CN113871621A - 一种导电粘结剂及其制备方法、一种负极以及锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锂离子电池技术领域,尤其涉及一种导电粘结剂及其制备方法、一种负极以及锂离子电池,包括以下重量份数的原料:滑环聚轮烷20~40份、碳材料10~20份和聚合物20~60份。本发明的一种导电粘结剂,兼具导电性和粘结剂,有效缓解膨胀应力,减少极片极化,降低内阻,提高电化学性能。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域,尤其涉及一种导电粘结剂及其制备方法、一种负极以及锂离子电池。
背景技术
近年来,随着电动汽车、电子设备和大规模电网的蓬勃发展,锂离子电池正向高容量、高能量密度方向发展,而传统的石墨负极的克容量(380mAh/g)已不能满足市场预期。硅基负极由于具有高的理论容量、低的化学势和原料来源广等优点,引起了人们广泛关注。但硅负极电导率较低和充放电循环中的体积变化大(超过300%)等缺点,限制了其在锂离子电池中的大规模应用。目前,通过加入粘结剂是缓冲充放电过程中极片膨胀/收缩的一种有效手段,电池行业常用的粘结剂有聚偏二氟乙烯、聚丙烯酸、聚乙烯醇以及丁苯橡胶等。上述粘结剂能够与硅基负极形成共价或非共价相互作用,一定程度上抑制了硅基负极的体积膨胀,但由于这些粘结剂自身导电性差,机械性能不佳,与硅基负极长程粘结力不高,不利于提高硅基负极锂离子电池的长期循环性能和高倍率充放电性能。
如何提供一种粘结剂能够更好的释放硅基负极体积膨胀应力,同时兼顾减少电池极化和降低电池内阻,仍是目前亟待解决的重要技术问题。
发明内容
本发明的目的之一在于:针对现有技术的不足,而提供一种导电粘结剂,兼具导电性和粘结剂,有效缓解膨胀应力,减少极片极化,降低内阻,提高电化学性能。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种导电粘结剂,包括以下重量份数的原料:滑环聚轮烷20~40份、碳材料10~20份和聚合物20~60份。添加有滑环聚轮烷有效地释放硅基负极材料在充放电过程中的体积膨胀应力,碳材料能够提高粘结剂的导电性,同时三者共同形成具有高弹性的粘结剂网络,有效释放应力,改善循环性能,而且碳材料具有活性基团,能够对聚轮烷进行封端,提高粘结剂的稳定性,而且能够提供电子转移通道,增强锂离子电池的高倍率充放电性能。
作为本发明一种导电粘结剂的一种改进,所述碳材料为纳米碳纤维、碳纳米管中的至少一种。碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管以及束型碳纳米管。
作为本发明一种导电粘结剂的一种改进,所述碳纳米管的直径为5~20nm,长度为5~15μm,纳米碳纤维的直径为100~200nm,长度为10~20μm。
作为本发明一种导电粘结剂的一种改进,所述聚合物为聚丙烯酸、聚偏二氟乙烯、聚偏四氟乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇、丁苯橡胶、聚乙烯、聚丙烯中的一种。
本发明的目的之二在于:针对现有技术的不足,而提供一种导电粘结剂的制备方法,制备过程中引入滑环聚轮烷和碳材料,形成具有高弹性的粘结剂网络,聚合物参与聚轮烷的滑动运动,有利于硅基负极在充放电过程中的应力释放,从而改善锂离子电池的循环性能。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种导电粘结剂的制备方法,包括以下步骤:
S1、将碳材料分散在溶剂中,加入滑环聚轮烷和缩合剂,搅拌反应得到复合物;
S2、将聚合物活化,将复合物加入活化后的聚合物中,控制温度,搅拌反应得到导电粘结剂。
