CN115838188A - 钠离子正极材料的o3相至p2相的转换方法和钠离子正极材料 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新能源领域,公开了一种钠离子正极材料的O3相至P2相的转换方法,所述方法为:步骤1:将钠源和钠离子正极材料的前驱体混合灼烧,钠源中的钠和前驱体中的过渡金属TM的摩尔比为:Na/TM=1.0‑1.5;步骤2:将步骤1得到的灼烧产物洗涤即可。该方法可在不掺杂的前提下实现O3→P2相的转变,同时相转移是逐步发生的、梯度式的,因此在循环过程中不会发生剥离,进而实现电化学效果的提升。同时,本发明还提供了一种钠离子正极材料,该材料基于上述方法实现;此外,本发明还提供了具有核壳结构的钠离子正极材料。
Description
技术领域
本发明属于新能源领域,具体涉及一种钠离子正极材料的O3相至P2相的转换方法和钠离子正极材料。
背景技术
伴随着锂离子电池逐步应用到电动汽车和储能领域中,金属锂资源的供求问题日益凸显。而钠资源储量丰富、分布广泛、成本低廉,且钠离子电池与锂离子电池的工作原理接近,因此钠离子电池近年来备受关注。
正极活性材料是影响钠离子电池性能的关键因素。在被广泛研究的各种正极活性材料诸如氧化物、氟化物、硫化物、磷酸盐、焦磷酸盐、金属有机框架/金属六氰化物以及有机化合物中,具有层状结构的过渡金属氧化物正极活性材料,由于具有较高的理论容量、较高的密度以及材料制备的简易性而得到广泛关注,正成为一种极具潜力的钠离子电池正极活性材料。
根据层状结构氧化物稳定相结构,可将其分类为P2相和O3相层状金属氧化物,其中O3相NaxTMO2(0.67<x≤1;TM为Cu、Fe、Mn、Ni、Co、Ti、Mg、Al等中的一种以上金属)在比容量和比能量两方面都具有极大的优势,被认为是极具潜力的钠离子电池正极材料。但O3相层状过渡金属氧化物正极材料在现有电解液体系中存在着在高电压区段(>4.1V)易发生不可逆相转变的问题,这种弱耐高压性使得材料在高电压区段充放电过程中易发生结构畸变,导致材料的长期循环稳定性较差。P2相材料具有较低的钠含量(x≤0.67),因此其容量较低,但由于其层间距较宽,钠离子在层间穿梭时结构变化小,具有较好的倍率性能和循环性能。
因此制备兼具O3相和P2相的钠离子正极材料能够解决两者存在的问题已经是行业共识,如:
D1:CN202010980091 .5公开了一种NaMn0.5Ni0.5BxO2材料,其具有P2和O3相复合相,且具有二维层状形貌;其中,0<x≤0.1。其形成P2和O3相复合相的方法为(参考D1的说明书的有益效果部分):基于所述的B的掺杂以及B掺杂量的控制,能够基于一种由O3相部分诱导转化成P2的机制获得P2/O3复合相;不仅如此,进一步配合热处理机制、气氛以及气氛流量的联合控制,有助于进一步改善材料在钠离子电池中的电化学性能。
D2:CN202210492342 .4公开了一种MgFe2O4改性的P2/O3型镍基层状钠离子电池正极材料及其制备方法,所述钠离子电池正极材料的化学式为NaxTM1-yNiyO2@MgFe2O4,0.3≤x≤0.7或x=1,1/3≤y≤0.4,为P2或O3型层状金属氧化物,其中TM为过渡金属Mn、Fe、Mg、Ti、Al、Cu、Co或Zn中的一种,MgFe2O4包覆层的质量为NaxTM1-yNiyO2质量的1%-10%;该方案通过尖晶石型铁氧体MgFe2O4包覆层构建一种内电场,抑制高电压下过渡金属离子的迁移以及氧气的析出,可以提高钠离子电池P2和O3型层状氧化物正极材料的循环稳定性和倍率性能。
