CN115117367A - 电极组件及其电池装置 - Google Patents

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CN115117367A CN202210022090.9A CN202210022090A CN115117367A CN 115117367 A CN115117367 A CN 115117367A CN 202210022090 A CN202210022090 A CN 202210022090A CN 115117367 A CN115117367 A CN 115117367A
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吴孟鸿
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赵星智
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Abstract

本发明提供一种电极组件及其电池装置，其利用第一带状集电层与第二带状集电层夹设多个电化学系统，并配合胶框予以完整封围，使电化学系统彼此间各自独立仅有电荷转移而无电化学反应，而位于两个相邻电化学系统间的胶框以及胶框所黏着的第一带状集电层与第二带状集电层可一并弯折形成弯折部，使得电化学系统可以翻折堆栈至相邻的电化学系统，完成Z轴的垂直堆栈，不仅易于量产，同时亦可减少串联或并联的极耳配置，进而降低空间配置的能量密度损耗。

Description

电极组件及其电池装置
技术领域
本发明提供一种电极组件，尤指一种于Z轴方向弯折堆栈的电极组件及其电池装置。
背景技术
近年来随着各种便携式电子产品/电动汽车/储能电站等领域的快速发展，延伸出对能量储存密度较高与兼具环境保护的储能装置的高度要求，而离子二次电池成为首选，进而发展出如锂离子二次电池、镁离子二次电池、钠离子二次电池等各种二次电池。因此，如何于有限空间内来尽可能提高能量密度，一直是整个相关产业的发展重点。
举例来说，前案如中国专利CN103959540，请参阅图1A，利用单一个集电器11的两侧涂布形成负极12和正极13，再通过集电器11进行弯折，并将隔膜14设置于两电极相邻的界面处来构成Z字形电芯折叠。另外，相同申请人的案件如中国专利CN110521045的Z字形电芯折叠则是于集电器上形成有预定间隔图案的多个负极图案，在另一集电器上的形成有预定间隔图案的多个正极图案，间隔图案区为未涂覆极层材料区域，正极图案与负极图案间再利用隔离膜分隔；然而，其仍旧属于极层材料堆栈的范畴。再者，请参阅图1B，前案如中国台湾专利TW94104832，是利用具有可挠性的隔离层15进行弯折，负极16、正极17仅是贴附于隔离膜15两侧，并利用隔离膜15绝缘进行垂直堆栈。然而，上述的各种技术都是采用正负极极层材料隔着隔离膜直接堆栈，在无缓冲组件的弯折应力作用下，容易导致正负极极层材料碎裂，再者因电解液共享的因素将衍生电压受限或是电场分布不均等问题。
有鉴于此，本发明针对上述缺失，提出一种崭新的电极组件及其电池装置。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种电极组件及其电池装置，其电极组件是呈现Z字型翻折堆栈状态，且折弯位置仅有带状集电层与胶框，而不造成极层碎裂的问题。
本发明的另一目的在于提供一种电极组件及其电池装置，其电极组件Z字型翻折后进行堆栈电性连接，减少串联或并联的极耳配置，提高生产效率与电能需求组配上的弹性，降低生产难易度，降低空间配置的能量密度损耗。
本发明的另一目的在于提供一种电极组件及其电池装置，其电极组件是于两个带状集电层直接夹设电化学系统与胶框来成型，因此可通过批次大量制造，有助于量产与产品化的进行。
