CN115642293A - 电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开的主要目的是提供一种抑制了在外装体产生褶皱的电池。在本公开中，通过提供一种电池来解决上述课题，上述电池具有至少包含发电元件的内部元件以及密封上述内部元件的层压型外装体，上述内部元件具有槽结构，上述电池具有上述外装体的一部分被收纳到上述槽结构中的收纳部。
Description
技术领域
本公开涉及电池及其制造方法。
背景技术
近年来，锂离子电池作为高电压且高能量密度的电池已被实用化。另外，作为这种电池的方式之一，已知用层压型外装体将包含发电元件的内部元件密封的层压电池。例如，专利文献1公开了一种层压全固体电池的制造方法，其具有以下步骤：将全固体电池层叠体收纳到包含层压膜的外装体内；从外装体的外侧沿层叠方向对收纳到外装体内的全固体电池层叠体加压；在维持压力的状态下向外装体内注入填充材料；以及密封外装体。
现有技术文献
专利文件1：日本特开2018-133175号公报
发明内容
在制作层压电池的情况下，首先，以覆盖内部元件周围的方式配置外装体，接着，在减压气氛下用外装体密封内部元件。在减压气氛下密封时，外装体有时产生褶皱(无意中产生的褶皱)。
本公开是针对上述状况而完成的，主要目的是提供一种抑制了外装体产生褶皱的电池。
在本公开中，提供一种电池，其具有至少包含发电元件的内部元件、以及密封上述内部元件的层压型外装体，上述内部元件具有槽结构，上述电池具有上述外装体的一部分被收纳到上述槽结构中而得到的收纳部。
根据本公开，通过内部元件具有槽结构，而且电池具有在该槽结构中收纳有外装体的一部分的收纳部，由此抑制在外装体产生褶皱。
在上述公开中，上述内部元件可以具有配置在上述发电元件侧面的固定构件，可以在上述固定构件形成有上述槽结构。
在上述公开中，上述内部元件可以具有保护集电极耳和集电端子中的至少一者的保护构件，可以在上述保护构件形成有上述槽结构。
另外，在本公开中，提供一种电池的制造方法，上述电池具有至少包含发电元件的内部元件、以及密封上述内部元件的层压型外装体，上述电池的制造方法具有配置工序和在上述配置工序之后的密封工序，上述配置工序以覆盖上述内部元件周围的方式配置上述外装体，上述密封工序在减压气氛下用上述外装体密封上述内部元件，上述内部元件具有槽结构，在上述密封工序中，形成上述外装体的一部分被收纳到上述槽结构中的收纳部。
根据本公开，通过使用具有槽结构的内部元件，并将外装体的一部分收纳到该槽结构中，来抑制在外装体产生褶皱。
在本公开中，具有能够提供抑制了外装体产生褶皱的电池的效果。
附图说明
图1是例示本公开中的电池的概略立体图。
图2是图1的A-A截面图。
图3是图1的B-B截面图。
图4是说明本公开中的效果的概略截面图。
图5是说明本公开中的效果的概略截面图。
图6是例示本公开中的槽结构的概略截面图。
图7是例示本公开中的槽结构的概略截面图。
图8是例示本公开中的固定构件的概略侧视图和概略截面图。
图9是例示本公开中的固定构件的概略截面图。
图10是例示本公开中的固定构件的概略截面图。
图11是例示本公开中的保护构件的概略立体图和概略侧视图。
图12是例示本公开中的保护构件的概略立体图。
图13是例示本公开中的发电元件的概略截面图。
图14是例示本公开中的外装体的概略截面图。
图15是例示本公开中的外装体的概略截面图。
图16是例示本公开中的电池的制造方法的概略截面图。
附图标记说明
1…正极集电体
2…正极活性物质层
3…电解质层
4…负极活性物质层
5…负极集电体
10…发电元件
11…固定构件
12…保护构件
20…外装体
30A…正极端子
30B…负极端子
100…电池
具体实施方式
以下，对本公开的外装体和电池详细说明。以下所示各图是示意图，为了便于理解，各部分的大小、形状被适当夸大。另外，各图中，适当省略了表示构件截面的影线。
A.电池
