CN115498164A - 负极材料、负极浆料、负极片及制备方法和锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
一种负极材料、负极浆料、负极片及制备方法和锂离子电池,属于电池技术领域。负极材料包括石墨二次颗粒和硅负极颗粒,石墨二次颗粒的粒径分布为10μm<D10<12μm、15μm<D50<17μm和35μm<D90<37μm,硅负极颗粒的粒径分布为5μm<D10<6μm、8μm<D50<10.5μm和15μm<D90<17μm。将包括负极材料的负极浆料涂布于涂炭集流体上形成负极片,可以提高负极片的抗膨胀变形能力以及负极涂层与涂炭集流体之间的结合稳定性,进而提高锂离子电池的循环寿命。
Description
技术领域
本申请涉及电池技术领域,具体而言,涉及负极材料、负极浆料、负极片及制备方法和锂离子电池。
背景技术
锂离子二次电池凭借其电压高、自放电率低、无记忆效应、重量轻、体积小等优点备受关注并被广泛应用于诸多领域。其中,理论容量有限的石墨负极材料已得到广泛应用,硅基负极材料则凭借其显著的高容量优势成为研究热点,并逐步从实验室研发走向商业化应用。
然而,硅基复合材料在长期循环过程中会发生明显的膨胀收缩,导致颗粒破裂并进一步消耗电解液,导致其循环保持率较低。并且,负极存在巨大的体积膨胀会破坏极片内部的导电网络,使涂层与集流体之间分离,增加极片电阻,降低电池循环寿命。
发明内容
基于上述的不足,本申请提供了一种负极材料、负极浆料、负极片及制备方法和锂离子电池,以部分或全部地改善相关技术电池循环寿命低的问题。
本申请是这样实现的:
在第一方面,本申请的示例提供了一种负极材料,包括:
石墨二次颗粒和硅负极颗粒的混合物;石墨二次颗粒由石墨一次颗粒混合形成;硅负极颗粒包括硅氧化物颗粒和单晶硅颗粒中的至少一者;石墨二次颗粒的粒径分布为10μm<D10<12μm、15μm<D50<17μm、35μm<D90<37μm;硅负极颗粒的粒径分布为5μm<D10<6μm、8μm<D50<10.5μm、15μm<D90<17μm。
在上述实现过程中,利用石墨二次颗粒和硅负极颗粒形成的混合物作为负极材料,与纯石墨负极相比,具有更高的比容量,能够提高包括由该负极材料制备获得的负极的锂离子电池的能量密度。
并且,由粒径分布为10μm<D10<12μm、15μm<D50<17μm和35μm<D90<37μm的石墨二次颗粒和粒径分布为5μm<D10<6μm、8μm<D50<10.5μm和15μm<D90<17μm的硅负极颗粒混合形成负极材料,二次颗粒状的石墨颗粒具有较高的各向同性、体积膨胀更小,且较高的二次颗粒粒径保证了颗粒间能够形成较大的空隙,可以容纳粒径较小的硅负极颗粒的体积膨胀。并且,上述粒径范围的硅负极颗粒,可以适当降低自身的体积膨胀,同时让其更容易分散在石墨二次颗粒之间的空隙中,使得硅负极颗粒自身的膨胀不至于影响到所形成的负极片的整体膨胀,进而提高包括该负极片的相应电池的循环寿命。
结合第一方面,在本申请的第一方面的第一种可能的实施方式中,混合物中,硅负极颗粒的质量百分含量不超过20%。
结合第一方面,在本申请第一方面的第二种可能的实施方式中,混合物中,硅负极颗粒与石墨二次颗粒的质量比为1:4~9。
在上述实现过程中,在形成负极材料的混合物中添加适当质量占比的硅氧化物或单晶硅等硅负极材料,可以在大幅度提升比容量的同时,混合物中的石墨二次颗粒还能有效的容纳硅负极材料的体积膨胀,进而避免由该负极材料获得的负极片的内部的导电网络的破坏、极片电阻的增加以及电池循环寿命的降低。
利用特定粒径尺寸的硅负极颗粒与石墨二次颗粒按照质量比为1:4-9进行混合形成混合物,能够进一步减小所制得的负极片的膨胀率。
在第二方面,本申请的示例提供了一种负极浆料,包括:第一方面提供的负极材料,导电剂和粘结剂。
