钠离子电池热解硬碳负极材料的合成与电化学性能研究
随着人类工业化进程的发展,传统化石能源的大量开采,环境污染和能源危机已经威胁到人类的健康和生存。因此,人类要实现可持续发展,追求绿色环保的生活方式,必须寻求和开发新能源,而发展二次电池被认为是解决问题的方法之一。然而,锂离子电池的进一步应用面临资源短缺和价格昂贵的问题。最近钠离子电池由于价格低廉,资源丰富吸引了大家的关注。总之,低价,长循环寿命,室温条件的钠离子电池在未来大规模储能系统中应用很有前景。因此,本文主要讨论了钠离子电池的负极材料-热解硬碳。(1)本文通过静电纺丝技术制备的聚氯乙烯纳米纤维作为前驱物,经过600-800℃热解获得的硬碳样品,与商业化的聚氯乙烯颗粒作为前驱物经过热解制备硬碳材料进行对比。在室温条件下,所获得的硬碳样品作为钠离子电池负极材料进行比较。通过700℃热解聚氯乙烯纳米纤维前驱物获得硬碳,其首周可逆容量为271mAh/g,首周库伦效率为70%;而通过热解商业化聚氯乙烯颗粒获得硬碳,其首周可逆容量仅为&
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化石能源匮乏和环境污染是社会可持续发展的两大难题。为解决这些问题,需要大力发展清洁高效的可再生新能源。而新能源体系的高效利用,必须配备规模化的储能系统。其中,电化学体系是最方便和最具可移植性的一类储能系统。而钠离子电池由于具有资源丰富、成本低廉、环境友好等特点,被认为是最有可能代替锂离子电池成为大规模储能电站配套电源的理想选择之一。发展钠离子电池的技术关键在于开发合适的储钠材料,而具有高容量及优异循环性能的储钠负极材料是其中的一个重要组成部分。本论文旨在探索和发展高容量和高稳定性的碳基储钠负极材料,包括不同硬碳材料、高容量合金/碳复合物和氧化物/碳复合物负极材料,并在此基础上深入探讨了硬碳储钠机理和碳基复合物微球的形成机制,为发展和理解负极储钠材料提供了实验经验和理论借鉴知识。主要研究内容和创新结果如下：1 探索了基于不同碳源的硬碳储钠负极材料的制备及其电化学性能。首先基于自然界广泛存在和价格廉价的纤维素为碳源前驱物,通过热处理...&
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当今人类社会面临能源危机、环境污染等问题,太阳能、风能等清洁能源太过依赖于自然条件,具有不稳定的特点,其实际应用则需要一个安全可靠的能量存储系统。电化学储能在清洁能源的储存和利用上起到了很重要的作用,其中钠离子电池是最有希望应用于电化学规模储能的技术之一,而电极材料的研究是钠离子电池研究的关键。钠离子电池负极材料的主要研究方向之一是硬碳材料,为了寻求高比能量的硬碳负极材料,本文分别以生物质柚子皮和交联网络状聚吡咯为前驱体,系统研究了磷酸活化、材料比表面积和粘结剂等因素对硬碳材料储钠性能的影响。主要研究内容与结果如下:首先,本文以生物质柚子皮为前驱体,通过活化和热解的方法制备硬碳材料。磷酸活化不仅可以在硬碳材料上制造出丰富的孔结构,还能够在硬碳材料表面引入大量的官能团。结果表明,700oC热解磷酸活化的柚子皮成功得到了高比容量的硬碳材料。在200 mA g-1的电流密度下,循环220圈之后,容量仍然保持在了181 mAh g-1的...&
