CN106602018A - 锂离子电池负极材料及制备方法及含该材料的电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域,具体地说是锂离子电池负极材料及制备方法及含该材料的电池,其特征在于,依次采用如下制备步骤:制备5‑15wt%的硅浆料;制备10‑50wt%树脂醇溶液;将含硅浆料、树脂醇溶液和球形石墨、导电剂混合均匀后,减压蒸发掉溶剂得前躯体;将前躯体与高温沥青,按重量比10∶1‑2∶1高速混料后,再机械融合1‑30min得融合料;将融合料在包覆釜里边搅拌边加热热解;再在惰性气氛下烧结炭化,再筛分即得锂离子电池负极材料。本发明与现有技术相比,制备的锂离子电池负极材料具有比表面积小、纳米硅均匀分散在基体表面、材料表面能形成稳定的SEI膜,首次效率高、循环好、倍率性能高等。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域,具体地说是锂离子电池负极材料及制备方法及含该材料的电池。
背景技术
石墨的理论容量仅为372mAh/g,而硅的理论容量达4200mAh/g,为提高锂离子电池能量密度,近几年国内外对含硅负极材料研究越来越多,其研究又大多集中在对硅充放电过程中产生的体积膨胀上。
在解决硅充放电过程膨胀问题上,较多的研究之一为硅纳米化、硅与基体结合缓冲膨胀等手段;研究中有采用机械融合等手段达到增强硅与基体之间的结合力,如申请号201310703654.6的发明专利,采用对分散有纳米硅粉的空心石墨进行机械融合及沥青包覆的方式制备锂离子电池负极材料。该发明虽然一定程度上能降低硅的膨胀、提高纳米硅与石墨基体的结合力,但是存在纳米硅粉在基体表面分散性不好、不能保证沥青牢固包覆在材料表面等缺点,而且利用球磨方式来制备空心石墨只是一种理想方式,实际很难操作。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足,克服了现有纳米硅与基体分散不均匀、结合力不强、碳表面修饰效果差、BET较大、不能产业化等问题。
实现上述目的,设计一种锂离子电池负极材料的制备方法,其特征在于,依次采用如下制备步骤:
(1)、将硅粉与纯乙醇进行湿法球磨,球磨至D50为50-150nm,得固含量在5-15wt%硅浆料;
(2)、另取纯乙醇,将树脂溶解于纯乙醇中,得浓度为10-50wt%树脂醇溶液;
(3)、将含硅浆料、树脂醇溶液和球形石墨、导电剂混合均匀后,减压蒸发掉溶剂得前躯体;
其中,以硅浆料中的硅粉、树脂醇溶液中的树脂、球形石墨、导电剂4种材料的总重量计,硅粉占所述总重量的5-30wt%;树脂粉末占所述总重量的5-20wt%;球形石墨占所述总重量的50-80wt%;导电剂粉末占所述总重量的0.5-3wt%;
(4)、将前躯体与高温沥青,按重量比10∶1-2∶1高速混料后,再机械融合1-30min得融合料;所述高温沥青的软化点为200-300℃;
(5)、将融合料在包覆釜里边搅拌边加热热解;
(6)、再在惰性气氛下烧结炭化,再筛分即得粒径为10-16um的锂离子电池负极材料;
所述树脂为能够溶于乙醇中的酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛、脲醛树脂、丙烯酸树脂树脂;
所述球形石墨为天然石墨,粒径为6~15μm;
所述的导电剂为碳黑Super-P、碳纳米管、纳米碳纤维。
所述湿法球磨是将硅粉粒径球磨至D50为80-120nm;所述球形石墨粒径为6~12μm。
所述包覆釜搅拌角速度为150-400r/min,,加热热解温度为350-650℃,保温时间1-5小时。
所述烧结炭化温度为800~1000℃,保温时间为1~6小时。
