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JP7771503B2 - 電極タブと電極リードの連結部が断熱材でカバーされたパウチセル - Google Patents
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JP7771503B2 - 電極タブと電極リードの連結部が断熱材でカバーされたパウチセル - Google Patents

電極タブと電極リードの連結部が断熱材でカバーされたパウチセル

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Description

本出願は、2022年4月15日付韓国特許出願第10-2022-0046974号に基づく優先権の利益を主張し、同韓国特許出願の文献で開示のすべての内容は、本明細書の一部として含まれる。
本発明は、電極組立体、電極タブ、電極リード、及びパウチを含むパウチ電池セルに関する。
製品群による適用容易性が高く、高いエネルギー密度などの電気的特性を有する二次電池は、携帯用機器のみならず、電気的駆動源によって駆動する電気自動車(EV,Electric Vehicle)又はハイブリッド自動車(HEV,Hybrid Electric Vehicle)などに普遍的に応用されている。
これら二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少させるという一次的な長所のみならず、エネルギーの使用による副産物が全く発生しないという長所も有することから、環境に優しい、かつ、エネルギー効率性の向上のため新しいエネルギー源として注目されている。
現在、広く使用されている二次電池の種類では、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などがある。これら単位二次電池セル、つまり単位バッテリセルの作動電圧は、約2.5V~4.5Vである。よって、これよりもさらに高い出力電圧が求められる場合、複数個のバッテリセルを直列に連結して、バッテリパックを構成したりもする。また、バッテリパックに求められる充放電容量に応じて、複数のバッテリセルを並列に連結して、バッテリパックを構成したりもする。よって、前記バッテリパックに含まれるバッテリセルの個数及び電気的連結形態は、要求される出力電圧及び/又は充放電容量によって様々な設定が可能である。
一方、通常、二次電池は、電池ケースの形状に応じて、電極組立体が円筒型又は角型金属缶に内装している円筒型電池及び角型電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに内装しているパウチ型電池に分類され、電池ケースに内装する電極組立体は、正極、負極、及び前記正極と前記負極との間に介在した分離膜構造からなり、充放電可能な発電素子であり、活物質が塗布された長いシート状の正極と負極との間に分離膜を介在して巻き取ったゼリーロール型と、所定の大きさの複数の正極と負極を分離膜に介在した状態で、順次積層したスタック型とに分類される。
このうち、スタック型及びパウチ型電池は、電池の高容量化により、ケースの大面積化及び薄い素材への加工が大きな関心を集めていることから、使用量が徐々に増えている。
図1は、典型的なパウチセルの平面図を示す。これを参照すると、パウチセルでは、パウチ10の外部に負極及び正極の電極リード12が突出しており、パウチ10は、電極リード12の一部を取り囲むリードフィルム13上にシールされる。
図2及び図3は、前記シールされる部分を示す。図2は、シールされる部分の平面図であり、図3は、シールされる部分の断面図である。これを参照すると、電極組立体11と連結された電極タブ14は、電極リード12と連結され、電極リード12の一部を取り囲むリードフィルム13上に、パウチ10がシーリングツールで加圧加熱して、シールされることにより、電極リード12の一部、電極タブ14、及び電極組立体11がパウチに収容されるようになる。
図4は、パウチセルにおいて、電極タブ14及び電極リード12からなる金属部41と、パウチに備えられた内部絶縁層30aとが癒着する様子を示す断面図である。
