CN117410455A - 一种铜掺杂的锰铁普鲁士蓝正极及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种铜掺杂的锰铁普鲁士蓝(KxCuyMn1‑y[Fe(CN)6])正极,其由一部分铜取代锰铁普鲁士蓝材料中的锰,实现铜元素掺杂。其既能保证Cu掺杂后的正极晶体结构的稳定性,又使得该正极材料可以有效抑制Jahn‑Teller效应和Mn3+离子的溶解以提高正极材料循环性能。基于铜掺杂的锰铁普鲁士蓝(KxCuyMn1‑y[Fe(CN)6])的钾锌混合离子电池(PZ‑HIB)采用Zn金属作为负极,钾锌混合电解液作为电解液,有效解决了钾金属因其对水的高反应性而无法作为负极的问题。该PZ‑HIB提高水系金属离子电池的工作性能;同时通过钾离子实现的静电屏蔽效应抑制锌枝晶的生长。因此,其具有工作电压高、循环寿命长、倍率性能好等优势。

Description

一种铜掺杂的锰铁普鲁士蓝正极及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及普鲁士蓝正极材料、金属离子电池等领域,尤其涉及一种铜掺杂的锰铁普鲁士蓝正极及其制备方法与应用。
背景技术
可再生能源因其的能源间歇性和分布的不均匀性,限制了规模储能系统的发展。在众多储能技术中,基于电能和化学能转换的可充电电池因其无可比拟的转换效率而成为最有前景的方法之一。水系金属离子(如Li+、Na+、K+、Zn2+等)电池(AMIBs)由于其具有高度安全性和环保特性,得到研究人员的高度关注。在各种AMIBs中,水系钾离子电池由于其成本低、半径小、满足大规模储能的需求、价格便宜、易于建立、适用于高倍率充放电环境等特点而极具发展前景。然而,现有技术的水性钾离子全电池的能量密度和稳定性仍然不太理想,因为它们通常利用有机材料(如PTCDI或PTCDA)作为负极,这两种材料都在高电压下嵌入/脱嵌钾离子,导致它们的工作电位低且能量密度不理想。
决定水性钾离子电池输出电压的另一个因素是正极材料的工作电位。到目前为止,已公开的钾离子电池(PIBs)高电位正极材料可分为三类:过渡金属氧化物、聚阴离子材料和普鲁士蓝类似物(PBAs)。由于其良好的亲水性、易于合成、低成本和易操作优势,PBAs已被广泛用作水系钾离子电池(AKIBs)的正极。在各种PBAs中,亚铁氰化锰钾(MnPB)因为其晶体中的Mn和Fe离子都具有电化学活性,可在高电压下储存钾离子,所以表现出最高的容量和工作电位。然而,由于Mn2+被氧化为Mn3+时发生的Jahn-Teller效应,使得纯MnPB的容量迅速下降,晶格不稳定性导致Mn3+的歧化和溶解,导致许多含Mn化合物的循环不稳定。为了解决这个问题,在现有技术中提出了不少解决方法。例如,作为突破,Ge J等人通过表面置换的方法实现了MnPB的超长稳定循环(详见期刊:2021,5:225-234)。此外,Li W-J等人构建了导电聚合物涂层MnPB以抑制其容量衰减(详见期刊:2015,13:200-207)。然而,这些方法通常成本高且难以控制,使得它们无法在实际中使用。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题,本发明的目的是提供一种部分铜取代锰的铜掺杂的锰铁普鲁士蓝正极,以抑制Jahn-Teller效应和Mn3+离子的溶解来提高正极材料的循环性能,同时应用该正极材料制备稳定和高输出电压的水系金属离子电池(AMIBs)。
一种铜掺杂的锰铁普鲁士蓝(KxCuyMn1-y[Fe(CN)6])正极,它由一部分铜取代锰铁普鲁士蓝材料中的锰,实现铜元素掺杂的正极材料。
进一步的,所述KxCuyMn1-y[Fe(CN)6]中的x取值范围为1-2。
