李建西,宋小龙,2*,潘京津,庄绪宁,2,赵 静,2,豆咏琪

退役三元锂电池循环利用系统减碳效率评估及优化分析

李建西1,宋小龙1,2*,潘京津3,4,庄绪宁1,2,赵 静1,2,豆咏琪1

(1.上海第二工业大学资源与环境工程学院,上海 201209；
2.上海电子废弃物资源化协同创新中心,上海 201209；
3.中国电子技术标准化研究院,绿色发展研究中心,北京 100007；
4.北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京 100083)

随着我国新能源汽车产业的快速发展,大批动力电池进入退役期.针对退役动力电池循环利用现状,识别降本减碳协同效应并开展系统优化分析,成为重要研究课题.本文综合采用生命周期评价和生命周期成本方法,分析了当前我国退役三元锂电池循环利用系统的碳足迹和经济成本.结果表明,1GWh容量的退役三元锂电池循环利用系统碳足迹和生命周期成本分别为-2.33´107kgCO2eq和-33613.15万元.结合碳足迹和生命周期成本二维指标开展减碳效率评估和情景分析发现,相对于现实系统,汽车生产商主导的优化情景减碳效率较低,提高梯次利用比例的优化情景具有最优减碳效率.通过提高梯次利用比例和采用先进资源化技术均能够显著提升退役三元锂电池循环利用系统的减碳效率.

退役三元锂电池；
生命周期评价；
碳足迹；
生命周期成本分析；
减碳效率

受全球化石能源危机和环境风险问题等多因素影响,新能源汽车以其低碳环保的优势在世界各国得到高度重视.随着新能源汽车产业的迅速发展,我国已成为世界第一大新能源汽车产销国[1].作为新能源汽车的核心部件和动力来源,国内动力电池产销量也逐年攀升.按照正极材料不同,动力电池可分为磷酸铁锂电池(LFP)、三元锂电池(NCM)和锰酸锂电池(LMO)三大类.其中,三元锂电池以能量密度高、适应性强和体积小等优势,在动力电池产业中得到广泛应用.

据《中国新能源汽车动力电池产业发展报告》[2]数据显示,2018年三元锂电池总装配量市场份额达到59%.

我国新能源汽车市场自2014年起进入快速增长阶段,2018年开始批量进入退役期[3].据统计,2020年我国累计产生约20万t的退役动力电池,到2025年将增至78万t[4].退役动力电池资源价值丰富,同时不合理的处置将会造成严重的环境危害,对其进行回收利用,可有效避免环境污染与资源浪费[5-7].然而,相关数据显示,退役动力电池进入正规处理渠道的回收量不足退役总量的10%[8],大量退役动力电池流入到小作坊等非正规处理企业.总体上看,我国动力电池回收处理行业仍处在正规和非正规并存的发展期.当前,动力电池循环利用系统的环境绩效和经济表现尚不被完全掌握,有必要对其退役后的全过程开展系统诊断和深入解析.

生命周期评价(LCA)是评估产品系统整个生命周期投入、产出和潜在环境影响的工具[9].国内外相关学者采用LCA方法评估动力电池不同生命周期阶段的环境影响,关注重点涉及动力电池从生产到退役回收的全生命周期过程[10-13].现有研究大多集中在动力电池的生产和使用过程[14-15],聚焦退役后的生命周期末期并评估其生命周期环境影响的研究较少,且主要涉及梯次利用环节和再生利用环节.梯次利用方面,Yang等[16]采用LCA方法,比较了在常规储能系统中梯次利用动力锂电池和铅酸蓄电池对环境的影响;Ahmadi等[17]评估了退役磷酸铁锂电池梯次利用在加拿大安大略省储能系统中应用的环境影响,发现梯次利用阶段是全生命周期环境影响的主要来源之一;Ioakimidis等[18]结合磷酸铁锂电池梯次利用在智能建筑中的不同应用场景,开展情景分析发现梯次利用替代电池生产具有显著的环境效益;贾志杰等[19]采用LCA方法,以磷酸铁锂电池为研究对象,通过设定直接应用后报废和梯次利用两个场景,对磷酸铁锂电池不同使用场景开展环境影响评价分析,结果显示梯次利用具有较优的环境优势.再生利用方面,Jiang等[20]选取镍钴锰三元锂电池和磷酸铁锂电池为研究对象,基于LCA方法量化评估两种动力电池的湿法回收以及在制造过程中重复使用再生材料的环境影响;Mohr等[21]在综述现有锂离子电池回收LCA研究的基础上,选取磷酸铁锂和三元材料电池为研究对象,针对回收处理过程,采用不同回收工艺比较其环境影响,发现湿法回收工艺对三元锂电池具有最优的环境效益.

