CN115286587A - 一种高离域的碱金属化合物及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于化合物技术领域，提供了一种高离域的碱金属化合物及其制备方法和应用，本发明先采用全氟代羰基化试剂和肼类化合物反应，再与氨进行反应，最后与碱金属氢氧化物或碱金属盐反应制得高离域的碱金属化合物，本发明的制备方法步骤少，简便易操作，采用的原料试剂易获得，反应过程中不涉及叠氮酸盐的使用，安全稳定，对操作工艺条件的要求低，有利于降低成本，所制得的碱金属化合物的阴离子电荷离域性能高，化合物热稳定性好，热分解温度不低于280℃，可用于制备电化学性能好的碱金属系电池。

Description

一种高离域的碱金属化合物及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及化合物技术领域，更具体地，涉及一种高离域的碱金属化合物及其制备方法和应用。
背景技术
碱金属因其性质活泼、还原性强、电势低，常常被作为还原剂用于氧化还原反应中，同时由于其易获得，价格低廉且环境污染小而被用于新能源的开发中。在常见的新能源器件的研究中，碱金属常常被作为负极材料而用于电池的研发中，尤其是金属锂，以其为主要材料的锂离子电池受到了广泛研究，也取得了令人瞩目的成就。在碱金属系电池中，碱金属盐作为电解质的主要成分，其性质对电解液的热化学稳定性、电导率及安全性具有重要影响，对于电池性能及寿命的提升具有重要意义，受到了人们的广泛研究。
目前新能源领域用到的电解质主要以六氟磷酸盐、高氯酸盐、六氟砷酸盐等为主，如应用在商品化锂离子电池中的六氟磷酸锂，以其制备的电解质具有电导率高、电化学稳定性好的优点，但是六氟磷酸盐热稳定性差，遇水及含活泼质子型物质时易分解，且分解产生的氟化氢(HF)会加剧电池性能的恶化，难以满足高性能储能器件的需求。为了进一步提升储能器件的性能，研究者们开发出了多种更加稳定的阴离子，如磺酰亚胺型、硼酸型、芳香性环阴离子等，主要通过降低阴离子的负电荷密度来降低阴阳离子间的相互作用力，提升电解液的电导率和电化学稳定性，如双三氟甲烷磺酰亚胺锂盐、4,5-二腈基三唑锂、双草酸硼酸锂等，其中氟、腈基、羰基等吸电子取代基可以有效降低阴离子的电荷密度。以三唑环阴离子为中心的碱金属盐，具有独特的芳香性环结构，配以适当的吸电子基团，可以使阴离子电荷得到很好地分散，具潜在的开发价值。目前，3,5-二取代三唑可采用四氮唑盐作为原料来制备，但是四氮唑盐无商品化原料可用，四氮唑盐需要用到有机腈类和叠氮酸盐等原料来制备，由于叠氮酸盐有剧毒，且叠氮酸盐安稳性不好，存在爆炸的风险，对操作技术及设备要求比较高，限制了其应用。因此，亟需开发一种原料安全无毒、对操作技术及设备要求较低的稳定性高的碱金属盐的制备方法。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种高离域的碱金属盐的制备方法，本发明的制备方法简便易操作，且不涉及叠氮酸盐的使用，安全性高，对操作条件的要求低，所制得的碱金属化合物具有高电荷离域性能，热稳定性高，碱金属化合物的热分解温度不低于280℃。
本发明的第一方面提供一种高离域的碱金属化合物的制备方法。
具体地，一种高离域的碱金属化合物的制备方法，包括如下步骤：
(1)利用全氟代羰基化试剂和肼类化合物反应生成亚胺中间体；
(2)然后将步骤(1)制得的亚胺中间体与氨通过关环反应制得全氟代三唑类化合物；
(3)最后将步骤(2)制得的全氟代三唑类化合物与碱金属氢氧化物或碱金属盐通过酸碱反应，制得所述碱金属化合物。
