CN102969548B - 一种锂离子储能器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锂离子储能器件,包括壳体和置于所述壳体内的芯包,所述芯包包括若干芯包单体和第一隔膜,芯包单体堆叠设置,第一隔膜贴设于相邻两芯包单体之间;芯包单体包括一正极片、两负极片和两隔膜,正极片设置在两负极片之间,第二隔膜分别贴设于相邻的正极片与负极片之间,正极片包括依次叠加结合的正极电容器活性材料层、正极集流体基体和锂离子电池正极材料层;负极片包括依次叠加结合的负极电容器活性材料层、负极集流体基体和锂离子电池负极材料层。本发明储能器件的功率密度高,使用寿命长,结构简单、稳固。该锂离子储能器件制备方法工序简单、条件易控,生产效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂离子储能器件及其制备方法
背景技术
电源是各种电路都不可缺少的重要部分。在没有市电的情况下,只有采取将电能存储的方式才能满足电路使用,因此各种储能器件是移动用电系统的重要组成部分,其性能直接关系到移动用电器的使用寿命、功率特性等重要指标。
目前储能器件有一次电池、二次电池、超级电容器等。一次电池不可充电,无法反复使用,综合使用成本高。一次电池可反复充放电,是目前许多移动用电器的首选储能器件;目前,常见二次电池有:铅酸电池、镍福电池、镍氢电池、理离了电池、超级电容器等。铅酸电池、镍福电池有铅、锅重金属的污染,正逐步被世界各国限制使用;由十镍的价格小断上涨,镍氢电池的性价比也在不断下降。理离子电池和超级电容器是近年来出现的新型储能器件,具有明显的性能优势。铿离子电池能量密度高,但功率密度较低,寿命较短(1000次左右);超级电容器寿命长(可达10万次以上),功率密度大,但能量密度较低。
但是,现有技术均是以金属锂作为锂离子供给源,金属锂的存在使得组装过程不方便,同时也会带来各种不安全因素,在组装过程中容易引发安全问题。另外,现有另一锂离子电容器正极制备方法为:在正极的多孔炭材料或导电聚合物中掺入富锂化合物,活化时,实现对负极的预嵌。这样,在制备电极浆料时,多孔炭材料或导电聚合物与富锂化合物(例如钴酸锂)的比重相差很大,难以形成稳定均匀的浆料,导致浆料涂布困难,因此不适于大规模工业生产。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足,提供一种功率密度高,寿命长,结构简单的锂离子储能器件。
本发明的另一目的在于提供一种工序简单、条件易控,生产效率高锂离子储能器件制备方法。
为了实现上述发明目的,本发明实施例的技术方案如下:
一种锂离子储能器件,包括壳体和置于所述壳体内的芯包,所述芯包包括若干芯包单体和第一隔膜,若干个所述芯包单体之间堆叠设置,所述第一隔膜贴设于相邻两芯包单体之间;所述芯包单体包括一正极片、两负极片和两第二隔膜,所述正极片设置在两负极片之间,两个所述第二隔膜分别贴设于相邻的正极片与负极片之间。
以及,一种锂离子储能器件的制备方法,包括如下步骤:
制备若干芯包单体,获取若干第一隔膜、电池壳体;其中,所述芯包单体包括一正极片、两负极片和两第二隔膜,所述正极片设置在两负极片之间,两个所述第二隔膜分别贴设于相邻的正极片与负极片之间;
将芯包单体堆叠设置,并将第一隔膜贴设于相邻两芯包单体之间,制得芯包;
将所述芯包装设于所述电池壳体内,并经注液,封装,得到所述锂离子储能器件。
上述锂离子储能器件通过芯包单体堆叠设置,形成了一个个单体的锂离子电池与锂离子电容器的并联结构,克服了锂离子电池能量密度低,循环寿命差的缺点,避免了锂离子电容器能量密度低的缺点,从而提高了储能器件的功率密度,延长了储能器件的使用寿命。另外,该结构的锂离子储能器件结构简单,稳固。
上述锂离子储能器件制备方法将芯包单体1堆叠设置,并采用第一隔膜2将相邻的芯包单体1隔开即可,其制备工序简单、条件易控,生产效率高。
