CN113422111A - 一种电解液及含有该电解液的锂离子电池 - Google Patents

一种电解液及含有该电解液的锂离子电池 Download PDF

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唐毅
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袁霞
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Abstract

本发明提供一种电解液及含有该电解液的锂离子电池，该电解液包括有机溶剂、锂盐和添加剂，所述有机溶剂包括碳酸乙烯酯，所述锂盐包括六氟磷酸锂，所述添加剂包括二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯和1,3‑丙烷磺内酯。本发明当中的电解液与普通电解液相比，能明显降低锂电池内阻，在电池内部可实现锂离子的快速移动，提高锂离子电池的高倍率放电效率，能够更好的满足当下和未来锂离子电池市场的需求，具有更好的市场竞争力。

Description

一种电解液及含有该电解液的锂离子电池
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种电解液及含有该电解液的锂离子电池。
背景技术
锂离子电池具有高能量密度、高电压、长寿命、自放电率低、无记忆效应、环境友好等优点，目前市场上锂离子电池作为移动便携电源的应用越来越广，比如3C产品、无人机、电动工具、UPS、电动自行车和电动汽车等等，范围覆盖了陆海空领域。
针对诸如航模、无人机、电动工具等所用的锂离子电池，往往需要高倍率放电来提供充足动力以满足使用，而要想实现此功能，不但要从电池制作工艺入手，同时也要对电池所用正负极材料、隔膜、电解液等材料进行改进提高。
锂电池被称为“摇椅型”电池，带电离子在正负极之间运动，实现电荷转移，给外部电路供电或者从外部电源充电。具体的充电过程中，外电压加载在电池的两极，锂离子从正极材料中脱嵌，进入电解液中，同时产生多余电子通过正极集流体，经外部电路向负极运动；锂离子在电解液中从正极向负极运动，穿过隔膜到达负极；经过负极表面的SEI膜嵌入到负极石墨层状结构中，并与电子结合。
为此，要想实现锂离子电池的高倍率放电功能，锂离子能否在电池内部进行快速移动是关键。然而，目前使用的锂离子电池受限于内阻过高，导致无法实现市场所需要的高倍率放电功能。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种电解液及含有该电解液的锂离子电池，以使锂离子能够在电池内部进行快速移动，从而实现锂离子电池的高倍率放电功能。
根据本发明实施例当中的一种电解液，包括有机溶剂、锂盐和添加剂，所述有机溶剂包括碳酸乙烯酯，所述锂盐包括六氟磷酸锂，所述添加剂包括二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯和1,3-丙烷磺内酯。
优选地，所述二氟草酸硼酸锂的重量百分比为0.1-5％，所述硫酸乙烯酯的重量百分比为0.1-2％，所述氟代碳酸乙烯酯的重量百分比为0.1-5％，所述1,3-丙烷磺内酯的重量百分比为0.1-5％。
优选地，所述碳酸乙烯酯的重量百分比为5-40％。
优选地，所述六氟磷酸锂的重量百分比为5-20％。
优选地，所述有机溶剂还包括碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、碳酸丙烯酯当中的一种或多种。
优选地，所述碳酸二甲酯的重量百分比为0-60％，所述碳酸甲乙酯的重量百分比为0-30％，所述乙酸乙酯的重量百分比为0-60％，所述乙酸丙酯的重量百分比为0-40％，所述碳酸丙烯酯的重量百分比为0-10％。
优选地，所述添加剂还包括双氟磺酰亚胺锂和/或二氟磷酸锂。
优选地，所述双氟磺酰亚胺锂的重量百分比为0-5％，所述二氟磷酸锂的重量百分比为0-2％。
一种锂离子电池，包括正极、负极、以及设于所述正极和所述负极之间的注液电芯，所述注液电芯当中注入有上述的电解液。
优选地，所述正极的材料为钴酸锂、三元材料或磷酸铁锂，所述负极的材料为人造石墨、天然石墨或复合物石墨。
与现有技术相比：通过将二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯和1,3-丙烷磺内酯等作为添加剂添加到电解液当中，这些添加剂的协同作用可以在电池正负极表面形成了一层致密均匀、离子导电性较高的界面膜，能够降低锂电池内阻，在电池内部可实现锂离子的快速移动，提高锂离子电池的高倍率放电效率。
具体实施方式
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
此外，本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。在具体实施方式及权利要求书中，由术语“中的一者”连接的项目的列表可意味着所列项目中的任一者。例如，如果列出项目A及B，那么短语“A及B中的一者”意味着仅A或仅B。在另一实例中，如果列出项目A、B及C，那么短语“A、B及C中的一者”意味着仅A；仅B；或仅C。项目A可包含单个元件或多个元件。项目B可包含单个元件或多个元件。项目C可包含单个元件或多个元件。在具体实施方式及权利要求书中，由术语“中的至少一者”、“中的至少一种”或其他相似术语所连接的项目的列表可意味着所列项目的任何组合。例如，如果列出项目A及B，那么短语“A及B中的至少一者”或“A或B中的至少一者”意味着仅A；仅B；或A及B。在另一实例中，如果列出项目A、B及C，那么短语“A、B及C中的至少一者”或“A、B或C中的至少一者”意味着仅A；或仅B；仅C；A及B(排除C)；A及C(排除B)；B及C(排除A)；或A、B及C的全部。项目A可包含单个元件或多个元件。项目B可包含单个元件或多个元件。项目C可包含单个元件或多个元件。
本发明一方面针对目前使用的锂离子电池内阻过高、无法实现市场所需要的高倍率放电功能的问题，提出了电解液及含有该电解液的锂离子电池，其中，该电解液包括有机溶剂、锂盐和添加剂，有机溶剂包括碳酸乙烯酯(EC)，锂盐包括六氟磷酸锂(LiPF6)，添加剂包括二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、硫酸乙烯酯(DTD)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)和1,3-丙烷磺内酯(PS)。
