CN117317146A - 基于纤维表面浸润制备多孔超薄锂金属负极的方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纤维表面浸润制备多孔超薄锂金属负极的方法,包括:1)通过水热法在碳化后棉布的单根纤维表面生长金属氧化物,在碳布表面修饰金属氧化物,得到三维集流体;2)将少量锂加热到熔融状态,将三维集流体(碳布)放入充分浸润,液态金属锂在三维集流体内部纤维上浸润铺展,通过熔融浸润形成多孔超薄锂金属负极。本发明采用修饰金属氧化物的碳布作为三维集流体,由于金属氧化物的极强亲锂性,使得碳布具有很高亲锂性,增加了金属锂在三维集流体上的渗透速率,能够在几秒钟完成浸润,大大提高了浸润速率,加速了熔锂过程,而且只浸润在纤维表面,实现了纤维表面熔锂的目的,相比于现有的熔融金属锂,极大的提高了锂金属的利用率。
Description
技术领域
本发明属于金属锂电池技术领域,具体而言,涉及一种基于纤维表面浸润制备多孔超薄锂金属负极的方法和应用。
背景技术
锂离子电池在手机、笔记本电脑和相机等小型能量密度需求的储能设备中得到了广泛的应用,成为日常生活中不可或缺的角色。但是,随着时代和技术的发展,锂离子电池能量密度低于300Wh kg-1,难以满足目前新兴设备对高能量密度的需求,因此开发以锂、钠、钾和镁等金属为负极的高能量密度的电池迫在眉睫。以锂金属二次电池为例,因锂金属负极具有高的理论比容量(3860mAh g-1)、低的还原电位(-3.04V)和质量较轻等优点,其组装成的二次电池的理论能量密度有望突破500Wh kg-1,因而极具科研价值和应用前景。
然而,金属锂负极存在以下诸多问题,一是锂金属活性高,容易与有机液体电解液反应,导致低的库仑效率;二是在循环过程中金属锂会发生不均匀的沉积和脱出,生成锂枝晶。锂枝晶刺穿隔膜会导致短路,引发爆炸等危险;三是在循环过程中金属锂会发生较大的体积膨胀和收缩,导致较差的电极稳定性,进而导致短的循环寿命。以上这些问题都给金属锂电池的实际应用带来了极大的挑战。在锂金属负极中,集流体起到承载活性物质的作用,并将电化学反应所产生的电子汇集起来导至外电路,从而实现化学能转化为电能的过程,集流体是锂离子电池中不可或缺的组成部件之一。集流体直接影响着电场的分布以及金属锂沉积初期的成核行为,两者都影响着Li沉积形貌。
三维集流体因具有较大比表面积,能有效降低局部电流密度,抑制枝晶的生长和缓解锂负极的体积膨胀等,进而提高锂负极的循环性能。将三维集流体与金属锂有效复合,并维持三维集流体的大表面积特性,是保证三维集流体作用发挥的关键。电化学沉积法可以实现锂的复合,但是其制备工艺较为繁琐且不符合工业化生产的要求。采用熔融注入法制备复合锂负极符合工业化生产需求,但是集流体疏锂特性使得熔融锂难以注入其中。而且,目前采用熔融注入法制备的复合锂负极和纯锂片结构类似,厚实致密,导致集流体失去大表面优势和表现出低的锂利用率。因此寻找合适集流体设计方法和提高锂金属利用率,抑制体积变化,对锂金属二次电池的安全性和商业价值具有重大意义。
发明内容
本发明旨在提供一种基于纤维表面浸润制备多孔超薄锂金属负极的方法和应用,多孔超薄锂金属负极具有“亲锂”特性的三维集流体。
为了实现上述目的,根据本发明的一个方面,提供了一种基于纤维表面浸润制备多孔超薄锂金属负极的方法,包括如下步骤:
1)通过水热法在碳化后的棉布表面生长氧化物,形成表面修饰金属氧化物的碳布,得到三维集流体;
2)将锂加热到熔融状态,将三维集流体碳布放入其中,充分浸润,液态金属锂在所述三维集流体内部的纤维表面铺展,在所述三维集流体表面的单根纤维上熔锂,通过熔融浸润形成多孔超薄锂电池负极。
根据本发明,制备三维集流体的步骤包括:
1)将棉布裁减后置于氢氧化钠溶液中浸泡,取出后用去离子水洗干净;再将所述棉布置于盐酸溶液中浸泡,然后取出用去离子水洗干净,烘干;