D3:CN201710903710.9一种混合相结构层状氧化物材料及其制备方法和用途,所述混合相结构层状氧化物材料,化学通式为:NaxNiiFejMnkMyO2+β;其中,M为对过渡金属位进行掺杂取代的元素,所述x,y,i,j,k,β分别为对应元素所占的摩尔百分比;其中y+i+j+k=1,且x+my+2i+3j+4k=2(2+β);其中0.6≤x≤0.9;0<i≤0.3;0<j≤0.5;0<k≤0.5;-0.02≤β≤0.02;m为所述M的化合价态;所述混合相层状氧化物的结构为P2和O3的混合相,空间群分别为:P63/mmc和R-3m;在混合相的氧排布中,一部分形成了P型排布,一部分形成了O型排布,两种结构在原子尺度上交错相容。
可见D1、D2和D3都是通过掺杂改性的方法得到P2和O3相复合相。
本案解决的技术问题是:1.如何开发新的路径实现P2和O3相共存;2.如何优化O3相至P2相的平缓过渡,以提高电化学效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钠离子正极材料的O3相至P2相的转换方法;该方法可在不掺杂的前提下实现O3→P2相的转变,同时相转移是逐步发生的、梯度式的,因此在循环过程中不会发生剥离,进而实现电化学效果的提升。
同时,本发明还提供了一种钠离子正极材料,该材料基于上述方法实现;
此外,本发明还提供了一种具有核壳结构的钠离子正极材料,该材料具有保护壳层,一方面能抑制未完全去除的杂质与电解液发生副反应以及电解液对材料表面的腐蚀,另一方面也能够抑制材料相变过程中微裂纹的产生,提高材料的稳定性能和安全性能。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种钠离子正极材料的O3相至P2相的转换方法,所述方法为:
步骤1:将钠源和钠离子正极材料的前驱体混合灼烧,钠源中的钠和前驱体中的过渡金属TM的摩尔比为:Na/TM=1.0-1.5;
步骤2:将步骤1得到的灼烧产物洗涤即可。
在上述的钠离子正极材料的O3相至P2相的转换方法中,所述过渡金属TM为Cu、Fe、Mn、Ni、Co、Ti、Mg、Al中的一种或多种金属的混合;
所述钠源为碳酸钠或氢氧化钠。
在上述的钠离子正极材料的O3相至P2相的转换方法中,所述步骤1中的灼烧温度为750-950℃;
所述前驱体通过固相法、共沉淀法、喷雾干燥法中任一方法制备得到。
在上述的钠离子正极材料的O3相至P2相的转换方法中,所述固相法制备前驱体的方法为:将过渡金属氧化物与溶剂一起放入砂磨机中进行混合及破碎,当物料粒度D50≤1μm时,停止砂磨,将物料取出并烘干,得到前驱体;
所述共沉淀法制备前驱体的方法为:将过渡金属盐配置为盐溶液,在配位剂的螯合作用下,将其与碱溶液进行共沉淀,将沉淀物洗涤并烘干,得到前驱体;
所述喷雾干燥法制备前驱体的方法为:将过渡金属氧化物与溶剂一起放入砂磨机中进行混合及破碎,当物料粒度D50≤1μm时,停止砂磨,将物料取出并在喷雾干燥机中进行喷雾造粒,得到前驱体。
在上述的钠离子正极材料的O3相至P2相的转换方法中,Na/TM=1.1-1.5。
在上述的钠离子正极材料的O3相至P2相的转换方法中,Na/TM=1.2-1.5。
在上述的钠离子正极材料的O3相至P2相的转换方法中,所述步骤2中,灼烧产物和洗涤剂的重量比例为1:1-1:2;
所述洗涤剂为水或乙醇。
在上述的钠离子正极材料的O3相至P2相的转换方法中,所述步骤2中洗涤时间为10-60min,然后干燥。水洗时间建议不少于10min,这样可以较好的通过水洗降钠的方式实现界面过渡。
同时,本发明还公开了一种钠离子正极材料,采用如上任一所述方法制备得到。
