CN104112851B - 一种锂离子电池正极三元材料的表面包覆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种锂离子电池正极三元材料的表面包覆方法,一,将氟化锂与强极性溶剂按照0.1-100:100的质量比混合,搅拌成均一溶液A;二,将三元材料按质量比氟化锂:三元材料=0.05-10:100转入溶液A,继续搅拌形成悬浊液B;三,将非良性溶剂按质量比悬浊液B:非良性溶剂=0.1-100:1加入搅拌中的悬浊液B,形成悬浊液C,并陈化0.5-48小时;四,过滤悬浊液C,用易挥发的氟化锂不良溶剂洗涤滤饼,在50-100oC的条件下烘干滤饼;五,将滤饼煅烧,得到氟化锂包覆三元正极材料。本发明使得包覆较为均匀,有效抑制电极副反应,提高循环寿命,降低电池安全风险,且降低容量损失。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池正极三元材料的改性方法,尤其是指一种锂离子电池正极三元材料的表面包覆方法。
背景技术
锂离子二次电池因其容量高、体积小、寿命长、自放电率低及环境友好等优点,已普遍应用于生产生活中。然而,随着电子数码产品更新换代加快,以及新能源产业发展,锂离子二次电池正面临巨大的挑战,其中,能量密度高、寿命长和安全性高为锂离子二次电池的关键技术问题。
三元材料具有较高的能量密度,然而该三元材料存在循环寿命短及安全性差缺陷。其中,循环寿命短的原因在于充电状态下高化合价的Ni(镍)和电解液的副反应导致材料失效;安全性差的原因在于反应的不可控引发热失控,导致电池燃烧、爆炸等事故。
现有技术中,公开号为CN103682321A公开一种复合改性改善镍锰酸锂正极材料循环的方法,具体为:将正极材料通过包覆AlF3和MgF2以提高材料的稳定性,即将金属氟化物(AlF3,MgF2)包覆在LiNi0.5Mn1.5O4-xFx正极材料。
(JTransNon-ferrousMetalsSocChina,2007,17:1324)LiJiangang报道采用400oC水热法进行SrF2包覆Li(NiCoMn)1/3O2的方法。
然而,所述现有技术的包覆方法虽然改善了材料的循环稳定性,但并不能较好地解决包覆的均匀性问题,导致副反应抑制并不显著,同时大摩尔质量的包覆物引入,导致活性物质质量分数降低,进而降低容量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂离子电池正极三元材料的表面包覆方法,使得包覆较为均匀,有效抑制电极副反应,提高循环寿命,降低电池安全风险,且降低容量损失。
为达成上述目的,本发明的解决方案为:
一种锂离子电池正极三元材料的表面包覆方法,包括以下步骤:
第一步,将氟化锂与强极性溶剂按照0.1-100:100的质量比混合,搅拌成均一溶液A;混合溶液中的Li和F元素呈溶剂合离子的状态分散在溶剂中;
第二步,将三元材料按质量比氟化锂:三元材料=0.05-10:100转入溶液A,继续搅拌形成悬浊液B;Li和F元素依然是离子状态;
第三步,将非良性溶剂按质量比悬浊液B:非良性溶剂=0.1-100:1加入搅拌中的悬浊液B,形成悬浊液C,并陈化0.5-48小时;Li和F元素在三元材料重新沉淀析出;
第四步,过滤悬浊液C,用易挥发的氟化锂不良溶剂洗涤滤饼,在50-100oC的条件下烘干滤饼;滤饼为包覆了无定型LiF的三元正极材料;
第五步,将滤饼煅烧,升温速率0.05-20oC/min,加热到250-900oC,保持2-48小时,以0.5-10oC/min的速度冷却,得到氟化锂包覆三元正极材料。
进一步,所述氟化锂由锂或锂盐和氟及氟的化合物反应的产物。
进一步,锂盐为氧化锂、氢氧化锂、碳酸锂、硫酸锂、硝酸锂、氯化锂、甲酸锂、醋酸锂、草酸锂、柠檬酸锂、乳酸锂,或异丙醇锂;氟的化合物为金属氟化物或非金属氟化物。
进一步,金属氟化物为氟化钠或氟化钾。