本发明采用全氟代羰基化试剂、肼类化合物及氨作为反应物，利用羰基和氨基之间的反应制备全氟代三唑类化合物，再通过酸碱反应制得碱金属化合物，本发明的制备方法无需使用叠氮酸盐；本发明所制得的碱金属化合物含有全氟取代基团，一方面可以起到吸电子基团的作用，可以有效降低阴离子的电荷密度，降低该盐中阴阳离子之间的解离能，提高阳离子的解离性能；另一方面由于C-F键稳定性和疏水性能好，可以提高碱金属化合物的热稳定性，以及增加碱金属化合物与溶剂的相容性，提高电解质性能；本发明制得的碱金属化合物的阴阳离子相互作用力弱，碱金属离子解离性能好，具有高离域的特点，电化学性能高，热稳定性好，用于电解质中，可解决电解质中阴离子的稳定性差的问题。
优选地，步骤(1)中，所述全氟代羰基化试剂具有如下式(Ⅰ)所示的分子结构：
Figure BDA0003732264950000021
其中，Rf选自全氟代饱和烷基或全氟代不饱和烃基，X选自氢原子、卤素原子、羟基、烷氧基、酰氧基中的一种或几种。以上X取代基的选择有助于提高全氟代羰基化试剂的吸电子能力和增加所合成的碱金属化合物与有机溶剂的相容性。
优选地，所述全氟代羰基化试剂为三氟乙酸、三氟乙酰氯、三氟乙酸酐、三氟乙醛、五氟丙酸、九氟戊酸酐、五氟丙酸甲酯、七氟丁酸酐中的一种或几种。
优选地，步骤(1)中，所述全氟代羰基化试剂与肼类化合物的摩尔比为(1-2)：1。
更优选地，步骤(1)中，所述全氟代羰基化试剂与肼类化合物的摩尔比为(1.5-2)：1。
进一步优选地，步骤(1)中，所述全氟代羰基化试剂与肼类化合物的摩尔比为2：1。
优选地，步骤(3)中，所述步骤(2)制得的全氟代三唑类化合物与碱金属氢氧化物或碱金属盐的摩尔比为(0.8-1)：1。
更优选地，步骤(3)中，所述步骤(2)得到产物与碱金属氢氧化物或碱金属盐的摩尔比为(0.95-1)：1。
优选地，步骤(1)中，所述碱金属化合物具有如下式(Ⅱ)所示的分子结构：
Figure BDA0003732264950000031
其中，Rf和R’ f分别独立地选自全氟代饱和烷基和/或全氟代不饱和烃基；M为碱金属。
优选地，所述碱金属为Li、Na、K中的一种。碱金属离子为正一价，价态低，与阴离子之间的相互作用较小，便于碱金属化合物在作为电解质盐在溶剂中的解离；碱金属元素在同一周期的所有元素中还原电位最低，使其可以在更低的电位下稳定存在，具有更宽电位的应用范围。
优选地，步骤(1)中，所述肼类化合物为水合肼。
优选地，步骤(1)中，所述碱金属盐为碱金属碳酸盐。
优选地，步骤(1)中，所述反应的温度为-10-90℃，所述反应的时间为0.5-24h。
更优选地，步骤(1)中，所述反应的温度为0-60℃，所述反应的时间为0.5-12h。
优选地，步骤(1)中，所述全氟代羰基化试剂先溶解于溶剂中，再与肼类化合物反应。
优选地，所述溶剂为水、乙醇、甲醇、四氢呋喃、二氯甲烷、二氯乙烷、三氯甲烷、乙酸乙酯、氯苯中的一种或几种。
更优选地，所述溶剂为二氯甲烷、二氯乙烷、三氯甲烷、四氢呋喃、氯苯中的一种或几种。
优选地，步骤(2)中，所述关环反应的温度为-78-40℃，所述关环反应的时间为12-24h。
优选地，步骤(2)中，所述氨为液氨。
优选地，所述液氨为氨气冷凝物。
优选地，所述氨气为尿素分解反应产生的氨气和/或铵盐分解反应产生的氨气。
优选地，所述铵盐包括但不限于氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、磷酸铵中的一种或几种。
优选地，步骤(2)中，将所述步骤(1)制得的亚胺中间体以0.5-2滴/秒的速度缓慢滴加到所述氨中进行所述关环反应。以上方法更方便操作。
优选地，步骤(3)中，所述碱金属氢氧化物或碱金属盐为碱金属氢氧化物或碱金属盐的水或醇溶液。
更优选地，步骤(3)中，所述碱金属氢氧化物或碱金属盐为碱金属氢氧化物或碱金属盐的水溶液。
