CN100479234C - 用于电化学电池的电极,其制造方法和包括其的电化学电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于电化学电池的电极,该电极包括涂布在集电体上的电极活性材料。该电极活性材料的上部比下部具有更大的孔隙度。该电化学电池的电极包括一种具有受控的孔隙度的活性材料和,在该电极被辊压后,内部的孔隙度等于或小于表面的孔隙度。结果,改善了电解液的浸渍特性,并且当电极被高速充电和放电时,容量减少相对低。从而,可获得优异的充电和放电特性。另外,包括该电极的电池显示出优异的充电和放电特性。

Description

用于电化学电池的电极,其制造方法和包括其的电化学电池
技术领域
本发明涉及一种具有受控孔隙度的用于电化学电池的电极和包括该电极的电化学电池,更具体地,本发明涉及一种电极,所述电极可以防止当辊压(roll pressed)时电极活性材料中出现不均匀的孔隙度并且改善充电和放电特性,以及包括该电极的电化学电池。
背景技术
作为二次电池的电化学电池用于便携式电子装置,目前对于电化学电池的需要日益增长。随着便携式装置的微型化、轻重量和高性能,需要高容量的电化学电池。
为了获得高容量的电化学电池,可以使用高容量的电极材料或者使用物理方法增加电极密度。
高容量的电极材料可以是金属,例如锂等。但是,当锂等重复地充电和放电时,在电极表面上会长出锂枝晶,从而造成电极短路。也就是说,金属的使用降低了稳定性。另一方面,因为没有副反应发生,碳材料的使用是安全的,并且碳材料粉末可被制成多种形状。然而,碳材料的使用导致低的电容。因此,为了增加电容,电极可通过辊压等挤压以增加其中的密度。
然而,当电极用辊压等挤压时,电极的密度增加,由于电极体积的减少,电极的孔隙率减少,由此降低了电解液的浸渍特性。在这种情况下,电解液不能渗入电极的内部,从而在电极与电解液之间的接触面积减少。因此,离子不能充分地传输到电极,由此不能获得充足的电池容量。此外,当电池以高速充电和放电时,电池的性能降低。
为了改善浸渍特性,现已经开发了许多技术。
例如,日本特许公开专利No.1994-060877中,通过等离子处理阳极或在阳极上吸附润湿剂以改善浸渍特性。当等离子处理时,阳极的表面变得粗糙。当润湿剂被吸附入阳极时,在电极和电解液之间的界面张力降低。
在日本特许公开专利No.1996-162155中,电解液的浸渍特性通过电解液中加入非离子型表面活性剂而改善。该专利与前述的专利不同之处在于充当润湿剂的非离子型表面活性剂是直接加入到电解液中,而非进入电极中。然而,这两个专利的基本原理是相同的。
当电极工作时,其中的温度增加,电极材料膨胀,从而电解液的量变得不足。因此,日本特许公开专利No.1999-086849中,使用高温电解液和导热材料制造电极,以便防止电解液的缺乏。
电极表面被改性或温度变化的这些传统方法是有效的。然而,当孔隙度由辊压等减少和电极与电解液之间接触面因此减少时,没有办法增加浸渍特性。
尤其是,当电极被辊压时,在电极表面上施加的压力最大以至于从电极内部到表面的孔隙度减少,密度增加。因此,即使当电极的内部有适当的孔隙度,电极表面具有小的孔隙度,电解液也不能渗透电极的内部。结果,需要一种可以获得具有适当表面孔隙度的电极的方法。
发明内容
本发明提供一种具有受控孔隙度的电化学电池电极。
本发明还提供一种包括该电极的电池。
本发明还提供制造该电极的方法。
根据本发明的一个方面,提供一种用于电化学电池的电极,该电极包括涂布在集电体上的电极活性材料,其中该电极活性材料上部的孔隙度大于该电极活性材料下部的孔隙度。
在接触电解液的电极活性材料表面上,孔隙度可为最大。
当电极活性材料与电解液之间接触的时间增加时,孔隙度可以增加。
电极活性材料可以是包括造孔材料的活性材料的烧结产品。
根据本发明的另一个方面,提供包括该电极的电化学电池。
根据本发明的又一个方面,提供一种形成电化学电池电极的方法,该方法包括:用电极活性材料涂布集电体;用造孔材料与电极活性材料的混合物涂布该涂布的集电体,由此形成电极;辊压该电极;烧结该辊压的电极。