在本发明一些实施例当中，碳酸乙烯酯的重量百分比为5-40％，例如为5％、12％、10％、15％、28％等。此外，有机溶剂还可以包括碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、乙酸乙酯(EA)、乙酸丙酯(PA)、碳酸丙烯酯(PC)当中的一种或多种，即碳酸乙烯酯可以和碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、碳酸丙烯酯当中的一种或多种进行组合来形成电解液的有机溶剂。在具体选择时，碳酸二甲酯的重量百分比为0-60％，例如为25％、30％、35％、48％等；碳酸甲乙酯的重量百分比为0-30％，例如为20％、25％、30％等；乙酸乙酯的重量百分比为0-60％，例如为16％、18％、20％、40％等；乙酸丙酯的重量百分比为0-40％，例如为10％、20％、30％、40％等；碳酸丙烯酯的重量百分比为0-10％，例如为2％、5％、8％、10％。
在本发明一些实施例当中，六氟磷酸锂的重量百分比为5-20％，例如为5％、12％、15％、8％、13.8％等。在其他例当中，六氟磷酸锂还可以由六氟砷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、三氟甲磺酸锂、二氟磷酸锂或其组合物来代替。
在本发明一些实施例当中，二氟草酸硼酸锂的重量百分比为0.1-5％，例如为0.1％、0.5％、1％、2％等；硫酸乙烯酯的重量百分比为0.1-2％，例如为0.1％、0.2％、0.5％、1％等；氟代碳酸乙烯酯的重量百分比为0.1-5％，例如为0.5％、1％、2％、2.5％等；1,3-丙烷磺内酯的重量百分比为0.1-5％，例如为0.5％、1％、2％、2.5％等。此外，添加剂还包括双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)和/或二氟磷酸锂(LiDFP)。在具体选择时，双氟磺酰亚胺锂的重量百分比为0-5％，例如为1.5％、2％、3％、5％等，二氟磷酸锂的重量百分比为0-2％，例如为0.4％、0.8％、1％、2％等。
本发明的电解液的制备过程为：在手套箱中，将电解液所用的有机溶剂按对应比例混合，之后加入呈固体粉末的锂盐LiPF6，待固体锂盐全部溶解后，再按对应比例加入各添加剂，混合均匀即得电解液。
本发明通过上述有机溶剂和添加剂的添加组合及添加重量百分比的分配，可以在电池正负极表面形成了一层致密均匀、离子导电性较高的界面膜，能够显著降低锂电池内阻，在电池内部可实现锂离子的快速移动，提高锂离子电池的高倍率放电效率。
本发明另一方面还提出一种锂离子电池，包括正极、负极、以及设于正极和负极之间的注液电芯，注液电芯当中注入有上述的电解液。在具体实施时，正极的材料为钴酸锂、三元材料或磷酸铁锂，负极的材料为活性材料，具体为人造石墨、天然石墨或复合物石墨。
本发明的锂离子电池的制备过程为：先通过制浆、涂布、辊压、分切、卷绕、焊接、真空烘烤、封装得到待注液电芯，将上述配制好的电解液注入到待注液电芯中，经过搁置、化成，再接入正极和负极，即制得锂离子电池。
为了便于理解本发明，下面将给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
实施例1
本实施例当中的电解液，有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和乙酸乙酯，碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和乙酸乙酯的重量百分比分别为5％、60％和18％；
锂盐包括六氟磷酸锂，其重量百分比为13.8％；
添加剂包括二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯和1,3-丙烷磺内酯，二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯和1,3-丙烷磺内酯的重量百分比分别为0.1％、0.1％、1％和2％。
实施例2
本实施例当中的电解液，有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯和碳酸丙烯酯，碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯和碳酸丙烯酯的重量百分比分别为12％、40％、20％和8％；
锂盐包括六氟磷酸锂，其重量百分比为15％；
添加剂包括二氟草酸硼酸锂硫酸乙烯酯氟代碳酸乙烯酯1,3-丙烷磺内酯和二氟磷酸锂，二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯和二氟磷酸锂的重量百分比分别为0.5％、0.1％、2％、2％和0.4％。
实施例3
本实施例当中的电解液，有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和乙酸丙酯，碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和乙酸丙酯的重量百分比分别为15％、40％和20％；
锂盐包括六氟磷酸锂，其重量百分比为15％；
添加剂包括二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯、双氟磺酰亚胺锂和二氟磷酸锂，二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯、双氟磺酰亚胺锂和二氟磷酸锂的重量百分比分别为0.5％、0.2％、5％、2％、和1.5％和0.8％。
实施例4
本实施例当中的电解液，有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、乙酸乙酯和碳酸丙烯酯，碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、乙酸乙酯和碳酸丙烯酯的重量百分比分别为15％、40％、16％和10％；
锂盐包括六氟磷酸锂，其重量百分比为12％；
