TWI505528B - 增加可充電式鋰電池組中之能量密度的技術 - Google Patents

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Description

增加可充電式鋰電池組中之能量密度的技術 [相關申請案]
本申請案為發明人Ramesh C. Bhardwaj、Taisup Hwang、及Richard M. Mank(代理人卷號APL-P7497US1)於2009年8月17日申請的名稱為「用於鋰離子/鋰聚合物電池的基於調變溫度之多恆流恆壓充電技術(Modulated Temperature-Based Multi-CC-CV Charging Technique for Li-ion/Li-Polymer Batteries)」之審理中的美國專利申請案第12/542,411號之部分連續案,並於此依照美國專利法規35 U.S.C.§120主張優先權。
本發明主要有關於用於充電可充電式電池的技術。詳言之,本發明關於新的電池充電技術,其幫助增加鋰離子/鋰聚合物電池組之能量密度。
可充電式電池目前用來提供電力給各式各樣的可攜式電子裝置,包括膝上型電腦、攜帶式活動手機、PDA、數位音樂播放器、及無繩電動工具。隨著這些電子裝置變得越來越小且越來越強大,用來供電給這些裝置的電池需要在更小體積內儲存更多能量。
最常使用的可充電式電池的類型為鋰電池,其可包括鋰離子或鋰聚合物電池。鋰離子或鋰聚合物電池組典型含有陰極電流收集件、由活性材料構成之陰極塗層、隔離件、陽極電流收集件、及由活性材料構成之陽極塗層。增加鋰離子或鋰聚合物電池組之能量密度(mAh)的傳統技術涉及增加陽極與陰極電流收集件的長度,且額外增加其之個別塗層材料的長度,其中這些塗層材料的厚度及電流收集件的充電電流密度(mA/cm2 )維持相同。
然而,注意到當組容量(cell capacity)增加時,增加這些電流收集件的面積會造成相同或更低體積能量密度(Wh/L)。因此,電池變得更大,這對許多可攜式電子裝置來說並不實用。
因此,需要一種增加可充電式鋰電池組的能量容量之技術而不增加電池組的尺寸。
本發明之一些實施例提供改善的可充電式鋰電池。此可充電式鋰電池包括具有陰極活性材料塗層之陰極電流收集件。其亦包括電解液隔離件,及具有陽極活性材料塗層之陽極電流收集件。在此可充電式電池內,選擇該陰極活性材料塗層的厚度及該陽極活性材料塗層的厚度,使得當使用多階恆流恆壓(CC-CV)充電技術來充電該電池時,該電池將在預定最大充電時間中以預定最小循環壽命充電。注意到取代傳統充電技術地使用該多階CC-CV充電技術允許增加該陰極活性材料的厚度及該陽極活性材料的厚度,同時維持相同的預定最大充電時間及相同的預定最小循環壽命。此活性材料之厚度的增加有效地增加電池組之體積與重量能量密度兩者。
在一些實施例中,該多階CC-CV充電技術的初始充電電流密度超過達成該相同預定最小循環壽命之單階CC-CV充電技術的初始充電電流密度。
在一些實施例中,該多階CC-CV充電技術的該初始充電電流密度超過2.5 mA/cm2
在一些實施例中,該陰極電流收集件由鋁構成;該陰極活性材料塗層由LiCoO2 構成;該陽極電流收集件由銅構成;該陽極活性材料塗層由石墨構成;以及該電解液隔離件由聚乙烯或聚丙烯構成。
在一些實施例中,該陰極具有以該陰極活性材料所塗覆之第一表面及第二表面。類似地,該陽極具有以該陽極活性材料所塗覆之第一表面及第二表面。此外,該電解液隔離件包括:位在該陰極的該第一表面及該陽極的該第二表面之間的第一電解液隔離件,以及位在該陰極的該第二表面及該陽極的該第一表面之間的第二電解液隔離件。
