CN117049500A - 一种磷酸铁锂正极材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磷酸铁锂正极材料及其制备方法和应用,涉及锂离子电池技术领域。具体而言,所述磷酸铁锂正极材料的粒度分布曲线只有一个峰;同时,所述磷酸铁锂正极材料满足如下特征:(a)所述磷酸铁锂正极材料的比表面积为10m2/g~12m2/g;(b)所述磷酸铁锂正极材料的碳含量为1.2%~1.5%;(c)所述磷酸铁锂正极材料的压实密度>2.25g/cm3。本发明通过限定磷酸铁锂正极材料的粒度分布、比表面积、碳含量和压实密度四方面的特征,以获得一种形貌均匀且循环性能优异的储能型磷酸铁锂产品,满足了对高品质磷酸铁锂的需求。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域,具体而言,涉及一种磷酸铁锂正极材料及其制备方法和应用。
背景技术
锂离子电池是二次电池,被广泛应用于电子数码、电动汽车、储能等领域。磷酸铁锂(LiFePO4)凭借低成本、稳定的充放电平台、环境友好、安全性高等优势,成为应用最为广泛的锂离子电池正极材料之一。中大型电化学储能电站不能选用三元、钠硫电池,不宜选用梯次利用动力电池;政策方面对于储能电池的安全性的重视使得现阶段磷酸铁锂的性能优势更为突出,储能磷酸铁锂的装机量稳定提升。
但随着储能的发展,对电池的循环性能更加严格,常规磷酸铁锂难以满足高端市场的需求。常规制备工艺所得到的磷酸铁锂通常大小颗粒混掺,而不同规格形貌的磷酸铁锂会导致循环性能变差。
有鉴于此,特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种磷酸铁锂正极材料,所述的磷酸铁锂正极材料的粒径分布均匀,满足一个峰形的粒度分布;且同时满足比表面积、碳含量和压实密度三方面的限定,在循环保持率方面具有优异的性能,在储能领域具有良好的应用前景,解决了常规磷酸铁锂工艺中循环性能难以满足高端市场需求的缺陷。
本发明的第二目的在于提供一种所述的磷酸铁锂正极材料的制备方法,主要通过控制无水磷酸铁比表参数、浆料研磨粒度以及煅烧温度,以合成得到满足参数需求的所述磷酸铁锂正极材料。
本发明的第三目的在于提供一种电池正极,包括有所述的磷酸铁锂正极材料,且具有所述磷酸铁锂正极材料的循环性能优势。
本发明的第四目的在于提供一种锂离子电池,包括有所述的正极,且具有所述磷酸铁锂正极材料的循环性能优势。
为了实现本发明的上述目的,特采用以下技术方案:
一种磷酸铁锂正极材料,其粒度分布曲线只有一个峰;同时,所述磷酸铁锂正极材料颗粒满足如下特征(a)~(c):
(a)所述磷酸铁锂正极材料的比表面积为10m2/g~12m2/g;
(b)所述磷酸铁锂正极材料的碳含量为1.2%~1.5%;
(c)所述磷酸铁锂正极材料的压实密度>2.25g/cm3。
所述的磷酸铁锂正极材料的制备方法,包括如下步骤:将无水磷酸铁、锂源、碳源和掺杂剂混合搅拌后依次进行研磨、干燥和烧结;
设定X={(A-3)2+[(B-600)/100]2+[(C-830)/100]2}/3,X<1;
其中,A为所述无水磷酸铁的比表面积,以m2/g计;B为所述研磨后浆料的粒度D50,以nm计;C为所述烧结的温度,以℃计。
一种正极,包括所述的磷酸铁锂正极材料。
一种锂离子电池,包括所述的正极。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
(1)本发明通过限定磷酸铁锂正极材料的粒度分布、比表面积、碳含量和压实密度四方面的特征,以获得一种形貌均匀且循环性能优异的储能磷酸铁锂。本发明通过在微观形貌图中统计一次粒径标准差小于0.2,其形貌颗粒均匀,50周循环保持率大于104%。