进一步,强极性溶剂为二甲亚砜、二甲基甲酰胺、二乙基甲酰胺、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、或1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2-嘧啶酮中的一种或多种混合溶剂。
进一步,正极三元材料为Li-(Ni1-y-zCoyMnz)O2,其中,-0.1<x<0.2,0<y<1,0<z<1,正极三元材料的尺寸在200nm-100um。
进一步,步骤三中所述的非良性溶剂为水、乙醇、乙二醇、丙三醇、乙醚、甲乙醚、丙酮、丁烷、戊烷、正己烷、环己烷、庚烷、辛烷、石油醚、苯、甲苯、三氯甲烷、四氯乙烷、二硫化碳、四氢呋喃、乙腈或乙酸乙酯。
进一步,步骤三中非良性溶剂的质量为三元正极材料、氟化锂和强极性溶剂的总质量的10%至100倍,加入时悬浊液B的温度在强极性溶剂和非良性溶剂的熔点和沸点窗口的交集之内。
进一步,步骤四中所述的不良溶剂为乙醇、丙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、乙腈、正己烷、环己烷、辛烷、石油醚、苯、甲苯、二甲苯、三氯甲烷或四氢呋喃。
采用上述方案后,本发明将氟化锂作为包覆物溶解在强极性溶剂中形成含有包覆物的均匀溶液,加入被包覆的正极三元材料,充分搅拌均匀后,加入氟化锂的不良溶剂,使氟化锂在正极三元材料表面析出,形成均匀完全的包覆层,再经过煅烧处理,获得包覆均匀的正极三元材料。
该方法有效地减小正极三元材料和电解液之间的接触面,抑制了电解液在正极材料表面的副反应,提高了正极材料的电化学性能,提高循环寿命,降低电池安全风险,且降低容量损失;且所述包覆方法成本低廉,简便易行,包覆均匀,可得到电化学性能优越的包覆正极三元材料。
附图说明
图1是本发明实施例一的充放电循环图;
图2是本发明实施例二的充放电循环图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做详细描述。
实施例一
称取0.1-0.5g分析纯氟化锂加入到100g二甲亚砜溶剂中,搅拌5小时后形成均一的溶液。将100g尺寸在1-5微米的正极三元材料LiNi0.333Co0.333Mn0.333O2投入到上述溶液中,加热到30oC,500rpm电磁搅拌30分钟。在60oC并继续搅拌的情况下,向上述悬浊液加入30g的乙醇,按照2g/min的速度滴入,滴加完毕后继续保持温度和搅拌10小时,同时密封以免乙醇挥发。停止搅拌和加热,静置1小时,撇去上层清液,抽滤沉淀物,并用少量乙醇洗涤若干次。转入70oC鼓风烘箱内烘烤5小时。转入马弗炉,在空气中按照0.5oC/min的速度加热到600oC保持12小时,再以0.5oC/min的速度冷却到室温。
实施例二
称取0.5-1g分析纯氟化锂加入到100g二甲基甲酰胺溶剂中,搅拌2小时后形成均一的溶液。将200g粒径在5-10微米之间的正极三元材料LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2投入到上述溶液中,加热到40oC,1000rpm电磁搅拌10分钟。在40oC、继续搅拌的情况下,向上述悬浊液加入50g的乙酸乙酯,按照5g/min的速度滴入,滴加完毕后继续保持温度和搅拌5小时,同时密封以免乙酸乙酯挥发。停止搅拌和加热,静置1小时,撇去上层清液,抽滤沉淀物,并用少量乙酸乙酯洗涤若干次。转入70oC鼓风烘箱内烘烤5小时。转入马弗炉,在空气中按照1oC/min的速度加热到450oC保持24小时,再以1oC/min的速度冷却到室温。
实施例三
按照化学计量比称取1-2g分析纯氟化钠和氧化锂混合物加入到100g二乙基甲酰胺溶剂中,开始搅拌。在空气中微量水的帮助下,氧化锂生成氢氧化锂溶解,在搅拌10小时后形成均一的溶液。将200g尺寸在0.5-1微米的正极三元材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2投入到上述溶液中,加热到50oC,1000rpm电磁搅拌10分钟。在50oC、继续搅拌的情况下,向上述悬浊液加入70g的乙醇、丙醇、异丙醇等体积混合液,按照5g/min的速度滴入,滴加完毕后继续保持温度和搅拌5小时,同时密封以免甲醇、乙醇等体积混合液挥发。停止搅拌和加热,静置1小时,撇去上层清液,抽滤沉淀物,并用少量乙醇、丙醇、异丙醇等体积混合液洗涤若干次。转入70oC鼓风烘箱内烘烤5小时。转入马弗炉,在空气中按照1.5oC/min的速度加热到750oC保持6小时,再以1.5oC/min的速度冷却到室温。