附图说明
本发明的上述及其它特点和优点通过其示例性的具体实施方式的详细描述,以及参考附图将变得更显而易见,其中:
图1是辊压的氧化钴电极横截面的能量散射X射线光谱(EDS)图像;
图2是根据本发明实施方案涂有造孔材料并辊压的碳阳极的扫描电镜(SEM)图像;和
图3是去除造孔材料后的图2的碳阳极的SEM图像。
具体实施方式
根据本发明实施方案的用于电化学电池电极,包括具有恒定孔隙度的电极活性材料并在辊压后保持需要的孔隙度,从而确保需要的充电和放电特性。然而,在传统的情况下,在辊压时,电极表面附近的孔隙度基本上降低,从而电解液的浸渍特性降低。
辊压电极以减少电极的体积,由此增加其能量密度。此时,涂布在集电体上的活性材料层的厚度减少至原始厚度的一半或更少,最大的压力施加到位于集电体最远处的活性材料上,由此对位于集电体最远处的电极部分提供最大的密度和最小的孔隙度。
图1是用氧化钴、导电剂和粘合剂的混合物涂布集电体后并辊压该产品形成的电极的横截面的能量散射X射线光谱学(EDS)图像。在这种情况下,氧化钴用作阴极活性材料。图1中,白色部分代表用作活性材料的氧化钴,活性材料的密度随着远离集电体而逐步增加,这显示孔隙度逐渐降低。因此,集电体附近的孔隙度最大,表面附近最小,这在辊压电极中是普遍的。
另一方面,根据本发明实施方案的电化学电池电极中,涂布在集电体上的电极活性材料的上部可以具有的孔隙度等于或者大于下部。也就是说,与其中上部孔隙度小于下部孔隙度的传统电极相比,该电极可以具有不同的孔隙度模式。当比下部更接近于集电体的部分具有比下部更大的孔隙度时,在电解液首先接触电极的上部对于电解液的浸渍特性改善,从而电解液可以容易地渗入电极的内部。结果,电极的浸渍特性被改善。
该电极可在任何种类电化学电池中使用,例如,作为锂电池的阴极或者阳极,尤其是,作为碳阳极。金属材料可以容易地被电解液浸渍,但是碳材料具有相对差的浸渍特性,尤其是,当碳材料的密度由于辊压等增加时,浸渍特性非常差。碳材料可以是本领域使用的石墨等,但不局限于此。
在接触电解液的表面上的电极活性材料的孔隙度可为最大。在传统的辊压电极中,接触电解液的表面孔隙度是最小的,由此阻止电子或离子通过电解液移动到集电体附近的电极活性材料上,这样实质上减少了电极和电解液之间的接触面积。结果,电池的性能降低。因此,当接触电解液的表面附近的孔隙度增加时,该问题可以解决,同时电极的浸渍特性可被改善。
当电极活性材料和电解液之间接触时间增加时,电极活性材料的孔隙度增加。也就是说,电极活性材料可进一步包括可溶于电解液的造孔材料。当甚至在电池完全形成且电极接触电解液后,造孔材料开始溶解于电解液并产生孔隙,由此增加在电极表面上的孔隙度。
电极活性材料可通过具有造孔材料的活性材料的烧结而获得。在辊压电极活性材料中包括的造孔材料通过烧结热分解以便生成孔,并且由辊压导致的密度不均匀可以被防止。由烧结形成的孔隙尺寸和孔隙度分布可以根据造孔材料的颗粒尺寸、分布等控制。
造孔材料可以是热分解材料、可溶于电解液的材料、它们的混合物等,但不限于此。也就是说,可生成孔隙的任何材料可用于本发明的实施方案。图2是根据本发明的实施方案进一步用造孔材料涂布并随后辊压的电极的扫描电镜(SEM)图像。当电极在预定温度进行烧结时,造孔材料分解,孔隙度增加。图3是烧结后电极表面的SEM图像。图3中,孔隙度大于图2。
当造孔材料可以热分解时,造孔材料通过加热蒸发,留下孔隙。当造孔材料加热不分解时,与电解液接触之后产生孔隙。当造孔材料是热分解材料与可溶于电解液材料的混合物时,造孔材料的一些通过加热热分解形成孔隙,电解液渗入其中,并且剩余的造孔材料溶解于该渗入的电解液中,由此进一步生成孔隙。
热分解材料可为碳酸铵、碳酸氢铵、草酸铵等。
可溶于电解液的材料可以是容易溶解于非水电解质的盐,例如锂盐等。例如,该材料可以是LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiCF3SO3等。
