CN109613055A - 一种圆柱电池径向导热系数的稳态测定方法与测定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种圆柱电池径向导热系数的稳态测定方法与测定装置，在圆柱电池的芯轴中空部位安置钢管加热器来测定圆柱电池的导热系数；所述的钢管加热器包括绝缘柱、电热丝、中空钢壳、绝缘带以及内部温度传感器，圆柱电池外壳贴敷温度传感器，放置在隔热箱体中进行加热，达到稳态后获得圆柱电池的内部温度与外部温度之差以及热阻，并根据稳态导热原理计算圆柱电池的导热系数。本发明能够实现对圆柱电池导热系数进行直接原位测量，使测量结果真实和准确，可测试不同工况温度下的圆柱电池导热系数测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种圆柱电池径向导热系数的稳态测定方法与该测定方法使用的测定装置，属于储能电池热物性参数研究与热管理技术领域。
背景技术
以锂离子电池为主的圆柱电池因功率密度高、一致性好和能量存储转换方便等优势，目前越来越多应用于消费电子与乘用车辆领域。然而，圆柱电池在运行中大倍率充放电会产生较多的热量，不及时耗散容易引发电池容量和寿命衰减，甚至导致电池热失控。随着使用年限的提高，电池正负极材料与集流极之间的粘接性下降，电解液损耗，导热与导电性能会进一步下降，即使在正常充放电也有可能导致产热增加，加大热失控风险。
圆柱电池的径向导热系数是一个重要热物性参数，预示电池升温速度和内部温差幅度，是进行电池有效热管理的关键热物性参数。因此，为了评估圆柱电池的升温特性以及内部温差，需要确定电池的径向导热系数等热物性参数，从而实现对圆柱电池的有效热管理与温度管控。由于圆柱电池包栝电芯、正负极极耳、正极端盖等零部件以及易挥发电解液，呈现非均质特征，互相干扰，导致圆柱电池导热系数测量尤为困难。
申请公布号为CN 108170914A的发明专利公开了一种圆柱卷绕式锂离子动力电池热物性参数的原位求取方法，该方法在仿真软件中搭建简化的18650电池二维轴对称传热模型，该传热模型中包含该电池不同方向上的导热系数以及热参数，通过软件仿真拟合电池外部加热时的表面温度分布来获取导热系数。该方法不能直接测量圆柱电池的径向导热系数，必须通过仿真软件试凑实验结果，计算时间长，测量难度高。由于搭建的电池传热模型与电池的真实结构状态存在一定的差异，并没有实现对电池导热系数的直接测量，因此测量精度难以保证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种圆柱电池径向导热系数的稳态测定方法，能够实现对圆柱电池进行直接测量，使测量结果更加真实和准确。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：
一种圆柱电池径向导热系数的稳态测定方法，包括以下步骤：
S1、对待测圆柱电池进行放电至一定的荷电状态，通过开口方式在圆柱电池的芯轴中空部位内置与隔膜材料紧密接触的圆柱形钢管加热器，所述钢管加热器内部安装一个或数个热电偶并引出正负极引线，并对圆柱电池开口处用密封胶进行密封、固化；
S2、将所述钢管加热器的正负极引线与外部的直流稳压电源连接，通过所述钢管加热器给圆柱电池提供恒定加热功率Q；
S3、沿所述圆柱电池外表面轴向等距贴敷一个或数个温度传感器，接着将圆柱电池置于温控箱之内，在温控箱内安装检测箱内温度的外部温度传感器，并将所述热电偶、温度传感器及外部温度传感器分别与数据采集仪相连输出温度信号；
