JP5669098B2 - Ion conductive crystal and solid electrolyte using the same, battery separator, battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオン電池に有用なイオン伝導性結晶およびそれを用いた固体電解質、電池用セパレータ、電池に関する。 The present invention relates to an ion conductive crystal useful for a lithium ion battery, a solid electrolyte using the crystal, a battery separator, and a battery.
現在、存在する電池の種類は化学電池と物理電池の二つに分けられる。化学電池とはエネルギーを化学反応によって直接に直流電流に変換する電池である。この化学電池には一次電池、二次電池、燃料電池、生物電池が分類される。一方、物理電池は、光や熱による物理変化によって生じるエネルギーを電気エネルギーに変換するものである。物理電池には太陽電池、熱電池、原子力電池等が分類される。 Currently, there are two types of batteries: chemical batteries and physical batteries. A chemical battery is a battery that directly converts energy into direct current through a chemical reaction. The chemical battery includes a primary battery, a secondary battery, a fuel cell, and a biological battery. On the other hand, a physical battery converts energy generated by a physical change caused by light or heat into electrical energy. Physical batteries are classified into solar cells, thermal batteries, nuclear batteries, and the like.
また、近年、自動車、ノート型パソコン、携帯電話などの急速な市場拡大に伴い、これらに用いられる二次電池として、リチウムイオン電池が注目を集めている。このリチウムイオン電池は、軽量である、高エネルギー密度が得られる、動作電圧が高い、メモリー効果がない、充放電のサイクル寿命が長い等の優れた特徴を備えているため、電源としての重要性が高まってきている。 In recent years, with the rapid market expansion of automobiles, notebook computers, mobile phones and the like, lithium ion batteries have attracted attention as secondary batteries used in these. This lithium-ion battery has excellent features such as light weight, high energy density, high operating voltage, no memory effect, and long charge / discharge cycle life. Is growing.
一般に、リチウムイオン電池は、正極と、負極と、セパレータと、電解液から構成されている。また、一般に、正極は、正極活物質及び正極集電体を備えており、正極集電体にはアルミニウムが用いられている。また、負極は、負極活物質及び負極集電体を備えており、負極集電体には銅が用いられている。 In general, a lithium ion battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolytic solution. In general, the positive electrode includes a positive electrode active material and a positive electrode current collector, and aluminum is used for the positive electrode current collector. The negative electrode includes a negative electrode active material and a negative electrode current collector, and copper is used for the negative electrode current collector.
例えば、正極集電体の表面に正極活物質を形成した正極と、負極集電体の表面に負極活物質を形成した負極と、正極と負極との間に設けられたセパレータと、正極と負極の間を満たす非水電解液とを備えたリチウムイオン電池が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 For example, a positive electrode having a positive electrode active material formed on the surface of the positive electrode current collector, a negative electrode having a negative electrode active material formed on the surface of the negative electrode current collector, a separator provided between the positive electrode and the negative electrode, a positive electrode and a negative electrode A lithium ion battery provided with a non-aqueous electrolyte satisfying the above has been disclosed (for example, see Patent Document 1).
また、非水電解液に代えて、高分子電解質を使用したリチウムイオン電池も提案されている。例えば、正極と負極との間に、ポリエチレンオキシドやポリプロピレンオキシド等により形成された高分子固体電解質膜からなるセパレータとを備えたリチウムイオン電池が開示されている(例えば、特許文献2参照)。 A lithium ion battery using a polymer electrolyte instead of a non-aqueous electrolyte has also been proposed. For example, a lithium ion battery including a separator made of a polymer solid electrolyte membrane formed of polyethylene oxide, polypropylene oxide, or the like between a positive electrode and a negative electrode is disclosed (for example, see Patent Document 2).
しかし、上記特許文献1に記載のリチウムイオン電池では、正極と負極の間にセパレータと非水電解液が設けられているため、リチウムイオン電池の容積が大きくなり、小型化に対応することが困難になるという問題があった。 However, in the lithium ion battery described in Patent Document 1, since the separator and the non-aqueous electrolyte are provided between the positive electrode and the negative electrode, the volume of the lithium ion battery becomes large and it is difficult to cope with downsizing. There was a problem of becoming.
また、電解液を使用するため、電池本体の損傷、劣化等により液漏れが生じるおそれがあるという問題があった。 In addition, since an electrolytic solution is used, there is a problem that liquid leakage may occur due to damage or deterioration of the battery body.
また、上記特許文献2に記載のリチウムイオン電池では、高分子電解質を使用しているため、正極と負極との間において、リチウムイオンだけでなく電子の輸送も行われてしまい、結果として、絶縁性に劣るという問題があった。 In addition, since the lithium ion battery described in Patent Document 2 uses a polymer electrolyte, not only lithium ions but also electrons are transported between the positive electrode and the negative electrode, resulting in insulation. There was a problem of inferiority.
そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小型化に対応することができるとともに、電解液の液漏れを防止することができるリチウムイオン電池の電解質として有用なイオン伝導性結晶及びそれを用いた固体電解質、電池用セパレータ、電池を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above points, and the object of the present invention is to provide an electrolyte for a lithium ion battery that can cope with downsizing and can prevent leakage of the electrolytic solution. An ion conductive crystal useful as a solid electrolyte, a solid electrolyte using the crystal, a battery separator, and a battery.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、電気的絶縁性を有し、リチウムイオンを包接したクラウンエーテルとマイナス1価のジチオレート金属錯体とがイオン結合することにより形成され、クラウンエーテルが18−crown−6であり、下記式(1)で表されることを特徴とするイオン伝導性結晶である。 In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 is formed by ionic bonding between a crown ether having an electrical insulating property and including lithium ions and a minus monovalent dithiolate metal complex. a crown ether 18-crown-6, an ion conductive crystal, characterized by being represented by the following formula (1).
また、請求項2に記載の発明は、電気的絶縁性を有し、リチウムイオンを包接したクラウンエーテルとマイナス1価のジチオレート金属錯体とがイオン結合することにより形成され、前記クラウンエーテルが15−crown−5であり、下記式(2)で表されることを特徴とするイオン伝導性結晶である。 Further, an invention according to claim 2, having an electrical insulating property, crown ether inclusion complex lithium ions and a negative monovalent dithiolate metal complex is formed by ionic bonding, the crown ether is 15 It is -crown-5 , and is an ion conductive crystal characterized by being represented by the following formula (2) .