在聚丙烯酸中引入滑环聚轮烷和碳材料,形成具有高弹性的粘结剂网络,并参与聚轮烷的滑动运动,制备成硅基负极时,有利于在充放电过程中的应力释放,从而改善锂离子电池的循环性能。
其中,所述S1中溶剂为二氯甲烷、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的至少一种。
作为一种导电粘结剂的制备方法的一种改进,所述S1中搅拌反应的时间为0.5~24小时,所述S2中控制温度为60-90℃,搅拌反应的时间为24-72小时。
作为一种导电粘结剂的制备方法的一种改进,所述碳材料为羧基化碳材料,所述羧基化碳材料的制备方法包括以下步骤:将碳材料加入酸溶剂中浸泡,加入浓硝酸和浓硫酸的混合物,超声处理,加热搅拌,加入氧化剂搅拌得到羧基化碳材料。将碳材料进行羧基化处理,能够使碳材料表面带有活性的羧基,采用具有活性基团的碳材料对聚轮烷进行封端,不仅能够提高粘结剂结构的稳定性,而且能够提供电子转移通道,从而增强锂离子电池的高倍率充放电性能。
作为一种导电粘结剂的制备方法的一种改进,所述聚合物活化的方法包括以下步骤:将聚合物和活化剂在惰性气体保护下加入溶剂中加热搅拌。将聚合物活化,便于聚合物与环状分子材料中羟基发生反应交联。
作为一种导电粘结剂的制备方法的一种改进,所述聚合物活化中的聚合物为聚丙烯酸,活化剂为N,N'-羰基二咪唑,溶剂为二甲基亚砜。
作为一种导电粘结剂的制备方法的一种改进,所述滑环聚轮环的制备方法包括以下步骤:
A1、将链状高分子材料真空干燥,加入N,N'-羰基二咪唑的无水四氢呋喃中反应,加入乙二胺反应得到端氨基的链状高分子材料;
A2、将端氨基的链状高分子材料加入溶剂中加热溶解,加入环状分子材料,搅拌冷却、透析和干燥得到滑环聚轮环。
其中,所述链状高分子材料包括聚己内酯、聚乙烯亚氨、尼龙6、聚四氢呋喃、聚乙二酸丁二醇酯、聚二甲基硅氧烷、双链聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇、双链聚乙烯亚胺、聚己二酸丙二醇酯、聚己二酸丁二醇酯。
其中,所述环状分子材料包括α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精。环状分子材料与链状高分子材料能够在一定条件下进行反应生成滑环聚轮环,但环状分子与链状高分子材料反应形成滑环聚轮环具有对应关系,如:聚乙二醇和α-环糊精能形成滑环聚轮烷,聚乙烯醇和γ-环糊精能形成滑环聚轮烷,但聚乙二醇和γ-环糊精不能形成滑环聚轮烷。优选地,使用聚乙二醇与α-环糊精反应生成滑环聚轮烷。
其中,所述缩合剂为O-苯并三氮唑-N,N,N',N'-四甲基脲四氟硼酸酯、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、1-羟基苯并三氮唑、4-二甲氨基吡啶、2-(7-氮杂苯并三氮唑)-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸酯、N,N-二异丙基乙胺、N,N'-二异丙基碳二亚胺、二环己基碳二亚胺、六氟磷酸苯并三唑-1-基-氧基三吡咯烷基磷的至少一种。
本发明的目的之三在于:针对现有技术的不足,而提供一种负极,使用具有高弹性的导电粘结剂,能够在充放电过程中弹性释放应力,改善锂离子电池的循环性能,同时导电粘结剂可减少导电剂的使用,降低生产成本。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种负极,包括集流体和设置在集流体至少一表面的负极活性物质层,所述负极活性物质层包括负极活性材料和导电粘结剂,所述导电粘结剂为上述的导电粘结剂。
作为一种负极的一种改进,所述负极活性材料和导电粘结剂的重量份数比为80~99:1~10。