(2)本发明通过衡量磷酸铁锂制备工艺中的原料磷酸铁比表面积参数、研磨阶段的粒度参数和煅烧阶段的温度参数,并建立三者之间的关联性公式予以限定,从而制备得到具有高循环性能、满足高端市场需求的磷酸铁锂正极材料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1提供了本发明实施例1的电镜扫描图;
图2提供了本发明对比例1的电镜扫描图;
图3提供了本发明实施例1和对比例1的粒度分布曲线对比图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,但是本领域技术人员将会理解,下列所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例,仅用于说明本发明,而不应视为限制本发明的范围。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。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明的第一方面在于提供一种磷酸铁锂正极材料。所述磷酸铁锂正极材料的粒度分布曲线只有一个峰;同时,所述磷酸铁锂正极材料满足如下特征:(a)所述磷酸铁锂正极材料的比表面积为10m2/g~12m2/g;(b)所述磷酸铁锂正极材料的碳含量为1.2%~1.5%;(c)所述磷酸铁锂正极材料的压实密度>2.25g/cm3。
其中,粒度分布曲线又称粒度分布频率曲线,是以粒度参数为横坐标,以对应粒度值的样品在样本中的百分含量为纵坐标而连接得到的曲线;在本发明中要求粒度分布曲线只有一个峰,意味着在本发明中所采用的磷酸铁锂的一次颗粒的粒径中,某一个连续的粒径区间内的磷酸铁锂颗粒占主导地位;进一步地可知,本发明中的磷酸铁锂颗粒的离散程度较低,粒度集中且均一。这类型磷酸铁锂中极小颗粒和极大颗粒均较少;如果小颗粒太多,比表面积较大,与电解液副反应增大,导致后期电池容量的损失,而大颗粒会造成锂离子脱嵌路径增长,离子导电性差,造成容量偏低。所以本发明中限定了在储能领域所采用的磷酸铁锂一次粒径大小合适且粒径均一。
为进一步提高磷酸铁锂正极的循环性能,除去颗粒的均一程度外,本发明还限定了磷酸铁锂正极材料应当同时满足比表面积、碳含量和压实密度的限定。具体而言,一方面,较高的比表面积可以提供更好的导电性和离子扩散通道,从而提高磷酸铁锂的使用效率,且更高的比表面积能够对应提高碳包覆量,对容量、倍率和循环方面均存在正面效果。另一方面,选择适合本发明中磷酸铁锂材料的碳包覆范围,对碳的含量应当同时从电化学性能和加工性能两方面考虑,在保证磷酸铁锂正极稳定性的前提下,更高的碳含量能够实现更低的内阻,获得更高的放电平台,同时提供更好的磷酸铁锂正极的导电性和离子扩散通道。再一方面,在本发明中通过设定最低的压实密度阈值以保证磷酸铁锂正极的稳定性,包括机械结构上的稳定性和与之关联的循环中的稳定性;更高的压实密度意味着磷酸铁锂颗粒之间的距离更小,降低了正极中的空隙和微孔尺寸,从而获得更好的能量密度。
需要注意的是,本发明中的限定的粒径分布、比表面积、碳含量和压实密度之间存在技术关联性,并共同地影响储能磷酸铁磷的整体电性能;例如,比表面积和一次粒径相关,如果太大说明小颗粒多,太小说明大颗粒多;而碳含量越高材料的电性能越好,但是碳含量过高则会影响磷酸铁锂的压实密度;因而在本发明中同时对粒径分布、比表面积、碳含量和压实密度设置了限定,以获得一种循环性能优良的储能磷酸铁锂正极材料。
作为一种优选的实施方式,当取样至少50个所述磷酸铁锂正极材料的一次颗粒时,粒径的标准差<0.2。
一次颗粒即为原始颗粒,是样品中单个的细小颗粒;与之相对应的是,当颗粒极为细小时由于表面能等因素,由于相互作用力(化学键合或机械结合)而发生团聚、结合的颗粒集合体,也称二次颗粒。在本发明中应当以一次颗粒的性能参数为准进行限定和说明,且应通过严格的制备工艺流程防止二次颗粒的形成。