また、請求項3に記載の発明は、請求項1または請求項2に記載のイオン導電性結晶であって、Mが、Ni 3+ であることを特徴とする。 The invention according to claim 3 is the ion conductive crystal according to claim 1 or 2 , wherein M is Ni 3+ .
また、請求項4に記載の発明は、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のイオン伝導性結晶からなることを特徴とする固体電解質である。 The invention according to claim 4 is a solid electrolyte comprising the ion conductive crystal according to any one of claims 1 to 3 .
また、請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の固体電解質からなることを特徴とする電池用セパレータである。 The invention according to claim 5 is a battery separator comprising the solid electrolyte according to claim 4 .
また、請求項6に記載の発明は、正極、負極、及び前記正極と前記負極との間に設けられ、前記正極と前記負極とにより狭持された請求項4に記載の固体電解質とを備えることを特徴とする電池である。 The invention according to claim 6 includes the positive electrode, the negative electrode, and the solid electrolyte according to claim 4 provided between the positive electrode and the negative electrode and sandwiched between the positive electrode and the negative electrode. It is a battery characterized by the above.
本発明によれば、小型化に対応することができ、電解液の液漏れを防止することができるリチウムイオン電池の電解質として有用なイオン伝導性結晶を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the ion conductive crystal useful as an electrolyte of the lithium ion battery which can respond to size reduction and can prevent the liquid leakage of electrolyte solution can be provided.
本発明のイオン伝導性結晶は、陽イオン(リチウムイオン)を包接したクラウンエーテル(18−クラウン−6)とジチオレートニッケル錯体(Ni(dmit)2)とが電気的
引き合った構造を有するものである。
The ion conductive crystal of the present invention has a structure in which a crown ether (18-crown-6) enclosing a cation (lithium ion) and a dithiolate nickel complex (Ni (dmit) 2 ) are electrically attracted to each other. It is.
より具体的には、本発明のイオン伝導性結晶は、全体として1価のカチオンであるリチウムイオンを包接したクラウンエーテル(Li+(18−クラウン−6))と、1価のアニオンであるジチオレートニッケル錯体(Ni(dmit)2)とがクーロン力によって電
気的に引き合い、結びつけられることにより(即ち、イオン結合することにより)形成されている。
More specifically, the ion conductive crystal of the present invention is a crown ether (Li + (18-crown-6)) that includes lithium ions that are monovalent cations as a whole and a monovalent anion. A dithiolate nickel complex (Ni (dmit) 2 ) is formed by being electrically attracted and bound by Coulomb force (that is, by ionic bonding).
図1に式(3)で表されるイオン伝導性結晶の構造図を示す。図1に示すように、本発明のイオン伝導性結晶1は、2つのリチウムイオン2に対し、3つのクラウンエーテル3と、2つのジチオレートニッケル錯体4と、4つの水分子5により構成され、以下の化学式により表される。 FIG. 1 shows a structural diagram of an ion conductive crystal represented by the formula (3). As shown in FIG. 1, the ion conductive crystal 1 of the present invention is composed of three crown ethers 3, two dithiolate nickel complexes 4, and four water molecules 5 for two lithium ions 2. It is represented by the following chemical formula.
そして、図1に示すように、3つのクラウンエーテル3を1つのユニットとし、これが一次元的に積層することにより、結晶内にイオンチャネル9が形成されており、クラウンエーテル3に包接されたリチウムイオン2が、クラウンエーテル3からなるイオンチャネル9内を移動することができる。従って、上記式(4)で表される結晶は、イオン伝導性を有することになる。 Then, as shown in FIG. 1, three crown ethers 3 are formed as one unit, and these are stacked one-dimensionally, whereby ion channels 9 are formed in the crystal, and are included in the crown ether 3. Lithium ions 2 can move in ion channels 9 made of crown ether 3. Therefore, the crystal represented by the above formula (4) has ionic conductivity.
また、このイオン伝導性結晶内のジチオレートニッケル錯体は完全電荷移動状態であるため、固体では電気伝導性はない。従って、上記式(4)で表されるイオン伝導性結晶を使用することにより、リチウムイオンのみを輸送し、電子の輸送を行わない絶縁性に優れたリチウムイオン電池用の固体電解質を提供することが可能になる。 In addition, since the dithiolate nickel complex in the ion conductive crystal is in a complete charge transfer state, it is not electrically conductive in a solid state. Accordingly, by using the ion conductive crystal represented by the above formula (4), it is possible to provide a solid electrolyte for a lithium ion battery excellent in insulation that transports only lithium ions and does not transport electrons. Is possible.
従って、本発明のイオン伝導性結晶からなる固体電解質を、リチウムイオン電池用の電解液及びセパレータとして機能させ、図2に示すように、この固体電解質6を、正極シート7と負極シート8との間に介在させ、固体電解質6を正極シート7と負極シート8とにより狭持させることにより、電子の輸送を伴うことなく正極シート7と負極シート8との間をリチウムイオン2が移動することができることになる。 Therefore, the solid electrolyte made of the ion conductive crystal of the present invention is made to function as an electrolyte solution and a separator for a lithium ion battery, and this solid electrolyte 6 is made up of a positive electrode sheet 7 and a negative electrode sheet 8 as shown in FIG. By interposing the solid electrolyte 6 between the positive electrode sheet 7 and the negative electrode sheet 8, the lithium ions 2 can move between the positive electrode sheet 7 and the negative electrode sheet 8 without transporting electrons. It will be possible.
従って、上記従来のリチウムイオン電池とは異なり、正極と負極の間に電解液を設ける必要がなくなるため、リチウムイオン電池の容積を小さくすることが可能になり、結果として、電池の小型化に対応することが可能になる。 Therefore, unlike the above-described conventional lithium ion battery, it is not necessary to provide an electrolyte between the positive electrode and the negative electrode, so that the volume of the lithium ion battery can be reduced, and as a result, the battery can be made smaller. It becomes possible to do.
また、電解液を使用する必要がないため、電池本体の損傷、劣化等による液漏れの発生を防止することが可能になる。 Further, since it is not necessary to use an electrolytic solution, it is possible to prevent the occurrence of liquid leakage due to damage or deterioration of the battery body.
