纯电动汽车电池组热管理系统仿真与设计18.46.doc
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纯电动汽车电池组热管理系统仿真与设计18.46.doc
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目录
第一章绪论 2
1.1课题研究意义 2
1.2电动汽车发展现状 2
1.2.1电动汽车发展历史 2
1.2.2国外纯电动汽车的发展现状 3
1.2.3国内纯电动汽车的发展状况 4
1.2动力电池发展现状 4
(1)第一代动力电池:
铅酸蓄电池 5
(2)第二代动力电池:
碱性电池 5
(3)第三代动力电池:
锂电池 5
(4)第四代动力电池:
质子交换膜燃料电池 5
1.3电动汽车电池组热管理系统 6
1.3.1蓄电池热管理的必要性及分类 6
1.3.2电池组热管理系统的研究现状 7
图1.1本田散热系统示意图 7
1.4本文的研究内容、研究方法及研究意义 8
第二章单体锂离子电池热特性研究 8
2.1锂离子电池内部构造与工作原理 8
2.1.1锂离子电池的优缺点分析 8
2.1.2锂离子电池的分类及结构 9
2.1.3锂离子电池工作原理 10
2.2锂电池的生热及传热机理分析 11
2.2.1锂电池的生热机理 11
2.2.2锂离子电池传热机理 12
2.3单体锂离子电池热特性分析 14
2.3.1软件介绍 14
图3.2各程序包之间的结构关系 15
图3.3FLUENT工作流程图 17
2.3.2单体18650型锂电池物理建模 17
2.3.3锂电池生热速率的计算及数学模型 18
2.3.2锂离子电池单体温度场仿真 18
1C放电结果 20
2c放电结果 20
3c放电结果 21
4c放电结果 21
5c放电结果 22
不同放电倍率下电池温度差 22
第三章锂离子电池组热管理系统的设计与仿真 23
3.1电池组温度场仿真分析 23
3.1.1锂离子电池组建模 23
电池组实际装配图 23
3.1.2网格划分 25
3.1.3简化后的电池组建模及网格划分 25
3.2各项参数及边界条件的设定 26
1.内部热源 26
2.各项参数设计 26
冷却液物理参数 26
3.边界条件 26
3.3无液体冷却下电池组散热情况 27
电池表面最高温度311.2(k)及最低温度306.3(k) 27
内部热源最高温度312.6(k) 28
3.4电池组热管理系统的结构设计与仿真 28
3.4.1仿真前的准备 28
湍流模型的选择 29
求解控制器方式的选择 30
欠松弛因子的设置 30
3.4.2电池组热管理系统散热性能仿真计算 30
3.5介质流量对热管理系统散热效果的影响 31
3c放电倍率下入口流量为0.003kg/s时的温度分布图 32
3c放电倍率下入口流量为0.03kg/s时的温度分布图 32
3c放电倍率下入口流量为0.3kg/s时的温度分布图 33
不同入口流量情况下电池温度分布,单位(k) 33
3.6不同放电倍率对热管理系统散热效果的影响 33
2c放电情况下电池内部温度分布情况 34
3c放电情况下电池内部温度分布情况 35
第四章总结与展望 36
4.1论文工作总结 36
4.2研究展望 36
第一章绪论
1.1课题研究意义
在当今社会中,化石能源的严重消耗以及全社会对环境污染的高度重视使得人们必须在很短的时间内找到能够替代传统化石能源的新能源汽车,经过很长一段时间的发展,汽车的动力来源已经从最初单一的化石能源发展为现在的包括众多新型能源的状态。
在这些新型能源中,电力因为其成本低、污染低等优点成为了重点关注的对象。
以电池作为汽车动力具有众多优点,但是其发展的局限性也是非常明显。
电池的续驶里程、安全性等问题成为目前急需解决的问题。