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由于具有原材料资源丰富、价格低廉、比容量较高等特点,钠离子电池被认为是最适合大规模储能的一种新型二次电池体系。与正极材料相比,钠离子电池负极材料的研究相对滞后,开发具有高容量、长寿命和优异倍率性能的负极材料是推动钠离子电池获得实际应用的关键。本论文从层间距调控、杂原子掺杂、构建纳米/多孔结构和与金属氧化物复合等思路出发,制备了 5种新型的碳基负极材料(包括氮掺杂硬碳/石墨烯复合材料、氮掺杂多孔硬碳材料、花状介孔碳材料、生物质基氮掺杂介孔碳材料和Fe3O4量子点/石墨烯复合材料),研究了其电化学储钠性能,并对碳基负极材料的组成和结构对其电化学性能的影响进行了探索。(1)在苯胺溶液中加入氧化石墨烯,经过原位聚合、高温热解制备了三明治结构氮掺杂碳/石墨烯(NCG)复合材料。由于具有大的层间距离(0.360 nm)和高的氮含量(7.54 at.%),NCG在30 mA g-1电流密度下的可逆储钠容量达到336 mAh g-1。位于三明治...&
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人们越来越重视环境污染带来的危害,由此逐步改变能源消耗的方式,清洁能源或可再生能源的需求变得越来越迫切,但可再生能源一般具有明显的间歇性,如太阳能和风能等,将大量间歇性能源直接接入电网会对电网系统产生严重影响。在这样的背景下,近几年储能技术飞速发展,而化学储能技术由于具有建设周期短、灵活易用、容量可调等优点,得到了广泛应用。其中,锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长以及倍率性能好等优点,在化学储能领域占据了重要地位。但现有的锂离子电池尚不能完全满足储能应用的要求,此外,由于锂资源稀缺,锂离子电池在大规模储能应用领域面临着严峻的成本问题。因此,发展新型储能技术非常有必要,尤其是低成本、长循环寿命的钠离子电池技术[1-3]。钠离子电池与锂离子电池的工作原理类似,钠离子电池拥有比锂离子电池更丰富的原材料储量,更低廉的价格,所以钠离子电池有望在大规模储能领域中得到应用[1]。但是,钠离子的半径较大、比重高,导致其在电极材料脱嵌时受到的阻...&
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殢能源和环境问题是21世纪阻碍人类社会发展的2大瓶颈性问题。煤、石油、天然气等传统化石能源一方面由于其不可再生性已无法满足社会日益增加的能源需求,另一方面,这类能源的燃烧也造成了一系列难以治理的环境问题,如温室效应、雾霾等。因此,开发利用可再生的绿色能源是当务之急。风能、太阳能、潮汐能、地热能和生物质能等是人们近些年来逐渐开发出来的可再生绿色能源,然而这类新能源都有一个共同的特点,即不稳定性。这就需要开发高效环保的电化学储能器件将这类能源事先存储起来[1-2]。锂离子电池经过近30年的发展已经基本成熟,主要应用于便携式小型电器,并在国家政策的号召和能源问题的推动下逐步向电动汽车和大型电网储能系统发展。然而锂资源匮乏、分布不均匀等问题限制了这种发展[3-4]。钠离子电池与锂离子电池几乎在同一时间段开始研究,因为锂离子电池的成功商业化应用,使其研究发展相对缓慢。钠资源储量丰富,分布均匀,且研究证明钠离子电池可以达到与锂离子电池相匹敌...&
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硅因具有高的理论容量（4200mAh/g）和丰富的资源有望成为替代石墨负极的候选材料之一。但是硅负极材料低的导电率、严重的体积效应和差的循环稳定性等缺点，严重制约了其商业化应用。碳材料是离子和电子的混合导体，在充放电过程中体积变化小，且具有良好的延展性和弹性，可以作为硅负极材料的“缓冲基体”。此外，两者的嵌锂电位相近，因此，结合两者的优点有望制备出具有高容量和良好循环性能的新型锂离子电池材料。本研究分别采用苯胺和淀粉为碳源，纳米硅为硅源，并通过不同的制备方法制备硅/碳复合负极材料。（1）以纳米硅和苯胺为原料，通过乳液聚合和高温热解两步法制备硅/碳复合负极材料，研究中采用扫描电镜、红外光谱和X-射线衍射对复合材料结构进行表征，并将其作为锂离子电池负极材料探讨硅/苯胺质量比和负电极片制备工艺对其电化学性能的影响。研究表明：纳米硅表面成功包覆了聚苯胺，且在高温碳化过程中纳米硅与碳之间没有生成电化学惰性的碳化硅；复合负极材料制备过程中硅...&