2)在氩气保护下,将所述棉布放置在碳化炉中,升至一定温度碳化使其石墨化,得到了碳布;
3)将步骤2)中碳布放进金属氯化物溶液和硫酸钠溶液的混合溶液中,水热反应,取出后烘干;
4)将烘干后的碳布放在惰性气氛中升至一定的温度反应,使得每根纤维表面生长亲锂性较强的氧化物,氧化物负载在碳纤维表面,使得碳布表面修饰有金属氧化物,得到三维集流体。
根据本发明,金属氧化物为氧化铁、氧化锌、氧化铜、氧化镍。
根据本发明,所述步骤1)中氢氧化钠溶液的浓度为0.2-0.80mol/L;优选为0.4-0.6mol/L,例如为0.4mol/L,0.45mol/L,0.5mol/L,0.55mol/L,0.6mol/L。
优选地,所述盐酸溶液的浓度为0.5-1.5mol/L;优选为0.6-1.2mol/L;例如为0.6mol/L,0.7mol/L,0.8mol/L,0.9mol/L,1.0mol/L,1.1mol/L,1.2mol/L。
根据本发明,所述步骤3)中,所述金属氯化物溶液和硫酸钠溶液的摩尔比1~1.5。
优选地,所述金属氯化物溶液为氯化铁溶液、氯化锌溶液、氯化铜溶液和氯化镍溶液中的一种或多种。
优选地,所述金属氯化物溶液的浓度为0.02-0.04mol/L,例如0.02mol/L,0.025mol/L,0.03mol/L,0.035mol/L,0.04mol/L。优选地,所述硫酸钠溶液的浓度为0.015-0.018mol/L,例如0.015mol/L,0.016mol/L,0.017mol/L,0.018mol/L。
根据本发明,所述步骤3)中,在100-150℃条件下水热反应8-10小时。优选在110-120℃条件下水热反应6-9小时。例如,在120℃下水热反应8小时。
根据本发明,石墨化条件为:以4-6℃的速率升温到1100℃-1300℃,煅烧3-5小时。例如,以5℃/min的速率升温到1200℃,煅烧2小时。
优选地,所述步骤4)中反应条件为:以4-6℃/min的速率升温到400-500℃的高温,反应煅烧3-5h;例如,以5℃/min的速率升温到450℃的高温,反应煅烧2h。
根据本发明的另一方面,还提供了一种多孔超薄锂金属负极,采用上述任一种氧化物修饰的碳布,结合熔融浸润的方法制备而成。
根据本发明的又一方面,还提供了一种多孔超薄锂电池,包括正极和负极,所述负极为上述多孔超薄锂金属负极。
根据本发明的再一方面,还提供了上述任一种多孔超薄锂电池在长寿命、高安全性的高能量密度型储能器件中的应用。
本发明的有益效果:
1)本发明采用修饰金属氧化物的三维集流体,由于氧化物修饰的碳布具有较高的“亲锂”性,增加了金属锂在三维集流体上的渗透速率,能够在几秒钟完成浸润,大大提高了浸润速率,加速了熔锂过程。而且,由于氧化物极强的亲锂性,使熔融锂金属只存在于纤维表面,在纤维之间的孔隙处未存在锂金属,实现了沿纤维表面熔融锂的目的,其3D结构增加了电解液对锂负极的浸润性,加快了锂离子的转移动力学,从而降低了电阻,充分利用了成核位点,提高了性能。而且只沿纤维表面熔融锂时,锂金属的量会大大减少,相比于现有的熔融法来说,减少了纤维之间的锂的含量,极大的提高了锂金属的利用率和电池性能。相比较贵金属而言,本发明具有环境友好型、成本低、来源广、操作简单,适合大规模工业化生产等优点,易于实现商业化。
2)碳化的棉布具有优异的导电性,金属氧化物与熔融锂反应生成金属单质能够提供亲核位点,实现金属锂的均匀沉积,抑制了锂枝晶的生长形成,增加了亲锂性,从而降低了成核过电位,而且纤维表面上熔锂的结构,使其与电解液充分接触,势必会降低成核过电位,减少电压极化,具有优异的充放电性能,提高了电池性能。并且制备三维集流体以及锂金属负极所用的材料极易获得且便宜,操作简单,在熔融方面使得锂利用率得到了极大提高,适合规模化生产。
附图说明
