CN116779828A - 一种改性钠离子层状正极材料制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改性钠离子层状正极材料制备方法及其应用,该改性钠离子层状正极材料的化学组成式为NaxCua+eNib+fM'(1‑a‑b‑c)M"cWdO2+4d。本发明采用共沉淀—高温固相法,将表面包覆CueNif(OH)2*(e+f)的前驱体与钠源及含M"元素的钨酸盐均匀混合,经过烧结处理得到M"元素掺杂及表面包覆CueNifWO4纳米异质结颗粒的高性能钠离子电池正极材料,该方法制备的钠离子正极材料有效改善了材料的离子电导率和空气稳定性,提高了材料的循环寿命及倍率性能。
Description
技术领域
本发明涉及钠离子电池技术领域,具体涉及一种改性钠离子层状正极材料制备方法及其应用。
背景技术
储量丰富的钠资源是当前钠离子电池在大规模储能与分布式电站应用中备受关注的重要因素。除了钠资源含量丰富外,钠离子电池中其它常用的主要元素,如铁、锰、铝在地壳中的储量也相对较高。丰富的原料资源,有助于降低钠离子电池的制造成本,使其规模化生产不受地区因素影响,实现大规模分布式储能可持续发展。钠离子电池能够满足新能源汽车领域低成本、长寿命和高安全性能等要求,可在一定程度上缓解锂资源短缺引发的储能电池发展受限问题,是锂离子电池的有益补充,同时可逐步替代铅酸电池,有望在新型储能应用中扮演重要角色。
目前层状钠离子正极材料存在容易吸水或与空气中二氧化碳反应,在充放电过程中材料表面与电解液发生不利反应等缺点,导致材料的结构稳定性下降,循环稳定性及倍率性能变差。因此,如何提高材料的空气稳定性,降低充放电过程中材料表面与电解液的副反应,提升材料的循环稳定性和倍率性能,是当前阻碍钠离子电池规模化发展的重要因素。
发明内容
本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供一种改性钠离子层状正极材料。
本发明采用的技术方案为:一种改性钠离子层状正极材料,所述改性钠离子层状正极材料的化学式为NaxCua+eNib+fM'(1-a-b-c)M"cWdO2+4d,所述改性钠离子层状正极材料包括类球形形貌的二次颗粒,所述二次颗粒由一次颗粒组成;所述改性钠离子层状正极材料兼具内部M"元素掺杂及表面包覆CueNifWO4纳米异质结颗粒。
其中,0.88≤x≤1.10,0.10≤a<0.50,0.10≤b<0.50,0<1-a-b-c≤0.80,0.002<e<0 .02,0<f<0 .02,0.002≤d≤0 .02,c=n*d(n=1或2),e+f=d,e≠f。
根据本发明提供的一种改性钠离子层状正极材料,所述改性钠离子层状正极材料中,M'选自Fe、Mn、Co、Mg、Ti、Al、Cr、Li、Zn、Sr、Y、Zr、La、Nb中的一种,M"选自Y、Bi、Cd、Rb、K、Al、Sr中的一种。
根据本发明提供的一种改性钠离子层状正极材料,所述表面包覆CueNifWO4纳米异质结颗粒含量占材料本身摩尔比的0.004~0.04;所述M"元素含量占材料本身摩尔比的0.002~0.04。
一种改性钠离子层状正极材料的制备方法,所述制备方法包括以下步骤:
(1):采用共沉淀法制备化学式为Cua+eNib+fM'(1-a-b)(OH)2*(1+e+f)的前驱体浆料;
(2):将所述前驱体浆料与镍盐溶液、铜盐溶液、碱溶液和沉淀剂混合反应,然后进行固液分离、洗涤、烘干、筛分后,得到表面包覆CueNif(OH)2*(e+f)的前驱体;