在上述实现过程中,由第一方面提供的负极材料和导电剂以及粘结剂形成的负极浆料,由于负极材料包括特定粒径的石墨二次颗粒和硅负极颗粒,石墨二次颗粒能够为硅负极颗粒的膨胀提供预留空间,进而能够减小由该负极浆料形成的负极片的膨胀率。
在负极浆料中添加导电剂能够增加其涂布后形成的负极涂层的导电性,且在负极浆料中添加粘结剂能够在有效分散各颗粒组分的同时还能提高负极浆料的粘结性,使涂布后形成的涂层能够更加稳固。
结合第二方面,在本申请第二方面的第一种可能的实施方式中,导电剂选自导电炭黑、乙炔黑、超导碳黑、石墨烯、导电石墨、碳纤维或碳纳米管中的至少一种。
结合第二方面,在本申请第二方面的第一种可能的实施方式中,粘结剂选自丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠或聚丙烯酸中的至少一种。
在上述实现过程中,导电炭黑、乙炔黑、超导碳黑、石墨烯、导电石墨、碳纤维和碳纳米管具有良好的导电性,并且碳纤维和碳纳米管等材料还具有较高的长径比,能够在硅负极材料收缩前后形成长程的导电连接骨架,提高持续导电的稳定性。
丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠或聚丙烯酸等粘结剂,能够更加均匀的分散负极浆料中的负极材料以及导电剂等材料,使其粘黏在集流体上时能够形成更加稳定均匀的负极涂层。
在第三方面,本申请的示例提供了一种负极片的制备方法,包括:
将第二方面提供的负极浆料涂布于集流体上。
在上述实现过程中,将第二方面提供的负极浆料涂布于集流体上,能够在集流体上形成含有导电材料的涂层。由于导电材料含有特定粒径的石墨二次颗粒和硅负极颗粒,能够在提高电极片的比容量的同时还能减小制备获得的负极片的膨胀性。将负极浆料涂布于集流体上制备负极片,操作简单。
结合第三方面,在本申请第三方面的第一种可能的实施方式中,将第二方面提供的负极浆料涂布于涂炭集流体上;
可选地,涂炭集流体为涂炭铜箔。
在上述实现过程中,将负极浆料涂布于涂炭集流体上,涂炭铜箔等涂炭集流体的表面具有柔软的炭层,具有较好的柔韧性与导电性。涂炭集流体表面的炭层与硅负极颗粒接触后,炭层能够产生一定的形变,可以更好地包裹住硅负极颗粒,避免在硅负极颗粒产生较大体积膨胀后与铜箔等集流体发生接触不良,降低涂层从集流体上脱落的几率,进而提高相应电池的循环寿命。
在第四方面,本申请的示例提供一种负极片,根据第三方面提供的负极片的制备方法制备获得。
在第五方面,本申请的示例提供一种负极片,包括负极集流体和负极活性材料层;负极活性材料层中的负极材料为第一方面提供的负极材料。
在上述实现过程中,由第三方面提供的制备方法制备获得的负极片或者负极片中的负极活性材料层由第一方面提供的负极材料形成,由于导电材料含有特定粒径分布的石墨二次颗粒和硅负极颗粒,能够在提高电极片的比容量的同时还能减小制备获得的负极片的膨胀性。
在第六方面,本申请的示例提供一种锂离子电池,包括:
第四方面或第五方面提供的负极片,正极片,隔膜以及电解液;隔膜位于正极片和负极片之间,电解液浸润正极片、负极片和隔膜。
在上述实现过程中,由于第四方面提供的负极片由特定粒径的石墨二次颗粒和硅负极颗粒形成的混合物制备获得,硅负极颗粒能够提升电极片的容量,且石墨二次颗粒能够为硅负极颗粒的膨胀提供预留空间,能够在提高负极片的比容量的同时还能减小负极片的膨胀率,进而能够提高锂离子电池的能量密度和循环寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本申请示例提供的负极材料的结构示意图;
图2为本申请示例提供的负极片的结构示意图。
图标:1-石墨二次颗粒;2-硅负极颗粒;3-铜箔;4-炭层。
具体实施方式