图1是例示本公开中的电池的概略立体图。如图1所示，电池100具有：内部元件15、密封内部元件15的层压型外装体20、与内部元件15的正极极耳(未图示)连接的正极端子30A以及与内部元件15的负极极耳(未图示)连接的负极端子30B。
图2(a)是图1的A-A截面图，图2(b)是省略了图2(a)中的外装体20的图。如图2(a)、2(b)所示，内部元件15具有发电元件10和配置在发电元件10侧面的固定构件11。如图2(b)所示，在内部元件15的固定构件11形成槽结构G1，如图2(a)所示，电池100具有在槽结构G1中收纳外装体20的一部分的收纳部S1。
图3(a)是图1的B-B截面图，图3(b)是省略了图3(a)中的外装体20的图。如3(a)、(b)所示，内部元件15具有保护构件12a和保护构件12b，保护构件12a用于保护正极极耳4t和正极端子30a的接合部分，保护构件12b用于保护负极极耳5t和负极端子30b的接合部分。如图3(b)所示，在内部元件15的保护构件12a、12b分别形成槽结构G2，如图3(a)所示，电池100具有在槽结构G2中收纳有外装体20的一部分的收纳部S2。
根据本公开，通过内部元件具有槽结构，而且电池具有在该槽结构中收纳有外装体的一部分的收纳部，来抑制在外装体产生褶皱。如上所述，在制作层压电池的情况下，首先，以覆盖内部元件周围的方式配置外装体，接着，在减压气氛下用外装体密封内部元件。在减压气氛下密封时，外装体会产生褶皱。
例如，使用了具有杯部的外装体的电池，通常通过在杯部配置内部元件，然后以覆盖内部元件周围的方式配置外装体，并在减压气氛下用外装体密封内部元件来制造。从提高能量密度的观点出发，在内部元件与杯部之间不产生间隙是理想的。实际上，考虑到内部元件的尺寸偏差以及使用环境引起的内部元件的膨胀收缩，需要将杯部设计得比内部元件大，在两者之间设置些许间隙。如果设置些许间隙，则在减压气氛下密封时，会在外装体产生由间隙引起的、非有意的褶皱。
对此，通过内部元件具有槽结构，而且电池具有在该槽结构中收纳有外装体的一部分的收纳部，来抑制在外装体产生褶皱。因此，能够防止由褶皱引起的外装体随时间推移的破损，能够长期维持密封性。另外，如果随着发电元件的膨胀收缩而在外装体的褶皱积蓄应力，则外装体会发生破损。对此，本公开的电池中，在外装体抑制了褶皱的产生，因此能够抑制应力积蓄引起的外装体破损。
此外，本公开中的收纳部作为应力缓和部发挥作用，所以可抑制与发电元件的膨胀收缩相伴的外装体破损。在此，图4(a)和图5(a)分别是将图2(a)和图3(a)的一部分放大了的放大图。图4(a)和5(a)所示收纳部S1、S2在发电元件膨胀时作为应力缓和部发挥作用。具体而言，如图4(b)和图5(b)所示，通过将收纳于槽结构G1、G2中的外装体20的部分延伸，来缓和发电元件在膨胀时的应力产生。
1.内部元件
本公开中的内部元件至少包含发电元件。内部元件可以在发电元件之外还包含固定构件和保护构件中的至少一者。另外，本公开中的内部元件具有槽结构。在本公开中，固定构件可以具有槽结构，保护构件可以具有槽结构，发电元件也可以具有槽结构。另外，固定构件、保护构件和发电元件以外的构件(例如间隔件)也可以具有槽结构。
(1)槽结构
本公开中的槽结构是形成于内部元件的结构，是其截面具有凹形的结构。在此，槽结构的截面是指将槽结构用与其延伸方向正交的平面切断后的截面。如图6(a)所示，将槽结构G的深度设为D，并将槽结构G的宽度设为W。另外，虽未特别图示，但将外装体的厚度设为T。D相对于T的比例(D/T)例如为1.5以上，可以为2以上，也可以为3以上。另一方面，D/T例如为6以下，可以为5以下，也可以为4以下。另外，W相对于T(W/T)的比例例如为2以上，可以为4以上，也可以为6以上。另一方面，W/T例如为12以下，可以为10以下，也可以为8以下。