本发明提出一种电极组件，其主要包含有一第一带状集电层、一第二带状集电层、一胶框、多个电化学系统、以及多个弯折部。第一带状集电层与第二带状集电层夹设多个电化学系统，并配合胶框予以完整封围，使电化学系统彼此间各自独立且仅有电荷转移而无电化学反应。两个相邻的电化学系统间的胶框以及此处胶框所黏着的第一带状集电层与第二带状集电层将可一并弯折来形成该弯折部，以使电化学系统在同一轴向垂直堆栈。因此，通过完整封围的电化学系统，彼此之间各自独立仅有电荷转移而无电化学反应，除了可免除电解液共享所衍生的缺失外，且弯折部仅为胶框连同所黏着的带状集电层，因此可避免极层折弯碎裂的问题。
另一方面，本发明所提供的电池装置，可通过壳体来容置电极组件所构成，且电极组件与壳体之间可充填有散热剂或阻燃剂，来提升散热效率以维持电池性能，并能提升电池装置的安全性。
附图说明
图1A、图1B为现有技术的Z字形电芯折叠的示意图。
图2A为本发明电极组件的立体示意图。
图2B为本发明电极组件的侧视图。
图2C为本发明电极组件的未弯折前的组件分解示意图。
图2D为本发明电极组件的未弯折前的示意图。
图2E为本发明电极组件增设有应力加强材的示意图。
图3为本发明电极组件的另一实施例示意图。
图4为本发明电极组件的胶框的另一实施例示意图。
图5A-图5E为本发明电极组件的折弯堆栈的动作示意图。
图5F为本发明电极组件增设有散热集电件的示意图。
图6A～6H为本发明电极组件应用于铝包外壳的电池装置的示意图。
图7A～7H为本发明电极组件应用于铝包外壳的电池装置的另一实施态样示意图。
图8A为本发明电极组件应用于类钮扣电池外壳的电池装置的示意图。
图8B为本发明电极组件应用于具有绝缘涂层的类钮扣电池外壳的电池装置的示意图。
图8C为本发明电极组件应用于具有绝缘涂层的类钮扣电池外壳的电池装置的另一示意图。
附图标记
11 集电器
12 负极
13 正极
14 隔膜
15 隔离层
16 负极
17 正极
30 电极组件
301 电化学系统
31 隔膜
32 第一带状集电层
321 应力加强材
33 第二带状集电层
331 应力加强材
34 第一活性材料层
35 第二活性材料层
36 胶框
361 开口槽
362 改质硅胶层
363 改质硅胶层
364 硅胶层
38 弯折部
41 散热集电器
411 本体
412 延伸部
42 散热集电器
421 本体
422 延伸部
51 铝包
52 导电柄
53 导电柄
61 外壳
611 上壳
612 下壳
613 绝缘材料
614 绝缘涂层
615 导电总线
616 绝缘体
具体实施方式
为了让本发明的优点，精神与特征可以更容易明确的了解，后续将以实施例并参照所述图式进行详述与讨论。需声明的是该些实施例仅为本发明代表性的实施例，并不以此局限本发明的实施态样与请求范畴仅能局限于该些实施例态样。提供该些实施例的目的仅是让本发明的公开内容更加透彻与易于了解。
在本发明公开的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并非在限制本发明所公开的各种实施例。除非有清楚的另外指示，所使用的单数形式也包含复数形式。除非另有限定，否则在本说明书中使用的所有术语(包含技术术语和科学术语)具有与本发明公开的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的涵义相同的涵义。上述术语(诸如在一般使用辞典中限定的术语)将被解释为具有与在相同技术领域中的语境涵义相同的涵义，并且将不被解释为具有理想化的涵义或过于正式的涵义，除非在本发明公开的各种实施例中被清楚地限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一具体实施例”等地描述意指结合该实施例描述地具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何一个或多个实施例中以合适的方式结合。
在本发明的描述中，除非另有规定或限定，需要说明的是术语“耦接”、“连接”、“设置”应做广义的理解，例如，可以是机械连接或电性连接，亦可以是两个组件内部的连通，可以是直接相连，亦可以通过中间媒介间相连，对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体涵义。