なお、ここで言う「固体電解質」とは、外部からの電場によりイオン(ここでは、リチウムイオン)を移動させることができるとともに、イオンの移動を利用して電力を取り出すこともできる固体であって、絶縁性に優れているものを言う。 The “solid electrolyte” referred to here is a solid that can move ions (here, lithium ions) by an electric field from the outside, and can also extract power by using the movement of ions. Say something that is excellent in insulation.
また、イオン伝導性結晶を構成するジチオレートニッケル錯体は磁性を有する(S=1/2スピンを有する)ため、イオン伝導性結晶は磁性を有することになる。従って、結晶内の内部磁場を外場(磁場など)によって変化させ、これによってイオン伝導率の制御を行うことが可能となる。 In addition, since the dithiolate nickel complex constituting the ion conductive crystal has magnetism (S = 1/2 spin), the ion conductive crystal has magnetism. Therefore, the internal magnetic field in the crystal is changed by an external field (such as a magnetic field), thereby making it possible to control ion conductivity.
例えば、リチウムイオンの伝導方向と垂直に磁場をかけることにより、リチウムイオンにローレンツ力が作用し、イオン伝導を阻害する(または、イオン伝導を促進する)ことが可能になる。 For example, by applying a magnetic field perpendicular to the conduction direction of lithium ions, Lorentz force acts on the lithium ions, thereby inhibiting ion conduction (or promoting ion conduction).
次に、本実施形態におけるイオン伝導性結晶の製造方法の概略を以下の反応スキーム1に示す。 Next, the outline of the manufacturing method of the ion conductive crystal in this embodiment is shown in the following reaction scheme 1.
<反応スキーム1>
式(6)で表される、全体として1価のカチオンであるリチウムイオンを包接したクラウンエーテル(Li+(18−クラウン−6))と、1価のアニオンであるジチオレートニッケル錯体とからなるイオン伝導性結晶を得るには、まず、式(5)の18−クラウン−6と過塩素酸リチウム(LiClO4)とをアセトニトリルに溶解した溶液を準備する。
<Reaction Scheme 1>
From a crown ether (Li + (18-crown-6)) that is clathrated with lithium ions, which are monovalent cations as a whole, represented by formula (6), and a dithiolate nickel complex, which is a monovalent anion. In order to obtain the ion conductive crystal, first, a solution in which 18-crown-6 of the formula (5) and lithium perchlorate (LiClO 4 ) are dissolved in acetonitrile is prepared.
また、TBA・Ni(dmit)2(ビス(1,3-ジチオール−2−チオン−4,5−ジチオレート)ニッケル(III)酸テトラブチルアンモニウム)を合成し、このTBA・Ni(dmit)2をアセトニトリルに溶解して、ジチオレートニッケル錯体を含有する溶液を
準備する。なお、TBA・Ni(dmit)2は、公知の方法(例えば、Steinmecke, G.; Sieler, H. J.; Krimes, R.; Hoyer, E. Phosphorus Sulfur 1979, 7, 49を参照)により
合成することができる。
Also, TBA · Ni (dmit) 2 (bis (1,3-dithiol-2-thione-4,5-dithiolate) nickel (III) tetrabutylammonium) was synthesized, and this TBA · Ni (dmit) 2 was synthesized. Dissolve in acetonitrile to prepare a solution containing the dithiolate nickel complex. TBA · Ni (dmit) 2 can be synthesized by a known method (see, for example, Steinmecke, G .; Sieler, HJ; Krimes, R .; Hoyer, E. Phosphorus Sulfur 1979, 7, 49). it can.
次いで、過塩素酸リチウムとクラウンエーテル(18−クラウン−6)が溶解したアセトニトリル溶液(以下、「溶液A」という。)をサンプル管に流し込み、ジチオレートニッケル錯体が溶解したアセトニトリル溶液(以下、「溶液B」という。)を、溶液Aと溶液Bとが急激に混合しないように、サンプル管に流し込む。 Next, an acetonitrile solution (hereinafter referred to as “solution A”) in which lithium perchlorate and crown ether (18-crown-6) are dissolved is poured into a sample tube, and an acetonitrile solution in which the dithiolate nickel complex is dissolved (hereinafter referred to as “solution A”). Solution B ”) is poured into the sample tube so that solution A and solution B do not mix rapidly.
次いで、サンプル管に蓋をせず、室温で3〜4日、暗所にて静置することにより、上述の式(3)に示すように、式(6)に示すリチウムイオンを包接したリチウム−クラウンエーテル(Li+(18−クラウン−6))とジチオレートニッケル錯体とが電気的引き合い、式(4)で表されるイオン伝導性結晶を得ることができる。 Next, without covering the sample tube, the lithium ion represented by the formula (6) was included as shown in the above formula (3) by leaving it in the dark at room temperature for 3 to 4 days. Lithium-crown ether (Li + (18-crown-6)) and a dithiolate nickel complex are electrically attracted to obtain an ion conductive crystal represented by the formula (4).
なお、本発明のイオン伝導性結晶は、陽イオン(リチウムイオン)を包接するクラウンエーテルとして、15−クラウン−5を使用したものであってもよい。即ち、リチウムイオンを包接し、全体として1価のカチオンであるリチウムイオン−クラウンエーテル(Li+(15−クラウン−5))を使用したものであってもよい。 In addition, the ion conductive crystal of this invention may use 15-crown-5 as a crown ether which clathrates a cation (lithium ion). That is, a lithium ion-crown ether (Li + (15-crown-5)) which is a monovalent cation as a whole may be used by including lithium ions.
この場合、イオン伝導性結晶の製造方法は、上述の18−クラウン−6を使用する場合と同様であり、上述の18−クラウン−6を15−クラウン−5に置き換えて製造することにより、下記式(7)で表されるイオン伝導性結晶を得ることができる。 In this case, the production method of the ion conductive crystal is the same as that in the case of using the above-mentioned 18-crown-6, and the following 18-crown-6 is produced by substituting 15-crown-5. An ion conductive crystal represented by the formula (7) can be obtained.
