CN115799501A - 用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料的制备方法,包括如下步骤:将清洗、干燥后的剑麻裁切成小块;将适量的剑麻放入含酸的反应釜中进行水热反应,而后洗涤至中性,干燥得到第一黑色植物纤维;将步骤S2的黑色植物纤维放入含碱的反应釜中进行水热反应,而后洗涤至中性,干燥得到第二黑色植物纤维;将步骤S3的第二黑色植物纤维在惰性气体气氛下进行高温碳化,然后冷却至室温,得到剑麻硬碳负极材料;其中碳化温度为1100‑1500℃,保温时间为0.5‑3h,升/降温速率为1‑10℃/min。本发明的用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料的制备方法,制备得到的剑麻硬碳材料具有较高的平台容量和优异的长循环稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及钠离子电池负极材料技术领域,具体涉及一种用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料及其制备方法和应用。
背景技术
目前,随着全球能源需求增长和全球气候变暖,推动了清洁和可再生能源存储设备的发展。锂离子电池已经在商业市场上占据了数十年的主导地位,但由于成本的不断上升和锂资源分布不均匀,不太可能满足电网规模储能不断增长的需求。因此,迫切需要在实际应用中探索低成本、高效率的替代方案。近年来,由于地壳中丰富的钠资源,钠离子电池引起了人们的广泛关注。同时,锂离子的“摇椅”工作机制与钠离子电池储能系统完美契合,使钠离子电池成为下一代储能设备的潜在候选。
阻碍钠离子电池发展的最大困难之一是缺乏合适的负极材料。目前已有的负极材料包括插层型、合金型和转换型材料。无论是在锂离子电池中还是在钠离子电池中,金属/合金和金属化合物都表现出较高的容量,但它们在充放电循环中体积膨胀较大,循环性能差。而碳基材料资源丰富、电导率高、无毒、物化性能稳定,是极具发展前景的负极材料。由于石墨的层间距较小,而Na+半径较大,不能直接作为钠离子电池的负极。
硬碳(HC,Hard carbon)材料通常被认为是难石墨化的碳材料的统称,其微观结构是由弯曲的类石墨片堆叠的短程有序微区,各微区随机无序堆叠留下较多纳米孔洞。由于其往往具有较大的层间距、较多的纳米孔洞、以及较多的缺陷位点,因而可以储存较多的钠离子,具有较高的比容量。因此硬碳是目前最有前途的钠离子电池负极材料之一,而剑麻硬碳材料来源广泛,成本低廉,将其作为钠离子负极可以大大降低电池成本,推进钠离子电池产业化进程。
中国专利(CN107732177A)公开了一种硫/剑麻炭锂离子电池复合负极材料的制备,采用剑麻作为生物质原料制备硬碳,并通过与硫复合制备锂离子电池负极材料。该技术方案公开了剑麻硬碳材料在锂电池中的应用,而其复合材料中,掺入了S元素,S原子的半径比碳原子大很多,因此S元素的引入可扩大层间距,当层间距大于0.4nm时,碳材料主要通过表面吸附作用储存锂离子,且S元素的引入可以增加材料表面缺陷和活化位点,提高材料对锂离子的吸附能力,从而表现为斜坡区的高储钠容量,而在全电池匹配时,平台区高容量更有利于提高电池的电压窗口和能量密度。同时,S元素的引入也会造成较大的晶格畸变,使得在循环过程中材料结构发生不可逆的坍塌,从而影响循环稳定性和容量保持率。
鉴于此,有必要提供一种储钠性能优异的剑麻硬碳材料解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料的制备方法,制备得到的剑麻硬碳材料具有较高的平台容量和优异的长循环稳定性。
为了解决上述问题,本发明的技术方案如下:
一种用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料的制备方法,包括如下步骤:
步骤S1,将清洗、干燥后的剑麻裁切成小块;
步骤S2,将适量的剑麻放入含酸的反应釜中进行水热反应,而后洗涤至中性,干燥得到第一黑色植物纤维;
步骤S3,将步骤S2的黑色植物纤维放入含碱的反应釜中进行水热反应,而后洗涤至中性,干燥得到第二黑色植物纤维;
步骤S4,将步骤S3的第二黑色植物纤维在惰性气体气氛下进行高温碳化,然后冷却至室温,得到剑麻硬碳负极材料;其中碳化温度为1100-1500℃,保温时间为0.5-3h,升/降温速率为1-10℃/min。
进一步地,步骤S2中,所用酸为硫酸、硝酸、盐酸、磷酸中的一种或多种,水热反应的温度为100-200℃,干燥温度为60-80℃,干燥时间为12-24h。
进一步地,步骤S2的水热反应中,酸溶液的浓度为0.5-2mol/L。
