正極活性物質之構成)
於本發明之製造方法中被製造之鋰離子電池用正極活性物質的材料,可廣泛地使用作為一般鋰離子電池用正極用之正極活性物質為有用的化合物,特別是使用鈷酸鋰(LiCoO2)、鎳酸鋰(LiNiO2)、錳酸鋰(LiMn2O4)等含鋰過渡金屬氧化物為較佳。使用上述材料而被製作之鋰離子電池用正極活性物質係以組成式:LixNi1-yMyO2
(於上述式中,M為選自Ni、Mn及Co中之1種以上,且0.9≦x≦1.1、0<y≦0.7)表示。
鋰離子電池用正極活性物質中鋰相對於全部金屬之比率為0.9~1.1,其原因在於:於未達0.9時,難以保持穩定之結晶結構,於超過1.1時,則容量變低。
根據本發明之製造方法製作之鋰離子電池用正極活性物質係含有一次粒子之凝集體,一次粒子之平均粒徑為1.0~3.0μm。
若考慮充放電時之鋰離子的移動距離,則雖然一次粒子之平均粒徑較小者其傳導距離較短即可完成,有利於急速充放電,但若平均粒徑小,則於製作電極之電極加壓時粒子損壞之可能性變高。因此,一次粒子之平均粒徑存在於適當的範圍,較理想為1.0~3.0μm。若平均粒徑未達1.0μm,則有於電極製作時之加壓處理中破壞一次粒子之可能性。又,若平均粒徑超過3.0μm,則充放電時之鋰離子的移動距離變長,變得難以急速地充放電。
又,一次粒子凝集而形成之二次粒子之平均粒徑較理想為5.0~9.0μm。二次粒子之平均粒徑未達5.0μm時,於塗布漿料時變得需要較多的溶劑量,於工業生產方面不佳。又,若二次粒子之平均粒徑超過9.0μm,則與電解液之接觸面積變小,變得難以急速地充放電。
又,關於粒徑之不均,於以平均粒徑為中心,利用一般的粒度分布計來表示頻率之粒度分布曲線之情形時,認為左右對稱時不均最少,以下述條件作為不均之指標。
亦即,於將最大徑(μm)表示為dmax,將平均徑(μm)表示為d50,將最小徑(μm)表示為dmin時,若(dmax/d50)之比的常用對數與(d50/dmin)之比的常用對數皆未達0.7,則會具有上述不均較少的粒徑。若以式子表示該條件,則如下所述:Log(最大徑(μm)/平均粒徑(μm))<0.70
Log(平均粒徑(μm)/最小徑(μm))<0.70
(鋰離子電池用正極活性物質之製造方法)
對本發明之實施形態之鋰離子電池用正極活性物質之製造方法進行詳細說明。
首先,準備含有選自Ni、Mn及Co中之1種以上之金屬的金屬硝酸鹽。金屬硝酸鹽可使用例如硝酸鎳、硝酸鈷、及硝酸錳等。若如上述般使用硝酸鹽,則即便是以雜質的形態混入燒成原料中,亦可直接燒成,故可省去清洗步驟,並且硝酸鹽會作為氧化劑而發揮功能,具有促進燒成原料中之金屬之氧化的作用。又,調整金屬硝酸鹽中所含上述各金屬成為所欲莫耳比率。藉此,決定正極活性物質中之各金屬的莫耳比率。於金屬硝酸鹽溶液中含有Ni之情形時,該金屬中之Ni之莫耳比率較佳為0.3以上。其原因在於:於Ni之莫耳比率未達0.3時,則用以燒成1莫耳之正極材所需之氧量的絕對量會變少。又,於金屬硝酸鹽溶液中至少含有Ni及Mn之情形時,所含有之金屬中之Ni的莫耳比率較佳為大於Mn之莫耳比率。其原因在於:於Ni之莫耳比率為Mn之莫耳比率以下之情形時,Ni之價數變為2價,於熱處理中變得不需要將Ni氧化。
繼而,鋰源例如使碳酸鋰懸浮於純水,其後,投入上述金屬之金屬鹽溶液而調整鋰金屬硝酸鹽溶液漿料。