实施例四
按照化学计量比称取2-4g分析纯氟化钠和氢氧化锂混合物加入到100g1,3-二甲基-2-咪唑啉酮溶剂中,搅拌2小时后形成均一的溶液。将200g尺寸在0.2-0.5微米的正极三元材料LiNi0.333Co0.333Mn0.333O2投入到上述溶液中,加热到70oC,1000rpm电磁搅拌10分钟。在70oC、继续搅拌的情况下,向上述悬浊液加入90g的乙二醇,按照5g/min的速度滴入,滴加完毕后继续保持温度和搅拌3小时。停止搅拌和加热,静置1小时,撇去上层清液,抽滤沉淀物,并用少量丙酮洗涤若干次。转入60oC鼓风烘箱内烘烤5小时。转入马弗炉,在空气中按照2oC/min的速度加热到300oC保持30小时,再以2oC/min的速度冷却到室温。
实施例五
按照化学计量比称取4-6g分析纯氟化钾和硝酸锂混合物加入到100g1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2-嘧啶酮溶剂中,搅拌2小时后形成均一的溶液。将200g尺寸在15-20微米的正极三元材料LiNi0.333Co0.333Mn0.333O2投入到上述溶液中,加热到90oC,1000rpm电磁搅拌10分钟。在90oC、继续搅拌的情况下,向上述悬浊液加入110g的丙三醇,按照5g/min的速度滴入,滴加完毕后继续保持温度和搅拌0.5小时。停止搅拌和加热,静置1小时,撇去上层清液,抽滤沉淀物,并用少量乙腈洗涤若干次。转入80oC鼓风烘箱内烘烤5小时。转入马弗炉,在空气中按照3oC/min的速度加热到200oC保持48小时,再以3oC/min的速度冷却到室温。
实施例六
按照化学计量比称取4-6g分析纯氟化钠和氯化锂混合物加入到80g二甲亚砜和1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2-嘧啶酮等体积比的混合溶剂中,搅拌2小时后形成均一的溶液。将150g尺寸在20-30微米的正极三元材料LiNi0.333Co0.333Mn0.333O2投入到上述溶液中,加热到30oC,1000rpm电磁搅拌10分钟。在30oC、继续搅拌的情况下,向上述悬浊液加入130g的乙醚,按照5g/min的速度滴入,滴加完毕后继续保持温度和搅拌15小时。停止搅拌和加热,静置1小时,撇去上层清液,抽滤沉淀物,并用少量乙醇洗涤若干次。转入70oC鼓风烘箱内烘烤5小时。转入马弗炉,在空气中按照4oC/min的速度加热到900oC保持2小时,再以4oC/min的速度冷却到室温。
实施例七
按照化学计量比称取4-6g分析纯氟化钠和硝酸锂混合物加入到60g二甲基甲酰胺、二甲亚砜和1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2-嘧啶酮等体积比的混合溶剂中,搅拌2小时后形成均一的溶液。将100g尺寸在30-45微米的正极三元材料LiNi0.333Co0.333Mn0.333O2投入到上述溶液中,加热到30oC,1000rpm电磁搅拌10分钟。在30oC、继续搅拌的情况下,向上述悬浊液加入150g的甲乙醚,按照5g/min的速度滴入,滴加完毕后继续保持温度和搅拌15小时。停止搅拌和加热,静置1小时,撇去上层清液,抽滤沉淀物,并用少量水洗涤若干次。转入80oC鼓风烘箱内烘烤5小时。转入马弗炉,在空气中按照5oC/min的速度加热到600oC保持10小时,再以5oC/min的速度冷却到室温。
实施例八