进一步地,步骤S3中,所用碱为氢氧化钾、氢氧化钠、水合肼中的一种或多种,水热反应的温度为100-200℃,干燥温度为60-80℃,干燥时间为12-24h。
进一步地,步骤S3的水热反应中,碱溶液的浓度为0.5-2mol/L。
进一步地,步骤S4中,碳化温度为1300℃。
进一步地,步骤S4中,惰性气体为氩气或氮气。
本发明还提供一种用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料,由上述制备方法制备得到。
本发明还提供一种剑麻硬碳负极材料在钠离子电池中的应用。
一种钠离子二次电池负极极片,包括集流体、涂覆于所述集流体上的负极材料层,所述负极材料层所用材料包括上述剑麻硬碳负极材料、导电添加剂及粘结剂。
进一步地,剑麻硬碳负极材料、导电添加剂、粘结剂的混合质量比为80:10:10。
与现有技术相比,本发明提供的用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料及其制备方法,有益效果在于:
本发明提供的用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料的制备方法,采用水热法和高温碳化工艺结合,在1100-1500℃的高温碳化温度下,剑麻硬碳材料石墨化程度适中,具有相对合适的碳层间距和孔洞以储存Na离子,其中碳层间距约为0.36-0.4nm,在该层间距内,硬碳储钠表现以嵌入机制为主,钠离子主要在碳层之间进行嵌入脱出,表现为低电压平台的高储钠容量。因此,采用本发明的剑麻硬碳负极材料作为钠离子电池负极,具有容量高、电压平台低、稳定性好等优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例2中剑麻硬碳材料的SEM图;
图2是本发明实施例1-3中剑麻硬碳材料的XRD图;
图3是本发明实施例1-3中剑麻硬碳材料的激光拉曼光谱图;
图4是本发明实施例1-3和对比例1中剑麻硬碳材料组装的电池前两圈充放电曲线图,电流密度为0.1C(1C=300mA g-1);
图5是本发明实施例1-3中剑麻硬碳材料组装的电池长循环图,电流密度为1C;
图6是本发明对比例2和实施例2中剑麻硬碳材料的微观结构示意图;
图7是本发明对比例2和实施例2中剑麻硬碳材料的XRD图谱及其002峰拟合结果图;
图8是本发明对比例2和实施例2中的剑麻硬碳材料组装的电池在0.1C电流密度下的放电曲线。
图9是本发明对比例1-2和实施例1-3的剑麻硬碳材料组装的电池在0.1C电流密度下的平台容量。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案,并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应该被视为在本文中具体公开。
本发明提供的用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料的制备方法,包括如下步骤:
步骤S1,将清洗、干燥后的剑麻裁切成小块;
具体的,将剑麻用洗洁精清洗多遍,放入80℃的鼓风干燥箱干燥48h;然后将干燥后剑麻裁剪成大小适当的小块,如2-5mm的小段。
步骤S2,将适量的剑麻放入含酸的反应釜中进行水热反应,而后洗涤至中性,干燥得到第一黑色植物纤维;
具体的,所用酸为硫酸、硝酸、盐酸、磷酸中的一种或多种,水热反应的温度为100-200℃,干燥温度为60-80℃,干燥时间为12-24h。其中,酸性条件下水热反应的温度可以为100℃、120℃、140℃、150℃、180℃或200℃,也可以为该范围内的其他温度值;干燥温度可以为60℃、65℃、70℃、75℃或80℃,也可以为该范围内的其他温度值;干燥时间可以为12h、18h或24h,也可以为该范围内的其他时间值;酸溶液浓度为0.5-2mol/L,如可以是0.5mol/L、1mol/L、1.5mol/L或2mol/L,也可以为该范围内的其他值。
步骤S3,将步骤S2的黑色植物纤维放入含碱的反应釜中进行水热反应,而后洗涤至中性,干燥得到第二黑色植物纤维;
具体的,所用碱为氢氧化钾、氢氧化钠、水合肼中的一种或多种,水热反应的温度为100-200℃,干燥温度为60-80℃,干燥时间为12-24h。其中,碱性条件下水热反应的温度可以为100℃、120℃、140℃、150℃、180℃或200℃,也可以为该范围内的其他温度值;干燥温度可以为60℃、65℃、70℃、75℃或80℃,也可以为该范围内的其他温度值;干燥时间可以为12h、18h或24h,也可以为该范围内的其他时间值;碱溶液的浓度为0.5-2mol/L,如可以是0.5mol/L、1mol/L、1.5mol/L或2mol/L,也可以为该范围内的其他值。