繼而,藉由利用微型噴霧乾燥機將鋰金屬硝酸鹽溶液漿料進行噴霧乾燥,而獲得鋰金屬鹽的複合體粉末。若將金屬鹽之金屬表示為「M」,則此時之反應係由以下幾個化學式表示。關於該步驟,於以下進行說明。已知通常,金屬之硝酸鹽會因加熱失去硝酸,而成為鹼性鹽,且於乾燥時進行該反應。
M(NO3)2+1/2Li2CO3 → 1/2MCO3+1/2M(NO3)2+LiNO3 (1)
M(NO3)2+1/2Li2CO3+5/6H2O → 1/3M3(NO3)2(OH)4+LiNO3+1/3HNO3+1/2CO2 (2)
M(NO3)2+1/2Li2CO3+H2O+1/4O2 → MOOH+LiNO3+HNO3+1/2CO2 (3)
M(NO3)2+1/2Li2CO3+3/2H2O → 1/2(M(NO3)2(OH)2.2H2O)+LiNO3+1/2CO2(4)
微型噴霧乾燥機係利用微粒化裝置之噴霧乾燥機,且藉由高速氣流使鋰金屬鹽溶液漿料於複數個路徑下較薄地延伸,藉由以特定之碰撞焦點使該等碰撞而引起衝擊波,藉此可形成數μm之噴霧。微粒化裝置,例如較佳為具備四流體噴嘴者。具備四流體噴嘴之微粒化裝置係使噴嘴邊緣對稱,並分別設置2個液體及氣體之路徑,例如藉由在邊緣前端之流體流動面與碰撞焦點進行微粒化。
利用微型噴霧乾燥機內之乾燥室乾燥所生成之噴霧,從而生成主要由上述式之右邊之化合物構成的具有微小粒徑(數μm)之鋰金屬硝酸鹽的複合體之乾燥粉末。
如此,藉由使用微型噴霧乾燥機,至少獲得以下之效果:
(1)可大量噴霧單微米液滴。
(2)可藉由使氣液比發生變化而控制液滴平均徑。
(3)粒子之粒度分佈變精確,從而良好地抑制粒徑之不均。
(4)抑制以外部混合方式產生之噴嘴堵塞,可長時間連續噴霧。
(5)藉由調整邊緣長度而可容易地獲得必需之噴霧量。
(6)可於一般乾燥時使20~30μm粒徑之乾燥粉末形成數μm之微小粒徑。
(7)可同時進行乾燥與微小粒子化,使製造效率變良好。
繼而,以成為特定厚度之方式將上述乾燥粉末填充於特定大小之燒成容器,並於可保持大氣中等之氧化性的環境中之大氣壓下,進行保持特定時間加熱之氧化處理及粉碎,藉此獲得正極活性物質之粉體。若將金屬鹽之金屬表示為「M」,則此時之反應係由以下之化學式表示。於任一式中,氧項均存在於右邊,表示自燒成原料產生氧。
1/2MCO3+1/2M(NO3)2+LiNO3 → LiMO2+2NO2+1/2CO2+1/4O2 (5)
1/3M3(NO3)2(OH)4+LiNO3 → LiMO2+5/3NO2+2/3H2O+1/6O2 (6)
MOOH+LiNO3 → LiMO2+NO2+1/2H2O+1/4O2 (7)
1/2(M2(NO3)2(OH)2.2H2O)+LiNO3 → LiMO2+2NO2+3/2H2O+1/4O2 (8)
氧化處理除可於通常之靜置爐實施外,亦可於連續爐或其他爐實施。
如此,於本發明中,使用微型噴霧乾燥機將鋰金屬硝酸鹽溶液漿料進行噴霧乾燥,藉此粒子之粒度分布變得精確,從而可良好地抑制粒徑之不均,且可於一般乾燥時使20~30μm粒徑之乾燥粉末形成數μm之微小粒徑。因此,使用有利用本發明之製造方法製造而成之鋰離子電池用正極活性物質的鋰離子電池之各種特性變得良好。進一步,可同時進行乾燥及微小粒子化,製造效率變得良好。
[實施例]
以下,提供用以更好理解本發明及其優點之實施例,但本發明並非限定於該等實施例。
(實施例1)
首先,使517g之碳酸鋰懸浮於1.06公升之純水後,投入4.8公升之金屬鹽溶液。此處,金屬鹽溶液係以Ni、Mn及Co成為特定比率之方式調整硝酸鎳、硝酸鈷及硝酸錳之各水合物,又,以Ni、Mn及Co之各莫耳數合計成為14莫耳之方式進行調整。