除关注动力电池的生命周期环境影响,也有研究采用生命周期成本分析方法对动力电池开展经济性分析,主要集中在回收、梯次利用和再生利用环节.郝硕硕等[22]构建了汽车生产商回收模式、动力电池生产商回收模式、第三方回收模式以及动力电池产业联盟回收模式,并构建基于回收成本最小和回收利润最大的决策模型.刘坚[23]分析了退役动力电池梯次利用的成本构成,并对其在储能系统应用的经济性开展核算分析.陶志军等[24]调研核算了退役动力电池梯次利用、物理回收、湿法回收和火法回收工艺的成本和收益情况.董庆银等[25]以北京市为例,基于湿法回收工艺,分析了镍钴锰三元锂电池622和811两种型号电池回收的经济表现.

从现有研究来看,目前有关退役动力电池循环利用系统的降本减碳协同效益,尚不甚清晰.特别是针对不同回收模式、不同梯次利用场景以及不同材料再生工艺的环境与经济综合绩效的系统评估,有待进一步研究.为此,本文基于生命周期评价方法和生命周期成本分析方法,对退役三元锂电池循环利用系统的碳足迹和经济成本进行分析,并提出减碳效率指标对不同回收模式、梯次利用状况及再生利用工艺开展情景优化分析,以期为我国退役动力电池循环利用系统可持续改进提供技术支持.

1.1 研究范围

图1 退役三元锂电池回收处理系统边界

本研究系统边界覆盖退役三元锂电池从回收到循环利用和最终处置的全过程.具体包括退役三元锂电池收集、运输、拆卸、检测、预处理、破碎分选、电极粉料分离、塑料造粒、金属再生利用、电解液安全处置、电池重组与梯次利用等过程(见图1).按照生命周期阶段可划分为回收(收集和运输)、拆解、重组、梯次利用、再生利用、末端处置6个主要环节.

1.2 情景设置

为探究不同生命周期阶段退役三元锂电池循环利用系统环境影响和经济表现的改进潜力,本研究基于循环利用现实系统,针对回收模式、梯次利用比例和再生利用工艺分别设置不同优化情景.

现实系统:在回收阶段,由第三方回收商和二手车回收商共同回收,通过回收网点和贮存点两级贮存,将收集的退役三元锂电池转运至综合利用企业;拆解阶段对退役三元锂电池进行余能检测和充放电、初步拆解、电池模组再次拆解、检测分选和电池单体分选与性能评估;符合重组条件的退役三元锂电池通过重组进入梯次利用储能领域替代铅酸蓄电池.再生利用阶段采用国内典型企业湿法回收工艺定向循环工艺,通过拆解、干燥热解、粉碎及机械分选、酸浸、粗萃、精萃、加碱陈化得到三元前驱体;隔膜中聚乙烯/聚丙烯进行塑料造粒,电池外壳通过分选破碎得到金属铝;末端处置阶段采用焚烧或安全填埋对回收过程中产生的残渣或有害废物进行无害化处理.由于现阶段对石墨和电解液回收大多未被产业化利用,本研究对石墨设定为填埋处理,电解液进行无害化处理.

优化情景1:汽车生产商主导的动力电池回收.在三元锂电池循环利用现实系统的基础上,为切实履行生产商回收责任,本研究设定原回收方式由汽车生产商通过销售网络回收,基于完善的销售渠道,降低区域转运距离,实现电池高效回收.

优化情景2:梯次利用比例提高情景.在当前退役动力电池循环利用的基础上对梯次利用比例进行优化.由于当前退役动力电池梯次利用的规模化程度不高,梯次利用率水平较低.随着梯次利用技术和规模的提高,设定退役动力电池应用在储能领域的梯次利用比例从10%提高到30%.