图1是实施例1中修饰氧化铁后碳布的高倍数扫描电子显微镜照片。
图2是实施例1中修饰氧化铁后碳布的截面扫描电子显微镜照片。
图3是实施例1中修饰氧化铁后碳布熔少量锂后的高倍数扫描电子显微镜照片。
图4是实施例1中修饰氧化铁后碳布熔少量锂后的截面扫描电子显微镜照片。
图5是实施例1中修饰氧化铁后碳布熔少量锂,组装成Li|Li对称电池,在电流密度为0.5mA cm-2,容量为2mAh cm-2条件下的循环稳定性测试结果示意图。
图6是实施例1中修饰氧化铁后碳布熔少量锂组装成全电池,在电流密度为0.5C下的长循环性能测试结果示意图。
图7是对比例1中修饰氧化铁后碳布熔多量锂后的高倍数扫描电子显微镜照片。
图8是对比例1中修饰氧58化铁后碳布熔多量锂后的截面扫描电子显微镜照片。
图9是对比例1中修饰氧化铁后碳布熔多量锂,组装成Li|Li对称电池,在电流密度为0.5mA cm-2,容量为2mAh cm-2条件下的循环稳定性测试结果示意图。
图10是对比例1中修饰氧化铁后碳布熔多量锂,组装成全电池,在电流密度为0.5C下的长循环性能测试结果示意图。
图11是对比例2中纯碳布熔锂组装成Li|Li对称电池,在电流密度为0.5mA cm-2,容量为2mAh cm-2条件下的循环稳定性测试结果示意图。
图12是对比例2中的纯碳布熔锂组装成全电池,在电流密度为0.5C下的长循环性能测试结果示意图。
图13是对比例3中的纯锂片组装成Li|Li对称电池,在电流密度为0.5mA cm-2,容量为2mAh cm-2条件下的循环稳定性测试结果示意图。
图14是对比例3中的纯锂片组装成全电池,在电流密度为0.5C下的长循环性能测试结果示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明,但本发明并不局限于此,凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。下述实施例中所述实验方法,如无特殊说明,均为常规方法;所述试剂和材料,如无特殊说明,均可从商业途径获得。
本发明提供了一种基于纤维表面浸润制备多孔超薄锂金属负极的方法,包括如下步骤:
1)通过水热法在碳布纤维表面生长氧化物,形成表面修饰金属氧化物的碳布,得到三维集流体;
2)将4~5mg的少量锂加热到熔融状态,将三维集流体放入其中充分浸润,液态锂在三维集流体内部的纤维表面上铺展,在所述三维集流体表面的单根纤维上熔锂,通过熔融浸润形成多孔超薄锂金属负极。
本发明中所提到的多孔超薄锂金属负极中的“多孔”是指保持了原有碳纤维多孔的结构,“超薄”是指薄层厚度为140μm左右。
三维集流体优选商用棉布碳化后的碳布,相比于昂贵的商用碳布而言,其具有便宜、来源广和环保等优点。
根据本发明的一种实施方式,制备三维集流体(表面修饰金属氧化物的碳布)的步骤包括:
1)将棉布裁减后置于氢氧化钠溶液中浸泡,取出后用去离子水洗干净;再将所述棉布置于盐酸溶液中浸泡,然后取出用去离子水洗干净,烘干。
2)在氩气保护下,将所述棉布放置在碳化炉中,高温碳化使其石墨化,得到三维集流体的碳布。优选石墨化条件为:以4-6℃的速率升温到1100℃-1300℃,煅烧3-5小时。例如,石墨化条件为:5℃/min的速率升温到1200℃,煅烧2小时。
3)将步骤2)中三维集流体的碳布放进氯化物溶液和硫酸钠溶液的混合溶液中,水热反应,取出后烘干。优选在100-150℃条件下水热反应8-10小时;进一步优选在110-120℃条件下水热反应6-9小时;例如在120℃下水热反应8小时。
4)将烘干后的碳布放在惰性气氛中升至一定的温度反应,使得单根纤维表面生长亲锂性较强的氧化物,氧化物负载在碳纤维表面,形成表面修饰金属氧化物的三维集流体。优选地,步骤4)中反应条件:以4-6℃/min的速率升温到400-500℃的高温,反应煅烧3-5h。例如以5℃/min的速率升温到450℃的高温,反应煅烧2h。