作为一种更优选的实施方式,所述标准差的计算方法包括:统计至少50个(设定为N个,N≥50)所述磷酸铁锂正极材料的一次颗粒的平均粒径(设定分别为X1、X2、X3…XN),平均值μ=(X1+X2+X3+…+XN)/50,方差S2=[(X1-μ)2+(X2-μ)2+…+(XN-μ)2]/50,标准差S为方差S2的平方根。
作为一种优选的实施方式,所述磷酸铁锂正极材料,0.8μm≤D50≤1.3μm,0.4μm≤D10≤0.5μm,2.0μm≤D90≤3.0μm。需要注意的是,这里所述的磷酸铁锂正极材料也是相对于一次颗粒的粒径而言进行统计。
在本发明中除去通过方差对所述磷酸铁锂正极材料的粒度离散程度进行进一步限定外,本发明还提供了D10、D50和D90以进一步对所述磷酸铁锂正极材料的粒度分布进行限定。其中,D10用于表示粉体的粗细程度,D50用于表示粉体的平均粒径,而D90则表示粉体中约有90%的颗粒粒径小于此值;通过所限定的D10、D50和D90的范围可以更加清晰地描述出所述磷酸铁锂正极材料的粒度分布曲线的唯一一个峰的规格参数。
本发明的第二方面在于提供所述的磷酸铁锂正极材料的制备方法。所述制备方法包括如下步骤:将无水磷酸铁、锂源、碳源和掺杂剂混合搅拌后依次进行研磨、干燥和烧结;设定X={(A-3)2+[(B-600)/100]2+[(C-830)/100]2}/3,且X满足:X<1;其中,A为所述无水磷酸铁的比表面积,以m2/g计;B为所述研磨后浆料的粒度D50,以nm计;C为所述烧结的温度,以℃计。
作为一种优选的实施方式,当取样至少50组A、B、C并计算得到对应X值时,X的标准差<0.2。
作为一种优选的实施方式,2m2/g≤A≤4m2/g;作为一种可选的实施方式,A的取值包括但不限于2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4(m2/g)中的任何一种或是任意两种构成的范围区间。
当磷酸铁的比表面积太小时,其结晶度更高,颗粒很难长大,其循环性能变差;当磷酸铁的比表面积太大时,其结晶度低,很容易造成粒径两级分化,正极材料出现双峰。
作为一种优选的实施方式,500nm≤B≤700nm;作为一种可选的实施方式,B的取值包括但不限于500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650、660、670、680、690、700(nm)中的任何一种或是任意两种构成的范围区间。
当研磨粒度D50太大时,反应困难,颗粒长大困难,且存在晶格缺陷,循环性能变差;当研磨粒度D50太小时,颗粒容易长大,同样造成粒径两级分化,正极材料出现双峰。
作为一种优选的实施方式,800℃≤C≤860℃。作为一种可选的实施方式,C的取值包括但不限于800、805、810、815、820、825、830、835、840、845、850、855、860(℃)中的任何一种或是任意两种构成的范围区间。
当煅烧温度太低时,粒度太小,压实低,循环性能太差;当煅烧温度太高时,颗粒太大,锂离子脱嵌困难,同样会造成循环性能太差。
在本发明中无水磷酸铁选用小比表面积的无水磷酸铁,这类型磷酸铁结晶度高,活化较慢,在研磨过程中控制研磨粒度D50,同时结合烧结温度,以实现合成出一次粒径均匀、粒度分布频率曲线为一个峰的磷酸铁锂正极材料,将该磷酸铁锂做成扣式电池后,其循环性能优异。
作为一种优选的实施方式,所述锂源包括碳酸锂或氢氧化锂中的至少一种。
作为一种优选的实施方式,所述掺杂剂包括五氧化二钒、二氧化钛、四氧化三钴、三氧化二钇或五氧化二钽中的至少一种。
作为一种优选的实施方式,所述碳源包括聚乙二醇、葡萄糖、碳纳米管、蔗糖或淀粉中的至少一种。
作为一种优选的实施方式,所述无水磷酸铁和所述锂源中锂原子的摩尔比为1:(1~1.03)。
作为一种优选的实施方式,所述掺杂剂中的金属掺杂元素与所述磷酸铁锂正极材料的质量比为1000ppm~3000ppm。