本發明之其他實施例提供一種使用多階恆流恆壓(CC-CV)充電技術來充電電池的方法。依照此技術,系統首先取得一組充電電流{I1 ,...,In }及一組充電電壓{V1 ,...,Vn }。接著,系統一連串的重複恆流及恆壓充電步驟,從i=1開始並在每次重複時增額i,直到到達終止條件。該些恆流及恆壓充電步驟包括:使用恆流Ii 來充電該電池直到該電池的組電壓到達Vi ,並且接著使用恆壓Vi 來充電該電池直到充電電流小於或等於Ii+1 。藉由使用此多階CC-CV充電技術,該電池在預定最大充電時間中以預定最小循環壽命中充電。此外,與該初始充電電流I1 關聯的初始充電電流密度超過達成該相同預定最小循環壽命之單階CC-CV充電技術的初始充電電流密度。
在一些實施例中,藉由依據該電池之已測量溫度來在查詢表中查詢該組充電電流及該組充電電壓,以取得該組充電電流及該組充電電壓。
在一些實施例中,當該充電電流Ii 等於終止充電電流Iterm 時到達該終止條件。
提出下列說明中以致使熟悉此技藝的任何人士得製造並使用本發明,且在特定應用及其需求的語境中提出下列說明。對熟悉此技藝人士而言對於所揭露之實施例的各種變更為顯而易見,且在此所界定之一般原理可施加至其他實施例及應用而不背離本發明之精神及範疇。因此,本發明不限於所示的實施例,但應給予和在此揭露之原理及特徵一致的最廣範疇。
在此詳細說明中所述的資料結構及碼典型儲存在電腦可讀取儲存媒體上,其可為可儲存由電腦系統使用之碼及/或資料的任何裝置或媒體。電腦可讀取儲存媒體包括但不限於依電性記憶體、非依電性記憶體、磁及光儲存裝置,如碟驅動器、磁帶、光碟(CD)、數位多功能碟或數位視頻碟(DVD)、或能夠儲存碼及/或資料之現已知或之後開發的其他媒體。
在此詳細說明中所述的方法及程序可體現成碼及/或資料,其可儲存在上述的電腦可讀取儲存媒體中。當電腦系統讀取並執行儲存在電腦可讀取儲存媒體上之碼及/或資料時,電腦系統執行體現成儲存在電腦可讀取儲存媒體內之資料結構及碼的方法及程序。此外,於下所述之方法及程序可包括在硬體模組中。例如,硬體模組可包括但不限於特殊應用積體電路(ASIC)晶片、現場可編程閘陣列(FPGA)、及現已知或之後開發的其他可編程邏輯裝置。當啟動硬體模組時,硬體模組執行包括在硬體模組內之方法及程序。
概觀
本發明增加可充電式鋰電池組之體積及重量能量密度(Wh/L)。此能量密度之增加幫助讓電池組更小,允許更有效率地使用可攜式電子裝置中可得的有限空間。例如,空間節省可用來併入額外特徵到電子裝置中,或提供更多電池容量,其增加電池運作時間。
本發明後面的基本概念很簡單。藉由增加在陽極與陰極電流收集件兩者上之活性材料塗層的厚度來增加電池容量,而不增加關聯電流收集件或隔離件的長度與寬度。注意到隔離件、陽極電流收集件、及陰極電流收集件為電池組中之非活性構件。因此,增加這些構件的表面面積不會增加電池組的重量或體積能量密度。
本發明藉由增加在陽極與陰極電流收集件兩者上之活性材料塗層的厚度並減少非活性材料的面積來增加電池組之能量密度。可藉由使用新的多階CC-CV充電技術在不減少循環壽命下達成此,該技術在電池組到達較高充電狀態(SOC)時,例如在70及100% SOC時,減少電流密度。
注意到若增加塗層厚度,必須增加充電電流密度以在相同時間量中充電電池。不幸地,充電電流密度與鋰離子及鋰聚合物電池組的循環壽命成反比。並且亦注意到在不同溫度使用相同充電電流密度亦影響循環壽命。例如,與較高溫度(45℃)相比,在較低溫度(10℃)維持相同充電電流密度會大幅降低鋰離子/鋰聚合物電池的循環壽命。
第1圖呈現經驗結果的圖形,其描繪電池循環壽命如何受充電電流影響。此圖形比較在10℃使用0.3C速率(0.82A)對0.5C速率(1.37A)所充電之電池組的循環壽命。如此圖形所示,與0.3速率相比,使用0.5C速率來充電電池組減少循環壽命。可在其他溫度獲得類似結果。
藉由將陰極面積除以充電電流,可將充電電流輕易地轉換成充電電流密度(mA/cm2 )。在大多數的鋰離子及鋰聚合物電池組中之充電電流密度在2.2至2.5 mA/cm2 之間變化,因為較高電流密度減少電池的循環壽命至無法接受的低的程度。然而,注意到較高的充電電流密度僅在較高充電狀態(SOC)(如介於70至100% SOC)讓循環壽命惡化。因此,若充電電流可在較高充電狀態(及在較低溫度)減少,可避免循環壽命中的惡化(且甚至可增加循環壽命)而無電池化學的任何改變。