下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述,但是本领域技术人员将会理解,下列实施例仅用于说明本申请,而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。
以下针对本申请示例提供的负极材料、负极浆料、负极片及制备方法和锂离子电池进行具体说明:
锂离子二次电池凭借其电压高、自放电率低、无记忆效应、重量轻、体积小等优点备受关注并被广泛应用于诸多领域。其中,理论容量有限的石墨负极材料已得到广泛应用,硅基负极材料(硅氧化物或硅材料)则凭借其显著的高容量优势成为研究热点,并逐步从实验室研发走向商业化应用。
然而,硅基复合材料的负极在长期循环过程中会发生明显的膨胀收缩,导致颗粒破裂并进一步消耗电解液,导致其循环保持率较低。并且,负极存在巨大的体积膨胀会破坏极片内部的导电网络,使涂层与集流体之间分离,增加极片电阻,降低电池循环寿命。
基于此,请参阅图1,发明人提供了一种负极材料,负极材料包括石墨二次颗粒1和硅负极颗粒2的混合物,石墨二次颗粒1由石墨一次颗粒混合形成,硅负极颗粒2包括硅氧化物颗粒和单晶硅颗粒中的至少一者。
并且,石墨二次颗粒1的粒径分布为10μm<D10<12μm、15μm<D50<17μm、35μm<D90<37μm,硅负极颗粒2的粒径分布为5μm<D10<6μm、8μm<D50<10.5μm、15μm<D90<17μm。
由粒径分布为10μm<D10<12μm、15μm<D50<17μm和35μm<D90<37μm的石墨二次颗粒1和粒径分布为5μm<D10<6μm、8μm<D50<10.5μm和15μm<D90<17μm的硅负极颗粒2混合形成负极材料,二次颗粒形状的石墨颗粒具有较高的各向同性、体积膨胀更小,且较高的二次颗粒粒径保证了颗粒间能够形成较大的空隙,可以容纳粒径较小的硅负极颗粒2的体积膨胀。并且,上述粒径范围的硅负极颗粒2,可以适当降低自身的体积膨胀的同时,还能让其更容易分散在石墨二次颗粒1之间的空隙中,使得硅负极颗粒2自身的膨胀不至于影响到所形成的负极片的整体膨胀,进而提高包括该负极片的相应电池的循环寿命。
请参阅图1,负极材料包括石墨二次颗粒1与硅负极颗粒2混合形成的混合物。
其中,石墨二次颗粒1的粒径分布D10、D50和D90分别是指,累计粒度分布百分数达到10%、50%和90%时所对应的粒径。
示例性的,石墨二次颗粒的粒径分布为D10=10μm、D50=15μm和D90=35。
示例性的,石墨二次颗粒的粒径分布为D10=12μm、D50=15μm和D90=35。
示例性的,石墨二次颗粒的粒径分布为D10=11μm、D50=17μm和D90=35。
示例性的,石墨二次颗粒的粒径分布为D10=11μm、D50=16μm和D90=37。
进一步的,本申请不限制石墨二次颗粒1的具体制备形式,在一些可能的实施方式中,通过对石墨一次颗粒进行造粒,获得由石墨一次颗粒混合形成的石墨二次颗粒1。
其中,硅负极颗粒2的粒径分布D10、D50和D90分别是指,累计粒度分布百分数达到10%、50%和90%时所对的应粒径。
示例性的,混合物中,包括D10=5.5μm、D50=9.5μm和D90=16μm硅负极颗粒2和粒径分布为D10=11μm、D50=16μm和D90=36μm的石墨二次颗粒1。
进一步的,本申请不限制硅负极颗粒2的具体材质,在一些可能的实施方式中,硅负极颗粒2为硅氧化物颗粒或者硅颗粒。示例性的,硅负极颗粒2包括氧化亚硅颗粒或者硅颗粒两种材料。示例性的,硅负极颗粒2为氧化亚硅颗粒;或者硅负极颗粒2为硅材料。
进一步的,本申请不限制混合物中,硅负极颗粒2与石墨二次颗粒1的具体添加比例,相关人员可以在保证在所添加粒径的石墨二次颗粒1能够形成一定的容纳所添加粒径的硅负极颗粒2体积膨胀的空间的前提下,根据需要进行相应的调整。