作为一种优选的实施方式,所述碳源中的碳元素质量与所述磷酸铁锂正极材料的质量比为1.2%~1.5%。本领域技术人员能够依据碳元素的含量以计算得到对应的碳源的添加量,如以聚乙二醇作为碳源时,所述聚乙二醇的加入量与所述磷酸铁的质量比为(2~8):100。
作为一种优选的实施方式,将所述无水磷酸铁、所述锂源、所述碳源和所述掺杂剂与水进行混合,其中所述水的添加量占添加物总质量的20%~50%。
作为一种优选的实施方式,所述混合搅拌进行20min~40min。
作为一种优选的实施方式,所述干燥采用喷雾干燥;作为一种更优选的实施方式,所述喷雾干燥的进料速度为50rpm~90rpm,包括但不限于50、55、60、65、70、75、80、85、90(rpm)中的任意一种;所述喷雾干燥的进风温度为140℃~170℃,包括但不限于140、145、150、155、160、165、170(℃)中的任意一种;所述喷雾干燥的出风温度为85℃~100℃,包括但不限于85、88、90、92、95、98、100(℃)中的任意一种。
作为一种优选的实施方式,所述烧结的升温速度为1.5℃/min~2.5℃/min,包括但不限于1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.5(℃/min)中的任意一种。
作为一种优选的实施方式,所述烧结的保温时间为10h~15h,包括但不限于10、11、12、13、14、15(h)中的任意一种。
本发明的第三方面在于提供一种正极。所述正极包括有第一方面中所述的磷酸铁锂正极材料。
作为一种优选的实施方式,所述正极可以仅仅由所述磷酸铁锂正极材料构成,也可以包括有其他任选的正极活性物质、导电剂、粘接剂、集流体等组分并与所述磷酸铁锂正极材料进行复合组装。
本发明的第四方面在于提供一种锂离子电池。所述锂离子电池包括有第三方面中所述的正极。
作为一种优选的实施方式,所述锂离子电池应当至少包括正极、负极、电解液和隔膜。在本发明中未对所采用的负极、电解液等的种类进行限定,本领域技术人员可以任意地采用如碳材料(石墨、碳纤维、无定形碳等)、含碳复合材料(B-C-N系化合物、C-Si-O系化合物等)或非碳材料(钛酸锂、锂合金等)等典型负极,或是包括溶质、溶剂或添加剂在内的电解液,如碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)或碳酸甲乙酯(EMC)等典型溶剂,如四氟硼酸锂(LiBF4)、六氟磷酸锂(LiPF6)或双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)等典型溶质。值得注意的是,上述仅为一些典型的列举,本发明中所述锂离子电池的实施方式远不至于上述列举。
实施例1
将比表面积为3.01m2/g无水磷酸铁、碳酸锂、二氧化钛、聚乙二醇、葡萄糖、水按照质量比100:24.77:0.35:6.28:6.28:206.64搅拌30分钟;然后进行研磨,最终浆料粒度D50为602nm,再将浆料进行喷雾干燥,进料速度为70转/分,进风温度150℃,出风温度92℃;将喷完的干料进行烧结,升温速率1.5℃/min,保温温度830℃,保温时间12h。最后气流粉碎得到成品磷酸铁锂物料。
设定:A为所述无水磷酸铁的比表面积,以m2/g计;B为所述研磨后浆料的粒度D50,以nm计;C为所述烧结的温度,以℃计;设定:X={(A-3)2+[(B-600)/100]2+[(C-830)/100]2}/3;
X={(3.01-3)2+[(602-600)/100]2+[(830-830)/100]2}/3=1.67*10-4<1。
实施例2
与实施例1基本相同,区别仅在于:浆料粒度D50为525nm。
本实施例中X={(3.01-3)2+[(525-600)/100]2+[(830-830)/100]2}/3=0.1875<1。
实施例3
与实施例1基本相同,区别仅在于:采用比表面积为2.25m2/g的无水磷酸铁。