其在,金属氧化物可以是氧化铁、氧化锌、氧化铜、氧化镍,本发明优选上述氧化物,但并不局限于此。
优选地,所述步骤1)中氢氧化钠溶液的浓度为0.2-0.80mol/L;优选为0.4-0.6mol/L,例如为0.4mol/L,0.45mol/L,0.5mol/L,0.55mol/L,0.6mol/L。所述盐酸溶液的浓度为0.5-1.5mol/L;优选为0.6-1.2mol/L;例如为0.6mol/L,0.7mol/L,0.8mol/L,0.9mol/L,1.0mol/L,1.1mol/L,1.2mol/L。
优选地,所述步骤3)中,所述金属氯化物溶液和硫酸钠溶液的摩尔比1~1.5;所述金属氯化物溶液的浓度为0.02-0.04mol/L,例如0.02mol/L,0.025mol/L,0.03mol/L,0.035mol/L,0.04mol/L。优选金属氯化物溶液为氯化铁溶液、氯化锌溶液、氯化铜溶液、氯化镍溶液中的一种或多种。
所述硫酸钠溶液的浓度为0.015-0.018mol/L,例如0.015mol/L,0.016mol/L,0.017mol/L,0.018mol/L。
根据本发明的另一个方面,还提供了一种多孔超薄锂金属负极,其采用上述任一种氧化物修饰的碳布,结合熔融浸润的方法制备得到。
本发明提供的多孔超薄锂金属负极,采用修饰金属氧化物的碳布作为三维集流体,由于氧化物修饰的碳布具有较高的“亲锂”性,增加了金属锂在三维集流体上的渗透速率,能够在几秒钟完成浸润,大大提高了浸润速率,加速了熔锂的速率,加快了进程。而且由于氧化物极强的亲锂性,使熔融锂金属只存在于纤维表面,在纤维之间的孔隙处未存在锂金属,实现了沿纤维表面熔融锂的目的。3D结构增加了电解液对锂负极的浸润性,加快了锂离子的转移动力学,从而降低了电阻,充分利用了成核位点,提高了性能。而且只沿纤维表面熔融锂时,锂金属的量会大大减少,相比于现有的熔融法来说,减少了纤维之间的锂的用量,极大的提高了锂金属的利用率和电池性能。
本发明中金属氧化物与熔融锂反应生成金属单质能够提供亲核位点,实现金属锂的均匀沉积,抑制了锂枝晶的形成,而且单根纤维上熔锂的结构,使其与电解液充分接触,势必会降低成核过电位,减少电压极化,提高了电池的性能。
此外,棉布碳化后具有优异的导电性,金属氧化物与熔融锂反应生成金属单质能够提供亲核位点,实现金属锂的均匀沉积,抑制了锂枝晶的生长形成,增加了亲锂性,从而降低了成核过电位,具有优异的充放电性能。本发明所用的材料极易获得且便宜、操作简单、在熔融方面对锂的利用率得到了极大的提高,适合大规模化生产。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
(一)制备氧化铁修饰的集流体
1)将棉布裁减后置于0.4mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡2h,取出后用去离子水洗干净,再将棉布置于0.6mol/L的氯化氢溶液中浸泡,然后取出用去离子水洗干净,烘干;
2)在氩气保护下,将商用的棉布放置在碳化炉中,以5℃/min的升温速率升温到1200℃,高温煅烧2h使其石墨化,得到了三维集流体的碳布;在扫描电子显微镜下观察单根纤维表面光滑且从横交错。
3)将三维集流体的碳布放进0.02mol/L的氯化铁和0.015mol/L的硫酸钠的混合溶液中氯化铁和硫酸钠的质量比约为2.5,在120℃条件下水热反应8h,取出后烘干。
4)接着将碳布放在惰性气体中以5℃/min的升温速率升温到450℃的高温反应2h,生成的氧化铁负载在碳纤维表面,形成表面修饰金属氧化铁的三维集流体。
从图1的扫描电子显微镜照片中可以看出氧化铁的针尖状结构。
(二)制备含氧化铁修饰的集流体的复合锂金属负极