図2~図4を参照すると、金属部41とパウチの内部絶縁層30aが接触する場合、シーリング過程で、パウチ10及びリードフィルム13で加わって、電極リード12を介して金属部41に伝導される熱によって、金属部41とパウチの内部絶縁層30aとの癒着が発生し得た。これら癒着が発生した後、電極組立体11及び金属部41の流動がある場合、パウチの内部絶縁層30aに断絶が発生して、パウチセルの絶縁性能が不良になる問題があった。
一方、従来のパウチセルでは、電極タブ14と電極リード12との連結は、溶接を介して行われており、前記溶接部には、溶接による鋭いビードによってパウチ内面が損傷することを防止するため溶接テープ15を付着していた。しかし、これら溶接テープ15は、断熱性能がなくて、金属部41を介して伝導された熱が内部絶縁層30aを溶かして、癒着が発生する現象を防止することはできなかった。
本発明は、上記のような従来技術の背景下で創案されたものであって、金属部と内部絶縁層との間に癒着が発生しないように、パウチの内部金属層に溶接テープの代わりに断熱材を備えて、熱の伝導を防止することができる、改善したパウチセルを提供することを目的とする。
本発明の他の技術的課題は、溶接部ビードによるパウチ内面の損傷防止を、従来の溶接テープの代わりに前記断熱材で達することにある。
本発明のさらに他の技術的課題は、金属部をカバーする前記断熱材の形状と範囲を適宜選択することで、電極組立体又はリードフィルムと断熱材との間の干渉が起きない範囲で、前記断熱効果を最大限に発揮することにある。
本発明のさらに他の技術的課題は、改善した構造のパウチセルと、これを含むバッテリパック、そしてバッテリパックを含む電子機器を提供することにある。
本発明の技術的課題は、以上に言及した目的に制限されず、言及していない本発明の他の目的及び長所は、下記の説明によって理解することができ、本発明の実施形態によってより明らかに理解することができる。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示した手段及びその組み合わせによって実現できることが分かりやすい。
上記課題を解決するために本発明は、パウチに収容される電極組立体に連結された金属部の表面のうち、パウチの内部絶縁層と接触できる部分を断熱材でカバーするパウチセル構造と、前記断熱材の形状を提供する。
また、上記課題を解決するために本発明は、前記断熱材が前記金属部をカバーする範囲を規定する。
かかる課題を解決するための手段は、電極組立体と連結された電極タブに電極リードが連結され、絶縁層を備えたパウチが電極リードの一部、電極タブ、及び電極組立体を収容してシールされるパウチ型電池セルに適用することができる。
前記電極タブと電極リードは、互いに連結されて金属部を構成することができる。
前記断熱材は、前記金属部のみならず、電極組立体とリードフィルムとの間の部分の少なくとも一部を直接又は間接にカバーする。
前記断熱材は、前記金属部のみならず、金属部上に付着する溶接テープなどをカバーすることもできる。すなわち、本発明は、溶接テープの使用を排除することではない。前記断熱材は、溶接テープの機能も共に行うこともでき、場合によって、溶接テープが使用されて、断熱材をさらに用いることもできる。
前記断熱材は、発泡合成樹脂、ガラス繊維、岩綿、雲母、パーライト、蛭石、及びセルロースのいずれか素材を含むことができる。しかし、前記断熱材は、これに限らず、断熱性能を発揮できるものであれば、いずれの素材でもよい。
前記断熱材は、断熱フィルムであってもよい。
前記断熱材は、金属部の両面に付着する断熱フィルムであってもよい。
前記断熱材は、金属部の幅よりもさらに大きい幅を有し、金属部に又は互いに付着する断熱フィルムであってもよい(このとき、断熱材及び金属部の幅とは、電極組立体から電極タブを通って電極リードに繋がる方向を長さ方向とするとき、パウチセル全体と平行であり、長さ方向と垂直な方向への長さを意味する。)。
前記断熱材は、前記金属部を長さ方向を軸として、金属部を取り囲む形状の断熱フィルムであってもよい。
前記断熱フィルムは、スパッタ工法により、金属薄膜がコーティングされた熱反射フィルムであってもよい。しかし、前記断熱フィルムは、これに限らず、断熱性能を発揮できるものであれば、いずれの工法、かつ、いずれの構造で製造されてもよい。
前記断熱材は、十分な断熱効果のため電極組立体とリードフィルムとの間の部分表面積を50%以上カバーすることができる。
前記断熱材は、電極組立体との干渉を避けるために、電極組立体から2mm以上離隔していてもよい。