(3):将步骤(2)中制得的表面包覆CueNif(OH)2*(e+f)的前驱体与钠源及含M"元素的钨酸盐按照NaxCua+eNib+fM'(1-a-b-c)M"cWdO2+4d化学组成式的摩尔比均匀混合,然后进行烧结处理,最后进行破碎、粉碎、筛分,得到所述改性钠离子层状正极材料。
根据本发明提供的一种改性钠离子层状正极材料的制备方法,所述步骤(1)中的前驱体浆料的制备方法具体为:将镍盐溶液、铜盐溶液、M'盐溶液、沉淀剂溶液、碱溶液和络合剂溶液,按比例并流加入到反应釜中进行反应,反应过程保持匀速搅拌,搅拌速度为400~1000 rpm,反应过程中的pH保持在10~13,反应控制温度为35~70℃,反应体系中络合剂的浓度控制为1g/L~10g/L,反应完成后,停止进液,保持反应液的温度、搅拌转速不变,继续搅拌10~30min,将最终得到的反应浆料进行固液分离,分离得到的固相经洗涤后得到前驱体浆料。
根据本发明提供的一种改性钠离子层状正极材料的制备方法,所述钠源包括碳酸钠、氢氧化钠、碳酸氢钠中的一种或多种;所述铜盐包括硝酸铜、碳酸铜、硫酸铜中的一种或多种;所述镍盐包括硫酸镍、硝酸镍、乙酸镍中的一种或多种;所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂中的一种或几种;所述的络合剂为水杨酸、硫酸铵、氨水、磺基水杨酸、乙二胺四乙酸中的一种或几种。
根据本发明提供的一种改性钠离子层状正极材料的制备方法,所述烧结处理包括低温段烧结和高温段烧结,所述低温段烧结的温度为350~650℃,时间为1~5h;所述高温段烧结的温度为800~1300℃,时间为12~48h。
根据本发明提供的一种改性钠离子层状正极材料的制备方法,所述步骤(2)中的反应温度为35~65℃,反应过程中的pH值为9~12,沉淀剂溶液浓度为1~7mol/L,反应时长为2~10h。
根据本发明提供的一种改性钠离子层状正极材料制备的钠离子电池。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
(1)本发明所提供的改性钠离子层状正极材料,通过颗粒内部掺杂金属阳离子元素,有效改善了材料的离子电导率,提升材料的倍率性能。
(2)表面包覆结构稳定的CueNifWO4纳米异质结颗粒,有效改善了材料的空气稳定性,阻止了残碱的进一步生成,降低了充放电过程中材料表面与电解液的副反应,提升了材料的结构稳定和循环稳定性。
(3)本发明采用共沉淀—高温固相法与锂离子正极材料设备通用,且本制备方法原料来源广,方法简单,生产成本低,有利于工业化规模生产。
附图说明
图1是本发明改性钠离子层状正极材料实施例和对比例的倍率性能图,
图2是本发明实施例1和对比例1的循环性能图,
图3是本发明实施例2的电极半电池首周充放电曲线,
图4是本发明实施例1放置前与空气中放置24h后扫描电镜结果图,
图5是本发明对比例1放置前与空气中放置24h后扫描电镜结果图,
图6是本发明实施例2放置前与空气中放置24h后扫描电镜结果图,
图7是本发明实施例1放置前与空气中放置24h后高倍电镜结果图,
图8是本发明对比例1放置前与空气中放置24h后高倍电镜结果图,
图9是本发明实施例1的X射线衍射图谱,
图10是本发明对比例1的X射线衍射图谱,
图11是本发明实施例2的高倍电镜结果图。
具体实施方式
为了本领域的技术人员能够更好地理解本发明所提供的技术方案,下面结合具体实施例进行阐述。
实施例1
(1):分别配制金属浓度为2mol/L的镍盐溶液,铜盐溶液,锰盐溶液,配制6mol/L的氢氧化钠溶液、3mol/L的氨水溶液;