S4、控制所述温控箱的初始温度值保持在To，通过钢管加热器给圆柱电池加热，外部通过自然对流或风冷散热，记录电池内部温度Ti与温控箱内温度To,当圆柱电池内部温度变化为连续5分钟内保持在0.2℃时认为达到稳态，记录稳态电池内部温度Ti与外部温度To,获取圆柱电池的内部温度与外部温度之差△T＝Ti-To；
S5、根据电池电芯的长度Lo和外径Do，钢管加热器的长度Li、内径Di2、外径Di1、导热系数ki，利用公式
计算所述圆柱电池的径向导热系数k。
上述测试方法，根据现有圆柱电池的结构特征，打开电池的电池脖颈处进行切割去除正极端盖或者负极外壳，在圆柱电池芯轴处的中空部分，设置钢管加热器来测定圆柱电池的径向导热系数；在所述钢管加热器内部植入热电偶，通过恒定加热获得所述圆柱电池的稳态内部温度与外部温度，根据所测量的内外温度差计算径向导热系数。所述圆柱电池开口比芯轴中空尺寸稍大，不破坏电池正负极结构，使测试结果与真实电池的结果一致。
进一步，为了降低测试误差，在步骤S2中，所述钢管加热器给圆柱电池加热的时间不低于30s，圆柱电池内部的温升幅度不低于5℃，考虑到圆柱电池的热安全性与热稳定性，其最大内部温度Ti不高于70℃。
作为优选，在步骤S1中，所述开口方式为在电池脖颈处进行切割去除正极端盖进行切割；在步骤S2中，钢管加热器的长度与电芯长度相等，钢管加热器从开口处插入芯轴中，钢管加热器的上端与下端与电芯相平齐，钢管加热器上端与电池外壳之间的缝隙内用密封胶填充。
或者，在步骤S1中，所述开口方式为在负极外壳正对芯轴处开设孔洞并去除负极极耳与外壳的连接；在步骤S2中，钢管加热器的长度与电芯长度相等，钢管加热器从开口处插入芯轴中，钢管加热器的上端与下端与电芯相平齐，钢管加热器下端与电池外壳之间的缝隙内用密封胶填充。相对于在正极端盖开口，在负极外壳处开口能减少电解液的损耗，使得测试结果更精确。
或者，在步骤S1中，所述开口方式为在电池脖颈处进行切割去除正极端盖和负极外壳正对芯轴处钻洞开口并去除负极极耳与外壳的连接；在步骤S2中，钢管加热器的长度与电芯长度相等，钢管加热器从开口处插入芯轴中，钢管加热器的上端与下端与电芯相平齐，钢管加热器的上、下端与电池外壳之间的缝隙内用密封胶填充。在圆柱电池的上下端同时开口，方便从上下端引线与直流电源连接。
进一步，所述密封胶为环氧胶或者硅胶，通过湿气固化或者加成反应固化。可防止电池正负极内部隔膜中所吸附电解液的泄露，使测试结果与真实电池的结果一致。
进一步，在测试方法中所用钢管加热器包括电热丝、绝缘柱和中空钢管，所述绝缘柱位于中空钢管内，绝缘柱内安装有一个或者多个热电偶，
所述电热丝螺旋缠绕在绝缘柱上，在中空钢管与电热丝之间包裹一层耐高温电绝缘胶带，电电热丝与热电偶从中空钢管的一端或者两端引出，所述热电偶的温度探头在绝缘柱中部穿过绝缘胶带与中空钢管内壁紧密接触。
本发明所要解决的第二个技术问题在于提供用于上述圆柱电池径向导热系数稳态测定方法的测量装置，它包括支架、圆柱电池和数据采集仪，所述支架和圆柱电池设置在温控箱内，
所述圆柱电池通过棉线悬挂在支架上，圆柱电池在电池脖颈处进行切割去除正极端盖或者负极外壳正对芯轴处开设有内径稍大于芯轴中空尺寸的圆柱形孔洞并去除负极极耳与外壳的连接，在芯轴的中空处放置有圆柱形钢管加热器，所述钢管加热器与圆柱电池最内层的隔膜材料紧密贴合，钢管加热器的端部与电池外壳之间的缝隙内用密封胶填充，钢管加热器通过导线与温控箱外的直流电源相连接，
所述钢管加热器包括电热丝、绝缘柱和中空钢管，所述绝缘柱位于中空钢管内，绝缘柱内安装有一个或者多个热电偶，所述电热丝螺旋缠绕在绝缘柱上，在中空钢管与电热丝之间包裹一层耐高温电绝缘胶带，
电热丝与热电偶从中空钢管的一端或者两端引出，所述热电偶的温度探头在绝缘柱中部穿过电绝缘胶带与中空钢管内壁紧密接触，
