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JP2001028268A - 電池電極材、その製造方法および電気化学電池 - Google Patents

電池電極材、その製造方法および電気化学電池

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JP2001028268A
JP2001028268A JP2000121290A JP2000121290A JP2001028268A JP 2001028268 A JP2001028268 A JP 2001028268A JP 2000121290 A JP2000121290 A JP 2000121290A JP 2000121290 A JP2000121290 A JP 2000121290A JP 2001028268 A JP2001028268 A JP 2001028268A
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fiber
electrode material
treatment
carbon
battery electrode
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Seiji Ogino
誠司 荻野
Nobuyuki Tokuda
信幸 徳田
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Kansai Electric Power Co Inc
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Kansai Electric Power Co Inc
Sumitomo Electric Industries Ltd
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  • Chemical Or Physical Treatment Of Fibers (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電池効率を高めることができるように改良さ
れた電池電極材を提供することを主要な目的とする。 【解決手段】 電池電極部材は、炭素繊維、黒鉛繊維お
よび炭素繊維/黒鉛繊維からなる群より選ばれた繊維布
からなる。上記繊維布の表面には、プラズマ処理、光化
学処理またはイオン注入処理により導入されたC−O結
合が存在している。上記C−O結合の濃度は、上記繊維
布の表面から内部へ向かって徐々に減少している。上記
繊維は、X線光電子分光法により求めた(酸素原子数)
/(炭素原子数)比が0.1〜3.0の酸化度を有す
る。上記繊維は、ラマン分光法解析により求めたR値が
0.1〜1.2の黒鉛化度を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、一般に、電池電
極材に関するものであり、より特定的には、電池効率を
高めることができるように改良された電池電極材に関す
る。この発明は、また、そのような電池電極材の製造方
法に関する。この発明は、さらにそのような電池電極材
を用いた、電気化学電池に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、電力需要の年負荷率は年々低下
し、発電設備および送電設備の効率的な運用の必要性か
ら負荷平準化を目的とした電力貯蔵用電池への期待が高
まっている。電力貯蔵用電池として、特に、レドックス
フロー型2次電池の開発が進められている。
【0003】図1は、従来の全バナジウムレドックスフ
ロー型電池の概念図である。正負極の電解液としてバナ
ジウム等の金属イオンを溶解させた酸性水溶液を用い
る。正負極の電解液は、各々のタンクに貯蔵され、電池
セルへと送液循環される。電池セル内で充放電に生じる
反応は、次式で表わされる。
【0004】
【化1】
【0005】図2は、電池セルスタックの斜視図であ
る。図2を参照して、単電池セルは、隔膜によって隔て
られた正極および負極から構成される。電極はたとえば
1m×1m×3mmのカーボンフェルトである。高電圧
を得るため、電池セルは双極板を用いて積層することに
よって直列接続し、電池セルスタックと称する。実際の
電池システムでは、この電池セルスタックを、複数個、
直列・並列に組合せ、所要の電力を得る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】さて、従来より、電池
に使う電極材として、炭素材料、特に炭素繊維材料が検
討されている。
【0007】特開昭63−22615号公報は、炭素繊
維を、耐炎化処理、炭素化処理、活性化処理、塩素付加
処理等によって改質する技術を提案している。しかし、
この方法によっては、電池効率が十分な電池電極材が得
られないという問題点があった。
【0008】特開平8−13868号公報は、全バナジ
ウムレドックスフロー電池において、バナジウムとの反
応性の高い反応性層および高導電性層の少なくとも2層
からなる電池電極材を提案している。しかし、この方法
によっても、電池効率の十分な電池電極材は得られてい
ないというのが現状である。
【0009】それゆえに、この発明の目的は、電池効率
を十分に高めることができるように改良された電池電極
材を提供することにある。
【0010】この発明の目的は、また、そのような電池
電極材の製造方法を提供することにある。
【0011】この発明のさらに他の目的は、そのような
電池電極材を用いた電気化学電池を提供することにあ
る。
【0012】この発明のさらに他の目的は、そのような
電池電極材を用いた、電池電解質が流通式である電気化
学電池を提供することにある。
【0013】この発明のさらに他の目的は、そのような
電池電極材を用いた、全バナジウムレドックスフロー電
池を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】この発明の第1の局面に
従う電池電極材は、炭素繊維、黒鉛繊維および炭素繊維
/黒鉛繊維からなる群より選ばれた繊維布からなる。繊
維布の表面には、プラズマ処理、光化学処理またはイオ
ン注入処理により導入されたC−O結合が存在してい
る。上記C−O結合の濃度は、上記繊維布の表面から内
部へ向かって、徐々に減少している。上記繊維は、X線
光電子分光法により求めた(酸素原子数)/(炭素原子
数)の比が0.1〜3.0の酸化度を有する。上記繊維
は、ラマン分光法解析により求めたR値が0.1〜1.
