CN114976240A - 硼酸酯锂盐电解液及锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及电化学技术领域,特别是涉及一种硼酸酯锂盐电解液及锂离子电池。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、电压高、安全性好、自放电率低、清洁无污染等显著特点,因而被广泛研究及应用。锂离子电池主要应用于电动汽车、储能、消费电子、军工、航空航天、医疗电子等领域,这就要求其需具备好的循环性能及安全性能。目前锂离子电池技术正不断进步,且在一些方面已经取得重大突破,但是锂离子电池的某些方面的性能还有待提高。
锂离子电池有圆柱形、方形、软包等封装形式,但无论哪种形式的锂离子电池,都是由正极、负极、隔膜、电解液四大核心材料组成。其中电解液是锂离子电池材料中相当关键且技术含量较高的材料之一。商业化的锂离子电池电解液主要由碳酸酯、羧酸酯等非水有机溶剂和六氟磷酸锂为主的锂盐,以及各种功能性添加剂等组成。六氟磷酸锂对水分非常敏感,在痕量水存在的情况下会水解生成氢氟酸,腐蚀集流体,还会使正极材料中的过渡金属元素溶出,进一步催化电解液分解,造成电池容量的快速衰减;而且六氟磷酸锂的热稳定性较差,会在60℃左右分解,产生五氟化磷气体,使电池胀气,影响电解液的化学性质和电化学性质,从而使电池性能迅速劣化。
针对上述问题,一般的解决方案有以下几种:第一,使用电解液添成膜添加剂,在正极表面形成固体电解质膜,避免高温下正极材料材料的溶出以及隔绝正极材料和电解液的直接接触,避免正极中过渡金属元素对溶出对电解液的催化分解;但使用电解液添加剂会使电池的内阻增大,增加电池的极化,降低电池的循环性能,还会增加电池的制造成本。第二,可以通过使用除水手段,减少电解液的含水量,从而减少六氟磷酸锂的水解,从而降低水分对电池性能的影响。但这种方法会用到除水剂,而且电解液专用除水剂的价格高昂,同时除水过程难免会使电解液引入新的杂质。第三,使用双三氟甲基磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂等热稳定高、对水分不敏感的新型锂盐来替代六氟磷酸锂。因此这些新型锂盐合成工艺还不成熟,导致新型锂盐的纯度不够而且价格颇高,其中有些锂盐还会腐蚀铝箔。
发明内容
基于此,有必要针对上述问题,提供一种成本较低、提高电池的高温性能、降低电池内阻且能降低水分对电池容量的损害的硼酸酯锂盐电解液及锂离子电池。
为了实现上述目的,在本发明的第一个方面,提供一种硼酸酯锂盐电解液,所述电解液包括硼酸酯锂盐、锂盐、非水有机溶剂和添加剂,所述硼酸酯锂盐的结构通式为:
其中,R1、R2为直链烷基-Cn,所述直链烷基-Cn上的一个或者多个氢原子被以下取代基所取代生成所述硼酸酯锂盐,所述取代基为:氟、三氟甲基、三氟甲氧基、氰基、氟磺酰基、氟磺酸基、三氟甲磺酰基、三氟甲磺酸基、氟(磺酰亚胺锂基)磺酰基、氟(磺酰亚胺锂基)磺酸基、三氟甲基(磺酰亚胺锂基)磺酰基、三氟甲基(磺酰亚胺锂基)磺酸基、磺酸锂基、苯基、氟代苯基、三甲基硅基、三氟甲基硅基、氟代环三磷腈基、异氰酸酯基。
进一步的,所述硼酸酯锂盐占所述电解液重量的百分比为0.01%~20%。
进一步的,所述直链烷基-Cn中n为1~6的整数。
进一步的,所述锂盐占所述电解液重量的百分比为2%~20%。
进一步的,所述锂盐为六氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、二氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、双(氟磺酰)亚胺锂、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂、三氟甲磺酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、(氟磺酰)三氟甲基磺酰亚胺锂、四氯铝酸锂、六氟砷酸锂中的一种或者多种的组合。
进一步的,所述非水有机溶剂占所述电解液重量的百分比为70%~90%。