そして、式(7)で示されるイオン伝導性結晶を使用することにより、上述の式(4)で示されるイオン伝導性結晶と同様に、リチウムイオンのみを輸送し、電子の輸送を行わない絶縁性に優れたリチウムイオン電池用の電解質を提供することが可能になる。 Then, by using the ion conductive crystal represented by the formula (7), as in the case of the ion conductive crystal represented by the formula (4), the lithium ion is transported and the electron is not transported. It is possible to provide an electrolyte for a lithium ion battery having excellent properties.
なお、これらのクラウンエーテルのうち、環サイズの大きいクラウンエーテル(即ち、18−クラウン−6)を使用することにより、クラウンの空孔サイズ(即ち、上述のイオンチャネル9のサイズ)が大きくなるため、リチウムイオンがクラウンエーテルからなるイオンチャネル内を移動し易くなり、イオン伝導性が向上する。 Of these crown ethers, the use of a crown ether having a large ring size (that is, 18-crown-6) increases the pore size of the crown (that is, the size of the ion channel 9 described above). Lithium ions can easily move in the ion channel made of crown ether, and ion conductivity is improved.
次に、本実施形態におけるリチウムイオン電池について説明する。リチウムイオン電池の形状としては、円筒型と角型があり、いずれの形状の場合も、正極と負極がセパレータを介して捲回された捲回電極体(極板群)により構成されている。そして、この捲回電極体を電池ケース内へ挿入して、捲回電極体を封口した構造が採用されている。 Next, the lithium ion battery in this embodiment will be described. The shape of the lithium ion battery includes a cylindrical shape and a rectangular shape. In any case, the lithium ion battery is constituted by a wound electrode body (electrode plate group) in which a positive electrode and a negative electrode are wound through a separator. And the structure which inserted this winding electrode body in the battery case and sealed the winding electrode body is employ | adopted.
図3は、本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池の捲回電極体を構成する正負極及び電解液とセパレータとしての機能を有する固体電解質を示す断面図である。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing a solid electrolyte having a function as a positive and negative electrode, an electrolytic solution, and a separator constituting a wound electrode body of a lithium ion battery according to an embodiment of the present invention.
図3に示すように、捲回電極体10は、正極集電体11に正極活物質12を形成した正極シート7と、負極集電体13の表面に負極活物質14を形成した負極シート8と、正極シート7と負極シート8との間に設けられ、正極シート7と負極シート8とにより狭持された固体電解質6とを備えている。 As shown in FIG. 3, the wound electrode body 10 includes a positive electrode sheet 7 in which a positive electrode active material 12 is formed on a positive electrode current collector 11, and a negative electrode sheet 8 in which a negative electrode active material 14 is formed on the surface of a negative electrode current collector 13. And a solid electrolyte 6 provided between the positive electrode sheet 7 and the negative electrode sheet 8 and sandwiched between the positive electrode sheet 7 and the negative electrode sheet 8.
なお、本実施形態においては、単結晶であるイオン伝導性結晶からなる固体電解質6に正極シート7及び負極シート8を貼り付ける、または、イオン伝導性結晶を粉末状にし、これを正極シート7及び負極シート8により狭持させて、薄く押し固めることにより、捲回電極体10が形成されている。 In the present embodiment, the positive electrode sheet 7 and the negative electrode sheet 8 are attached to the solid electrolyte 6 made of an ion conductive crystal that is a single crystal, or the ion conductive crystal is powdered, and the positive electrode sheet 7 and The wound electrode body 10 is formed by being sandwiched by the negative electrode sheet 8 and being thinly pressed.
そして、この捲回電極体10を捲回して電池ケースに挿入し、正極シート7に接続された正極リードと、負極シート8に接続された負極リードを設けることにより、捲回電極体10により構成されたリチウム二次電池が形成されている。 Then, the wound electrode body 10 is wound and inserted into the battery case, and the positive electrode lead connected to the positive electrode sheet 7 and the negative electrode lead connected to the negative electrode sheet 8 are provided, thereby constituting the wound electrode body 10. A lithium secondary battery is formed.
また、本実施形態においては、固体電解質6が、上述のイオン伝導性結晶により形成される構成となっている。即ち、上述のイオン伝導性結晶は、リチウムイオン電池において、電解質およびセパレータとして機能し、充電反応および放電反応等の電極反応に直接寄与する構成となっている。 In the present embodiment, the solid electrolyte 6 is formed of the above-described ion conductive crystal. That is, the above-mentioned ion conductive crystal functions as an electrolyte and a separator in a lithium ion battery, and directly contributes to electrode reactions such as a charge reaction and a discharge reaction.
以下、固体電解質6に、上述のイオン伝導性結晶を使用する場合を例に挙げて説明する。 Hereinafter, the case where the above-described ion conductive crystal is used for the solid electrolyte 6 will be described as an example.
正極集電体11としては、例えば、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金、チタン等の導電性が良好な金属により形成されたものが使用される。 As the positive electrode current collector 11, for example, aluminum or an alloy containing aluminum as a main component, or one formed of a metal having good conductivity such as titanium is used.
正極活物質12としては、リチウムを含有した化合物(遷移金属とリチウムとの複合酸化物)を使用することができ、例えば、LiCoO2等のリチウムコバルト系複合酸化物、LiNiO2等のリチウムニッケル系複合酸化物、LiMnO2等のリチウムマンガン系複合酸化物等が使用される。正極活物質12は、単独で使用してもよく、2つ以上を組み合わせて使用してもよい。 As the positive electrode active material 12, a compound containing lithium (a composite oxide of a transition metal and lithium) can be used. For example, a lithium cobalt-based composite oxide such as LiCoO 2 or a lithium nickel-based compound such as LiNiO 2 A complex oxide, a lithium manganese complex oxide such as LiMnO 2 or the like is used. The positive electrode active material 12 may be used alone or in combination of two or more.
負極集電体13としては、例えば、銅、ニッケル、銀等の導電性が良好な金属により形成されたものが使用される。 As the negative electrode current collector 13, for example, one formed of a metal having good conductivity such as copper, nickel, silver or the like is used.