沿所述圆柱电池外表面轴向等距贴敷数个温度传感器，温控箱内安装有检测箱内温度的外部温度传感器，所述热电偶的引线、温度传感器以及外部温度传感器分别与数据采集仪相连，所述数据采集仪发送信号给无线记录操作台，所述无线记录操作台与计算机相连接。
通过上述测定装置，通过钢管加热器实现对圆柱电池的恒定加热，并能准确收集圆柱电池的内部温度和外部温度；温控箱能够控制外部环境的初始温度T0恒定不变，确保圆柱电池的导热系数计算精确性；并能通过调节温控箱内的初始温度并重复测量过程，测试不同工况温度下圆柱电池的导热系数。
进一步，为了方便固定热电偶，所述绝缘柱的内表面沿轴向刻有沟槽，所述热电偶顺着沟槽引到绝缘柱的中部。
进一步，所述中空钢管的壁厚为0.1-0.5mm。。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明圆柱电池径向导热系数的稳态测定方法通过在电池顶部或者底部开口方式内置加热器，不改变电池内部电芯结构与相对位置的情况下，能够直接测量电池的导热系数，热电偶和温度传感器分别贴敷于圆柱电池的芯轴中空处与外表面，属于原位测量；并通过负极正对芯轴处开孔并去除负极极耳与电池外壳的连接，减少了干扰因素，能够直接、准确测量电池的径向导热系数，测量结果更加真实、准确。
2、本发明的测定装置成本低，便于操作，通过调节温控箱初始温度并重复测量过程，能够测试不同工况温度下的圆柱电池径向导热系数，可为圆柱电池厂家、电动汽车企业等机构提供可靠的圆柱电池径向导热系数测试数据，并用于电池热管理与热失控防护设计。
附图说明
图1为本发明在圆柱电池负极外壳处开口并安装钢管加热器的结构示意图。
图2为本发明在圆柱电池脖颈处进行切割去除正极端盖并安装钢管加热器的结构示意图。
图3为本发明在圆柱电池的上、下端开口并安装钢管加热器的结构示意图。
图4为本发明圆柱电池径向导热系数的测定装置的结构示意图。
图1至4中：1、电池上盖；2、粘结胶；3、正极垫片4、电池上盖顶盖5、防爆阀；6、正极连接盖；7、电热丝；8、绝缘柱；9、电池外壳；10、负极；11、隔膜；12、正极；13、负极垫片；14、电绝缘胶带；15、中空钢管；16、负极极耳；17、正极极耳；18、内部温度传感器；19、密封胶；20、支架；21、棉线；22、温控箱；23、温度传感器；24、圆柱电池；28、外部温度传感器；29、直流电源；30、数据采集仪；31、无线记录操作台；32、计算机。
图5为本发明中钢管加热器一实施例的结构示意图(电热丝从一端引出)。
图6为本发明中钢管加热器另一实施例的结构示意图(电热丝从两端引出)。
图7为采用本发明测定方法，初始温度T0为10℃时圆柱电池径向导热系数测量温度变化图。图中，a为电池内部温度；b为电池壁面温度；c为温控箱内温度。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。根据下面的说明，本发明的目的、技术方案和优点将更加清楚。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的优选实施例，而不是全部的实施例。
本实施例采用常用的松下18650圆柱电池，正极为钴酸锂，直径为18.2mm,长度为65mm，内部中空的芯轴内径为3.5mm,其最内层为隔膜材料。
结合图1至图4所示，一种圆柱电池径向导热系数的稳态测定方法，包括以下步骤：
S1、对待测圆柱电池24进行放电至一定的荷电状态，比如放电至10％的荷电状态，然后在电池脖颈处进行切割去除正极端盖或者在负极外壳正对芯轴处开设一内径稍大于芯轴中空尺寸的孔洞A并去除负极极耳16与外壳9的连接；在圆柱电池的芯轴中空部位内置与隔膜材料紧密接触的圆柱形钢管加热器B，所述钢管加热器B内部安装一个或数个热电偶18并引出正负极引线，并对圆柱电池开口处用密封胶19进行密封、固化；