步骤S4,将步骤S3的第二黑色植物纤维在惰性气体气氛下进行高温碳化,然后冷却至室温,得到剑麻硬碳负极材料;其中碳化温度为1100-1500℃,保温时间为0.5-3h,升/降温速率为1-10℃/min。
具体的,碳化温度可以为1100℃、1200℃、1300℃、1400℃或1500℃,也可以为该范围内的其他温度值;保温时间可以为0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h或3h,也可以为该范围内的其他时间值;升/降温速率可以为1℃/min、2℃/min、3℃/min、4、℃/min、5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min、9℃/min或10℃/min,也可以为该范围内的其他值;惰性气体可以为氮气或氩气。
采用本发明的制备方法制备得到的剑麻硬碳材料,可应用于钠离子二次电池负极极片。
一种钠离子二次电池负极极片,包括集流体、涂覆于集流体上的负极材料层,负极材料层所用材料包括上述剑麻硬碳负极材料、导电添加剂及粘结剂。
其中,剑麻硬碳负极材料、导电添加剂、粘结剂的混合质量比为80:10:10;
导电添加剂为乙炔黑、Super P、科琴黑中的一种或多种;
粘结剂为聚偏氟乙烯和羧甲基纤维素钠。
钠离子电池的组装工艺可参考现有技术。
以下通过具体的实施例对本发明提供的用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料及其制备方法进行详细阐述。
实施例1
一种用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料的制备方法,包括如下步骤:
步骤S1,将剑麻用洗洁精清洗多遍,放入80℃的鼓风干燥箱干燥48h;将干燥后的剑麻裁剪成大小适当的小块;
步骤S2,将适量的剑麻放入含1mol/L的盐酸反应釜中进行水热反应,反应温度为160℃,保温时间为12h,而后进行抽滤洗涤至PH=7,干燥得到第一黑色植物纤维;
步骤S3,将步骤S2的第一黑色植物纤维放入含1mol/L的水合肼反应釜中再次进行水热反应,反应温度为120℃,保温时间为12h,再进行抽滤洗涤至PH=7,最后干燥得到第二黑色植物纤维;
步骤S4,将步骤S3的第二黑色植物纤维放入到Ar气氛的管式炉中进行高温碳化,碳化温度为1100℃,升温速率为5°/min,保温时间为2h,得到剑麻硬碳负极材料,记为HC-1100。
实施例2
一种用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料的制备方法,包括如下步骤:
步骤S1,将剑麻用洗洁精清洗多遍,放入80℃的鼓风干燥箱干燥48h;将干燥后的剑麻裁剪成大小适当的小块;
步骤S2,将适量的剑麻放入含1mol/L的盐酸反应釜中进行水热反应,反应温度为160℃,保温时间为12h,而后进行抽滤洗涤至PH=7,干燥得到第一黑色植物纤维;
步骤S3,将步骤S2的第一黑色植物纤维放入含1mol/L的水合肼反应釜中再次进行水热反应,反应温度为120℃,保温时间为12h,再进行抽滤洗涤至PH=7,最后干燥得到第二黑色植物纤维;
步骤S4,将步骤S3的第二黑色植物纤维放入到Ar气氛的管式炉中进行高温碳化,碳化温度为1300℃,升温速率为5°/min,保温时间为2h,得到剑麻硬碳负极材料,记为HC-1300。
实施例3
一种用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料的制备方法,包括如下步骤:
步骤S1,将剑麻用洗洁精清洗多遍,放入80℃的鼓风干燥箱干燥48h;将干燥后的剑麻裁剪成大小适当的小块;
步骤S2,将适量的剑麻放入含1mol/L的盐酸反应釜中进行水热反应,反应温度为160℃,保温时间为12h,而后进行抽滤洗涤至PH=7,干燥得到第一黑色植物纤维;
步骤S3,将步骤S2的第一黑色植物纤维放入含1mol/L的水合肼反应釜中再次进行水热反应,反应温度为120℃,保温时间为12h,再进行抽滤洗涤至PH=7,最后干燥得到第二黑色植物纤维;
步骤S4,将步骤S3的第二黑色植物纤维放入到Ar气氛的管式炉中进行高温碳化,碳化温度为1500℃,升温速率为5°/min,保温时间为2h,得到剑麻硬碳负极材料,记为HC-1500。
对比例1
一种用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料的制备方法,包括如下步骤:
步骤S1,将剑麻用洗洁精清洗多遍,放入80℃的鼓风干燥箱干燥48h;将干燥后的剑麻裁剪成大小适当的小块;
