CN113942998A - 一种多孔石墨烯粉体及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多孔石墨烯粉体及其制备方法和应用,属于石墨烯材料制备技术领域。本发明提供的一种多孔石墨烯粉体的制备方法,包括以下步骤:S1.将膨胀石墨溶于去离子水中,在反应釜中搅拌均匀得到分散液;S2.将步骤S1得到的分散液送入微射流设备中处理,重复循环上述步骤3‑5次;S3.将步骤S2得到的溶液进行冷冻干燥或者微波干燥处理,制备成粉体;S4.将步骤S3得到的粉体通入二氧化碳进行活化处理;S5.将步骤S4得到的粉体继续通入水蒸气进行活化,得到多孔石墨烯粉体。该制备方法简单、环境友好、工艺稳定性好,可以对多孔石墨烯粉体的孔径进行调控,将制备的多孔石墨烯粉体用于锂离子电池正极导电剂时,该锂离子电池表现出优异的倍率性能。

Description

一种多孔石墨烯粉体及其制备方法和应用
技术领域
本发明是一种多孔石墨烯粉体及其制备方法和应用,属于石墨烯材料制备技术领域。
背景技术
石墨烯具有理想的单原子层二维晶体结构,由六边形晶格组成,这种特殊的结构赋予了石墨烯材料独特的热学、力学和电学性能。目前,石墨烯已经广泛应用于锂离子电池电极材料、超级电容器、太阳能电池电极材料、储氢材料、传感器、光学材料、药物载体等方面,石墨烯的应用前景十分广阔。
多孔石墨烯作为一种新型的石墨烯基材料,不仅保留有石墨烯本身的优异性质,而且相比惰性的石墨烯表面,孔的引入可以有效的打开石墨烯的能带隙,大大提高物质的运输效率,更加有利于电子、离子、气体的转移与存储。多孔石墨烯通常由石墨烯造孔后得到,而在石墨烯的生产过程中,以浓硫酸、硝酸盐、高锰酸钾体系的同时要用到其它强氧化剂,如双氧水、盐酸等,实际反应活性较难控制,工艺稳定性较差,污染严重。因此,急需开发一种操作简单、绿色环保、工艺稳定性好的多孔石墨烯制备方法。现有的多孔石墨烯制备方法中,对于孔径不能控制,而孔径调控对于多孔石墨烯的应用具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术存在不足,本发明的目的是提供一种多孔石墨烯粉体及其制备方法,本发明多孔石墨烯粉体的制备方法简单、环境友好、工艺稳定性好,能够进行批量制备,通过控制活化剂用量和活化时间可以对多孔石墨烯粉体的孔径进行调控。
本发明的另一目的在于提供上述多孔石墨烯粉体在锂离子电池中的应用,特别是用于锂离子电池正极导电剂时,多孔石墨烯粉体能够形成离子通道,能够提高导电性,制备的锂离子电池表现出较好的倍率性能。
为了实现上述目的,本发明提供了一种多孔石墨烯粉体的制备方法,包括以下步骤:
S1.将膨胀石墨溶于去离子水中,在反应釜中搅拌均匀得到分散液;
S2.将步骤S1得到的分散液送入微射流设备中处理,重复循环上述步骤3-5次;
S3.将步骤S2得到的溶液进行冷冻干燥或者微波干燥处理,制备成粉体;
S4.将步骤S3得到的粉体通入二氧化碳进行活化处理;
S5.将步骤S4得到的粉体继续通入水蒸气进行活化,得到多孔石墨烯粉体。
采用上述方案,步骤S1使膨胀石墨初步与去离子水混合均匀,部分水分子进入石墨层间,步骤S2通过微射流设备处理,进一步将膨胀石墨与去离子水混合均匀,使更多的水分子插入石墨层间,水分子对膨胀石墨的石墨层起到剥离和支撑作用,使得膨胀石墨的层间距变大,通过步骤S3冷冻干燥或者微波干燥处理后,石墨层间的水分子迅速气化,将膨胀石墨的石墨片层撑开,膨胀石墨的层间距变大,单层厚度变薄,形成石墨烯,步骤S4和步骤S5通过物理活化剂二氧化碳和水蒸气对石墨烯进行活化造孔,形成多孔石墨烯粉体,该制备方法操作简单、绿色环保、工艺稳定性好。