同时,本发明还公开了一种钠离子正极材料,包括核层和保护壳层;所述核层采用如上任一所述方法制备得到;所述保护壳层为惰性的氧化物。
在上述的钠离子正极材料中,所述惰性的氧化物为Al2O3、ZrO2、TiO2、MgO、B2O3、SiO2之一或多种组合。
在上述的钠离子正极材料中,所述保护壳层的重量相当于核层重量的1-5%;所述惰性的氧化物的粒径为纳米级。
在上述的钠离子正极材料中,所述钠离子正极材料的制备方法为:
将核层与惰性的氧化物混合、300-800℃的条件下热处理4-10h,粉碎、过筛,得到钠离子正极材料;
或,
将核层在溶剂中搅拌分散,而后加入惰性的氧化物,搅拌、干燥,得到钠离子正极材料。
在上述的钠离子正极材料中,所述核层的化学式为NaxTMOz;其中,x=0.67-1.0;z=1.96-2.04。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1.利用高初始钠含量、水洗降钠(表层和近表层)的手段得到了P2/O3相的梯度核壳结构,充分利用两种晶相的优点。
2.利用水洗及高温重整的方法重新活化了表面的惰性无序相,提高了材料的容量和倍率性能。
3.利用洗涤和包覆方法降低了表现杂质、对表面进行了保护,改善了材料稳定性能和倍率性能。
附图说明
图1为本发明的实施例1的电镜图;
图2为本发明的实施例7的电镜图;
图3为本发明的实施例7的X射线衍射图谱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
无包覆的钠离子正极材料的制备
步骤1:制备前驱体,根据所述固相法制备前驱体的制备方法,将制备前驱体所需的氧化铜、三氧化二铁和二氧化锰按照金属元素化学计量比(摩尔比)1:1:1进行称量;按照固含量25%的比例与纯水溶剂制成浆料;砂磨机研磨介质选择0.3微米锆珠,将制备的前驱体金属氧化物浆料倒入纳米砂磨机中进行研磨混合破碎,研磨2h,直至颗粒粒度D50≈500nm后停止研磨,将浆料过滤烘干,得到亚微米级原子均匀程度金属氧化物前驱体粉末。
步骤2:制备无包覆的钠离子正极材料,按照Na/TM=1.3的比例称取一定量的前驱体与钠源(碳酸钠)并在混料设备进行混合,而后置入马弗炉中在850℃下灼烧10h,取出后破碎、过筛。
步骤3:按照质量比1:1.5的要求称量一烧料与洗涤剂(水),混合后搅拌30min,而后进行过滤干燥。
实施例2
无包覆的钠离子正极材料的制备
步骤1:制备前驱体,根据所述共沉淀法制备前驱体的制备方法,按照金属元素化学计量比(摩尔比)1:1:1称量硫酸镍、硫酸亚铁和硫酸锰配置成2mol/L浓度的金属盐溶液,称量一定量的碳酸钠配置成4mol/L浓度的碱溶液,在氮气的保护性气氛和柠檬酸钠螯合剂的作用下共同滴入反应釜中进行共沉淀反应,要求滴加速度为4.25ml/min;要求反应釜搅拌速度为650rpm;要求反应釜温度为50℃;要求反应PH为11.0。溶液滴加完成后,陈化反应溶液3h。将陈化完全的反应溶液离心洗涤并在真空120℃的条件下干燥得到金属碳酸盐前驱体。
步骤2:制备无包覆的钠离子正极材料,按照Na/TM=1.5的比例称取一定量的前驱体与钠源(碳酸钠)并在混料设备进行混合,而后置入马弗炉中在750℃下灼烧15h,取出后破碎、过筛。
步骤3:按照质量比1:1.2的要求称量一烧料与洗涤剂(乙醇),混合后搅拌50min,而后进行过滤干燥。
实施例3
无包覆的钠离子正极材料的制备