前記断熱材は、リードフィルムが円滑に溶着できるように、また、リードフィルムとの干渉を避けるために、リードフィルムから2mm以上離隔していてもよい。
前記断熱材は、電極タブと電極リードが溶接によって連結される場合、溶接部の鋭いビードからパウチ内面が損傷することを防止するために、前記溶接部をカバーすることができる。
前記断熱材は、電極タブと電極リードの連結部にあり得る、滑らかでない部分がパウチ内面を損傷することを防止するために、前記連結部をカバーすることができる。
本発明の一具現例として、前記金属部は、電極タブと電極リードとが溶接で連結されて提供され、前記断熱材は、その幅が前記金属部よりも広い幅を有し、前記断熱材は、金属部をカバーする領域において、金属部の両面に付着して、金属部の幅よりもさらに大きい部位で互いに付着するものの、溶接部を含み、金属部のうち電極組立体とリードフィルムとの間の部分面積の50%以上をカバーする、断熱フィルムであってもよい。
一方、本発明は、パウチ型二次電池、パウチ型二次電池を含む電池パック、及び前記電池パックを電源として含めている電子機器を提供する。
前記電子機器は、例えば、コンピュータ、携帯電話、ウェアラブル電子機器、パワーツール(power tool)、電気自動車(Electric Vehicle:EV)、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、電気二輪車、電気ゴルフカート、又は電力貯蔵用システムなどから選択されるものであってもよい。
これら電子機器の構造及び製作方法は、当業界における公知のものであるため、本明細書では、それに関する詳説を省略する。
本発明は、金属部の全部又は一部を断熱材でカバーすることにより、高温、高圧のシーリング過程で、電極リードを介して金属部に伝導される熱が、パウチの内表面に伝達される現象を最小化することができる。これによって、パウチの内部絶縁層が溶けて、金属層と癒着するか、当該絶縁層が破壊して絶縁性能が低下する現象を防止することができる。すなわち、本発明は、絶縁性能の安定性が改善したパウチセルを提供することができる。
また、本発明は、他の観点から、溶接部ビードによるパウチ内面の損傷を防止するために付着していた溶接テープを省略して、金属部の熱がパウチ内面に伝達されることを遮断するために、金属部をカバーする断熱材が、従来の溶接テープの機能を共に行わせることで、生産工程における経済性を有する。
本発明は、さらに他の観点から、前記断熱材として断熱フィルムを採用することにより、既存の溶接テープを付着したのと同様の設備を有用できる経済性を有する。
本発明は、さらに他の観点から、断熱材と、電極組立体又はリードフィルムとの間の離隔寸法を提示することで、断熱材と、電極組立体又はリードフィルムとの間の干渉を排除することができる。
この他も、本発明は、種々の効果を奏することができ、これについては、各実施形態で説明するか、通常の技術者が容易に類推できる効果などについては、当該説明を省略することとする。
断熱材を備えていない典型的なパウチセルの平面図である。 シールされる部分の平面図である。 シールされる部分の断面図である。 従来の断熱材を備えていないパウチセルにおいて、金属部と内部絶縁層とが癒着する様子を示す断面図である。
前述した目的、特徴及び長所は、添付の図面を参照して詳細に後述され、これによって、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明の技術思想を容易に実施することができる。本発明を説明するにあたり、本発明に係る公知の技術に関する具体的な説明が、本発明の要旨を曖昧にすると判断される場合には、詳細な説明を省略する。以下では、添付の図面を参照して、本発明による好ましい実施形態を詳説することとする。図面における同じ参照符号は、同一又は類似の構成要素を示すために使われる。
たとえ、第1、第2などは、様々な構成要素を示すために使われるものの、これら構成要素は、これらの用語によって制限されないことは勿論である。これらの用語は、単に一構成要素を他の構成要素と区別するために使うものであり、特に逆の記載がない限り、第1構成要素は、第2構成要素であってもよいことは勿論である。
全明細書において、特に逆の記載がない限り、各構成要素は、単数であってもよく、複数であってもよい。