附图说明
图1是本发明实施例锂离子储能器件的正极片结构示意图;
图2是本发明实施例锂离子储能器件的负极片极片结构示意图;
图3是本发明实施例锂离子储能器件的芯包单体结构示意图;
图4是本发明实施例锂离子储能器件一优选结构示意图;
图5是本发明实施例锂离子储能器件制备方法工艺流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明作进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种功率密度高,寿命长,结构简单的锂离子储能器件。参见图1至图4,该锂离子储能器件包括壳体(图中未显示)和置于该壳体内的芯包,该芯包包括若干芯包单体1和第一隔膜2,该若干个芯包单体1之间相互堆叠设置,且第一隔膜2贴设于相邻两芯包单体1之间。其中,该芯包单体包括一正极片11、两负极片12和两第二隔膜13,正极片11设置在两负极片12之间,两个第二隔膜13分别贴设于相邻的正极片11与负极片12之间,如图3所示。这样,该锂离子储能器件通过芯包单体1堆叠设置,形成了一个个单体的锂离子电池与锂离子电容器的并联结构,克服了锂离子电池能量密度低,循环寿命差的缺点,避免了锂离子电容器能量密度低的缺点,从而提高了储能器件的功率密度,延长了储能器件的使用寿命。另外,该结构的锂离子储能器件结构简单,稳固。
优选地,如图1至3所示,作为本发明的一优选实施例,在芯包单体中,正极片11包括依次叠加结合的正极电容器活性材料层113、正极集流体基体112和锂离子电池正极材料层111,如图1所示;负极片12包括依次叠加结合的负极电容器活性材料层123、负极集流体基体122和锂离子电池负极材料层121,如图2所示,该结构的正极片11和负极片12结构稳固,层结构不易掉料、剥离、脱落,能有效提高锂离子储能器件的功率密度,同时改善了正极片11和负极片12的导电性能。另外,正极片11的锂离子电池正极材料层111与一负极片12的锂离子电池负极材料层121分别贴设于设置在相邻的正极片11、负极片12之间的第二隔膜13相对的两表面上,正极电容器活性材料层113与另一相邻负极片12的负极电容器活性材料层123分别贴设于设置在所述正极片11、另一相邻负极片12之间的另一第二隔膜13相对的两表面上。将锂离子电池正极材料层111与锂离子电池负极材料层121分别贴设于第二隔膜13相对的两表面上,能更进一步提高该储能器件的功率密度。
优选地,如图1至图4所示,作为本发明的优选实施例,上述正极电容器活性材料层113和负极电容器活性材料层123含有石墨烯,锂离子电池正极材料层111含有锂离子正极材料,锂离子电池负极材料层121含有锂离子负极材料。其中,锂离子正极材料优选为钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、镍锰酸锂、磷酸亚铁锂、磷酸锰锂、磷酸钒锂、导电聚合物中的至少一种,锂离子负极材料为天然石墨、人造石墨、硬碳、中间相碳微球、硅、氧化硅、二氧化硅、锡、氧化锡、导电聚合物中的至少一种。该锂离子电池正极材料层111、正极电容器活性材料层113、锂离子电池负极材料层121和负极电容器活性材料层123各层优选的材料种类能有效的增强正极片11、负极片12的导电性能,进一步提高该储能器件的功率密度,同时使得正极片11、负极片12结构稳定。该锂离子电池正极材料层111、正极电容器活性材料层113、锂离子电池负极材料层121和负极电容器活性材料层123各层优选的材料含量参见下文中的步骤S11和S13。此外,第一隔膜2和第二隔膜13材质,大小可以相同也可以不同。