所述的硅粉占所述总重量的5-20wt%。
所述的树脂粉末占所述总重量的10-15wt%。
所述的球形石墨占所述总重量的63-70wt%。
所述的导电剂粉末占所述总重量的0.5-2wt%。
一种所述的制备方法制得的锂离子电池负极材料,其特征在于:制得粒径为10-16um的锂离子电池负极材料。
一种包含所述锂离子电池负极材料的锂离子电池。
本发明与现有技术相比,具有如下优势:
1、树脂以溶液状态存在,进行液相包覆,纳米硅可以均匀分散在石墨、无定形硬炭表面;
2、纳米硅、石墨与表层硬炭能形成核壳结构;
3、最外层无定形软炭附着在硬炭表面,形成牢固的双层壳层,有效提高了碳表面修饰效果;
4、机械融合能增强纳米硅与基体以及核与壳之间的贴合性;
从而制备的锂离子电池负极材料具有比表面积小、纳米硅均匀分散在基体表面、材料表面能形成稳定的SEI膜,首次效率高、循环好、倍率性能高等特点,而且该工艺适合工业化生产。
附图说明
图1为本发明中实施例4制得的锂离子电池负极材料扫描电镜(SEM)图。
图2为本发明中实施例4制得的锂离子电池的首次充放电曲线图。
具体实施方式
现结合附图及实施例对本发明作进一步地说明。
下列实施例中未注明具体条件的实验方法,按照常规方法和条件,或按照商品说明书选择。
本发明以下实施例中使用的原料购买厂家及其型号如下所示:
硅粉:购自上海中油企发粉体材料有限公司;
天然球形石墨:上海杉杉科技有限公司产,型号为SMGG系列。
高温沥青:购自中钢集团。
乙醇:均为分析纯级
实施例1
(1)取1Kg硅粉以乙醇为介质,在砂磨机内湿法研磨至D50粒径为150nm,得含硅5wt%的硅浆料;
(2)将聚乙烯醇缩丁醛粉末溶解于乙醇中,得浓度10wt%的聚乙烯醇缩丁醛树脂醇溶液;
(3)分别取硅浆料、树脂醇溶液、粒径15μm的天然石墨和导电炭黑适量,加入量按照折算后量计算,折算时按照占硅粉、树脂粉末、天然石墨粉末、导电剂4种纯粉末总质量的百分比计算,折算后硅粉加入比例为30wt%,树脂粉末加入比例为9wt%,石墨粉末加入比例为60wt%,导电剂粉末加入比例为1wt%,之后将混合液搅拌均匀,置于旋转蒸发设备中蒸去乙醇得到前躯体;
(4)将前躯体与软化点200℃的高温沥青按照重量比10∶1充分混合均匀,之后置于机械融合设备上融合30min,融和速度为2000转/分;
(5)将上述融合料在包覆釜内惰性气氛下边搅拌边加热,搅拌速度为400r/min,加热温度为650℃,保温时间5小时,自然降温出料;
(6)将步骤(5)中的包覆出料在氮气炉中升温至1000℃,保温6小时,自然降温出料,筛分后即得成品--粒径为16um锂离子电池负极材料。
以重量份数计,先将9份的CMC/Super-P/SBR预先混入200份的水中形成溶液,然后向上述溶液中加入91份锂离子电池负极材料。其中CMC:Super-P:SBR的重量比4.5∶2.0∶2.5,混合后形成浆料;
将所述浆料涂覆于厚度为15μm的铜箔上,经干燥、辊压成型为电极片。以锂箔为对电极,与上述制得的铜箔电极组成锂离子二次电池。所用电解液为含溶剂乙烯碳酸酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC)/碳酸甲乙酯(EMC)(体积比为1∶1∶1)、含电解质1mol/L六氟磷酸锂(LiPF6)配制成的溶液。采用聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯(PP/PE/PP)三层微孔隔膜,厚度为20μm。测试充放电电流密度为0.6mA/cm2,截止充放电电压为0.005-2.000V。
测定所述锂离子电池的初始容量、库仑效率、300周循环后的容量保持率及5C倍率如表1所示。
实施例2