通过本文研究成果的试点、探索、改进，辅助某市级供电企业初步构建配网主动运维检修工作机制，有效降低了配网故障事件发生、提升了供电服务质量，取得了良好的经济效益和社会效益：

优化情景3:材料再生技术优化情景.在定向循环工艺基础上,进一步选择循环再造工艺进行分析.该工艺依次经过预处理、酸溶浸出、萃取提纯、三元前驱体合成、三元电池材料合成等过程.与定向循环工艺相比,增加了对金属锂的回收.

3种不同优化情景的基本情况见表1.

表1 退役三元锂电池循环利用系统优化情景设置

1.3 评估指标

以1GWh容量退役三元锂电池单体为研究对象,围绕其从退役回收到最终处置的全过程开展生命周期评价和生命周期成本分析.其中,生命周期环境影响聚焦碳足迹指标,采用全球变暖潜值(GWP)来表征,单位为kgCO2eq.核算采用IPCC第五次评估报告中有关GWP100a的当量因子:即CH4、N2O、CO2分别为28、265和1[26].生命周期成本的系统框架如图2所示,总体上包括回收成本、拆解成本、重组成本、再生利用成本和末端处置成本.其中回收成本具体包括贮存成本、运输成本、人工成本和管理成本.

图2 生命周期成本分析框架

在对退役三元锂电池循环利用现实系统及不同优化情景开展生命周期评价及成本分析的基础上,结合生命周期碳排放和生命周期成本二维指标,进一步引入减碳效率指标对优化情景相对于现实系统的降本减碳协同效应进行评估.本研究提出将单位经济成本增加带来的碳减排量界定为减碳效率.在本文中,其计算方法是将不同优化情景与现实情景在生命周期碳排放量上的差值除以该优化情景和现实系统在生命周期成本上的差值.减碳效率越高,即表征优化情景以较小的生命周期成本增加带来较多的生命周期碳减排量.减碳效率指标具体计算公式为:

式中;CRE表示第个优化情景相对于现实系统的减碳效率,其中=1,2,3(下同);LCCE和LCCE分别为第个优化情景和现实系统的生命周期碳排放;LCC和LCC分别为第个优化情景和现实系统的生命周期成本.当LCCE>LCC时,减碳效率为正值,代表单位经济成本增加带来的碳减排量;当LCCE

1.4 数据来源与关键参数

通过企业走访和实地调研,确定从回收网点到集中贮存点采用3t柴油卡车运输,第三方回收运输距离为160km,二手车回收商运输距离为302km.参考相关文献数据,汽车生产商回收从回收网点到集中贮存点的运输距离确定为24km[27],从集中贮存点到综合利用企业运输工具为10t载重的柴油卡车,不同回收模式下运输距离均为650km[28].拆解过程的余能检测和充放电、拆解检测分选与性能评估数据来自典型回收拆解企业环评报告;经过检测、筛选、重组后梯次利用进入储能领域的动力电池,可替代全新的铅酸蓄电池使用,铅酸蓄电池生产工艺生命周期清单数据来源于铅蓄电池实际生产企业和文献调研[29];再生利用阶段放电、预处理、破碎分选等过程数据主要引自公开发表文献;再生利用过程采用典型回收处理企业实际生产数据,其中定向循环工艺对稀贵金属镍、钴、锰的回收率为98%,铜铝的回收率为97%,塑料的回收率为80%;循环再造工艺对镍、钴、锰的回收率为98%,对锂的回收率为85%,铜铝的回收率为97%,塑料的回收率为80%.拆解处理过程中产生的电解液进行无害化处理,该部分数据来源于文献和数据库.

表2 生命周期清单数据来源及参数

对于难以直接获取的单元过程数据,如能源生产过程、运输过程、材料再生过程,本研究采用PE-database和ecoinvent3等商业数据库中的基础数据.在开展碳足迹分析与生命周期成本分析时,本研究不考虑设备、机器、厂房等折旧与维护.至于梯次利用和再生材料产出环节,采用环境负荷替代法计算其避免的由相应新品和原生材料生产引起的碳排放和经济成本.

生命周期清单数据来源及关键参数详见表2.