进一步的,所述KxCuyMn1-y[Fe(CN)6]中的y取值范围为0.01-0.99。
一种铜掺杂的锰铁普鲁士蓝(KxCuyMn1-y[Fe(CN)6])正极的制备方法,包含步骤:在300ml圆底烧瓶中,将一定量的六水氯化铜(CuCl2·6H2O)、四水乙酸锰Mn(CH3COO)2·4H2O和柠檬酸钾溶解在100ml去离子水中,混合搅拌20-40min得到溶液A;将一定质量的K4Fe(CN)6·10H2O溶于100ml去离子水中得到溶液B。将溶液A缓慢滴加入溶液B中,滴加速度为4-8滴/分钟,同时保持持续搅拌;将反应在室温下搅拌22-26小时,然后老化22-26小时;将得到的混合溶液离心并用去离子水和乙醇反复洗涤3-10次;将得到的KxCuyMn1-y[Fe(CN)6]材料在80℃的真空中干燥8-20h。
进一步的,所述六水氯化铜(CuCl2·6H2O)的质量为0.341g±5%、四水乙酸锰Mn(CH3COO)2·4H2O的质量为0.24509g±5%、柠檬酸钾的质量为4g±5%。
进一步的,所述K4Fe(CN)6·10H2O的质量为1.79g±5%。
一种稳定和高输出电压的水系金属离子电池(AMIBs),所述水系金属离子电池以KxCuyMn1-y[Fe(CN)6]作为正极。
进一步的,所述水系金属离子电池(AMIBs)为混合金属离子电池;所述混合金属离子电池为钾锌混合离子电池(PZ-HIB),所述钾锌混合离子电池包含正极、负极、电解液和隔膜;所述正极材料为KxCuyMn1-y[Fe(CN)6];所述负极材料为锌片;所述电解液为钾锌混合离子电解液。
进一步的,所述正极的制备过程包含将70%的正极KxCuyMn1-y[Fe(CN)6]活性材料、20%的科琴黑和10%的聚偏二氟乙烯(PVDF)粘合剂混合得到浆料,并用NMP作分散剂,然后将混合均匀的浆料均匀地涂布在钛网(1cm2)上并在70-90℃温度下干燥处理10-20h,正极活性材料负载量约为1-2mg cm-1
进一步的,所述钾锌混合离子电解液为溶解在超纯水溶剂中的2M三氟甲磺酸锌(Zn[OTf]2,98%)和12M三氟甲磺酸钾(KOTf,98%)混合电解液。
本发明提供的铜掺杂的锰铁普鲁士蓝(KxCuyMn1-y[Fe(CN)6])正极,通过将亚铁氰化铜(CuPB)的Cu离子掺杂到MnPB的晶体结构中替代部分Mn,既能保证Cu掺杂后的MnPB的晶体结构的稳定性,又使得该正极材料可以有效抑制Jahn-Teller效应和Mn3+离子的溶解以提高正极材料循环性能。
本发明提供的基于铜掺杂的锰铁普鲁士蓝(KxCuyMn1-y[Fe(CN)6])的钾锌混合离子电池(PZ-HIB)采用Zn金属作为负极,钾锌混合电解液作为电解液,有效解决了钾金属因其对水的高反应性而无法作为负极的问题。并成功组装了K1.92Cu0.62Mn0.38[Fe(CN)6]作为正极,基于纯水的2M Zn(SO3CF3)2+12M KSO3CF3混合电解液,锌片为负极的钾锌混合离子全电池。该钾锌混合离子电池提高水系金属离子电池的工作性能;同时通过钾离子实现的静电屏蔽效应抑制锌枝晶的生长。因此,该钾锌混合离子全电池具有如下优点:
1)提供了1.75V的高工作电压。
2)长循环寿命,在1400次循环后可保持其原始容量75.1%的容量保持率。
3)具有优异的倍率性能,即在10000mAg-1的电流密度下仍保持初始容量的83.6%。
4)通过理论相场模拟和综合表征,充分揭示了原位静电屏蔽效应,可显著抑制锌负极枝晶生长,提高全电池稳定性。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1.本发明实施例1提供的铜掺杂的锰铁普鲁士蓝(KxCuyMn1-y[Fe(CN)6])正极材料即KCM-21的,a)KCM-21的XRD图;b)KCM-21的晶体结构示意图。