优选的,步骤S3中,冷冻干燥的工艺参数为,真空度小于100Pa,将步骤S2得到的溶液在-35℃保持4h,-30℃保持1h,-20℃保持1h,-10℃保持2h,0℃保持3h,10℃保持2h,20℃保持4h,35℃保持6h。
优选的,步骤S3中,微波干燥的工艺参数为:微波频率1000MHz-2000MHz,微波输出功率密度为70-100mW/cm3,微波辐射时间为6-30s。
优选的,步骤S4具体为,将步骤S3得到的粉体在活化炉中通入二氧化碳进行活化,活化温度为1000-1100℃条件下恒温4-6h,二氧化碳的通入量为2-3L/min。
采用上述方案,活化炉中通入二氧化碳后,石墨烯中的碳和二氧化碳在高温下反应,石墨烯中的碳被消耗,从而形成孔洞结构。
优选的,步骤S5具体为:将步骤S4得到的粉体在活化炉中通入水蒸气继续活化,活化温度为1000-1100℃条件下恒温4-6h,水蒸气的通入量为2-3L/min。
采用上述方案,活化炉中通入水蒸气后,石墨烯中的碳和水蒸气在高温下反应,石墨烯中的碳被消耗,从而形成孔洞结构。
优选的,步骤S1中,反应釜的搅拌转速80-100r/min,反应釜的分散盘转速为1200-1500r/min,搅拌分散1-2h,膨胀石墨的含量为所述混合溶液的1-2.5wt%。
优选的,步骤S1中,膨胀石墨的D50为40-100μm,比表面积为30-50m2/g,松装密度为0.02-0.04g/cm3,磁性异物小于1000ppb。
优选的,步骤S2具体为,将步骤S1得到的分散液通过隔膜泵送入微射流设备中处理,隔膜泵的流量为20-30/min,微射流压力为1000-1200MPa,重复循环上述步骤3-5次。
本发明还提供一种上述制备方法得到的多孔石墨烯粉体。
本发明还提供上述多孔石墨烯粉体在锂离子电池正极导电剂中的应用。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明通过冷冻干燥或者微波干燥处理,使石墨层间的水分子迅速气化,将膨胀石墨的石墨片层撑开,膨胀石墨的层间距变大,单层厚度变薄,形成石墨烯,然后利用二氧化碳和水蒸气对石墨烯进行活化造孔,该多孔石墨烯粉体的制备方法简单、环境友好、工艺稳定性好,能够进行批量制备,通过控制活化剂用量和活化时间可以对多孔石墨烯粉体的孔径进行调控。
(2)本发明制备的多孔石墨烯粉体用于锂离子电池正极导电剂时,多孔石墨烯粉体能够形成离子通道,能够提高导电性,制备的锂离子电池表现出较好的倍率性能。
附图说明
图1为仅经过实施例1中步骤S1-S3处理后得到的石墨烯粉体的AFM图。
图2为实施例1得到的多孔石墨烯粉体的AFM图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体实施方式,进一步阐述本发明。
本发明提供一种多孔石墨烯粉体的制备方法,包括以下步骤:
S1.将膨胀石墨溶于去离子水中,在反应釜中搅拌均匀得到分散液;
其中,膨胀石墨的D50为40-100μm,比表面积为30-50m2/g,松装密度为0.02-0.04g/cm3,磁性异物小于1000ppb,反应釜的搅拌转速80-100r/min,反应釜的分散盘转速为1200-1500r/min,搅拌分散1-2h,膨胀石墨的含量为所述混合溶液的1-2.5wt%;
S2.将步骤S1得到的分散液通过隔膜泵送入微射流设备中处理,隔膜泵的流量为20-30/min,微射流压力为1000-1200MPa,重复循环上述步骤3-5次;
S3.将步骤S2得到的溶液进行冷冻干燥或者微波干燥处理,制备成粉体;
