CN110783565B - 锂离子电池用正极活性物质和锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明要解决的课题是将尖晶石型钴酸锂用作锂离子电池用正极活性物质的情况下,有时得不到足够的放电容量。解决手段是向尖晶石型钴酸锂至少掺杂铬。具体而言,形成一种锂离子电池用正极活性物质,具有包含锂、钴、铬和氧的尖晶石型晶相,且具有由LiCoxCryMzO2±δ(M是选自Al和Mn中的至少1种,0.85≤x<1、0<y≤0.15、0≤z、0.85<x+y+z≤1.2)表示的组成。
Description
技术领域
本申请公开一种锂离子电池所用的正极活性物质等。
背景技术
如专利文献1~3所公开的,作为锂离子电池所用的正极活性物质,广泛利用具有层状岩盐型晶相的钴酸锂和具有尖晶石型晶相的锰酸锂等。另一方面,近年正在开发如非专利文献1所公开的具有尖晶石型晶相的钴酸锂,其作为锂离子电池用的新型正极活性物质受到期待。
在先技术文献
专利文献1:日本特开2011-001256号公报
专利文献2:日本特开2002-289175号公报
专利文献3:日本特开2016-143539号公报
非专利文献1:Eungje Lee et al.,ACS Appl.Mater.Interfaces,2016,8,27720-27729
发明内容
根据本发明人的见解,认为非专利文献1所公开的具有尖晶石型晶相的钴酸锂,由于与锂离子的插入和脱离相伴的晶格常数的变化小,所以在作为锂离子电池的正极活性物质应用的情况下,能够减小充放电时的正极体积变化。但是,在将具有尖晶石型晶相的钴酸锂作为正极活性物质构成锂离子电池的情况下,有时得不到作为电池足够的放电容量。
本申请作为用于解决上述课题的手段之一,公开了一种锂离子电池用正极活性物质,具有包含锂、钴、铬和氧的尖晶石型晶相,且具有由LiCoxCryMzO2±δ(M是选自Al和Mn中的至少1种,0.85≤x<1、0<y≤0.15、0≤z、0.85<x+y+z≤1.2)表示的组成。
能够使用本公开的正极活性物质来构成锂离子电池。即,本申请公开了一种锂离子电池,具备正极、负极以及配置于所述正极和所述负极之间的电解质层,所述正极具备本公开的上述正极活性物质。
本公开的锂离子电池可以是全固体电池。即,所述电解质层所含的电解质可以是固体电解质。
根据本发明人的新见解,通过如本公开的正极活性物质这样在尖晶石型的钴酸锂中掺杂特定量的铬,当应用于锂离子电池的情况下,电池的容量大大增大。
附图说明
图1是用于说明锂离子电池10的构成的概略图。
图2是用于说明锂离子电池系统100的构成的概略图。
图3是用于说明锂离子电池系统100中的控制流程一例的图。
图4是表示实施例1~5和比较例1、2的正极活性物质的X射线衍射峰的图。
图5是表示使用了实施例1和比较例1的正极活性物质的锂离子电池的第1次充放电曲线(4.45V-2.5V)的图。
图6是表示使用了实施例2~5的正极活性物质的锂离子电池的第1次充放电曲线(4.45V-2.5V)的图。
附图标记说明
1 正极
2 负极
3 电解质层
10 锂离子电池
具体实施方式
1.正极活性物质
本公开的正极活性物质是锂离子电池所用的正极活性物质,其特征在于,具有包含锂、钴、铬和氧的尖晶石型晶相,且具有由LiCoxCryMzO2±δ(M是选自Al和Mn中的至少1种,0.85≤x<1、0<y≤0.15、0≤z、0.85<x+y+z≤1.2)表示的组成。
1.1.晶相
