CN108140912B - 包含具有多孔结构的冷却/缓冲部件的电池模组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电池模组，其包含：电芯层积体，其中，以侧面相互接触的方式布置有多个电芯，所述电芯具有电极组件与电解质溶液一起密封在电池壳内的结构；和冷却/缓冲部件，其安装在所述电芯层积体下方以支撑所述电芯层积体的负荷，并且由多孔结构形成，从而从所述电芯层积体向下散发由所述电芯层积体在充电和放电过程中产生的热量。

Description

包含具有多孔结构的冷却/缓冲部件的电池模组
技术领域
本申请要求于2016年6月9日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2016-0071475号的优先权和权益，通过援引将其全部内容并入本文。
本发明涉及一种包含具有多孔结构的冷却/缓冲部件的电池模组。
背景技术
近来，随着移动设备技术的发展和对移动设备的需求的增加，对于作为能源的重复充电放电的可充电电池的需求迅速增加，于是，对可以满足各种需求的可充电电池进行了大量研究。此外，可充电电池还作为电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PLUG-IN HEV)等的能源而引人注意，这些车辆被认为是由使用化石燃料的现有汽油车辆和柴油车辆等引起的空气污染等问题的解决方案。
因此，开发了仅由电池驱动的电动车辆(EV)和组合使用电池和现有发动机的混合动力电动车辆(HEV)等，其中一些已经商品化。作为用作EV和HEV等的能源的可充电电池，主要使用镍氢金属(Ni-MH)可充电电池，不过，近来，利用具有高能量密度、高放电电压和输出稳定性的锂二次电池的研究正在积极进行，而且一些研究已处于商品化阶段。
在这种可充电电池用于例如电能存储装置或汽车能源等需要高容量的装置或设备中的情况下，可充电电池以具有布置有多个电芯(battery cell)的结构的电芯组件或电池模组(battery module)的形式使用。
通常，借助于包裹电芯外表面的框架或盒，将这种电芯组件或电池模组作为结构体使用以改善结构稳定性，从而在装置或设备的各种工作环境下防止由形成电芯组件或电池模组的电芯的物理损伤引起的性能劣化或安全性劣化。
此外，为了冷却电芯在充电和放电过程中发出的热量，电芯组件或电池模组将冷却部件结合到一侧，并将热量传导到冷却部件来散发电芯发出的热量。
图1示意性地描绘了部分呈现常规电池模组的结构的纵向截面图。
参见图1，电池模组10包括电芯11、盒12、芯盖13和冷却板14。
电芯11被布置成两个单元，其侧面相互接触并被盒12约束以获得结构稳定性。电芯11和盒12形成为它们被芯盖13包埋的结构。
冷却板14安装在芯盖13之下。
该结构形成为使电芯11在充电和放电过程中发出的热量沿箭头方向经过盒12和芯盖13传导到冷却板14，并且冷却剂沿着冷却板14的表面流动而散发热量。
不过，在此结构中，取决于设计要求，其在形成和改变热传递途径方面受限。而且，在将盒、芯盖和冷却板结合到电芯的过程中，工作要求和工艺时间增加。
因此，目前对于根本上解决这些问题的技术存在高度需求。
发明内容
[技术问题]
进行本发明是为了提供包含具有多孔结构的冷却/缓冲部件的电池模组，其具有解决上述常规技术的问题和过去一直渴望解决的技术目的的优点。
具体而言，本发明的目的是提供一种电池模组，其使得能够容易形成和改变用于散发电芯在充电和放电过程中产生的热量的热传递路径，并使部件最小化以及电池模组的结构稳定性和形成冷却结构的工作需求最小化，从而使电池模组结构紧凑，并减少制造成本。
[技术方案]