(2):向反应釜中加入纯水、氨水、氢氧化钠溶液配置总体积为100L的底液,调节其pH值为11.3~12.0,氨含量为0 .4~1g/L,温度控制为43℃。调节搅拌转速到800rpm,持续通入5L/min的氮气,测试氧含量要求在1%以下,按照Cu:Ni:Mn=17:43:40的摩尔比同时将配制的盐溶液通过精密计量泵并流加入到反应釜中,同时通入氢氧化钠溶液和氨水溶液流,通过监测反应釜内溶液pH值调节氢氧化钠溶液和氨水溶液流速,保持pH值控制在10.4~10.9之间,反应过程中,反应温度保持在为43±0.5℃,测试粒径D50在7~9μm,停止反应,保持反应液的温度、搅拌转速不变,继续搅拌30min;
(3):将步骤(2)最终得到的反应浆料进行固液分离,分离得到的固相经洗涤后得到Cu0.17Ni0.43Mn0.40(OH)2前驱体浆料;
(4):将步骤(3)得到的氢氧化物前驱体浆料与纯水按照质量比为0.5的比例再次投入反应釜内,调节搅拌转速到600rpm,持续通入5L/min的氮气,测试氧含量要求在1%以下。将步骤(1)中所配制的镍盐溶液和铜盐溶液配制总金属浓度为2.0mol/L的镍盐、铜盐混合溶液,其中铜、镍摩尔比80:20,根据投入反应釜中的固体总金属摩尔数缓慢加入占总金属摩尔数含量1%的铜镍混合溶液,缓慢加入适量的氨水、氢氧化钠溶液,调节其pH值为11.2~11.7,氨含量为0.5~0.9g/L,反应时长为5h,停止反应。
(5):将步骤(4)中得到的前驱体浆料进行固液分离、洗涤、烘干、筛分后,得到表面包覆1%Cu0.65Ni0.35(OH)2的Cu0.33Ni0.27Mn0.4(OH)2*1%Cu0.65Ni0.35(OH)2前驱体。
(6):将步骤(5)中得到的Cu0.33Ni0.27Mn0.4(OH)2*1%Cu0.65Ni0.35(OH)2与Na2CO3、Rb2WO4按照Na0.98Cu0.33Ni0.26Mn0.39Rb0.02O2*1%Cu0.65Ni0.35WO4化学组成式的摩尔比均匀混合。
(7):将步骤(6)中均匀混合的物料,在空气的气氛下进行烧结处理,烧结分为低温、高温两段式烧结处理。低温段烧结的温度为600℃,高温段烧结的温度为890℃,低温段烧结的时间为4h,高温段烧结的时间为18h,烧结的升温速率为3℃/min。
(8):将步骤(7)中烧结得到的样品进行破碎、粉碎、筛分,得到本发明所述表面包覆1%Cu0.65Ni0.35WO4和颗粒内部掺杂Rb元素的Na0.98Cu0.33Ni0.26Mn0.39Rb0.02O2*1%Cu0.65Ni0.35WO4改性钠离子层状正极材料;
实施例2
(1):分别配制金属浓度为2mol/L的镍盐溶液,铜盐溶液,锰盐溶液,配制6mol/L的氢氧化钠溶液、3mol/L的氨水溶液;
(2):向反应釜中加入纯水、氨水、氢氧化钠溶液配置总体积为100L的底液,调节其pH值为11.5~12.1,氨含量为0.5~1g/L,温度控制为40℃。调节搅拌转速到800rpm,持续通入5L/min的氮气,测试氧含量要求在1%以下,按照Cu:Ni:Mn=20:30:50的摩尔比同时将配制的盐溶液通过精密计量泵并流加入到反应釜中,同时通入氢氧化钠溶液和氨水溶液流,通过监测反应釜内溶液pH值调节氢氧化钠溶液和氨水溶液流速,保持pH值控制在10.7~11.3之间,反应过程中,反应温度保持在为40±0.5℃,测试粒径D50在7~8μm,停止反应,保持反应液的温度、搅拌转速不变,继续搅拌15min;
(3):将步骤(2)最终得到的反应浆料进行固液分离,分离得到的固相经洗涤后得到Cu0.20Ni0.30Mn0.50(OH)2前驱体浆料;
(4):将步骤(3)得到的氢氧化物前驱体浆料与纯水按照质量比为0.8的比例再次投入反应釜内,调节搅拌转速到600rpm,持续通入5L/min的氮气,测试氧含量要求在1%以下。将步骤(1)中所配制的镍盐溶液和铜盐溶液配制总金属浓度为2.0mol/L的镍盐、铜盐混合溶液,其中铜、镍摩尔比75:25,根据投入反应釜中的固体总金属摩尔数缓慢加入占总金属摩尔数含量1%的铜镍混合溶液,缓慢加入适量的氨水、氢氧化钠溶液,调节其pH值为11.1~11.5,氨含量为0.3~0.6g/L,反应时长为3h,停止反应。