再者,碳酸鋰之懸浮量係將製品之化學式以LixNi1-yMyO2表示時之x=1.0之量,並根據以下式而算出者。
W(g)=碳酸鋰分子量×(Ni、Mn、Co總莫耳數)×0.5=73.9×14×0.5=517
該式中之「0.5」係製品(LixNi1-yMyO2)與碳酸鋰(Li2CO3)之Li含量之比。
又,以Ni:Mn:Co=1:1:1之方式調整了Ni、Mn及Co之比率。其係相當於將製品之化學式以LixNi1-yMyO2表示時之y=0.66,且M係以相同比率調整Mn與Co而成者。
藉由將金屬之硝酸鹽溶液投入以此種方式製作而成之碳酸鋰懸浮液,而形成漿料。
繼而,利用藤崎電機公司製造之微型噴霧乾燥機(MDL-100M)噴霧乾燥該漿料,獲得2800g,之鋰金屬硝酸鹽之複合體的乾燥粉末(鋰離子二次電池正極材料用前驅物材料)。
根據該複合體之XRD繞射而確認了複合體係由硝酸鋰(LiNO3)及鹼性金屬硝酸鹽{M3(NO3)2(OH)4:M為金屬成分}所形成。
繼而,準備內部形成為長×寬=280mm×280mm,且容器高度=100mm之大小的燒成容器,並以複合體之高度成為55mm之方式將所生成之複合體填充於該燒成容器內,並於空氣環境下,以980℃進行12小時氧化處理。將得到之氧化物以球磨機壓碎,從而獲得鋰離子二次電池正極材之粉末。
(比較例1)
以與實施例1同樣的方法,將金屬之硝酸鹽溶液投入碳酸鋰懸浮液中,而製作漿料,並利用旭科學製造之熱風循環型乾燥機(BCL-20型)乾燥該漿料,獲得2800g之鋰金屬硝酸鹽之複合體的乾燥粉末(鋰離子二次電池正極材料用前驅物材料)。
乾燥後使用25μm之篩進行整粒,從而形成燒成用原料。
繼而,準備內部形成為長×寬=280mm×280mm,且容器高度=100mm之大小的燒成容器,並以複合體之高度成為55mm之方式將所生成之複合體填充於該燒成容器內,並於空氣環境下,以溫度980℃進行12小時氧化處理。將得到之氧化物以球磨機壓碎,從而獲得鋰離子二次電池正極材之粉末。
(實施例2)
首先,使517g之碳酸鋰懸浮於1.06公升之純水中後,投入4.8公升之金屬鹽溶液。此處,金屬鹽溶液係以Ni、Mn及Co成為特定比率之方式調整硝酸鎳、硝酸鈷及硝酸錳之各水合物,又,以Ni、Mn及Co之各莫耳數合計成為14莫耳之方式進行調整。
再者,碳酸鋰之懸浮量係將製品之化學式以LixNi1-yMyO2表示時之x=1.0之量,並根據以下式而算出者。
W(g)=碳酸鋰分子量×(Ni、Mn、Co總莫耳數)×0.5=73.9×14×0.5=517
該式中之「0.5」係製品(LixNi1-yMyO2)與碳酸鋰(Li2CO3)之Li含量之比。
又,以Ni:Mn:Co=0.6:0.25:0.15之方式調整了Ni、Mn及Co之比率。其係相當於將製品之化學式以LixNi1-yMyO2表示時之y=0.4,且M係以Mn:Co=0.625:0.375調整Mn與Co而成者。
藉由將金屬之硝酸鹽溶液投入以此種方式製作而成之碳酸鋰懸浮液中,而形成漿料。
繼而,利用藤崎電機公司製造之微型噴霧乾燥機(MDL-100M)噴霧乾燥該漿料,獲得2800g之鋰金屬硝酸鹽之複合體的乾燥粉末(鋰離子二次電池正極材料用前驅物材料)。
根據該複合體之XRD繞射而確認了複合體係由硝酸鋰(LiNO3)及鹼性金屬硝酸鹽{M3(NO3)2(OH)4:M為金屬成分}所形成。