图2.本发明提供的KCM-21的微观结构表征,a)KCM-21的SEM图像、b)TEM图像和c)HRTEM图像。
图3.本发明提供的KCM-21的,a)KCM-21的TGA曲线;b)FT-IR曲线和c)XPS曲线。
图4.本发明提供的基于KCM-21的钾锌混合离子电池(PZ-HIB)的示意图,a)PZ-HIB的工作机制示意图;b)PZ-HIB的电池结构示意图。
图5.本发明提供的基于KCM-21的钾锌混合离子电池(PZ-HIB)在50mA g-1电流密度下的恒电流充放电曲线。
图6.本发明提供的基于KCM-21的钾锌混合离子电池(PZ-HIB)的倍率性能曲线。
图7.本发明提供的基于KCM-21的钾锌混合离子电池(PZ-HIB)的循环性能曲线。
图8.本发明提供的基于KCM-21的钾锌混合离子电池(PZ-HIB)在2000mAg-1电流密度下的长循环性能曲线。
图9.本发明提供的基于KCM-21的钾锌混合离子电池(PZ-HIB)的静电屏蔽效果示意图;a)静电屏蔽效应抑制枝晶生长的示意图;c-d)单阳离子电解液和(f-g)双阳离子电解液充放电循环前后锌箔表面的SEM图像;e)基于不同电解液的Zn||Zn对称电池在1mA cm-2电流密度下的恒电流充放电曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明提供一种铜掺杂的锰铁普鲁士蓝(KxCuyMn1-y[Fe(CN)6])正极,它由一部分铜取代锰铁普鲁士蓝材料中的锰,实现铜锰共同掺杂的正极材料。其中,所述KxCuyMn1-y[Fe(CN)6]中的x取值范围为1-2;,所述KxCuyMn1-y[Fe(CN)6]中的y取值范围为0.01-0.99。
所述铜掺杂的锰铁普鲁士蓝(KxCuyMn1-y[Fe(CN)6])正极的制备方法,包含步骤:在300ml圆底烧瓶中,将一定量的六水氯化铜(CuCl2·6H2O)、四水乙酸锰Mn(CH3COO)2·4H2O和柠檬酸钾溶解在100ml去离子水中,混合搅拌20-40min得到溶液A;将一定质量的K4Fe(CN)6·10H2O溶于100ml去离子水中得到溶液B。将溶液A缓慢滴加入溶液B中,滴加速度为4-8滴/分钟,,同时保持持续搅拌;将反应在室温下搅拌22-26小时,然后老化22-26小时;将得到的混合溶液离心并用去离子水和乙醇反复洗涤3-10次;将得到的KxCuyMn1-y[Fe(CN)6]材料在80℃的真空中干燥8-20h。其中,所述六水氯化铜(CuCl2·6H2O)的质量为0.341g±5%、四水乙酸锰Mn(CH3COO)2·4H2O的质量为0.24509g±5%、柠檬酸钾的质量为4g±5%。所述K4Fe(CN)6·10H2O的质量为1.79g±5%。
本发明还提供一种稳定和高输出电压的水系金属离子电池(AMIBs),所述水系金属离子电池以KxCuyMn1-y[Fe(CN)6]作为正极。所述水系金属离子电池(AMIBs)为混合金属离子电池;所述混合金属离子电池为钾锌混合离子电池(PZ-HIB),所述钾锌混合离子电池包含正极、负极、电解液和隔膜;所述正极材料为KxCuyMn1-y[Fe(CN)6];所述负极材料为锌片;所述电解液为钾锌混合离子电解液。所述钾锌混合离子电池正极的制备过程包含将70%的正极KxCuyMn1-y[Fe(CN)6]活性材料、20%的科琴黑和10%的聚偏二氟乙烯(PVDF)粘合剂混合得到浆料,并用NMP作分散剂,然后将混合均匀的浆料均匀地涂布在钛网(1cm2)上并在70-90℃温度下干燥处理10-20h,正极活性材料负载量约为1-2mg cm-1。所述钾锌混合离子电池的钾锌混合离子电解液为溶解在超纯水的溶剂中的2M三氟甲磺酸锌(Zn[OTf]2,98%)和12M三氟甲磺酸钾(KOTf,98%)混合电解液。