本发明的一个示例性实施方式提供了一种电池模组，其包含：
电芯层积体，其中，以侧面相互接触的方式布置有多个电芯，所述电芯具有电极组件与电解质溶液一起密封在电池壳内的结构；和冷却/缓冲部件，其安装在所述电芯层积体下方以支撑所述电芯层积体的负荷，并且由多孔结构形成，从而从所述电芯层积体向下散发由所述电芯层积体在充电和放电过程中产生的热量。
因此，本发明的电池模组具有安装在电芯层积体下方的具有多孔结构的冷却/缓冲部件，以支撑电芯层积体的负荷并从电芯层积体向下散发由电芯层积体在充电和放电过程中产生的热量，从而使热传递路径容易形成和改变，确保了电池模组的结构稳定性，使电池模组的结构与常规电池模组结构相比紧凑，并减少了制造成本。
根据本发明的一个示例性实施方式，冷却/缓冲部件的上表面可以配置为与电芯层积体的下表面相对应。即，冷却/缓冲部件可以具有与电芯层积体的一个表面对应的形状，并且安装在电芯层积体上，从而可以将热量从电芯层积体的整个下表面区域导出。
作为具体实例，在纵向截面上，电芯层积体的下表面和冷却/缓冲部件的上表面可以形成为连锁(锯齿)形状。
具体而言，冷却/缓冲部件可以由桁架(truss)结构形成，从而支撑电芯层积体的负荷，减弱外部冲击和振动，并形成冷却剂流动的空间。
作为桁架结构的实例，冷却/缓冲部件可以由与电芯层积体的下表面对应的六面体结构形成，六面体结构可以通过结合多个方柱结构或结合多个多面体结构而形成。
作为另一具体实例，冷却/缓冲部件可以由在电芯层积体的下表面上布置和安装有多个弹簧结构的结构形成，无论电芯层积体的下表面的形状如何。
冷却/缓冲部件的形状不限于上述形状，只要冷却/缓冲部件可以支撑电芯层积体并形成用来填充冷却剂的多孔结构即可。
作为冷却/缓冲部件的具体实例，冷却/缓冲部件的尺寸可以为电芯层积体的高度的3％～30％。当冷却/缓冲部件的尺寸小于电芯层积体的高度的3％时，其可能无法充分减小由外部冲击和振动施加在电芯层积体上的外力，而当冷却/缓冲部件的尺寸大于电芯层积体的高度的30％时，其导致相对于电池模组体积的电池容量降低，于是可能无法实现紧凑的电池模组结构。
冷却/缓冲部件可以由弹性材料形成，从而支撑电芯层积体的负荷，并减弱施加在电芯层积体上的外部冲击或振动。
具体而言，冷却/缓冲部件可以由聚合物树脂形成。聚合物树脂可以为橡胶或塑料材料，但不限于此。
根据本发明的一个示例性实施方式，粘合部件介于电芯层积体和冷却/缓冲部件之间并将它们结合，从而增强电芯层积体和冷却/缓冲部件之间的结合力，并提高导热性。
根据本发明的一个示例性实施方式，可以用液相或固相冷却剂填充由冷却/缓冲部件的多孔结构形成的中空区。冷却剂可以进一步改善电芯的导热性。
冷却剂可以由导热性聚合物(特别是聚碳酸酯类树脂或聚烯烃类树脂)构成，但不限于此。
冷却剂可以在填充了中空区的状态下硬化。在冷却剂硬化的结构下，电池模组的构成中可以不含用于在冷却/缓冲部件中连续配置冷却剂的额外部件。
根据本发明的一个示例性实施方式，电芯可以为袋型电池。
具体而言，电芯可以由以下结构形成：其中，具有正极、隔板和负极的层积结构的电极组件包埋在形成有电极组件存储部的电池壳中，所述电极组件储存部具有电解质溶液，并且在电极组件存储部的外周上通过热熔合形成有密封剩余部。
电极组件可以由折叠型、堆栈型、堆栈/折叠型或层积/堆栈型结构形成。
折叠型、堆栈型、堆栈/折叠型或层积/堆栈型的电极结构详细说明如下。
首先，具有折叠型结构的单元电芯可以通过将隔片设置在片状的正极和负极(正极和负极通过将包含电极活性材料的混合物涂布在各金属集流体上、进行干燥和加压、然后进行卷绕而制得)之间来制造。