繼而,準備內部形成為長×寬=280mm×280mm,且容器高度=100mm之大小的燒成容器,並以複合體之高度成為55mm之方式將所生成之複合體填充於該燒成容器內,並於空氣環境下,以溫度870℃進行12小時氧化處理。將得到之氧化物以球磨機壓碎,從而獲得鋰離子二次電池正極材之粉末。
(比較例2)
以與實施例2同樣的方法,將金屬之硝酸鹽溶液投入碳酸鋰懸浮液中,而製作漿料,並利用旭科學製造之熱風循環型乾燥機(BCL-20型)乾燥該漿料,獲得2800g之鋰金屬硝酸鹽之複合體的乾燥粉末(鋰離子二次電池正極材料用前驅物材料)。
乾燥後使用25μm之篩進行整粒,從而形成燒成用原料。
繼而,準備內部形成為長×寬=280mm×280mm,且容器高度=100mm之大小的燒成容器,並以複合體之高度成為55mm之方式將所生成之複合體填充於該燒成容器內,並於空氣環境下,以溫度870℃進行12小時氧化處理。將得到之氧化物以球磨機壓碎,從而獲得鋰離子二次電池正極材之粉末。
(實施例3)
首先,使517g之碳酸鋰懸浮於1.06公升之純水中後,投入4.8公升之金屬鹽溶液。此處,金屬鹽溶液係以Ni、Mn及Co成為特定比率之方式調整硝酸鎳、硝酸鈷及硝酸錳之各水合物,又,以Ni、Mn及Co之各莫耳數合計成為14莫耳之方式進行調整。
再者,碳酸鋰之懸浮量係將製品之化學式以LixNi1-yMyO2表示時之x=1.0之量,並根據以下式而算出者。
W(g)=碳酸鋰分子量×(Ni、Mn、Co總莫耳數)×0.5=73.9×14×0.5=517
該式中之「0.5」係製品(LixNi1-yMyO2)與碳酸鋰(Li2CO3)之Li含量之比。
又,以Ni:Mn:Co=0.8:0.1:0.1之方式調整了Ni、Mn及Co之比率。其係相當於將製品之化學式以LixNi1-yMyO2表示時之y=0.2,且M係以相同比率調整Mn與Co而成者。
藉由將金屬之硝酸鹽溶液投入以此種方式製作而成之碳酸鋰懸浮液中,而形成漿料。
繼而,利用藤崎電機公司製造之微型噴霧乾燥機(MDL-100M)噴霧乾燥該漿料,獲得2800g之鋰金屬硝酸鹽之複合體的乾燥粉末(鋰離子二次電池正極材料用前驅物材料)。
根據該複合體之XRD繞射而確認了複合體係由硝酸鋰(LiNO3)及鹼性金屬硝酸鹽{M3(NO3)2(OH)4:M為金屬成分}所形成。
繼而,準備內部形成為長×寬=280mm×280mm,且容器高度=100mm之大小的燒成容器,並以複合體之高度成為55mm之方式將所生成之複合體填充於該燒成容器內,並於空氣環境下,以溫度820℃進行12小時氧化處理。將得到之氧化物以球磨機壓碎,從而獲得鋰離子二次電池正極材之粉末。
(比較例3)
以與實施例3同樣的方法,將金屬之硝酸鹽溶液投入碳酸鋰懸浮液中,而製作漿料,並利用旭科學製造之熱風循環型乾燥機(BCL-20型)乾燥該漿料,獲得2800g之鋰金屬硝酸鹽之複合體的乾燥粉末(鋰離子二次電池正極材料用前驅物材料)。
乾燥後使用25μm之篩進行整粒,從而形成燒成用原料。
繼而,準備內部形成為長×寬=280mm×280mm,且容器高度=100mm之大小的燒成容器,並以複合體之高度成為55mm之方式將所生成之複合體填充於該燒成容器內,並於空氣環境下,以溫度820℃進行12小時氧化處理。將得到之氧化物以球磨機壓碎,從而獲得鋰離子二次電池正極材之粉末。
(評價)
針對實施例1~3及比較例1~3,藉由ICP法測定Li、Ni、Mn及Co之含量,並得到表1所示之結果。