进一步的,所述非水有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、甲酸丙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丁酸甲酯、γ-丁内酯、二氧五环、四氢呋喃、二甲基三氟乙酰胺、二甲基亚砜中的一种或者多种的组合。
进一步的,所述添加剂占所述电解液重量的0.1%~10%。
进一步的,所述添加剂为碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯、1,4-丁烷磺酸内酯、硫酸丙烯酯、亚硫酸丙烯酯、硫酸丁烯酯、二氟磷酸锂中的一种或者多种的组合。
在本发明的第二方面,提供了一种锂离子电池,包括正极片、负极片、电解液和隔膜,所述隔膜设置在所述正极片和所述负极片之间;所述电解液为本发明第一方面所述的硼酸酯锂盐电解液。
上述硼酸酯锂盐电解液及锂离子电池,电解液由硼酸酯锂盐、锂盐、添加剂和非水有机溶剂组成,硼酸酯锂盐的结构通式为:
该硼酸酯锂盐热稳定性较好,且对水分不敏感,在电解液中可部分取代六氟磷酸锂,从而降低因六氟磷酸锂水解及热分解而导致的电池内部副反应的发生,进而降低电池因水分而导致的容量衰减,且无需用到除水剂,降低了成本。该硼酸酯锂盐结构中含有大量氟、磺酰等电子离域性较强的基团,因此该硼酸酯锂盐电解液的电导率较高,且结构中引入环状碳酸酯及硼酸酯结构,能在电极表面形成稳定的固体电解质膜,且该膜的离子导通性较好,能在提升电池高温性能的同时,极大降低电池的内阻,从而提高电池的循环性能和倍率性能。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面根据本发明的硼酸酯锂盐电解液及锂离子电池,结合实施例、对比例、测试过程以及测试结果进行说明。显然,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。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。
首先,说明本发明第一方面的硼酸酯锂盐电解液。
一种硼酸酯锂盐电解液,由硼酸酯锂盐、锂盐、添加剂和非水有机溶剂组成,硼酸酯锂盐的结构通式为:
其中,R1、R2为直链烷基-Cn(其中n为1-6的整数),所述直链烷基-Cn上的一个或多个氢原子为以下取代基所取代:氟、三氟甲基、三氟甲氧基、氰基、氟磺酰基、氟磺酸基、三氟甲磺酰基、三氟甲磺酸基、氟(磺酰亚胺锂基)磺酰基、氟(磺酰亚胺锂基)磺酸基、三氟甲基(磺酰亚胺锂基)磺酰基、三氟甲基(磺酰亚胺锂基)磺酸基、磺酸锂基、苯基、氟代苯基、三甲基硅基、三氟甲基硅基、氟代环三磷腈基、异氰酸酯基,生成硼酸酯锂盐。
本发明第一方面的硼酸酯锂盐电解液中,硼酸酯锂盐的重量占电解液总重量的百分比为0.01%~20%。锂盐的重量占电解液总重量的百分比为2%~20%。非水有机溶剂的重量占电解液总重量的百分比为70%~90%。添加剂的重量占电解液总重量的百分比为0.1%~10%。
本发明第一方面的硼酸酯锂盐电解液中,锂盐可选自六氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、二氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、双(氟磺酰)亚胺锂、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂、三氟甲磺酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、(氟磺酰)三氟甲基磺酰亚胺锂、四氯铝酸锂、六氟砷酸锂中的至少一种。
本发明第一方面的硼酸酯锂盐电解液中,非水有机溶剂可选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、甲酸丙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丁酸甲酯、γ-丁内酯、二氧五环、四氢呋喃、二甲基三氟乙酰胺、二甲基亚砜中的至少一种。