造孔材料的量为0.1-10重量%,基于电极活性材料的总重量计。当造孔材料的量大于10重量%时,电极的密度降低。当造孔材料的量小于0.1重量%时,不产生受控的孔隙度效应。
根据本发明实施方案的电化学电池包括该用于电化学电池的电极。该电化学电池可以是锂电池,但不限于此。
现在描述该锂电池的制造方法,但是其它方法也可使用。
首先,通过混合阴极活性材料、导电剂、粘合剂和溶剂形成阴极活性材料组合物。该阴极活性材料组合物被直接涂布在金属集电体上并干燥,由此形成阴极板。或者,阴极活性材料组合物可以浇铸在单独的载体上,剥离,然后在金属集电体上层压,由此形成阴极板。
阴极活性材料可以是通常用于本领域的含有锂的金属氧化物。阴极活性材料的实例包括LiCoO2、LiMnxO2x、LiNi1-xMnxO2x(x=1,2)、Ni1-x-yCoxMnyO2,其中0≤x≤0.5和0≤y≤0.5等。详细地,阴极活性材料可以是一种化合物,其中锂可以被氧化和还原,如LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、LiFeO2、V2O5、TiS、MoS等。
导电剂可以为炭黑。粘合剂可以是偏二氟乙烯/六氟丙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯及其混合物、苯乙烯丁二烯橡胶聚合物等。溶剂可以为N-甲基吡咯烷酮、丙酮、水等。阴极活性材料、导电剂、粘合剂和溶剂的量与普通的锂电池的量相同。
用于锂电池的隔膜可以是通常用于锂电池的任何隔膜,并且优选为对于电解液的离子运动具有低阻力和优异电解液-结合能力(binding-capacity)的隔膜。详细地,该隔膜可以是玻璃纤维、聚酯、特氟纶(tefron)、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、或它们以纺织物或无纺织物形式的组合。在锂离子电池中,隔膜可以是可卷绕的聚乙烯、聚丙烯等。在锂离子聚合物电池中,使用对有机电解液具有优异浸渍能力的隔膜。
现在描述制造该隔膜的方法。
首先,隔膜组合物通过混合聚合物树脂、填充剂和溶剂而制造。该隔膜组合物可以直接涂布在电极的上部,由此形成隔膜。或者,该隔膜组合物可以浇铸在载体上,干燥,剥离,并在电极的上部层压。
聚合物树脂可以是用于电极板的任何粘合材料。详细地,聚合物树脂可以是偏二氟乙烯/六氟丙烯共聚物,聚偏二氟乙烯,聚丙烯腈,聚甲基丙烯酸甲酯或它们的混合物。
电解液可以含有选自LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiClO4、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、LiC4F9SO3、LiSbF6、LiAlO4、LiAlCl4、LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2),其中每个x和y均为自然数、LiCl、LiI等的至少一种化合物溶于溶剂中,该溶剂选自碳酸亚丙酯、碳酸亚乙酯、碳酸二乙酯、碳酸乙基甲基酯、碳酸甲基丙基酯、碳酸亚丁酯、苄腈、乙腈、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、γ-丁内酯、二氧戊烷(dioxorane)、4-甲基二氧戊烷(4-methyldioxorane)、N、N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲亚砜、二噁烷、1、2-二甲氧基乙烷、环丁砜(sulforane)、二氯乙烷、氯苯、硝基苯、碳酸二甲酯、碳酸甲基乙基酯、碳酸二乙酯、碳酸甲基丙基酯、碳酸甲基异丙基酯、碳酸乙基丙基酯、碳酸二丙酯、碳酸二丁酯、二甘醇及其混合物。
隔膜被插入阴极板和阳极板之间,由此形成电池结构。该电池结构被卷绕或折叠,然后密封在圆柱形或矩形的电池壳中,随后将有机电解液注入到该电池壳以完成该锂离子电池。
该电池结构可被沉积以形成可被有机电解液浸渍的双电池结构。生成物被密封在袋(pouch)中,形成锂离子聚合物电池。