負極活物質14としては、天然黒鉛、人工黒鉛、高結晶黒鉛等の黒鉛系の物質、石油コークス、炭素繊維、有機高分子焼成物などの炭素材料、金属化合物、金属酸化物、リチウム金属化合物、リチウム−金属複合酸化物等を用いることができる。負極活物質14は、単独で使用してもよく、2つ以上を組み合わせて使用してもよい。 Examples of the negative electrode active material 14 include graphite materials such as natural graphite, artificial graphite, and high crystal graphite, carbon materials such as petroleum coke, carbon fiber, and fired organic polymer, metal compounds, metal oxides, lithium metal compounds, A lithium-metal composite oxide or the like can be used. The negative electrode active material 14 may be used alone or in combination of two or more.
また、正極活物質12及び負極活物質14には、導電剤、結着剤、フィラー、分散剤、イオン導電剤及びその他の各種添加剤が含有されていてもよい。 Further, the positive electrode active material 12 and the negative electrode active material 14 may contain a conductive agent, a binder, a filler, a dispersant, an ionic conductive agent, and other various additives.
そして、正極シート7は、例えば、LiCoO2等の正極活物質12に、アセチレンブラックやカーボンブラック等の導電剤や、ポリビニルアルコールやポリフッ化ビニリデン等の結着剤を添加して混合し、これを加圧成形、または溶剤に分散させてペーストを調製し、このペーストをアルミニウム箔等からなる正極集電体11上に塗布して、乾燥させることにより形成することができる。 The positive electrode sheet 7 is, for example, added to and mixed with a positive electrode active material 12 such as LiCoO 2 and a conductive agent such as acetylene black and carbon black, and a binder such as polyvinyl alcohol and polyvinylidene fluoride. It can be formed by pressure forming or dispersing in a solvent to prepare a paste, applying the paste onto the positive electrode current collector 11 made of aluminum foil or the like, and drying.
また、負極シート8は、例えば、天然黒鉛、人工黒鉛等からなる負極活物質14に、上述した結着剤を添加して混合し、これを加圧成形するか、または溶剤に分散させてペーストとし、このペーストを銅箔等の負極集電体13上に塗布して、乾燥させることにより形成することができる。 The negative electrode sheet 8 is a paste in which the above-mentioned binder is added to and mixed with the negative electrode active material 14 made of, for example, natural graphite, artificial graphite or the like, and this is pressure-molded or dispersed in a solvent. The paste can be formed on a negative electrode current collector 13 such as a copper foil and dried.
また、固体電解質6は、上述の方法により、例えば、全体として1価のカチオンであるリチウムイオンを包接したクラウンエーテル(Li+(18−クラウン−6))と、1価のアニオンであるジチオレートニッケル錯体とからなるイオン伝導性結晶を製造した後、イオン伝導性結晶の単結晶を、そのまま使用する、または結晶を粉末状にして正極シート7及び負極シート8により挟んで、薄く押し固めることにより、形成することができる。 Further, the solid electrolyte 6 is obtained by the above-described method, for example, crown ether (Li + (18-crown-6)) that includes lithium ions that are monovalent cations as a whole and dithio that is a monovalent anion. After producing an ion conductive crystal composed of a rate nickel complex, a single crystal of the ion conductive crystal is used as it is, or the crystal is made into a powder and sandwiched between the positive electrode sheet 7 and the negative electrode sheet 8 to be thinly consolidated. Can be formed.
そして、図2、図3に示すように、この固体電解質6を、正極シート7と負極シート8との間に介在させ、固体電解質6を正極シート7と負極シート8とにより狭持させることにより、正極シート7と負極シート8との間をリチウムイオン2が移動することができることになる。 As shown in FIGS. 2 and 3, the solid electrolyte 6 is interposed between the positive electrode sheet 7 and the negative electrode sheet 8, and the solid electrolyte 6 is sandwiched between the positive electrode sheet 7 and the negative electrode sheet 8. Thus, the lithium ions 2 can move between the positive electrode sheet 7 and the negative electrode sheet 8.
なお、上記実施形態は以下のように変更しても良い。 In addition, you may change the said embodiment as follows.
上記実施形態においては、ジチオレート金属錯体としてジチオレートニッケル錯体(Ni(dmit)2)を使用したが、ジチオレート金属錯体はこれに限定されず、電荷を中性に保つためのアニオンであってもよい。即ち、本発明のイオン伝導性結晶においては、直接、イオン伝導に寄与するのは、リチウム−クラウンエーテル部分であるため、必ずしも磁性を有する必要はなく、アニオンであればよい。例えば、ジチオレートパラジウム錯体(Pd(dmit)2)やジチオレート白金錯体(Pt(dmit)2)を使用する構成としてもよい。 In the above embodiment, a dithiolate nickel complex (Ni (dmit) 2 ) is used as the dithiolate metal complex, but the dithiolate metal complex is not limited to this, and may be an anion for keeping the charge neutral. . That is, in the ion conductive crystal of the present invention, it is the lithium-crown ether moiety that directly contributes to the ion conduction. For example, a configuration using a dithiolate palladium complex (Pd (dmit) 2 ) or a dithiolate platinum complex (Pt (dmit) 2 ) may be used.
そして、この場合も上述のジチオレートニッケル錯体を使用する場合と同様に、小型化に対応することができ、電解液の液漏れを防止することができるリチウムイオン電池の電解質として有用なイオン伝導性結晶を提供することができる。 In this case, as in the case of using the above-mentioned dithiolate nickel complex, ion conductivity useful for an electrolyte of a lithium ion battery that can cope with downsizing and can prevent leakage of the electrolytic solution. Crystals can be provided.
また、上記実施形態においては、シート形状を有する捲回電極体10を例に挙げて説明したが、捲回電極体10の形状は、特に限定されない。 In the above embodiment, the wound electrode body 10 having a sheet shape has been described as an example. However, the shape of the wound electrode body 10 is not particularly limited.
以下に、本発明を実施例に基づいて説明する。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、これらの実施例を本発明の趣旨に基づいて変形、変更することが可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。 Hereinafter, the present invention will be described based on examples. In addition, this invention is not limited to these Examples, These Examples can be changed and changed based on the meaning of this invention, and they are excluded from the scope of the present invention. is not.