本发明的目的之四在于:针对现有技术的不足,而提供一种锂离子电池,能够在充放电过程中释放膨胀应力,减少电池极化和降低电池内阻,提高循环性能。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种锂离子电池,包括正极、隔膜、电解液、壳体以及上述的负极,隔膜用于分隔所述正极和上述的负极,壳体用于装设正极、负极、隔膜以及电解液。
与现在技术相比,本发明的有益效果在于:本发明的一种导电粘结剂,兼具导电性和粘结剂,有效缓解膨胀应力,减少极片极化,降低内阻,提高电化学性能。
附图说明
图1是本发明的导电粘结剂的结构示意图。
图2是本发明实施例1与对比例1的容量保持率曲线对比图。
图3是本发明实施例2与对比例2的倍率曲线对比图。
其中:1、链状高分子材料;2、环状分子材料;3、碳材料;4、聚合物;5、化学键合。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图,对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式并不限于此。
实施例1
1、滑环聚轮烷的制备:将10g在50℃真空干燥12h的聚乙二醇加入到40ml含有0.2gN,N'-羰基二咪唑的无水四氢呋喃中,并在50℃下反应18h。反应结束后,加入0.6ml乙二胺反应2h,冷却至室温后加入40ml乙醇,搅拌后过滤并干燥得到端氨基聚乙二醇。将上述产物加入到水中,在80℃下溶解30min,随后缓慢加入3.6gɑ-环糊精,搅拌30min,冷却至室温后,在5℃下保存过夜并干燥。在得到的产物中加入2.4ml 2,4-二硝基氟苯,混合均匀后,缓慢加入10ml无水N,N-二甲基甲酰胺,在室温下静置过夜,然后用50ml二甲基亚砜进行溶解和透析,干燥后得到了滑环聚轮烷。
2、羧基化碳材料3的制备:将5g碳纳米管用1000ml的稀硝酸溶液在40-50℃的水浴中预处理48h,随后将得到碳纳米管加入到浓硝酸和浓硫酸(1:1)的混合物中,室温下超声处理2h后置于60-70℃的水浴中高速搅拌12h,然后将得到的碳纳米管加入到30%的双氧水中,在室温下高速搅拌2h,最后离心、过滤,用去离子水洗涤8-10次,在80℃的真空烘箱内干燥48h得到表面引入羧基的碳纳米管。
3、复合物的制备:将1.5g的上述步骤2制得的碳纳米管超声分散在250g的N,N-二甲基甲酰胺中,将上述步骤1制得的3.0g滑环聚轮烷和0.1g的O-苯并三氮唑-N,N,N',N'-四甲基脲四氟硼酸酯加入到分散液中,搅拌反应12h,后经去离子水洗涤,过滤,干燥得到滑环聚轮烷/碳材料3复合物。
4、聚合物4的活化:将5g聚丙烯酸和2g N,N'-羰基二咪唑混合到30g的二甲基亚砜中,在氩气气氛下,保持50℃搅拌8h,得到活化后的聚丙烯酸。
5、混合反应:将步骤3制得的滑环聚轮烷/碳材料3复合物加入到步骤4制得的活化后的聚丙烯酸溶液中,控制温度为80℃,搅拌24h,后经溶解、透析、沉淀和干燥得到所述的导电粘结剂,如图1所示,端氨基聚乙二醇的链状高分子材料1穿插在α-环糊精的环状分子材料2中形成滑环聚轮烷,同时与聚丙烯酸的聚合物4和羧基化碳纳米管的碳材料3形成多个化学键合5,从而形成导电粘结剂。
6、负极极片的制备:将97.5wt%的硅碳负极活性物质(克容量为450mAh/g),2.5wt%步骤5制得的导电粘结剂在去离子水中高速搅拌2h,得到均匀混合的浆料,并均匀的涂覆在6μm铜箔上,经烘烤、辊压、分条以及焊接极耳后制得负极极片。
7、正极极片的制备:将98.2wt%的钴酸锂,0.5wt%的Super-P,1.3wt%的聚偏二氟乙烯与N-甲基吡咯烷酮混合成浆料,并均匀涂覆在10μm铝箔上,经烘烤、辊压、分条以及焊接极耳后制得正极极片。