步骤S3中,冷冻干燥的工艺参数为,真空度小于100Pa,将步骤S2得到的溶液在-35℃保持4h,-30℃保持1h,-20℃保持1h,-10℃保持2h,0℃保持3h,10℃保持2h,20℃保持4h,35℃保持6h。
步骤S3中,微波干燥的工艺参数为:微波频率1000MHz-2000MHz,微波输出功率密度为70-100mW/cm3,微波辐射时间为6-30s。
S4.将步骤S3得到的粉体在活化炉中通入二氧化碳进行活化,活化温度为1000-1100℃条件下恒温4-6h,二氧化碳的通入量为2-3L/min。
S5.将步骤S4得到的粉体在活化炉中通入水蒸气继续活化,活化温度为1000-1100℃条件下恒温4-6h,水蒸气的通入量为2-3L/min。
本发明还提供一种利用上述制备方法得到的多孔石墨烯粉体。
本发明还提供上述多孔石墨烯粉体在锂离子电池正极导电剂中的应用。
实施例1
本发明提供一种多孔石墨烯粉体的制备方法,包括以下步骤:
S1.将膨胀石墨溶于去离子水中,在反应釜中搅拌均匀得到分散液;
其中,膨胀石墨的D50为40μm,比表面积为30m2/g,松装密度为0.04g/cm3,磁性异物小于800ppb,反应釜的搅拌转速80r/min,反应釜的分散盘转速为1500r/min,搅拌分散1h,膨胀石墨的含量为所述混合溶液的1wt%;
S2.将步骤S1得到的分散液通过隔膜泵送入微射流设备中处理,隔膜泵的流量为20/min,微射流压力为1000MPa,重复循环上述步骤3次;
S3.将步骤S2得到的溶液进行冷冻干燥处理,制备成粉体;
步骤S3中,冷冻干燥的工艺参数为,真空度小于100Pa,将步骤S2得到的溶液在-35℃保持4h,-30℃保持1h,-20℃保持1h,-10℃保持2h,0℃保持3h,10℃保持2h,20℃保持4h,35℃保持6h。
S4.将步骤S3得到的粉体在活化炉中通入二氧化碳进行活化,活化温度为1000℃条件下恒温6h,二氧化碳的通入量为2L/min;
S5.将步骤S4得到的粉体在活化炉中通入水蒸气继续活化,活化温度为1000℃条件下恒温6h,水蒸气的通入量为2L/min。
实施例2
具体同实施例1,所不同的是:
在本实施例中,步骤S1中,膨胀石墨的D50为100μm,比表面积为35m2/g,松装密度为0.02g/cm3,磁性异物小于700ppb,反应釜的搅拌转速85r/min,反应釜的分散盘转速为1200r/min,搅拌分散2h,膨胀石墨的含量为所述混合溶液的1.5wt%;
步骤S2中,隔膜泵的流量为25/min,微射流压力为1200MPa,重复循环上述步骤4次;
步骤S4中,活化温度为1100℃条件下恒温5h,二氧化碳的通入量为2.5L/min;
步骤S5中,活化温度为1100℃条件下恒温5h,水蒸气的通入量为2.5L/min。
实施例3
具体同实施例1,所不同的是:
在本实施例中,步骤S1中,膨胀石墨的D50为60μm,比表面积为40m2/g,松装密度为0.03g/cm3,磁性异物小于600ppb,反应釜的搅拌转速95r/min,反应釜的分散盘转速为1300r/min,搅拌分散2h,膨胀石墨的含量为所述混合溶液的2wt%;
步骤S2中,隔膜泵的流量为30/min,微射流压力为1200MPa,重复循环上述步骤5次;
步骤S4中,活化温度为1050℃条件下恒温4h,二氧化碳的通入量为3L/min;
步骤S5中,活化温度为1050℃条件下恒温4h,水蒸气的通入量为3L/min。
实施例4
具体同实施例1,所不同的是:
在本实施例中,步骤S1中,膨胀石墨的D50为80μm,比表面积为50m2/g,松装密度为0.04g/cm3,磁性异物小于500ppb,反应釜的搅拌转速100r/min,反应釜的分散盘转速为1400r/min,搅拌分散1.5h,膨胀石墨的含量为所述混合溶液的2.5wt%;