S2、将所述钢管加热器B的正负极引线与外部的直流稳压电源29连接，通过所述钢管加热器B给圆柱电池提供恒定加热功率Q；
S3、沿所述圆柱电池外表面轴向等距贴敷一个或数个温度传感器23，接着将圆柱电池24置于温控箱22之内，在温控箱22内安装检测箱内温度的外部温度传感器28，并将所述热电偶18、温度传感器23及外部温度传感器28分别与数据采集仪30相连输出温度信号；
S4、控制所述温控箱的初始温度值保持在To，通过钢管加热器给圆柱电池加热，外部通过自然对流或风冷散热，记录电池内部温度Ti与温控箱内温度To,当圆柱电池内部温度变化为连续5分钟内保持在0.2℃时认为达到稳态，记录稳态电池内部温度Ti与外部温度To,获取圆柱电池的内部温度与外部温度之差△T＝Ti-To；
S5、根据电池电芯的长度Lo和外径Do，钢管加热器的长度Li、内径Di2、外径Di1、导热系数ki，利用公式
计算所述圆柱电池的径向导热系数k。
当钢管加热器长度与电芯长度相同时，Li＝Lo，上式简化为
为了降低测试误差，在步骤S2中，所述钢管加热器给圆柱电池加热的时间不低于30s，圆柱电池内部的温升幅度不低于5℃，考虑到圆柱电池的热安全性与热稳定性，其最大内部温度Ti不高于70℃。
参考图5和图6，所述钢管加热器包括电热丝7、绝缘柱8和中空钢管15，所述绝缘柱8位于中空钢管15内，绝缘柱8内安装有一个或者多个热电偶18。所述电热丝7螺旋缠绕在绝缘柱8上，在中空钢管15与电热丝7之间包裹一层耐高温电绝缘胶带14，电电热丝7与热电偶18从中空钢管15的一端或者两端引出，所述热电偶18的温度探头在绝缘柱中部穿过电绝缘胶带14与中空钢管15内壁紧密接触。作为优选，钢管加热器的长度与电芯长度相等。
当采用在电池脖颈处进行切割去除正极端盖的方式时，在步骤S2中，将如图5所示的钢管加热器B从芯轴上方插入芯轴中空部位中，钢管加热器的上端与下端与电芯相平齐，钢管加热器上端与电池外壳之间的缝隙内用密封胶19填充。
当采用在负极外壳正对芯轴处开设孔洞A，并去除负极极耳与外壳的连接后，将如图5所示的钢管加热器从芯轴下方插入芯轴中空部位中，钢管加热器的上端与下端与电芯相平齐，钢管加热器下端与电池外壳之间的缝隙内用密封胶填充。相对于在电池脖颈处进行切割去除正极端盖，在负极外壳处开口能减少电解液的损耗，使得测试结果更精确。
当采用在电池上下两端同时开口时，将如图6所示的钢管加热器从任一开口处插入芯轴中，钢管加热器的上端与下端与电芯相平齐，钢管加热器的上、下端与电池外壳之间的缝隙内用密封胶填充。在圆柱电池的上下端同时开口，方便从上下端引线与外部的直流电源连接。
上述步骤所采用的密封胶优选为环氧胶或者硅胶，通过湿气固化或者加成反应固化。可防止电池正负极内部隔膜中所吸附电解液的泄露，使测试结果与真实电池的结果一致。
上述测试方法，根据现有圆柱电池的结构特征，打开电池的正极端盖或者负极外壳，在圆柱电池芯轴处的中空部分，设置钢管加热器来测定圆柱电池的径向导热系数；在所述钢管加热器内部植入温度传感器，通过恒定加热获得所述圆柱电池的稳态内部温度与外部温度，根据所测量的内外温度差计算径向导热系数。所述圆柱电池开口比芯轴中空尺寸稍大，不破坏电池正负极结构，因此本发明测试方法的测试结果更加准确，与真实电池的结果一致。
图7为本实施例所获得的圆柱电池径向导热系数随工况温度的依变关系。在初始温度T0为10℃，加热功率1.3W时，在自然对流冷却条件经过2400s达到稳态，稳态阶段下电池内部温升大约27℃。所测量的径向导热系数为0.25W/mK。通过调节温控箱初始温度并重复测量过程，可测试不同工况温度下圆柱电池的导热系数。