现在将描述根据本发明的实施方案制造电化学电池电极的方法。
首先,将电极活性材料涂布在集电体上。然后,造孔材料和电极活性材料的混合物涂布在该涂布的集电体上,由此形成电极。该电极被辊压和烧结以形成电化学电池的电极。
或者,首先,将电极活性材料涂布在集电体上,然后造孔材料进一步涂布在该生成物上。随后,该顺序地涂布有活性材料和造孔材料电极被辊压和烧结,由此形成电化学电池的电极。
该电极可用于任何类型的电化学电池,如锂电池的阴极或阳极,尤其是作为碳阳极。该金属材料可容易地被电解液浸渍,但是碳材料具有相对差的浸渍特性,尤其是,当碳材料的密度由于辊压等增加时,浸渍特性非常差。该碳材料可以是用于本领域的石墨等,但不限于此。
造孔材料可以是热分解材料、可溶于电解液的材料或它们的混合物,但不局限于此。也就是说,可产生孔隙的任何类型材料可用作造孔材料。
热分解材料可以是碳酸铵、碳酸氢铵、草酸铵等。
可溶于电解液的材料可以是容易溶于非水电解液的盐,如锂盐等。例如,容易溶于非水电解质的材料是LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiCF3SO3等。
造孔材料的量为0.1-10重量%,以电极活性材料的总重量计。当造孔材料的量大于10重量%时,电极的密度降低。当造孔材料的量低于0.1重量%时,不产生受控的孔隙度效应。
尽管如上所述电极的制造方法是优选的,其它本领域已知的方法也可以使用,只要使用造孔材料的方法就可以使用。
以下,本发明将参考下列实施例详细描述。该实施例仅为说明性目的提供,并没有限制本发明范围的意图。
阳极电极的制造
实施例1
将150ml蒸馏水加入到97g石墨粉、1.5g丁苯橡胶(SBR)和1.5g羧甲基纤维素(CMC)的混合物中,使用机械混合装置搅拌30分钟,由此形成第一浆料。
使用刮刀将第一浆料涂布在10μm厚的Cu集电体上,形成约100μm的厚度,以使第一浆料具有8mg/cm2的密度,然后干燥第一浆料。
然后,将150ml蒸馏水加入到5g碳酸氢铵、97g石墨粉、1.5g SBR和1.5g CMC的混合物中,使用机械混合装置搅拌30分钟,生产第二浆料。第二浆料涂布在第一浆料上以使第二浆料具有约2mg/cm2的密度。
该合成的涂布后的Cu集电体被辊压以具有1.7g/cm2的密度,并在真空下,145℃干燥3小时,由此形成阳极板。
实施例2
将150ml蒸馏水加入到97g石墨粉、1.5gSBR和1.5g CMC的混合物中,使用机械混合装置搅拌30分钟,由此形成浆料。
使用刮刀将该浆料涂布在10μm厚的Cu集电体上,以便该浆料具有10mg/cm2的密度,然后干燥该浆料。
该涂布的Cu集电体进一步通过使用乙醇喷涂碳酸氢铵而涂布,以至于该涂布的碳酸氢铵具有约0.1mg/cm2的密度。
用浆料和碳酸氢铵顺序涂布的Cu集电体被辊压以具有1.7g/cm2的密度,然后在真空下145℃干燥3小时,由此形成阳极板。
实施例3
使用与实施例1相同的方法制造阳极板,除了使用草酸铵代替碳酸氢铵。
实施例4
使用与实施例2相同的方法制造阳极板,除了使用草酸铵代替碳酸氢铵。
实施例5
使用与实施例1相同的方法制造阳极板,除了使用LiClO4代替碳酸氢铵。
实施例6
使用与实施例2相同的方法制造阳极板,除了使用LiClO4代替碳酸氢铵。
实施例7
使用与实施例1相同的方法制造阳极板,除了使用草酸铵和LiClO4代替碳酸氢铵。
实施例8
使用与实施例2相同的方法制造阳极板,除了使用草酸铵和LiClO4代替碳酸氢铵。
实施例9
与实施例1相同条件下进行实验,除了碳酸氢铵的量用10g代替5g。
实施例10
与实施例1相同条件下进行实验,除了碳酸氢铵的量用20g代替5g。
实施例11
与实施例2相同条件下进行实验,除了涂布的碳酸氢铵具有0.2mg/cm2的密度。
实施例12
与实施例2相同的条件下进行实验,除了涂布的碳酸氢铵具有0.4mg/cm2的密度。
对比例1
与实施例1相同条件进行实验,除了不使用造孔材料。
对比例2
与实施例2相同条件进行实验,除了不使用造孔材料。
半电池的制造