2.1 碳足迹分析

生命周期评价结果显示,1GWh容量的退役三元锂电池循环利用系统碳足迹为-2.33´107kgCO2eq(图3).碳足迹结果值为负值,表明退役三元锂电池循环利用系统具有正向的环境效益,其主要贡献来源为再生利用和梯次利用阶段.进一步将再生利用阶段划分为再生利用过程和再生材料产出,其中,再生利用过程定义为再生利用阶段的能源物料的投入过程,再生材料产出定义为再生利用阶段各类金属及塑料的产出过程.由于可替代原生生产过程,再生材料产出和梯次利用阶段的碳排放分别为-2.43´107kgCO2eq、-7.92´106kgCO2eq.至于退役三元锂电池回收、拆解、重组、再生利用过程和末端处置阶段,由于存在柴油、电力、辅助材料等的消耗,碳排放表现为正值.这4个生命周期阶段的碳排放量分别为8.30´105kgCO2eq、5.23´103kgCO2eq、1.57´106kgCO2eq、4.83´106kgCO2eq和1.71´106kgCO2eq.拆解过程的碳排放相对于其他生命周期阶段较低,主要由于整个拆解过程由人工拆解加半自动化方式完成,消耗能源及物料较少.

图3进一步比较了不同生命周期阶段的碳排放贡献占比.分析发现,再生利用阶段再生材料产出对生命周期碳足迹贡献最大,贡献值为104.44%;其次为梯次利用过程,其对生命周期碳足迹的贡献值为43.00%.在回收、拆解、重组、材料再生过程和末端处置过程中,由于能源消耗和辅料投入导致其对生命周期碳足迹呈现正向环境影响,贡献值为负值,其对生命周期碳足迹的贡献值分别为-4.71%、-0.03%、-8.11%、-30.00%、-4.48%.

由图3分析可知,再生材料产出是生命周期碳足迹最大的贡献来源.通过进一步比较各类资源在再生材料产出环节的碳排放不同占比,发现正极材料金属、其他金属、塑料对再生材料产出过程碳减排的贡献大小依次为正极材料金属(镍、钴、锰)>其他金属(铜、铝)>塑料,其碳排放占比分别为54.97%、41.97%、3.05%.具体来看,正极材料金属中钴的碳减排贡献最大,为49.55%,其次为镍和锰,其碳减排贡献分别为30.03%和20.42%;其他金属中铝的碳减排贡献最大,为92.96%,其次为铜,占比为7.31%.三元锂电池中的正极材料中富含镍、钴、锰等金属,是再生材料产出最大的贡献来源,其次是三元锂电池中含有铝箔、铜箔和铝制外壳;塑料则主要来源于电池隔膜.

图3 退役三元锂电池循环利用系统碳足迹及贡献占比

2.2 生命周期成本分析

将退役三元锂电池的回收利用过程划分回收(收集运输)、拆解、重组、梯次利用、再生利用过程、再生材料产出和末端处置7个生命周期阶段,分析各阶段成本及贡献占比(图4).基于各阶段数据计算得出退役三元锂电池循环利用生命周期成本为-33613.15万元.生命周期成本的结果值为负值,表明退役三元锂电池循环利用系统具有正向的经济效益.梯次利用和再生材料产出阶段,由于可替代原生生产过程,这两个阶段的生命周期成本为-6000万元和-31883.99万元.退役三元锂电池梯次利用产生的经济效益为6000万元,占生命周期总收益的17.85%;再生利用阶段的再生材料产出产生的经济收益为31883.99万元,占总收益的82.15%.具体分析再生材料产出过程,正极材料金属(镍、钴、锰)、其他金属(铜、铝)、塑料等再生材料产出带来的经济收益依次分别为25263.36万元、6578.51万元、42.12万元.回收、拆解、重组、再生利用过程和末端处置阶段,由于存在柴油、电力、酸碱试剂等材料的消耗,其生命周期成本均表现为正值.这5个生命周期阶段的成本分别为524.96万元、792.95万元、102.39万元、2409.41万元、441.14万元.

图4 退役三元锂电池循环利用系统生命周期成本及贡献占比

图4针对退役三元锂电池循环利用系统的经济成本进一步分析贡献占比.结果显示,退役三元锂电池循环利用系统总成本为4270.84万元,其中再生利用过程成本为2409.41万元,占总成本的56.42%,是最大的成本贡献来源;其次为拆解过程,成本占比为18.57%;回收、重组和末端处置成本占比分别为12.29%、2.40%、10.33%.进一步比较了再生利用过程中不同能耗物耗的成本占比,磺化煤油在再生利用过程中对生命周期成本的贡献比例最大,为19.44%;其次为氢氧化钠的使用,成本占比为17.08%;硫酸、铁粉、氯酸钠和TBP(磷酸三丁酯)的使用成本也较高,占比均在10%以上.