按照化学计量比称取4-6g分析纯氟化钠和醋酸锂混合物加入到40g二甲基甲酰胺、二甲亚砜和1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2-嘧啶酮等体积比的混合溶剂中,搅拌2小时后形成均一的溶液。将100g尺寸在45-60微米的正极三元材料LiNi0.333Co0.333Mn0.333O2投入到上述溶液中,加热到30oC,1000rpm电磁搅拌10分钟。在30oC、继续搅拌的情况下,向上述悬浊液加入146g的丙酮,按照5g/min的速度滴入,滴加完毕后继续保持温度和搅拌20小时。停止搅拌和加热,静置1小时,撇去上层清液,抽滤沉淀物,并用少量正己烷洗涤若干次。转入80oC鼓风烘箱内烘烤5小时。转入马弗炉,在空气中按照7oC/min的速度加热到500oC保持12小时,再以7oC/min的速度冷却到室温。
实施例九
按照化学计量比称取4-6g分析纯氟化钠与甲酸锂混合物加入到10g的1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、二乙基甲酰胺、二甲基甲酰胺、二甲亚砜和1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2-嘧啶酮等体积比的混合溶剂中,搅拌2小时后形成均一的溶液。将60g尺寸在80-100微米的正极三元材料LiNi0.333Co0.333Mn0.333O2投入到上述溶液中,加热到40oC,1000rpm电磁搅拌10分钟。在40oC、继续搅拌的情况下,向上述悬浊液加入250g的戊烷,按照5g/min的速度滴入,滴加完毕后继续保持温度和搅拌25小时。停止搅拌和加热,静置1小时,撇去上层清液,抽滤沉淀物,并用少量环己烷洗涤若干次。转入80oC鼓风烘箱内烘烤5小时。转入马弗炉,在空气中按照5oC/min的速度加热到600oC保持12小时,再以5oC/min的速度冷却到室温。
实施例十
按照化学计量比称取4-6g分析纯氟化钾与草酸锂混合物加入到4-6g的1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、二乙基甲酰胺、二甲基甲酰胺、二甲亚砜和1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2-嘧啶酮等体积比的混合溶剂中,搅拌5小时后形成均一的溶液。将40g尺寸在80-100微米的正极三元材料LiNi0.333Co0.333Mn0.333O2投入到上述溶液中,加热到40oC,1000rpm电磁搅拌10分钟。在40oC、继续搅拌的情况下,向上述悬浊液加入300g的正己烷,按照5g/min的速度滴入,滴加完毕后继续保持温度和搅拌30小时。停止搅拌和加热,静置1小时,撇去上层清液,抽滤沉淀物,并用少量庚烷洗涤若干次。转入50oC鼓风烘箱内烘烤5小时。转入马弗炉,在空气中按照5oC/min的速度加热到700oC保持12小时,再以5oC/min的速度冷却到室温。
实施例十一
按照化学计量比称取4-6g分析纯氟化钾与柠檬酸锂混合物加入到4-6g的1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、二乙基甲酰胺、二甲基甲酰胺、二甲亚砜和1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2-嘧啶酮等体积比的混合溶剂中,搅拌5小时后形成均一的溶液。将30g尺寸在10-15微米的正极三元材料LiNi0.333Co0.333Mn0.333O2投入到上述溶液中,加热到60oC,1000rpm电磁搅拌10分钟。在60oC、继续搅拌的情况下,向上述悬浊液加入400g的环己烷、庚烷、辛烷的等体积比混合液,按照5g/min的速度滴入,滴加完毕后继续保持温度和搅拌30小时。停止搅拌和加热,静置1小时,撇去上层清液,抽滤沉淀物,并用少量四氢呋喃洗涤若干次。转入100oC鼓风烘箱内烘烤5小时。转入马弗炉,在空气中按照5oC/min的速度加热到700oC保持12小时,再以5oC/min的速度冷却到室温。
实施例十二