在第2圖中描繪傳統電池設計及改善之電池組/電池設計之間的差別之圖,其描繪循環壽命、電流密度、及能量密度間的關係。傳統充電技術(標為「傳統CC-CV充電」)涉及單一恆流充電步驟,其涉及例如以0.5C速率充電直到電池電壓到達4.2V。在此恆流步驟之後在4.2 V進行單一恆壓充電步驟直到充電電流降至0.05C。(注意到在廣溫度範圍中使用此相同的傳統充電技術)。
相反地,新的多階CC-CV充電技術(標為「多重CC-CV充電」)涉及一連串的恆流及恆壓充電步驟。例如,系統可在0.7C的較高初始恆流充電直到電池到達50%的充電狀態。接著,系統在恆壓充電直到充電電流降至0.6C。接下來,系統可在0.6C的稍低恆流充電直到電池到達60%的充電狀態。系統可接著重複額外的CC-CV步驟直到電池完全充電為止。
第2圖描繪新多階CC-CV充電技術可如何以較高初始電流密度充電電池組同時保持相同循環壽命。此較高初始充電電流密度讓具有較厚活性材料塗層之電池組在和具有較薄活性材料塗層之傳統電池組相同時間量中充電,其中該傳統電池組使用傳統單一恆流充電步驟,及隨後單一恆壓充電步驟。
充電系統
第3圖描繪可充電式電池系統300,其使用根據本發明之一實施例的CC-CV充電技術。詳言之,第3圖中所示之可充電式電池系統300包括電池組302,如鋰離子電池組或鋰聚合物電池組。其亦包括電流計(電流感測器)304,其測量施加至電池組302的充電電流,及電壓計(電壓感測器)306,其測量跨電池組302之電壓。可充電式電池系統300亦包括熱感測器330,其測量電池組302之溫度。(注意到電流計、電壓計、及熱感測器的眾多可能設計為此技藝中熟知。)
可充電式電池系統300額外包括電流源323,其提供可控恆定充電電流(具有變化電壓),或替代地,電壓源324,其提供可控恆定充電電壓(具有變化電流)。
由控制器320控制充電程序,該控制器接收:來自電壓計306之電壓信號308、來自電流計304之電流信號310、及來自熱感測器330之溫度信號332。這些輸入用來產生電流源323之控制信號322,或替代地,電壓源324的控制信號326。
注意到可使用硬體及軟體之組合或純粹硬體來實行控制器320。在一實施例中,使用微控制器來實行控制器320,該微控制器包括執行控制充電程序之指令的微處理器。
於下詳述在充電程序期間之控制器320的操作。
充電程序
第4圖呈現描繪根據本發明之一實施例的CC-CV充電操作中所涉及的操作之流程圖。首先,系統取得一組充電電流{I1 ,...,In }及一組充電電壓{V1 ,...,Vn }(步驟402)。這可涉及依據電池之已測量溫度及電池的電池種類在查詢表中查詢該組充電電流及該組充電電壓。如上述,可藉由使用鋰參考電極來執行實驗以判斷在鋰鍍覆發生之前可施加多少電流/電壓至電池而產生這些查詢表。
接著,系統在恆流I=Ii 充電電池組直到組電壓Vcell =Vi (T)(步驟404)。接著,系統在恆壓V=Vi (T)充電直到充電電流I≦Ii+1 (步驟406)。系統接下來判斷Ii+1 是否等於終止電流Iterm (步驟408)。若是,則程序完成。否則,增額計數器變數i,i=i+1(步驟410),並且程序重複。
注意到與初始充電電流I1 關聯的初始充電電流密度超過達成相同預定最小循環壽命之單階CC-CV充電技術的初始充電電流密度。
充電技術之間的差別
第5及6圖描繪在傳統單階CC-CV充電技術及新多階CC-CV充電技術間的差別。詳言之,第5圖描繪單階CC-CV充電技術之電壓、電流、及充電狀態(SOC)。此單階充電技術首先在0.49A(0.5C速率)恆流充電高達4.2V(93% SOC),並接著在4.2V恆壓充電直到電流降至低於0.05 C,此時電池組到達100% SOC。