步骤S2,将适量的剑麻放入含1mol/L的盐酸反应釜中进行水热反应,反应温度为160℃,保温时间为12h,而后进行抽滤洗涤至PH=7,干燥得到第一黑色植物纤维;
步骤S3,将步骤S2的第一黑色植物纤维放入含1mol/L的水合肼反应釜中再次进行水热反应,反应温度为120℃,保温时间为12h,再进行抽滤洗涤至PH=7,最后干燥得到第二黑色植物纤维;
步骤S4,将步骤S3的第二黑色植物纤维放入到Ar气氛的管式炉中进行高温碳化,碳化温度为1000℃,升温速率为5°/min,保温时间为2h,得到剑麻硬碳负极材料,记为HC-1000。
对比文件2
一种用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料的制备方法,包括如下步骤:
步骤S1,将剑麻用洗洁精清洗多遍,放入80℃的鼓风干燥箱干燥48h;将干燥后的剑麻裁剪成大小适当的小块;
步骤S2,将适量的剑麻放入含1mol/L的盐酸反应釜中进行水热反应,反应温度为160℃,保温时间为12h,而后进行抽滤洗涤至PH=7,干燥得到第一黑色植物纤维;
步骤S3,将步骤S2的第一黑色植物纤维放入含1mol/L的水合肼反应釜中再次进行水热反应,反应温度为120℃,保温时间为12h,再进行抽滤洗涤至PH=7,最后干燥得到第二黑色植物纤维;
步骤S4,将步骤S3的第二黑色植物纤维放入到Ar气氛的管式炉中进行高温碳化,碳化温度为800℃,升温速率为5°/min,保温时间为2h,得到剑麻负极材料,记为AC-800(AC表示Amorphous carbon)。
请结合参阅图1至图3,其中图1是本发明实施例2中剑麻硬碳材料的SEM图;图2是本发明实施例1-3中剑麻硬碳材料的XRD图;图3是本发明实施例1-3中剑麻硬碳材料的激光拉曼光谱图。
钠离子电子的组装和电化学性能测试:
(1)将剑麻硬碳材料粉末与Super P、聚偏氟乙烯按照80:10:10的质量比混合,加入适量的N-甲基吡咯烷酮,在常温干燥的环境中研磨得到黑色浆料,然后把浆料均匀涂覆于集流体铜箔上;随后放入真空干燥箱,经80℃干燥12小时后,裁成半径为6mm的圆型极片,使用五位天平称量,并计算出相对应的活性物质质量,而后转移至手套箱中备用。
(2)以钠片作为对电极,在水和氧含量都小于0.01ppm的条件下,按正确的组装步骤将正极壳,负极壳,玻璃纤维隔膜,钠片,电解液,垫片,弹片,负极极片组装在一起,使用的电解液为1M NaClO4、EC/DEC(v:v=1:1):FEC=95%:5%。最后用扣式电池封口机对组装好的电池进行密封,随后从手套箱中拿出,静置8h。
(3)将组装好的钠离子电池进行电化学测试,测试仪器为LANDCT2001A。
请结合参阅图4和图5,其中图4是本发明实施例1-3和对比例1中剑麻硬碳材料组装的电池前两圈充放电曲线图,电流密度为0.1C(1C=300mA g-1);图5是本发明实施例1-3中剑麻硬碳材料组装的电池的长循环图,电流密度为1C。由图4可以看出,HC-1300的剑麻硬碳材料对应的电池首圈放电和充电比容量分别为559.1mA h g-1和298.8mA h g-1,其电池性能优于其他实施例。由图5可以看出,HC-1300的剑麻硬碳材料对应的电池在经过500次的循环后仍具有242.7mA h g-1的高可逆比容量,说明本发明的剑麻硬碳材料应用于钠离子电池具有优异的长循环稳定性。
以下进一步说明高温碳化温度对剑麻硬碳材料结构的影响,包括层间距及储钠机制。
请参阅图6,是本发明对比例2和实施例2中剑麻硬碳材料的微观结构示意图,其中图6a表示对比例2的材料微观结构示意图,图6b表示实施例2的材料微观结构示意图。由图6可以看出,当碳化温度为800℃时,碳材料结构有序化程度低,随着碳化温度增加,碳材料石墨化程度增加,而层间距减小。
请参阅图7,是本发明对比例2和实施例2中剑麻硬碳材料的XRD图谱及其002峰拟合结果图,其中图7a表示AC-800和HC-1300的XRD图谱,图7b、7c表示AC-800和HC-1300的002峰拟合结果。由图7a可以看出,当温度升高,002峰向右偏移,层间距变小。为进一步分析XRD结果,将实施例1-3、对比例1-2样品的002峰进行分峰拟合,具体结构参数如表1所示。
表1:不同样品的XRD分析结果
由表1可以看出,AC-800的碳层间距0.4nm以上部分占60.45%,而HC-1300的碳层间距0.4nm以上部分仅占38.27%,这说明碳化温度对硬碳材料结构具有较大的影响,将会进一步影响其储钠性能。