按照化学计量比称取4-6g分析纯氟化钾与异丙醇锂混合物加入到4-6g的1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、二乙基甲酰胺、二甲基甲酰胺、二甲亚砜和1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2-嘧啶酮等体积比的混合溶剂中,搅拌5小时后形成均一的溶液。将30g尺寸在10-15微米的正极三元材料LiNi0.333Co0.333Mn0.333O2投入到上述溶液中,加热到60oC,1000rpm电磁搅拌10分钟。在60oC、继续搅拌的情况下,向上述悬浊液加入600g的石油醚、苯、甲苯的等体积比混合液,按照5g/min的速度滴入,滴加完毕后继续保持温度和搅拌30小时。停止搅拌和加热,静置1小时,撇去上层清液,抽滤沉淀物,并用少量石油醚洗涤若干次。转入60oC鼓风烘箱内烘烤5小时。转入马弗炉,在空气中按照5oC/min的速度加热到700oC保持12小时,再以5oC/min的速度冷却到室温。
实施例十三
按照化学计量比称取4-6g分析纯氟化钾与乳酸锂混合物加入到4-6g的1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、二乙基甲酰胺、二甲基甲酰胺、二甲亚砜和1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2-嘧啶酮等体积比的混合溶剂中,搅拌5小时后形成均一的溶液。将30g尺寸在10-15微米的正极三元材料LiNi0.333Co0.333Mn0.333O2投入到上述溶液中,加热到60oC,1000rpm电磁搅拌10分钟。在60oC、继续搅拌的情况下,向上述悬浊液加入800g三氯甲烷、四氯乙烷的等体积比混合液,按照5g/min的速度滴入,滴加完毕后继续保持温度和搅拌40小时。停止搅拌和加热,静置3小时,撇去上层清液,抽滤沉淀物,并用少量苯洗涤若干次。转入100oC鼓风烘箱内烘烤5小时。转入马弗炉,在空气中按照5oC/min的速度加热到700oC保持12小时,再以5oC/min的速度冷却到室温。
实施例十四
称取3g氟化锂加入到3g的1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、二乙基甲酰胺、二甲基甲酰胺、二甲亚砜和1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2-嘧啶酮等体积比的混合溶剂中,搅拌5小时后形成均一的溶液。将30g尺寸在10-15微米的正极三元材料LiNi0.333Co0.333Mn0.333O2投入到上述溶液中,加热到60oC,1000rpm电磁搅拌10分钟。在60oC、继续搅拌的情况下,向上述悬浊液加入1000g的二硫化碳,按照5g/min的速度滴入,滴加完毕后继续保持温度和搅拌48小时。停止搅拌和加热,静置5小时,撇去上层清液,抽滤沉淀物,并用少量甲苯洗涤若干次。转入100oC鼓风烘箱内烘烤5小时。转入马弗炉,在空气中按照3oC/min的速度加热到700oC保持12小时,再以3oC/min的速度冷却到室温。
实施例十五
称取3g氟化锂加入到3g的1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、二乙基甲酰胺、二甲基甲酰胺、二甲亚砜和1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2-嘧啶酮等体积比的混合溶剂中,搅拌5小时后形成均一的溶液。将30g尺寸在10-15微米的正极三元材料LiNi0.333Co0.333Mn0.333O2投入到上述溶液中,加热到60oC,1000rpm电磁搅拌10分钟。在60oC、继续搅拌的情况下,向上述悬浊液加入2000g的四氢呋喃,按照5g/min的速度滴入,滴加完毕后继续保持温度和搅拌48小时。停止搅拌和加热,静置5小时,撇去上层清液,抽滤沉淀物,并用少量甲苯洗涤若干次。转入100oC鼓风烘箱内烘烤5小时。转入马弗炉,在空气中按照3oC/min的速度加热到700oC保持12小时,再以3oC/min的速度冷却到室温。