(1)取1Kg硅粉以乙醇为介质,在砂磨机内湿法研磨至D50粒径为100nm,得含硅10wt%的硅浆料;
(2)将酚醛树脂溶解于乙醇中,得浓度30wt%的酚醛树脂醇溶液;
(3)分别取硅浆料、树脂醇溶液、粒径9μm的天然石墨和纳米碳纤维适量,加入量按照折算后量计算,折算时按照占硅粉、树脂粉末、天然石墨粉末、导电剂4种纯粉末总质量的百分比计算,折算后硅粉加入比例为15%,树脂粉末加入比例为13%,石墨粉末加入比例为70%,导电剂粉末加入比例为2%,之后将混合液搅拌均匀,置于旋转蒸发设备中蒸去乙醇得到前躯体;
(4)将前躯体与软化点250℃的高温沥青按照重量比8∶1充分混合均匀,之后置于机械融合设备上融合10min,融和速度为2000转/分;
(5)将上述融合料在包覆釜内惰性气氛下边搅拌边加热,搅拌速度为200r/min,加热温度为500℃,保温时间3小时,自然降温出料;
(6)将步骤(5)中的包覆出料在氮气炉中升温至9000℃,保温3小时,自然降温出料,筛分后即得成品--粒径为12um的锂离子电池负极材料;
按照实施例1中相同的方法组装电池并进行测试,其结果如表1所示。
实施例3
(1)取1Kg硅粉以乙醇为介质,在砂磨机内湿法研磨至D50粒径为50nm,得含硅15wt%的硅浆料;
(2)将脲醛树脂溶解于乙醇中,得浓度20wt%的脲醛树脂醇溶液;
(3)分别取硅浆料、树脂醇溶液、粒径6μm的天然石墨和纳米碳纤维适量,加入量按照折算后量计算,折算时按照占硅粉、树脂粉末、天然石墨粉末、导电剂4种纯粉末总质量的百分比计算,折算后硅粉加入比例为10%,树脂粉末加入比例为7%,石墨粉末加入比例为80%,导电剂粉末加入比例为3%,之后将混合液搅拌均匀,置于立式釜式蒸发设备中蒸去乙醇得到前躯体;
(4)将前躯体与软化点280℃的高温沥青按照重量比6∶1充分混合均匀,之后置于机械融合设备上融合5min,融和速度为2000转/分;
(5)将上述融合料在包覆釜内惰性气氛下边搅拌边加热,搅拌速度为250r/min,加热温度为400℃,保温时间2小时,自然降温出料;
(6)将步骤(5)中的包覆出料在氮气炉中升温至950℃,保温2小时,自然降温出料,筛分后即得成品——粒径为10um的锂离子电池负极材料。
按照实施例1中相同的方法组装电池并进行测试,其结果如表1所示。
实施例4
(1)取1Kg硅粉以乙醇为介质,在砂磨机内湿法研磨至D50粒径为80nm,得含硅8wt%的硅浆料;
(2)将酚醛树脂溶解于乙醇中,得浓度wt40%的酚醛树脂醇溶液;
(3)分别取硅浆料、树脂醇溶液、粒径12μm的天然石墨和纳米碳纤维适量,加入量按照折算后量计算,折算时按照占硅粉、树脂粉末、天然石墨粉末、导电剂4种纯粉末总质量的百分比计算,折算后硅粉加入比例为20%,树脂粉末加入比例为16%,石墨粉末加入比例为63.5%,导电剂粉末加入比例为0.5%,之后将混合液搅拌均匀,置于旋转蒸发设备中蒸去乙醇得到前躯体;
(4)将前躯体与软化点230℃的高温沥青按照重量比5∶1充分混合均匀,之后置于机械融合设备上融合15min,融和速度为2000转/分;
(5)将上述融合料在包覆釜内惰性气氛下边搅拌边加热,搅拌速度为150r/min,加热温度为600℃,保温时间1小时,自然降温出料;
(6)将步骤(5)中的包覆出料在氮气炉中升温至850℃,保温5小时,自然降温出料,筛分后即得成品——粒径为14um的锂离子电池负极材料。
按照实施例1中相同的方法组装电池并进行测试,其结果如表1所示。
实施例5
(1)取1Kg硅粉以乙醇为介质,在砂磨机内湿法研磨至D50粒径为120nm,得含硅12wt%的浆料;
(2)将丙烯酸树脂溶解于乙醇中,得浓度wt15%的丙烯酸树脂醇溶液;
