應(yīng)用電化學(xué)二次電池_第1頁(yè)
應(yīng)用電化學(xué)二次電池_第2頁(yè)
應(yīng)用電化學(xué)二次電池_第3頁(yè)
應(yīng)用電化學(xué)二次電池_第4頁(yè)
應(yīng)用電化學(xué)二次電池_第5頁(yè)
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應(yīng)用電化學(xué)二次電池第一頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日一個(gè)電池體系滿足哪些條件才能作為蓄電池?電池反應(yīng)可逆;只能采用一種電解質(zhì)溶液;電池放電時(shí)固體產(chǎn)物難溶解于電解液中.第二頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日3.3.2鉛酸蓄電池主要內(nèi)容:鉛酸電池概述熱力學(xué)原理二氧化 鉛正極鉛負(fù)極鉛酸電池的失效模式鉛酸電池制作工藝第三頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日1、概述鉛酸蓄電池的組成、用途鉛酸蓄電池的標(biāo)稱電壓是2V,理論比能量是166.9Wh/kg,實(shí)際比能量為35~45Wh/kg。

Why?第四頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日鉛酸蓄電池的主要用途啟動(dòng)用鉛酸蓄電池固定型鉛酸蓄電池蓄電池車用電池(牽引型鉛酸蓄電池)便攜設(shè)備及其他設(shè)備用鉛酸蓄電池第五頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日鉛酸蓄電池的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):原料易得,價(jià)格相對(duì)低廉;高倍率放電性能良好;溫度性能良好,可在-40~+60℃的環(huán)境下工作;適合于浮充電使用,使用壽命長(zhǎng),無(wú)記憶效應(yīng);廢舊電池容易回收,有利于保護(hù)環(huán)境。缺點(diǎn):比能量低,一般為30~40Wh/kg;使用壽命不及Cd/Ni電池;制造過(guò)程容易污染環(huán)境,必須配備三廢處理設(shè)備。第六頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日2、鉛酸蓄電池的熱力學(xué)基礎(chǔ)電池反應(yīng)、電動(dòng)勢(shì)及電極電勢(shì)雙硫酸鹽化理論對(duì)放電前后活性物質(zhì)的物相分析對(duì)電解液濃度變化的精確測(cè)量第七頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日電極反應(yīng)

電解液中存在的離子大部分是H+和HSO4-.第八頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日鉛酸蓄電池的電動(dòng)勢(shì)只與酸的濃度有關(guān),與蓄電池中含有的鉛、二氧化鉛或硫酸鉛的量無(wú)關(guān);正負(fù)極的穩(wěn)定電勢(shì)接近于它們的平衡電極電勢(shì),故電池的開(kāi)路電壓與電池的電動(dòng)勢(shì)接近。第九頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日

活性物質(zhì)PbO2:疏松的多孔體板柵:Pb合金鑄造成的柵網(wǎng)片狀物體活性物質(zhì)PbO2

液相反應(yīng)機(jī)理

3、二氧化鉛電極氧化/還原反應(yīng)發(fā)生在電極與溶液的界面中間步驟是溶液中的Pb2+進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。第十頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日PbO2的結(jié)晶變體及其特性結(jié)構(gòu)形成條件電化學(xué)活性α-PbO2斜方晶系弱酸性及堿性溶液中,pH大約2~3以上尺寸較大、顆粒較硬,在正極活性物質(zhì)中可以形成網(wǎng)絡(luò)或骨骼,使電極具有較長(zhǎng)的壽命;但容量較低,同時(shí)易向β-PbO2轉(zhuǎn)化;生成致密PbSO4β-PbO2正方晶系強(qiáng)酸性溶液中,pH在2~3以下更穩(wěn)定些;容量更高;生成疏松PbSO4第十一頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日正極板柵的腐蝕正極板柵腐蝕的原因

正極板柵中的Pb和其他成分如Sb處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)正極板柵的長(zhǎng)大正極板柵的長(zhǎng)大是由于其表面氧化膜的生成造成的正極板柵長(zhǎng)大的后果是其線性尺寸增加、彎曲以及個(gè)別筋條的斷裂,從而造成板柵的破壞和電池正極極板在使用過(guò)程中的變形。第十二頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日4、鉛負(fù)極鉛負(fù)極的反應(yīng)機(jī)理“溶解沉積機(jī)理”第十三頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日鉛負(fù)極的鈍化鉛負(fù)極鈍化的原因:

在海綿狀Pb表面上生成致密的PbSO4層。影響因素:放電倍率,硫酸濃度,放電溫度等。鉛負(fù)極活性物質(zhì)的收縮與添加劑無(wú)機(jī)類添加劑:炭黑、BaSO4

有機(jī)類添加劑:木素、腐殖酸第十四頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日BaSO4的作用機(jī)理BaSO4與PbSO4的晶格參數(shù)非常接近;BaSO4在負(fù)極中高度分散放電時(shí):BaSO4是PbSO4的結(jié)晶中心,降低PbSO4結(jié)晶時(shí)的過(guò)飽和度、使生成的PbSO4覆蓋金屬鉛的可能性減小→推遲負(fù)極的鈍化充電時(shí):使生成的海綿狀鉛具有高度的分散性→防止其收縮第十五頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日有機(jī)添加劑的作用機(jī)理吸附在活性物質(zhì)上,降低電極/溶液界面的自由能→阻止海綿狀鉛表面的收縮吸附在鉛上,增加PbSO4

在鉛上的結(jié)晶中心生成能→推遲負(fù)極的鈍化第十六頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日鉛負(fù)極的不可逆硫酸鹽化活性物質(zhì)在一定條件下生成堅(jiān)硬而粗大的PbSO4,它不同于正常放電時(shí)生成的PbSO4,幾乎不溶解。因此在充電時(shí)不能轉(zhuǎn)化為活性物質(zhì),造成電池容量減小。常常是在電池組長(zhǎng)期充電不足或過(guò)放電狀態(tài)下長(zhǎng)期儲(chǔ)存形成的硫酸鹽化的根本原因一般認(rèn)為是PbSO4的重結(jié)晶防止措施:及時(shí)充電,不要過(guò)放電思考:鉛酸電池發(fā)生硫酸鹽化后應(yīng)該如何挽救?

“水療”第十七頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日5、鉛酸蓄電池的失效模式與循環(huán)壽命失效模式①正極板柵的腐蝕與長(zhǎng)大②正極活性物質(zhì)的軟化、脫落③負(fù)極的不可逆硫酸鹽化④早期容量損失

⑤熱失控影響電池循環(huán)壽命的外在因素①放電深度②過(guò)充電程度③電解液濃度及溫度第十八頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日6、鉛酸蓄電池制造工藝負(fù)極板柵澆鑄正極板柵澆鑄涂膏淋酸、壓板表面干燥極板固化干燥極板化成電池裝配鉛粉制備和膏第十九頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日極板化成用通入直流電的方法使正極板上的活性物質(zhì)發(fā)生電化學(xué)氧化(生成PbO2),同時(shí)負(fù)極板上的活性物質(zhì)發(fā)生電化學(xué)還原(生成海綿狀鉛),這個(gè)過(guò)程稱為化成?;蓵r(shí)極板上的反應(yīng)(1)中和反應(yīng)第二十頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日(2)電化學(xué)反應(yīng)第二十一頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日3.3.3堿性Ni/Cd電池主要內(nèi)容:鎘鎳電池概述熱力學(xué)原理氧化鎳正極鎘負(fù)極密封鎘鎳電池第二十二頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日1、概述Cd/NiOOH電池的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):使用壽命長(zhǎng),蓄電池自放電小,使用溫度范圍廣,耐過(guò)充過(guò)放,放電電壓平穩(wěn),機(jī)械性能好.缺點(diǎn):活性物質(zhì)利用率低,成本較高,負(fù)極鎘有毒,電池長(zhǎng)期淺充放循環(huán)時(shí)有記憶效應(yīng).第二十三頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日2、Cd/NiOOH蓄電池的工作原理成流反應(yīng)第二十四頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日電極電勢(shì)與電動(dòng)勢(shì)第二十五頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日3、氧化鎳電極的工作原理氧化鎳電極的反應(yīng)機(jī)理

p型氧化物半導(dǎo)體電極,通過(guò)電子脫離正離子后形成的帶正電荷的空穴進(jìn)行導(dǎo)電.