结合图4同时参考图1至图3，一种圆柱电池径向导热系数的测定装置，它包括支架20、圆柱电池24和数据采集仪30，所述支架20和圆柱电池24设置在温控箱22内。
所述圆柱电池24通过棉线21悬挂在支架20上，圆柱电池24在正极端盖或者负极外壳正对芯轴处开设有内径稍大于芯轴中空尺寸的圆柱形孔洞A并去除负极极耳与外壳的连接，在芯轴的中空处放置有圆柱形钢管加热器B，所述钢管加热器B与圆柱电池24最内层的隔膜材料11紧密贴合，钢管加热器的端部与电池外壳之间的缝隙内用密封胶19填充，钢管加热器通过导线与温控箱外的直流电源29相连接，通过钢管加热器对圆柱电池进行加热。所述中空钢管的壁厚为0.1-0.4mm。
所述钢管加热器包括电热丝7、绝缘柱8和中空钢管15，所述绝缘柱8位于中空钢管15内，绝缘柱8内安装有一个或者多个热电偶18，所述电热丝7螺旋缠绕在绝缘柱8上，在中空钢管15与电热丝7之间包裹一层耐高温电绝缘胶带14，电热丝7与热电偶18从中空钢管15的一端或者两端引出，所述热电偶18的温度探头在绝缘柱中部穿过电绝缘胶带14与中空钢管15内壁紧密接触。沿所述圆柱电池24外表面轴向等距贴敷4个外部温度传感器23，温控箱22内安装有检测箱内温度的温度传感器28，所述热电偶18的引线、外部温度传感器23以及温度传感器28分别与数据采集仪30相连，所述数据采集仪30发送信号给无线记录操作台31，所述无线记录操作台31与计算机32相连接。
作为优选，所述绝缘柱8的内表面沿轴向刻有沟槽8a，所述热电偶顺着沟槽8a引到绝缘柱8的中部。
本发明提供的圆柱电池径向导热系数的测量方法及测量装置，可测试不同工况温度下的圆柱电池径向导热系数，测试结果准确、成本较低、容易实现，可为圆柱电池厂家、电动汽车企业等机构提供可靠的圆柱电池径向导热系数测试数据，并用于电池热管理与热失控防护设计。
以上所述，仅是本发明优选实施例的描述说明，并非对本发明保护范围的限定，显然，任何熟悉本领域的技术人员基于上述实施例，可轻易想到替换或变化以获得其他实施例，这些均应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种圆柱电池径向导热系数的稳态测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对待测圆柱电池进行放电至一定的荷电状态，通过开口方式在圆柱电池的芯轴中空部位内置与隔膜材料紧密接触的圆柱形钢管加热器，所述钢管加热器内部安装一个或数个热电偶并引出正负极引线，并对圆柱电池开口处用密封胶进行密封、固化；
S2、将所述钢管加热器的正负极引线与外部的直流稳压电源连接，通过所述钢管加热器给圆柱电池提供恒定加热功率Q；
S3、沿所述圆柱电池外表面轴向等距贴敷一个或数个温度传感器，接着将圆柱电池置于温控箱之内，在温控箱内安装检测箱内温度的外部温度传感器，并将所述热电偶、温度传感器及外部温度传感器分别与数据采集仪相连输出温度信号；
S4、控制所述温控箱的初始温度值保持在To，通过钢管加热器给圆柱电池加热，外部通过自然对流或风冷散热，记录电池内部温度Ti与温控箱内温度To,当圆柱电池内部温度变化为连续5分钟内保持在0.2℃时认为达到稳态，记录稳态电池内部温度Ti与外部温度To,获取圆柱电池的内部温度与外部温度之差△T＝Ti-To；
S5、根据电池电芯的长度Lo和外径Do，钢管加热器的长度Li、内径Di2、外径Di1、导热系数ki，利用公式
计算所述圆柱电池的径向导热系数k。
2.根据权利要求1所述的圆柱电池径向导热系数的稳态测定方法，其特征在于：
