CN110233304B - 高效回收混合锂离子电池正极材料的方法 - Google Patents

高效回收混合锂离子电池正极材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高效回收混合锂离子电池正极材料的方法,具体包括:将废旧锂离子电池拆解,用酸性溶液进行浸出,得浸取液;再用碱液将Fe3+和Al3+沉淀,沉淀分离;将溶液pH值调至9~10.5,加入Na2S使Mn2+等沉淀,再将沉淀物过滤,剩余含锂溶液;加入碳酸根离子进行沉锂得到Li2CO3沉淀;将MnS,CoS,NiS的沉淀物放入pH值为5.5~6.5的盐酸溶液中使MnS重新溶解,过滤将Mn2+分离出来,剩余的沉淀物溶解在盐酸溶液中,以释放Co2+和Ni2+,利用将Co2+电沉积为金属Co。本发明通过加入乙醇参与锂离子沉淀,降低Li2CO3在室温下的溶解度,使锂和钴的回收率达到95%以上;具有成本低、效率高、回收纯度高,能实现有价值金属回收,适于工业应用。

Description

高效回收混合锂离子电池正极材料的方法
技术领域
本发明涉及废旧锂离子电池的回收方法技术领域,特别是涉及高效回收混合锂离子电池正极材料的方法。
背景技术
锂离子电池因其高能量密度、高电压、长寿命和低重量体积比等优良性能而广泛应用于电动汽车、电动工具和便携式电子设备。目前,最常见的正极材料是 LiMn2O4、LiFePO4、LiCoO2和Li(Ni、Co、Mn)O2。作为传统内燃机汽车的快速发展、前景广阔的替代品,电动和混合动力汽车在减少温室气体排放以缓解气候变化方面得到了显著的发展。根据麦肯锡的报告,全球电动汽车产量将从320 万辆(2017年)增长到约1800万辆(2025年),最终在2030年增长到3600万辆(7年)。近年来电动汽车的蓬勃发展已经导致锂和钴需求激增,锂和钴需要 214千吨(碳酸锂当量)和136千吨(精炼金属当量),预计2025年锂和钴需求分别为669千吨(碳酸锂当量)和222千吨(精炼金属当量)。而锂离子电池的预期寿命为3~5年,这意味着在不久的将来需要处理大量的废旧锂离子电池。如果不经过恰当的处置,废旧锂离子电池可能会造成可怕的环境影响。例如,锂离子电池可能在损坏或暴露于高温时爆炸,锂离子电池含有重金属,可能污染土壤和地下水,其电解质有毒且易燃。但是,废旧锂离子电池含有高浓度的锂、钴等有价金属,从废旧锂离子电池中回收锂和钴,不仅可以解决环境威胁,还可以缓解资源紧缺问题,有助于实现电动汽车工业的可持续发展。
目前,针对废旧锂离子电池的处理和回收,其中湿法冶金、火法冶金、湿法火法相结合的工艺具有显著特点,废旧锂离子电池正极材料处理方法中,基于湿法冶金的回收工艺相对成熟,行业内应用比较广泛。CN103035977A公开了一种从废旧锂离子电池中回收有价金属的方法,但只能对电池中的锂进行回收,且锂回收流程长,耗时长,浓度低,成本高。CN108559846A公开了一种基于固体还原剂与浓硫酸混合熟化处理废旧正极材料的综合回收方法,得到含有有用元素锂、钴、镍、锰、钒的浸出液,但是不能把这些有用元素进行分开利用,直接制备成相应的产品,且浓硫酸消耗量大。目前公开的废旧锂离子电池回收方法,都是针对单一种类的废旧锂离子电池,回收产品单一,附加价值低,不利于废旧电池的综合处理回收。且经过一系复杂的处理后,还存在有价金属产物回收率低、纯度不高等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效回收混合锂离子电池正极材料的方法,克服现有技术中存在的问题。本发明通过加入乙醇参与锂离子沉淀,来降低Li2CO3在室温下的溶解度,使锂和钴的回收率达到95%以上;同时还能实现其他Fe3+、 Al3+、Mn2+、Ni2+金属离子的沉淀回收。
本发明所提供的技术方案是:
高效回收混合锂离子电池正极材料的方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
(1)将废旧锂离子电池进行拆解,用酸性溶液进行浸出,固液比为10~40g/L,得到混合锂离子电池正极材料的浸取液;
(2)用碱液将浸取液的pH值调节为4.4~5.4,保持1~1.5h,使Fe3+和Al3+沉淀,过滤,将沉淀从溶液中分离出来;
(3)将剩余溶液pH值调至9~10.5,再加入Na2S使Mn2+、Co2+、Ni2+沉淀,反应时间为0.5~1h,然后将沉淀混合物A过滤出来以作进一步处理,剩余含锂溶液;
(4)在剩余含锂溶液中加入乙醇及碳酸根离子溶液进行沉锂,过滤,得到 Li2CO3沉淀;所述碳酸根离子为碳酸钾溶液或通入二氧化碳;乙醇的添加量为剩余含锂溶液体积的2~6倍,碳酸根离子溶液的添加量是剩余含锂溶液体积的 0.1~0.15倍。
所述乙醇为无水乙醇或体积分数为70%~99%的乙醇;碳酸钾溶液浓度为 0.3~0.5mol/L,反应时间为0.5~1h;
(5)将步骤(3)中的沉淀混合物A转移入pH值为5.5~6.5的盐酸溶液中使MnS重新溶解,1~1.5h后通过过滤将Mn2+分离出来,得沉淀混合物B;
(6)将沉淀混合物B溶解在pH值为0.5~1.5的盐酸溶液中,以释放Co2+和Ni2+,过滤除掉不溶物,再将溶液中的Co2+用电沉积法沉积为金属Co,剩余 Ni2+离子溶液做进一步处理。
本发明所述锂离子电池的正极材料包括锰酸锂,钴酸锂,磷酸铁锂,镍钴锰酸锂材料中的一种或多种。
本发明中步骤(1)中酸性溶液为浓硫酸或废铅酸电池电解质和H2O2构成的混合液;H2O2的加入量为浓硫酸的10~15%;H2O2的加入量为废铅酸电池电解质的18~22%。
作为方案的进一步优选,所述步骤(1)中酸性溶液采用浓硫酸与H2O2混合时,沉淀混合物A为MnS、CoS、NiS;沉淀混合物B为CoS、NiS。
作为方案的进一步优选,所述的废铅酸电池电解质经过过滤,所含硫酸浓度为30~40%,主要杂质是Pb2+
本发明所述步骤(1)中酸性溶液采用废铅酸电池电解质和H2O2时;沉淀混合物A为MnS、CoS、NiS、PbS;沉淀混合物B为CoS、NiS、PbS。在步骤(5) 之后将沉淀物CoS、NiS和PbS放入pH值为0.5~1.5的盐酸溶液中使CoS、NiS重新溶解,以释放Co2+和Ni2+,然后过滤掉PbS,得到稳定的PbS。
作为方案的进一步优选,所述步骤(1)中浸出的温度为90~95℃,时间为 60~120min。所述浸出过程还包括搅拌,搅拌速度为150~300rpm。
作为方案的进一步优选,步骤(2)中所述碱液为NH4OH,NaOH或KOH 溶液。
作为方案的进一步优选,步骤(3)中Na2S的浓度为0.1~1.0mol/L。
作为方案的进一步优选,步骤(6)中所述电沉积是在三电极系统中,以钛板电极为工作电极,以标准氢电极为参比电极,在恒电位-0.55~-0.4V条件下电沉积4~6h。
本发明混合正极材料在硫酸和H2O2溶液中的浸出反应为:
Figure GDA0002812264750000031
Figure GDA0002812264750000032
Figure GDA0002812264750000041
Figure GDA0002812264750000042
在此过程中,H2O2在式1-3中既作为三价钴、镍和锰的还原剂,又作为氧化剂,将二价铁氧化成式4中的三价铁。
本发明所提供的高效回收混合锂离子电池正极材料的方法,具有的有益效果包括:
(1)传统方法中,为了从溶液中去除钴、锰和镍,碳酸盐离子或二氧化碳被引入以沉淀这些离子,但同时会导致约10%的Li+以Li2CO3的形式沉淀。而本发明利用Na2S去除浸出液中的钴、锰、镍和铅,避免和减少了这一步骤中锂离子的损失。