另外，如图6(b)所示，将槽结构G的一个端部设为g1，并将另一个端部设为g2。端部g1和端部g2是槽结构与其他部分的边界。另外，将利用端部g1和端部g2连结而成的直线m与构成槽结构G的边n所规定的槽结构G的闭合截面结构作为槽结构G的截面形状。如图6(b)所示，槽结构G的截面形状可以是三角形。另一方面，如图6(a)所示，槽结构G的截面形状也可以是矩形。另外，构成槽结构G的边n可以是直线，也可以是曲线。作为构成槽结构G的边n是曲线时的具体例，可举出圆弧形的边n。构成槽结构G的边n的合计长度优选基于内部元件的尺寸偏差(设计时的尺寸与制造时的尺寸的差量的最大值)和伴随内部元件膨胀收缩的尺寸变动(最大膨胀时的尺寸与最大收缩时的尺寸的差量的最大值)而设定。此外，可以提供一些裕度。
槽结构G的端部g1和端部g2中的至少一者优选具有R形状。因为这样可抑制外装体破损。例如，图7(a)、(b)所示端部g1和端部g2具有R形状。另外，连结了2个边n的顶点g3优选具有R形状。因为这样可抑制外装体破损。例如，图7(a)、(b)所示顶点g3具有R形状。
槽结构G的延伸方向没有特别限定。在此，如图1所示，将电池100的厚度方向定义为Z轴方向。进而将与Z轴方向正交且电池100的长边方向所对应的方向定义为X轴方向。另外，将与Z轴方向和X轴方向正交的方向定义为Y轴方向。例如，Y轴方向是电池100的短边方向所对应的方向。
槽结构G的延伸方向可以平行于X轴方向，可以平行于Y轴方向，也可以平行于Z轴方向。本公开中的"平行"，是指2个方向所成的角度为0°以上且30°以下。上述所成的角度可以为15°以下，也可以为5°以下。例如，图1所示槽结构G1的延伸方向平行于X轴方向。另外，图1所示槽结构G2的延伸方向平行于Y轴方向。另外，收纳部S的延伸方向基本上与槽结构G的延伸方向相同。另外，槽结构G的延伸方向可以与X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的任意者不平行。槽结构G在延伸方向上的长度，相对于电池在延伸方向上的长度例如为30％以上，可以为50％以上，也可以为70％以上。
另外，如图6(b)所示，直线m是将槽结构G中的端部g1和端部g2连结的直线。直线m可以平行于X轴方向，可以平行于Y轴方向，也可以平行于Z轴方向。例如，图1所示槽结构G1中，直线m(未图示)平行于Z轴方向。另外，图1所示槽结构G2中，直线m(未图示)平行于X轴方向。
(2)固定构件
本公开中的固定构件是配置在发电元件侧面的构件。通过设置固定构件，来抑制构成发电元件的各层的位置偏差。固定构件的材料没有特别限定，例如可举出树脂。
图8(a)是例示本公开中的固定构件的概略侧视图，图8(b)是图8(a)的A-A截面图。如图8(a)、(b)所示，内部元件15具有配置在发电元件10侧面的固定构件11。另外，如图8(a)、(b)所示，在固定构件11形成有槽结构G。俯视时，槽结构g的延伸方向可以平行于固定构件11的长边方向。
将连结槽结构G中端部g1与端部g2的直线m的方向设为DA。图8(b)所示槽结构G中的方向DA与电池的厚度方向平行。另外，图8(b)所示内部元件15在发电元件10的一个侧面和发电元件10的另一个侧面分别具有固定构件11。图8(b)中，仅在2个固定构件11中的一者形成了槽结构G，但也可以在2个固定构件11同时形成槽结构G。
另外，如图9(a)所示，可以在固定构件11形成多个槽结构G。图9(a)中，俯视时多个槽结构G的延伸方向平行于固定构件11的长边方向，并且在所述多个槽结构G的方向DA平行于电池的厚度方向。另外，图9(b)中，俯视时多个槽结构G的延伸方向平行于固定构件11的长边方向，并且多个槽结构G的方向DA垂直于电池的厚度方向。本公开中的"垂直"，是指2个方向所成角度为60°以上且90°以下。上述所示角度可以为75°以上，也可以为85°以上。