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问一下钠离子电池的几个基本问题，先谢谢大家了已有2人参与
1、大家用的电解液是&&高氯酸钾吗，溶在那些溶剂中去，还有买的高氯酸钾带结晶水的，可以吗？配溶解全程手套箱吗？
2、隔膜可以用做锂离子的隔膜吗？
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高氯酸钠带结晶水的一般不行，性能不好，容易使钠变质，我们的配和溶解都是在手套箱进行的，避免电解液接触水分跟氧气，否则钠片容易氧化，建议不要用锂电的隔膜，对电池容量有很大影响 不用锂电的隔膜，应该用什么隔膜啊？
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高氯酸钠带结晶水的一般不行，性能不好，容易使钠变质，我们的配和溶解都是在手套箱进行的，避免电解液接触水分跟氧气，否则钠片容易氧化，建议不要用锂电的隔膜，对电池容量有很大影响
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高氯酸钠带结晶水的一般不行，性能不好，容易使钠变质，我们的配和溶解都是在手套箱进行的，避免电解液接触水分跟氧气，否则钠片容易氧化，建议不要用锂电的隔膜，对电池容量有很大影响 你好，谢谢你的热心解答。我想问一下你们用的隔膜是什么，我是一只菜鸟，刚从事有关钠离子电池的实验，谢谢。
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MuChong.com, All Rights Reserved. 小木虫 版权所有钠离子电池正极材料展望钠离子电池正极材料展望数字八哥百家号一.概述近年来，随着便携式电子设备，电动汽车和混合动力汽车的迅猛发展，研究资源丰富、高能效及环境友好的储能材料已成为国际上的研究热点。为满足规模庞大的市场需求，仅依靠电池的电性能来衡量电池材料是远远不够的，电池的安全性、制造成本、能耗以及是否对环境造成污染也已成为评价电池材料的重要指标。目前，锂离子电池的发展前景比较明朗，但随着对锂资源的过度需求，势必会使其面临短缺的问题。研发钠离子电池主要是为了解决动力电池的巨大需求和锂这种稀缺能源之间的矛盾。众所周知，汽车产能的爆发让锂资源价格暴涨，从2014年的3万元/t元飙升至最高近20万元/t。锂电池除了锂之外，还使用另一种稀有金属——钴(Co)。NTT设施综合研究所的调查显示，利用现行技术生产1辆纯电动汽车(EV)，大约要使用20kg的锂和大约40kg的CoCo。即便把全球的产量都供应给EV，每年产出的锂只够700万辆车使用，而钴仅够100万辆车使用。而按照国家新能源汽车产业规划，2030年未来中国会有至少3 000万台新能源汽车，从现在的30万台到3000万台，锂和钴这种稀缺能源不可避免的会面临资源枯竭和价格暴涨。而钠作为仅次于锂的第2轻的金属元素，丰度高达2.3%～2.8%，比锂高4～5个数量级。未来锂资源一旦出现枯竭，钠离子电池就有希望可以将其替代。二.钠离子电池研究现状早在20世纪七八十年代，有着“后锂电池”之称的钠离子电池就已经被提出，与锂离子电池几乎同时起步，但随着锂离子电池的成功商业化，钠离子电池研究逐渐被淡化。另外，当时研究者只是简单的将锂离子电池上成功应用的电极材料套用到钠离子电池上，没有考虑钠离子电池与锂离子电池对材料晶格结构要求的区别，导致几乎所有的尝试均以失败告终。