在一些可能的实施方式中,混合物中,硅负极颗粒2的质量百分含量不超过20%。
示例性的,混合物中,硅负极颗粒2与石墨二次颗粒1的质量比为1:9。
进一步的,将硅负极颗粒2(D10=5.5μm,D50=9.5μm,D90=16μm)与石墨二次颗粒1(D10=11μm,D50=16μm,D90=36μm)按照1:9的质量比例均匀混合。
本申请的示例还提供一种负极片的制备方法,包括:
将负极浆料涂布于集流体上。
其中,负极浆料包括本申请示例提供的负极材料,导电剂和粘结剂。
将第一方面提供和负极材料与导电剂和粘结剂形成负极浆料,可以使负极浆料中的各组分更加分散均匀,提高负极浆料涂布在集流体上之后形成的负极片的导电性、比容量以及抗体积膨胀性。
本申请不限制导电剂的具体类型,在一些可能的实施方式中,导电剂选自导电炭黑、乙炔黑、超导碳黑、石墨烯、导电石墨、碳纤维或碳纳米管中的至少一种。
示例性的,导电剂选自超导碳黑和碳纳米管。
进一步的,本申请不限制粘结剂的具体类型,在一些可能的实施方式中,粘结剂选自丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠或聚丙烯酸中的至少一种。
示例性的,负极浆料包括硅负极颗粒2(D10=5.5μm、D50=9.5μm和D90=16μm)、石墨二次颗粒1(D10=11μm、D50=16μm和D90=36μm)、超导碳黑和碳纳米管的导电剂,以及羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶的粘结剂。
进一步的,本申请不限制负极浆料中负极材料、导电剂和粘结剂的具体添加比例,示例性的,将硅负极颗粒2(D10=5.5μm、D50=9.5μm和D90=16μm)与石墨二次颗粒1(D10=11μm、D50=16μm和D90=36μm)按照1:9质量比均匀混合,再与超导碳黑、碳纳米管、羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶按照94.5:1.2:0.3:1.5:2.5的质量比混合均匀,形成负极浆料。
进一步的,本申请不限制集流体的具体形式,在一些可能的实施方式中,可以将负极浆料涂布于涂炭集流体上。
示例性的,可以将负极浆料涂布于涂炭铜箔上,形成负极片。
请参阅图2,将本示例提供的负极浆料涂布于涂炭铜箔上,铜箔3的表面具有柔软的炭层4,炭层4具有较好的柔韧性与导电性,负极材料中的硅负极颗粒2与炭层4接触后,炭层4能够产生一定的形变,能够更好地包裹住硅负极颗粒2,避免硅负极颗粒2在产生较大体积膨胀后与铜箔3接触不良而增大接触内阻。
将负极浆料涂布于涂炭集流体上之后,然后进行烘干、冷压和分切等操作,获得负极片。
通过上述负极片的制备方法制备获得一种负极片,该负极片中的硅负极颗粒2能够增加负极片的比容量,且特定粒径的石墨二次颗粒1能够为特定粒径的硅负极颗粒2提供其体积膨胀的容纳空间,进而能够提高负极片的抗体积膨胀变形能力。并且,将负极浆料涂布于涂炭铜箔上形成负极片,涂炭铜箔表面的炭层4具有较好的柔韧性,炭层4能够变形,更好的包裹住硅负极颗粒2,可以避免硅负极颗粒2产生体积膨胀后与集流体接触不良从集流体上脱落,进一步提高负极片的结构稳定性和电学性能,从而提高包含该负极片的锂离子电池的循环寿命。
本申请的示例还提供一种锂离子电池,包括本申请示例提供的负极片、正极片、隔膜以及电解液。
锂离子电池包含本示例提供的负极片,负极片含有一定比例的石墨二次颗粒1和硅负极颗粒2,具有良好的抗膨胀变形能力以及防脱落能力等物理性能以及较大的比容量等电学性能,使得锂离子电池具有良好的循环寿命。
在一些可能的实施方式中,正极片通过正极浆料涂布于正极集流体上形成。
示例性的,将含有正极活性材料的正极浆料涂布于铝箔上,形成正极片。