(5):将步骤(4)中得到的前驱体浆料进行固液分离、洗涤、烘干、筛分后,得到表面包覆1%Cu0.75Ni0.25(OH)2的Cu0.20Ni0.30Mn0.50(OH)2*1%Cu0.75Ni0.25(OH)2前驱体。
(6):将步骤(5)中得到的Cu0.20Ni0.30Mn0.50(OH)2*1%Cu0.75Ni0.25(OH)2与Na2CO3、Rb2WO4按照Na0.95Cu0.20Ni0.29Mn0.49Rb0.02O2*1%Cu0.75Ni0.25WO4化学组成式的摩尔比均匀混合。
(7):将步骤(6)中均匀混合的物料,在空气的气氛下进行烧结处理,烧结分为低温、高温两段式烧结处理。低温段烧结的温度为600℃,高温段烧结的温度为900℃,低温段烧结的时间为3h,高温段烧结的时间为24h,烧结的升温速率为4℃/min。
(8):将步骤(7)中烧结得到的样品进行破碎、粉碎、筛分,得到本发明所述表面包覆1%Cu0.75Ni0.25WO4和颗粒内部掺杂Rb元素的Na0.95Cu0.20Ni0.29Mn0.49Rb0.02O2*1%Cu0.75Ni0.25WO4改性钠离子层状正极材料;
实施例3
(1):分别配制金属浓度为2mol/L的镍盐溶液,铜盐溶液,锰盐溶液,配制6mol/L的氢氧化钠溶液、3mol/L的氨水溶液;
(2):向反应釜中加入纯水、氨水、氢氧化钠溶液配置总体积为100L的底液,调节其pH值为11.5~12.1,氨含量为0.5~1g/L,温度控制为40℃。调节搅拌转速到800rpm,持续通入5L/min的氮气,测试氧含量要求在1%以下,按照Cu:Ni:Mn=33:27:40的摩尔比同时将配制的盐溶液通过精密计量泵并流加入到反应釜中,同时通入氢氧化钠溶液和氨水溶液流,通过监测反应釜内溶液pH值调节氢氧化钠溶液和氨水溶液流速,保持pH值控制在10.5~10.8之间,反应过程中,反应温度保持在为45±0.5℃,测试粒径D50在5~7μm,停止反应,保持反应液的温度、搅拌转速不变,继续搅拌20min;
(3):将步骤(2)最终得到的反应浆料进行固液分离,分离得到的固相经洗涤后得到Cu0.33Ni0.27Mn0.40(OH)2前驱体浆料;
(4):将步骤(3)得到的氢氧化物前驱体浆料与纯水按照质量比为0.8的比例再次投入反应釜内,调节搅拌转速到600rpm,持续通入5L/min的氮气,测试氧含量要求在1%以下。将步骤(1)中所配制的镍盐溶液和铜盐溶液配制总金属浓度为2.0mol/L的镍盐、铜盐混合溶液,其中铜、镍摩尔比65:35,根据投入反应釜中的固体总金属摩尔数缓慢加入占总金属摩尔数含量1%的铜镍混合溶液,缓慢加入适量的氨水、氢氧化钠溶液,调节其pH值为11.2~11.7,氨含量为0.5~0.9g/L,反应时长为5h,停止反应。
(5):将步骤(4)中得到的前驱体浆料进行固液分离、洗涤、烘干、筛分后,得到表面包覆1%Cu0.65Ni0.35(OH)2的Cu0.33Ni0.27Mn0.40(OH)2*1%Cu0.65Ni0.35(OH)2前驱体。
(6):将步骤(5)中得到的Cu0.33Ni0.27Mn0.40(OH)2*1%Cu0.65Ni0.35(OH)2与Na2CO3、Rb2WO4按照Na0.98Cu0.33Ni0.26Mn0.39Rb0.02O2*1%Cu0.65Ni0.35WO4化学组成式的摩尔比均匀混合。