将修饰氧化铁的碳布冲成12mm的圆片,然后将4~5mg的锂加热到熔融状态,再将碳布放入使其充分浸润,之后取出冷却至室温,即制得多孔超薄锂金属二次电池负极。
从图3的扫描电子显微镜照片中可以看出,只有纤维表面上覆盖了一层锂金属。由于氧化铁修饰后极大的增强了材料的“亲锂”性,加速了锂金属的渗透速率,在短短几秒内就完成了浸润,而且只在纤维表面有锂金属。
由图2和图4对比,熔融少量锂后的碳布截面厚度几乎一样,大约在140μm左右,说明得到的锂金属二次电池负极超薄。
(三)组装对称电池及其性能测试研究
将上述熔融少量锂的碳纤维分别作为对称电池的正负极,Celgard隔膜,含有1%的LiNO3的DOL:DME=1:1(体积比)混合溶剂的LiTFSI电解液,组装成Li|Li对称电池。使用新威测试系统对上述电池进行恒流充放电测试,测试截止容量为2mAh cm-2,测试温度为25℃。
实施例1中修饰氧化铁后碳布熔少量锂的三维集流体中,纤维可以充分与电解液接触,一定程度上减小了锂离子的传输阻力,降低过电位。初步熔锂后形成的单质铁会成为成核位点,使其均匀沉积和析出。图5为电流密度为0.5mAcm-2的对称电池的循环稳定性测试结果,可以看出,循环1800h后电压仍然保持稳定,而且电压的极化极小在低于10mV左右。
(四)组装全电池及其性能研究
将熔融少量锂的碳纤维作为全电池的负极,磷酸铁锂为正极,Celgard隔膜,含有1%的LiNO3的DOL:DME=1:1(体积比)混合溶剂的LiTFSI电解液,组装得到锂金属二次电池。磷酸铁锂正极的面容量在4mAh cm-2左右,测试的截止电压在2-4V,测试温度为25℃,测试的电流密度为0.5C。图6显示全电池的可逆容量循环140圈,容量仍保持在148mAh g-2。
对比例1
与实施例1的不同之处在于步骤(二)中10~11mg熔融锂充分浸润后,在图7的扫描电子显微镜照片中可以看出,表面完全被锂完全覆盖,几乎看不到碳纤维。
图8是修饰氧化铁后碳布熔多量锂后的截面扫描电子显微镜照片。相比较图2和图4,可以看出图8中熔融多锂后的截面厚度略微变大了。
图9是修饰氧化铁后碳布熔多量锂,组装成Li|Li对称电池,在电流密度为0.5mAcm-2,容量为2mAh cm-2条件下的循环稳定性测试结果。从图9可以看出,组装的对称电池可以稳定循环1000h,随后极化变大。这是由于大量锂的浸润,碳骨架发挥的作用极其有限,因此循环寿命略低。从图10可以看出全电池的可逆容量循环140圈,容量保持在132mAh g-2。
对比例2
其它条件与实施例1相同,不同之处在于没有经过步骤(一)中后续的氧化铁修饰,碳布单根纤维表面光滑,且呈现纵横交错的状态。纯碳布由于其没有氧化铁修饰,没有良好的亲锂性,因此在后续浸润锂过程中进度十分缓慢,需要经过好几分钟的等待,对于锂的浸润无法控制。
在其浸润完全后取出冷却,然后组装成对称电池。由于其没有好的亲核位点,在循环过程中不均匀沉积等,从图11可以看出浸润锂的纯碳布的对称电池性能较差,在电流密度为0.5mA cm-2下,循环600h后电压极化变大,而且电压的极化在10mV左右。由于碳骨架的存在,其负极的导电子能力增强,过电位较小,但是没有相应的成核位点,因此循环寿命短。
从图12可以看出组装的全电池的可逆容量循环140圈,容量仍保持在128mAh g-2。
对比例3
其它条件与实施例1相同,不同之处在于没有步骤一,直接使用的是商用锂片,如图13可以看出对称电池循环400h后极化变大,其极化电压约为30mV左右。
从图14可以看出组装的全电池的可逆容量循环140圈,容量仍保持在109mAh g-2。由于其没有碳骨架,其导电子能较弱,过电位较高,没有成核位点使其在循环过程中不均匀的沉积和析出,会导致锂枝晶的生成,循环寿命短。
Claims (10)