在电动汽车的运行过程中,由于电池组不断产生热量,如果没有良好的电动汽车热管理系统及时进行散热,就会在电池组内产生大量热积累,使得电池超出其正常的工作温度区间,产生安全隐患。
因此在这种前提下,对电池组热管理系统的研究就显得至关重要。
本文的研究选择一款社会中常见的电池组,对其热管理系统工作过程进行仿真与设计,探究其散热效果,对电池组热管理系统的发展具有一定参考意义。
1.2电动汽车发展现状
1.2.1电动汽车发展历史
19世纪30年代到20世纪——电动汽车的崛起
从历史的角度来讲,事实上电动汽车的发展可以追溯到1832年到1839年间,由一位苏格兰商人研发出了第一款电动车。
1842年,美国人托马斯-达文波特和苏格兰人罗伯特-戴维森研制出一款在当时来讲十分具有里程碑式意义的电动汽车。
1865年,盖思顿-普兰特在法国研发出一款高性能蓄电池,16年后又有人改良了电池,奠定了电动汽车的发展基础。
到了十九世纪末,美国经济发达,汽车已经逐渐成为当时人们的刚需。
对于当时的美国来说,选择一款合适的电动汽车已经成为一种流行。
由于电动汽车排放少,内部噪音小,操作简洁等原因,在当时的美国社会已经远远超过需要不断添加水的蒸汽机汽车。
相比起蓄电池的续驶里程,当时蒸汽机车的续航里程更短。
但是随着内燃机汽车的发展,电动汽车的地位逐渐下降。
20世纪20年代到80年代——电动汽车发展停滞
从20世纪20年代开始,电动汽车的发展进入停滞期,主要原因在于汽油价格的下降,内燃机汽车在各方面的性能都得到了不小的提升,因此在这段时间内,高昂的电动汽车逐渐被人们遗忘,取而代之的是高效廉价的内燃机汽车。
20世纪80年代至今——电动汽车发展的新篇章
20世纪末,内燃机汽车发展达到饱和,人们意识到随着传统燃料的不断消耗,带来的污染问题和资源问题急需解决。
因此在新能源汽车的发展中,电动汽车又被重新重视,进入了重点研究的领域。
电动汽车因其排放小,性能优等众多优点成为新能源汽车领域的佼佼者。
因此,在这一时期,电动汽车正以高速的发展不断适应当前的社会要求。
1.2.2国外纯电动汽车的发展现状
纯电动汽车的发展可谓一波三折,到现在,纯电动汽车的发展水平在全球范围来讲也是参差不齐。
各个工业大国也都争先恐后地在电动汽车领域进行研究
美国:
美国是全世界汽车产业最发达的国家,他们对电动汽车的研究也经历了很长的过程。
近年来,更是在纯电动汽车领域取得了技术和市场方面的长足进步。
美国通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司在1991年签订协议,合作研究电动汽车的先进电池,联合成立了美国先进电池联合体。
1993年,美国克林顿政府设立了新一代汽车合作组织计划。
2000年三大汽车公司陆续推出了各自的PNGV概念车。
2004年通用与戴姆勒-克莱斯勒宣布携手开发混合动力电动汽车技术。
PNGV计划在美国掀起了汽车技术合作的攻坚战。
PNGV计划出台后,欧洲、日本纷纷效仿,各自确立了新一代汽车发展计划,从而引发了划时代意义的汽车技术革命。
2002年,美国布什政府又制定了FreedomCAR计划,用于取代PNVG计划的新国家及私营合作研究发展计划。
近期奥巴马政府又决定放弃对燃料电池的支持,转向为锂离子电池制造商提供财政拨款24亿。
欧盟:
德国政府十分重视环境保护问题,投入了大量资金用于电动汽车的开发,政府出面,由奔驰和大众两公司合资成立德国汽车工业有限公司科研开发机构。
1992年,德国政府拨款2200万马克,在吕根导建立欧洲电动汽车试验基地,对64辆电动汽车和电动汽车的系统工程进行了长达四年的大规模实验。
法国既是石油输入国,也是电力大国。
有多个核能发电站及丰富的电力资源,核能发电站的电力占全国总电力75%,电力价格低,石油价格是美国的四倍。
因此,法国政府在政策上鼓励开发电动汽车和充分利用电力资源。
法国政府、法国电力公司、标志-雪铁龙汽车公司和雷诺汽车公司共同签署了承担开发和推广电动汽车的协议。