8、电解液的制备:将六氟磷酸锂(LiPF6)溶解于碳酸二甲酯(DEC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)混合溶剂中(四者的质量比为3:5:1:2),得到电解液。
9、锂离子电池的制备:将制备好的正极极片、负极极片和厚度为7μm的聚乙烯多孔薄膜作为隔膜,以卷绕的方式制备型号为575166P的电芯,其中负极片的容量和面积相对于正极片均有8%以上的富余,通过铝塑膜封装形成软包电芯,随后进行注液、化成和分容。
实施例2
与实施例1的区别在于:导电粘结剂和负极极片的制备:
1)将2g的纳米碳纤维超声分散在300g的二甲基亚砜中,将3g滑环聚轮烷和0.2g重量份的1-羟基苯并三氮唑加入到上述分散液中,搅拌反应24h,后经去离子水洗涤,过滤,干燥得到滑环聚轮烷/碳材料3复合物。
2)将4.5g聚丙烯酸和0.1g N,N'-羰基二咪唑混合到25g的二甲基亚砜中,在氩气气氛下,保持50℃搅拌10h得到活化后的聚丙烯酸。
3)将步骤1)制得的产物加入步骤2)制得的溶液中,保持温度75℃,搅拌36h,后经溶解、透析、沉淀和干燥得到的导电粘结剂。
负极极片的制备:将85wt%的硅氧负极活性物质(克容量为1550mAh/g),10%单臂碳纳米管和5wt%导电粘结剂在去离子水中高速搅拌2h,得到均匀混合的浆料,并均匀的涂覆在6μm铜箔上,经烘烤、辊压、分条以及焊接极耳后制得负极极片。
其余与实施例1相同,这里不再赘述。
实施例3
与实施例1的区别在于:导电粘结剂和负极极片的制备:
将1g的碳纳米管超声分散在210g的乙腈中,将3g制得的滑环聚轮烷和0.3g的N,N-二异丙基乙胺加入到上述分散液中,搅拌反应8h,后经去离子水洗涤,过滤,干燥得到滑环聚轮烷/碳材料3复合物。
2)将4g聚丙烯酸和0.3g N,N'-羰基二咪唑混合到20g的二甲基亚砜中,在氩气气氛下,保持50℃搅拌20h。
3)将步骤1)制得的产物加入步骤2)制得的溶液中,保持温度60℃,搅拌72h,后经溶解、透析、沉淀和干燥得到所述的导电粘结剂。
负极极片的制备:将80wt%的纳米硅负极活性物质,10wt%Super-P和10wt%导电粘结剂在去离子水中高速搅拌2h,得到均匀混合的浆料,并均匀的涂覆在6μm铜箔上,经烘烤、辊压、分条以及焊接极耳后制得负极极片。
其余与实施例1相同,这里不再赘述。
实施例4
与实施例1的区别在于:所述滑环聚轮烷、碳材料3和聚合物4的重量份数比为30:15:60。
其余与实施例1相同,这里不再赘述。
实施例5
与实施例1的区别在于:所述滑环聚轮烷、碳材料3和聚合物4的重量份数比为30:15:55。
其余与实施例1相同,这里不再赘述。
实施例6
与实施例1的区别在于:所述滑环聚轮烷、碳材料3和聚合物4的重量份数比为40:15:50。
其余与实施例1相同,这里不再赘述。
实施例7
与实施例1的区别在于:所述滑环聚轮烷、碳材料3和聚合物4的重量份数比为35:15:50。
其余与实施例1相同,这里不再赘述。
实施例8
与实施例1的区别在于:所述滑环聚轮烷、碳材料3和聚合物4的重量份数比为25:15:50。
其余与实施例1相同,这里不再赘述。
实施例9
与实施例1的区别在于:所述碳材料3为未羧基化碳材料3。
其余与实施例1相同,这里不再赘述。
实施例10
与实施例1的区别在于:所述聚合物4为未活化聚合物4。
其余与实施例1相同,这里不再赘述。
实施例11
与实施例1的区别在于:滑环聚轮烷的制备中链状高分子材料1与环状分子材料2的重量份数比为10:5。
其余与实施例1相同,这里不再赘述。
实施例12
与实施例1的区别在于:滑环聚轮烷的制备中链状高分子材料1与环状分子材料2的重量份数比为10:9。
其余与实施例1相同,这里不再赘述。
实施例13
与实施例1的区别在于:滑环聚轮烷的制备中链状高分子材料1与环状分子材料2的重量份数比为10:1。