具有堆栈型结构的单元电芯可以通过将切割成与正极板和负极板对应的预定尺寸的隔板插入正极板和负极板(正极板和负极板通过将电极混合物涂布在各金属集流体上、然后进行干燥和加压、并将其切割成预定尺寸而制得)之间来制造。
具有堆栈/折叠型结构的单元电芯具有正极和负极彼此相对的结构，并且可以通过以下方式制造：包含两个以上单元电芯(其中，层积两个以上极板)，使用一个以上隔膜以不重叠的形式卷绕单元电芯，或将隔膜弯曲成单元电芯的尺寸并将隔膜插入单元电芯之间。
必要时，在正极和负极彼此相对的结构中，在可选的单元电芯之间和/或在最外单元电芯的外表面上还可以包含一个以上单极板。
单元电芯可以为S型单元电芯(其中，两侧的最外极板具有相同的电极)和D型单元电芯(其中，两侧的最外极板具有相反的电极)。
S型单元电芯可以为SC型单元电芯(其中，两侧的最外极板均为正极)或SA型单元电芯(其中，两侧的最外极板均为负极)。
具有层积/堆栈型结构的单元电芯可以通过下述方式制造：将电极混合物涂布在各金属集流体上，然后进行干燥和加压，将其切割成预定尺寸，然后从底部起顺序层积负极、负极上的隔板、正极和正极上的隔板。
作为电池壳的具体实例，电池壳由具有优异耐久性的树脂外层、具有阻隔性的金属层和包含具有热熔化性质的树脂密封剂层的层积片形成，其中，树脂密封剂层可以彼此热熔合。
由于树脂外层应具有优异的对外部环境的抵抗性，因此其需要具有至少预定值的拉伸强度和耐候性。就此而言，作为树脂外层的聚合物树脂，可以优选使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和拉伸尼龙膜。
作为金属阻隔层，可以优选使用铝，从而发挥防止如气体和湿气等异物流入或泄漏以及改善电池壳的强度的功能。
树脂密封剂层具有热熔合性(热粘合性)和低吸湿性以抑制电解质溶液的渗透，作为树脂密封剂层，可以优选使用不因电解质溶液而膨胀或腐蚀的聚烯烃类树脂，更优选地，可以使用流延聚丙烯(CPP)。
尽管电芯的种类没有特别限制，但是作为其具体实例，可以使用具有例如高的能量密度、放电电压和输出稳定性等优点的锂二次电池，例如锂离子电池和锂离子聚合物电池。
通常，锂二次电池包括正极、负极、隔板和含有锂盐的非水性电解质溶液。
正极通过例如将正极活性材料、导电性材料和粘合剂的混合物涂布在正极集流体上并将其干燥来制造，必要时，可以进一步将填料添加到混合物。
正极活性材料可以包括层状化合物，例如锂钴氧化物(LiCoO2)和锂镍氧化物(LiNiO2)或被一种或多种过渡金属取代的化合物；锂锰氧化物，例如具有化学式Li1+xMn2-xO4(其中，x为0～0.33)、LiMnO3、LiMn2O3和LiMnO2的化合物；锂铜氧化物(Li2CuO2)；钒氧化物，例如LiV3O8、LiFe3O4、V2O5和Cu2V2O7；由化学式LiNi1-xMxO2(其中，M＝Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B或Ga，x＝0.01～0.3)表示的Ni位型锂镍氧化物；由化学式LiMn2-xMxO2(其中，M＝Co、Ni、Fe、Cr、Zn或Ta，x＝0.01～0.1)或Li2Mn3MO8(其中，M＝Fe、Co、Ni、Cu或Zn)表示的锂锰复合氧化物；LiMn2O4，其中，化学式中的Li被碱土金属离子部分取代；二硫化物；Fe2(MoO4)3等，但不限于此。
基于包含正极活性材料的混合物的总重量，导电性材料的添加量通常为1～30重量％。这种导电性材料没有限制，只要其不引起电池的化学变化并具有导电性即可，例如，作为导电性材料，可以使用：石墨，例如天然石墨或人造石墨；炭黑，例如炭黑、乙炔黑、科琴黑、槽法炭黑，炉黑、灯黑和夏黑；导电纤维，例如碳纤维或金属纤维；氟化碳，金属粉末，例如铝和镍粉；导电晶须，例如氧化锌和钛酸钾；导电金属氧化物，例如钛氧化物；聚亚苯基衍生物。