请一并参阅图2A至图2D，分别为本发明所揭露的电极组件的立体图、侧视图与未弯折前的组件分解示意图、未弯折前的示意图。本发明的电极组件30主要包含有第一带状集电层32与第二带状集电层33、多个电化学系统301、胶框36以及弯折部38。第一带状集电层32与第二带状集电层33夹设多个电化学系统301与胶框36，胶框36将任一电化学系统301的侧边周围完整封围并且顶端黏着第一带状集电层32，底端黏着第二带状集电层33，胶框36封围后的多个电化学系统301将呈现彼此间各自独立，也就是该些多个电化学系统301彼此间仅有电荷通过集电层32、33转移而彼此间无进行电化学反应。而位于两个相邻电化学系统301间的胶框36以及胶框36所黏着的第一带状集电层32与第二带状集电层33可一并弯折形成弯折部38。
仅在组件分解图来看(见图2C)，胶框36具有多个连通上下表面的开口槽361，每一开口槽361就是一个电化学系统301设置的位置，并且电化学系统301的两端分别与第一带状集电层32与第二带状集电层33接触，每一电化学系统301被胶框36完整封围，以使每一个电化学系统301彼此间各自独立仅有电荷转移而无电化学反应。当然胶框也可以视需求非呈现单一组件状态，举例来说而是多个各自独立的胶框，如图3所示。
第一带状集电层32与第二带状集电层33的材料常见者为铜以及铝，当然亦可是其他镍、锡、银、金等金属或金属合金，或是具有导电功能的高分子材料，举例来说于高分子基底中混有导电材料所形成。因为其采用带状形式，可配合以下以图案化涂覆的方式来大量批次制造，有助于量产的进行。
每一个电化学系统301包含有一第一活性材料层34与一第二活性材料层35，以及一夹设于第一活性材料层34与第二活性材料层35间的隔膜31。在制程上，第一活性材料层34以一个预定间隔来图案化涂覆于第一带状集电层32上，而第二活性材料层35以相同预定间隔来图案化涂覆于第二带状集电层33上，使得每一第二活性材料层35相对应于一个第一活性材料层34，而每一隔膜31夹设于其中的一第一活性材料层34与其对应的第二活性材料层35间，而堆栈形成一个电化学系统301。隔膜31的材料可选自于高分子材料、陶瓷材料或玻璃纤维材料，其上具有微孔洞可供离子通过，微孔洞可为贯通孔或是蚁孔(非直线贯通的态样)的型态，甚至是直接采用多孔性材料来达成，其中陶瓷材料选自于绝缘材料时，可以是微米级与纳米级的二氧化钛(TiO2)、三氧化二鋁(Al2O3)、二氧化矽(SiO2)等材质或是烷基化的陶瓷颗粒所形成。陶瓷材料也可以选自氧化物固态电解质，例如锂镧锆氧(lithiumlanthanum zirconium oxide；Li7La3Zr2O12；LLZO)或者磷酸钛铝锂(LATP)等。此外，陶瓷材料也可以是上述绝缘陶瓷材料与氧化物固态电解质所混合而成。当隔膜31具有陶瓷材料时，隔膜31还可以包含高分子黏着剂，例如聚二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride；PVDF)、聚偏二氟乙烯－共－三氯乙烯(PVDF-HFP)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene；PTFE)、压克力酸胶(Acrylic Acid Glue)、环氧树脂(Epoxy)、聚氧化乙烯(PEO)、聚丙烯腈(PAN)或聚亚酰胺(PI)等。
就此部分来说，第一活性材料层34与第二活性材料层35在涂覆时所预定的间隔，可依照需求来进行调整，且每一第一活性材料层34之间的大小与之间的预定间隔也不一定要求需要一致，对应的第二活性材料层35也是相同地，图上绘示主要以相同大小、等间隔来显示，但其主要仅为示意，并不特别予以限制。