1.一种基于纤维表面浸润制备多孔超薄锂金属负极的方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)通过水热法在碳化后的棉布表面生长氧化物,在碳布表面修饰金属氧化物,得到三维集流体;
2)将锂加热到熔融状态,将所述三维集流体放入其中充分浸润,液态金属锂在所述三维集流体内部的纤维表面铺展,,在所述三维集流体表面的单根纤维上熔锂,通过熔融浸润形成多孔超薄锂金属负极。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,形成所述三维集流体的步骤包括:
1)将棉布裁减后置于氢氧化钠溶液中浸泡,取出后用去离子水洗干净;再将所述棉布置于盐酸溶液中浸泡,然后取出用去离子水洗干净,烘干;
2)在氩气保护下,将所述棉布放置在碳化炉中,升至一定温度碳化使其石墨化,得到了碳布;
3)将步骤2)中得到的碳布放进金属氯化物溶液和硫酸钠溶液的混合溶液中,水热反应,取出后烘干;
4)将烘干后的碳布放在惰性气氛中升至一定的温度反应,使得每根纤维表面生长亲锂性较强的氧化物,氧化物负载在碳纤维表面,使得表面修饰有金属氧化物,得到三维集流体。
3.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于,金属氧化物为氧化铁、氧化锌、氧化铜、氧化镍。
4.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述步骤1)中氢氧化钠溶液的浓度为0.2-0.80mol/L;优选为0.4-0.6mol/L,例如0.4mol/L,0.45mol/L,0.5mol/L,0.55mol/L,0.6mol/L。
优选地,所述盐酸溶液的浓度为0.5-1.5mol/L;更优选为0.6-1.2mol/L;例如0.6mol/L,0.7mol/L,0.8mol/L,0.9mol/L,1.0mol/L,1.1mol/L,1.2mol/L。
5.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述步骤3)中,所述金属氯化物溶液和硫酸钠溶液的摩尔比1~1.5。
优选地,所述金属氯化物溶液的浓度为0.02-0.04mol/L,例如0.02mol/L,0.025mol/L,0.03mol/L,0.035mol/L,0.04mol/L。
优选地,所述硫酸钠溶液的浓度为0.015-0.018mol/L,例如0.015mol/L,0.016mol/L,0.017mol/L,0.018mol/L。
优选地,所述金属氯化物溶液为氯化铁溶液、氯化锌溶液、氯化铜溶液和氯化镍溶液中的一种或多种。
6.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述步骤3)中,在100-150℃条件下水热反应8-10小时;优选在110-120℃条件下水热反应6-9小时。例如,在120℃下水热反应8小时。
7.如权利要求2所述的方法,其特征在于,石墨化条件为:以4-6℃的速率升温到1100℃-1300℃,煅烧3-5小时。例如,以5℃/min的速率升温到1200℃,煅烧2小时。
优选地,所述步骤4)中反应条件为:以4-6℃/min的速率升温到400-500℃的高温,反应煅烧3-5h;例如,以5℃/min的速率升温到450℃的高温,反应煅烧2h。
8.一种多孔超薄锂金属负极,其特征在于,采用权利要求1至7中任一项所述基于纤维表面浸润制备多孔超薄锂金属负极的方法得到。
9.一种多孔超薄锂电池,包括正极和负极,其特征在于,所述负极为权利要求8所述的多孔超薄锂金属负极。
10.权利要求9所述的多孔超薄锂电池在长寿命、高安全性的高能量密度型储能器件中的应用。
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