另外，如图2(a)、图2(b)所示，可以在位于外装体20的弯折部β侧的固定构件11形成槽结构G。同样地，在位于外装体20的密封部α侧的固定构件11可以不形成槽结构G。另外，如图10所示，可以在位于外装体20的密封部α侧的固定构件11形成槽结构G。该情况下，槽结构G的位置在电池的厚度方向上优选不与密封部α的密封面P的位置重叠。因为这样能够抑制密封部α的破损。再者，例如密封部α足够坚固的情况下，槽结构G的位置在电池的厚度方向上可以与密封部α的密封面P的位置重叠。
(3)保护构件
本公开中的保护构件是保护集电极耳和集电端子中的至少一者的构件。集电极耳是正极极耳和负极极耳的统称，集电端子是正极端子和负极端子的统称。另外，有时将集电极耳和集电端子中的至少一者统称为集电构件。保护构件优选为同时保护集电极耳和集电端子的构件。具体而言，优选为保护集电极耳和集电端子接合而成的接合部分的构件。通过设置保护构件，来抑制集电极耳和集电端子中的至少一者破损。保护构件的材料没有特别限定，例如可举出树脂。
图11(a)是例示本公开中的保护构件的概略立体图，图11(b)是从箭头方向观察图11(a)的保护构件时的概略侧视图。图11(a)、图11(b)所示保护构件12具有可插入集电构件(未图示)的贯通部121。通过贯通部121，保护集电构件(未图示)免受图1中的Z轴方向和Y轴方向的冲击。另外，如图11(a)、图11(b)所示，在保护构件12形成有槽结构G。俯视时，槽结构G的延伸方向可以平行于保护构件12的长边方向。
另外，如图11(a)、图11(b)所示，可以在保护构件12形成多个槽结构G。另一方面，虽未图示，但也可以在保护构件12形成仅1个槽结构G。图11(a)、图11(b)中，俯视时多个槽结构G的延伸方向平行于保护构件12的长边方向，并且俯视时多个槽结构G的方向DA平行于保护构件12的短边方向。
另外，如图12所示，保护构件12可以沿着与电池厚度方向交叉的面一分为二。即，保护构件12可以具有作为一对构件的第1构件12a和第2构件12b。在图12所示第1构件12a和第2构件12b分别具有能够配置集电构件的切口部122。再者，第1构件12a和第2构件12b可以不具有切口部122。
(4)发电元件
本公开中的发电元件至少具备发电单元，发电单元具有正极集电体、正极活性物质层、电解质层、负极活性物质层和负极集电体。例如，图13所示发电元件10具备发电单元U，该发电单元U中沿着厚度方向依次配置有正极集电体1、正极活性物质层2、电解质层3、负极活性物质层4和负极集电体5。另外，图13所示发电元件10具有4个发电单元U，各个发电单元U并联连接。具体而言，各个发电单元U中的正极极耳1t分别连接，各发电单元U中的负极极耳5t也分别连接。因此，4个发电单元U并联连接。
正极活性物质层至少含有正极活性物质，可以还含有导电材料、电解质和粘合剂中的至少一者。作为正极活性物质，例如可举出LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等氧化物活性物质。作为导电材料，例如可举出碳材料。作为电解质，例如可举出液体电解质(电解液)、固体电解质。作为电解液，例如可举出使LiPF6等Li盐溶解在碳酸酯系溶剂中而得到的电解液。另一方面，作为固体电解质，例如可举出硫化物固体电解质、氧化物固体电解质、卤化物固体电解质等无机固体电解质、凝胶电解质、聚合物电解质。作为粘合剂，例如可举出PVDF等氟系粘合剂。作为正极集电体，例如可举出Al、SUS、Ni。另外，正极集电体通常具有用于与正极端子连接的正极极耳。
负极活性物质层至少含有负极活性物质，可以还含有导电材料、电解质和粘合剂中的至少一者。作为负极活性物质，例如可举出Si单质、Si合金、Si氧化物等Si系活性物质、石墨等石墨系活性物质、钛酸锂等氧化物系活性物质。Si系活性物质在充放电时的体积变化大，因此容易发生外装体破损，但通过使用上述的外装体，能够抑制外装体破损。关于负极活性物质层中的导电材料、电解质和粘合剂，与上述正极活性物质层中记载的内容相同。作为负极集电体，例如可举出Cu、SUS、Ni。另外，负极集电体通常具有用于与负极端子连接的负极极耳。