胶框36设置于电化学系统301周围且顶端黏着于第一带状集电层32、底端黏着于第二带状集电层33，并且胶框36能完整封围每一个电化学系统301，电解质系统含浸/混合于第一活性材料层34与第二活性材料层35中，其可为液态、胶态、固态电解质、或是其任意组合的混合电解质；电化学系统301通过其活性材料成份可将化学能转成电能使用(供电)或将电能转换成化学能储存于系统之中(充电)，而能同时达成离子的导通与迁移，而所产生的电子则可直接由第一带状集电层32与第二带状集电层33向外导出。因此，通过胶框36的完整封围，使每一个电化学系统301彼此间各自独立仅有电荷转移而无电化学反应。胶框36的设置举例来说可以采分别涂设于第一带状集电层32与第二带状集电层33上，随后将第一带状集电层32与第二带状集电层33加热加压使两边的胶框接合的方式，或者是仅设置在单一集电层(第一带状集电层32或第二带状集电层33)上再予以黏合等等。
胶框36的材质可为环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、热塑性聚亚胺、硅氧树脂、压克力树脂、硅胶或紫外线硬化胶。而为了使胶框36的封装效果更佳，当采用为硅胶材质时，可设计胶框36具有三层的结构，请参阅图4，上下两层为改质硅胶层362、363，而中间为用以黏着上下两层改质硅胶层362、363的硅胶层364，使得改质硅胶层362黏接于第一带状集电层32、改质硅胶层363黏接于第二带状集电层33，并将硅胶层364夹设于其间。两侧的改质硅胶层362、363为硅胶通过调整加成型硅胶与缩合型硅胶的组成比例、或是添加添加物来予以改质，使其适合黏接异质性的材料(也就是第一带状集电层32与第二带状集电层33)，通过此设计则可使其接口间的接着力提高，同时，使得整体外观的完整性更高，生产良率亦提高。
而所形成的电极组件，请参阅图2D，两个相邻的电化学系统301间的胶框36以及此处胶框36所黏着的第一带状集电层32与第二带状集电层33将可一并弯折来形成弯折部38，以使电化学系统301相互同一轴向垂直堆栈(容后详述)，形成如图2A-2B的Z字型型态；另一方面，为了更进一步确保第一带状集电层32与第二带状集电层33弯折后的完整性，可于至少其中的一第一带状集电层32与第二带状集电层33的部分外侧表面还包含有应力加强材321、331，请参阅图2E，而其中第一带状集电层32与第二带状集电层33作为对外的电性连接的位置(例如做为后续所述的导电柄)则并未有应力加强材321、331。应力加强材321、331是用以提升第一带状集电层32与第二带状集电层33的结构应力，其中应力加强材321、331选自聚乙烯对苯二甲酸酯(P E T)、聚氯乙烯(P VC)、聚乙烯(P E)、聚丙烯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚酰亚胺(polyimide)、尼龙(nylon)、聚对苯二甲酸乙乙二酯(polyethyleneterephthalate)、聚胺酯(polyurethane)、压克力(acrylic)、环氧树脂(epoxy)、硅胶(silicone)及上述的组合。
关于弯折的部分说明，请参阅图5A，利用最边缘的电化学系统301，通过其胶框36连同此位置的第一带状集电层32与第二带状集电层33所形成的弯折部38，来弯折至堆栈于相邻的电化学系统301(见图5B)，然后再利用前述已经堆栈的电化学系统301进行反向翻折，相同地，折弯的部分也是位于其胶框36连同该位置的第一带状集电层32与第二带状集电层33，因此，在胶框的缓冲下，折弯过程中都不会影响到极层(也就是活性材料层)，然后依序正反弯折、同轴向垂直堆栈后，直到完成整个电极组件都堆栈完成(请依序参阅图5C-5E)，形成Z字形的垂直堆栈型态的电极组件30；堆栈后，因为第一带状集电层32与第二带状集电层33为共享，因此可使其形成多个电化学系统301(电池单元)并联连接的型态。
同时，除了折弯处不涉及极层，可避免极层产生碎裂外；因为第一带状集电层32与第二带状集电层33多为金属材料，具有一定的延展性，配合胶框36可以选用柔软性较佳的材质(譬如硅胶)，可有助于折弯堆栈的顺利进行。
另一方面，为了增强其散热效果，请参阅图5F，可增设有散热集电器41、42，其具有本体411、421以及由本体411、421延伸的多个延伸部412、422，延伸部412、422设置于堆栈的电化学系统301之间，并与第一带状集电层32与第二带状集电层33接触，因为其为大面积的接触方式，配合其材料的选用，可以增加散热面积，将电化学系统301所产生的热能顺利散逸，同时也可作为额外的电性接点。