Ni(OH)2晶格中離子分布示意圖

質(zhì)子缺陷□H+電子缺陷□e-

第二十六頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日Ni(OH)2電極-溶液界面雙電層的形成第二十七頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日氧化鎳電極充電過(guò)程第二十八頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日反應(yīng)受質(zhì)子在固相中的擴(kuò)散速率控制表面層中質(zhì)子活度不斷下降→產(chǎn)生固相濃差極化在極限情況下:

充電不久鎳電極上就會(huì)開(kāi)始析氧

NiO2很不穩(wěn)定,容易發(fā)生分解

第二十九頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日放電時(shí)同樣由于固相擴(kuò)散速率很小,引起較大的濃差極化,氧化鎳電極的利用率受到限制。

第三十頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日4、鎘電極的工作原理反應(yīng)原理溶解-沉積機(jī)理

第三十一頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日鎘電極的鈍化鎘電極是不易鈍化的金屬在較高的過(guò)電位下鎘電極也將發(fā)生鈍化;金屬表面產(chǎn)生一層很薄的CdO鈍化膜充放電循環(huán)過(guò)程中鎘的重結(jié)晶使鎘電極真實(shí)表面積不斷收縮,極化增大,導(dǎo)致發(fā)生鈍化第三十二頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日5、密封Cd/NiOOH蓄電池密封原理電池為什么難以密封?電池密封有什么好處?在儲(chǔ)存和使用時(shí),都不可避免地有氣體生成腐蝕設(shè)備需要經(jīng)常補(bǔ)加電解液需要經(jīng)常更換電解液不能以任意姿態(tài)工作

如何做到電池密封?第三十三頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日電池實(shí)現(xiàn)密封的最重要條件是防止儲(chǔ)存時(shí)產(chǎn)生氣體和消除工作時(shí)產(chǎn)生的氣體。實(shí)現(xiàn)電池密封必須解決三個(gè)問(wèn)題:負(fù)極在電解液中穩(wěn)定,不能自動(dòng)溶解而析出氫氣;負(fù)極物質(zhì)過(guò)量,使正極在充電完全而產(chǎn)生氧氣時(shí),負(fù)極上仍有未充電的活性物質(zhì)存在,保證負(fù)極上不會(huì)由于過(guò)充電而析出氫氣;正極上產(chǎn)生的氧氣易于在負(fù)極上還原,即負(fù)極活性物質(zhì)可以吸收正極上生成的氧氣。有一定的氣室,便于氧氣遷移。采用合適的隔膜,便于氧氣通過(guò),促進(jìn)氧氣快速向負(fù)極擴(kuò)散。第三十四頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日鎘氧循環(huán)

正極

負(fù)極

第三十五頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日密封措施①負(fù)極的容量大于正極容量密封鎘-鎳蓄電池的電極容量配置第三十六頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日②控制電解液用量③采用微孔隔膜④采用多孔薄型鎳電極和鎘電極,實(shí)現(xiàn)緊密裝配⑤采用反極保護(hù)負(fù)極

落后電池過(guò)放電初期

過(guò)放電繼續(xù)下去

反極充電

⑥使用密封安全閥⑦正確使用和維護(hù)電池第三十七頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日6、Cd/NiOOH蓄電池的電性能充放電曲線開(kāi)口式鎘鎳蓄電池密封式鎘鎳蓄電池第三十八頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日記憶效應(yīng)Cd/NiOOH蓄電池長(zhǎng)期進(jìn)行淺充放電循環(huán)后再進(jìn)行深放電時(shí),表現(xiàn)出明顯的容量損失和放電電壓的下降,經(jīng)數(shù)次全充放電循環(huán)后,電池性能可得到恢復(fù),這種現(xiàn)象稱為記憶效應(yīng).記憶效應(yīng)造成的暫時(shí)容量損失可能與隔電極有關(guān)循環(huán)壽命Cd/NiOOH蓄電池的循環(huán)壽命很長(zhǎng)放電條件(放電深度,溫度,放電倍率等)對(duì)電池的循環(huán)壽命影響很大,尤其是放電深度第三十九頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日3.3.4氫鎳電池主要內(nèi)容:概述高壓氫鎳電池儲(chǔ)氫合金電極金屬氫化物鎳電池的電性能第四十頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日1、概述在燃料電池和全密封Cd/Ni電池的基礎(chǔ)上發(fā)展了(高壓)氫-鎳電池,稱為第二代空間電池。高壓氫鎳電池高壓氫-鎳電池的正極采用燒結(jié)式鎳電極;負(fù)極以鎳網(wǎng)為骨架,Pt、Pd等貴金屬為催化劑,負(fù)極活性物質(zhì)是電池內(nèi)預(yù)先充入的高壓氫氣優(yōu)點(diǎn):較高的比能量,循環(huán)壽命長(zhǎng),耐過(guò)充、過(guò)放能力強(qiáng),以及可以通過(guò)氫壓來(lái)指示電池荷電狀態(tài)等第四十一頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日缺點(diǎn):負(fù)極使用貴金屬催化劑,電池成本高;電池內(nèi)部氫壓高,增加了電池密封的難度;殼體需要用較重的耐壓容器,降低了電池的比能量;電池自放電大;可能因氫氣泄漏而出現(xiàn)安全問(wèn)題高壓氫-鎳電池目前僅應(yīng)用于空間技術(shù)等特定的場(chǎng)合第四十二頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日低壓氫鎳電池(金屬氫化物-鎳電池)20世紀(jì)70年代起,降低儲(chǔ)氫材料吸氫壓力的努力有了突破性進(jìn)展,儲(chǔ)氫材料實(shí)用化以儲(chǔ)氫合金為負(fù)極、Ni(OH)2為正極優(yōu)點(diǎn):