(3)分别取硅浆料、树脂醇溶液、粒径8μm的天然石墨和纳米碳纤维适量,加入量按照折算后量计算,折算时按照占硅粉、树脂粉末、天然石墨粉末、导电剂4种纯粉末总质量的百分比计算,折算后硅粉加入比例为25%,树脂粉末加入比例为5%,石墨粉末加入比例为67%,导电剂粉末加入比例为3%,之后将混合液搅拌均匀,置于立式釜式蒸发设备中蒸去乙醇得到前躯体;
(4)将前躯体与软化点300℃的高温沥青按照重量比3∶1充分混合均匀,之后置于机械融合设备上融合4min,融和速度为2000转/分;
(5)将上述融合料在包覆釜内惰性气氛下边搅拌边加热,搅拌速度为300r/min,加热温度为350℃,保温时间4小时,自然降温出料;
(6)将(5)中的包覆出料在氮气炉中升温至950℃,保温1小时,自然降温出料,筛分后即得成品——粒径为11um的锂离子电池负极材料。
按照实施例1中相同的方法组装电池并进行测试,其结果如表1所示。
实施例6
(1)取1Kg硅粉以乙醇为介质,在砂磨机内湿法研磨至D50粒径为140nm,得含硅10wt%的浆料;
(2)将酚醛树脂溶解于乙醇中,浓度50wt%的酚醛树脂醇溶液;
(3)分别取硅浆料、树脂醇溶液、粒径14μm的天然石墨和纳米碳纤维适量,加入量按照折算后量计算,折算时按照占硅粉、树脂粉末、天然石墨粉末、导电剂4种纯粉末总质量的百分比计算,折算后硅粉加入比例为28%,树脂粉末加入比例为20%,石墨粉末加入比例为50%,导电剂粉末加入比例为2%,之后将混合液搅拌均匀,置于立式釜式蒸发设备中蒸去乙醇得到前躯体;
(4)将前躯体与软化点300℃的高温沥青按照重量比2∶1充分混合均匀,之后置于机械融合设备上融合25min,融和速度为2000转/分;
(5)将上述融合料在包覆釜内惰性气氛下边搅拌边加热,搅拌速度为350r/min,加热温度为450℃,保温时间3小时,自然降温出料;
(6)将步骤(5)中的包覆出料在氮气炉中升温至800℃,保温4小时,自然降温出料,筛分后即得成品——粒径为15um的锂离子电池负极材料。
按照实施例1中相同的方法组装电池并进行测试,其结果如表1所示。
表1:实施例1-6电池测试结果
由表1可知:本发明制备方法制备的锂电池负极材料性能好,使用该负极材料制得的锂离子电池初始容量大,容量均在670mAh/g以上,最高容量达1050mAh/g;库仑效率均在86%以上,最高达89.5%;300周后容量保持率均在75.5%以上,最高达93.2%;5C倍率均在96%以上,最高达99.7%。
一、本发明步骤(1)中,所述湿法球磨所用的溶剂介质为乙醇,是因为乙醇的极性小于水,能够降低纳米硅粉颗粒的表面能,减少后期团聚,并且省去了分散剂的使用;球磨介质使用乙醇同时也是为了与后期溶解树脂使用的溶剂保持一致,便于后续处理。
球磨硅粉粒径至D50为50-150nm,较佳地为80-120nm,硅的粒径越小,发生体积膨胀变化越小,越有利于电池循环,但其所需的球磨时间过长,能耗过高,不利于工业化生产;硅的粒径过大,其体积膨胀变化较大,会造成电池容量迅速衰减,因此选择球磨至硅粉的D50粒径为50-150nm能够兼具工艺产业化和降低电池膨胀程度的目的,实现更好的技术效果。
硅浆料的浓度为5-15%,浆料浓度太高容易堵塞球磨设备,浓度太低造成效率低成本升高。
二、步骤(2)中所述树脂为酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛、脲醛树脂、丙烯酸树脂等能够溶于乙醇中的树脂,较佳地为酚醛树脂;这些树脂热解后均为难石墨化的硬炭,具有充放电快、安全、循环好等特点。
所得树脂醇溶液中树脂浓度为10-50wt%。