粘合剂是协助粘合活性材料和导电性材料以及协助粘合到集流体的成分，基于包含正极活性材料的混合物的总重量，其添加量通常为1～30重量％。作为这种粘合剂的实例，可以举出聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(CMC)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(EPDM)、磺化EPDM、苯乙烯丁烯橡胶、氟橡胶和各种共聚物等。
填料是抑制正极膨胀的成分，并且是可选地使用。对其没有特别限制，只要其不引起电池的化学变化并且为纤维材料即可，其可以包括例如：烯烃类聚合物，例如聚乙烯和聚丙烯；纤维材料，例如玻璃纤维和碳纤维。
负极通过将负极活性材料涂布在负极集流体上并将其干燥来制造，必要时，可以可选地还包含上述成分。
作为负极活性材料，例如，可以使用：碳，例如硬碳和石墨类碳；金属复合氧化物，例如LixFe2O3(0≤x≤1)、LixWO2(0≤x≤1)、SnxMe1-xMe’yOz(Me:Mn、Fe、Pb或Ge；Me’：Al、B、P、Si、周期表中第1、2或3族的元素或卤素；0<x≤1；1≤y≤3；1≤z≤8)；锂金属；锂合金；硅类合金；锡类合金；金属氧化物，例如SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、GeO、GeO2、Bi2O3、Bi2O4和Bi2O5；导电性聚合物，例如聚乙炔；Li-Co-Ni类材料，等等。
隔板和隔膜介于正极和负极之间，且使用具有高离子透过率和机械强度的绝缘薄膜。隔板的孔径通常为0.01～10μm，厚度通常为5～130μm。作为这种隔板，例如，可以使用：烯烃类聚合物，例如化学抗性和疏水性聚丙烯；由玻璃纤维或聚乙烯等制成的片材或无纺布。作为电解质，当使用例如聚合物等固体电解质时，也可以使用该固体电解质作为隔板。
此外，根据另一具体示例性实施方式，为了改善电池安全性，隔板和/或隔膜可以为有机/无机复合多孔安全增强性隔板(SRS)。
SRS通过在聚烯烃类隔板基材上使用无机颗粒和粘合剂聚合物作为活性层成分来制造，在本文中，其具有由作为活性层成分的无机颗粒之间的间隙体积形成的均匀孔隙结构以及隔板基材本身中含有的孔隙结构。
当使用这种有机/无机复合多孔隔板时，与使用普通隔板的情况相比，可以抑制由于形成时的溶胀而引起的电池厚度增加，而且，当使用在液体电解质溶液中浸渍的过程中可以凝胶化的聚合物作为粘合剂聚合物成分时，该聚合物也可以同时用作电解质。
此外，通过调节隔板中作为活性层成分的无机颗粒和粘合剂聚合物的含量，有机/无机复合多孔隔板可以呈现优异的粘合特性，于是，可以容易地进行电池组装过程。
无机颗粒没有特别限制，只要其在电化学上稳定即可。也就是说，可以用于本发明的无机颗粒没有特别限制，只要其在电池的应用工作电压范围内(例如，基于的Li/Li+的0～5V)不发生氧化和/或还原反应即可。特别是，当使用具有离子传输能力的无机颗粒时，可以试图通过提高电化学器件中的离子电导率来改善性能，于是，优选离子电导率尽可能高。此外，当无机颗粒具有高密度时，在涂布时分散有困难，而且在电池制造中有重量增加的问题，因此，优选的是，密度尽可能低。此外，在无机颗粒具有高介电常数时，其有助于提高液体电解质中的电解质盐(例如，锂盐)的离解程度，从而改善电解质溶液的离子电导率。
含有锂盐的非水性电解质溶液可以包含极性有机电解质溶液和锂盐。作为电解质溶液，可以使用非水性液体电解质溶液、有机固体电解质和无机固体电解质等。