步骤S2中,隔膜泵的流量为30/min,微射流压力为1100MPa,重复循环上述步骤5次;
步骤S3中,将步骤S2得到的溶液进行微波干燥处理,制备成粉体;
微波干燥的工艺参数为:微波频率1000MHz,微波输出功率密度为100mW/cm3,微波辐射时间为6s;
实施例5
具体同实施例1,所不同的是:
步骤S4中通入二氧化碳进行活化时,活化温度为1000℃条件下恒温4h,二氧化碳的通入量为2L/min。
实施例6
具体同实施例1,所不同的是:
步骤S4中通入二氧化碳进行活化时,活化温度为1000℃条件下恒温6h,二氧化碳的通入量为2L/min。
实施例7
具体同实施例1,所不同的是:
步骤S4中通入二氧化碳进行活化时,活化温度为1000℃条件下恒温4h,二氧化碳的通入量为3L/min。
实施例8
具体同实施例1,所不同的是:
步骤S4中通入二氧化碳进行活化时,活化温度为1100℃条件下恒温4h,二氧化碳的通入量为2L/min。
实施例9
具体同实施例1,所不同的是:
步骤S4中通入水蒸气进行活化时,活化温度为1000℃条件下恒温4h,二氧化碳的通入量为2L/min。
实施例10
具体同实施例1,所不同的是:
步骤S4中通入水蒸气进行活化时,活化温度为1000℃条件下恒温6h,二氧化碳的通入量为2L/min。
实施例11
具体同实施例1,所不同的是:
步骤S4中通入水蒸气进行活化时,活化温度为1000℃条件下恒温4h,二氧化碳的通入量为3L/min。
实施例12
具体同实施例1,所不同的是:
步骤S4中通入水蒸气进行活化时,活化温度为1100℃条件下恒温4h,二氧化碳的通入量为2L/min。
实施例13
具体同实施例5,所不同的是:不进行步骤S5处理。
实施例14
具体同实施例5,所不同的是:不进行步骤S4处理。
实施例15
具体同实施例4,所不同的是:
步骤S3中,微波干燥的工艺参数为:微波频率2000MHz,微波输出功率密度为85mW/cm3,微波辐射时间为30s。
实施例16
具体同实施例4,所不同的是:
步骤S3中,微波干燥的工艺参数为:微波频率1500MHz,微波输出功率密度为70mW/cm3,微波辐射时间为18s。
对比例1
具体同实施例1,区别仅在于:只进行步骤S1、S2、S3处理。
对比例2
具体同实施例2,区别仅在于:只进行步骤S1、S2、S3处理。
对比例3
具体同实施例3,区别仅在于:只进行步骤S1、S2、S3处理。
对比例4
具体同实施例4,区别仅在于:只进行步骤S1、S2、S3处理。
结构与形貌表征
图1为仅经过实施例1中步骤S1-S3处理后得到的石墨烯粉体的AFM图,图2为实施例1得到的多孔石墨烯粉体的AFM图。由图1可以看出,仅经过实施例1中步骤S1-S3处理后得到的石墨烯粉体的厚度为9.8nm,由图2可以看出,实施例1得到的多孔石墨烯粉体的厚度为3.4nm,说明通过二氧化碳和水蒸气造孔后,石墨烯粉体的厚度明显减小。
多孔石墨烯粉体性能的检测方法
(1)含碳量:按照GB/T3521-2008《石墨化学分析法》测定;
(2)比表面积:按照GB/T19587-2004《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》测定;
(3)电导率:使用四探针电导仪,按照Q/JSGL006-2014《石墨烯材料电导性能的测定四探针法》测定;
(4)粒径:按照GB/T19077.1-2003粒度分析激光衍射法检测。
试验例1制备的多孔石墨烯粉体性能检测
将实施例1-4、对比例1-4制备的多孔石墨烯粉体进行产率、含碳量、比表面积、电导率、粒径和孔径检测,检测结果取平均值,具体结果如表1所示。