实施例1
1)制备铜掺杂的锰铁普鲁士蓝(K1.92Cu0.62Mn0.38[Fe(CN)6])
在300ml圆底烧瓶中,将的六水氯化铜(CuCl2·6H2O)(0.341g,2mmol)、四水乙酸锰Mn(CH3COO)2·4H2O(0.24509g,1mmol)和柠檬酸钾(4g)溶解在100ml去离子水中,混合搅拌30min得到溶液A;将K4Fe(CN)6·10H2O(1.79g,4.25mmol)溶于100ml去离子水中得到溶液B。将溶液A缓慢加入溶液B中,滴加速度为6滴/分钟,同时保持持续搅拌;将反应在室温下搅拌24小时,然后老化24小时;将得到的混合溶液离心并用去离子水和乙醇反复洗涤5次;将得到的材料在80℃的真空中干燥12h,得到K1.92Cu0.62Mn0.38[Fe(CN)6]材料,因为Cu和Mn的比例约为2:1,所以简称KCM-21。
2)制备基于K1.92Cu0.62Mn0.38[Fe(CN)6]的钾锌混合离子电池(PZ-HIB)
制备正极:将70%的正极K1.92Cu0.62Mn0.38[Fe(CN)6]活性材料、20%的科琴黑和10%的聚偏二氟乙烯(PVDF)粘合剂混合得到浆料,并用NMP作分散剂,然后将混合均匀的浆料均匀地涂布在钛网(1cm2)上并在80℃温度下干燥处理14h,正极活性材料负载量约为1.5mg cm-1
负极处理:将锌片负极(1cm2)用酒精冲洗和抛光处理。
钾锌混合离子电解液制备:将溶解在超纯水的溶剂中的2M三氟甲磺酸锌(Zn[OTf]2,98%)和12M三氟甲磺酸钾(KOTf,98%)充分混合,得到钾锌混合离子电解液。
在室温下的空气环境中完成全电池的组装。
铜掺杂的锰铁普鲁士蓝(K1.92Cu0.62Mn0.38[Fe(CN)6])KCM-21的微观结构表征:
如图1所示,图1a显示KCM-21的X射线衍射(XRD)图,结果表明,KCM-21属于单斜晶相。图1b所示,KCM-21显示出开放骨架结构,其中每个Fe和Mn/Cu离子分别与六个C和N原子配位。
如图2所示,图2a的扫描电镜(SEM)、2b的透射电镜(TEM)和2c的高倍透射电镜(HRTEM)的测试结果显示,KCM-21是由直径约为30~40nm的规则、聚集的立方体组成,这些纳米立方体将有效降低钾离子在KCM-21晶体中的传输距离,有利于电解液的渗透。
热重分析(TGA)也用来估计所制备的KCM-21的水含量。如图3a所示,KCM-21从室温至117℃仅蒸发了约1.1wt%的水分,而从117℃到213℃,重量仅损失2.3wt%,表明存在相当少量的水。KCM-21中存在分子。根据ICP-MS和TGA结果,可以确定KCM-21的化学式为K1.92Cu0.62Mn0.38[Fe(CN)6],与其理论分子式K2Cu0.67Mn0.33[Fe(CN)6]很相近。此外,图3b的傅里叶变换红外光谱(FT-IR)显示出以2076cm-1、3424cm-1和1641cm-1为中心的一强二弱的峰,对应于Mn2+-N≡C-Fe2+键和水分子的,这与ICP-MS和TGA结果非常匹配。图3c所示,X射线光电子能谱(XPS)也用于观察KCM-21的表面组成并研究Fe、Mn和Cu元素的价态。在Fe2p光谱中,位于708.35eV和721.10eV的吸附带分别与Fe2p3/2和Fe2p1/2相关。