(2)通常情况下Li2CO3的溶解度随温度的升高而降低,在25℃时,Li2CO3的溶解度为1.29g/100ml,锂的这一特性迫使研究人员在接近水的沸点沉淀锂,尽管如此,只有大约80%的锂可以沉淀。因此,本发明利用在室温下加入乙醇,乙醇降低了Li2CO3在室温下的溶解度,获得了更高的Li2CO3沉淀率,使锂和钴的回收率达到95%以上。
(3)本发明采用了废物循环利用的方式,节能环保,同时能够把废铅酸电池中的铅进行沉淀、稳定和分离,能够综合高效地回收废锂离子电池中的有价元素。
(4)本发明提出的电沉积法具有成本低、效率高、适于工业应用的优点,回收纯度大于99.9%的锂96.8%,纯度大于99.9%的钴95.8%,纯度高,可以以最有价值的金属形态去除/回收有价元素,分别作为Li2CO3纳米颗粒和金属钴纳米带回收,有利于进行再次利用。
附图说明
图1为本发明不同pH值下浸出液中金属种类的热力学计算;
图2为本发明溶液中残余钴、镍、锰、锂和铅在不同pH下与Na2S反应的热力学计算;
图3为本发明实施例2的工艺流程图;
图4为本发明的Li2CO3沉淀的XRD图谱和SEM;
图5为本发明的电沉积Co的XRD图谱和SEM-EDX。
具体实施方式
下面的实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本发明,但不以任何方式限制本发明。但本领域技术人员应当理解,可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变,而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
以下结合图1及图2对本发明进行详细说明。
本发明在实施时利用
Figure GDA0002812264750000051
R2010A软件,对回收过程中产生的所有可能的反应的热力学参数进行热力学计算,模拟Fe,Al,Mn,Co,Ni的沉淀和/或再溶解过程。如图1、2所示。
图1显示了不同pH值下浸出液中金属种类的热力学计算,图1中(A)铁、铝、镍和钴的体积分数随pH的变化,(B)锰、铅和锂的体积分数随pH的变化,其中考虑了金属离子和金属离子与氢氧化物离子的络合物以及可能的氢氧化物沉淀。可见,当pH<1时,浸取液中的所有元素均保持金属离子形式。铁和铝在 pH=5时沉淀后,即使当pH值达到7时,也没有其他沉淀,这说明采用合理的 pH=5条件下,可以将铁和铝从其他金属离子中分离沉淀。
图2是溶液中残余钴、镍、锰、锂和铅在不同pH下与Na2S反应的热力学计算,考虑了金属离子、氢氧化物金属离子复合物、氢氧化物金属沉淀和硫化物金属沉淀。
在图2的(A)中可以观察到Ni、Co区(pH:0~4)和Mn区(pH:5~11),其中Co在pH≥1.26时以CoS形式沉淀,Ni在pH≥1.96时以NiS形式沉淀。而与钴和镍相比,锰需要在更高的pH值7.28下沉淀。所有三种金属离子均是可以在适当的pH下完全去除,特别是对于锰,因为一旦沉淀,CoS和NiS在整个pH 范围内是稳定的,而Mn即使在较高的pH下沉淀(pH>12),也可以重新溶解到水相中。其中,Mn2+离子与氢氧化物离子复合,形成几种可溶的配位化合物,例如,Mn2(OH)3 +,Mn(OH)3 -and Mn(OH)4 2-
对于图2的(B)中Pb和Li的情况,Pb在几乎所有的pH范围内都以PbS的形式存在,当pH极低(pH<0.7)时,一定量的PbS可能溶解到水相中。而对于Li+,只存在Li+和LiOH,未发现沉淀。当pH>11时,Li+开始形成中性LiOH分子。因此确定本发明与模拟是匹配的。
实施例1:
高效回收混合锂离子电池正极材料的方法,具体包括以下步骤:
(1)分别将含不同正极材料锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂的锂离子废旧电池进行拆解,取正极粉料25g,用经过滤的废铅酸电池电解质和H2O2进行浸出,H2O2的加入量为废铅酸电池电解质的20%,固液比为25g/L。浸出的温度为90℃,时间90min,浸出过程还包括搅拌,搅拌速度为200rpm,得到混合锂离子电池正极材料的浸取液;
(2)用NH4OH将浸取液的pH值调节为5,使Fe3+和Al3+沉淀,保持1h 后进行过滤,将沉淀从溶液中分离出来;
(3)将剩余溶液的pH值调至10,加入Na2S(浓度是0.5mol/L)使Mn2+、 Co2+、Ni2+、Pb2+沉淀,1h后将沉淀物MnS、CoS、NiS、PbS过滤出来以作进一步处理,剩余含锂溶液;
(4)在剩余含锂溶液中加入4倍体积的无水乙醇和0.1倍体积的浓度为 0.5mol/L的碳酸钾溶液进行沉锂反应,得到Li2CO3沉淀;
(5)将步骤(3)的沉淀物MnS、CoS、NiS、PbS放入pH值为6的盐酸溶液中使MnS重新溶解,1h后通过过滤将Mn2+分离出来,得沉淀物CoS、NiS、PbS;
(6)将沉淀物CoS、NiS、PbS溶解在pH值为1的盐酸溶液中,以释放Co2+和Ni2+,1h后过滤掉PbS,得到稳定的PbS。剩余液在传统三电极系统中,以钛板电极为工作电极,以标准氢电极为参比电极,在恒电位-0.4V条件下电沉积5h,将溶液中的Co2+电沉积为金属Co,剩余Ni2+离子溶液做进一步处理。
回收金属检测:
1、将本发明得到的Li2CO3沉淀进行检测,得到图4的Li2CO3沉淀的 XRD图谱和SEM。从XRD图谱可知,所有特征峰都出现在Li2CO3沉淀中,没有出现其他杂质。从SEM图像可见,Li2CO3沉淀直径均匀,约为90nm,说明Li2CO3沉淀是纳米级的。
2、将电沉积得到的Co的进行检测,得到图5的电沉积Co的XRD图谱和SEM-EDX。从XRD图谱可知,还原金属为纯度大于99.9%的纯金属钴,这也可以通过SEM-EDX图像得到证实。而从SEM图像中可以观察到宽度约为 40~70nm、长度约为5~15μm的二维树枝状纳米带结构。说明在电极上回收的金属钴,99.8%纯度是极高的。
3、对回收过程各阶段对溶液用ICP-OES进行检测,如下表1。
表1回收过程对溶液用ICP-OES进行检测的结果
Figure GDA0002812264750000071
实施例2:
高效回收混合锂离子电池正极材料的方法,具体包括以下步骤:
(1)分别将含不同正极材料锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂的锂离子电池进行拆解,取正极粉料25g,用3mol/LH2SO4和H2O2进行浸出,固液比为20g/L,浸出的温度为95℃,时间120min,浸出过程还包括搅拌,搅拌速度为300rpm,得到混合锂离子电池正极材料的浸取液。
(2)用NaOH将浸取液的pH值调节为6.5,使Fe3+和Al3+沉淀,然后进行过滤,将沉淀从溶液中分离出来;
(3)将剩余溶液的pH值调至10,加入Na2S使Mn2+、Co2+、Ni2+沉淀,然后将沉淀物MnS、CoS、NiS过滤出来以作进一步处理,剩余含锂溶液;
(4)在剩余含锂溶液中加入5倍体积的无水乙醇,并鼓入8.25L二氧化碳对含锂溶液进行沉锂,得到Li2CO3沉淀;
(5)将步骤(3)的沉淀物MnS、CoS、NiS放入pH值为6的盐酸溶液中使MnS重新溶解,通过过滤将Mn2+分离出来,得沉淀物CoS、NiS;
(6)将沉淀物CoS、NiS溶解在pH值为1的盐酸溶液中,以释放Co2+和 Ni2+。然后在传统三电极系统中,以钛板电极为工作电极,以标准氢电极为参比电极,在恒电位-0.5V条件下电沉积6h,将溶液中的Co2+电沉积为金属Co,剩余Ni2+离子溶液做进一步处理。