(イオン伝導性結晶の合成)
式(5)の18−クラウン−6(東京化成工業(株)製、商品名18-crown-6-Ether)130mgと過塩素酸リチウム(無水)(関東化学(株)製、商品名Lithium perchlorate,anhydrous)10mgとをアセトニトリル(ナカライテスク(株)製)5mlに溶解し、
溶液Aを得た。
(Synthesis of ion-conductive crystals)
18-crown-6 (trade name 18-crown-6-Ether, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) of formula (5) and lithium perchlorate (anhydrous) (trade name, Lithium perchlorate, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) , anhydrous) and 10 mg in acetonitrile (Nacalai Tesque) 5 ml,
Solution A was obtained.
また、公知の方法により、TBA・Ni(dmit)2を合成し、次いで、このTBA・
Ni(dmit)27mgをアセトニトリル(ナカライテスク(株)製)5mlに溶解して
、ジチオレートニッケル錯体を含有する溶液Bを得た。
Further, TBA · Ni (dmit) 2 is synthesized by a known method, and then this TBA · Ni (dmit) 2 is synthesized.
7 mg of Ni (dmit) 2 was dissolved in 5 ml of acetonitrile (manufactured by Nacalai Tesque) to obtain a solution B containing a dithiolate nickel complex.
次いで、5mlの溶液Aを10mlのサンプル管に流し込んだ後、5mlの溶液Bを、溶液Aと溶液Bとが急激に混合しないように(溶液Aの界面を乱さないように)、サンプル管にゆっくりと流し込んだ。 Next, after pouring 5 ml of solution A into the 10 ml sample tube, 5 ml of solution B is added to the sample tube so that solution A and solution B do not mix rapidly (so as not to disturb the interface of solution A). I poured it slowly.
次いで、溶液Aと溶液Bが流し込まれたサンプル管に蓋をせず、室温で3〜4日、暗所にて静置した。そうすると、サンプル管の底に黒色(濃緑色)の板状結晶が沈殿し、式(4)で表されるイオン伝導性結晶を得た。 Next, the sample tube into which the solution A and the solution B were poured was not covered, and was allowed to stand in the dark at room temperature for 3 to 4 days. Then, a black (dark green) plate-like crystal was precipitated at the bottom of the sample tube, and an ion conductive crystal represented by the formula (4) was obtained.
また、15−クラウン−5(東京化成工業(株)製、商品名15-crown-5-Ether)100mgと過塩素酸リチウム(無水)(関東化学(株)製、商品名Lithium perchlorate,anhydrous)10mgとをアセトニトリル(ナカライテスク(株)製)5mlに溶解し、溶液
Cを得た。
Also, 15-crown-5 (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., trade name 15-crown-5-Ether) 100 mg and lithium perchlorate (anhydrous) (Kanto Chemical Co., Ltd., trade name Lithium perchlorate, anhydrous) 10 mg was dissolved in 5 ml of acetonitrile (manufactured by Nacalai Tesque) to obtain a solution C.
次いで、5mlの溶液Cを10mlのサンプル管に流し込んだ後、5mlの溶液Bを、溶液Cと溶液Bとが急激に混合しないように(溶液Cの界面を乱さないように)、サンプル管にゆっくりと流し込んだ。 Then, after pouring 5 ml of solution C into the 10 ml sample tube, 5 ml of solution B is added to the sample tube so that solution C and solution B do not mix rapidly (so as not to disturb the interface of solution C). I poured it slowly.
次いで、溶液Cと溶液Bが流し込まれたサンプル管に蓋をせず、室温で3〜4日、暗所にて静置した。そうすると、サンプル管の底に黒色(濃緑色)の板状結晶が沈殿し、式(7)で表されるイオン伝導性結晶を得た。 Next, the sample tube into which the solution C and the solution B were poured was not covered, and was allowed to stand in the dark at room temperature for 3 to 4 days. Then, a black (dark green) plate-like crystal was precipitated at the bottom of the sample tube, and an ion conductive crystal represented by the formula (7) was obtained.
(単結晶X線解析)
次に、得られた板状結晶の単結晶X線解析を行い、板状結晶が式(4)で表されるイオン伝導性結晶、及び式(7)で表されるイオン伝導性結晶であることを確認した。
(Single crystal X-ray analysis)
Next, a single crystal X-ray analysis of the obtained plate crystal is performed, and the plate crystal is an ion conductive crystal represented by the formula (4) and an ion conductive crystal represented by the formula (7). It was confirmed.
なお、単結晶X線解析は、測定装置(Bruker社製、CCD APEX)を使用し、Mo Kα0.71Åを使用することにより行った。得られた式(4)で表されるイオ
ン伝導性結晶の結晶構造を図4に示す。
Single crystal X-ray analysis was performed by using a measuring device (Bruker, CCD APEX) and using Mo Kα 0.71Å. The crystal structure of the ion-conductive crystal represented by the obtained formula (4) is shown in FIG.
また、得られたイオン伝導性結晶の単位格子パラメータを以下に示す。 The unit cell parameters of the obtained ion conductive crystal are shown below.
単位格子の寸法:a=11.4822Å、b=12.8414Å、c=13.8207Å、V=1906.18Å3、α=82.596°、β=88.053°、γ=70.614°
結晶構造:R1=0.0417、wR2=0.1160、GOF=1.002
Unit cell dimensions: a = 11.4822 Å, b = 12.8414 Å, c = 13.8207 =, V = 1906.18 3 3 , α = 82.596 °, β = 88.053 °, γ = 70.614 °
Crystal structure: R 1 = 0.0417, wR 2 = 0.1160, GOF = 1.002
また、得られた式(7)で表されるイオン伝導性結晶の結晶構造を図5に示す。 Further, FIG. 5 shows the crystal structure of the obtained ion conductive crystal represented by the formula (7).
また、得られたイオン伝導性結晶の単位格子パラメータを以下に示す。 The unit cell parameters of the obtained ion conductive crystal are shown below.