其余与实施例1相同,这里不再赘述。
对比例1
与实施例1的区别在于:负极极片的制备:
将95.0wt%的硅碳负极活性物质(克容量为450mAh/g),1.5wt%碳纳米管,1.5wt%羧甲基纤维素钠和2.0wt%丁苯橡胶混合成负极浆料,将所制备的浆料均匀的涂覆在6μm铜箔上,经烘烤、辊压、分条以及焊接极耳后制得负极极片。
其余与实施例1相同,这里不再赘述。
对比例2
与实施例1的区别在于:负极极片的制备:
将80wt%的硅氧负极活性物质(克容量为1550mAh/g),15wt%乙炔黑,1.5wt%羧甲基纤维素钠和3.5wt%聚丙烯酸混合成负极浆料,将所制备的浆料均匀的涂覆在6μm铜箔上,经烘烤、辊压、分条以及焊接极耳后制得负极极片。
其余与实施例1相同,这里不再赘述。
对比例3
与实施例1的区别在于:负极极片的制备:
将80wt%的纳米硅活性物质,12wt%Super-P和8wt%聚丙烯酸混合成负极浆料,将所制备的浆料均匀的涂覆在6μm铜箔上,经烘烤、辊压、分条以及焊接极耳后制得负极极片。
其余与实施例1相同,这里不再赘述。
性能测试
1、循环性能测试:
在25±2℃下,将锂离子电池以1C恒流充电至4.45V,之后以4.45V恒压充电至电流为0.02C,静置5min,然后以1C恒流放电至3.00V,此为一个充放电循环过程,此次的放电容量为首次循环的放电容量。将锂离子二次电池按照上述方法进行100次循环充放电测试,记录每一次循环的放电容量。循环容量保持率(%)=第200次循环的放电容量/首次循环的放电容量×100%。
2、倍率性能测试:
将待测的锂离子电池在25±2℃环境中静置30分钟,以0.1C的倍率恒流充电至电压为4.45V,随后恒压充电至电流为0.02C,然后分别以0.2C和3C的倍率放电至3.00V,记录3C放电倍率/0.2C放电倍率的放电克容量百分比。
3、电池厚度膨胀率的测试:
在12℃下,将锂离子电池以1C恒流充电至4.45V,然后恒压充电至电流为0.02C,再以1C恒流放电至3.00V,此为首次循环。按照上述条件对锂离子电池进行20次循环。用高度规测试循环前和循环后的电池厚度。通过下式计算厚度膨胀率:厚度膨胀率=[(循环后厚度-循环前厚度)/循环前厚度]×100%。
表1
由上述表1可以得出,本发明的负极片以及锂离子电池相对于现有技术具有更好的循环性能、倍率性能以及更低的膨胀率。由上述实施例1和实施例4-8对比得出,当设置滑环聚轮烷、碳材料3和聚合物4的重量份数比为25:15:50时,制备出的导电粘结剂制造的负极/锂离子电池具有更好的性能。由上述实施例1和实施例4-9对比得出,使用未羧基化碳材料3时制造的负极/锂离子电池性能更差,这是因为没有羧基化的碳材料3不能与聚轮烷进行封端,导致结构不稳定性,多次充放电循环后易出现体积膨胀,导致导电材料在活性物质表面脱落,从而影响高倍率性能。由上述实施例1、实施例4-8以及实施例10对比得出,当使用未活化聚合物4时,聚合物4未充分反应结合,导致制备制造的负极/锂离子电池性能更差,循环性能以及高倍率性能均变差。由上述实施例1以及11-13对比得出,当设置滑环聚轮烷的制备中链状高分子材料1与环状分子材料2的重量份数比为10:3.6时,制备出负极/锂离子电池性能更好。由实施例1和对比例1对比得出,实施例1的负极极片膨胀为6.3%,1C/1C循环200周保持率90%以上,具体循环曲线如图2所示,与对比例1相比,实施例1的负极极片的膨胀率明显降低,循环性能明显提高,说明该导电粘结剂的可以显著地改善硅碳负极材料的膨胀和电池的循环性能。由实施例2和对比例2对比得出,实施例2的电芯1C/1C循环200周保持率80%以上,3C倍率放电为0.2C放电容量的81.3%,倍率曲线如图3所示,相较于对比例2,实施例2电池的循环和倍率性能明显提升,说明该导电粘结剂的可以显著地改善硅氧负极材料锂离子电池的循环性能和倍率性能。由实施例3和对比例3对比得出,实施例3循环20次后的负极极片膨胀率仅为13.6%,1C/1C循环200周后容量为初始容量73%,与实施例3相比,负极极片的膨胀率显著降低,循环性能得到极大的提升,说明该导电粘结剂的可以显著地改善硅负极材料的膨胀和电池的循环性能。