以下では、構成要素の「上部(又は下部)」又は構成要素の「上(又は下)」に任意の構成が配されるということは、任意の構成が、上記構成要素の上面(又は下面)に接して配されるだけでなく、上記構成要素と、上記構成要素上に(又は下に)配された任意の構成との間に他の構成が介在し得ることを意味する。
また、ある構成要素が他の構成要素に「連結」、「結合」又は「接続」されると記載されている場合、上記構成要素は、互いに直接に連結されるか、或いは接続されていてもよいものの、各構成要素の間に他の構成要素が「介在」するか、各構成要素が他の構成要素を介して「連結」、「結合」又は「接続」されていてもよいと理解しなければならない。
本明細書で使われる単数の表現は、文脈上明らかに他に意味しない限り、複数の表現を含む。本出願における「構成される」又は「含む」などの用語は、明細書上に記載した複数の構成要素、或いは複数のステップを必ずしも全て含むものであると解釈されてはならず、その中、一部の構成要素又は一部のステップは含まれていなくてもよく、又はさらなる構成要素或いはステップをさらに含むことができると解釈しなければならない。
全明細書における「A及び/又はB」とするとき、これは特に逆の記載がない限り、A、B又はA及びBを意味し、「C~D」とするとき、これは特に逆の記載がない限り、C以上かつD以下であることを意味する。
説明の便宜上、本明細書における電極組立体から電極タブを通って電極リードに繋がる方向を長さ方向(Y)という。また、長さ方向に垂直であり、横たえた状態のパウチセル全体に平行な方向を幅方向(X)という。そして、横たえた状態のパウチセル全体に垂直な方向を高さ方向(Z)と言う。
以下、本発明の好ましい実施形態について添付の図面を参照して説明する。
図1は、断熱材を備えていない典型的なパウチセルの平面図である。
図1を参照すると、典型的なパウチセルは、電極組立体11、前記電極組立体11に連結される電極タブ14、前記電極タブ14に連結される電極リード12、前記電極リードを取り囲むリードフィルム13、及びリードフィルム13上に溶着してシールされるパウチ10を含む。
電極組立体11は、活物質が一面又は両面にコーティングされた電極板(正極板と負極板)が分離膜を介在して、複数回積層された構造を有する。前記電極タブ14は、前記正極板に連結された正極タブと、前記負極板に連結された負極タブとを含むことができる。
前記電極タブ14は、活物質がコーティングされない前記電極板の一部分が、前記電極板と分離膜の積層構造から外部に突出して延びた部位によって形成することができる。積層された複数個の電極板から延び出た部位は、互いに重なって、電極タブ14を構成することができる。
前記電極タブ14と電極リード12は、いずれも電気が通じる金属材質であってもよい。これによって、前記電極タブ14と電極リード12は、長さ方向に一部区間が重畳するように、互いに向い合う端部部位が高さ方向に積層されて重なり、当該部位が溶接して連結されていてもよい。
前記溶接部位には、溶接ビードが発生して、後述するパウチ内面を損傷させるおそれがある。この点、必要に応じて、前記溶接部の両面に溶接テープ15が付着していてもよい。本発明によれば、後述する断熱材20が金属部41をカバーする構造を有するため、前記断熱材20は、前記溶接テープ15の機能を共に行うことができる。これによって、前記溶接テープ15は、省略可能である。
図2と図3は、それぞれ断熱材20が金属部41の一部をカバーするパウチセルにおけるシールされる部分の平面図及び断面図である。
図2及び図3を参照すると、パウチ10は、金属材質層と、前記金属材質側の表面と裏面にコーティングされた絶縁層30と、を含むシートから製作することができる。前記金属材質層は、電極組立体11を電磁気的に隔離するためバリアの機能を行い、前記絶縁層30は、パウチの内部空間がパウチの外部空間と電気的に絶縁するようにする。
前記絶縁層30は、PP材質を含むことができる。
前記パウチ10は、柔軟性のある材質であってもよい。
前記パウチ10は、内部に電極組立体11を収容するように、シートを折り畳み、シートを折り畳むことによって、互いに向い合うシートのエッジ部分を加圧加熱して、密封付着することで形成される。前記電極リード12は、前記パウチ10のエッジの密封付着部位を介してパウチの外部からさらに延び出る。