在步骤S2中，所述钢管加热器给圆柱电池加热的时间不低于30s，圆柱电池内部对外壁的温升幅度不低于5℃，考虑到圆柱电池的热安全性与热稳定性，其最大内部温度Ti不高于70℃。
3.根据权利要求1所述的圆柱电池径向导热系数的稳态测定方法，其特征在于：
在步骤S1中，所述开口方式为在电池脖颈处进行切割去除正极端盖；在步骤S2中，钢管加热器的长度与电芯长度相等，从开口处插入芯轴中，钢管加热器的上端与下端与电芯相平齐，钢管加热器上端与电池外壳之间的缝隙内用密封胶填充。
4.根据权利要求1所述的圆柱电池径向导热系数的稳态测定方法，其特征在于：
在步骤S1中，所述开口方式为在负极外壳正对芯轴处进行钻洞开口并去除负极极耳与电池外壳连接；在步骤S2中，钢管加热器的长度与电芯长度相等，钢管加热器从开口处插入芯轴中，钢管加热器的下端与电芯相平齐，钢管加热器上端与电池外壳之间的缝隙内用密封胶填充。
5.根据权利要求1所述的圆柱电池径向导热系数的稳态测定方法，其特征在于：
在步骤S1中，所述开口方式为在电池脖颈处进行切割去除正极端盖和负极外壳正对芯轴处开设孔洞并去除负极极耳与外壳的连接；在步骤S2中，钢管加热器的长度与电芯长度相等，钢管加热器从开口处插入芯轴中，钢管加热器的上端与下端与电芯相平齐，钢管加热器的上、下端与电池外壳之间的缝隙内用密封胶填充。
6.根据权利要求3或4或5所述的所述的圆柱电池径向导热系数的稳态测定方法，其特征在于：
所述密封胶为环氧胶或者硅胶，通过湿气固化或者加成反应固化。
7.根据权利要求1至5任一权利要求所述的圆柱电池径向导热系数的稳态测定方法，其特征在于：
所述钢管加热器包括电热丝、绝缘柱和中空钢管，所述绝缘柱位于中空钢管内，绝缘柱内安装有一个或者多个热电偶，
所述电热丝螺旋缠绕在绝缘柱上，在中空钢管与电热丝之间包裹一层耐高温电绝缘胶带，电热丝与热电偶从中空钢管的一端或者两端引出，所述热电偶的温度探头在绝缘柱中部穿过电绝缘胶带并与中空钢管内壁紧密接触。
8.一种圆柱电池径向导热系数的测定装置，用于权1至权5任一权利要求的稳态测试方法中，其特征在于：
它包括支架、圆柱电池和数据采集仪，所述支架和圆柱电池设置在温控箱内，
所述圆柱电池通过棉线悬挂在支架上，圆柱电池在电池脖颈处进行切割去除正极端盖或者负极外壳正对芯轴处开设有内径稍大于芯轴中空尺寸的圆柱形孔洞并去除负极极耳与外壳的连接，在芯轴的中空处放置有圆柱形钢管加热器，所述钢管加热器与圆柱电池最内层的隔膜材料紧密贴合，钢管加热器的端部与电池外壳之间的缝隙内用密封胶填充，钢管加热器通过导线与温控箱外的直流电源相连接，
所述钢管加热器包括电热丝、绝缘柱和中空钢管，所述绝缘柱位于中空钢管内，绝缘柱内安装有一个或者多个热电偶，所述电热丝螺旋缠绕在绝缘柱上，在中空钢管与电热丝之间包裹一层耐高温电绝缘胶带，
电热丝与热电偶从中空钢管的一端或者两端引出，所述热电偶的温度探头在绝缘柱中部穿过绝缘胶带与中空钢管内壁紧密接触，
沿所述圆柱电池外表面轴向等距贴敷数个温度传感器，温控箱内安装有检测箱内温度的外部温度传感器，所述热电偶的引线、温度传感器以及外部温度传感器分别与数据采集仪相连，所述数据采集仪发送信号给无线记录操作台，所述无线记录操作台与计算机相连接。
9.根据权利要求8所述的圆柱电池径向导热系数的测定装置，其特征在于：
所述绝缘柱的内表面沿轴向刻有沟槽，所述热电偶顺着沟槽引到绝缘柱的中部。
10.根据权利要求8所述的圆柱电池径向导热系数的测定装置，其特征在于：
所述中空钢管的壁厚为0.1-0.5mm。
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