本发明第一方面的硼酸酯锂盐电解液中,添加剂可选自碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯、1,4-丁烷磺酸内酯、硫酸丙烯酯、亚硫酸丙烯酯、硫酸丁烯酯、二氟磷酸锂中的至少一种。
其次,说明本发明第二方面的锂离子电池。
一种锂离子电池,包括正极片、负极片、电解液和隔膜,隔膜设置于正极片和负极片之间,电解液采用本发明第一方面的硼酸酯锂盐电解液。
在本发明第二方面的锂离子电池中,正极片的正极材料包括镍钴锰酸锂(LiNi0.5Co0.2Mn0.3)、导电剂Super P、碳纳米管、聚偏氟乙烯和铝箔。
在本发明第二方面的锂离子电池中,负极片的负极材料包括石墨、导电剂SuperP、羧甲基纤维素、丁苯橡胶、去离子水和铜箔。
接下来说明本发明的硼酸酯锂盐电解液及锂离子电池的实施例和对比例。
第一步:电解液的制备
以下实施例和对比例所用到的硼酸酯锂盐结构式如下:
式1:(1,3-二氧戊烷-4-异氰酸酯基-5-全氟异丁基-2-酮)草酸硼酸酯锂
式2:(1,3-二氧戊烷-4-氟磺酸基-5-氰基-2-酮)草酸硼酸酯锂
式3:(1,3-二氧戊烷-4-锂氧基-5-三氟甲基磺酰基-2-酮)草酸硼酸酯锂
式4:(1,3-二氧戊烷-4-氟磺酰基-5-三氟甲基-2-酮)草酸硼酸酯锂
实施例1:
将碳酸乙烯酯(EC,溶剂)、碳酸二甲酯(DMC,溶剂)、碳酸甲乙酯(EMC,溶剂)按照质量比EC:DMC:EMC=2:3:5混合均匀,加入浓度为0.1mol/L的(1,3-二氧戊烷-4-异氰酸酯基-5-全氟异丁基-2-酮)草酸硼酸酯锂和浓度为0.9mol/L六氟磷酸锂至锂盐总浓度为1mol/L,加入质量分数为2%的磷酸亚乙烯酯和质量分数为1%的氟代碳酸乙烯酯,溶解搅拌均匀。
实施例2:
将碳酸乙烯酯(EC,溶剂)、碳酸二甲酯(DMC,溶剂)、碳酸甲乙酯(EMC,溶剂)按照质量比EC:DMC:EMC=2:3:5混合均匀,加入浓度为0.3mol/L的(1,3-二氧戊烷-4-异氰酸酯基-5-全氟异丁基-2-酮)草酸硼酸酯锂和浓度为0.7mol/L六氟磷酸锂至锂盐总浓度为1mol/L,加入质量分数为2%的磷酸亚乙烯酯和质量分数为1%的氟代碳酸乙烯酯,溶解搅拌均匀。
实施例3:
将碳酸乙烯酯(EC,溶剂)、碳酸二甲酯(DMC,溶剂)、碳酸甲乙酯(EMC,溶剂)按照质量比EC:DMC:EMC=2:3:5混合均匀,加入浓度为0.5mol/L的(1,3-二氧戊烷-4-异氰酸酯基-5-全氟异丁基-2-酮)草酸硼酸酯锂和浓度为0.5mol/L六氟磷酸锂至锂盐总浓度为1mol/L,加入质量分数为2%的磷酸亚乙烯酯和质量分数为1%的氟代碳酸乙烯酯,溶解搅拌均匀。
实施例4:
将碳酸乙烯酯(EC,溶剂)、碳酸二甲酯(DMC,溶剂)、碳酸甲乙酯(EMC,溶剂)按照质量比EC:DMC:EMC=2:3:5混合均匀,加入浓度为0.7mol/L的(1,3-二氧戊烷-4-异氰酸酯基-5-全氟异丁基-2-酮)草酸硼酸酯锂和浓度为0.3mol/L六氟磷酸锂至锂盐总浓度为1mol/L,加入质量分数为2%的磷酸亚乙烯酯和质量分数为1%的氟代碳酸乙烯酯,溶解搅拌均匀。
实施例5:
将碳酸乙烯酯(EC,溶剂)、碳酸二甲酯(DMC,溶剂)、碳酸甲乙酯(EMC,溶剂)按照质量比EC:DMC:EMC=2:3:5混合均匀,加入浓度为0.9mol/L的(1,3-二氧戊烷-4-异氰酸酯基-5-全氟异丁基-2-酮)草酸硼酸酯锂和浓度为0.1mol/L六氟磷酸锂至锂盐总浓度为1mol/L,加入质量分数为2%的磷酸亚乙烯酯和质量分数为1%的氟代碳酸乙烯酯,溶解搅拌均匀。
实施例6:
将碳酸乙烯酯(EC,溶剂)、碳酸二甲酯(DMC,溶剂)、碳酸甲乙酯(EMC,溶剂)按照质量比EC:DMC:EMC=2:3:5混合均匀,加入浓度为0.5mol/L的(1,3-二氧戊烷-4-异氰酸酯基-5-全氟异丁基-2-酮)草酸硼酸酯锂和浓度为0.5mol/L六氟磷酸锂至锂盐总浓度为1mol/L,溶解搅拌均匀。
实施例7:
将碳酸乙烯酯(EC,溶剂)、碳酸二甲酯(DMC,溶剂)、碳酸甲乙酯(EMC,溶剂)按照质量比EC:DMC:EMC=2:3:5混合均匀,加入浓度为0.5mol/L的(1,3-二氧戊烷-4-氟磺酸基-5-氰基-2-酮)草酸硼酸酯锂和浓度为0.5mol/L六氟磷酸锂至锂盐总浓度为1mol/L,溶解搅拌均匀。