添加剂包括二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯和双氟磺酰亚胺锂,二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯和双氟磺酰亚胺锂的重量百分比分别为1.5％、0.5％、0.5％、2.5％、和2％。
实施例5
本实施例当中的电解液，有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯和碳酸丙烯酯，碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯和碳酸丙烯酯的重量百分比分别为25％、25％、15％和5％；
锂盐包括六氟磷酸锂，其重量百分比为12％；
添加剂包括二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯和双氟磺酰亚胺锂,二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯和双氟磺酰亚胺锂的重量百分比分别为1％、1％、1％、2％、和3％。
实施例6
本实施例当中的电解液，有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、和碳酸甲乙酯，碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯的重量百分比分别为40％、35％和8％；
锂盐包括六氟磷酸锂，其重量百分比为5％；
添加剂包括二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯和双氟磺酰亚胺锂,二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯和双氟磺酰亚胺锂的重量百分比分别为2％、1％、2％、2％、和5％。
实施例7
本实施例当中的电解液，有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、和碳酸甲乙酯，碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯的重量百分比分别为25％、25％和25％；
锂盐包括六氟磷酸锂，其重量百分比为10％；
添加剂包括二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯、双氟磺酰亚胺锂和二氟磷酸锂,二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯、双氟磺酰亚胺锂和二氟磷酸锂的重量百分比分别为1％、1％、5％、2％、5％和1％。
实施例8
本实施例当中的电解液，有机溶剂包括碳酸乙烯酯和乙酸乙酯，碳酸乙烯酯和乙酸乙酯的重量百分比分别为10％和60％；
锂盐包括六氟磷酸锂，其重量百分比为20％；
添加剂包括二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯、和二氟磷酸锂,二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯、和二氟磷酸锂的重量百分比分别为2％、1％、2％、3％和2％。
实施例9
本实施例当中的电解液，有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和乙酸乙酯，碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和乙酸乙酯的重量百分比分别为25％、7％和40％；
锂盐包括六氟磷酸锂，其重量百分比为15％；
添加剂包括二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯、和二氟磷酸锂,二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯、和二氟磷酸锂的重量百分比分别为5％、2％、2％、2％和2％。
实施例10
本实施例当中的电解液，有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和乙酸乙酯，碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和乙酸乙酯的重量百分比分别为28％、30％和20％；
锂盐包括六氟磷酸锂，其重量百分比为15％；
添加剂包括二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、和1,3-丙烷磺内酯,二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、和1,3-丙烷磺内酯的重量百分比分别为1％、2％、2％和2％。
实施例11
本实施例当中的电解液，有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和乙酸乙酯，碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和乙酸乙酯的重量百分比分别为25％、45％和10％；
锂盐包括六氟磷酸锂，其重量百分比为15％；
添加剂包括二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、和1,3-丙烷磺内酯,二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、和1,3-丙烷磺内酯的重量百分比分别为1％、1％、1％和2％。
实施例12
本实施例当中的电解液，有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、乙酸丙酯、和碳酸丙烯酯，碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、乙酸丙酯、和碳酸丙烯酯的重量百分比分别为20％、20％、40％和2％；
锂盐包括六氟磷酸锂，其重量百分比为15％；