本公开的正极活性物质具有包含锂、钴、铬和氧的尖晶石型晶相。“具有尖晶石型晶相”是指在X射线衍射中至少确认到来自于尖晶石型晶相的衍射峰。例如,本公开的正极活性物质优选在以CuKα为射线源的X射线衍射测定中,在2θ=19.8±0.4°、37.3±0.4°、39.0±0.4°、45.3±0.4°、49.7±0.4°、60.1±0.4°、66.1±0.4°和69.5±0.4°的位置确认来自于尖晶石型晶相的衍射峰。再者,认为尖晶石型钴酸锂和本公开的正极活性物质中,尖晶石型晶相中的晶体晶格常数不同。即,认为通过在采用X射线衍射和/或元素分析确认了正极活性物质的组成的基础上,采用X射线衍射确认尖晶石型晶相的晶体晶格常数,由此能够确认有没有正极活性物质中的“包含锂、钴、铬和氧的尖晶石型晶相”。
在本公开的正极活性物质中,尖晶石型晶相包含锂、钴、铬和氧。而且,如后所述,可以包含铝和锰之中的至少1种。换句话说,本公开的正极活性物质也可以说是至少用铬取代了尖晶石型钴酸锂的一部分元素而成的。由此,认为尖晶石型晶相被稳定化。
本公开的正极活性物质具有上述特定的尖晶石型晶相。另一方面,本公开的正极活性物质在能够解决上述课题的范围,可以在尖晶石型晶相以外还包含除此以外的晶相。例如,在合成包含锂和钴的复合氧化物的情况下,有时与尖晶石型晶相一同形成热稳定的层状岩盐型晶相,但即使在这样的情况下也能够通过尖晶石型晶相的存在来发挥预期效果。由此来看,本公开的正极活性物质在尖晶石型晶相以外可以包含层状岩盐型晶相。优选的是,本公开的正极活性物质在X射线衍射测定中仅确认到来自于尖晶石型晶相的衍射峰。
1.2.组成
本公开的正极活性物质具有由LiCoxCryMzO2±δ(M是选自Al和Mn中的至少1种,0.85≤x<1、0<y≤0.15、0≤z、0.85<x+y+z≤1.2)表示的组成。根据本发明人的见解,当尖晶石型钴酸锂中的铬和其他金属元素的取代量(掺杂量)在由上述组成式表示的特定范围的情况下,作为正极活性物质的容量显著增大。
从容量进一步增大的观点出发,上述组成式中的x更优选为0.85≤x≤0.975,进一步优选为0.85≤x≤0.95,特别优选为0.87≤x≤0.93。y更优选为0.025≤y≤0.15,进一步优选为0.05≤y≤0.15,特别优选为0.07≤y≤0.13。
在本公开的正极活性物质中,Al和Mn是任意的,上述组成式中的z可以是0。不过,认为通过包含Al和/或Mn,尖晶石型晶相被进一步稳定化,循环特性等电池性能进一步提高。从该观点出发,上述组成式中的z优选为0.01≤z,更优选为0.05≤z,进一步优选为0.1≤z。z的上限不特别限定,在满足上述条件的范围适当调整。
在本公开的正极活性物质中,其他金属(Co、Cr和M的合计)相对于Li的摩尔比优选为1(x+y+z=1),但即使Li稍有过剩、或者Li稍有不足,也能够生成并维持尖晶石型晶相,能够发挥预期效果。由此,如用上述组成式所示,其他金属相对于Li的摩尔比超过0.85且为1.2以下(0.85<x+y+z≤1.2)即可。下限优选为0.9以上,更优选为0.95以上,上限优选为1.1以下,更优选为1.05以下。
在本公开的正极活性物质中,以尖晶石型钴酸锂的化学计量比计算,O相对于Li的摩尔比(O/Li)优选为2,但即使氧相比于作为尖晶石型晶相的化学计量比变得过剩、氧部分欠缺,也能够生成并维持尖晶石型晶相,能够发挥预期效果。由此,O相对于Li的摩尔比(O/Li)优选为例如1.8以上且2.2以下。或者,在上述组成式中δ优选为0.2以下。
1.3.形状
本公开的正极活性物质的形状和大小不特别限定,只要能够应用于锂离子电池的正极即可。优选为粒状。
1.4.效果
本公开的正极活性物质通过在尖晶石型钴酸锂中掺杂特定量的铬,与不含铬的情况相比,在应用于锂离子电池的情况下的电池容量大大增大。认为这是由于通过铬使尖晶石型晶相稳定化了的缘故。
2.正极活性物质的制造方法
本公开的正极活性物质可以经历例如第1工序和第2工序来制造,所述第1工序将锂源、钴源、铬源、任意的铝源和/或锰源混合而得到混合物,所述第2工序将所述混合物加热而得到具有尖晶石型晶相的复合氧化物。