请参阅图8,是本发明对比例2和实施例2中的剑麻硬碳材料组装的电池在0.1C电流密度下的放电曲线。当层间距大于0.4nm时,碳材料主要通过表面吸附作用储存钠离子,对应充放电曲线斜坡区的高储钠容量,如图8a。当层间距在0.36-0.4nm之间时,钠离子可在碳层之间进行嵌入脱出,对应于低电压(<0.1V)平台区的高储钠容量,如图8b。
请参阅图9,是本发明对比例1-2和实施例1-3中的剑麻硬碳材料组装的电池在0.1C电流密度下的平台容量。层间距大小对平台区容量影响较大,AC-800的碳层间距在0.36-0.4nm之间的部分占据39.55%,平台容量仅为28.2mA h g-1。HC-1300的碳层间距在0.36-0.4nm之间的部分占据61.73%,平台容量高达169mA h g-1。
综上,本发明通过优化材料的高温碳化温度,调节硬碳材料层间距,使其主要位于0.36-0.4nm,此时硬碳材料主要通过层间嵌入机制进行储钠,从而表现出低电压平台的高容量。在匹配全电池时,具有低电压平台的高容量的电池具有更优异的电化学性能,可提高电池的电压窗口和能量密度。
本发明的钠离子二次电池,可适用于太阳能发电、风力发电、潮汐发电、智能电网调峰或分布电站的大规模储能设备中。
本发明提供的用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料的制备方法,采用水热法和高温碳化工艺结合,在1100-1500℃的高温碳化温度下,剑麻硬碳材料石墨化程度适中,具有相对合适的碳层间距和孔洞以储存Na离子,其中碳层间距约为0.36-0.4nm,在该层间距内,硬碳储钠表现以嵌入机制为主,钠离子主要在碳层之间进行嵌入脱出,表现为低电压平台的高储钠容量。因此,采用本发明的剑麻硬碳负极材料作为钠离子电池负极,具有容量高、电压平台低、稳定性好等优势。
以上对本发明的实施方式作出详细说明,但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言,在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤S1,将清洗、干燥后的剑麻裁切成小块;
步骤S2,将适量的剑麻放入含酸的反应釜中进行水热反应,而后洗涤至中性,干燥得到第一黑色植物纤维;
步骤S3,将步骤S2的黑色植物纤维放入含碱的反应釜中进行水热反应,而后洗涤至中性,干燥得到第二黑色植物纤维;
步骤S4,将步骤S3的第二黑色植物纤维在惰性气体气氛下进行高温碳化,然后冷却至室温,得到剑麻硬碳负极材料;其中碳化温度为1100-1500℃,保温时间为0.5-3h,升/降温速率为1-10℃/min。
2.根据权利要求1所述的用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料的制备方法,其特征在于,步骤S2中,所用酸为硫酸、硝酸、盐酸、磷酸中的一种或多种,水热反应的温度为100-200℃,干燥温度为60-80℃,干燥时间为12-24h。
3.根据权利要求2所述的用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料的制备方法,其特征在于,步骤S2的水热反应中,酸溶液的浓度为0.5-2mol/L。
4.根据权利要求1所述的用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料的制备方法,其特征在于,步骤S3中,所用碱为氢氧化钾、氢氧化钠、水合肼中的一种或多种,水热反应的温度为100-200℃,干燥温度为60-80℃,干燥时间为12-24h。
5.根据权利要求4所述的用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料的制备方法,其特征在于,步骤S3的水热反应中,碱溶液的浓度为0.5-2mol/L。
6.根据权利要求1所述的用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料的制备方法,其特征在于,步骤S4中,碳化温度为1300℃。
7.根据权利要求1所述的用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料的制备方法,其特征在于,步骤S4中,惰性气体为氩气或氮气。
8.一种用于钠离子电池的剑麻硬碳负极材料,其特征在于,由权利要求1-5中任一项所述的制备方法制备得到。
9.一种如权利要求8所述的剑麻硬碳负极材料在钠离子电池中的应用。
10.一种钠离子二次电池负极极片,其特征在于,包括集流体、涂覆于所述集流体上的负极材料层,所述负极材料层所用材料包括如权利要求8所述的剑麻硬碳负极材料、导电添加剂及粘结剂。
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