前記リードフィルム13は、前記電極リード12が前記パウチ10のエッジの密封部位を通る領域に設けられる。一対のリードフィルム13は、前記電極リード12の上部面と下部面にそれぞれ付着して、電極リード12の両側でラミネートして、側方にさらに延びる。前記電極リード12に付着した前記リードフィルム13の延び方向は、前記パウチエッジの延び方向に対応する。
前記電極リード12とリードフィルム13を介在した状態で、パウチの2つのエッジ部位をシーリングツールで加熱加圧すると、リードフィルム13とパウチエッジ部位が溶着して密封される。
図4は、断熱材を備えてないパウチセルにおいて、金属部41と内部絶縁層30aとが癒着する様子を示す断面図である。
図4を参照すると、パウチ10のシール工程において、前記電極リード12部分を介して金属部41に伝達される熱は、前記シーリング部位よりもパウチの内部空間の方に位置するパウチ10内面に伝達される。これによって、前記パウチ10内面の絶縁層30が融解して、金属部41と癒着する現象が発生し得る。
この場合、金属部41と癒着した絶縁層30は、その後、金属部41などの流動がある場合、断絶されることで、パウチセルの絶縁性能を不良にする結果をもたらし得る。
この点、本発明は、前記電極タブ14と前記電極リード12とを含む金属部41のうち、前記電極組立体11と前記リードフィルム13との間の部分表面積の少なくとも一部を断熱材20がカバーするパウチセルを提供する。これにより、シーリング時、金属部41から内部絶縁層30aに熱が伝達されて、内部絶縁層30aを融解させるおそれを低減させ、よって、絶縁性能が低下することを防止することができる。
前記断熱材20は、前記電極組立体11を前記パウチ10に収容する前に、前記金属部41に適用することができる。
以下、前記断熱材20が金属部41をカバーする形状と範囲について説明する。
上記カバーするとは、断熱材20が直接金属部41に付着するなど、接触する場合はもちろん、金属部41との間に空気層を置いて取り囲むか、図1のように、金属部41に直接付着した溶接テープ15などをカバーするなど、間接に金属部41をカバーする場合のように、金属部41の熱をパウチ10の内部絶縁層30aから遮断できる場合を含む。
前記断熱材20は、断熱フィルムであってもよい。テープ状の断熱フィルム20を用いて、図1のように、既存の溶接テープ15を付着する工程で、溶接テープ15を断熱フィルム20に置換することだけで、本発明の効果を充分具現することもできるだろう。
前記断熱フィルム20で金属部41をカバーする場合、断熱フィルム20は、金属部41の両面に付着していてもよい。このとき、断熱フィルム20の幅(X方向長さ)が金属部41の幅よりも広い場合、金属部41まわりをいずれもカバーすることができる。
前記断熱フィルム20は、金属部41を長さ方向(Y方向)を軸として、金属部41を取り囲む形状に金属部41をカバーすることもできる。このとき、前記断熱フィルム20は、前記金属部41まわりを1回以上取り囲むことができ、断熱フィルム20の断熱機能を高めるために、2回以上取り囲むこともできる。
前記断熱材20は、十分な断熱効果のため、電極組立体11とリードフィルム13との間の部分表面積を50%以上カバーすることができる。
図2と図3をさらに参照すると、前記断熱材20が隣接する電極組立体11と近すぎて位置する場合、電極組立体11と干渉が起こり得る。よって、電極組立体11との干渉を避けるために、前記断熱材20を電極組立体11から所定間隔離隔して位置させることができる。上記間隔は、2mm以上であってもよい。前記間隔が2mmよりも小さいと、バッテリセルの取り扱い過程で、断熱材20が電極組立体11と干渉する可能性が高くなる。前記間隔は、5mm以下であってもよい。前記間隔が5mmを超えると、電極組立体11と干渉する可能性がそれ以上低くならない、かつ、断熱性能だけ低くなる。
また、図2と図3をさらに参照すると、前記断熱材20がリードフィルム13と近すぎて位置する場合、リードフィルム13と干渉が起こり得る。リードフィルム13は、熱と圧力によって溶着して、パウチ10をシールする役割を担うため、断熱材20を近すぎて配置する場合、シーリング性能も低下するおそれがある。よって、断熱材20は、リードフィルム13から所定間隔離隔して位置させることができる。上記間隔は、2mm以上であってもよい。前記間隔が2mmよりも小さいと、シーリングに影響を及ぼす可能性が高くなる。