进一步的,正极浆料包括锂镍钴锰、氧化钴锂、氧化镍锂或氧化锰锂等正极活性材料,石墨、乙炔黑或碳纤维等导电剂,和聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯或丁苯橡胶等粘结剂。
本申请不限制隔膜的具体材质,隔膜可以为常规的商业用锂离子电池隔离膜。
示例性的,隔膜为聚乙烯隔膜和聚丙烯隔膜。
本申请不限制电解液的具体设置形式,相关人员可以根据需要进行相应的选择。电解液可以为常规的商业用锂离子电池电解液。
锂离子电池电解液主要由溶剂、锂盐和添加剂三部分组成;溶剂通常为环状碳酸酯溶剂(如碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等)和线性碳酸酯溶剂(如碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯等)的混合物;锂盐一般采用六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟磷酸锂(LiPF4)等为导电盐。
进一步的,本申请的示例还提供一种锂离子电池的制备方法,包括:负极片的制备、正极片的制备和电芯组装。
其中,电芯组装包括:将隔膜置于正极片与负极片之间,通过卷绕的方式制备裸电芯;用铝塑膜复合材料制作包装袋,将裸电芯置入包装袋中封装后得到干电芯;干电芯经过烘烤除水、注液、封口、静置、化成、除气封装和分容等工序后得到锂离子电池。
以下结合实施例对本申请的负极材料、负极浆料、负极片及制备方法和锂离子电池作进一步的详细描述。
实施例1
实施例1提供一种锂离子电池,通过如下方法制备获得:
(1)负极片制备
将硅氧颗粒(D10=5.5μm,D50=9.5μm和D90=16μm)与石墨二次颗粒(D10=11μm,D50=16μm和D90=36μm)按照1:9质量比例均匀混合,再与超导炭黑、碳纳米管、羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶按照94.5:1.2:0.3:1.5:2.5的质量比混合均匀,形成负极浆料。将负极浆料均匀涂覆在涂炭铜箔的两面(涂炭铜箔的厚度为8μm),然后进行烘干、冷压、分切,得到负极片。测量负极片的初始厚度以及最高压实密度。
(2)正极片制备
将正极活性材料锂镍钴锰(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)与超导炭黑、碳纳米管、聚四氟乙烯按质量比96.8:1.5:0.5:1.2混合均匀,形成正极浆料。将正极浆料均匀涂覆在铝箔(铝箔的厚度为12μm)的两面,然后进行烘干、冷压、分切,得正极片。
(3)电芯组装
将隔膜置于步骤(1)获得的负极片与步骤(2)获得的正极片之间,通过卷绕的方式制备裸电芯;用铝塑膜复合材料制作包装袋,将裸电芯置入包装袋中封装后得干电芯;对干电芯进行烘烤除水、注液、封口、静置、化成、除气封装和分容,得到锂离子电池。
实施例2
实施例2提供一种锂离子电池,与实施例1的区别在于:
步骤(1)中,将负极浆料均匀涂覆在铜箔3的两面(铜箔3的厚度为8μm),然后进行烘干、冷压、分切,得到负极片。
对比例1
对比例1提供一种锂离子电池,与实施例1的区别在于:
步骤(1)中,硅氧颗粒的粒径为D10=7μm,D50=12μm和D90=18μm。
对比例2
对比例2提供一种锂离子电池,与实施例1的区别在于:
步骤(1)中,硅氧颗粒的粒径为D10=4μm,D50=6μm和D90=13μm。
对比例3
对比例3提供一种锂离子电池,与实施例1的区别在于:
步骤(1)中,石墨二次颗粒的粒径为D10=6μm,D50=12μm和D90=21μm。
对比例4
对比例4提供一种锂离子电池,与实施例1的区别在于:
步骤(1)中,石墨二次颗粒的粒径为D10=15μm,D50=20μm和D90=45μm。
实验例
(1)对实施例1和2,以及对比例1~4提供的锂离子电池进行首周效率、负极片满电膨胀率(根据锂离子电池充满电后负极片的满电厚度和负极片的初始厚度进行计算膨胀率)和循环寿命进行测试。
(2)对实施例1和2,以及对比例1~4提供的锂离子电池循环后的负极片进行测试,测试负极片中负极涂层与集流体之间的脱落情况。
测试结果如表1所示。
表1
结果分析:结合实施例1与对比例1的数据可知,当硅负极颗粒的粒径位于5μm<D10<6μm、8μm<D50<10.5μm和15μm<D90<17μm粒径范围外时(对比例1中,硅氧颗粒的粒径为D10=7μm,D50=12μm和D90=18μm),负极片的满电膨胀率较大,所制得的锂离子电池的循环寿命较低。
结合实施例1与对比例3的数据可知,当石墨二次颗粒的粒径分布为10μm<D10<12μm、15μm<D50<17μm、35μm<D90<37μm之外时(对比例3中,石墨二次颗粒的粒径为D10=6μm,D50=12μm和D90=21μm),负极片的满电膨胀率较大,所制得的锂离子电池的循环寿命较低。
结合实施例1与对比例3和对比例4,当石墨二次颗粒的粒径大于或小于本申请限制的10μm<D10<12μm、15μm<D50<17μm、35μm<D90<37μm时,电极膨胀率较大,循环寿命较低。
结合实施例1与实施例2的数据可知,将本申请提供的负极浆料涂布于涂炭铜箔等涂炭集流体上,可以防止负极涂层从集流体上脱落,可以进一步增加锂离子电池的循环寿命。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已,并不用于限制本申请,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种负极材料,其特征在于,包括:
石墨二次颗粒和硅负极颗粒的混合物;所述石墨二次颗粒由石墨一次颗粒混合形成;所述硅负极颗粒包括硅氧化物颗粒和单晶硅颗粒中的至少一者;所述石墨二次颗粒的粒径分布为10μm<D10<12μm、15μm<D50<17μm、35μm<D90<37μm;所述硅负极颗粒的粒径分布为5μm<D10<6μm、8μm<D50<10.5μm、15μm<D90<17μm。
2.根据权利要求1所述的负极材料,其特征在于,所述混合物中,所述硅负极颗粒的质量百分含量不超过20%。
3.根据权利要求2所述的负极材料,其特征在于,所述混合物中,所述硅负极颗粒与所述石墨二次颗粒的质量比为1:4-9。
4.一种负极浆料,其特征在于,包括:
权利要求1-3任一项所述的负极材料,导电剂和粘结剂。
5.根据权利要求4所述的负极浆料,其特征在于,所述导电剂选自导电炭黑、乙炔黑、超导碳黑、石墨烯、导电石墨、碳纤维或碳纳米管中的至少一种;
所述粘结剂选自丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠或聚丙烯酸中的至少一种。
6.一种负极片的制备方法,其特征在于,包括:
将权利要求4或5所述的负极浆料涂布于集流体上。
7.根据权利要求6所述的负极片的制备方法,其特征在于,所述集流体为涂炭集流体;
可选地,所述涂炭集流体为涂炭铜箔。
8.一种负极片,其特征在于,根据权利要求6或7所述的负极片的制备方法制备获得。
9.一种负极片,其特征在于,包括负极集流体和负极活性材料层,所述负极活性材料层包括权利要求1~3任一项所述的负极材料。
10.一种锂离子电池,其特征在于,包括:
权利要求8或9所述的负极片,正极片,隔膜以及电解液,所述隔膜位于所述正极片和所述负极片之间,所述电解液浸润所述正极片、所述负极片和所述隔膜。
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