根据上述说明书的揭示和教导,本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此,本发明并不局限于上述的具体实施方式,凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外,尽管本说明书中使用了一些特定的术语,但这些术语只是为了方便说明,并不对本发明构成任何限制。
Claims (13)
1.一种导电粘结剂,其特征在于,包括以下重量份数的原料:滑环聚轮烷20~40份、碳材料10~20份和聚合物20~60份。
2.根据权利要求1所述的导电粘结剂,其特征在于,所述碳材料为纳米碳纤维、碳纳米管中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的导电粘结剂,其特征在于,所述碳纳米管的直径为5~20nm,长度为5~15μm,纳米碳纤维的直径为100~200nm,长度为10~20μm。
4.根据权利要求1所述的导电粘结剂,其特征在于,所述聚合物为聚丙烯酸、聚偏二氟乙烯、聚偏四氟乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇、丁苯橡胶、聚乙烯、聚丙烯中的一种。
5.一种导电粘结剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、将碳材料分散在溶剂中,加入滑环聚轮烷和缩合剂,搅拌反应得到复合物;
S2、将聚合物活化,将复合物加入活化后的聚合物中,控制温度,搅拌反应得到导电粘结剂。
6.根据权利要求5所述的导电粘结剂的制备方法,其特征在于,所述S1中搅拌反应的时间为0.5~24小时,所述S2中控制温度为60-90℃,搅拌反应的时间为24-72小时。
7.根据权利要求5所述的导电粘结剂的制备方法,其特征在于,所述碳材料为羧基化碳材料,所述羧基化碳材料的制备方法包括以下步骤:将碳材料加入酸溶剂中浸泡,加入浓硝酸和浓硫酸的混合物,超声处理,加热搅拌,加入氧化剂搅拌得到羧基化碳材料。
8.根据权利要求5所述的导电粘结剂的制备方法,其特征在于,所述聚合物活化的方法包括以下步骤:将聚合物和活化剂在惰性气体保护下加入溶剂中加热搅拌。
9.根据权利要求8所述的导电粘结剂的制备方法,其特征在于,所述聚合物活化中的聚合物为聚丙烯酸,活化剂为N,N'-羰基二咪唑,溶剂为二甲基亚砜。
10.根据权利要求5所述的导电粘结剂的制备方法,其特征在于,所述滑环聚轮环的制备方法包括以下步骤:
A1、将链状高分子材料真空干燥,加入N,N'-羰基二咪唑的无水四氢呋喃中反应,加入乙二胺反应得到端氨基的链状高分子材料;
A2、将端氨基的链状高分子材料加入溶剂中加热溶解,加入环状分子材料,搅拌冷却、透析和干燥得到滑环聚轮环。
11.一种负极,其特征在于,包括集流体和设置在集流体至少一表面的负极活性物质层,所述负极活性物质层包括负极活性材料和导电粘结剂,所述导电粘结剂为权利要求1-4中任意一项的导电粘结剂。
12.根据权利要求11所述的一种负极,其特征在于,所述负极活性材料和导电粘结剂的重量份数比为80~99:1~10。
13.一种锂离子电池,其特征在于,包括权利要求11或12中任一项所述的负极。
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