电解质层至少含有电解质，可以还含有粘合剂。关于电解质和粘合剂，与上述正极活性物质层中记载的内容相同。在电解质层含有液体电解质的情况下，电解质层可以是将液体电解质浸渗于隔膜的层。在电解质层含有固体电解质的情况下，这种电池一般被称为全固体电池。本公开中的电池可以是全固体电池。
在发电元件具有多个发电单元的情况下，它们可以彼此串联地连接，也可以彼此并联地连接。在多个发电单元串联地连接的情况下，在相邻的发电单元U中，一个发电单元U中的正极集电体和另一个发电单元U中的负极集电体可以共用。在多个发电单元并联地连接的情况下，在相邻的发电单元U中，一个发电单元U中的正极集电体和另一个发电单元U中的正极集电体可以共用。同样地，在相邻的发电单元U中，一个发电单元U中的负极集电体和另一个发电单元U中的负极集电体可以共用。
2.外装体
本公开中的外装体是将内部元件密封的构件。外装体优选具有用于配置内部元件的杯部。例如，图14(a)所示外装体20，具有：一对杯部(21a、21b)、配置在一对杯部21(21a、21b)之间的连结部22、与位于杯部21a的连结部22相反侧的端部连接的凸缘部23a、以及与位于杯部21b的连结部22相反侧的端部连接的凸缘部23b。虽未特别图示，但连结部22可以具有突起部。在用外装体密封内部元件时，通过将外装体的突起部配置在内部元件的槽结构，能够抑制外装体和内部元件的位置偏差。
如图14(b)所示，将内部元件15配置在外装体20中的杯部21a，然后以凸缘部23a和凸缘部23b相对的方式弯折外装体20。由此，以覆盖内部元件15周围的方式配置外装体20。另外，如图14(b)所示，将杯部21的宽度设为W1，并将内部元件15的宽度设为W2。在本公开中，优选W1大于W2。内部元件的尺寸通常会产生偏差，但即使在这种情况下，也能够将内部元件稳定地配置在杯部。
另一方面，如果W1大于W2，则外装体存在多余量，因此在用外装体密封内部元件时，外装体容易因减压气氛的影响而产生褶皱。对此，本公开中的内部元件通过具有槽结构，且在该槽结构收纳外装体的多余量，由此能够抑制外装体产生褶皱。W1相对于W2的比例(W1/W2)没有特别限定，例如为1.05以上。
另外，如图14所示，外装体20可具有2个杯部。另一方面，如图15所示，外装体20可以具有仅1个杯部。例如，图15(a)所示外装体20具有：杯部21、与该杯部21的一个端部连接的凸缘部23a、以及与杯部21的另一个端部连接的凸缘部23b。如图15(b)所示，准备2个外装体20，将内部元件15配置在一个外装体20的杯部21，然后将内部元件15用另一个外装体20的杯部21覆盖。由此，以覆盖内部元件15周围的方式配置外装体20。
外装体的外缘的俯视形状没有特别限定，例如可举出正方形、长方形等矩形。在外装体的俯视形状为长方形的情况下，集电端子可以配置在长方形的长边上，也可以配置在长方形的短边上。另外，正极端子和负极端子可以分别配置在同一边上，也可以分别配置在相对的边上。另外，在外装体的俯视形状为长方形的情况下，俯视时本公开的槽结构G的延伸方向优选与长方形的长边或短边平行。
本公开中的外装体是层压型外装体。层压型外装体至少具有热熔层和金属层层压而得到的结构。另外，外装体可以沿着厚度方向依次具有热熔层、金属层和树脂层。作为热熔层的材料，例如可举出聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)等烯烃系树脂。作为金属层的材料，例如可举出铝、铝合金、不锈钢。作为树脂层的材料，例如可举出聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、尼龙。热熔层的厚度例如为40μm以上且100μm以下。金属层的厚度例如为30μm以上且60μm以下。树脂层的厚度例如为20μm以上且60μm以下。外装体层的厚度例如为80μm以上且250μm以下。