如图4所示,图4a为制备的PZ-HIB的工作机理示意图。由于Zn/Zn2+的热力学氧化还原电位比K/K+高2.169V,因此与K+离子相比,Zn2+离子在负极侧的沉积/溶解更优先,正极侧的相互作用反应则以K+为主,因为Zn2+具有更高的价态,并且在同一衬底中扩散速率比K+慢几个数量级。因此,该PZ-HIB的工作机理可以概括为:在充电过程中,预先储存在正极中的钾离子从材料中脱出并转移到电解液中,同时电解液中的锌离子在锌箔电极及其表面上接收电子;在放电过程中,发生可逆过程。图4b显示了钾锌混合离子电池的结构,KCM-21为正极,锌片为负极,基于水溶液的2M Zn(SO3CF3)2+12M KSO3CF3的混合电解液作为电解液。
如图5-8所示,制备的PZ-HIB的电化学性能图。图5显示了组装后的PZ-HIB在2000mAg-1电流密度下的充电/放电曲线。在充电过程中,两个不同的平台分别为1.65V和1.78V。可逆地,在随后的放电过程中在1.6V和1.75V附近也观察到相应的两个平台。这两个1.78/1.75V和1.65/1.6V的氧化还原电对分别与Mn2+/Mn3+和Fe2+/Fe3+的氧化还原过程相对应。
图6的PZ-HIB在不同电流密度下的倍率性能图显示了,PZ-HIB在2000mAg-1下提供了101.7mAh g-1的可逆容量。在电流密度不断增加的过程中,可逆容量没有明显衰减。即使电流密度增加到10000mAg-1,也提供了初始比容量的83.3%。在正极侧,只有K+离子嵌入和脱嵌,在负极侧,Zn2+离子沉积和溶解。离子不需要在电极之间穿梭,大大缩短了它们的传输路径,这应该是倍率性能优异的原因。当电流密度恢复到2000mAg-1时,比容量也恢复到96.7mAh g-1,循环在整个倍率能力测试中保持稳定,说明本发明提供的铜掺杂的锰铁普鲁士蓝的结构足以承受大电流。
图7显示了PZ-HIB在50mAg-1电流密度下的循环性能。KCM-21在第20个循环提供了103.4mAh g-1的可逆放电容量,且库伦仑效率为95%,并在随后的循环中逐渐增加,最终稳定在98.5%。
图8显示了PZ-HIB在2000mAg-1电流密度下的循环性能,其初始放电容量约为111.7mAh g-1,初始库伦效率(ICE)为74.7%。在第一个循环之后,库伦效率逐渐增加并在20个循环稳定在~99.5%。图8中的插图显示了整个循环期间的详细库伦效率信息,平均值为99.5%,验证了正极侧的高钾化-脱钾效率和负极锌的高沉积-剥离效率。经过1400次循环后,可逆容量保持在86.67mAh g-1(即容量保持率为77.6%)。
图9显示了静电屏蔽抑制枝晶生长。图9a所示,锌箔的粗糙表面是枝晶的来源,在没有添加剂的情况下,尖部产生的局部增强电场强烈吸引Zn2+,最终形成枝晶,导致电池短路。在本发明中,K+在电解液中起重要作用,K+本身的高氧化还原电位不参与负极沉积物的剥离,而是锚定了局部增强电场的尖端。锌离子在静电作用下横向移动到相邻平面基板上沉积,以抑制枝晶的作用。在恒流条件下,观察到混合离子电解液在Zn||Zn对称电池中的静电屏蔽效果,实现锌负极的稳定性和可逆性。如图9e所示,使用具有相同Zn2+浓度的2M Zn[OTf]2单阳水性电解液作为对比试验。具有高极化的电压曲线的初始极化电压为94.1mV,75h出现电压波动,90h后电池失效。具有低极化的电压曲线代表本发明的钾锌双阳离子电解液,在1mA cm-2的电流密度下表现出长期稳定性,没有电位波动或短路,极化电压为34mV。