2.3 不同优化情景生命周期分析

2.3.1 生命周期碳足迹优化分析 图5显示了不同情景的生命周期碳排放结果.现实系统和不同优化情景的碳足迹结果均为负值,且3种优化情景的碳足迹均低于现实系统,表明退役三元锂电池循环利用优化方案均表现出更优的环境效益.现实系统和3种优化情景中的电池梯次利用和再生材料产出可抵消回收、拆解、重组和末端处置过程中的能源物料消耗产生的碳排放影响.总体来看,现实系统和不同优化情景的碳足迹从大到小依次为:现实系统>优化情景1>优化情景3>优化情景2,优化情景2的碳减排效果最好,3种优化情景具体碳排放分别为-2.36´107kgCO2eq、-3.20´107kgCO2eq、-2.75´107kgCO2eq.具体来看,优化情景1在回收阶段采用汽车生产商主导的EPR回收模式,生命周期碳排放比现实系统减少了0.03´107kgCO2eq;优化情景2在现实系统的基础上,梯次利用比例从10%提高到30%,碳排放减少了0.87´107kgCO2eq;优化情景3相较于现实系统,采用更先进的湿法回收工艺,增加了对锂元素的回收,其整体碳排放降低了0.42´107kgCO2eq.

图5 不同情景生命周期碳排放分析

2.3.2 生命周期成本优化分析 基于生命周期成本分析方法对3种优化情景经济表现进行量化,结果如图6所示.退役三元锂电池循环利用系统经济成本为4270.84万元.现实系统和不同优化情景的生命周期成本从大到小依次为:优化情景1>现实系统>优化情景3>优化情景2.具体来看,3种优化情景生命周期成本分别为4349.91万元、3842.17万元、4072.37万元.从各优化情景对经济表现的情况来看,优化情景1在回收阶段比现实系统增加了79.07万元;优化情景2相较于现实系统,通过提高退役三元锂电池梯次利用比例,生命周期成本降低了428.67万元;优化情景3在现实系统的基础上,再生利用环节采用湿法回收B工艺,增加了对退役三元锂电池中锂元素的回收,整体成本降低了198.48万元.进一步将梯次利用收益和再生材料产出收益计入生命周期总成本,分析计算可得3种优化情景的生命周期成本均为负值,即不同优化情景均表现出经济收益.其生命周期成本大小依次为:优化情景1>现实系统>优化情景3>优化情景2.具体来看,现实系统及3种不同优化情景的生命周期总成本分别为-33613.15万元、-33534.08万元、-38956.49万元、-37149.25万元,即优化情景2的经济收益最高,优化情景1的经济收益最低.

图6 不同情景生命周期成本分析结果

2.4 减碳效率评估

结合生命周期碳排放和生命周期成本二维指标,对不同优化情景相对于现实系统的减碳效率开展评估,综合优化分析结果如图7所示.总体上,退役三元锂电池循环利用系统不同优化情景在生命周期碳排放和经济表现方面不尽相同.具体来看,优化情景1仅对碳减排起到优化作用,在经济成本方面高于现实系统,这主要由于动力电池生产商主导回收的回收模式在回收体系建设和管理方面前期需投入大量的资金以保证体系的后续正常运转;优化情景2和优化情景3在碳减排和经济成本方面均表现出积极影响,主要源于三元锂电池梯次利用比例增加和再生利用工艺的改善.具体来看,3种不同优化情景的减碳效率分别为3.12、-1.63和-1.19.即优化情景1为每增加一万元的成本消耗,同时减碳3.12t;优化情景2和优化情景3表示每增加一万元的经济收益,同时减碳1.63t和1.19吨t.优化情景2和优化情景3具有环境经济的协同改善作用,且优化情景2的减碳效率最为显著.