优选地,如图1至图4所示,作为本发明的优选实施例,正极电容器活性材料层113的厚度为20~80μm,锂离子电池正极材料层111的厚度为10~150μm;负极电容器活性材料层123的厚度为20~80μm,锂离子电池负极材料21的厚度为10~150μm。该各层优选的厚度范围在进一步改善正极片11、负极片12的导电性能,提高该储能器件的功率密度的同时,增强了锂离子电池正极材料层111、正极电容器活性材料层113与正极集流体基体112结合的强度,增强了锂离子电池负极材料121、负极电容器活性材料层123与负极集流体基体122结合的强度。
具体地,如图4所示,作为本发明一优选实施例,该锂离子储能器件包括壳体(图中未显示)、置于所述壳体内的芯包,该芯包包括两个芯包单体1和一个第一隔膜2,该第一隔膜2贴设于两个芯包单体1之间,从而构成芯包。该具体结构的锂离子储能器件的功率密度,性能稳定,寿命长,同时,结构简单,稳固。
本发明实施例还提供了一种上述锂离子储能器件制备方法,该方法工序简单、条件易控,采用二次涂布,生产效率高。该锂离子储能器件制备方法的工艺流程如图5所示,同时参见图1至图4,包括如下步骤:
S1:制备若干芯包单体1,获取若干第一隔膜2、电池壳体;其中,芯包单体1包括一正极片11、两负极片12和两第二隔膜13,正极片11设置在两负极片12之间,两个第二隔膜13分别贴设于相邻的正极片11与负极片12之间;
S2:将若干个芯包单体1堆叠设置,并将第一隔膜2贴设于相邻两芯包单体1之间,制得芯包;
S3:将芯包装设于电池壳体内,并经注液,封装,得到该锂离子储能器件。
具体地,上述步骤S1中,正极片11的制备方法优选包括如下步骤:
S11:配制正极电容器活性材料浆料、锂离子电池正极浆料和获取正极集流体基体112;
S12:将正极电容器活性材料浆料涂布在正极集流体基体112一表面上,并将锂离子电池正极浆料涂布在正极集流体基体112的与涂布有正极电容器活性材料浆料面相对的表面上,并经烘干、冷压、二次烘干、裁片、分条,制得正极片11。
上述步骤S11中的正极电容器活性材料浆料优选包含如下质量百分比的配方组份:
石墨烯85~95%
第一导电剂3~10%
第二粘接剂2~5%;
其中,第一导电剂优选为导电炭黑、乙炔炭黑中的至少一种,第一粘接剂优选为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的至少一种。该优选配方的正极电容器活性材料浆料配制后,各组份分散均匀,浆料的稳定性高,经涂布、烘干后形成正极电容器活性材料层113,并能与正极集流体基体112紧密结合,不易脱落。同时石墨烯组份及其含量有效的修饰了正极片11,提高了储能器件的功率密度,另外还增强了正极片11的导电性能。
上述正极电容器活性材料浆料配制方法是先按照其配方称取各组份,再将各组份混合,搅拌均匀即可。
上述锂离子电池正极浆料优选包含如下质量百分比的配方组份:
锂离子正极材料85~95%
第二导电剂3~10%
第二粘接剂2~5%;
其中,锂离子正极材料如上文所述,优选为钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、镍锰酸锂、磷酸亚铁锂、磷酸锰锂、磷酸钒锂、导电聚合物中的至少一种;第二导电剂优选为导电炭黑、乙炔炭黑中的至少一种;第二粘接剂优选为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的至少一种。该优选配方的锂离子电池正极浆料配制后,各组份分散均匀,能形成均匀、稳定的浆料,有效的克服了如背景技术中所述的现有正极浆料各组份比重相差较大,分散不均,稳定性差的不足。
上述锂离子电池正极浆料配制方法是先按照其配方称取各组份,再将各组份混合,搅拌均匀即可。
上述正极集流体基体112优选为集流体铝箔,当然也可以是本领域常用的其他材质和形状的正极集流体基体。
上述步骤S12中,涂布正极电容器活性材料浆料、锂离子电池正极浆料的方法可以按照本领域常用的方法涂布。其中,该正极电容器活性材料浆料和锂离子电池正极浆料在正极集流体基体112表面的涂布量优选保证待干燥后的厚度如上文所述的20~80μm。