为了对比观察循环锌箔的表面状况,通过拆解Zn||Zn对称电池,取循环后的锌箔进行SEM测试。如图9b所示,初始Zn箔显示出连续且光滑的表面。然而,经过50次循环后,在单阳离子电解液中循环的锌箔表面出现了一个橄榄球状的枝晶,其长度约为700nm。经过100次循环后,这些枝晶进一步增长到2μm以上。当使用双阳离子电解液时,循环后的SEM图像如图9f、9g所示。循环50次后,Zn2+沉积在Zn箔表面,直径约20nm,分布均匀,循环100次后也未观察到明显的枝晶生长。随着循环过程的延长,沉积增加,直径增加至~50纳米,但分布仍是均匀的。证明了电解液中的钾离子不仅保证了正极和电解液的离子接触,而且可以抑制负极侧的枝晶生长。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铜掺杂的锰铁普鲁士蓝(KxCuyMn1-y[Fe(CN)6])正极,其特征在于:它由一部分铜取代锰掺杂铁基普鲁士蓝材料中的锰,实现铜元素掺杂的正极材料。
2.根据权利要求1所述铜掺杂的锰铁普鲁士蓝(KxCuyMn1-y[Fe(CN)6])正极,其特征在于:所述KxCuyMn1-y[Fe(CN)6]中的x取值范围为1-2。
3.根据权利要求1所述铜掺杂的锰铁普鲁士蓝(KxCuyMn1-y[Fe(CN)6])正极,其特征在于:所述KxCuyMn1-y[Fe(CN)6]中的y取值范围为0.01-0.99。
4.一种铜掺杂的锰铁普鲁士蓝(KxCuyMn1-y[Fe(CN)6])正极的制备方法,其特征在于:所述制备方法包含步骤:在300ml圆底烧瓶中,将一定量的六水氯化铜(CuCl2·6H2O)、四水乙酸锰Mn(CH3COO)2·4H2O和柠檬酸钾溶解在100ml去离子水中,混合搅拌20-40min得到溶液A;将一定质量的K4Fe(CN)6·10H2O溶于100ml去离子水中得到溶液B;将溶液A缓慢加入溶液B中,滴加速度为4-8滴/分钟,同时保持持续搅拌;将反应在室温下搅拌22-26小时,然后老化22-26小时;将得到的混合溶液离心并用去离子水和乙醇反复洗涤3-10次;将得到的KxCuyMn1-y[Fe(CN)6]材料在80℃的真空中干燥8-20h。
5.根据权利要求4所述铜掺杂的锰铁普鲁士蓝(KxCuyMn1-y[Fe(CN)6])正极的制备方法,其特征在于:所述六水氯化铜(CuCl2·6H2O)的质量为0.341g±5%、四水乙酸锰Mn(CH3COO)2·4H2O的质量为0.24509g±5%、柠檬酸钾的质量为4g±5%。
6.根据权利要求4所述铜掺杂的锰铁普鲁士蓝(KxCuyMn1-y[Fe(CN)6])正极的制备方法,其特征在于:所述K4Fe(CN)6·10H2O的质量为1.79g±5%。
7.一种稳定和高输出电压的水系金属离子电池(AMIBs),其特征在于:所述水系金属离子电池以KxCuyMn1-y[Fe(CN)6]作为正极。
8.根据权利要求7所述水系金属离子电池(AMIBs),其特征在于:所述水系金属离子电池(AMIBs)为混合金属离子电池;所述混合金属离子电池为钾锌混合离子电池(PZ-HIB),所述钾锌混合离子电池包含正极、负极、电解液和隔膜;所述正极材料为KxCuyMn1-y[Fe(CN)6];所述负极材料为锌片;所述电解液为钾锌混合离子电解液。
9.根据权利要求8所述水系金属离子电池(AMIBs),其特征在于:所述钾锌混合离子电池(PZ-HIB)正极的制备过程包含步骤:将70%的正极KxCuyMn1-y[Fe(CN)6]活性材料、20%的科琴黑和10%的聚偏二氟乙烯(PVDF)粘合剂混合得到浆料,并用NMP作分散剂,然后将混合均匀的浆料均匀地涂布在钛网(1cm2)上并在70-90℃温度下干燥处理10-20h,正极活性材料负载量约为1-2mg cm-1
10.根据权利要求8所述水系金属离子电池(AMIBs),其特征在于:所述钾锌混合离子电池(PZ-HIB)的钾锌混合离子电解液为溶解在超纯水溶剂中的2M三氟甲磺酸锌(Zn[OTf]2,98%)和12M三氟甲磺酸钾(KOTf,98%)的混合电解液。
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