前記断熱材20は、電極タブ14と電極リード12の連結部にあり得る、滑らかでない部分が、パウチ10内面が損傷することを防止するために、前記連結部をカバーすることができる。特に、電極タブ14と電極リード12が溶接によって連結される場合、溶接部の鋭いビードからパウチ10内面が損傷することを防止するために、前記溶接部をカバーするように位置していてもよい。
前記断熱材20は、発泡合成樹脂、ガラス繊維、岩綿、雲母、パーライト、蛭石、及びセルロースのいずれかの素材を含むことができる。しかし、前記断熱材20は、これに限らず、断熱性能を発揮できるものであれば、いずれの素材でもよい。
前記断熱材20が前記断熱フィルム20である場合、前記断熱フィルム20は、スパッタ工法により、金属薄膜がコーティングされた熱反射フィルムであってもよい。しかし、前記断熱フィルム20は、これに限らず、断熱性能を発揮できるものであれば、いずれの工法、かつ、いずれの構造で製造されてもよい。
前述した実施形態は、すべての面で例示的なものであり、限定的なものではないと理解しなければならず、本発明の範囲は、前述した詳細な説明よりは、後述する特許請求の範囲によって示される。そして、後述する特許請求の範囲の意味及び範囲はもちろん、その等価概念から想到するあらゆる変更及び変形可能な形態は、本発明の範囲に含まれると解釈しなければならない。
以上のように、本発明について例示の図面を参照して説明したが、本発明は、本明細書で開示の実施形態と図面によって限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内における通常の技術者にとって様々な変形を行えることは自明である。なお、本発明の実施形態を前述しつつ、本発明の構成による作用効果を明示的に記載して説明しなかったとしても、当該構成によって予測可能な効果も認めるべきであることは当然である。
10 パウチ
11 電極組立体
12 電極リード
13 リードフィルム
14 電極タブ
15 溶接テープ
20 断熱材/断熱フィルム
30a 内部絶縁層
30b 外部絶縁層
40 接着領域
41 金属部
X 幅方向
Y 長さ方向
Z 高さ方向

Claims (11)

  1. 積層型電極組立体;
    前記積層型電極組立体に連結される電極タブと、これに連結される電極リードとを含む金属部;
    前記電極リードの両面に付着するリードフィルム;
    前記金属部のうち、前記リードフィルムと前記積層型電極組立体との間の部分表面の少なくとも一部を直接・間接にカバーする断熱材;及び
    前記金属部の一部、前記積層型電極組立体、及び前記断熱材を収容するパウチ;を含み、
    前記断熱材は、断熱フィルムであり、
    前記断熱フィルムは、スパッタ工法により、金属薄膜がコーティングされた熱反射フィルムである、パウチセル。
  2. 前記断熱フィルムは、前記金属部の両面の少なくとも一部に付着する、
    請求項に記載のパウチセル。
  3. 前記断熱フィルムの幅は、前記金属部の幅よりも広い、
    請求項に記載のパウチセル。
  4. 前記断熱フィルムは、前記金属部を長さ方向を軸として取り囲む形状である、
    請求項に記載のパウチセル。
  5. 前記断熱フィルムは、前記金属部のまわりを1回以上取り囲む、
    請求項に記載のパウチセル。
  6. 前記断熱材は、発泡合成樹脂、ガラス繊維、岩綿、雲母、パーライト、蛭石、及びセルロースのいずれかの素材を含む、
    請求項1に記載のパウチセル。
  7. 前記断熱材は、前記金属部のうち、前記リードフィルムと前記積層型電極組立体との間の部分表面積の50%以上をカバーする、
    請求項1~請求項のいずれか一項に記載のパウチセル。
  8. 前記断熱材は、前記リードフィルムから2mm以上離隔している、
    請求項1~請求項のいずれか一項に記載のパウチセル。
  9. 前記断熱材は、前記積層型電極組立体から2mm以上離隔している、
    請求項1~請求項のいずれか一項に記載のパウチセル。
  10. 前記断熱材は、前記積層型電極組立体から5mm以下離隔している、
    請求項1~請求項のいずれか一項に記載のパウチセル。
  11. 前記断熱材は、前記電極タブと前記電極リードの連結部をカバーする、
    請求項1~請求項のいずれか一項に記載のパウチセル。
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