在上述步骤S1中,负极片12的制备方法优选包括如下步骤:
S13:配制负极电容器活性材料浆料、锂离子电池负极浆料和获取负极集流体基体122;
S14:将该负极电容器活性材料浆料涂布在负极集流体基体122一表面上,并将锂离子电池负极浆料涂布在负极集流体基体122的与涂布有负极电容器活性材料浆料面相对的表面上,并经烘干、冷压、二次烘干、裁片、分条,制得负极片12。
上述步骤S13中的锂离子电池负极浆料优选包含如下质量百分比的配方组份:
锂离子负极材料85~95%
第三导电剂3~10%
第二粘接剂2~5%;
其中,锂离子负极材料优选为天然石墨、人造石墨、硬碳、中间相碳微球、硅、氧化硅、二氧化硅、锡、氧化锡、导电聚合物或其混合。第三导电剂优选为导电炭黑、乙炔炭黑中的至少一种;第三粘接剂优选为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的至少一种。
上述锂离子电池负极浆料配制方法是先按照其配方称取各组份,再将各组份混合,搅拌均匀即可。
上述负极电容器活性材料浆料的配方和配制方法如同上述步骤S11中的正极电容器活性材料浆料配方和配制方法,为了节约篇幅,在此不再赘述。
上述负极集流体基体122优选为集流体铜箔,当然也可以是本领域常用的其他材质和形状的负极集流体基体。
上述步骤S14中,涂布负极电容器活性材料浆料、锂离子电池负极浆料的方法可以按照本领域常用的方法涂布。其中,该负极电容器活性材料浆料和锂离子电池负极浆料在负极集流体基体122表面的涂布量优选保证待干燥后的厚度如上文所述的20~80μm。
在上述步骤S1中,经上述步骤S11、S12制备的正极片11包括依次叠加结合的正极电容器活性材料层113、正极集流体基体112和锂离子电池正极材料层111。经上述步骤S13、S14制备的负极片12包括依次叠加结合的负极电容器活性材料层123、负极集流体基体122和锂离子电池负极材料层121。
在上述步骤S1中,正极片11和负极片12制备过程中即上述步骤S12正极片11制备和烘干上述步骤S14负极片12制备过程中,烘干、冷压、二次烘干、裁片、分条等工艺步骤可以按照本领域常用的方法进行。
第一隔膜2和第二隔膜13在本发明中没有特别限制,选取本领常用的隔膜即可。
具体地,上述步骤S2中,将步骤S1中制备芯包单体堆叠设置,具体的堆叠设置方式参照图3。其中,在芯包单体1中,正极片11的锂离子电池正极材料层111与一负极片12的锂离子电池负极材料层121相对设置,中间用第二隔膜13隔开,正极锂电材料层111与另一相邻负极片12中的负极锂电材料层121相对,中间用另一第二隔膜13隔开。
上述步骤S3中,芯包的装设,注液,封装工艺没有特别要求,按照本领域常规方法进行即可。
上述锂离子储能器件制备方法将芯包单体1堆叠设置,并采用第一隔膜2将相邻的芯包单体1隔开即可,其制备工序简单、条件易控,生产效率高。
现以具体的锂离子储能器件及其制备方法为例,对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
一种锂离子储能器件,其结构如图3、图4所示,该锂离子储能器件包括壳体(图未显示)、置于所述壳体内的芯包,该芯包包括两个芯包单体1和一个第一隔膜2,该第一隔膜2贴设于两个芯包单体1之间,从而构成芯包。该芯包单体1包括一正极片11、两负极片12和两第二隔膜13,正极片11设置在两负极片12之间,两个第二隔膜13分别贴设于相邻的正极片11与负极片12之间,其中,正极片11包括依次叠加结合的厚度为50μm的正极电容器活性材料层113、集流体铝箔112和厚度为80μm的锂离子电池正极材料层111,负极片12包括依次叠加结合的厚度为50μm的负极电容器活性材料层123、集流体铜箔122和厚度为80μm的锂离子电池负极材料层121,且正极片11的锂离子电池正极材料层111与一负极片12的锂离子电池负极材料层121分别贴设于设置在该相邻的正极片11、负极片12之间的第二隔膜13相对的两表面上,正极电容器活性材料层113与另一相邻负极片12的负极电容器活性材料层123分别贴设于设置在所述正极片11、另一相邻负极片12之间的另一第二隔膜13相对的两表面上。