1.2.3国内纯电动汽车的发展状况
我国汽车工业的起步较晚。
但是在改革开放之后,一大批优秀的汽车企业逐渐涌现。
在电动汽车领域。
经过三个五年计划之后,我国的电动汽车发展取得长足的进步。
随着国内经济水平的增长,汽车逐渐成为普通百姓生活中的刚需,这样庞大的市场需求和国家政策引导下,大批的汽车企业开始进入电动汽车领域。
2001年,国家设立电动汽车重大科技专项,确定“三纵三横”战略,以燃料电池汽车、混动汽车、纯电动汽车为“三纵”,多能源动力总成控制系统、驱动电机及其控制系统、动力蓄电池及其管理系统为“三横”,拉开了国内电动汽车高速发展的帷幕。
现如今,我国电动汽车整体水平进入国际领先行列,而在核心技术的电池和电机方面,我国也逐渐缩小与发达国家的差距,甚至在某些方面已经赶超,其发展速度让世界震惊。
目前电动汽车存在着混合动力电动汽车、插电池混合动力、燃料电池、纯电动等多种形式,但他们都受限于电池技术和充电技术的水平,存在着能量密度,续航能力,充电速度,充电站的建设等制约因素,目前混合动力电动汽车已经到了市场水平,几乎每个汽车厂都在研发中,价位也在市场能接受的水平。
不仅如此,我国还出台了许多电动车方面的鼓励政策,有买车补贴,对电动汽车的发展有极大的促进作用。
到现在,国内以比亚迪为代表的众多电动汽车企业已经占据了一定的市场份额,电动汽车在公共交通方面也被证实有极大潜力。
部分城市已经开始出现电动出租汽车、电动公交汽车等公共交通。
在乘用车方面,比亚迪也有许多优秀的产品出现。
因此,可以这么说,国内电动汽车现在正处于其发展的黄金阶段。
1.2动力电池发展现状
电池发展的起步相对较早,但是因技术原因初期发展缓慢,在第二次世界大战后开始快速发展,并先后出现了碱性锌锰电池,镍镉电池等。
最早是由一名外国科学家于20世纪中期提出采用有机电解液作为一次电池的电解质,毕竟考虑到环保因素,电池的研发重心开始转向蓄电池、锂电池和燃料电池。
从最早使用的干电池到蓄电池,锂聚合物电池和燃料电池等的发展过程中,电池因在体积、能量密度、质量等方面的快速发展,已经有了很大的突破。
不仅如此,电池的不断发展也是人们环保意识的体现。
目前国内外动力电池的研发历史如下:
(1)第一代动力电池:
铅酸蓄电池
铅酸蓄电池以阀控式铅酸蓄电池为主,其优点是价格低廉、放电性能良好、资源丰富且回收利用率高,在电动自行车、电动摩托上也有了广泛的应用。
尽管已经大范围使用,但它还是存在一定的局限性,比如:
内部的原材料铅是有污染的材料,不仅如此,它的质量比能量低,不能满足一些特殊路况的要求。
(2)第二代动力电池:
碱性电池
碱性电池主要有镍镉电池(Cd-Ni)和镍氢电池(MH-Ni),镍镉电池因为镉的污染已经被禁止用作动力电池。
镍氢电池的能量密度高于蓄电池,现在广泛用在混合动力电动汽车(HEV)上,但是在电动自行车上的应用上缺乏市场竞争力,主要是因为价格问题。
(3)第三代动力电池:
锂电池
锂离子电池(Li-ion)因为其能量密度、使用寿命长、额定电压高、自放电率低、高低温自适应性强,重量轻、绿色环保等优点,在电动汽车上应用广泛。
但其也存在一些问题,如安全性差,不能大电流放电等,若能处理好锂电池的散热问题,将大有前景跟市场。
(4)第四代动力电池:
质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)其特点是无污染,放电产物是,是真正的电化学装置。
它是以或甲醇做为燃料,氧化剂为,直接将化学能直接转为电能的车载动力装置。
而与前面提到的铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池则不同,他们只是电能的转换和储能装置。
燃料电池发电的原理跟前面提到的电池原理不同,他本身是不能发出电能的,需要先对电池进行插电,然后将电能转化为化学能存在与电池的内部,当电池工作时,化学能转化为电能输出作为车载动力。