単位格子の寸法:a=10.4783Å、b=12.5798Å、c=13.1637Å、V=1693.55Å3、α=84.735°、β=78.647°、γ=87.558°
結晶構造:R1=0.0419、wR2=0.1164、GOF=1.034
Unit cell dimensions: a = 10.4783Å, b = 12.5798Å, c = 13.1637Å, V = 1693.55Å 3 , α = 84.735 °, β = 78.647 °, γ = 87.558 °
Crystal structure: R 1 = 0.0419, wR 2 = 0.1164, GOF = 1.034
上述の図1において説明したように、図4、図5から、式(4)及び式(7)で表されるイオン伝導性結晶においては、3つのクラウンエーテルを1つのユニットとし、これが一次元的に積層することにより、結晶内にイオンチャネルが形成されており、クラウンエーテルに包接されたリチウムイオンが、クラウンエーテルからなるイオンチャネル内を移動することができる構造となっていることが判る。 As described with reference to FIG. 1 above, from FIGS. 4 and 5, in the ion conductive crystal represented by the formulas (4) and (7), three crown ethers are used as one unit, which is one-dimensional. As a result, the ion channel is formed in the crystal, and the lithium ions included in the crown ether can move in the ion channel made of crown ether. .
(交流抵抗測定)
次に、イオン伝導性結晶の交流抵抗を測定し、上記式(4)及び式(7)で表される結晶がイオン伝導性を有することを確認した。
(AC resistance measurement)
Next, the AC resistance of the ion conductive crystal was measured, and it was confirmed that the crystal represented by the above formulas (4) and (7) had ion conductivity.
なお、交流抵抗は、測定装置(Agilent Technologies社製、E4980A Precision LCR Meter)を使用することにより行った。 In addition, alternating current resistance was performed by using a measuring apparatus (Agilent Technologies company make, E4980A Precision LCR Meter).
また、測定は、まず、上述の合成により得られた板状結晶に金ペーストを用いて金線を2本張り(2端子法)、端子と銅線が接続された基板の上に単結晶を載置し、銅線と金線とを金ペーストで接続した。次いで、測定装置を使用して、周波数の範囲を20Hz〜2MHzに設定し、室温におけるインピーダンスの実数部(Z’)と虚数部(Z’’)とを測定した。 In the measurement, first, two gold wires are stretched on a plate-like crystal obtained by the above synthesis using a gold paste (two-terminal method), and a single crystal is formed on a substrate on which the terminal and the copper wire are connected. The copper wire and the gold wire were connected with a gold paste. Next, using the measuring device, the frequency range was set to 20 Hz to 2 MHz, and the real part (Z ′) and imaginary part (Z ″) of the impedance at room temperature were measured.
なお、式(4)で表されるイオン伝導性結晶の測定においては、縦0.25mm、横0.3mm、厚さ9μmの板状結晶を使用した。また、式(7)で表されるイオン伝導性結晶については、縦0.3mm、横0.3mm、厚さ9μmの板状結晶を使用した。 In the measurement of the ion conductive crystal represented by the formula (4), a plate crystal having a length of 0.25 mm, a width of 0.3 mm, and a thickness of 9 μm was used. Moreover, about the ion conductive crystal represented by Formula (7), the plate-shaped crystal | crystallization of length 0.3mm, width 0.3mm, and thickness 9micrometer was used.
式(4)で表されるイオン伝導性結晶のインピーダンススペクトルを図6に示すとともに、式(7)で表されるイオン導電性結晶のインピーダンススペクトルを図7に示す。なお、図6、図7においては、縦軸が虚数部、横軸が実数部を示す。 FIG. 6 shows the impedance spectrum of the ion conductive crystal represented by the formula (4), and FIG. 7 shows the impedance spectrum of the ion conductive crystal represented by the formula (7). 6 and 7, the vertical axis represents the imaginary part and the horizontal axis represents the real part.
図6、図7に示すように、イオン伝導性結晶のインピーダンススペクトルは、複素数平面上において、半円を描き、抵抗とキャパシタンスからなる並列回路のインピーダンススペクトルに相当することが判った。 As shown in FIGS. 6 and 7, it was found that the impedance spectrum of the ion conductive crystal is a semicircle on the complex plane, and corresponds to the impedance spectrum of the parallel circuit composed of resistance and capacitance.
また、図6に示すように、高周波側(6KHz〜2MHz)で、半円の式(Y={r2−(X−r)2}1/2)に従って、フィッティングを行った。この値を元に得られた伝度率Sは、2.4×10−7S・cm−1であった(S=1/Ω)。 Further, as shown in FIG. 6, fitting was performed on the high frequency side (6 KHz to 2 MHz) according to a semicircular equation (Y = {r 2 − (X−r) 2 } 1/2 ). The conductivity S obtained based on this value was 2.4 × 10 −7 S · cm −1 (S = 1 / Ω).
また、図7に示すように、高周波側(1.6KHz〜2MHz)で、半円の式(Y={r2−(X−r)2}1/2)に従って、フィッティングを行った。この値を元に得られた伝度率Sは、4.2×10−8S・cm−1であった(S=1/Ω)。 Further, as shown in FIG. 7, fitting was performed on the high frequency side (1.6 KHz to 2 MHz) according to a semicircular equation (Y = {r 2 − (X−r) 2 } 1/2 ). The conductivity S obtained based on this value was 4.2 × 10 −8 S · cm −1 (S = 1 / Ω).
以上より、上記式(4)及び式(7)で表される結晶は、イオン伝導性を有することが判る。 As mentioned above, it turns out that the crystal | crystallization represented by the said Formula (4) and Formula (7) has ion conductivity.
(磁化率測定)
次に、式(4)で表されるイオン伝導性結晶の磁化率を測定した。磁化率の測定は、測定装置として、SQUID磁束計(QUANTUM DESIGN社製、QUANTUM DESIGN MPMS5S SQUID)を使用し、薬用のカプセルに測定用の試料を入れた後、そのカプセルをストローの中に入れて固定し、SQUID磁束計に挿入することにより行った。
(Magnetic susceptibility measurement)
Next, the magnetic susceptibility of the ion conductive crystal represented by the formula (4) was measured. The magnetic susceptibility is measured using a SQUID magnetometer (manufactured by QUANTUM DESIGN, QUANTUM DESIGN MPMS5S SQUID) as a measuring device. This was done by fixing and inserting into a SQUID magnetometer.
図8に示すように、得られた結晶内に、強い反強磁性的相互作用の存在が示唆された。また、磁化率曲線を、下記数式で示されるsinglet-triplet熱励起モデル(C=0.39
4emu・K/molで計算)で再現したところ、磁気交換相互作用|2J/kB| /K
=650Kとなった。
As shown in FIG. 8, it was suggested that strong antiferromagnetic interaction exists in the obtained crystal. Further, the magnetic susceptibility curve is expressed by a single-triplet thermal excitation model (C = 0.39) represented by the following mathematical formula.