利用由SEM觀察裝置所附帶之測定軟體來測定正極材之一次粒子的大小,並得到表1所示之結果。
正極材粉末之二次粒子的平均粒徑係藉由日機裝製造之Microtrak MT3300EX II測定而得。由測定結果求出正極材之最小徑、最大徑、平均徑(D50),從而計算最大徑/平均徑、平均徑/最小徑之比,並算出該常用對數值,而得到表1所示之結果。
電池特性評價用之電極係以活性物質:黏合劑:導電材=85:8:7之比率混練於作為有機溶劑之NMP(N-甲基吡咯啶酮(N-methylpyrrolidone))中,並將混練而成者塗佈於Al箔,並於乾燥後進行壓製而製作。
使用該等而製作相對電極為Li之評價用之2032型硬幣電池(coin cell),並且電解液係使用1M之LiPF6,且電解質係使用以體積比成為1:1之方式溶解碳酸伸乙酯(EC)及碳酸二甲酯(DMC)而成者,並以如下方式進行充放電:充電係於恆定電流恆定電壓模式下將電壓設為4.3V而進行,放電係於恆定電流模式下將電壓設為3.0V而進行。初始容量與初始效率(放電量/充電量)係利用於0.1C之充放電來進行確認。比率特性係以於2C之放電容量與於0.1C之放電容量之比來進行評價。
將評價結果示於表1。
於實施例1~3中,一次粒子均較大、二次粒子均較小,粒徑之不均,特別是最小徑與最大徑之不均被良好地抑制,顯示出適於急速充放電之粒度分布。放電容量及比率特性皆良好。
於比較例1~3中,一次粒子變得較小的分布、二次粒子變得較大的分布,粒徑之不均較大,放電容量及比率特性皆成為較差的結果。
权利要求:
Claims (5)
[1] 一種鋰離子電池用正極活性物質之製造方法,其包含下述步驟:準備含有鋰鹽與金屬硝酸鹽之鋰金屬硝酸鹽溶液漿料之步驟;使用微型噴霧乾燥機將該鋰金屬硝酸鹽溶液漿料進行噴霧乾燥而獲得鋰金屬鹽之複合體粉末的步驟;及燒成該粉末之步驟。
[2] 如申請專利範圍第1項之鋰離子電池用正極活性物質之製造方法,其中,該金屬硝酸鹽所含有之金屬係選自Ni、Mn及Co中之1種以上。
[3] 如申請專利範圍第1或2項之鋰離子電池用正極活性物質之製造方法,其中,該金屬硝酸鹽至少含有Ni,該粉末所含有之金屬中之Ni的莫耳比率為0.3以上。
[4] 如申請專利範圍第1或2項之鋰離子電池用正極活性物質之製造方法,其中,該金屬硝酸鹽至少含有Ni及Mn,該粉末所含有之金屬中之Ni的莫耳比率大於Mn的莫耳比率。
[5] 如申請專利範圍第1或2項之鋰離子電池用正極活性物質之製造方法,其中,該鋰鹽為碳酸鋰。
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同族专利:
公开号 | 公开日
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JPWO2013027432A1|2015-03-05|
JP5567742B2|2014-08-06|
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引用文献:
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法律状态:
优先权:
申请号 | 申请日 | 专利标题
JP2011181837||2011-08-23||
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