上述锂离子储能器件制备步骤如下:
S11.制备两个芯包单体1,获取一第一隔膜2、电池壳体;其中,芯包单体1制备步骤如下:
S111.正极片11的制备:先将石墨烯与导电炭黑、粘接剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比85∶10∶5混合均匀配制成正极电容器活性材料浆料,将钴酸锂、导电炭黑、粘接剂PVDF按质量比95∶2.5∶2.5混合均匀配制成锂离子电池正极材料浆料,再将正极电容器活性材料浆料涂布在集流体铝箔112一表面上,并将锂离子电池正极浆料涂布在流体铝箔112的与涂布有正极电容器活性材料浆料面相对的表面上,并经烘干、冷压、二次烘干、裁片、分条,制得正极片11;
S112.负极片12的制备:先将配制成负极电容器活性材料浆料(即照正极电容器活性材料浆料),将人造石墨、导电炭黑、粘接剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比90∶6∶4混合均匀配制成锂离子电池负极材料浆料,再将负极电容器活性材料浆料涂布在集流体铜箔122一表面上,并将锂离子电池负极浆料涂布在流体铜箔122的与涂布有负极电容器活性材料浆料面相对的表面上,并经烘干、冷压、二次烘干、裁片、分条,制得负极片12;
S113.将上述制备的一正极片11设置在两负极片12之间,相邻的正极片11与负极片12之间分别用第二隔膜13隔开,且使得正极片11的锂离子电池正极材料层111与一负极片12的锂离子电池负极材料层121相对,正极锂电材料层111与另一相邻负极片12中的负极锂电材料层121相对;
S12:将若干个芯包单体1堆叠设置,并将第一隔膜2贴设于相邻两芯包单体1之间,制得芯包;
S13:将该芯包装设于所述电池壳体内,并经注液,封装,得到所述锂离子储能器件。
该具体结构的锂离子储能器件的功率密度,性能稳定,寿命长,同时,结构简单,稳固。
实施例2
一种锂离子储能器件,其结构与实施例1相同,其示意图如图3所示,不同之处在于每片正极片11包括依次叠加结合的厚度为20μm的正极电容器活性材料层113、集流体铝箔112和厚度为10μm的锂离子电池正极材料层111;每片负极片11包括依次叠加结合的厚度为20μm的负极电容器活性材料层23、集流体铜箔22和厚度为10μm的锂离子电池负极材料层21。
该锂离子储能器件制备方法参照实施例1锂离子储能器件制备方法,不同之处在于正、负极电容器活性材料浆料由石墨烯与乙炔炭黑、粘接剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比90∶7∶3混合均匀配制成;锂离子电池正极材料浆料由镍钴锰酸锂、乙炔炭黑、粘接剂聚四氟乙烯按质量比85∶10∶5混合均匀配制成;锂离子电池负极材料浆料由氧化硅、导电炭黑、粘接剂聚四氟乙烯按质量比95∶3∶2混合均匀配制成。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种锂离子储能器件,包括壳体和置于所述壳体内的芯包,其特征在于:所述芯包包括若干芯包单体和第一隔膜,若干个所述芯包单体之间堆叠设置,所述第一隔膜贴设于相邻两芯包单体之间;所述芯包单体包括一正极片、两负极片和两第二隔膜,所述正极片设置在两负极片之间,两个所述第二隔膜分别贴设于相邻的正极片与负极片之间;