表2为回收过程各阶段对溶液用ICP-OES进行检测的结果
表2回收过程对溶液用ICP-OES进行检测的结果
Figure GDA0002812264750000081
实施例3
高效回收混合锂离子电池正极材料的方法,具体包括以下步骤:
(1)分别将含不同正极材料锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂的锂离子废旧电池进行拆解,取正极粉料50g,用经过滤的废铅酸电池电解质和H2O2进行浸出,H2O2的加入量为废铅酸电池电解质的22%。固液比为40g/L,浸出的温度为95℃,时间120min,浸出过程还包括搅拌,搅拌速度为300rpm,得到混合锂离子电池正极材料的浸取液;
(2)用NH4OH将浸取液的pH值调节为5.4,使Fe3+和Al3+沉淀,保持1.5h 后进行过滤,将沉淀从溶液中分离出来;
(3)将剩余溶液的pH值调至10,加入Na2S(浓度是1.0mol/L)使Mn2+、 Co2+、Ni2+、Pb2+沉淀,1h后将沉淀物MnS、CoS、NiS、PbS过滤出来以作进一步处理,剩余含锂溶液;
(4)在剩余含锂溶液中加入6倍体积的乙醇(体积分数为80%)和0.15倍体积的浓度为0.4mol/L的碳酸钾溶液进行沉锂反应,得到Li2CO3沉淀;
(5)将步骤(3)的沉淀物MnS、CoS、NiS、PbS放入pH值为5.5的盐酸溶液中使MnS重新溶解,1.5h后通过过滤将Mn2+分离出来,得沉淀物CoS、NiS、PbS;
(6)将沉淀物CoS、NiS、PbS溶解在pH值为1.5的盐酸溶液中,以释放 Co2+和Ni2+,1h后过滤掉PbS,得到稳定的PbS。剩余液在传统三电极系统中,以钛板电极为工作电极,以标准氢电极为参比电极,在恒电位-0.5V条件下电沉积6h,将溶液中的Co2+电沉积为金属Co,剩余Ni2+离子溶液做进一步处理。
实施例4
高效回收混合锂离子电池正极材料的方法,具体包括以下步骤:
(1)分别将含不同正极材料锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂的锂离子废旧电池进行拆解,取正极粉料15g,用经过滤的废铅酸电池电解质和H2O2进行浸出,H2O2的加入量为废铅酸电池电解质的18%。固液比为10g/L,浸出的温度为90℃,时间60min,浸出过程还包括搅拌,搅拌速度为300rpm,得到混合锂离子电池正极材料的浸取液;
(2)用NH4OH将浸取液的pH值调节为4.4,使Fe3+和Al3+沉淀,保持1.0h 后进行过滤,将沉淀从溶液中分离出来;
(3)将剩余溶液的pH值调至9,加入Na2S(浓度是0.1mol/L)使Mn2+、 Co2+、Ni2+、Pb2+沉淀,0.5h后将沉淀物MnS、CoS、NiS、PbS过滤出来以作进一步处理,剩余含锂溶液;
(4)在剩余含锂溶液中加入3倍体积的无水乙醇和0.12倍体积的浓度为 0.3mol/L的碳酸钾溶液进行沉锂反应,得到Li2CO3沉淀;
(5)将步骤(3)的沉淀物MnS、CoS、NiS、PbS放入pH值为6.5的盐酸溶液中使MnS重新溶解,1.0h后通过过滤将Mn2+分离出来,得沉淀物CoS、NiS、PbS;
(6)将沉淀物CoS、NiS、PbS溶解在pH值为0.5的盐酸溶液中,以释放 Co2+和Ni2+,0.5h后过滤掉PbS,得到稳定的PbS。剩余液在传统三电极系统中,以钛板电极为工作电极,以标准氢电极为参比电极,在恒电位-0.4V条件下电沉积4h,将溶液中的Co2+电沉积为金属Co,剩余Ni2+离子溶液做进一步处理。
对比例1:
高效回收混合锂离子电池正极材料的方法,其步骤(1)、(2)、(3)同实施例1:
(4)在剩余含锂溶液中加入其0.1倍体积的浓度为0.5mol/L的碳酸钾溶液进行沉锂反应1h,Li2CO3沉淀量仅为10%;