2.1.第1工序
在第1工序中,将锂源、钴源、铬源和任意的铝源和/或锰源混合而得到混合物。作为锂源可举出锂化合物和金属锂。作为锂化合物可举出碳酸锂、氧化锂、氢氧化锂、乙酸锂等。在采用固相法的情况下,优选为碳酸锂。在采用液相法(蒸发干固法)的情况下,优选为乙酸锂。作为钴源可举出钴化合物和金属钴。作为钴化合物可举出碳酸钴、氧化钴、氢氧化钴、乙酸钴等。采用固相法的情况下,优选为氧化钴,更优选为Co3O4。采用液相法(蒸发干固法)的情况下,优选为乙酸钴。作为铬源可举出铬化合物和金属铬。作为铬化合物可举出碳酸铬、氧化铬、氢氧化铬、铬酸锂(Li2CrO4)、乙酸铬等。采用固相法的情况下,优选为氧化铬和铬酸锂。采用液相法(蒸发干固法)的情况下,优选为乙酸铬。作为铝源可举出铝化合物和金属铝。作为铝化合物可举出碳酸铝、氧化铝、氢氧化铝、乙酸铝等。采用固相法的情况下,优选为氧化铝。采用液相法(蒸发干固法)的情况下,优选为乙酸铝。作为锰源可举出锰化合物和金属锰。作为锰化合物可举出碳酸锰、氧化锰、氢氧化锰、乙酸锰等。采用固相法的情况下,优选为碳酸锰。采用液相法(蒸发干固法)的情况下,优选为乙酸锰。再者,上述各种化合物可以是水合物。
混合物中的锂与其他金属(钴、铬、铝、锰)的摩尔比是满足本公开的上述正极活性物质的组成的比率即可。
锂源与钴源等的混合方法不特别限定,可以采用不使用溶剂的干式混合和使用溶剂的湿式混合等各种方法。在第1工序中,可以使原料溶解形成包含溶液的混合物(混合溶液),也可以将粉体彼此混合形成粉体混合物。混合可以使用研钵等利用人力进行,也可以使用球磨机等机械地进行。
特别是在第1工序中,优选采用液相法(蒸发干固法)使原料溶解于溶剂得到混合溶液,然后使该混合溶液蒸发干固得到固体状的前体。作为该情况下使用的溶剂,可举出水和醇等的质子性极性溶剂。蒸发干固后得到的前体是锂和其他金属以原子水平均匀混合了的状态,并且为细微粒状且比表面积大。通过在后述的第2工序中将这样的前体加热并烧成,能够在短时间生成尖晶石型晶相。
2.2.第2工序
在第2工序中,对由第1工序得到的混合物进行加热而得到具有尖晶石型晶相的复合氧化物。通常,在锂与钴的复合氧化物中,与尖晶石型晶相相比,层状岩盐型晶对于热更稳定,所以如果第2工序中的加热温度过高,则与尖晶石型晶相相比会生成层状岩盐型晶相。即,在上述混合物中得到预期的尖晶石型晶相的情况下,优选将第2工序中的加热温度设为低温,并将加热时间设为长时间。特别是根据本发明人的见解,通过将第2工序中的加热温度设为200℃以上且450℃以下,容易得到预期的尖晶石型晶相。加热温度的下限更优选为250℃,进一步优选为280℃以上,上限更优选为430℃以下,进一步优选为410℃以下。第2工序中的加热时间根据加热温度调整即可。例如,采用固相法的情况下,通过进行1周以上的加热,能够提高尖晶石型晶相的结晶性。另一方面,采用液相法(蒸发干固法)的情况下,即使加热时间为120小时以下,也能够提高尖晶石型晶相的结晶性。第2工序中的加热气氛是能够生成复合氧化物的气氛即可。例如,可以设为大气气氛或氧气氛等。
3.锂离子电池
本公开的技术还有作为锂离子电池的一面。图1表示本公开的锂离子电池结构的一例。图1所示锂离子电池10的特征在于,具备正极1、负极2以及配置在正极1和负极2之间的电解质3,正极1具备本公开的上述正极活性物质。
3.1.正极1