作为非水性液体电解质溶液，例如，可以使用非质子有机溶剂，例如N-甲基-2-吡咯烷酮、碳酸亚丙酯、碳酸亚乙酯、碳酸亚丁酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、γ-丁内酯、1,2-二甲氧基乙烷、四羟基franc、2-甲基四氢呋喃、二甲基亚砜、1,3-二氧戊环、甲酰胺、二甲基甲酰胺、二氧戊环、乙腈、硝基甲烷、甲酸甲酯、乙酸甲酯、磷酸三酯、三甲氧基甲烷、二氧戊环衍生物、环丁砜、甲基环丁砜、1,3-二甲基-2-咪唑烷酮、碳酸亚丙酯衍生物、四氢呋喃衍生物、乙醚、丙酸甲酯和丙酸乙酯等。
作为有机固体电解质，例如，可以使用聚合物，包括聚乙烯衍生物、聚氧化乙烯衍生物、聚氧化丙烯衍生物、磷酸酯聚合物、聚搅拌赖氨酸(poly agitation lysine)、聚酯硫醚、聚乙烯醇、聚偏二氟乙烯和离子离解基团等。
作为无机固体电解质，例如，可以使用Li的氮化物、卤化物和硫酸盐，例如Li3N、LiI、Li5NI2、Li3N-LiI-LiOH、LiSiO4、LiSiO4-LiI-LiOH、Li2SiS3、Li4SiO4、Li4SiO4-LiI-LiOH、Li3PO4-Li2S-SiS2等。
锂盐是容易溶于非水性电解质的材料，例如，可以使用LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、CH3SO3Li、CF3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、氯硼烷锂、碳酸低级脂肪族锂、4-苯基硼酸锂、亚胺化物等。
此外，为了改善充电和放电特性以及阻燃性等，可以向非水性电解质溶液中添加例如吡啶、亚磷酸三乙酯、三乙醇胺、环醚、乙二胺、n-甘醇二甲醚、六磷酸三酰胺、硝基苯衍生物、硫、醌亚胺染料、N-取代噁唑烷酮、N,N-取代咪唑烷、乙二醇二烷基醚、铵盐、吡咯、2-甲氧基乙醇和三氯化铝等。必要时，为了赋予不燃性，可以进一步包含含卤素溶剂，例如四氯化碳和三氟乙烯，而为了改善高温下的存储特性，可以进一步包含二氧化碳气体。
本发明的另一实施方式提供了包含一个或多个所述电池模组的装置。
该装置可以选自由移动电话、可穿戴电子装置、便携式计算机、智能平板、上网本、轻型电动车辆(LEV)、电动汽车、混合动力电动汽车、插电式混合动力电动汽车和电能存储装置组成的组。
由于这些装置的结构及其制造方法是本领域公知的，在此将省略其详细说明。
附图说明
图1是部分呈现常规电池模组的结构的纵向截面图；
图2是部分呈现本发明的一个示例性实施方式的电池模组的结构的纵向截面图；
图3是本发明的另一个示例性实施方式的冷却/缓冲部件的透视图；
图4是本发明的另一个示例性实施方式的冷却/缓冲部件的透视图；
图5是本发明的另一个示例性实施方式的冷却/缓冲部件的透视图；
图6是部分呈现本发明的另一个示例性实施方式的电池模组的结构的纵向截面图。
具体实施方式
在下文中，将根据本发明的一个示例性实施方式参照附图来详细描述本发明，不过，本发明的范围不限于此。
图2示意性地描绘了部分呈现本发明的一个示例性实施方式的电池模组的结构的纵向截面图。
参见图2，电池模组100包括电芯层积体110和冷却/缓冲部件120。
电芯层积体110包含以侧面相互接触的方式布置的多个袋型电芯111。
在电芯层积体110下方，安装有由多孔结构形成的冷却/缓冲部件120，从而支撑电芯层积体110的负荷并沿箭头方向散发电芯111在充电和放电过程中产生的热量。
冷却/缓冲部件120的上表面被形成为与电芯层积体110的下表面的形状对应的形状，具体而言，电芯层积体110的下表面和冷却/缓冲部件120的上表面彼此连锁，从而具有锯齿形状。冷却/缓冲部件120由桁架结构形成，从而支撑电芯层积体110的负荷，减弱外部冲击和振动，并形成冷却剂流动的空间。