較高的比能量,耐過(guò)充、過(guò)放能力強(qiáng),循環(huán)壽命長(zhǎng),無(wú)毒及不使用貴金屬等缺點(diǎn):

電池自放電較大第四十三頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日2、高壓氫-鎳電池正極

負(fù)極

電池

第四十四頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日3、儲(chǔ)氫合金電極儲(chǔ)氫合金的發(fā)展歷史20世紀(jì)60年代后期荷蘭菲利浦公司和美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室分別發(fā)現(xiàn)LaNi5、TiFe、Mg2Ni等金屬間化合物的儲(chǔ)氫特性在常溫下能夠可逆的吸放氫金屬氫化物的氫密度比H2和液態(tài)氫還高第四十五頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日儲(chǔ)氫合金的熱力學(xué)原理在合金吸氫的初始階段形成固溶體(α相),合金結(jié)構(gòu)保持不變

固溶體進(jìn)一步與氫反應(yīng)生成氫化物(β相)進(jìn)一步增加氫壓,合金中的氫含量略有增加第四十六頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日儲(chǔ)氫合金吸收和釋放氫的過(guò)程,最方便的表示方法是壓力-組成-等溫曲線,即p-c-T曲線儲(chǔ)氫合金的平臺(tái)壓力對(duì)其應(yīng)用是非常重要的

第四十七頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日儲(chǔ)氫合金電極的電化學(xué)容量

LaNi5中氫原子的位置

第四十八頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日用作MH/Ni電池的儲(chǔ)氫合金應(yīng)當(dāng)滿足以下條件

電化學(xué)儲(chǔ)氫容量高,在較寬的溫度范圍內(nèi)不發(fā)生太大變化,合金氫化物的平衡壓力適當(dāng)(101.325Pa-101325Pa,298K),對(duì)氫的陽(yáng)極氧化具有良好的催化作用;在氫的陽(yáng)極氧化電位范圍內(nèi),儲(chǔ)氫合金具有較強(qiáng)的抗氧化能力;在堿性電解質(zhì)中合金組分的化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定;反復(fù)充放電過(guò)程中合金不易粉化,制得的電極能保持形狀穩(wěn)定;合金應(yīng)具有良好的電和熱的傳導(dǎo)性;原材料成本低廉,無(wú)污染.第四十九頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日儲(chǔ)氫合金的分類按組成分類

稀土類如LaNi5、MmNi5等;鈦系類如TiNi、TiNi2等;鎂系類如Mg2Ni、Mg2Cu等;鋯系類如ZrMn2按組分的配比分類稀土類為AB5型,鋯系類為AB2型,鎂系類為A2B型,TiNi為AB型

第五十頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日儲(chǔ)氫合金電極的性能衰減合金的微粉化及表面氧化擴(kuò)展到合金內(nèi)部?jī)?chǔ)氫合金電極的自放電儲(chǔ)氫合金的表面處理技術(shù)化學(xué)處理法

酸、堿及氟化物處理法微包覆處理第五十一頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日4、MH/Ni電池工作原理負(fù)極正極