(7):将步骤(6)中均匀混合的物料,在空气的气氛下进行烧结处理,烧结分为低温、高温两段式烧结处理。低温段烧结的温度为550℃,高温段烧结的温度为880℃,低温段烧结的时间为3h,高温段烧结的时间为18h,烧结的升温速率为3℃/min。
(8):将步骤(7)中烧结得到的样品进行破碎、粉碎、筛分,得到本发明所述表面包覆1%Cu0.65Ni0.35(OH)2和颗粒内部掺杂Rb元素的Na0.98Cu0.33Ni0.26Mn0.39Rb0.02O2*1%Cu0.65Ni0.35WO4改性钠离子层状正极材料;
对比例1
(1):分别配制金属浓度为2mol/L的镍盐溶液,铜盐溶液,锰盐溶液,配制6mol/L的氢氧化钠溶液、3mol/L的氨水溶液;
(2):向反应釜中加入纯水、氨水、氢氧化钠溶液配置总体积为100L的底液,调节其pH值为11.3~12.0,氨含量为0.4~1g/L,温度控制为43℃。调节搅拌转速到800rpm,持续通入5L/min的氮气,测试氧含量要求在1%以下,按照Cu:Ni:Mn=17:43:40的摩尔比同时将配制的盐溶液通过精密计量泵并流加入到反应釜中,同时通入氢氧化钠溶液和氨水溶液流,通过监测反应釜内溶液pH值调节氢氧化钠溶液和氨水溶液流速,保持pH值控制在10 .4~10.9之间,反应过程中,反应温度保持在为43±0.5℃,测试粒径D50在7~9μm,停止反应,保持反应液的温度、搅拌转速不变,继续搅拌30min;
(3):将步骤(2)中得到的前驱体浆料进行固液分离、洗涤、烘干、筛分后,得到Cu0.17Ni0.43Mn0.40(OH)2前驱体。
(4):将步骤(3)中得到的Cu0.17Ni0.43Mn0.40(OH)2与Na2CO3按照Na0.95Cu0.17Ni0.43Mn0.40O2化学组成式的摩尔比均匀混合。
(5):将步骤(4)中均匀混合的物料,在空气的气氛下进行烧结处理,烧结分为低温、高温两段式烧结处理。低温段烧结的温度为500℃,高温段烧结的温度为890℃,低温段烧结的时间为4h,高温段烧结的时间为18h,烧结的升温速率为3℃/min。
(6):将步骤(5)中烧结得到的样品进行破碎、粉碎、筛分,得到Na0.95Cu0.17Ni0.43Mn0.40O2正极材料;
对比例2
(1):分别配制金属浓度为2mol/L的镍盐溶液,铜盐溶液,锰盐溶液,配制6mol/L的氢氧化钠溶液、3mol/L的氨水溶液;
(2):向反应釜中加入纯水、氨水、氢氧化钠溶液配置总体积为100L的底液,调节其pH值为11.5~12.1,氨含量为0.5~1g/L,温度控制为40℃。调节搅拌转速到800rpm,持续通入5L/min的氮气,测试氧含量要求在1%以下,按照Cu:Ni:Mn=20:30:50的摩尔比同时将配制的盐溶液通过精密计量泵并流加入到反应釜中,同时通入氢氧化钠溶液和氨水溶液流,通过监测反应釜内溶液pH值调节氢氧化钠溶液和氨水溶液流速,保持pH值控制在10.7~11.3之间,反应过程中,反应温度保持在为40±0.5℃,测试粒径D50在7~8μm,停止反应,保持反应液的温度、搅拌转速不变,继续搅拌15min;
(3):将步骤(2)中得到的前驱体浆料进行固液分离、洗涤、烘干、筛分后,得到的Cu0.20Ni0.30Mn0.50(OH)2前驱体。
(4):将步骤(3)中得到的Cu0.20Ni0.30Mn0.50(OH)2与Na2CO3按照Na0.95Cu0.20Ni0.30Mn0.50O2化学组成式的摩尔比均匀混合。
(5):将步骤(4)中均匀混合的物料,在空气的气氛下进行烧结处理,烧结分为低温、高温两段式烧结处理。低温段烧结的温度为500℃,高温段烧结的温度为900℃,低温段烧结的时间为3h,高温段烧结的时间为24h,烧结的升温速率为4℃/min。