本实施例中X={(2.25-3)2+[(602-600)/100]2+[(830-830)/100]2}/3=0.1876<1。
实施例4
与实施例1基本相同,区别仅在于:无水磷酸铁、碳酸锂、二氧化钛、聚乙二醇、葡萄糖、水的质量比为100:24.77:0.35:3.14:6.28:206.64。
本实施例中X={(3.01-3)2+[(602-600)/100]2+[(830-830)/100]2}/3=1.67*10-4<1。
实施例5
与实施例1基本相同,区别仅在于:浆料粒度D50为700nm。
本实施例中X={(3.01-3)2+[(700-600)/100]2+[(830-830)/100]2}/3=0.3334<1。
实施例6
与实施例1基本相同,区别仅在于:采用比表面积为3.85m2/g的无水磷酸铁。
本实施例中X={(3.85-3)2+[(602-600)/100]2+[(830-830)/100]2}/3=0.2410<1。
实施例7
与实施例1基本相同,区别仅在于:保温温度800℃,保温时间15h。
本实施例中X={(3.01-3)2+[(602-600)/100]2+[(800-830)/100]2}/3=0.0302<1。
实施例8
与实施例1基本相同,区别仅在于:保温温度860℃,保温时间10h。
本实施例中X={(3.01-3)2+[(602-600)/100]2+[(860-830)/100]2}/3=0.0302<1。
对比例1
与实施例1基本相同,区别仅在于:浆料粒度D50为315nm。
本对比例中X={(3.01-3)2+[(315-600)/100]2+[(830-830)/100]2}/3=2.7075>1。
对比例2
与实施例1基本相同,区别仅在于:浆料粒度D50为825nm。
本对比例中X={(3.01-3)2+[(825-600)/100]2+[(830-830)/100]2}/3=1.6875>1。
对比例3
与实施例1基本相同,区别仅在于:无水磷酸铁采用孔隙多,比表为8.36m2/g的磷酸铁。
本对比例中X={(8.36-3)2+[(602-600)/100]2+[(830-830)/100]2}/3=9.5767>1。
对比例4
与实施例1基本相同,区别仅在于:烧结温度为650℃。
本对比例中X={(3.01-3)2+[(602-600)/100]2+[(650-830)/100]2}/3=1.0802>1。
试验例
测试各实施例和对比例所得到的磷酸铁锂成品物料,测试其碳含量、比表面积、压实密度的性质参数记录于表1;取样测量各个磷酸铁锂成品物料中的50个一次颗粒的粒径值,计算50个粒径值的标准差。
本试验例中还额外给出实施例1和对比例1的电镜扫描图,对应如图1、图2所示;在图中分别绘制出随机选取的50个粒径取样位置。对所得到的粒径进行统计,绘制实施例1和对比例1的粒度分布曲线对比图如图3所示,同时得到D10、D50、D90同样记录于表1。从图3中可以清晰地看出,实施例1的粒度分布曲线具有单一一个峰,而对比例1的粒度分布曲线存在有双峰。
将成品材料制备成纽扣半电池进行循环性能测试。
电池制备方法如下:将各实施例及对比例制备的磷酸铁锂正极材料与炭黑(SP)、聚偏氟乙烯(PVDF)按90:5:5的质量比加入到N-甲基吡咯烷酮(NMP)中,混合均匀后涂在铝箔上,以100℃干燥4h,裁成直径为12mm的正极片,组装得到纽扣半电池,静置12h后进行电化学测试。
循环性能测试参数如下:采用新威检测柜,0.5C充电,截至电压4.3V,1C放电,截至电压3V,循环50周后纽扣半电池的容量保持率,记录于表1。
表1