实施例8:
将碳酸乙烯酯(EC,溶剂)、碳酸二甲酯(DMC,溶剂)、碳酸甲乙酯(EMC,溶剂)按照质量比EC:DMC:EMC=2:3:5混合均匀,加入浓度为0.5mol/L的(1,3-二氧戊烷-4-锂氧基-5-三氟甲基磺酰基-2-酮)草酸硼酸酯锂和浓度为0.5mol/L六氟磷酸锂至锂盐总浓度为1mol/L,溶解搅拌均匀。
实施例9:
将碳酸乙烯酯(EC,溶剂)、碳酸二甲酯(DMC,溶剂)、碳酸甲乙酯(EMC,溶剂)按照质量比EC:DMC:EMC=2:3:5混合均匀,加入浓度为0.5mol/L的(1,3-二氧戊烷-4-氟磺酰基-5-三氟甲基-2-酮)草酸硼酸酯锂和浓度为0.5mol/L六氟磷酸锂至锂盐总浓度为1mol/L,溶解搅拌均匀。
对比例1:
将碳酸乙烯酯(EC,溶剂)、碳酸二甲酯(DMC,溶剂)、碳酸甲乙酯(EMC,溶剂)按照质量比EC:DMC:EMC=2:3:5混合均匀,加入六氟磷酸锂(锂盐)至锂盐浓度为1mol/L,溶解搅拌均匀。
对比例2:
将碳酸乙烯酯(EC,溶剂)、碳酸二甲酯(DMC,溶剂)、碳酸甲乙酯(EMC,溶剂)按照质量比EC:DMC:EMC=2:3:5混合均匀,加入六氟磷酸锂(锂盐)至锂盐浓度为1mol/L,加入质量分数为2%的碳酸亚乙烯酯和质量分数为1%的氟代碳酸乙烯酯,溶解搅拌均匀。
对比例3:
将碳酸乙烯酯(EC,溶剂)、碳酸二甲酯(DMC,溶剂)、碳酸甲乙酯(EMC,溶剂)按照质量比EC:DMC:EMC=2:3:5混合均匀,加入六氟磷酸锂(锂盐)至锂盐浓度为1mol/L,加入质量分数为2%的碳酸亚乙烯酯、质量分数为1%的氟代碳酸乙烯酯和质量分数为2%的1,3-丙烷磺酸内酯,溶解搅拌均匀。
对比例4:
将碳酸乙烯酯(EC,溶剂)、碳酸二甲酯(DMC,溶剂)、碳酸甲乙酯(EMC,溶剂)按照质量比EC:DMC:EMC=2:3:5混合均匀,加入六氟磷酸锂(锂盐)至锂盐浓度为1mol/L,加入质量分数为2%的碳酸亚乙烯酯、质量分数为1%的氟代碳酸乙烯酯和质量分数为2%的硫酸乙烯酯。
对比例5:
将碳酸乙烯酯(EC,溶剂)、碳酸二甲酯(DMC,溶剂)、碳酸甲乙酯(EMC,溶剂)按照质量比EC:DMC:EMC=2:3:5混合均匀,加入六氟磷酸锂(锂盐)至锂盐浓度为1mol/L,加入质量分数为2%的碳酸亚乙烯酯、质量分数为1%的氟代碳酸乙烯酯和质量分数为2%的亚硫酸乙烯酯。
第二步:锂离子电池的制备
(1)正极片的制备:
将正极材料镍钴锰酸锂(LiNi0.5Co0.2Mn0.3)、导电剂Super P、碳纳米管、聚偏氟乙烯按照质量比95.5:1.5:1.5:1.5均匀分散在N,N-二甲基吡咯烷酮溶剂中,制成正极浆料。将分散好的浆料均匀涂覆在厚度为14μm的铝箔上,置于80℃鼓风烘箱中烘干,辊压、模切后制成正极片。
(2)负极片的制备
将石墨、导电剂Super P、羧甲基纤维素、丁苯橡胶按照质量比94:3:2:1均匀分散在去离子水中,制成负极浆料。将分散好的负极浆料涂敷在厚度为10μm的铜箔上,置于80℃鼓风烘箱中烘干,辊压、模切后制成负极片。
(3)锂电池的制备
将正极片、负极片、隔膜(正极片、负极片、隔膜和电解液)按照叠片工艺制成极芯,将极芯装入铝塑膜中,经历顶侧封、烘烤、注液、化成等工序制成软包电池。
最后,给出锂离子电池的性能测试以及测试结果。
测试一、高温荷电保持率及回复能力测试:
将实施例1-9和对比例1-5的锂离子电池分别在25℃下,以1C恒流充电至电压4.3V,再以4.3V恒压充电至电流为0.05C,然后以1C恒流放电至电压为3V,记录初始放电比容量。之后再进行高温性能测试,测试步骤如下:
(1)电池按充电标准方式进行充电并测试内阻。
(2)在60℃下储存7天。
(3)室温下,搁置5h并测试内阻,电池以1C电流放电至终止电压3V。
(4)电池按充电标准方式进行充电。
(5)室温下,电池以1C电流放电至终止电压3V时停止试验。
其中,荷电保持容量百分比=实际放电比容量/储存前常温1C充电比容量×100%,容量恢复率=实际放比电容量/储存前常温1C充电比容量×100%。
测试二、高温循环性能测试:
将实施例和对比例的锂离子电池分别在60℃下,以1C恒流充电至电压4.3V,再以4.3V恒压充电至电流为0.05C,然后以1C恒流放电至电压为3V,循环300周。
上述实施例1-9和对比例1-5制备的锂离子电池各项性能的测试结果见表1。
表1
上述硼酸酯锂盐电解液及锂离子电池,电解液由硼酸酯锂盐、锂盐、添加剂和非水有机溶剂组成,其中硼酸酯锂盐的结构通式为:
该硼酸酯锂盐热稳定性较好,且对水分不敏感,在电解液中可部分取代六氟磷酸锂,从而降低因六氟磷酸锂水解及热分解而导致的电池内部副反应的发生,进而降低电池因水分而导致的容量衰减,且无需用到除水剂,降低了成本。该硼酸酯锂盐结构中含有大量氟、磺酰等电子离域性较强的基团,因此该硼酸酯锂盐电解液的电导率较高,且结构中引入环状碳酸酯及硼酸酯结构,能在电极表面形成稳定的固体电解质膜,且该膜的离子导通性较好,能在提升电池高温性能的同时,极大降低电池的内阻,从而提高电池的循环性能和倍率性能。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
2.根据权利要求1所述的硼酸酯锂盐电解液,其特征在于,所述硼酸酯锂盐占所述电解液重量的百分比为0.01%~20%。
3.根据权利要求1所述的硼酸酯锂盐电解液,其特征在于,所述直链烷基-Cn中n为1~6的整数。
4.根据权利要求1所述的硼酸酯锂盐电解液,其特征在于,所述锂盐占所述电解液重量的百分比为2%~20%。
5.根据权利要求1所述的硼酸酯锂盐电解液,其特征在于,所述锂盐为六氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、二氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、双(氟磺酰)亚胺锂、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂、三氟甲磺酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、(氟磺酰)三氟甲基磺酰亚胺锂、四氯铝酸锂、六氟砷酸锂中的一种或者多种的组合。
6.根据权利要求1所述的硼酸酯锂盐电解液,其特征在于,所述非水有机溶剂占所述电解液重量的百分比为70%~90%。
7.根据权利要求1所述的硼酸酯锂盐电解液,其特征在于,所述非水有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、甲酸丙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丁酸甲酯、γ-丁内酯、二氧五环、四氢呋喃、二甲基三氟乙酰胺、二甲基亚砜中的一种或者多种的组合。
8.根据权利要求1所述的硼酸酯锂盐电解液,其特征在于,所述添加剂占所述电解液重量的0.1%~10%。
9.根据权利要求1所述的硼酸酯锂盐电解液,其特征在于,所述添加剂为碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯、1,4-丁烷磺酸内酯、硫酸丙烯酯、亚硫酸丙烯酯、硫酸丁烯酯、二氟磷酸锂中的一种或者多种的组合。
10.一种锂离子电池,其特征在于,包括正极片、负极片、电解液和隔膜,所述隔膜设置在所述正极片和所述负极片之间;所述电解液为权利要求1至9中任一项所述的硼酸酯锂盐电解液。
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2022
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CN116315077A (zh) * | 2022-11-30 | 2023-06-23 | 九江天赐高新材料有限公司 | 电解液组合、二次注液的方法、锂二次电池 |
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CN117096450A (zh) * | 2023-10-18 | 2023-11-21 | 瑞浦兰钧能源股份有限公司 | 一种二次电池电解液及其电池 |
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