所以当前这类电池还需要消耗燃料发出的电能。
燃料电池目前最经济,最环保,应该是车载动力电池的首选,但是要实现商业化生产还需要克服很多难题,比如价格较高,采用铂、铑等贵金属作为催化剂,燃料的储存、携带问题,以及使用寿命的问题。
目前,纯电动汽车产业化的最大问题是一次充电的续驶里程、汽车的价格和使用成本,如何解决这些问题使得蓄电池的发展至关重要。
对纯电动汽车来说,对蓄电池的要求主要如下:
蓄电池的容量要足够大并且可实现深度放电,比能量和能量密度也要尽可能大。
蓄电池的可接受充电电流也要大。
目前,社会上使用较多的蓄电池种类大致如下:
铅酸电池:
铅酸电池的正极板上的化学物质是二氧化铅(PbO2),负极板上的活性物质为纯铅(Pb),电解液为硫酸的水溶液(H2SO4+H20)。
铅酸电池的最大优点是内阻小,可输出大电流,故而被用作发动机的起动电源。
但是其比能量及能量密度较低,寿命短且使用成本高。
因此已经逐渐淡出主流发展方向。
镍氢电池:
电动汽车用镍氢(Ni-MH)电池也称为镍金属氧化物电池。
其基本组成有:
氢氧化镍正电极、储氢合金负极及碱性电解液(如质量分数为30%的氢氧化钾水溶液)。
镍氢电池的循环寿命长,比功率大,并且因其环保性好被称为21世纪“绿色环保电源”。
但是其使用成本较高,单体电池电压低,对环境温度要求较高。
锂离子电池:
锂离子电池是由二次锂电池发展而来的。
锂离子电池的负极活性物质是可嵌入锂离子Li+的碳(形成LixC),正极活性物质是金属锂化物,如LiNiO2、LiCoO2等,电解质是非水性的有机溶液聚合物。
电动汽车用锂离子电池按其正极材料的不同分类,主要有锰酸锂离子电池、磷酸锂离子电池、镍钴锂离子电池及镍钴锰锂离子电池等。
相比于其他类型的蓄电池,锂离子电池的主要优点有电压高,循环寿命长,自放电小等。
目前在实际中也得到了越来越多的应用。
但是其主要缺点在与成本高,受温度影响大等。
1.3电动汽车电池组热管理系统
1.3.1蓄电池热管理的必要性及分类
蓄电池性能的发挥与蓄电池的温度有密切的关系。
当蓄电池温度高时,可使蓄电池的活性增加,是能量得到更充分的利用。
但是,蓄电池长时间的工作在较高温环境下寿命会明显地缩短,当温度太高时,蓄电池还会出现严重损坏的现象,甚至引起爆炸,存在严重安全隐患。
在低温状态下的蓄电池因为其内阻的增加,会降低蓄电池活性,使其放电能力下降,减小蓄电池实际可用容量。
针对锂离子电池来说当在低温条件下充电时,蓄电池活性差,因此可用的锂离子数量减少,甚至造成其内部短路。
因此,工作中的蓄电池必须时刻保持于适度的温度区间中。
若是蓄电池工作的温度或工作温度的上升指数达到临界值后,电池就必须采取降温处理,及时通过风冷或水冷等方式保证电池的工作温度不超出一定区间内。
若是蓄电池温控失去效用,就应立即切断电路,防止意外发生。
电动汽车电池组热管理系统(BTMS,BatteryThermalManagementSystem)采用对电池组实时温度的监控并通过一定控制方案对电池组温度进行控制,其工作的目标有三点:
第一,使电池组随时处于适当工作温度区间内。
温度太高时,系统及时对电池组散热,防止意外发生;温度太低是,对电池组进行升温处理,保证电池基本性能。
第二、系统随时保证单个电池之间温度不能有太大差距。
尽量保证每单位电池释放热量的速率基本相同。
第三、当电池组在工作中,达到极限条件时,热管理系统能及时预警;而在正常状况下,处于节能的目的,自动调低散热功率。
1.3.2电池组热管理系统的研究现状
(1)空气冷却系统
空气冷却作为最常用的降温散热方法,一般可分为自然对流冷却和强制对流冷却两种方法。
凭借自然风进行对流换热的方式称为自然对流冷却。
这种方法成本低,布置难度小,但是换热能力有限。