相反地,第6圖中所示之多階CC-CV充電涉及一連串恆流及恆壓充電步驟。注意到以大電流使用恆流充電步驟促成較快速的充電,但當電池的SOC增加時亦導致電極之極化。後續的恆壓充電步驟讓電極可從極化恢復,這允許當SOC增加時鋰擴散到陽極內,並進一步減少電流。因此,此新充電技術允許電池組在相同時間量中予以充電,但藉由減少在較高充電狀態之電流密度來改善循環壽命。
第7圖描繪根據本發明之一實施例之在23℃的傳統及多階CC-CV充電技術兩者下電池如何隨循環壽命衰退。第8圖描繪根據本發明之一實施例的在10℃之相同比較。在第7圖中,在約300循環,有一交越點,在該處使用新多階CC-CV充電技術來充電的電池開始比使用傳統單階CC-CV充電技術來充電的電池衰退更少。因此,使用多階CC-CV充電技術可防止電池容量的惡化並可延長循環壽命。在第8圖,10℃之交越點甚至發生得更早,在約100循環。注意到第7及8圖中所示之改善的循環壽命大部分歸因於在較高SOC使用減少的充電電流密度。這些圖形亦指示可增加充電電流密度同時維持相同循環壽命,或替代地,可增加循環壽命而不增加充電電流密度。
電池組結構
在第9及10圖中描繪示範電池組結構。詳言之,第9圖描繪傳統電池組,具有在陰極與陽極上之較薄活性材料塗層,且需要較長的電流收集件來增加電池容量。相反地,第10圖描繪改善的電池組,具有較短電流收集件及較厚活性材料塗層。雖改善的電池組之長度、寬度、及厚度與傳統電池組的相同,能量密度增加,因為在電池組內有更多活性材料而非非活性材料。例如,第10圖中所示之此改善的電池組比第9圖中所示之傳統電池組在能量密度中有5%的增加。注意到可進一步增加塗層厚度,使電流密度可高達3.5 mA/cm2 或更多而不顯著犧牲循環壽命。此潛在導致能量密度(Wh/L)中之6至15%之增加。
注意到第9圖中所示之傳統電池組在其之圓柱捲結構(jelly roll)中有17層,並以2.3 mA/cm2 最大電流密度予以充電。相反地,第10圖中所示之新電池組設計在其之圓柱捲結構中僅有12層,並以3.3 mA/cm2 最大電流密度予以充電。此充電電流密度之增加及層數量的關聯減少使電池組的能量密度從420 Wh/L有效地增加至448 Wh/L。(注意到這些數字僅為示範,且可延伸相同技術以針對其他電池組達成更高充電電流密度及更高能量密度。)
已經僅為了圖解及說明而提出上述實施例的說明。其非意圖為窮舉性或將本說明限制在所揭露的形式。依此,對熟悉此技藝人士許多修改及變更為顯而易見。另外,上述揭露並非意圖限制本說明。本說明之範疇由所附之申請專利範圍所界定。
[彩色圖]
本專利或申請案檔案含有至少一張彩色圖。在請求並付出必要費用時,專利局將提供具有彩色圖之此專利或申請案刊物的副本。
300...可充電式電池系統
302...電池組
304...電流計(電流感測器)
306...電壓計(電壓感測器)
308...電壓信號
310...電流信號
320...控制器
322...控制信號
323...電流源
324...電壓源
326...控制信號
330...熱感測器
332...溫度信號
此說明書含有至少一彩色圖。在請求並付出必要費用時,專利局將提供具有彩色圖之此專利或申請案刊物的副本。
第1圖描繪根據本發明之一實施例的電池循環壽命係如何受到充電電流影響。
第2圖描繪根據本發明之一實施例的電池循環壽命係如何受到充電電流密度影響。
第3圖描繪根據本發明之一實施例的使用CC-CV充電技術來充電電池的系統。
第4圖呈現描述根據本發明之一實施例的多階CC-CV充電技術中所涉及之操作的流程圖。
第5圖描繪傳統單階CC-CV充電技術的性能。
第6圖描繪根據本發明之一實施例的多階CC-CV充電技術之性能。
第7圖描繪根據本發明之一實施例之在23℃的傳統及多階CC-CV充電技術兩者下電池如何隨循環壽命衰退。
第8圖描繪根據本發明之一實施例之在10℃的傳統及多階CC-CV充電技術兩者下電池如何隨循環壽命衰退。
第9圖描繪傳統電池組的結構。
第10圖描繪新電池組的結構,其具有較厚陰極與陽極塗層之並使用根據本發明之一實施例的多階CC-CV充電技術。
300...可充電式電池系統
302...電池組
304...電流計
306...電壓計