本公开中的外装体的制造方法没有特别限定，例如可举出具有压花加工工序的制造方法，在压花加工工序中对层压膜进行压花加工(法兰加工)，形成上述杯部。压花加工中，通常将层压膜配置在公模与母模之间进行压制，由此形成杯部。在公模与母模分别形成与杯部对应的形状。关于压制条件没有特别限定，可以采用通常的条件。
3.电池
本公开中的电池具有上述内部元件和外装体。另外，本公开中的电池具有在槽结构中收纳有外装体的一部分的收纳部。“在槽结构中收纳有外装体的一部分”是指在将连结槽结构中连接端部g1和端部g2的直线设为m的情况下，外装体的一部分位于比直线m更靠槽结构侧。例如图6(b)所示，在将连结槽结构中的端部g1和端部g2的直线设为m的情况下，外装体(未图示)的一部分位于比该直线更靠槽结构g侧时，判断为电池具有收纳部。另外，将收纳部的深度设为Ds，并将槽结构的深度设为D。Ds相对于D的比例(Ds/D)例如为0.5以上，可以为0.75以上。另外，收纳部可以与槽结构的最深的底部接触。
另外，本公开中的电池通常具有正极端子和负极端子。正极端子的一端在外装体的内部空间与正极极耳连接，另一端从外装体露出。同样地，负极端子的一端在外装体内部空间与负极极耳连接，另一端从外装体露出。另外，本公开中的电池典型的是锂离子二次电池。
B.电池的制造方法
图16是例示本公开中的电池制造方法的概略截面图。首先，如图16(a)所示，准备内部元件15，内部元件15具备发电元件10和配置在发电元件10的侧面且具有槽结构11a的固定构件11。此外，以覆盖内部元件15周围的方式配置外装体20。在该阶段，内部元件15处于没有被外装体20密封的状态。接着，如图16(b)所示，通过在减压气氛下将相对的外装体20彼此热封来形成密封部α，在外装体20的内部密封内部元件15。在减压气氛下，以存在于槽结构11a与外装体20之间的空间消失的方式使槽结构11a与外装体20接近的力发挥作用。由此，形成外装体20的一部分被收纳于槽结构11a的收纳部21。
根据本公开，通过使用具有槽结构的内部元件并在槽结构收纳外装体的一部分，来抑制在外装体产生褶皱。
1.配置工序
本公开中的配置工序，是以覆盖内部元件周围的方式配置外装体的工序。关于内部元件和外装体，与上述“A.电池”中记载的内容相同，所以在此省略记载。内部元件优选配置在外装体的杯部。另外，优选在内部元件中的正极极耳和负极极耳分别连接正极端子和负极端子。
2.密封工序
本公开中的密封工序是在配置工序之后在减压气氛下用外装体密封内部元件的工序。具体而言，优选通过在将存在于内部元件和外装体之间的空气排出的状态下使用例如热棒将相对的外装体彼此热封，来形成密封部。
3.电池
关于通过上述各工序得到的电池，与上述"A.电池"中记载的内容相同，所以在此省略记载。
本公开不限定于上述实施方式。上述实施方式是例示，具有与本公开的专利请求保护的范围所记载的技术思想实质相同的方案，发挥同样作用效果的方案，全都包括在本公开的技术范围内。
Claims (4)
1.一种电池，具有至少包含发电元件的内部元件、以及密封所述内部元件的层压型外装体，
所述内部元件具有槽结构，
所述电池具有所述外装体的一部分被收纳到所述槽结构中而得到的收纳部。
2.根据权利要求1所述的电池，
所述内部元件具有配置在所述发电元件侧面的固定构件，
在所述固定构件形成有所述槽结构。
3.根据权利要求1或2所述的电池，
所述内部元件具有保护集电极耳和集电端子中的至少一者的保护构件，
在所述保护构件形成有所述槽结构。
4.一种电池的制造方法，所述电池具有至少包含发电元件的内部元件、以及密封所述内部元件的层压型外装体，所述电池的制造方法具有配置工序和在所述配置工序之后的密封工序，
所述配置工序以覆盖所述内部元件周围的方式配置所述外装体，
所述密封工序在减压气氛下用所述外装体密封所述内部元件，
所述内部元件具有槽结构，
在所述密封工序中，形成所述外装体的一部分被收纳到所述槽结构中的收纳部。
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