步骤(5)(6)同实施例1。
在步骤(4)中不添加乙醇的情况下,Li2CO3的沉淀量仅为10%以下。
以上内容是结合具体的/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,其还可以对这些已描述的实施例做出若干替代或变型,而这些替代或变型方式都应视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.高效回收混合锂离子电池正极材料的方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
(1)将废旧锂离子电池进行拆解,用酸性溶液进行浸出,固液比为10-40g/L,得到混合锂离子电池正极材料的浸取液;
所述酸性溶液为浓硫酸和H2O2构成的混合液,H2O2的加入量为浓硫酸的10~15%;或者,为废铅酸电池电解质和H2O2构成的混合液,H2O2的加入量为废铅酸电池电解质的18~22%;
所述步骤(1)中浸出的温度为90~95℃,时间为60~120min;
(2)用碱液将浸取液的pH值调节为4.4~5.4,使Fe3+和Al3+沉淀,过滤,将沉淀从溶液中分离出来;
(3)将剩余溶液pH值调至9~10.5,再加入Na2S使Mn2+、Co2+、Ni2+沉淀,然后将沉淀混合物A过滤出来以作进一步处理,剩余含锂溶液;
(4)在剩余含锂溶液中加入乙醇及碳酸根离子溶液进行沉锂,过滤,得到Li2CO3沉淀;所述碳酸根离子为通入二氧化碳;乙醇的添加量为剩余含锂溶液体积的2~6倍,碳酸根离子溶液的添加量是剩余含锂溶液体积的0.1~0.15倍;
(5)将步骤(3)中的沉淀混合物A转移入pH值为5.5~6.5的盐酸溶液中使MnS重新溶解,通过过滤将Mn2+分离出来,得沉淀混合物B;
(6)将沉淀混合物B溶解在pH值为0.5~1.5的盐酸溶液中,以释放Co2+和Ni2+,过滤除掉不溶物,再将溶液中的Co2+用电沉积法沉积为金属Co,剩余Ni2+离子溶液做进一步处理。
2.根据权利要求1所述高效回收混合锂离子电池正极材料的方法,其特征在于,所述步骤(1)中酸性溶液采用浓硫酸与H2O2混合时,沉淀混合物A为MnS、CoS、NiS;沉淀混合物B为CoS、NiS。
3.根据权利要求1所述高效回收混合锂离子电池正极材料的方法,其特征在于,所述的废铅酸电池电解质经过过滤,所含硫酸浓度为30~40%,主要杂质是Pb2+;所述步骤(1)中酸性溶液采用废铅酸电池电解质和H2O2时;沉淀混合物A为MnS、CoS、NiS、PbS;沉淀混合物B为CoS、NiS、PbS。
4.根据权利要求1所述高效回收混合锂离子电池正极材料的方法,其特征在于,步骤(2)中所述碱液为NH4OH,NaOH或KOH溶液;加入碱液后保持1~1.5h,使Fe3+和Al3+沉淀。
5.根据权利要求1所述高效回收混合锂离子电池正极材料的方法,其特征在于,步骤(3)中Na2S的浓度为0.1~1.0mol/L,与Mn2+、Co2+、Ni2+沉淀反应时间为0.5~1h。
6.根据权利要求1所述高效回收混合锂离子电池正极材料的方法,其特征在于,步骤(4)中加入的碳酸钾溶液浓度为0.3~0.5mol/L,发生沉淀反应时间为0.5~1h。
7.根据权利要求1所述高效回收混合锂离子电池正极材料的方法,其特征在于,所述步骤(5)中的沉淀混合物A转移入pH值为5.5~6.5的盐酸溶液中使MnS重新溶解,1~1.5h后通过过滤将Mn2+分离出来,得沉淀混合物B。
8.根据权利要求1所述高效回收混合锂离子电池正极材料的方法,其特征在于,步骤(6)中所述电沉积是在恒电位-0.5~-0.4V条件下电沉积4~6h。
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