在所述芯包单体中,所述正极片包括依次叠加结合的正极电容器活性材料层、正极集流体基体和锂离子电池正极材料层;所述负极片包括依次叠加结合的负极电容器活性材料层、负极集流体基体和锂离子电池负极材料层;所述锂离子电池正极材料层与所述锂离子电池负极材料层分别贴设于设置在相邻的所述正极片、负极片之间的所述第二隔膜相对的两表面上;所述正极电容器活性材料层与另一相邻负极片的负极电容器活性材料层分别贴设于设置在相邻的所述正极片、另一相邻负极片之间的另一所述第二隔膜相对的两表面上。
2.根据权利要求1所述的锂离子储能器件,其特征在于:所述正极电容器活性材料层和负极电容器活性材料层含有石墨烯;
所述锂离子电池正极材料层含有锂离子正极材料;
所述锂离子电池负极材料层含有锂离子负极材料。
3.根据权利要求2所述的锂离子储能器件,其特征在于:所述锂离子正极材料为钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、镍锰酸锂、磷酸亚铁锂、磷酸锰锂、磷酸钒锂中的至少一种;
所述锂离子负极材料为天然石墨、人造石墨、硬碳、中间相碳微球、硅、氧化硅、二氧化硅、锡、氧化锡、导电聚合物或其混合。
4.根据权利要求1至3任一项所述的锂离子储能器件,其特征在于:所述正极电容器活性材料层的厚度为20~80μm,所述锂离子电池正极材料层的厚度为10~150μm;
所述负极电容器活性材料层的厚度为20~80μm,所述锂离子电池负极材料层的厚度为10~150μm。
5.一种锂离子储能器件的制备方法,包括如下步骤:
制备若干芯包单体,获取若干第一隔膜、电池壳体;其中,所述芯包单体包括一正极片、两负极片和两第二隔膜,所述正极片设置在两负极片之间,两个所述第二隔膜分别贴设于相邻的正极片与负极片之间;
将若干个芯包单体堆叠设置,并将第一隔膜贴设于相邻两芯包单体之间,制得芯包;
将所述芯包装设于所述电池壳体内,并经注液,封装,得到所述锂离子储能器件;
所述正极片的制备方法包括如下步骤:
配制正极电容器活性材料浆料、锂离子电池正极浆料和获取正极集流体基体;
将所述正极电容器活性材料浆料涂布在所述正极集流体基体一表面上,将所述锂离子电池正极浆料涂布在所述正极集流体基体的与涂布有正极电容器活性材料浆料面相对的表面上,并经烘干,冷压,二次烘干,裁片,分条,制得正极片;
所述负极片的制备方法包括如下步骤:
配制负极电容器活性材料浆料、锂离子电池负极浆料和获取负极集流体基体;
将所述负极电容器活性材料浆料涂布在所述负极集流体基体一表面上,将所述锂离子电池负极浆料涂布在所述负极集流体基体的与涂布有负极电容器活性材料浆料面相对的表面上,并经烘干,冷压,二次烘干,裁片,分条,制得负极片;
所述芯包单体中,所述正极活性材料层与一负极片的负极活性材料层相对,中间用所述第二隔膜隔开,所述正极锂电材料层与另一相邻负极片中的负极锂电材料层相对,中间用另一所述第二隔膜隔开。
6.根据权利要求5所述的锂离子储能器件的制备方法,其特征在于:所述正极电容器活性材料浆料和负极电容器活性材料浆料包含如下质量百分比的配方组份:
石墨烯85~95%
第一导电剂3~10%
第一粘接剂2~5%。
7.根据权利要求6所述的锂离子储能器件的制备方法,其特征在于:所述锂离子电池正极浆料包含如下质量百分比的配方组份:
锂离子正极材料85~95%
第二导电剂3~10%
第二粘接剂2~5%;
所述锂离子正极材料为钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、镍锰酸锂、磷酸亚铁锂、磷酸锰锂、磷酸钒锂中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的锂离子储能器件的制备方法,其特征在于:所述锂离子电池负极浆料包含如下质量百分比的配方组份:
锂离子负极材料85~95%
第三导电剂3~10%
第三粘接剂2~5%;
所述锂离子负极材料为天然石墨、人造石墨、硬碳、中间相碳微球、硅、氧化硅、二氧化硅、锡、氧化锡、导电聚合物中的至少一种。
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