308...電壓
310...電流
320...控制器(CC-CV充電)
322...控制信號
323...電流源
324...電壓源
326...控制信號
330...熱感測器
332...溫度信號

Claims (20)

  1. 一種可充電式電池,包含:陰極,包括具有陰極活性材料塗層之陰極電流收集件,電解液隔離件;以及陽極,包括具有陽極活性材料塗層之陽極電流收集件,其中選擇該陰極活性材料塗層的厚度及該陽極活性材料塗層的厚度,使得當使用多階恆流恆壓(CC-CV)充電技術來充電該電池時,該電池將在預定最大充電時間中以預定最小循環壽命充電。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之可充電式電池,其中該多階CC-CV充電技術的初始充電電流密度超過達成該相同預定最小循環壽命之單階CC-CV充電技術的初始充電電流密度。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之可充電式電池,其中該多階CC-CV充電技術的該初始充電電流密度超過2.5 mA/cm2
  4. 如申請專利範圍第1項所述之可充電式電池,其中該陰極電流收集件由鋁構成;其中該陰極活性材料塗層由LiCoO2 構成;其中該陽極電流收集件由銅構成;其中該陽極活性材料塗層由石墨構成;以及其中該隔離件由聚乙烯或聚丙烯構成。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之可充電式電池,其中該陰極具有以該陰極活性材料所塗覆之第一表面及第二表面;其中該陽極具有以該陽極活性材料所塗覆之第一表面及第二表面;以及其中該電解液隔離件包括:位在該陰極的該第一表面及該陽極的該第二表面之間的第一電解液隔離件;以及位在該陰極的該第二表面及該陽極的該第一表面之間的第二電解液隔離件。
  6. 一種使用多階恆流恆壓(CC-CV)充電技術來充電電池的方法,包含:取得一組充電電流{I1 ,...,In }及一組充電電壓{V1 ,...,Vn };以及重複恆流及恆壓充電步驟,從i=1開始並在每次重複時增額i,直到到達終止條件,其中該些恆流及恆壓充電步驟包括,使用恆流Ii 來充電該電池直到該電池的組電壓到達Vi ,並且接著使用恆壓Vi 來充電該電池直到充電電流小於或等於Ii+1 ;其中根據該多階CC-CV充電技術,該電池在預定最大充電時間中以預定最小循環壽命充電;以及其中與該初始充電電流I1 關聯的初始充電電流密度超過達成該相同預定最小循環壽命之單階CC-CV充電技術的初始充電電流密度。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法,其中該多階CC-CV充電技術的該初始充電電流密度超過2.5 mA/cm2
  8. 如申請專利範圍第6項所述之方法,其中取得該組充電電流及該組充電電壓包含依據該電池之已測量溫度來在查詢表中查詢該組充電電流及該組充電電壓。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之方法,其中當該充電電流Ii 等於終止充電電流Iterm 時,到達該終止條件。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之方法,其中該電池為可充電式鋰電池。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之方法,其中該可充電式鋰電池包括:陰極,包括具有陰極活性材料塗層之陰極電流收集件,電解液隔離件;以及陽極,包括具有陽極活性材料塗層之陽極電流收集件,其中選擇該陰極活性材料塗層的厚度及該陽極活性材料塗層的厚度,使得當使用多階恆流恆壓(CC-CV)充電技術來充電該電池時,該電池將在預定最大充電時間中以預定最小循環壽命充電。