实施例十六
称取3g氟化锂加入到3g的1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、二乙基甲酰胺、二甲基甲酰胺、二甲亚砜和1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2-嘧啶酮等体积比的混合溶剂中,搅拌5小时后形成均一的溶液。将30g尺寸在10-15微米的正极三元材料LiNi0.333Co0.333Mn0.333O2投入到上述溶液中,加热到60oC,1000rpm电磁搅拌10分钟。在60oC、继续搅拌的情况下,向上述悬浊液加入3300g的水,按照5g/min的速度滴入,滴加完毕后继续保持温度和搅拌1小时。停止搅拌和加热,静置0.5小时,撇去上层清液,抽滤沉淀物,并用少量乙醇洗涤若干次。转入70oC鼓风烘箱内烘烤5小时。转入马弗炉,在空气中按照3oC/min的速度加热到700oC保持12小时,再以3oC/min的速度冷却到室温。
Claims (7)
1.一种锂离子电池正极三元材料的表面包覆方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步,将氟化锂与强极性溶剂按照0.1-100:100的质量比混合,搅拌成均一溶液A;强极性溶剂为二甲亚砜、二甲基甲酰胺、二乙基甲酰胺、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、或1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2-嘧啶酮中的一种或多种混合溶剂;
第二步,将三元材料按质量比氟化锂:三元材料=0.05-10:100转入溶液A,继续搅拌形成悬浊液B;正极三元材料为Li-(Ni1-y-zCoyMnz)O2,其中0<y<1,0<z<1;
第三步,将非良性溶剂按质量比悬浊液B:非良性溶剂=0.1-100:1加入搅拌中的悬浊液B,形成悬浊液C,并陈化0.5-48小时;
第四步,过滤悬浊液C,用易挥发的氟化锂不良溶剂洗涤滤饼,在50-100oC的条件下烘干滤饼;
第五步,将滤饼煅烧,升温速率0.05-20oC/min,加热到250-900oC,保持2-48小时,以0.5-10oC/min的速度冷却,得到氟化锂包覆三元正极材料。
2.如权利要求1所述的一种锂离子电池正极三元材料的表面包覆方法,其特征在于,所述氟化锂由锂盐和氟的化合物反应的产物。
3.如权利要求2所述的一种锂离子电池正极三元材料的表面包覆方法,其特征在于,锂盐为氧化锂、氢氧化锂、碳酸锂、硫酸锂、硝酸锂、氯化锂、甲酸锂、醋酸锂、草酸锂、柠檬酸锂、乳酸锂,或异丙醇锂;氟的化合物为金属氟化物或非金属氟化物。
4.如权利要求1所述的一种锂离子电池正极三元材料的表面包覆方法,其特征在于,正极三元材料的尺寸在200nm-100um。
5.如权利要求1所述的一种锂离子电池正极三元材料的表面包覆方法,其特征在于,步骤三中所述的非良性溶剂为水、乙醇、乙二醇、丙三醇、乙醚、甲乙醚、丙酮、丁烷、戊烷、正己烷、环己烷、庚烷、辛烷、石油醚、苯、甲苯、三氯甲烷、四氯乙烷、二硫化碳、四氢呋喃、乙腈或乙酸乙酯。
6.如权利要求1所述的一种锂离子电池正极三元材料的表面包覆方法,其特征在于,步骤三中非良性溶剂的质量为三元正极材料、氟化锂和强极性溶剂的总质量的10%至100倍,加入时悬浊液B的温度在强极性溶剂和非良性溶剂的熔点和沸点窗口的交集之内。
7.如权利要求1所述的一种锂离子电池正极三元材料的表面包覆方法,其特征在于,步骤四中所述的氟化锂不良溶剂为乙醇、丙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、乙腈、正己烷、环己烷、辛烷、石油醚、苯、甲苯、二甲苯、三氯甲烷或四氢呋喃。
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