電池第五十二頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日電性能MH/Ni電池具有能量密度較高,與Cd/Ni電池工作電壓相當(dāng)可互換,可快速充放電,低溫性能好,耐過(guò)充、過(guò)放能力強(qiáng),無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)MH/Ni電池的結(jié)構(gòu)與Cd/Ni電池基本相同:正極為NiOOH電極,負(fù)極為儲(chǔ)氫合金電極,隔膜一般為無(wú)紡布,常用聚丙烯或聚酰胺纖維為原料第五十三頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日MH/Ni電池的充放電曲線第五十四頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日自放電特性

MH/Ni電池的自放電比Cd/Ni電池大

循環(huán)壽命儲(chǔ)氫合金逐漸被氧化,從而喪失儲(chǔ)氫能力;電池內(nèi)壓(尤其是氫分壓)逐漸升高,氣體泄漏,電解液減少,電池容量下降;正極活性物質(zhì)反復(fù)膨脹、收縮造成軟化脫落第五十五頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日1、概述鋰離子電池的定義指以兩種不同的能夠可逆地插入及脫出鋰離子的嵌鋰化合物分別作為電池正極和負(fù)極的二次電池體系3.3.5鋰離子電池第五十六頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日鋰離子電池的工作原理正極負(fù)極電池第五十七頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日具有高比能量、長(zhǎng)循環(huán)壽命、較寬的工作溫度范圍、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)

鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)第五十八頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日2、正極材料對(duì)鋰離子正負(fù)極材料的要求:具有層狀或隧道的晶體結(jié)構(gòu),以利于鋰離子的嵌入和脫出,該晶體結(jié)構(gòu)牢固,在充放電電壓范圍內(nèi)的穩(wěn)定性好,使電極具有良好的充放可逆性,以保證鋰離子電池的循環(huán)壽命;充放電過(guò)程中,應(yīng)有盡可能多的鋰離子嵌入和脫出,使電極具有較高的電化學(xué)容量;第五十九頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日在鋰離子進(jìn)行嵌脫時(shí),電極反應(yīng)的自由能變化應(yīng)較小,以使電池有較平穩(wěn)的充放電電壓,以利于鋰離子電池的廣泛應(yīng)用;鋰離子應(yīng)有較大的擴(kuò)散系數(shù),以減少極化造成的能量損耗,保證電池有較好的快充放電性能;分子量小,提高重量能量密度;摩爾體積小,提高體積能量密度.第六十頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日三種常見(jiàn)正極活性材料性能比較材料名稱理論比容量(mAh/g)實(shí)際比容量(mAh/g)密度(g/cm3)價(jià)格比特點(diǎn)LiCoO2275130-1405.003性能穩(wěn)定,體積比能量高,放電平臺(tái)平穩(wěn)LiNiO2274170-1804.782高比容量,熱穩(wěn)定性較差,價(jià)格較低LiMn2O4148100-1204.281低成本,比容量較低,高溫循環(huán)和存放性能較差,安全性好第六十一頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日嵌鋰磷酸鹽正極材料LiMPO4(M=Mn、Fe、Co、Ni)正極材料中,以LiFePO4的研究最為突出實(shí)際放電容量>160mAh/g,3C大電流下放電比容量>130mAh/g,其在原料來(lái)源、成本、環(huán)保和化學(xué)穩(wěn)定性方面也都令人滿意。影響材料的最主要因素是LiFePO4室溫下的低電導(dǎo)率

第六十二頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日3、負(fù)極材料碳負(fù)極材料:石墨典型的石墨化負(fù)極材料有石墨化中間相微珠、天然石墨和石墨化碳纖維第六十三頁(yè),共六十八頁(yè),2022年,8月28日理論容量372mAh/g,電勢(shì)基本與金屬鋰接近.不可逆容量低,首次充電效率高,且價(jià)格低廉。固體電解質(zhì)層(SEI)

對(duì)于所有的碳材料,在鋰嵌入石墨層間時(shí),電解質(zhì)溶液中的有機(jī)溶劑和鋰鹽均可能從電極得到電子,發(fā)生還原反應(yīng),在電極表面形成對(duì)電子絕緣而對(duì)離子導(dǎo)電的固體電解質(zhì)層(SEI).

其主要組成為L(zhǎng)i2CO3、ROCO2Li.當(dāng)SEI層的厚度增加到能夠阻止溶劑從電極上得到電子時(shí),還原反應(yīng)自行終止,相當(dāng)于在電極表面形成了一層鈍化膜。主要缺點(diǎn)是墨片面容易發(fā)生剝離,循環(huán)性能不是很理想,需要進(jìn)行改性處理.第六十四頁(yè),共六

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