2の黒鉛化度を有する。
【0015】この発明の第2の局面に従う電池電極材の
製造方法においては、まず、炭素繊維、黒鉛繊維および
炭素繊維/黒鉛繊維からなる群より選ばれた繊維布を準
備する。上記繊維布の表面を、酸素を用いるプラズマ法
により処理する。上記プラズマ法による処理の条件は、
C−O結合の濃度が、上記繊維布の表面から内部へ向か
って徐々に減少し、X線光電子分光法により求めた(酸
素原子数)/(炭素原子数)比が0.1〜3.0の酸化
度を有し、上記繊維が、ラマン分光法解析により求めた
R値が0.1〜1.2の黒鉛化度を有するように選ばれ
ている。
【0016】この発明の第3の局面に従う電池電極材の
製造方法においては、炭素繊維、黒鉛繊維および炭素繊
維/黒鉛繊維からなる群より選ばれた繊維布を準備す
る。上記繊維布の表面を、酸素を用い、光化学法により
処理する。上記光化学法による処理の条件は、C−O結
合の濃度が、上記繊維布の表面から内部に向かって徐々
に減少し、X線光電子分光法により求めた(酸素原子
数)/(炭素原子数)比が0.1〜3.0の酸化度を有
し、上記繊維が、ラマン分光法解析により求めたR値が
0.1〜1.2の黒鉛化度を有するように選ばれてい
る。
【0017】この発明の第4の局面に従う電池電極材の
製造方法においては、まず、炭素繊維、黒鉛繊維および
炭素繊維/黒鉛繊維からなる群より選ばれた繊維布を準
備する。上記繊維布の表面を、酸素を用いるイオン注入
法により処理する。上記イオン注入法による処理の条件
は、C−O結合の濃度が、上記繊維布の表面から内部に
向かって徐々に減少し、X線光電子分光法により求めた
(酸素原子数)/(炭素原子数)比が0.1〜3.0の
酸化度を有し、上記繊維が、ラマン分光法解析により求
めたR値が0.1〜1.2の黒鉛化度を有するように選
ばれている。
【0018】この発明の第5の局面に従う電気化学電池
は、電池電極材を有する。上記電池電極材は、炭素繊
維、黒鉛繊維および炭素繊維/黒鉛繊維からなる群より
選ばれた繊維布からなる。上記繊維布の表面には、プラ
ズマ処理、光化学法またはイオン注入処理により導入さ
れたC−O結合が存在している。上記C−O結合の濃度
は、上記繊維布の表面から内部へ向かって徐々に減少し
ている。上記繊維は、X線光電子分光法により求めた
(酸素原子数)/(炭素原子数)比が0.1〜3.0の
酸化度を有する。上記繊維は、ラマン分光法解析により
求めたR値が0.1〜1.2の黒鉛化度を有する。
【0019】この発明の第6の局面に従う電気化学電池
は、電池電極材を備え、電池電解式が流通式である電気
化学電池に関する。上記電池電極材は、炭素繊維、黒鉛
繊維および炭素繊維/黒鉛繊維からなる群より選ばれた
繊維布からなる。上記繊維布の表面には、プラズマ処
理、光化学処理またはイオン注入処理により導入された
C−O結合が存在している。上記C−O結合の濃度は、
上記繊維布の表面から内部へ向かって徐々に減少してい
る。上記繊維は、X線光電子分光法により求めた(酸素
原子数)/(炭素原子数)比が0.1〜3.0の酸化度
を有する。上記繊維は、ラマン分光法解析により求めた
R値が0.1〜1.2の黒鉛化度を有する。
【0020】この発明の第7の局面に従う電気化学電池
は、2価および/または3価のバナジウムイオンを含む
電解液に浸漬された負の電極と、5価および/または4
価のバナジウムイオンを含む電解液に浸漬された正の電
極とを備える。上記正および負の電極は、炭素繊維、黒
鉛繊維および炭素繊維/黒鉛繊維からなる群より選ばれ
た繊維布からなる。上記繊維布の表面には、プラズマ処
理、光化学処理またはイオン注入処理により導入された
C−O結合が存在している。上記C−O結合の濃度は、
上記繊維布の表面から内部へ向かって徐々に減少してい
る。上記繊維は、X線光電子分光法により求めた(酸素
原子数)/(炭素原子数)の比が0.1〜3.0の酸化