表1实施例1-4和对比例1-4制备的多孔石墨烯粉体性能检测结果
Figure BDA0003245542210000091
实施例1-4制备的多孔石墨烯粉体相对于对比例1-4制备的多孔石墨烯粉体增加了处理步骤S4和步骤S5,即二氧化碳和水蒸气活化处理。由表1中数据可以看出,与对比例1-4制备的多孔石墨烯粉体相比,实施例1-4制备的多孔石墨烯粉体的含碳量、比表面积和电导率明显增加,粒径减小,说明通过二氧化和水蒸气活化处理后形成的石墨烯所含的官能团减少,纯度提高,孔隙增多。
试验例2对多孔石墨烯粉体的孔径调控
将实施例5-14制备的多孔石墨烯粉体进行比表面积和孔径测试,结果如表2所示。
表2实施例5-14制备的多孔石墨烯粉体性能检测结果
试验例 比表面积(m<sup>2</sup>/g) 孔径(nm)
实施例5 110.8 24.0
实施例6 105.2 22.6
实施例7 115.5 20.9
实施例8 102.1 21.8
实施例9 107.6 25.6
实施例10 101.0 20.2
实施例11 104.8 23.1
实施例12 98.5 27.8
实施例13 50.6 34.9
实施例14 40.8 36.8
由表2数据可以看出,实施例5-8制备的多孔石墨烯粉体的比表面积和孔径随着步骤S4中通入二氧化碳的活化温度、恒温时间和二氧化碳的通入量变化而变化;实施例9-12制备的多孔石墨烯粉体的比表面积和孔径随着步骤S5中通入水蒸气的活化温度、恒温时间和水蒸气的通入量变化而变化。
与实施例5相比,实施例13制备的多孔石墨烯粉体只进行步骤S1-S4处理,其比表面积远小于实施例5,其孔径大于实施例5;与实施例5相比,实施例14制备的多孔石墨烯粉体只进行步骤S1-S3和S5处理,其比表面积远小于实施例5,其孔径大于实施例5,说明利用二氧化碳和水蒸气活化处理能够使多孔石墨烯形成多种孔洞结构,从而具有较大的比表面积和较小的孔径,并且通过控制二氧化碳的活化温度、恒温时间、二氧化碳的通入量、水蒸气的活化温度、恒温时间和水蒸气的通入量可以对石墨烯粉体的孔径进行调控。
试验例3制备的多孔石墨烯粉体用于锂离子电池性能测试
将实施例1-4、实施例5、实施例9、实施例13-14、对比例1-4制备的多孔石墨烯粉体用于锂离子电池正极导电剂,按照如下方法装配为纽扣电池后进行检测。
取磷酸铁锂、该实施例或对比例所得多孔石墨烯粉体和聚偏氟乙烯在溶剂N-甲基吡咯烷酮中以质量比为94:3:3的比例混合均匀,在铝箔上刮涂,干燥后在碾压机上碾压,之后冲切成圆形极片。在高纯氩气保护气氛下的手套箱中操作,按照负极壳、锂片、隔膜、电解液、极片、垫片、弹片、正极壳的顺序装配成纽扣电池,电解液的电解质为1M LiPF6,溶剂为EC:DEC:DMC=1:1:1(体积比),在蓝电CT2001A型测试仪上进行电化学性能测试,检测结果如表3所示。
对比例5:取磷酸铁锂、导电炭黑和聚偏氟乙烯在溶剂N-甲基吡咯烷酮中以质量比为94:3:3的比例混合均匀,在铝箔上刮涂,干燥后在碾压机上碾压,之后冲切成圆形极片。在高纯氩气保护气氛下的手套箱中操作,按照负极壳、锂片、隔膜、电解液、极片、垫片、弹片、正极壳的顺序装配成纽扣电池,电解液的电解质为1M LiPF6,溶剂为EC:DEC:DMC=1:1:1(体积比),在蓝电CT2001A型测试仪上进行电化学性能测试,检测结果如表3所示,所用导电炭黑为市售优等品。
表3实施例和对比例制备的多孔石墨烯粉体用于锂离子电池的电化学性能检测结果
Figure BDA0003245542210000111
Figure BDA0003245542210000121