实施例1-12和对比例1-2的每一个阳极板被切成2×3cm2的尺寸。使用该阳极板制造半电池,锂金属用作对电极,将2.3重量%的碳酸亚乙烯酯(VC)加入到由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、氟代苯(FB)和碳酸二甲基酯(DMC)以3∶5∶1∶1重量比形成的溶液中以形成电解液。
充电和放电试验
该半电池以每1g活性材料用35mA的恒定电流放电,直到相对锂电极获得0.001V。随后,该半电池以0.001V的恒压放电,直到电流减少到每1g的活性材料为3.5mA。
完全放电后的电池被放置约30分钟,然后以每1g活性材料为35mA的恒定电流充电,直到电压达到1.5V。
在上述0.1C放电/充电循环后,进行0.2C放电/充电2次循环、0.5C放电/充电1次循环、1C放电/充电1次循环、和2C放电/充电1次循环。使用高速充电容量与第二次0.2C充电容量之比测量高速充电/放电特性。实施例和对比例的结果见表1。
表1
  0.2C放电/充电容量(mAh)   0.2C放电/充电容量(mAh)   0.5C放电/充电容量(mAh)   1C放电/充电容量(mAh)   2C放电/充电容量(mAh)
  实施例1   23.98/20.86   20.83/20.44   20.47/20.29   20.00/19.93   19.63/18.53
  高速放电/充电特性 - 100% 99.3% 97.5% 90.7%
  实施例2   24.17/20.96   20.92/20.50   20.57/20.39   20.18/20.07   20.03/18.71
  高速放电/充电特性 - 100% 99.5% 97.9% 91.3%
  实施例3   23.64/20.87   20.73/20.38   20.38/20.24   20.00/19.82   19.54/18.46
  高速放电/充电特性 - 100% 99.3% 97.3% 90.6%
  实施例4   24.02/20.87   20.84/20.40   20.49/20.24   20.03/19.89   19.86/18.53
  高速放电/充电特性 - 100% 99.2% 97.5% 90.8%
  实施例5   23.64/21.08   20.91/20.52   20.38/20.31   20.00/19.86   19.51/18.33
  高速放电/充电特性 - 100% 99.0% 96.8% 89.3%
  实施例6   23.55/21.12   20.77/20.40   20.24/20.10   19.96/19.65   19.37/18.14
  高速放电/充电特性 - 100% 98.5% 96.3% 88.9%
  实施例7   23.98/20.98   20.83/20.56   20.47/20.35   20.07/20.03   19.63/18.84
  高速放电/充电特性 - 100% 99.0% 97.4% 91.6%
  实施例8   23.92/20.94   20.92/20.63   20.57/20.39   20.28/20.10   20.07/19.00
  高速放电/充电特性 - 100% 98.8% 97.4% 92.1%
  实施例9   23.97/20.77   20.80/20.38   20.38/20.24   19.96/19.80   19.47/18.35
  高速放电/充电特性 - 100% 99.3% 97.2% 90.0%
  实施例10   24.23/20.87   20.70/20.35   20.32/20.20   20.18/19.96   19.82/18.33
  高速放电/充电特性 - 100% 99.3% 98.1% 90.2%
  实施例11   24.30/20.52   20.70/20.52   20.38/20.17   19.96/19.12   19.40/17.54