正极1除了具备本公开的上述正极活性物质以外,结构与以往相同即可。例如,正极1具备正极集电体1a和包含上述本公开的正极活性物质的正极活性物质层1b。正极集电体1a由例如各种金属构成即可。正极活物质层1b在正极活性物质以外可以任选地包含粘合剂和导电助剂。再者,正极活性物质层1b在上述本公开的正极活性物质以外,在能够解决上述课题的范围,可以包含本公开的正极活性物质以外的正极活性物质。例如,可举出具有层状岩盐型晶相的锂金属复合氧化物和橄榄石型晶相的锂金属磷酸化合物等。本公开的正极活性物质与充放电相伴的活性物质的膨张收缩率小,在粒子间的界面接触变得重要的固体电池中特别有利。换句话说,本公开的锂离子电池优选为全固体电池。作为锂离子电池采用全固体电池的情况下,优选正极活性物质层1b包含固体电解质。作为固体电解质,优选为氧化物固体电解质、硫化物固体电解质等的无机固体电解质,更优选硫化物固体电解质。作为硫化物固体电解质,可以使用例如,作为构成元素包含Li、P和S的固体电解质。具体而言,可举出Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、LiI-Li2S-SiS2、LiI-Si2S-P2S5、LiI-LiBr-Li2S-P2S5、LiI-Li2S-P2S5、LiI-Li2O-Li2S-P2S5、LiI-Li2S-P2O5、LiI-Li3PO4-P2S5、Li2S-P2S5-GeS2等。特别是它们之中更优选包含Li2S-P2S5的硫化物固体电解质。固体电解质可以单独使用仅1种,也可以混合使用2种以上。正极1中包含硫化物固体电解质的情况下,从抑制在正极活性物质与硫化物固体电解质的界面处的高电阻层的形成等观点出发,可以在正极活性物质的表面设置铌酸锂层等被覆层。对于正极活性物质以外的构成,从技术常识来看是显而易见的,所以省略更多的说明。
3.2.负极2
负极2可以采用作为锂离子电池的负极公知的负极。例如,负极2具备负极集电体2a和包含负极活性物质的负极活性物质层2b。负极集电体2a由例如各种金属构成即可。负极活性物质采用与上述本公开的正极活物质相比锂离子的充放电电位低的物质即可。负极活性物质层2b在负极活性物质以外可以任选地包含粘合剂和导电助剂。另外,作为锂离子电池采用固体电池的情况下,优选负极活性物质层2b包含上述的固体电解质。负极的构成从技术常识来看是显而易见的,所以省略更多的说明。
3.3.电解质层3
电解质层3是用于在上述正极1与负极2之间传导锂离子的层。在电解质层3中可以采用电解液和固体电解质中任意者。在采用电解液的情况下,在正极与负极之间配置隔板,使其浸渗于电解液中即可。另一方面,在采用固体电解质的情况下,在正极与负极之间配置固体电解质层即可。固体电解质层包含上述的固体电解质并任选地包含粘合剂。如上所述,本公开的正极活性物质与充放电相伴的活性物质的膨张收缩率小,在粒子间的界面接触变得重要的固体电池中特别有利。基于这点,上述的电解质层3优选为包含氧化物固体电解质和/或硫化物固体电解质等无机固体电解质的固体电解质层,更优选为包含硫化物固体电解质的层。电解质层3的构成从技术常识来看是显而易见的,所以省略更多的说明。
3.4.其他结构
锂离子电池10具备上述的正极1、负极2和电解质层3即可,此外根据需要具备端子和电池壳体等。对于这些结构从技术常识来看是显而易见的,所以省略更多的说明。
3.5.效果
本公开的锂离子电池在正极中采用上述本公开的正极活性物质,正极容量大,并且充放电时的正极的体积变化小。本公开的锂离子电池不仅作为一次电池,作为二次电池也可以合适地使用。
4.锂离子电池系统
本公开的正极活性物质与以往的正极活性物质相比尖晶石型晶相的稳定性优异,能够作为例如高电压型活性物质发挥作用。具体而言,根据本发明人的新见解,通过铬的掺杂体现4.3V~3.5V的放电容量。这点在进行具备本公开的正极活性物质的锂离子电池的充放电的情况下,优选通过充放电控制部控制该锂离子电池的充放电,将放电开始电压和/或充电的截止电压设为高电压。