由表3可以看出,与对比例1-4相比,实施例1-4制备的多孔石墨烯粉体用于锂离子电池正极导电剂时,首次库伦效率为97%-99%,1C比容量为148mAh/g,3C容量保持率为86-92%,1C条件下循环200周的容量保持率为98-100%;且与实施例13-14相比,实施例5制备的多孔石墨烯粉体用于锂离子电池正极导电剂时,锂离子电池的首次库伦效率、1C比容量、2C比容量、3C比容量、3C容量保持率和1C条件下循环200周的容量保持率都有明显提高;与对比例5相比,实施例1-5、实施例9制备的多孔石墨烯粉体用于锂离子电池正极导电剂时,其首次库伦效率、1C比容量、2C比容量、3C比容量、3C容量保持率和1C条件下循环200周的容量保持率仍有明显提高,说明该发明制备的多孔石墨烯粉体依次经过二氧化碳和水蒸气活化处理后用于锂离子电池正极导电剂时,能够提高锂离子电池的首次库伦效率、倍率性能和循环性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种多孔石墨烯粉体的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1.将膨胀石墨溶于去离子水中,在反应釜中搅拌均匀得到分散液;
S2.将步骤S1得到的分散液送入微射流设备中处理,重复循环上述步骤3-5次;
S3.将步骤S2得到的溶液进行冷冻干燥或者微波干燥处理,制备成粉体;
S4.将步骤S3得到的粉体通入二氧化碳进行活化处理;
S5.将步骤S4得到的粉体继续通入水蒸气进行活化,得到多孔石墨烯粉体。
2.根据权利要求1所述的一种多孔石墨烯粉体的制备方法,其特征在于,步骤S3中,冷冻干燥的工艺参数为,真空度小于100Pa,将步骤S2得到的溶液在-35℃保持4h,-30℃保持1h,-20℃保持1h,-10℃保持2h,0℃保持3h,10℃保持2h,20℃保持4h,35℃保持6h。
3.根据权利要求1所述的一种多孔石墨烯粉体的制备方法,其特征在于,步骤S3中,微波干燥的工艺参数为:微波频率1000MHz-2000MHz,微波输出功率密度为70-100mW/cm3,微波辐射时间为6-30s。
4.根据权利要求1所述的一种多孔石墨烯粉体的制备方法,其特征在于,步骤S4具体为,将步骤S3得到的粉体在活化炉中通入二氧化碳进行活化,活化温度为1000-1100℃条件下恒温4-6h,二氧化碳的通入量为2-3L/min。
5.根据权利要求1所述的一种多孔石墨烯粉体的制备方法,其特征在于,步骤S5具体为:将步骤S4得到的粉体在活化炉中通入水蒸气继续活化,活化温度为1000-1100℃条件下恒温4-6h,水蒸气的通入量为2-3L/min。
6.根据权利要求1所述的一种多孔石墨烯粉体的制备方法,其特征在于,步骤S1中,反应釜的搅拌转速80-100r/min,反应釜的分散盘转速为1200-1500r/min,搅拌分散1-2h,膨胀石墨的含量为所述混合溶液的1-2.5wt%。
7.根据权利要求1所述的一种多孔石墨烯粉体的制备方法,其特征在于,步骤S1中,膨胀石墨的D50为40-100μm,比表面积为30-50m2/g,松装密度为0.02-0.04g/cm3,磁性异物小于1000ppb。
8.根据权利要求1所述的一种多孔石墨烯粉体的制备方法,其特征在于,步骤S2具体为,将步骤S1得到的分散液通过隔膜泵送入微射流设备中处理,隔膜泵的流量为20-30/min,微射流压力为1000-1200MPa,重复循环上述步骤3-5次。
9.一种如权利要求1-8任一所述制备方法得到的多孔石墨烯粉体。
10.一种如权利要求9所述的多孔石墨烯粉体在锂离子电池正极导电剂中的应用。
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