优选地，步骤(3)中，所述酸碱反应温度为20-50℃，所述酸碱反应的时间为8-24h。
本发明的第二方面提供一种高离域的碱金属化合物。
本发明保护上述制备方法制得的高离域的碱金属化合物，所述碱金属化合物的热分解温度不低于280℃。
本发明的第三方面提供一种高离域的碱金属化合物的应用。
本发明保护上述高离域的碱金属化合物在新能源领域中的应用。
优选地，所述碱金属化合物在制备锂、钠离子电池中的应用。
优选地，所述碱金属化合物作为锂、钠离子电池中电解质的主要成分。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
(1)本发明先采用全氟代羰基化试剂和肼类化合物反应，再与氨进行反应，最后与碱金属氢氧化物或碱金属盐反应制得高离域的碱金属化合物，本发明的制备方法步骤少，简便易操作，采用的原料试剂易获得，不涉及叠氮酸盐的使用，所用到的肼类化合物等原料安全性能高，更便于合成操作，安全稳定，对操作技术及设备的要求低，有利于降低成本；
(2)本发明制得的碱金属化合物的阴离子电荷离域性能高，有利于提高该类化合物的稳定性，全氟代烃基取代基稳定性高，碱金属化合物的热分解温度不低于280℃，热稳定性好，有利于其在新能源领域中的应用。
附图说明
图1为本发明实施例2与对比例1所制备的碱金属化合物的热重曲线。
具体实施方式
为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。
以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
实施例1
一种碱金属化合物的制备方法，包括如下步骤：
称取0.1mol三氟乙酸，溶于二氯甲烷中，在冰水浴、搅拌下缓慢滴加入0.05mol的水合肼，滴加完毕继续在该温度下保持4h，然后缓慢升至室温，室温下反应4h；停止反应后，蒸除溶剂，用去离子水洗涤三次，有机层用无水硫酸钠干燥过夜；然后缓慢滴加到-60℃下的液氨中，搅拌下反应18h，缓慢回温得到白色粉末；将该粉末溶于氢氧化钾溶液中，滤除固体物质，滤液用醋酸调制pH小于4，然后用50mL二氯甲烷萃取三次，合并有机层，蒸除溶剂，在室温下、真空干燥箱中干燥6h；取出后溶于含有适量KOH的水溶液中，搅拌反应12h使其充分反应后蒸除溶剂，干燥所得白色粉末即为产物3,5-二(三氟甲基)-1,2,4-三唑钾盐，收率76％。产物的核磁碳谱结果为13C NMR(101MHz,DMSO-d6)δ/ppm＝149.51(m),117.81(q).产物的核磁氟谱结果为19F NMR(376MHz,DMSO-d6)δ/ppm＝-64.80.
实施例2
一种碱金属化合物的制备方法，包括如下步骤：
称取0.1mol三氟乙酰氯，溶于二氯甲烷中，在冰水浴、搅拌下缓慢滴加入0.05mol的水合肼，滴加完毕继续在该温度下保持2h，然后缓慢升至室温，室温下反应4h；停止反应后，蒸除溶剂，用0.1mol/L NaOH水溶洗涤三次，有机层用无水硫酸钠干燥过夜；然后缓慢滴加到-60℃下的液氨中，搅拌下反应18h，缓慢回温得到白色粉末；将该粉末溶于氢氧化钾溶液中，滤除固体物质，滤液用醋酸调制pH小于4，然后用50mL二氯甲烷萃取三次，合并有机层，蒸除溶剂，在室温下、真空干燥箱中干燥6h；取出后溶于含有适量NaOH的水溶液中，搅拌反应12h使其充分反应后蒸除溶剂，干燥所得白色粉末即为产物3,5-二(三氟甲基)-1,2,4-三唑钠盐，收率86％。产物的核磁碳谱结果为13C NMR(101MHz,DMSO-d6)δ/ppm＝149.54(m),117.85(q).产物的核磁氟谱结果为19F NMR(376MHz,DMSO-d6)δ＝-64.91.