近年来，一方面是研究人员认识到锂离子电池大规模应用带来的锂资源紧张，另一方面研究人员也充分从钠离子电池的特殊性来设计电极材料，进而获得了很多不错的成果，使钠离子电池重新成为研究热点。经过近些年的开发竞争，钠离子电池的储能量达到锂的90%，已经可与之并肩，而且已经有少数企业开始初步进行研发及应用。例如，国际方面，法国国家科学研究中心的研究人员已经开发了一款18650电池原型产品，在容量和使用时间方面可以与部分锂离子电池相媲美。住友电气工业在2013年开发出了即使电池内部温度较低也能工作的钠离子电池。因为无需散热空间，所以体积成功缩小到了锂电池以下。目标是应用于住宅用蓄电池和纯电动汽车。丰田公司电池研究部在2015年5月召开的日本电气化学会的电池技术委员会上也宣布为钠离子电池的正极开发出了新材料。三菱化学也一直在与东京理科大学开展关于钠离子电池的合作研究。国内方面，迈科锂电(江苏)有限公司目前已在钠离子电池材料制作、平台建设等方面获得了突破性的进展。深圳市比克电池有限公司也宣布钠离子电池的开发已经进入中试阶段，针对钠离子电池能量密度偏低的问题也会不断地进行技术改进。三.钠离子电池特点钠与锂属于同一主族，许多理化性质比较相似，也决定了钠离子电池研发的可能性。与锂离子电池相比，钠离子电池具有2大优势：一是原料成本低，不使用锂、钴等高价稀有金属，钠最大的优点是在海水等资源中含量丰富，是“取之不尽”的元素;二是可以沿用现有的生产工序，钠离子电池的工作机制与锂电池相同，电池企业的现有生产设备可以直接用来生产钠离子电池，因为基本不需要设备投资，所以各家企业很容易将其作为替代电池开展生产。钠离子电池发展到目前所面临的最大问题是能量密度和功率密度偏低，这也是限制其未来实现商业化应用的最大问题。四.钠离子电池正极材料的结构和性能对于钠离子电池而言，在正极材料方面的研究可谓是百家争鸣。正极材料不仅是提高钠离子电池性能的战场，也是限制钠离子电池成本的一大瓶颈。目前关于钠离子电池层状正极材料的研究报道已经很多，但大都含过渡金属镍(Ni)或Co元素，而Ni和Co是锂离子电池正极材料中广泛使用的元素，用到钠离子电池中其成本下降空间有限，所以Ni和Co不是钠离子电池正极材料的首选元素;而且这些材料在空气中不稳定，易吸水或与水-氧气(二氧化碳)发生化学反应，这无疑会增加材料的生产、运输及储存成本，而且会对电池性能带来影响。因此，要实现钠离子电池的实际应用，就必须发展能够替代Ni或Co的活性元素及其稳定的新型电极材料。1.橄榄石型NaFePO4鉴于磷酸铁锂LiFePO4在锂离子电池中的大规模应用，磷酸铁钠NaFePO4自然是被优先考虑的钠离子电池正极材料。橄榄石结构的NaFePO4在所有磷酸盐类钠离子电池正极材料中理论比容量最大，为154 mAh/g，如表1所示。在NaFePO4中，Na+占据4(c)的Wychoff位置，Fe2+占据4(a)位置，与橄榄石型LiFePO4类似。Oh等[1]研究发现Na/NaFePO4半电池的工作电压为2.7V，在0.05C充放电倍率和0.5C充放电倍率下，比容量分别稳定在125mAh/g和85mAh/g;循环50圈后，XRD结果表明其橄榄石结构仍然良好，说明该材料在嵌钠脱钠过程中具有优异的稳定性。表1 主要钠离子电池正极磷酸盐材料和理论比容量相对于其他钠离子电池正极材料，NaFePO4虽然具有较高的理论容量，但是到目前为止该材料的研究并不充分，主要受限于其合成方法较为困难。常见的固相或液相方法合成出来的NaFePO4都是化学惰性的磷钠铁矿结构，并非是具有活性的橄榄石结构。因此，未来对于NaFePO4的研究必须从合成方法上进行突破，才能使其有望在钠离子储能电池上大规模的应用。2. NASICON 结构Na3V2(PO4)3NASICON结构是一种钠离子超导体结构，该结构具有较大的三维通道结构，能够供钠离子进行快速的脱嵌。