实际应用上，可将前述的电极组件30以外壳进行容置、封装来形成电池装置，以最常见的例子而言，请参阅图6A,6B，外壳可以是通过铝塑膜所构成的铝包51型态，配合导电柄52、53设置来将电力向外导引，就本图所绘示的实施态样来说，电极组件30由奇数个电化学系统所构成，而导电柄52、53由电极组件侧面的部份来向外延伸，特别说明，此部份的侧面指电极组件30的长轴延伸方向的侧面、或是垂直于电极组件30的弯折堆栈方向，并将导电柄52、53设置于相同侧；另一方面，电极组件30也可以是通过偶数个电化学系统所构成，请参阅图6C、6D，导电柄52、53同样设置于相同侧。另外，请参阅图6E、6F，以电极组件30通过奇数个电化学系统所构成的态样来说，导电柄52、53也可以设置于相对于电化学系统301的相异侧来向外延伸；或是如图6G、6H，以电极组件30通过偶数个电化学系统所构成的态样，导电柄52、53同样也可以设置于相对于电化学系统301的相异侧来向外延伸。
再者，除了前述导电柄52、53以垂直于电极组件30的弯折方向来向外延伸之外，导电柄52、53也可以设计由电极组件30的端面、也就是平行于电极组件30的弯折方向来进行延伸，请参阅图7A、7B，以电极组件30通过奇数个电化学系统所构成的态样，导电柄52、53可由端面向相对的两相异侧(两外侧)予以延伸，或是相同侧来进行延伸(见图7C、7D)。而以电极组件30通过偶数个电化学系统所构成的态样，请参阅图7E、7F，导电柄52、53可以由电极组件30的相异的两个末端拉出或是由相同的两个末段来拉出予以延伸出导电柄52、53(见图7G、7H)。由上述的各种实施例架构下，可知本发明中施行Z字型并联堆栈的电极组件30可具有奇数个或者偶数个的多个的电化学系统30，因此可提高电极组件30的生产效率，并提高电能需求组配上的弹性，降低生产难易度。
另一方面，如图7A所示，外壳也采用类钮扣电池外壳61的型态，电极组件30的第一带状集电层32与第二带状集电层33可直接与类钮扣电池外壳61上、下的输出电极接触来构成电性连接，其中需特别说明，就图中所绘示，电极组件30配合类钮扣电池外壳61的型态设计为不等长的电化学系统来使其电容量密度最大化，但并非限制仅能采用此不等长的设计，如考虑量产一致性，亦可采用如图5E等长的型态、或是其他任何型态。而壳体(包含前述铝包51型态、类钮扣电池外壳61型态、或是其他任意型态)与电极组件30之间充填有散热剂或阻燃剂，来提升散热效率以维持电池性能，并能提升电池装置的安全性。其中类钮扣电池外壳61具有金属的上壳611与金属的下壳612，上壳611与下壳612间利用一绝缘材料613电性绝缘。此外，请参阅图8B，如考虑第一带状集电层32与第二带状集电层33的外表面无设置绝缘材质的应力加强材或是其他绝缘结构时，上壳611或下壳612的部分内表面(其非属于默认为电性连接位置)还可形成有一绝缘涂层614，以避免上壳611或下壳612的内表面与第一带状集电层32或第二带状集电层33间不当的电性传递。
前述图8B中，电极组件30为通过奇数个电化学系统所构成的态样，如果以电极组件30为偶数个电化学系统所构成的态样，请参阅图8C，因为电极组件30上下两侧为相同的极性，因此需要通过导电总线615来将另一极性的电力导引至下壳612，同时，为了避免导电总线615产生短路，于适当位置上可以设置有绝缘体616来予以阻绝；而导电总线615亦可设计为前述散热集电器的型态，其余相同部份，则不再予以赘述。
综上所述，本发明提出一种电极组件及其电池装置，利用第一带状集电层与第二带状集电层夹设多个电化学系统，并配合胶框予以完整封围，使电化学系统彼此间各自独立仅有电荷转移而无电化学反应，而位于两个相邻电化学系统间的胶框以及胶框所黏着的第一带状集电层与第二带状集电层可一并弯折形成弯折部，使得电化学系统可以翻折堆栈至相邻的电化学系统，完成Z轴的垂直堆栈，不仅易于量产，同时亦可减少串联或并联的极耳配置，进而降低空间配置的能量密度损耗。同时，带状集电层的设计，也可供活性材料层、胶框等直接以图案化涂覆的方式来进行批次大量的生产，有助于量产的进行。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明实施的范围。本领域技术人员可以在发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的范围为准。