4emu · K / mol), the magnetic exchange interaction | 2J / k B | / K
= 650K.
(示差熱測定)
次に、式(4)で表されるイオン伝導性結晶の熱的特性を測定した。なお、測定装置として、示差熱熱重量同時測定装置(Rigaku社製、Thermo plus TG8120)を使用した。
(Differential heat measurement)
Next, the thermal characteristics of the ion conductive crystal represented by the formula (4) were measured. In addition, the differential thermothermal weight simultaneous measuring apparatus (The product made by Rigaku, Thermo plus TG8120) was used as a measuring apparatus.
また、アルミ製の容器(直径5mm、高さ3mm)上にイオン導電性結晶を10mg載置し、窒素雰囲気下で、13℃から80℃まで、昇温速度2℃/分で加熱し、80℃で5時間、放置した後、さらに2℃/分の昇温速度で200℃まで加熱することにより行った
。以上の結果を図9、図10に示す。なお、図9に示す「TG曲線」は、雰囲気温度の上昇(または、下降)によるサンプルの重量変化を、温度に対して記録したものであり、図10に示す「DTA曲線」は、サンプルホルダーに設けられた熱電対の起電力により、リファレンスとサンプルとの温度差を検出して記録したものである。
In addition, 10 mg of ion conductive crystals were placed on an aluminum container (diameter 5 mm, height 3 mm), heated in a nitrogen atmosphere from 13 ° C. to 80 ° C. at a heating rate of 2 ° C./min, 80 After leaving it to stand at 5 ° C. for 5 hours, it was further heated to 200 ° C. at a heating rate of 2 ° C./min. The above results are shown in FIGS. The “TG curve” shown in FIG. 9 is a record of the change in weight of the sample with respect to the temperature due to the increase (or decrease) in the ambient temperature. The “DTA curve” shown in FIG. The temperature difference between the reference and the sample is detected and recorded by the electromotive force of the thermocouple provided in the.
図9に示すように、50℃から徐々にイオン伝導性結晶の重量が減少し、80℃で−3.8%の重量変化が確認できた。これは、イオン伝導性結晶内に含まれる水分子の重量パ
ーセントの計算値(4.0%)とほぼ一致するため、イオン伝導性結晶内の水分子は、50℃付近から徐々に抜け、80℃では、完全に抜けているものと考えられる。
As shown in FIG. 9, the weight of the ion conductive crystal gradually decreased from 50 ° C., and a weight change of −3.8% was confirmed at 80 ° C. This substantially coincides with the calculated value (4.0%) of the weight percentage of water molecules contained in the ion conductive crystal, so that the water molecules in the ion conductive crystal gradually escape from around 50 ° C. At ℃, it is considered to be completely absent.
また、図9に示すように、160℃付近から、重量が大きく減少していることが判る。これは、イオン伝導性結晶自体の溶解が開始しているものと考えられる。このことは、図10に示すように、160℃付近に大きなピークが表れていることからも判る。即ち、水分子が完全に抜けた状態である80℃以上の温度においては、イオン伝導性結晶のイオン伝導率は大きく上昇するものと考えられ、また、160℃でイオン伝導性結晶自体が溶解することから、イオン伝導性結晶を電池に応用した場合に、異常発熱の発生に伴い、電池の機能が停止する「メルトダウン効果」が発揮されるものと考えられる。 Further, as shown in FIG. 9, it can be seen that the weight is greatly reduced from around 160.degree. This is considered that the dissolution of the ion conductive crystal itself has started. This can also be seen from the fact that a large peak appears around 160 ° C. as shown in FIG. That is, it is considered that the ionic conductivity of the ion conductive crystal is greatly increased at a temperature of 80 ° C. or more in which water molecules are completely removed, and the ion conductive crystal itself is dissolved at 160 ° C. From this, it is considered that when the ion conductive crystal is applied to a battery, a “meltdown effect” is exhibited in which the function of the battery is stopped with the occurrence of abnormal heat generation.
なお、式(7)で表されるイオン伝導性結晶の熱的特性も式(4)で表されるイオン伝導性結晶の場合と同様のピークを得ることができるものと考えられる。また、式(7)で表されるイオン伝導性結晶の熱的特性を測定する場合、2℃/分の昇温速度で加熱する際に、80℃における質量減少割合が2%であることが好ましい。この2%という数値は、式(7)で表されるイオン伝導性結晶内に含まれる水分子の重量パーセントの計算値(2.0%)に該当する。この場合も、80℃付近において、水分子が抜けることで、80℃付近からのイオン伝導率の向上が期待できる。 In addition, it is thought that the thermal characteristic of the ion conductive crystal represented by Formula (7) can also obtain the same peak as the case of the ion conductive crystal represented by Formula (4). Further, when measuring the thermal characteristics of the ion conductive crystal represented by the formula (7), when the heating rate is 2 ° C./min, the mass reduction rate at 80 ° C. is 2%. preferable. This numerical value of 2% corresponds to a calculated value (2.0%) of the weight percentage of water molecules contained in the ion conductive crystal represented by the formula (7). Also in this case, an improvement in ion conductivity from around 80 ° C. can be expected due to the elimination of water molecules around 80 ° C.
本発明の活用例としては、リチウムイオン電池に有用なイオン伝導性結晶およびそれを用いた電池用セパレータ、電池が挙げられる。 Examples of utilization of the present invention include ion conductive crystals useful for lithium ion batteries, battery separators using the same, and batteries.
1 イオン伝導性結晶
2 リチウムイオン
3 クラウンエーテル
4 ジチオレートニッケル錯体
5 水分子
6 固体電解質
7 正極シート
8 負極シート
9 イオンチャネル
10 捲回電極体
11 正極集電体
12 正極活物質
13 負極集電体
14 負極活物質
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ion conductive crystal 2 Lithium ion 3 Crown ether 4 Dithiolate nickel complex 5 Water molecule 6 Solid electrolyte 7 Positive electrode sheet 8 Negative electrode sheet 9 Ion channel 10 Winding electrode body 11 Positive electrode current collector 12 Positive electrode active material 13 Negative electrode current collector 14 Negative electrode active material
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