强制对流冷却一般通过风扇降温,这种方法可以解决电池组布置的局限性。
空气冷却系统一般有并行通风和串行通风两种方式。
1999年帕萨伦等人研究发现,前者的冷却效果明显优于后者。
2010年,梁昌杰等人为改善串行通风的冷却能力,设计出三种不同的导流板。
并发现其对电池组热管理均有正面意义。
2012年,刘振军等人在某种现实存在的电池组结构的基础上进行改良。
使得该电池组温差大幅减少,取得卓越成果。
(2)液体冷却系统
空调冷却
次级热交换器
初级热交换器
电池组
图1.1本田散热系统示意图
图1.1所展示的是一套由日本本田于2002年设计的电池组散热系统。
该系统将多种散热方式结合,包含液体、空调、空气等几种方法。
当温度变化时,采用不同方法进行散热。
2011年,杰雷特等人选用8种方案研究蛇管冷却板冷却性能,发现单通道设计局限性很强。
无法兼顾平均温度等温度场控制参数。
(插图)
因此不难看出,随着人们对电动汽车散热技术的关注度提升,各种各样不同尺寸,不同种类,不同散热方式的电池组应运而生。
而电池组中电池的摆放、数量、结构也是大不相同。
各大汽车品牌也研发了各式电池组及其热管理系统。
(插图)
总的来说,随着电动汽车产业市场需求的增大,各种各样的冷却系统在技术方面都有了较大的革新,但是相比较空气冷却来说,液体冷却的研究要少很多。
但是在目前来讲,电动汽车的性能要求逐渐提升,传统的空气冷却结构逐渐无法满足日益复杂化、密集化的电池组需要。
甚至在某些情况下,空气冷却已经无法使得电池在一定的温度区间内稳定工作。
因此,大力发展液体冷却就显得至关重要。
1.4本文的研究内容、研究方法及研究意义
本文首先介绍纯电动汽车发展现状,动力汽车电池发展现状以及电池组热管理系统发展现状。
然后探究锂离子电池的结构及工作原理,研究其物理参数的计算方式。
根据锂离子电池的工作原理,选择在市面上普遍使用的18650型锂离子电池所构建的电池组进行Fluent仿真分析,参考文献进行对比。
通过改变介质流量探究其对散热效果的影响。
本文主要通过数学计算与Fluent仿真分析结合的方法,观察电池处于不同温度环境时的温度分布情况,并对其进行优化。
热量在电池组内的堆积会导致一系列的严重问题,尤其是在电池组这样单体电池间彼此还需要承受热量的工作环境中。
因此需要使电池组时刻处于合理工作温度范围内,以保障电池组良好的工作性能和使用寿命,降低危险发生的概率。
本文研究锂离子电池单体物理特性以及电池组温度场分布,可以对电池组热管理系统设计提供部分参考意义。
第二章单体锂离子电池热特性研究
本章将对锂离子电池单体在工作中所产生的一系列热行为进行分析探究。
工作中的锂离子电池热行为相对复杂,产热机制较多,传热、散热特性都会影响到电池单体是否处于适宜的温度范围内。
在本文对电池组热管理系统的仿真部分也会使用到本章节相关内容。
2.1锂离子电池内部构造与工作原理
2.1.1锂离子电池的优缺点分析
在如今的发展中,传统内燃机汽车噪声、污染、石油短缺等问题越来越突出,电动汽车的出现于发展已经成了不可阻止的趋势,动力电池也随之发展了起来,动力电池发展趋势也逐渐向高比能量,长使用寿命等方向努力。
从2010年智能手机、平板电脑的出现开始,锂电池就开始进入市场,并保持一定的增长率销量逐年攀升,到2015年新能源汽车行业的兴起,锂电池的市场份额从2014年的14%增加到28%,增加了十个百分点。
到2016年,锂电池的市场份额又突破了73%,成为占据市场份额最多的电池。
相比较其他几种电动汽车蓄电池来讲,锂离子电池有着独特的优势,主要表现在:
1.能量比比较高,能量密度高,相比较于铅酸电池来讲,是后者的6-7倍。
2.使用寿命长,通常情况下锂离子电池的使用寿命在6年以上,甚至有记录显示有可以使用10000次的情况存在。
而且在使用1200次后,锂离子电池的容量依旧高于60%的额定容量。