NASICON型的磷酸盐类材料具有较高的工作电压，较好的结构热稳定性，通过碳包覆和掺杂的方式能够提高其容量和倍率性能，被认为是钠离子当前发展阶段最具产业化应用前景的正极材料。目前以Na3V2(PO4)3作为代表材料，该材料属于六角晶系，空间群为R-3c。图1为Na3V2(PO4)3的晶体结构图[2]，其晶体结构是由每个VO6八面体通过共用O原子与3个PO4四面体相连组成，其中Na+有2个占据位点：Na1和Na2。其中，Na1位置有1个Na+，而Na2位置有2个Na+，并且在充放电过程中Na2位置的2个Na+首先进行脱嵌。图3 Na3V2(PO4)3的结构示意图目前常见合成Na3V2(PO4)3的方法包括固相法、溶胶-凝胶法、水热法、碳热还原法等。其中最常见的为高温固相法，此方法虽然操作简单，但是温度控制较为麻烦。另外，该方法制备周期较长，无法控制材料颗粒尺寸，制备出的材料结块现象较为明显，对材料的性能影响较大。溶胶-凝胶法可以实现原材料分子级水平的混合。溶液是由直径1～100nm的胶体粒子分散在溶液中形成的，形成凝胶后在前驱体溶液中具有独特的网状结构，使得制备的产物粒度分布均匀，粒径小且分布均匀。但该方法制备周期较长，操作复杂，影响因素较多，因此难以实现工业化应用。Shen等通过溶胶-凝胶法实现氮掺杂碳包覆和复合碳纳米管等方式来提高Na3V2(PO4)3的导电性，改性后的复合材料其导电性有了较为显著的提高。通过对其电性能测试发现，该材料有与LiFePO4较为相似的充放电曲线，其电压平台为3.4V，在0.2C和70C放电时，比容量能够分别达到94mAh/g和70mAh/g，在30C循环300周后容量保持率还能达到86%。在钠离子电池正极中，Na3V2(PO4)3虽然研究相对较为成熟，且具有优异的结构稳定性，但是其理论比容量偏低，仅有118mAh/g，将来只能应用于体积较大的电池领域;同时，钒离子具有一定的毒性，对于将来的工业化生产具有一定的限制。五.结语钠离子电池与锂离子电池具有相似的工作原理，但锂离子电池的发展相对较为成熟。目前，借鉴锂离子电池正极的相关经验来制备相应的钠离子电池正极材料成为一种主要研究方法，并在一定程度上展现了较好的电池性能。但是，钠离子电池在发展的过程中也存在几个关键问题亟待解决：第一，钠离子电池是一种有别于锂离子电池的电池体系，借鉴锂离子电池正极材料来开发钠离子电池正极材料是一种捷径，目前已知的钠离子电池正极材料或多或少都会存在一定的问题，寻找新的具有高能量密度和功率密度的钠离子电池正极材料，才是提高钠离子电池性能的重要途径，也是使钠离子电池早日应用到大规模储能的关键。第二，通过掺杂金属离子和导电剂，控制颗粒粒径以及开发更简单高效的合成方法，也会对正极材料的电化学性能产生非常显著的改观。第三，开发具有与正极材料相匹配的负极材料、电解液和隔膜，也是钠离子电池实现产业化之前亟待解决的问题。钠离子电池的正极和负极可使用的材料种类繁多，未雨绸缪的进行钠离子电池的开发势在必行。想必在不远的将来，高能量密度、高功率密度、高导电性和循环性的电极材料会不断的涌现。届时，会真正有可能将钠离子电池应用到大规模的储能，为整个人类世界“能源”这一经久不衰的话题添上浓墨重彩的一笔!文/沈伟1 申兰耀1 张振宇1 王汝娜1 刘海梅3 周恒辉1，21、 北大先行科技产业有限公司2、 北京大学化学与分子工程学院3、 上海电力学院环境与化学工程学院更多内容请点击上方订阅按钮关注【美泰储能网】储行业资讯，传未来之能！本文由百家号作者上传并发布，百家号仅提供信息发布平台。文章仅代表作者个人观点，不代表百度立场。未经作者许可，不得转载。数字八哥百家号最近更新：简介:从媒体态度分享数字互联网热点信息评价作者最新文章相关文章当前位置：
【未来技术】钠离子电池：不使用稀有金属
有着“后锂电池”之称的钠离子电池最近成为关注的焦点。这种电池的特点是不使用稀有金属，只使用通常的材料。曾被视作看家本领的日本电池产业能否借此重振雄风？