  12. 一種具有充電機制的電池系統,包含:電池;電壓感測器,組態成監視該電池之組電壓;電流感測器,組態成監視用於該電池之充電電流;充電來源,組態成施加充電電流及充電電壓至該電池;以及控制器,組態成從該電壓感測器及該電流感測器接收輸入,並且發送控制信號至該充電來源,其中該控制器組態成使用一組充電電流{I1 ,...,In ]及一組充電電壓{V1 ,..,Vn }來充電該電池;其中該控制器組態成執行多階恆流恆壓(CC-CV)充電操作,其使用該組充電電流及該組充電電壓來重複恆流及恆壓充電步驟直到到達終止條件,其中根據該多階CC-CV充電技術,該電池在預定最大充電時間中以預定最小循環壽命充電;以及其中與該初始充電電流I1 關聯的初始充電電流密度超過達成該相同預定最小循環壽命之單階CC-CV充電技術的初始充電電流密度。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之電池系統,其中重複該些恆流及恆壓充電步驟包含重複下列步驟,從i=1開始:使用恆流Ii 來充電該電池直到該電池的該組電壓到達Vi ;使用恆壓Vi 來充電該電池直到該充電電流小於或等於Ii+1 ;以及增額i。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之電池系統,進一步包含溫度感測器,組態成測量該電池之溫度;以及其中該控制器組態成使用該已測量溫度以在查詢表中查詢該組充電電流及該組充電電壓。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之電池系統,其中當該充電電流Ii 等於終止充電電流Iterm 時,到達該終止條件。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之電池系統,其中該多階CC-CV充電技術的該初始充電電流密度超過2.5 mA/cm2
  17. 如申請專利範圍第12項所述之電池系統,其中該電池包括:陰極,包括具有陰極活性材料塗層之陰極電流收集件,電解液隔離件;以及陽極,包括具有陽極活性材料塗層之陽極電流收集件,其中選擇該陰極活性材料塗層的厚度及該陽極活性材料塗層的厚度,使得當使用該多階恆流恆壓(CC-CV)充電技術來充電該電池時,該電池將在預定最大充電時間中以預定最小循環壽命充電。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之電池系統,其中該陰極電流收集件由鋁構成;其中該陰極活性材料由LiCoO2 構成;其中該陽極電流收集件由銅構成;其中該陽極活性材料由石墨構成;以及其中該隔離件由聚乙烯或聚丙烯構成。
  19. 如申請專利範圍第12項所述之電池系統,其中該陰極具有以該陰極活性材料所塗覆之第一表面及第二表面;其中該陽極具有以該陽極活性材料所塗覆之第一表面及第二表面;以及其中該電解液隔離件包括:位在該陰極的該第一表面及該陽極的該第二表面之間的第一電解液隔離件;以及位在該陰極的該第二表面及該陽極的該第一表面之間的第二電解液隔離件。
  20. 一種用於電池之充電機制,包含:電壓感測器,組態成監視該電池之組電壓;電流感測器,組態成監視用於該電池之充電電流;溫度感測器,組態成測量該電池之溫度;充電來源,組態成施加充電電流及充電電壓至該電池;以及控制器,組態成從該電壓感測器、該溫度感測器及該電流感測器接收輸入,並且發送控制信號至該充電來源,其中該控制器組態成依據該已測量溫度在查詢表中查詢一組充電電流{I1 ,...,In }及一組充電電壓{V1 ,...,Vn };以及其中該控制器組態成執行多階恆流恆壓(CC-CV)充電操作,其使用該組充電電流及該組充電電壓來重複恆流及恆壓充電步驟直到到達終止條件,其中根據該多階CC-CV充電技術,該電池在預定最大充電時間中以預定最小循環壽命充電;以及其中與該初始充電電流I1 關聯的初始充電電流密度超過達成該相同預定最小循環壽命之單階CC-CV充電技術的初始充電電流密度。
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