  高速放电/充电特性 - 100% 98.3% 93.2% 85.5%
  实施例12   24.06/20.45   20.56/20.40   20.31/20.17   19.96/19.68   19.26/17.75
  高速放电/充电特性 - 100% 98.9% 96.5% 87.0%
  对比例1   22.91/19.76   20.30/20.03   20.12/19.67   18.00/17.96   16.57/13.91
  高速放电/充电特性 - 100% 98.2% 89.7% 69.4%
  对比例2   22.42/19.25   20.42/20.16   20.21/20.04   18.13/17.93   16.70/14.23
  高速放电/充电特性 - 100% 99.4% 88.9% 70.6%
如表1所示,当高速充电/放电时,包括根据实施例1-12的阳极板的半电池的充电容量基本上不降低,并保持在它们充电/放电能力的85%或更大,这相比包括对比例1和2的阳极板的半电池的最好情况高20%或更大。该优异的充电/放电特性可如下解释。在实施例1-12中电极活性材料的孔隙度使用造孔材料控制,以便电极活性材料和电解液之间的接触面积大于在对比例1和2中的接触面积。结果,电解液的浸渍特性改善,电解液可以顺利地渗入电极的内部,由此电极接触电解溶液的有效面积提高以至于离子可以更顺利地移动。由于这些优异的高速充电/放电特性,电池可以具有大的容量,从而防止性能降低。
根据本发明的电化学电池电极包括具有受控的孔隙度的电极活性材料。尤其是,在电极被辊压后,电极表面的孔隙度等于或大于电极内部的孔隙度,因此电解液的浸渍特性被改善,并且当以高速充电和放电时,电极电容发生的降低很少,且充电和放电特性改善。另外,包括该电极的电池显示出优异的充电和放电特性。
虽然已经参考其示例性实施方案具体展示和描述了本发明,但本领域普通技术人员可以理解各种形式上和细节上的变化均不背离如下列权利要求所定义的本发明的精神和范围。

Claims (11)

1.一种用于电化学电池的阳极电极,该电极包括涂布在集电体上的电极活性材料,其中该电极活性材料上部的孔隙度大于该电极活性材料下部的孔隙度,其中该电极活性材料通过含有造孔材料的活性材料的烧结而获得,该造孔材料的量是0.1-10重量%,基于该电极活性材料的总重量。
2.权利要求1所述的电极,其中与电解液接触的该电极活性材料的表面具有最大的孔隙度。
3.权利要求1所述的电极,其中该造孔材料是热分解材料、可溶于电解液的材料或它们的混合物。
4.权利要求3所述的电极,其中该热分解材料包括选自碳酸铵、碳酸氢铵和草酸铵的至少一种化合物。
5.权利要求3所述的电极,其中该可溶于电解液的材料包括选自LiClO4、LiBF4、LiPF6和LiCF3SO3的至少一种化合物。
6.包括权利要求1-5任一项所述电极的电化学电池。
7.一种形成用于电化学电池的电极的方法,该方法包括:
用阳极电极活性材料涂布集电体;
用造孔材料与该电极活性材料的混合物涂布该涂布后的集电体,由此形成电极;
辊压该电极;并
烧结该辊压的电极,
其中该造孔材料的量是0.1-10重量%,基于该电极活性材料的总重量。
8.一种形成用于电化学电池的电极的方法,该方法包括:
用阳极电极活性材料涂布集电体;
用造孔材料涂布该涂布后的集电体,由此形成电极;
辊压该电极;并
烧结该辊压的电极,
其中该造孔材料的量是0.1-10重量%,基于该电极活性材料的总重量。
9.权利要求7或8所述的方法,其中该造孔材料是热分解材料、可溶于电解液的材料或它们的混合物。
10.权利要求9所述的方法,其中该热分解材料包括选自碳酸铵、碳酸氢铵和草酸铵的至少一种化合物。
11.权利要求9所述的方法,其中该可溶于电解液的材料包括选自LiClO4、LiBF4、LiPF6和LiCF3SO3的至少一种化合物。
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