步骤1:制备前驱体,按照所述砂磨喷雾法制备前驱体的制备方法,将制备前驱体所需的氧化铜、三氧化二铁、氧化镍和二氧化锰按照化学计量比(摩尔比)2:3:2:3进行称量;按照固含量25%的比例与纯水溶剂制成浆料;砂磨机研磨介质选择0.3微米锆珠,将制备的前驱体金属氧化物浆料倒入纳米砂磨机中进行研磨混合破碎,研磨2h,直至颗粒粒度D50≈500nm后停止研磨;将研磨好的浆料放入喷雾干燥机中进行喷雾造粒制得氧化物前驱体粉末:要求喷雾干燥机进气温度为120℃,要求气氛为压缩空气或其他惰性气体,要求气体流量为0.5MPa,要求浆料搅拌速率为550rpm。
步骤2:制备无包覆的钠离子正极材料,按照Na/TM=1.0的比例称取一定量的前驱体与钠源(碳酸钠)并在混料设备进行混合,而后置入马弗炉中在950℃下灼烧12h,取出后破碎、过筛。
步骤3:按照质量比1:1的要求称量一烧料与洗涤剂(水),混合后搅拌60min,而后进行过滤干燥。
实施例4
核壳结构层状的正极材料的制备
步骤1:制备前驱体,根据所述固相法制备前驱体的制备方法,将制备前驱体所需的氧化铜、三氧化二铁和二氧化锰按照化学计量比(摩尔比)1:1:1进行称量;按照固含量25%的比例与纯水溶剂制成浆料;砂磨机研磨介质选择0.3微米锆珠,将制备的前驱体金属氧化物浆料倒入纳米砂磨机中进行研磨混合破碎,研磨2h,直至颗粒粒度D50≈500nm后停止研磨,将浆料过滤烘干,得到亚微米级原子均匀程度金属氧化物前驱体粉末。
步骤2:制备无包覆的钠离子正极材料,按照Na/TM=1.3的比例称取一定量的前驱体与钠源(碳酸钠)并在混料设备进行混合,而后置入马弗炉中在850℃下灼烧10h,取出后破碎、过筛。
步骤3:按照质量比1:1.5的要求称量一烧料与洗涤剂(水),混合后搅拌30min,而后进行过滤干燥。
步骤4:将步骤(3)的样品与相当于样品重量的3%的纳米级包覆剂(Al2O3)在行星机等混料设备中充分混合。
步骤5:将包覆样置于马弗炉中,在空气气氛、500℃的条件下热处理4-10h,而后进行粉碎、过筛,得到成品。
实施例5
核壳结构层状的正极材料的制备
步骤1:制备前驱体,根据所述共沉淀法制备前驱体的制备方法,按照化学计量比(摩尔比)3:4:3称量硫酸镍、硫酸亚铁和硫酸锰配置成2mol/L浓度的金属盐溶液,称量一定量的碳酸钠配置成4mol/L浓度的碱溶液,在氮气的保护性气氛和柠檬酸钠螯合剂的作用下共同滴入反应釜中进行共沉淀反应,要求滴加速度为4.25ml/min;要求反应釜搅拌速度为650rpm;要求反应釜温度为50℃;要求反应PH为11.0。溶液滴加完成后,陈化反应溶液3h。将陈化完全的反应溶液离心洗涤并在真空120℃的条件下干燥得到金属碳酸盐前驱体粉末。
步骤2:制备无包覆的钠离子正极材料,按照Na/TM=1.0的比例称取一定量的前驱体与钠源(碳酸钠)并在混料设备进行混合,而后置入马弗炉中在950℃下灼烧12h,取出后破碎、过筛。
步骤3:按照质量比1:1.4的要求称量一烧料与洗涤剂(水),混合后搅拌30min,而后进行过滤干燥。
步骤4:将步骤(3)的样品与相当于样品重量的5%的纳米级包覆剂(ZrO2)在行星机等混料设备中充分混合。
步骤5:将包覆样置于马弗炉中,在空气气氛、500℃的条件下热处理8h,而后进行粉碎、过筛,得到成品。
实施例6
核壳结构层状的正极材料的制备
步骤1:制备前驱体,按照所述砂磨喷雾法制备前驱体的制备方法,将制备前驱体所需的氧化铜、三氧化二铁、氧化镍和二氧化锰按照化学计量比(摩尔比)2:3:2:3进行称量;按照固含量25%的比例与纯水溶剂制成浆料;砂磨机研磨介质选择0.3微米锆珠,将制备的前驱体金属氧化物浆料倒入纳米砂磨机中进行研磨混合破碎,研磨2h,直至颗粒粒度D50≈500nm后停止研磨,将研磨好的浆料放入喷雾干燥机中进行喷雾造粒制得氧化物前驱体粉末:要求喷雾干燥机进气温度为120℃,要求气氛为压缩空气或其他惰性气体,要求气体流量为0.5MPa,要求浆料搅拌速率为550rpm。