图7 不同优化情景减碳效率分析

2.5 不确定分析

本研究从生命周期的视角分析了退役三元锂电池循环利用系统的碳排放和生命周期成本.由于生命周期评价涉及数据量和范围面较大,加上三元锂电池规格和尺寸不一,难以将此项研究推广到所有的退役三元锂电池,然而已经努力提供一种可应用于实现其他三元锂电池开展减碳效率的方法.

为了降低整个研究结果的不确定性,使研究结果更贴近现实,研究中优先采用市场调研数据与企业回收处理数据作为一手数据,缺失的数据则采用企业环评报告和文献数据进行补充,对于背景过程以及难以获得一手数据的单元过程,如原材料生产、电力等能源生产过程,本研究选用PE-database和ecoinvent3等成熟的商业数据库数据并与相关文献数据进行了交叉验证,确保了数据的代表性.

调研企业为国内动力电池回收处理的典型代表性企业,由于目前从事退役动力电池非正规回收处理具有一定的普遍性,而从事正规化回收处理的企业数量较少,本研究选择了其中的核心企业开展数据调查,并与相关文献数据进行了交叉验证,确保了数据的代表性.

3.1 基于走访和市场调研,建立退役动力电池循环利用模型,并选取1GWh退役三元锂电池单体作为功能单位,评估得到当前退役三元锂电池循环利用系统的碳排放和生命周期成本分别为-2.33E+ 07kgCO2eq和-33613.15万元.表明退役三元锂电池循环利用系统具有减碳效益和经济效益.

3.2 梯次利用阶段和再生利用阶段是生命周期碳减排和成本收益的重要来源.其中,再生利用阶段中再生材料产出对生命周期碳足迹和成本收益的贡献最大,分别为104.44%和82.15%;其次为梯次利用电池对碳足迹和成本收益的贡献,分别为43.00%和17.85%.

3.3 减碳效率评估与优化分析表明,汽车生产商主导的回收优化情景仅对生命周期碳排放起到优化效果,且幅度较小,经济表现欠佳,整体减碳效率较低;提高三元锂电池梯次利用比例和采用更加先进的湿法回收工艺对生命周期碳减排和经济收益具有协同增效作用,且提高梯次利用比例显示出更优的减碳效率.

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Evaluation and optimization analysis of carbon reduction efficiency of retired NCM lithium battery recycling system.

LI Jian-xi1, SONG Xiao-long1,2*, PAN Jing-jin3,4, ZHUANG Xu-ning1,2, ZHAO Jing1,2, DOU Yong-qi1

(1.School of Resources and Environmental Engineering, Shanghai Polytechnic University, Shanghai 201209, China；
2.Shanghai Collaborative Innovation Center for WEEE Recycling, Shanghai 201209, China；
3.Green Development Research Center, China Electronics Standarization Institute, Beijing 100007, China；
4.School of Materials Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100083, China)., 2023,43(1)：488～496

With the rapid development of China"s new energy vehicle industry, a large number of power batteries have entered the retirement period. It has become an important research topic to identify the synergistic effect of cost and carbon reduction and carry out systematic optimization analysis in view of the current situation of retired power battery recycling. The carbon footprint and economic cost of the retired NCM lithium battery recycling system in China were analyzed by using life cycle assessment and life cycle costing. The carbon footprint and life cycle cost of the retired NCM lithium battery recycling system with 1GWh capacity were -2.33´107kgCO2eq and –336131500 yuan, respectively. The carbon reduction efficiency assessment and scenario analysis were carried out based on the two-dimensional indicators of carbon footprint and life cycle cost. It was found that compared with the real system, the optimization scenario dominated by automobile manufacturers had lower carbon reduction efficiency, and the optimization scenario with higher echelon utilization ratio had the optimal carbon reduction efficiency. The carbon reduction efficiency of the retired NCM lithium battery recycling system can be significantly improved by increasing the proportion of echelon utilization and adopting advanced resource recovery technology.

retired NCM lithium battery；
life cycle assessment；
carbon footprint；
life cycle costing；
carbon reduction efficiency

X196

A

1000-6923(2023)01-0488-09

李建西(1996-),男,河南永城人,上海第二工业大学硕士研究生,主要研究方向为退役动力电池资源化、生命周期评价及其应用.发表论文1篇.

2022-06-07

国家重点研发计划项目(2019YFC1906101)

* 责任作者, 研究员, songxiaolong@sspu.edu.cn

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