实施例3
一种碱金属化合物的制备方法，包括如下步骤：
称取0.05mol三氟乙酸酐，溶于二氯甲烷中，在冰水浴、搅拌下缓慢滴加入0.05mol的水合肼，滴加完毕继续在该温度下保持2h，然后缓慢升至室温，室温下反应4h；停止反应后，蒸除溶剂，用0.1mol/L NaOH水溶液洗涤三次，有机层用无水硫酸钠干燥过夜；然后缓慢滴加到-60℃下的液氨中，搅拌下反应18h，缓慢回温得到白色粉末；将该粉末溶于氢氧化钾溶液中，滤除固体物质，滤液用醋酸调制pH小于4，然后用50mL二氯甲烷萃取三次，合并有机层，蒸除溶剂，在室温下、真空干燥箱中干燥6h；取出后溶于含有适量LiOH的水溶液中，搅拌反应12h使其充分反应后蒸除溶剂，干燥所得白色粉末即为3,5-二(三氟甲基)-1,2,4-三唑锂盐，收率88％。
实施例4
一种碱金属化合物的制备方法，包括如下步骤：
称取0.1mol三氟乙醛，溶于二氯甲烷中，在冰水浴、搅拌下缓慢滴加入0.05mol的水合肼，滴加完毕继续在该温度下保持2h，然后缓慢升至室温，室温下反应8h；停止反应后，蒸除溶剂，用去离子水洗涤三次，有机层用无水硫酸钠干燥过夜；然后缓慢滴加到-60℃下的液氨中，搅拌下反应18h，缓慢回温得到白色粉末；将该粉末溶于氢氧化钾溶液中，滤除固体物质，滤液用醋酸调制pH小于4，然后用50mL二氯甲烷萃取三次，合并有机层，蒸除溶剂，在室温下、真空干燥箱中干燥6h；取出后溶于含有适量KOH的水溶液中，搅拌反应12h使其充分反应后蒸除溶剂，干燥所得白色粉末即为3,5-二(三氟甲基)-1,2,4-三唑钾盐，收率79％。
实施例5
一种碱金属化合物的制备方法，包括如下步骤：
称取0.1mol五氟丙酸，溶于二氯甲烷中，在冰水浴、搅拌下缓慢滴加入0.05mol的水合肼，滴加完毕继续在该温度下保持1h，然后缓慢升至室温，室温下反应6h；停止反应后，蒸除溶剂，用0.1mol/L NaOH水溶液洗涤三次，有机层用无水硫酸钠干燥过夜；然后缓慢滴加到-60℃下的液氨中，搅拌下反应24h，缓慢回温得到粘稠液体；将该液体溶于氢氧化钠溶液中，分出水相用醋酸调制pH小于4，然后用50mL二氯甲烷萃取三次，合并有机层，蒸除溶剂，在室温下、真空干燥箱中干燥6h；取出后溶于含有适量KOH的水溶液中，搅拌反应12h使其充分反应后蒸除溶剂，干燥所得白色粉末即为产物3,5-二(五氟乙基)-1,2,4-三唑钾盐，收率74％。产物的核磁碳谱结果为13C NMR(101MHz,DMSO-d6)δ/ppm＝148.10–146.75(m),115.18(qt),104.21(tq).产物的核磁氟谱结果为19F NMR(376MHz,DMSO-d6)δ/ppm＝-82.11,-115.21.