步骤2:制备无包覆的钠离子正极材料,按照Na/TM=1.4的比例称取一定量的前驱体与钠源(碳酸钠)并在混料设备进行混合,而后置入马弗炉中在950℃下灼烧9h,取出后破碎、过筛。
步骤3:按照质量比1:1.1的要求称量一烧料与洗涤剂(水),混合后搅拌30min,而后进行过滤干燥。
步骤4:将步骤(3)的样品与相当于样品重量的1%的纳米级包覆剂(B2O3)在行星机等混料设备中充分混合。
步骤5:将包覆样置于马弗炉中,在空气气氛、500℃的条件下热处理8h,而后进行粉碎、过筛,得到成品。
实施例7
步骤1:制备前驱体,根据所述共沉淀法制备前驱体的制备方法,按照化学计量比(摩尔比)3:3:1:3称量硫酸铜、硫酸亚铁、硫酸镍和硫酸锰配置成2mol/L浓度的金属盐溶液,称量一定量的碳酸钠配置成4mol/L浓度的碱溶液,在氮气的保护性气氛和柠檬酸钠螯合剂的作用下共同滴入反应釜中进行共沉淀反应,要求滴加速度为4.25ml/min;要求反应釜搅拌速度为650rpm;要求反应釜温度为50℃;要求反应PH为11.0。溶液滴加完成后,陈化反应溶液3h。将陈化完全的反应溶液离心洗涤并在真空120℃的条件下干燥得到金属碳酸盐前驱体粉末。
步骤2:制备无包覆的钠离子正极材料,按照Na/TM=1.3的比例称取一定量的前驱体与钠源(碳酸钠)并在混料设备进行混合,而后置入马弗炉中在850℃下灼烧10h,取出后破碎、过筛。
步骤3:按照质量比1:1.5的要求称量一烧料与洗涤剂(水),混合后搅拌30min,而后进行过滤。
步骤4:将步骤(3)的滤饼在1:1的质量比包覆介质(水、乙醇等)搅拌分散,而后加入质量分数为3%的包覆剂(MgO),在60-100℃的水浴中进行搅拌干燥,而后在100℃的烘箱干燥12h。
步骤5:将包覆样置于马弗炉中,在空气气氛、500℃的条件下热处理4-10h,而后进行粉碎、过筛,得到成品。
与实施例4大体相同,不同的地方在于:缺少步骤3,步骤2结束后直接进行步骤4。
与实施例4大体相同,不同的地方在于,步骤2为:
步骤2:制备无包覆的钠离子正极材料,按照Na/TM=0.9的比例称取一定量的前驱体与钠源(碳酸钠)并在混料设备进行混合,而后置入马弗炉中在850℃下灼烧10h,取出后破碎、过筛。
将上述实施例1-7和对比例1-2制备出的钠离子电池正极材料作为活性物质来制备纽扣电池CR2032对钠离子电池正极材料电化学性能进行评测。正极片浆料按照配方为:活性物质:PVDF:乙炔黑=92:4:4的质量比进行混合制浆,负极为金属钠片,扣电评测电压区间为1.5V-4.0V。
对比例1
与实施例4大体相同,不同的地方在于:缺少步骤3,步骤2结束后直接进行步骤4。
与实施例4大体相同,不同的地方在于,步骤2为:
步骤2:制备无包覆的钠离子正极材料,按照Na/TM=0.9的比例称取一定量的前驱体与钠源(碳酸钠)并在混料设备进行混合,而后置入马弗炉中在850℃下灼烧10h,取出后破碎、过筛。
将上述实施例1-7和对比例1-2制备出的钠离子电池正极材料作为活性物质来制备纽扣电池CR2032对钠离子电池正极材料电化学性能进行评测。正极片浆料按照配方为:活性物质:PVDF:乙炔黑=92:4:4的质量比进行混合制浆,负极为金属钠片,扣电评测电压区间为1.5V-4.0V。
通过以上实验结果可以得到如下结论:
1.通过实施例4和对比例1的对比可以发现,水洗及高温重整的方法重新活化了表面的惰性无序相,提高了材料的容量和倍率性能。