所述硅浆料、树脂醇溶液以及所加入的球形石墨、导电剂的比例按照实际含有的硅粉、树脂粉末以及球形石墨粉、导电剂粉末比例计算。即,以硅浆料中的硅粉、树脂醇溶液中的树脂、球形石墨、导电剂4种材料的总重量计,硅粉5-30%,较佳地15-20%;树脂粉末5-20%,较佳地10-15%;球形石墨50-80%,较佳地为63-70%;导电剂粉末0.5-3%,较佳地0.5-2%。
所述石墨为天然石墨,粒径为6~15μm,较佳地为6-12um,石墨粒径越小越有利于分散、缓冲纳米硅粉的体积膨胀,但是小粒径球形石墨的制备比较困难。
所述导电剂为本领域常规使用的导电剂,如碳黑Super-P、碳纳米管、纳米碳纤维等,较佳地为纳米碳纤维。
液相体系能够很均匀的将纳米硅附着在石墨、硬炭基体上,并且所形成壳层厚度均匀。所述减压蒸发溶剂设备为立式的釜式,或卧式旋转式结构。
三、步骤(4)中,所述前躯体与高温沥青的混合比例为10∶1-2∶1,较佳地为8∶1-5∶1,混合时以混合均匀为准,高温沥青的软化点一般为200-300℃。
前躯体的壳层外面再修饰一层沥青软炭,能够填补硬炭较大的空隙,降低BET,同时双层壳的结构有利于材料表面耐电解液,形成稳定的SEI膜。
所述机械融合设备为本领域常用设备,前躯体在机械融合设备离心力作用下,颗粒被高速带动能够在转子和定子之间较均匀受到挤压、摩擦力,因此增强了颗粒表面和内部纳米硅、石墨、及树脂表面的结合力,同时增强了高温沥青与树脂表面间的结合力,有利于后期的包覆效果。融合时间为1-30min,较佳地为3-10min,融合时间不能太长,否则挤压、摩擦力容易破坏颗粒形貌,时间太短起不到融合的作用,融合后得前躯体。
四、步骤(5)中,所述包覆釜是领域内常见卧式结构,物料在惰性气氛下,边加热边搅拌,搅拌角速度为150-400r/min,较佳地200-250r/min,搅拌速度太慢釜里的物料会粘接成块,后续不好处理,搅拌速度太快容易使物料冲出到尾气接收部位。
加热温度为350-650℃,较佳地为400-500℃,保温时间1-5小时,较佳地为1-3小时。
所述惰性气氛为氮气、氩气等,较佳地为氮气。
五、步骤(6)中所述烧结炭化是在惰性或氮气气氛下进行,温度为800~1000℃,保温时间为1~6小时,较佳地为2-3小时,物料筛分后即得粒径为10-16um的锂离子电池负极材料。
对比实施例1
与实施例4相比,对比实施例1为直接采用纳米硅粉、酚醛树脂粉末、天然石墨、导电剂一起在包覆釜中搅拌、加热的固相包覆方式,最后进行烧结、筛分得到锂电池负极材料,具体制备步骤如下:
(1)分别取纳米硅粉、酚醛树脂粉末、粒径12μm的天然石墨和碳纤维适量进行混合,其中硅粉加入比例占总质量的百分比为20%,聚乙烯醇缩丁醛为16%,石墨粉末为63.5%,导电剂粉末加入比例为0.5%;将混合粉末与软化点230℃的高温沥青按照混5∶1充分混合均匀,之后置于机械融合设备上融合15min,融和速度为2000转/分;
(2)将上述融合料在包覆釜内惰性气氛下边搅拌边加热,搅拌速度为150r/min,加热温度为600℃,保温时间1小时,自然降温出料;
(3)将步骤(2)中的包覆出料在氮气炉中升温至850℃,保温5小时,自然降温出料,筛分后即得成品——粒径为13um的锂离子电池负极材料的。
按照实施例1中相同的方法组装电池并进行测试,其结果如表2所示。
对比实施例2
与实施例4相比,对比实施例2为不加入酚醛树脂醇溶液,其他步骤不变,具体制备步骤如下:
(1)取1Kg硅粉以乙醇为介质,在砂磨机内湿法研磨至D50粒径为80nm,得含硅浆料;
(2)分别取硅浆料、粒径12μm的天然石墨和纳米碳纤维适量,加入量按照折算后量计算,折算时按照占硅粉、天然石墨粉末、导电剂3种纯粉末总质量的百分比计算,折算后硅粉加入比例为23.8%,石墨粉末加入比例为75.6%,导电剂粉末加入比例为0.6%,之后将混合液搅拌均匀,置于旋转蒸发设备中蒸去乙醇得到前躯体;