3.自放电率低,就目前而言,锂离子电池的自放电率一般可达到1%/月以下,相比较镍氢电池来说,不足镍氢电池的1/20。
4.对温度的适应性强,可工作温度范围在-20℃-60℃间。
在经过加工后,甚至可以在-45℃的恶劣环境下工作。
5.绿色环保,在生产、使用、报废的整个过程中都不会产生有毒重金属。
对比会产生大量有毒重金属的铅酸电池来讲,锂离子电池的环保性很好。
虽然锂离子电池优点众多,但是就目前的研究水平来说,锂离子电池依旧存在着一些缺陷。
锂离子电池在使用的过程中,如果不能正确操作,就会有一定的安全隐患,甚至引发爆炸。
著名的特斯拉汽车就曾经发生过锂离子电池板爆炸的事件。
锂离子电池也存在长时间使用后容量减少的情况,不同于其他电池的地方在于,锂离子电池容量减少与充放电次数无关,其主要影响因素来源于温度。
因此,未来锂离子电池的研究工作应着力于解决这些问题。
2.1.2锂离子电池的分类及结构
随着锂离子电池近年来的飞速发展,其样式也是越来越多。
一般对于锂离子电池的分类方式包含以下几种:
根据直观观察其形状,一般有圆柱形与方形两种。
圆柱形锂离子电池采用缠绕式结构,而方形电池采用的则是层叠式结构。
锂离子电池还可以根据其是否可充电分为两种,一次电池与二次电池。
也可以根据其电解质的状态进行分类。
例如液态电解质或聚合物电解质。
在现有的研究中发现,采用聚合物作为电解质的的聚合物锂离子电池在很多方面明显优于采用液体电解质的液体电池。
当锂离子电池中没有液体电解质时,电池会变得更加安全。
而且相比于液态锂离子电池,采用聚合物作为电解质的锂离子电池的质量轻便,使用次数长。
本文使用的电池是在社会中广泛使用的18650型锂电池,以下对该型电池结构进行简单介绍。
(插图)
上图为18650型锂电池结构示意图
18650型电池,直径为18mm,高65mm,相比起家用的5号电池微大。
一般被运用在工业上。
在一些笔记本电脑或野外生存手电筒上均有广泛应用。
18650型电池的理论寿命在1000次循环充电以上,具有非常良好的性能。
一般情况下,18650型电池结构包括正负极、电解质、密封圈、外壳、底部隔圈等。
并且每一颗电池都有一道安全阀,这是电池的重要防爆屏障。
目前市面常见的2000-3000mAh的电芯内部正极材料已经从第一代的钴酸锂(LiCoO2)全面升级为镍钴锰(LiNi-Co-MnO2)。
使得其安全性更好,使用寿命也有所延长。
2.1.3锂离子电池工作原理
锂离子电池是一种二次电池,其工作过程就是在正极、负极之间不断的嵌入、脱离。
电池由下面部分组成:
1)负极,在放电的过程中发生氧化反应,负极材料多为碳材料;2)正极,在放电过程中发生还原反应,正极材料为金属氧化物,如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等;3)电解液,溶解正极金属离子,给离子的移动充当运输介质;4)隔膜,为正极、负极提供离子隔离。
通常用铝箔当做正极集流体,负极集流体一般是铜箔。
下面以磷酸铁锂电池()为研究对象:
充电时,正极中的锂离子从磷酸铁锂金属氧化物的晶格中脱离出来,穿过电解质这一通道到达负极,并嵌入到负极的层状结构中;放电时,锂离子从碳材料的层状结构中脱离,穿过电解质到达正极,重新嵌入到正极的晶格中,电极材料恢复原状。
在这个过程中,重新返回到正极的离子数目越多,其放电容量越大,所以我们平时所说的电池容量其实就是放电容量。
如下所示为磷酸铁锂电池的反应方程式:
正极反应:
(1)
负极反应:
(2)
总反应式:
(3)
反应方程式
(1)~(3)说明,锂离子电池的原料可以是能电离出锂离子以及能嵌入锂离子的的化合物或者材料作为两个电极的。
它的正极可以是锂的各种金属氧化物,如、、尖晶石或等;负极材料多为碳素材料,比如石墨
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