Claims (16)

1.一种电极组件，包含有：
一第一带状集电层与一第二带状集电层；
多个电化学系统，其夹设于该第一带状集电层与该第二带状集电层间；
一胶框，其设置于该电化学系统周围且顶端黏着于该第一带状集电层，底端黏着于该第二带状集电层，该胶框与该第一带状集电层以及该第二带状集电层完整封围每一该电化学系统，使每一该电化学系统彼此间各自独立仅有电荷转移而无电化学反应；以及
多个弯折部，每一该弯折部由一位于两个相邻该电化学系统间的该胶框以及该胶框所黏着的该第一带状集电层与该第二带状集电层一并弯折所形成，以使多个该电化学系统相互堆栈。
2.根据权利要求1所述的电极组件，其中该些弯折部使该些电化学系统以同一轴向Z字型垂直堆栈而构成并联连接。
3.根据权利要求1所述的电极组件，还包含有一散热集电器，具有一本体以及由该本体延伸的多个延伸部，该些延伸部设置于堆栈的该电化学系统之间，并与该第一带状集电层或该第二带状集电层的外表面接触。
4.根据权利要求1所述的电极组件，其中每一该电化学系统还包含有:
一第一活性材料层，其与该第一带状集电层接触；
一第二活性材料层，其与该第二带状集电层接触；以及
一隔膜，其设置于该第一活性材料层与该第二活性材料层间。
5.根据权利要求4所述的电极组件，其中该第一活性材料层与该第二活性材料层含浸一电解质系统，该电解质系统为胶态、液态、固态电解质或其组合。
6.根据权利要求5所述的电极组件，其中该些电化学系统的该电解质系统通过该胶框的封装而相互不流通。
7.根据权利要求1所述的电极组件，其中该胶框包含有一硅胶层以及该硅胶层两侧的两个改质硅胶层，其中一该改质硅胶层与该第一带状集电层黏接，另一该改质硅胶层与该第二带状集电层黏接。
8.根据权利要求1所述的电极组件，至少其中的一该第一带状集电层与该第二带状集电层的外侧还包含有一应力加强材，以提升该第一带状集电层或该第二带状集电层的结构应力。
9.根据权利要求8所述的电极组件，其中该应力加强材选自聚乙烯对苯二甲酸酯(P ET)、聚氯乙烯(P VC)、聚乙烯(P E)、聚丙烯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚酰亚胺(polyimide)、尼龙(nylon)、聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate)、聚胺酯(polyurethane)、压克力(acrylic)、环氧树脂(epoxy)、硅胶(silicone)及上述的组合。
10.根据权利要求1所述的电极组件，其中该第一带状集电层与该第二带状集电层分别具有一导电柄，该两个导电柄位于该电极组件的相异侧。
11.根据权利要求1所述的电极组件，其中该第一带状集电层与该第二带状集电层分别具有一导电柄，该两个导电柄位于该电极组件的相同侧。
12.根据权利要求1所述的电极组件，其中该电化学系统为奇数个。
13.根据权利要求1所述的电极组件，其中该电化学系统为偶数个。
14.一种电池装置，通过由一壳体容置如权利要求1所述的电极组件所构成。
15.根据权利要求14所述的电池装置，其中该壳体与该电极组件之间充填有一散热剂或一阻燃剂。
16.根据权利要求14所述的电池装置，其中该壳体为一铝包或一由一上壳与一下壳组合而成的外壳。
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CN116207363A (zh) * 2023-04-28 2023-06-02 南昌航空大学 一种电芯的制备方法及结构

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