图2概略地表示锂离子电池系统100的构成例。另外,图3表示锂离子电池系统100中的控制流程一例。如图2、3所示,锂离子电池系统100的特征在于,具备:包含上述本公开的正极活性物质的锂离子电池10、以及控制锂离子电池10的充电和放电的充放电控制部20,充放电控制部20将锂离子电池10的正极的放电开始电位或充电的截止电位设为4.0V(vs.Li+/Li)以上,优选设为4.2V(vs.Li+/Li)以上,更优选设为4.3V(vs.Li+/Li)以上。
如上所述,充放电控制部20能够控制锂离子电池10的充电和放电即可。例如,在使用电源进行锂离子电池10的充电的情况下,逐次测定锂离子电池1的正极电位,测定出的正极的电位低于预定电压的情况下持续充电,测定出的正极的电位为预定电压以上的情况下停止来自电源的供电,将充电停止即可。
对于放电开始电位也是同样的。即,锂离子电池10的充电后,进行第1次放电的情况下,在进行该第1次放电之前测定正极电位,测定出的正极电位低于预定电压的情况下,不进行锂离子电池10的放电而进行锂离子电池10的充电,在通过锂离子电池10的充电使正极电位变为预定电压以上的情况下,进行第1次放电即可。
通过充放电控制部20控制锂离子电池10的充电和放电的情况下,锂离子电池10的放电开始电位或充电截止电位的上限不特别限定,但将该电位设为太高的电位则效果小。倒会出现电池材料的劣化和分解等顾虑。由此,充放电控制部20优选将锂离子电池10的正极的放电开始电位或充电截止电位设为5.3V(vs.Li+/Li)以下。更优选为5.1V(vs.Li+/Li)以下,进一步优选为5.0V(vs.Li+/Li)以下。
实施例
1.正极活性物质(尖晶石型复合氧化物)的合成
(实施例1)
使作为锂源的乙酸锂、作为钴源的乙酸钴和作为铬源的乙酸铬溶解于作为质子性极性溶剂的离子交换水中,得到混合溶液。将得到的混合溶液一边用搅拌器搅拌,一边用加热板加热到250℃,使其蒸发干固,得到固体状的前体。将得到的前体在大气气氛下以300℃进行120小时烧成,由此得到实施例1的正极活性物质(LiCo0.9Cr0.1O2±δ)。
(实施例2)
将前体的烧成温度设为400℃并将烧成时间设为2小时,除此以外与实施例1同样地得到实施例2的正极活性物质(LiCo0.9Cr0.1O2±δ)。
(实施例3)
将原料组成比设为Li:Co:Cr=1:0.85:0.15,将前体的烧成温度设为400℃且将烧成时间设为2小时,除此以外与实施例1同样地得到实施例3的正极活性物质(LiCo0.85Cr0.15O2±δ)。
(实施例4)
将原料组成比设为Li:Co:Cr=1:0.95:0.05,并将前体的烧成温度设为400℃且将烧成时间设为2小时,除此以外与实施例1同样地得到实施例4的正极活性物质(LiCo0.95Cr0.05O2±δ)。
(实施例5)
将原料组成比设为Li:Co:Cr=1:0.975:0.025,并将前体的烧成温度设为400℃且将烧成时间设为2小时,除此以外与实施例1同样地得到实施例5的正极活性物质(LiCo0.975Cr0.025O2±δ)。
(比较例1)
将原料组成比设为Li:Co:Cr=1:1:0,除此以外与实施例1同样地得到比较例1的正极活性物质(LiCoO2±δ)。
(比较例2)
将原料组成比设为Li:Co:Cr=1:1:0,并将前体的烧成温度设为400℃且将烧成时间设为2小时,除此以外与实施例1同样地得到比较例2的正极活性物质(LiCoO2±δ)。
(比较例3)
替换铬源使用作为镍源的乙酸镍,将原料组成设为Li:Co:Ni=1:0.9:0.1,并将前体的烧成温度设为400℃且将烧成时间设为2小时,除此以外与实施例1同样地得到比较例3的正极活性物质(LiCo0.9Ni0.1O2±δ)。
(参考例1)
替换铬源使用作为铝源的乙酸铝,将原料组成设为Li:Co:Al=1:0.9:0.1,并将前体的烧成温度设为400℃且将烧成时间设为2小时,除此以外与实施例1同样地得到参考例1的正极活性物质(LiCo0.9Al0.1O2±δ)。