实施例6
一种碱金属化合物的制备方法，包括如下步骤：
称取0.05mol九氟戊酸酐，溶于二氯甲烷中，在冰水浴、搅拌下缓慢滴加入0.05mol的水合肼，滴加完毕继续在该温度下保持2h，然后缓慢升至室温，室温下反应12h；停止反应后，蒸除溶剂，用0.1mol/L NaOH水溶液洗涤三次，有机层用无水硫酸钠干燥过夜；然后缓慢滴加到-60℃下的液氨中，搅拌下反应24h，缓慢回温得到白色粉末；将该粉末溶于氢氧化钠溶液中，滤除固体物质，滤液用醋酸调制pH小于4，然后用50mL二氯甲烷萃取三次，合并有机层，蒸除溶剂后在室温下、真空干燥箱中干燥8h；取出后溶于含有适量KOH的水溶液中，搅拌反应12h使其充分反应后蒸除溶剂，干燥所得白色粉末即为产物3,5-二(九氟丁基)-1,2,4-三唑钾盐，收率73％。产物的核磁碳谱结果为13C NMR(101MHz,DMSO-d6)δ/ppm＝152.32-151.06(m),122.74-113.52(m)，122.54-114.42(m),111.50-106.74(m),110.65-105.47(m),107.83-102.15(m).产物的核磁氟谱结果为19F NMR(376MHz,DMSO-d6)δ/ppm＝-66.63,-115.14,-126.82.
实施例7
一种碱金属化合物的制备方法，包括如下步骤：
称取0.1mol的五氟丙酸甲酯，溶于二氯乙烷中，在室温、搅拌下缓慢滴加入0.05mol的水合肼，滴加完毕继续在该温度下保持2h，然后缓慢升至60℃反应12h；停止反应后，蒸除溶剂，用去离子水洗洗三次，有机层用无水硫酸钠干燥过夜；然后缓慢滴加到-60℃下的液氨中，搅拌下反应24h，缓慢回温得到白色黏稠物质；将该粘稠物质溶于氢氧化钾溶液中，滤除固体物质，滤液用醋酸调制pH小于4，然后用50mL二氯甲烷萃取三次，合并有机层，蒸除溶剂后在室温下、真空干燥箱中干燥12h；取出后溶于含有适量LiOH的水溶液中，搅拌反应12h使其充分反应后蒸除溶剂，干燥所得白色粉末即为3,5-二(五氟乙基)-1,2,4-三唑锂盐，收率68％。
实施例8
一种碱金属化合物的制备方法，包括如下步骤：
称取0.05mol的七氟丁酸酐，溶于二氯甲烷中，在冰水浴、搅拌下缓慢滴加入0.05mol的水合肼，滴加完毕继续在该温度下保持2h，然后缓慢升至室温，室温下反应6h；停止反应后，蒸除溶剂，用0.1mol/L NaOH洗涤三次，有机层用无水硫酸钠干燥过夜；然后缓慢滴加到-60℃下的液氨中，搅拌下反应18h，缓慢回温得到白色粉末；将该粉末溶于氢氧化钾溶液中，滤除固体物质，滤液用醋酸调制pH小于4，然后用50mL二氯甲烷萃取三次，合并有机层，蒸除溶剂在室温下、真空干燥箱中干燥10h；取出后溶于含有适量KOH的水溶液中，搅拌反应18h使其充分反应后蒸除溶剂，干燥所得白色粉末即为3,5-二(七氟丙基)-1,2,4-三唑钾盐，收率70％。
对比例1
对比例1与实施例2的区别在于，用乙酰氯替换三氟乙酰氯。制备方法如下：称取0.1mol乙酰氯，溶于二氯甲烷中，在冰水浴、搅拌下缓慢滴加入0.05mol的水合肼，滴加完毕继续在该温度下保持2h，然后缓慢升至室温，室温下反应4h；停止反应后，蒸除溶剂，用0.1mol/LNaOH水溶洗涤三次，有机层用无水硫酸钠干燥过夜；然后缓慢滴加到-60℃下的液氨中，搅拌下反应18h，缓慢回温得到白色粉末；将该粉末溶于氢氧化钾溶液中，滤除固体物质，滤液用醋酸调制pH小于4，然后用50mL二氯甲烷萃取三次，合并有机层，蒸除溶剂，在室温下、真空干燥箱中干燥6h；取出后溶于含有适量NaOH的水溶液中，搅拌反应12h使其充分反应后蒸除溶剂，干燥所得白色粉末即为产物3,5-二甲基-1,2,4-三唑钠盐，收率79％，产物的核磁碳谱结果为13C NMR(101MHz,DMSO-d6)δ/ppm＝160.03(m),23.85(s).