2.通过实施例4和对比例2的对比可以发现,Na/TM的比例非常重要,对于1C克容量影响显著。
3.在核层表面包覆惰性的氧化物对于1C克容量有贡献,对于0.1C克容量、100圈循环寿命贡献并不显著。
4.通过反复实验发现:铜、铁、镍、锰按照3:3:1:3的比例,在Na/TM=1.3、3%的MgO包覆条件下可以达到1C克容量、0.1C克容量、100圈循环寿命综合最优,是工业生产的最优配方。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种钠离子正极材料的O3相至P2相的转换方法,其特征在于,所述方法为:
步骤1:将钠源和钠离子正极材料的前驱体混合灼烧,钠源中的钠和前驱体中的过渡金属TM的摩尔比为:Na/TM=1.0-1.5;
步骤2:将步骤1得到的灼烧产物洗涤即可。
2.根据权利要求1所述的钠离子正极材料的O3相至P2相的转换方法,其特征在于,所述过渡金属TM为Cu、Fe、Mn、Ni、Co、Ti、Mg、Al中的一种或多种金属的混合;
所述钠源为碳酸钠或氢氧化钠。
3.根据权利要求1所述的钠离子正极材料的O3相至P2相的转换方法,其特征在于,所述步骤1中的灼烧温度为750-950℃;
所述前驱体通过固相法、共沉淀法、喷雾干燥法中任一方法制备得到。
4.根据权利要求3所述的钠离子正极材料的O3相至P2相的转换方法,其特征在于,所述固相法制备前驱体的方法为:将过渡金属氧化物与溶剂一起放入砂磨机中进行混合及破碎,当物料粒度D50≤1μm时,停止砂磨,将物料取出并烘干,得到前驱体;
所述共沉淀法制备前驱体的方法为:将过渡金属盐配置为盐溶液,在配位剂的螯合作用下,将其与碱溶液进行共沉淀,将沉淀物洗涤并烘干,得到前驱体;
所述喷雾干燥法制备前驱体的方法为:将过渡金属氧化物与溶剂一起放入砂磨机中进行混合及破碎,当物料粒度D50≤1μm时,停止砂磨,将物料取出并在喷雾干燥机中进行喷雾造粒,得到前驱体。
5.根据权利要求1所述的钠离子正极材料的O3相至P2相的转换方法,其特征在于,Na/TM=1.1-1.5。
6.根据权利要求5所述的钠离子正极材料的O3相至P2相的转换方法,其特征在于,Na/TM=1.2-1.5。
7.根据权利要求1所述的钠离子正极材料的O3相至P2相的转换方法,其特征在于,所述步骤2中,灼烧产物和洗涤剂的重量比例为1:1-1:2;
所述洗涤剂为水或乙醇;洗涤时间为10-60min,然后干燥。
8.一种钠离子正极材料,其特征在于,采用如权利要求1-7任一所述方法制备得到。
9.一种钠离子正极材料,其特征在于,包括核层和保护壳层;所述核层采用如权利要求1-7任一所述方法制备得到;所述保护壳层为惰性的氧化物。
10.根据权利要求9所述的钠离子正极材料,其特征在于,所述惰性的氧化物为Al2O3、ZrO2、TiO2、MgO、B2O3、SiO2之一或多种组合;所述保护壳层的重量相当于核层重量的1-5%;所述惰性的氧化物的粒径为纳米级;所述核层的化学式为NaxTMOz;其中,x=0.67-1.0;z=1.96-2.04;
所述钠离子正极材料的制备方法为:
将核层与惰性的氧化物混合、300-800℃的条件下热处理4-10h,粉碎、过筛,得到钠离子正极材料;
或,
将核层在溶剂中搅拌分散,而后加入惰性的氧化物,搅拌、干燥,得到钠离子正极材料。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20230324 |
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