添加剂包括二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯和二氟磷酸锂,二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯和二氟磷酸锂的重量百分比分别为0.5％、0.5％、1％、0.5％和0.5％。
实施例13
本实施例当中的电解液，有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和乙酸丙酯，碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和乙酸丙酯的重量百分比分别为25％、30％和30％；
锂盐包括六氟磷酸锂，其重量百分比为12％；
添加剂包括二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯和二氟磷酸锂,二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯和二氟磷酸锂的重量百分比分别为0.5％、0.5％、0.5％、1％和0.5％。
实施例14
本实施例当中的电解液，有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、乙酸丙酯和碳酸丙烯酯，碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、乙酸丙酯和碳酸丙烯酯的重量百分比分别为25％、30％、20％和5％；
锂盐包括六氟磷酸锂，其重量百分比为15％；
添加剂包括二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯和二氟磷酸锂,二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯和二氟磷酸锂的重量百分比分别为1％、0.5％、1％、2％和0.5％。
实施例15
本实施例当中的电解液，有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、乙酸丙酯和碳酸丙烯酯，碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、乙酸丙酯和碳酸丙烯酯的重量百分比分别为30％、25％、10％和10％；
锂盐包括六氟磷酸锂，其重量百分比为15％；
添加剂包括二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯和二氟磷酸锂,二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯和二氟磷酸锂的重量百分比分别为2.5％、1％、1％、5％和0.5％。
请参阅下表1，所示为本发明上述实施例1-15对应的参数，此外为了方便理解本发明方案的优越性，还设置了5个对比例(普通电解液)，即对比例1-5，对比例1-5的参数如下表1所示。
表1：
Figure BDA0003127804210000091
Figure BDA0003127804210000101
在实际应用当中，分别利用本发明上述实施例1-15、及对比例1-5对应制备得到的电解液来制备锂离子电池，并对制备好的锂离子电池进行内阻和放电效率测试，测试数据如下表2所示。需要说明的是，为了验证电解液的优越性，本发明上述实施例1-15、及对比例1-5对应制备得到的锂离子电池除电解液不同之外、其它都应当相同，例如正极材料统一选用钴酸锂，负极材料统一选用人造石墨。
表2：
Figure BDA0003127804210000102
Figure BDA0003127804210000111
结合上述表1和表2的数据可以明显看出，本发明实施例制备的电解液与普通电解液相比，能明显降低锂电池内阻，在电池内部可实现锂离子的快速移动，提高锂离子电池的高倍率放电效率，能够更好的满足当下和未来锂离子电池市场的需求，具有更好的市场竞争力。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电解液，其特征在于，包括有机溶剂、锂盐和添加剂，所述有机溶剂包括碳酸乙烯酯，所述锂盐包括六氟磷酸锂，所述添加剂包括二氟草酸硼酸锂、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯和1,3-丙烷磺内酯。
2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述二氟草酸硼酸锂的重量百分比为0.1-5％，所述硫酸乙烯酯的重量百分比为0.1-2％，所述氟代碳酸乙烯酯的重量百分比为0.1-5％，所述1,3-丙烷磺内酯的重量百分比为0.1-5％。
3.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述碳酸乙烯酯的重量百分比为5-40％。
4.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述六氟磷酸锂的重量百分比为5-20％。
5.根据权利要求1-4任一项所述的电解液，其特征在于，所述有机溶剂还包括碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、碳酸丙烯酯当中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的电解液，其特征在于，所述碳酸二甲酯的重量百分比为0-60％，所述碳酸甲乙酯的重量百分比为0-30％，所述乙酸乙酯的重量百分比为0-60％，所述乙酸丙酯的重量百分比为0-40％，所述碳酸丙烯酯的重量百分比为0-10％。
7.根据权利要求1-4任一项所述的电解液，其特征在于，所述添加剂还包括双氟磺酰亚胺锂和/或二氟磷酸锂。
8.根据权利要求7所述的电解液，其特征在于，所述双氟磺酰亚胺锂的重量百分比为0-5％，所述二氟磷酸锂的重量百分比为0-2％。
9.一种锂离子电池，其特征在于，包括正极、负极、以及设于所述正极和所述负极之间的注液电芯，所述注液电芯当中注入有权利要求1-8任一项所述的电解液。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极的材料为钴酸锂、三元材料或磷酸铁锂，所述负极的材料为人造石墨、天然石墨或复合物石墨。
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