　　2010年，钓鱼岛海域发生中日撞船事件后，中国开始从实质上限制稀土出口。稀土是混合动力车用电动机和有机EL显示器等高科技产业必不可少的资源，也被称作&产业的维生素&。　　中国这个世界最大的稀土生产国开始限制出口，采购危机随之出现，稀土价格飙升。磁铁使用的钕和镝的价格在2011年7月达到顶峰，是2007年的30倍以上（瑞穗实业银行产业调查部的调查结果）。不仅是日本，全世界的企业都遭受了沉重打击。　　危机尚未结束　　之后，随着回收再利用技术和不依赖稀土的产品开发的进步，中国的稀土价格逐渐回落。2014年，世界贸易组织（WTO）认定中国实施的出口限制违规。2015年1月，中国政府做出了撤消出口限制的决定。　　但稀土等稀有元素的危机并未就此结束。稀土只是31种稀有金属中的一部分，其他元素也完全有可能遇到出口限制之类的问题。　　锂也是一种常用的稀有金属，主要应用于电池。开发锂电池的目的，是为了满足手机和笔记本电脑对于高容量、小型电池的迫切需求。1991年，索尼在全球率先实现了锂电池的商品化，横扫了整个市场。不仅是移动设备，还得到了固定式电池和车载电池等广泛用途的采用。富士经济预测，到2018年，全球锂电池市场将扩大到2万亿日元的规模。　　日本的锂全部依靠从南美等地进口。随着市场扩大，确保未来资源供应和成本问题逐渐显现。　　而且，锂电池除了锂之外，还使用另一种稀有金属&&钴。NTT设施综合研究所的调查显示，利用现行技术生产1辆纯电动汽车（EV），大约要使用20kg的锂和大约40kg的钴。即便把全球的产量都供应给EV，每年产出的锂只够700万辆车使用，而钴仅够100万辆车使用。随着再生能源的普及，如果大型蓄电池的需求增加，资源枯竭和价格暴涨不可避免。　　面对这种情况，政府不能袖手旁观。作为国家的危机管理措施，开发摆脱稀有元素依赖的技术&&从2008年开始，日本启动了名为&元素战略项目&的全国性研究项目。后锂电池的开发也是项目之一。　　该项目提出用钠来替代锂。在元素周期表上，钠就在锂的下方，性质与锂相似。钠最大的好处是在海水等资源中含量丰富，是&取之不尽&的元素。　　不过，钠离子电池的开发却长期不受关注。&用钠做电池，根本行不通&，尽管材料的性质与锂相似，但材料化学专家之间依然存在这种认识。离子电池是利用离子在正极与负极之间的移动进行充放电的。在这个过程中，离子需要顺畅地进入正极与负极的材料之间。钠离子的体积大约是锂离子的两倍，很难进入电极材料，按照一般观点，钠离子无法在实用中实现充放电。因此，直到1990年代，研究人员都几乎忽视了钠离子电池。　　然而，日本的研究人员颠覆了这一固有观念。2009年，随着材料开发的进步，钠离子电池的开发稳步推进。东京理科大学教授驹场慎一（当时为副教授）的研究小组，通过在负极使用碳系材料，在世界上首先成功实现了钠离子电池的重复充放电。打破过去10次左右的充放电极限，开发出了可以重复使用几百次的电池，为实用化开辟了道路。　　以这项研究为契机，全球掀起了研究钠离子电池的竞争。论文数量在2009年之后快速增加。&全球发表的论文数量估计是以前的几百倍&（驹场教授）。　　钠离子电池有三大优点：　　一是原料成本低。不仅不使用锂、钴等稀有金属，而且通电的基板可以使用铝，而不是铜。因为不使用高价材料，所以&与锂电池相比，成本至少可以减少1成，顺利的话可以减少3成&（驹场教授）。　　二是可以沿用现有的生产工序。钠离子电池的工作机制与锂离子电池相同，电池企业的现有生产设备可以直接用来生产钠离子电池。因为基本不需要设备投资，所以各家企业容易将其作为替代电池开展生产。　　东京大学研究生院的山田淳夫教授等人开发的负极的示意图。由钛（红）和碳（灰）组成的片状物质
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