(3)将前躯体与软化点230℃的高温沥青按照混5∶1充分混合均匀,之后置于机械融合设备上融合15min,融和速度为2000转/分;
(4)将上述融合料在包覆釜内惰性气氛下边搅拌边加热,搅拌速度为150r/min,加热温度为600℃,保温时间1小时,自然降温出料;
(5)将步骤(4)中的包覆出料在氮气炉中升温至850℃,保温5小时,自然降温出料,筛分后即得成品——粒径为12um锂离子电池负极材料。
按照实施例2相同的方法组装电池并进行测试,其结果如表2所示。
为说明上述实施例情况,现改变制备方案中的某些工艺,其他参数不变而制备的对比实施例电池性能与实施例4进行对比,以进一步说明本发明的积极进步效果,其结果见下表2。
表2:实施例4与对比实施例1和2电池测试结果对比
可以看出,2个对比实施例分别与实施例4相比,无论是首次容量、库伦效率还是容量保持、保持率和倍率都低于实施例4。
应理解,在阅读了本发明的上述内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.一种锂离子电池负极材料的制备方法,其特征在于,依次采用如下制备步骤:
(1)、将硅粉与纯乙醇进行湿法球磨,球磨至D50为50-150nm,得固含量在5-15wt%硅浆料;
(2)、另取纯乙醇,将树脂溶解于纯乙醇中,得浓度为10-50wt%树脂醇溶液;
(3)、将含硅浆料、树脂醇溶液和球形石墨、导电剂混合均匀后,减压蒸发掉溶剂得前躯体;
其中,以硅浆料中的硅粉、树脂醇溶液中的树脂、球形石墨、导电剂4种材料的总重量计,硅粉占所述总重量的5-30wt%;树脂粉末占所述总重量的5-20wt%;球形石墨占所述总重量的50-80wt%;导电剂粉末占所述总重量的0.5-3wt%;
(4)、将前躯体与高温沥青,按重量比10∶1-2∶1高速混料后,再机械融合1-30min得融合料;所述高温沥青的软化点为200-300℃;
(5)、将融合料在包覆釜里边搅拌边加热热解;
(6)、再在惰性气氛下烧结炭化,再筛分即得粒径为10-16um的锂离子电池负极材料;
所述树脂为能够溶于乙醇中的酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛、脲醛树脂、丙烯酸树脂树脂;
所述球形石墨为天然石墨,粒径为6~15μm;
所述的导电剂为碳黑Super-P、碳纳米管、纳米碳纤维。
2.如权利要求1所述的锂离子电池负极材料的制备方法,其特征在于,所述湿法球磨是将硅粉粒径球磨至D50为80-120nm;所述球形石墨粒径为6~12μm。
3.如权利要求1所述的锂离子电池负极材料的制备方法,其特征在于,所述包覆釜搅拌角速度为150-400r/min,,加热热解温度为350-650℃,保温时间1-5小时。
4.如权利要求1所述的锂离子电池负极材料的制备方法,其特征在于,所述烧结炭化温度为800~1000℃,保温时间为1~6小时。
5.如权利要求1所述的锂离子电池负极材料的制备方法,其特征在于,所述的硅粉占所述总重量的5-20wt%。
6.如权利要求1所述的锂离子电池负极材料的制备方法,其特征在于,所述的树脂粉末占所述总重量的10-15wt%。
7.如权利要求1所述的锂离子电池负极材料的制备方法,其特征在于,所述的球形石墨占所述总重量的63-70wt%。
8.如权利要求1所述的锂离子电池负极材料的制备方法,其特征在于,所述的导电剂粉末占所述总重量的0.5-2wt%。
9.一种如权利要求1~8任一项所述制备方法制得的锂离子电池负极材料,其特征在于:制得粒径为10-16um的锂离子电池负极材料。
10.一种包含如权利要求9所述锂离子电池负极材料的锂离子电池。
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