2.晶相的确认
对实施例1~5和比较例1、2的正极活性物质进行以CuKα为射线源的X射线衍射测定,确认了衍射峰。图4表示X射线衍射测定结果。由图4所示结果能够明确,对于实施例1~5和比较例1、2都确认到来自于尖晶石型晶相的衍射峰。
3.电极的制作
将得到的正极活性物质、导电助剂和粘合剂按质量比计称量为正极活性物质:导电助剂:粘合剂=85:10:5,与NMP一同进行湿式混合,得到浆液。将得到的浆液涂敷于铝箔上,在120℃干燥一晚,得到正极。
4.锂离子电池的制作
使用上述的正极、负极(锂箔)、作为电解液的F取代碳酸酯系电解液,在正极与负极之间配置隔板,与电解液一同封入硬币型电池内,得到评价用的锂离子电池(CR2032硬币电池)。
5.充放电试验
按以下条件对制作出的锂离子电池进行充放电试验,确认了(1)4.45V充电后的第1次放电容量、(2)4.45V充电后的充放电第1次循环中的库伦效率。
CC充电:电流0.1C、结束条件4.45V
CC放电:电流0.1C、结束条件2.5V
将结果示于下述表1。另外,作为参考,在图5表示实施例1和比较例1的充放电曲线,在图6表示实施例2~5的充放电曲线。
表1
由表1、图5和图6所示结果能够明确,实施例1~5与比较例1、2和参考例1相比放电容量显著增大。如图5和图6所示,这是由于通过铬掺杂,体现了4.3V~3.5V的放电容量的缘故。特别是铬的取代量为0.1的情况下(实施例1、2)放电容量变得最大。
由以上结果可知,与尖晶石型钴酸锂相比,将尖晶石型的钴酸锂的部分元素用特定量的铬取代则能够发挥作为锂离子电池的正极活物质优异的性能。认为通过将尖晶石型钴酸锂的部分元素用铬取代,尖晶石型晶相稳定化,能够抑制向层状岩盐型晶相的转变等。另一方面,在将尖晶石型钴酸锂的部分元素用镍取代的情况下,放电容量下降。认为即使掺杂镍也无法使尖晶石型晶相稳定化。
另外,由参考例1的结果来看,为了提高电池的库伦效率(循环特性),将尖晶石型钴酸锂的部分元素用铝取代被认为是有效的。此外,根据本发明人的见解,通过在尖晶石型的钴酸锂中将部分元素用锰取代,也能够使尖晶石型晶相稳定化,能够提高电池的循环特性(参照本申请人的在先申请:日本专利申请2017-237011)。即,从增大电池容量并且提高循环特性的观点出发,在尖晶石型钴酸锂中除了铬以外,进一步掺杂铝和锰之中的至少1种可以说是有效的。
再者,上述实施例中,示出了铬取代量为0.025~0.15的实施例1~5,但本公开的正极活性物质不限定于该方式。如上所述,发现本公开的技术中,将尖晶石型钴酸锂的部分元素用铬取代具有有效性,认为即使铬取代量小于0.025,也能够与铬取代量为0的情况相比发挥预期效果。
另外,上述实施例中,锂和其他金属的摩尔比调整为1,但其他金属相对于锂的摩尔比只要可得到尖晶石型晶相就不限定于此。根据本发明人的见解,其他金属相对于Li的摩尔比如果超过0.85且为1.2以下,就能够发挥充分的效果。
产业上的可利用性
使用本发明的正极活性物质的锂离子电池能够用于例如从便携设备用的小型电源到车辆搭载用的大型电源的广泛领域。
Claims (3)
1.一种锂离子电池用正极活性物质,
具有包含锂、钴、铬和氧的尖晶石型晶相,
且组成由LiCoxCryMzO2±δ表示,M是选自Al和Mn中的至少1种,0.85≤x<1、0<y≤0.15、0≤z、0.85<x+y+z≤1.2且δ≤0.2。
2.一种锂离子电池,
具备正极、负极以及配置在所述正极和所述负极之间的电解质层,
所述正极具备权利要求1所述的正极活性物质。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池,其是全固体电池。
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