度を有する。上記繊維は、ラマン分光法解析により求め
たR値が0.1〜1.2の黒鉛化度を有する。
【0021】
【発明の実施の形態】実施の形態1 炭素繊維、黒鉛繊維または炭素繊維/黒鉛繊維(複合繊
維)からなる、繊維布を準備する。繊維布の表面を、プ
ラズマ処理、光化学処理、またはイオン注入処理する。
【0022】繊維布のプラズマ処理は、印加電圧200
W,ガス種酸素,ガス圧10Pa,温度常温,時間5分
で行なった。
【0023】光化学法による処理は、光源として低圧水
銀ランプ(メインピークで、254μm)を用い、出力
500W,ガス種大気雰囲気(大気圧),温度常温,時
間5分で行なった。
【0024】光化学法による処理は、光源としてYAG
レーザを用い、出力100W,ガス種酸素,ガス圧10
Pa,温度常温,時間5分で行なった。
【0025】イオン注入法による処理は、イオン種に酸
素を選び、加速電圧360keV,時間5分で行なっ
た。
【0026】また、ガス種として、酸素以外にも、窒
素,塩素、ホウ素、アルミニウム、イオウ、リンを用い
ての処理も行なった。
【0027】このような処理によって、繊維布の表面
に、C−O結合、C−N結合、C−Cl結合、C−B結
合、C−Al結合、C−S結合またはC−P結合を導入
することができた。これらの結合の濃度は、繊維布の表
面から内部に向かって、徐々に減少していることもわか
った。この点で、全体が酸化される熱処理品と異なって
いた。
【0028】得られた繊維布を電極として用い、全バナ
ジウムレドックスフロー電池を構成し、電池効率を測定
した。結果を表1に示す。
【0029】
【表1】
【0030】本発明によると、表1から明らかなよう
に、電池効率の高められた電池電極材が得られる。ま
た、この発明によれば、従来、電池効率が低い、内部抵
抗が大きいという理由で、使用ができなかった黒鉛繊維
を、電極材に用いることができる。また、従来の熱処理
と比べ、酸化度を上げることができた。したがって、酸
化度を上げにくく、使用できなかった黒鉛繊維にも使用
できるようになるのである。また、繊維の表面だけを短
時間で処理できる。繊維に微妙なクラックが生じ、実効
的な反応表面積を増やすこともできるという効果も奏す
る。
【0031】実施の形態2 従来、黒鉛化度はX線解析で求めていた。しかしこの方
法では、不正確であった。なぜなら、この方法は、電極
全体のバルク分析法であり、電極は繊維表面と内部で構
造が違う。電池は表面反応に基づいているという理由か
ら、上記方法は不正確であった。本実施の形態では、表
面分析法であるラマン分析法で、黒鉛化度を測定した。
【0032】カーボンのラマンスペクトルはその結晶構
造によって、およそ2タイプに分かれることが報告され
ている。1600cm-1に現われるピークは黒鉛(グラ
ファイト)構造に、1300cm-1に現われるピークは
黒鉛構造の乱れ(未組織炭素構造)に起因するものであ
る。電極に用いる炭素材料は、黒鉛と未組織炭素が混在
した状態であり、原材料、黒鉛化焼成条件によって決ま
る。
【0033】図3および図4は、本発明によって得られ
た電池電極材のラマン分析結果を示す図である。図3の
ラマンスペクトルを示す資料は、R値(I1360
1580)が1.21のものである。
【0034】図4に示すラマンスペクトルを与えた資料
は、R値が0.35の値を示すものである。
【0035】0.1〜1.2の範囲のものは、電池使用
開始後の、電池効率の低下率が低い。電池効率の低下
は、電極の結晶構造が崩れるとともに酸素等が脱離する
ためである。そこで、炭素間結合が強い黒鉛構造の比率
を上げることにより効率低下を抑えることができること
がわかった。
【0036】表2に、R値と電池効率との間の見いださ
れた関係を整理する。
【0037】
【表2】
【0038】実施の形態3 上記処理を行なって、種々の酸化度を有する電池電極材
を用いて、全バナジウムレドックスフロー電池を構成