对比例2
对比例2与实施例2的区别在于，将氨替换为甲胺。制备方法如下：称取0.1mol三氟乙酰氯，溶于二氯甲烷中，在冰水浴、搅拌下缓慢滴加入0.05mol的水合肼，滴加完毕继续在该温度下保持2h，然后缓慢升至室温，室温下反应4h；停止反应后，蒸除溶剂，用0.1mol/LNaOH水溶液洗涤三次，有机层用无水硫酸钠干燥过夜；然后缓慢滴加到-30℃下的甲胺中，搅拌下反应18h，缓慢回温得到白色粉末；将该粉末用20mL二氯甲烷萃取三次，合并有机层，蒸除溶剂，在室温下、真空干燥箱中干燥6h，所得白色粉末即为产物，收率75％，产物的核磁碳谱结果为13C NMR(101MHz,DMSO-d6)δ/ppm＝160.03(m),117.85(q),23.80(s)。所得产物不溶于氢氧化钠等碱性溶液中，无法制得相应的碱金属化合物。
将本发明实施例2制得的全氟烃基碱金属化合物与对比例1制得的碱金属化合物进行热稳定性对比分析，结果如图1所示，对比例1所得碱金属盐的热重曲线在约150℃附近出现比较明显的失重现象，而实施例2所制备的样品在约350℃后才开始失重分解。由此可知，将唑环3,5-位取代基替换为全氟代烃基后所制得的碱金属化合物的热稳定性得到了极大的提升。其中图1中的Temperature为温度，Weight为重量。其余实施例所制得的样品的热分解温度在280-350℃之间，热稳定性均高于对应未全氟取代的样品。
应用例
一种碱金属系电池，采用本发明制得的高离域的碱金属化合物作为电解质的主要化学成分。取实施例3所制得的3,5-二(三氟甲基)-1,2,4-三唑锂盐适量，溶解于碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯(EC/DMC)(1:1，v/v)中，得到1mol/L的溶液，溶液电导率为6mS/cm，电化学氧化稳定性为4.7V(vs.Li+/Li)，0.1C下LFP|Li电池的基于LFP的容量可达160mAh/g(LFP为磷酸铁锂)，具有良好的电化学性能。

Claims (10)

1.一种碱金属化合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用全氟代羰基化试剂和肼类化合物反应生成亚胺中间体；
(2)然后将步骤(1)制得的亚胺中间体与氨通过关环反应制得全氟代三唑类化合物；
(3)最后将步骤(2)制得的全氟代三唑类化合物与碱金属氢氧化物或碱金属盐通过酸碱反应，制得所述碱金属化合物。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述全氟代羰基化试剂具有如下式(Ⅰ)所示的分子结构：
Figure FDA0003732264940000011
其中，Rf选自全氟代饱和烷基和/或全氟代不饱和烃基，X选自氢原子、卤素原子、羟基、烷氧基、酰氧基中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述全氟代羰基化试剂与肼类化合物的摩尔比为(1-2)：1。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述步骤(2)制得的全氟代三唑类化合物与碱金属氢氧化物或碱金属盐的摩尔比为(0.8-1)：1。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述碱金属化合物具有如下式(Ⅱ)所示的分子结构：
Figure FDA0003732264940000012
其中，Rf和R’ f分别独立地选自全氟代饱和烷基和/或全氟代不饱和烃基，M为碱金属。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述肼类化合物为水合肼。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述反应的温度为-10-90℃，所述反应的时间为0.5-24h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述关环反应的温度为-78-40℃，所述关环反应的时间为12-24h。
9.权利要求1-8任一项所述制备方法制得的碱金属化合物，其特征在于，所述碱金属化合物的热分解温度不低于280℃。
10.权利要求9所述碱金属化合物在新能源领域中的应用。
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