冷却/缓冲部件120的尺寸(H2)为电芯层积体110的高度(H1)的30％。
图3描绘了本发明的另一个示例性实施方式的冷却/缓冲部件的透视图。
参见图3以及图2，冷却/缓冲部件220被形成为与电芯层积体110的下表面对应的六面体结构，该六面体结构通过结合多个方柱结构而形成。
除冷却/缓冲部件220的形状之外的其余结构与图2所示的示例性实施方式相同，因此将省略其说明。
图4描绘了本发明的另一个示例性实施方式的冷却/缓冲部件的透视图。
参见图4以及图2，冷却/缓冲部件320被形成为与电芯层积体110的下表面对应的六面体结构，该六面体结构通过结合多个多面体而形成。
除冷却/缓冲部件320的形状之外的其余结构与图2所示的示例性实施方式相同，因此将省略其说明。
图5描绘了本发明的另一个示例性实施方式的冷却/缓冲部件的透视图。
参见图5，冷却/缓冲部件420被形成为下述结构：在电芯层积体110的下表面上布置和安装有多个弹簧421，无论电芯层积体110的下表面的形状如何。
除冷却/缓冲部件420的形状之外的其余结构与图2所示的示例性实施方式相同，因此将省略其说明。
图6描绘了部分呈现本发明的另一个示例性实施方式的电池模组的纵向截面图。
参见图6，在电芯层积体210的下表面上，冷却/缓冲部件520通过粘合部件230结合到电芯层积体210，并且，通过粘合部件230，电芯层积体210和冷却/缓冲部件520之间的结合力可以加强，可以提高导热性。
为了进一步改善电芯层积体210的导热性，由冷却/缓冲部件520的多孔结构形成的中空区域用由导热性聚合物组成的冷却剂600填充，然后使该冷却剂硬化。
电芯层积体210产生的热量沿箭头方向散发。
基于上述说明，在本发明的范围内，本发明所属领域的普通技术人员可以进行各种应用和改造。
工业实用性
如上所述，本发明的电池模组具有安装在电芯层积体下方的具有多孔结构的冷却/缓冲部件，以支撑电芯层积体的负荷并从电芯层积体向下散发电芯层积体在充电和放电过程中产生的热量，从而使热传递途径可以容易形成和改变，确保电池模组的结构稳定性，使电池模组的结构与常规电池模组结构相比紧凑，并减少制造成本。

Claims (3)

1.一种电池模组，其包含：
电芯层积体，其中，以侧面相互接触的方式布置有多个电芯，所述电芯具有电极组件与电解质溶液一起密封在电池壳内的结构；和
冷却/缓冲部件，其安装在所述电芯层积体下方以支撑所述电芯层积体的负荷，并且由多孔结构形成从而从所述电芯层积体向下散发由所述电芯层积体在充电和放电过程中产生的热量，
其中，所述冷却/缓冲部件的上表面的形状与所述电芯层积体的下表面的形状对应，
其中，所述冷却/缓冲部件的上表面直接接触所述电芯层积体的下表面，
其中，形成为所述冷却/缓冲部件的多孔结构中的开口的多个中空区域被配置为填充有液相或固相冷却剂，使得所述冷却剂直接接触所述电芯层积体，
其中，所述冷却/缓冲部件的上表面包括多个不同的相交平面，
其中，所述电芯层积体的与每一个所述电芯对应的下表面还包括分别与所述冷却/缓冲部件的所述上表面的所述多个不同的相交平面邻接的多个不同的相交平面，
由此，所述电芯层积体的与每一个所述电芯对应的下表面与包括在各自多个不同的相交平面中的多个中空区域中的冷却剂直接接触。
2.如权利要求1所述的电池模组，其中，所述冷却/缓冲部件由桁架结构形成。
3.如权利要求1所述的电池模组，其中，所述冷却/缓冲部件由弹性材料形成以支撑所述电芯层积体的负荷并减弱施加到所述电芯层积体上的外部冲击或振动。
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