し、電池効率を求めた。
【0039】結果を表3に示す。
【0040】
【表3】
【0041】実施の形態4 繊維布の、片面だけを、上記プラズマ処理、光化学処
理、またはイオン注入処理し、親水化した電池電極材を
作った。酸化面を隔膜側に配置し、非酸化面を双極板側
に配置した。このようにすると、電池効率が上がること
が見いだされた。また、2枚重ねでないので、製造コス
トが下がるという効果も奏する。
【0042】実施の形態5 本実施の形態に用いる電池電極材は、繊維布の、一方の
面を、親水化処理し、他方の面を、フッ素含有するプラ
ズマで処理し、フッ化面とした。非フッ化面を隔膜側に
配置し、フッ化面を双極板側に配置し、全バナジウムレ
ドックスフロー電池を構成し、電池効率を測定した。結
果を表4に示す。
【0043】
【表4】
【0044】表4から明らかなように、このような処理
を行なうことにより、電池効率が向上するという効果を
奏した。また、2枚重ねでないので、コストを安くし
て、製造できるという利点もある。
【0045】実施の形態6 光化学処理として、0.1〜38μmの範囲内の波長を
含む光を用いて、電池電極材を製造した。また、光源と
して波長0.1〜0.6μmの範囲内の波長を含む水銀
ランプを用いて、光化学処理を行なった。さらに、波長
0.1〜38μmの範囲内の波長を含むレーザ光を用い
て、光化学処理を行なった。いずれの場合も、光子エネ
ルギが大きくなり、電池効率のよい電池電極材を与え
た。
【0046】実施の形態7 本実施の形態では、繊維布を、光化学処理する光とし
て、0.2〜38μmの範囲内の波長を含む自由電子レ
ーザ光を用いた。この実施の形態によれば、自由電子レ
ーザの短パルス(数PS)効果で、酸化度が、短時間で
上がるという効果を奏する。
【0047】実施の形態8 本実施の形態では、繊維布の上記処理を、5〜12μm
の範囲内の波長を含む自由電子レーザ光を用いた。自由
電子レーザの波長選択制御に、炭素結合振動モードを励
起することによって、さらに、酸化度を上げることがで
きるという効果を奏した。
【0048】実施の形態9 本実施の形態では、繊維布の上記処理を、処理後の繊維
径/処理前の繊維径が0.5〜0.9の範囲になるよう
に、上記処理を行なった。繊維径は、電子顕微鏡による
測定により求めた。
【0049】繊維径が小さくなることにより、電解液の
流れがよくなり、ポンプの動力の損失を低減できるとい
う効果を奏した。
【0050】実施の形態10 繊維布の上記処理により、一方の面を酸化面とし、反対
面をフッ化面になるように処理を行なった。両面での反
応度を、片面処理よりもさらに大きく変えることがで
き、ひいては電池効率をさらに上げることができた。つ
ぎに、フッ化度を種々変えて、電池効率を測定した。結
果を表5に示す。
【0051】
【表5】
【0052】実施の形態11 本実施の形態によれば、上記処理を行なって繊維布の、
少なくとも片面に、図5に示すような、溝2を形成し
た。繊維布1に溝2を形成することにより、電解液の流
れがよくなり、ポンプ動力の損失を低減できるという効
果を奏した。
【0053】処理前後の繊維径比を変えた場合と、溝を
有するものと有しないものとの、それぞれの圧力損失を
求めた結果を表6にまとめる。
【0054】
【表6】
【0055】なお、上記実施例では、本発明を、全バナ
ジウムレドックスフロー電池に適用する場合を例示した
が、この発明はこれに限られるものではなく、その他の
電気化学的電池、流通式(フロー式)電池に適用できる
ことは言うまでもない。本発明を適用することにより、
従来電池より、電池効率をさらに一層高めることができ
る。
【0056】以上、具体的な実施例を挙げてこの発明に
ついて説明したが、本発明は、その精神または主要な特
徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施する