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明,然而应意识到,以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;本领域的普通技术人员应当理解:在不背离本发明的精神和范围的情况下,可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围;因此,这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。
Claims (10)
1.一种磷酸铁锂正极材料,其特征在于,所述磷酸铁锂正极材料的粒度分布曲线只有一个峰;同时,所述磷酸铁锂正极材料满足如下特征(a)~(c):
(a)所述磷酸铁锂正极材料的比表面积为10m2/g~12m2/g;
(b)所述磷酸铁锂正极材料的碳含量为1.2%~1.5%;
(c)所述磷酸铁锂正极材料的压实密度>2.25g/cm3。
2.根据权利要求1所述的磷酸铁锂正极材料,其特征在于,当取样至少50个所述磷酸铁锂正极材料的一次颗粒时,粒径的标准差<0.2。
3.根据权利要求1所述的磷酸铁锂正极材料,其特征在于,所述磷酸铁锂正极材料,0.8μm≤D50≤1.3μm,0.4μm≤D10≤0.5μm,2.0μm≤D90≤3.0μm。
4.如权利要求1~3任一项所述的磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括如下步骤:将无水磷酸铁、锂源、碳源和掺杂剂混合搅拌后依次进行研磨、干燥和烧结;
设定X={(A-3)2+[(B-600)/100]2+[(C-830)/100]2}/3,X<1;
其中,A为所述无水磷酸铁的比表面积,以m2/g计;B为所述研磨后浆料的粒度D50,以nm计;C为所述烧结的温度,以℃计。
5.根据权利要求4所述的磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于,当取样至少50组A、B、C并计算得到对应X值时,X的标准差<0.2;
优选地,2m2/g≤A≤4m2/g;
优选地,500nm≤B≤700nm;
优选地,800℃≤C≤860℃。
6.根据权利要求4所述的磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法中原料满足如下特征(1)~(6)中的至少一种:
(1)所述锂源包括碳酸锂或氢氧化锂中的至少一种;
(2)所述掺杂剂包括五氧化二钒、二氧化钛、四氧化三钴、三氧化二钇或五氧化二钽中的至少一种;
(3)所述碳源包括聚乙二醇、葡萄糖、碳纳米管、蔗糖或淀粉中的至少一种;
(4)所述无水磷酸铁和所述锂源中锂原子的摩尔比为1:(1~1.03);
(5)所述掺杂剂中的金属掺杂元素与所述磷酸铁锂正极材料的质量比为1000ppm~3000ppm;
(6)所述碳源中的碳元素质量与所述磷酸铁锂正极材料的质量比为1.2%~1.5%。
7.根据权利要求4所述的磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于,所述干燥采用喷雾干燥;
所述喷雾干燥的进料速度为50rpm~90rpm,所述喷雾干燥的进风温度为140℃~170℃,所述喷雾干燥的出风温度为85℃~100℃。
8.根据权利要求4所述的磷酸铁锂正极材料的制备方法,其特征在于,所述烧结的升温速度为1.5℃/min~2.5℃/min;
和/或,所述烧结的保温时间为10h~15h。
9.一种正极,其特征在于,包括如权利要求1~3任一项所述的磷酸铁锂正极材料。
10.一种锂离子电池,其特征在于,包括如权利要求9所述的正极。
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CN117080436A (zh) * | 2023-10-16 | 2023-11-17 | 瑞浦兰钧能源股份有限公司 | 一种磷酸铁锂正极材料及其制备方法和应用 |
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