ことができる。それゆえ、前述の実施例はあらゆる点で
単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本
発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであっ
て、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請
求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、すべて本発
明の範囲内のものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 レドックスフロー型2次電池の構成を示す図
である。
【図2】 電池セルスタックの構成を示す図である。
【図3】 ラマン分光法解析により、黒鉛化度を求める
方法を示す図である。
【図4】 ラマン分光法解析により、黒鉛化度を求める
方法を示す、他の図である。
【図5】 その表面に溝を有する電池電極材の断面図で
ある。
【符号の説明】
1 繊維布、2 溝。

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 炭素繊維、黒鉛繊維および炭素繊維/黒
    鉛繊維からなる群より選ばれた繊維布からなり、 その表面には、プラズマ処理、光化学処理またはイオン
    注入処理により導入されたC−O結合が存在しており、 前記C−O結合の濃度は、前記繊維布の表面から内部へ
    向かって、徐々に減少しており、 前記繊維は、X線光電子分光法により求めた(酸素原子
    数)/(炭素原子数)比が0.1〜3.0の酸化度を有
    し、 前記繊維は、ラマン分光法解析により求めたR値が0.
    1〜1.2の黒鉛化度を有する、電池電極材。
  2. 【請求項2】 前記繊維布の片面または両面が、酸素を
    含有するプラズマで処理されている、請求項1に記載の
    電池電極材。
  3. 【請求項3】 前記繊維布の片面または両面が、酸素を
    用いて、光化学処理されている、請求項1に記載の電池
    電極材。
  4. 【請求項4】 前記繊維布の片面または両面が、酸素を
    用いて、イオン注入法により処理されている、請求項1
    に記載の電池電極材。
  5. 【請求項5】 前記繊維布の一方の面に溝が形成されて
    いる、請求項1に記載の電池電極材。
  6. 【請求項6】 前記処理後の繊維の径を分子とし、前記
    処理前の繊維の径を分母とする比が0.5〜0.9であ
    る、請求項1に記載の電池電極材。
  7. 【請求項7】 炭素繊維、黒鉛繊維および炭素繊維/黒
    鉛繊維からなる群より選ばれた繊維布を準備する工程
    と、 前記繊維布の表面を、酸素を用いるプラズマ法により処
    理する工程と、を備え、 前記プラズマ法による処理の条件は、 C−O結合の濃度が、前記繊維布の表面から内部へ向か
    って徐々に減少し、 X線光電子分光法により求めた(酸素原子数)/(炭素
    原子数)比が0.1〜3.0の酸化度を有し、 前記繊維が、ラマン分光法解析により求めたR値が0.
    1〜1.2の黒鉛化度を有するように選ばれている、電
    池電極材の製造方法。
  8. 【請求項8】 炭素繊維、黒鉛繊維および炭素繊維/黒
    鉛繊維からなる群より選ばれた繊維布を準備する工程
    と、 前記繊維布の表面を、酸素を用い、光化学法により処理
    する工程と、を備え、 前記光化学法による処理の条件は、 C−O結合の濃度が、前記繊維布の表面から内部に向か
    って、徐々に減少し、 X線光電子分光法により求めた(酸素原子数)/(炭素
    原子数)比が0.1〜3.0の酸化度を有し、 前記繊維が、ラマン分光法解析により求めたR値が0.
    1〜1.2の黒鉛化度を有するように選ばれている、電
    池電極材の製造方法。
  9. 【請求項9】 炭素繊維、黒鉛繊維および炭素繊維/黒
    鉛繊維からなる群より選ばれた繊維布を準備する工程
    と、 前記繊維布の表面を、酸素を用い、イオン注入法により
    処理する工程と、を備え、 前記イオン注入法により処理する条件は、 C−O結合の濃度が、前記繊維布の表面から内部に向か
    って、徐々に減少し、 X線光電子分光法により求めた(酸素原子数)/(炭素
    原子数)比が0.1〜3.0の酸化度を有し、 前記繊維が、ラマン分光法解析により求めたR値が0.
    1〜1.2の黒鉛化度を有するように選ばれている、電
    池電極材の製造方法。
  10. 【請求項10】 前記イオン注入を、注入エネルギを1
    00keV〜2MeVで行なう、請求項9に記載の電池
    電極材の製造方法。
  11. 【請求項11】 前記光化学処理を、0.1〜38μm
    の波長を含む光を用いて行なう、請求項8に記載の電池
    電極材の製造方法。
  12. 【請求項12】 前記光化学処理を、0.1〜0.6μ
    mの波長を含む水銀ランプを用いて行なう、請求項11
    に記載の電池電極材の製造方法。
  13. 【請求項13】 前記光化学処理を、0.1〜38μm
    の波長を含むレーザ光を用いて行なう、請求項11に記
    載の電池電極材の製造方法。
  14. 【請求項14】 前記レーザ光に、5〜12μmの波長
    を含む自由電子レーザ光を用いる、請求項13に記載の
    電池電極材の製造方法。
  15. 【請求項15】 炭素繊維、黒鉛繊維および炭素繊維/
    黒鉛繊維からなる群より選ばれた繊維布からなり、 その表面には、プラズマ処理、光化学法またはイオン注
    入処理により導入されたC−O結合が存在しており、 前記C−O結合の濃度は、前記繊維布の表面から内部へ
    向かって、徐々に減少しており、 前記繊維は、X線光電子分光法により求めた(酸素原子
    数)/(炭素原子数)比が0.1〜3.0の酸化度を有
    し、 前記繊維は、ラマン分光法解析により求めたR値が0.
    1〜1.2の黒鉛化度を有する電極材を備える、電気化
    学電池。
  16. 【請求項16】 炭素繊維、黒鉛繊維および炭素繊維/
    黒鉛繊維からなる群より選ばれた繊維布からなり、 その表面には、プラズマ処理、光化学処理またはイオン
    注入処理により導入されたC−O結合が存在しており、 前記C−O結合の濃度は、前記繊維布の表面から内部へ
    向かって、徐々に減少しており、 前記繊維は、X線光電子分光法により求めた(酸素原子
    数)/(炭素原子数)比が0.1〜3.0の酸化度を有
    し、 前記繊維は、ラマン分光法解析により求めたR値が0.
    1〜1.2の黒鉛化度を有する電池電極材を備え、電池
    電解式が流通式である、電気化学電池。
  17. 【請求項17】 2価および/または3価のバナジウム
    イオンを含む電解液に浸漬された負の電極と、 5価および/または4価のバナジウムイオンを含む電解
    液に浸漬された正の電極とを備え、 前記正および負の電極は、炭素繊維、黒鉛繊維および炭
    素繊維/黒鉛繊維からなる群より選ばれた繊維布からな
    り、 前記繊維布の表面には、プラズマ処理、光化学処理また
    はイオン注入処理により導入されたC−O結合が存在し
    ており、 前記C−O結合の濃度は、前記繊維布の表面から内部へ
    向かって徐々に減少しており、 前記繊維は、X線光電子分光法により求めた(酸素原子
    数)/(炭素原子数)の比が0.1〜3.0の酸化度を
    有し、 前記繊維は、ラマン分光法解析により求めたR値が0.
    1〜1.2の黒鉛化度を有する、電気化学電池。
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