(6):将步骤(5)中烧结得到的样品进行破碎、粉碎、筛分,得到Na0.95Cu0.20Ni0.30Mn0.50O2钠离子正极材料。
Claims (9)
1.一种改性钠离子层状正极材料,其特征在于,所述改性钠离子层状正极材料的化学式为NaxCua+eNib+fM'(1-a-b-c)M"cWdO2+4d,所述改性钠离子层状正极材料包括类球形形貌的二次颗粒,所述二次颗粒由一次颗粒组成;所述改性钠离子层状正极材料兼具内部M"元素掺杂及表面包覆CueNifWO4纳米异质结颗粒;
其中,0.88≤x≤1.10,0.10≤a<0.50,0.10≤b<0.50,0<1-a-b-c≤0.80,0.002<e<0 .02,0<f<0 .02,0.002≤d≤0 .02,c=n*d(n=1或2),e+f=d,e≠f。
2.根据权利要求1所述的一种改性钠离子层状正极材料,其特征在于,所述改性钠离子层状正极材料中,M'选自Fe、Mn、Co、Mg、Ti、Al、Cr、Li、Zn、Sr、Y、Zr、La、Nb中的一种,M"选自Y、Bi、Cd、Rb、K、Al、Sr中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种改性钠离子层状正极材料,其特征在于,所述表面包覆CueNifWO4纳米异质结颗粒含量占材料本身摩尔比的0.004~0.04;所述M"元素含量占材料本身摩尔比的0.002~0.04。
4.一种如权利要求1所述的改性钠离子层状正极材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
(1):采用共沉淀法制备化学式为Cua+eNib+fM'(1-a-b)(OH)2*(1+e+f)的前驱体浆料;
(2):将所述前驱体浆料与镍盐溶液、铜盐溶液、碱溶液和沉淀剂混合反应,然后进行固液分离、洗涤、烘干、筛分后,得到表面包覆CueNif(OH)2*(e+f)的前驱体;
(3):将步骤(2)中制得的表面包覆CueNif(OH)2*(e+f)的前驱体与钠源及含M"元素的钨酸盐按照NaxCua+eNib+fM'(1-a-b-c)M"cWdO2+4d化学组成式的摩尔比均匀混合,然后进行烧结处理,最后进行破碎、粉碎、筛分,得到所述改性钠离子层状正极材料。
5.根据权利要求4所述的一种改性钠离子层状正极材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中的前驱体浆料的制备方法具体为:将镍盐溶液、铜盐溶液、M'盐溶液、沉淀剂溶液、碱溶液和络合剂溶液,按比例并流加入到反应釜中进行反应,反应过程保持匀速搅拌,搅拌速度为400~1000 rpm,反应过程中的pH保持在10~13,反应控制温度为35~70℃,反应体系中络合剂的浓度控制为1g/L~10g/L,反应完成后,停止进液,保持反应液的温度、搅拌转速不变,继续搅拌10~30min,将最终得到的反应浆料进行固液分离,分离得到的固相经洗涤后得到前驱体浆料。
6.根据权利要求5所述的一种改性钠离子层状正极材料的制备方法,其特征在于,所述钠源包括碳酸钠、氢氧化钠、碳酸氢钠中的一种或多种;所述铜盐包括硝酸铜、碳酸铜、硫酸铜中的一种或多种;所述镍盐包括硫酸镍、硝酸镍、乙酸镍中的一种或多种;所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂中的一种或几种;所述的络合剂为水杨酸、硫酸铵、氨水、磺基水杨酸、乙二胺四乙酸中的一种或几种。
7.根据权利要求4所述的一种改性钠离子层状正极材料的制备方法,其特征在于,所述烧结处理包括低温段烧结和高温段烧结,所述低温段烧结的温度为350~650℃,时间为1~5h;所述高温段烧结的温度为800~1300℃,时间为12~48h。
8.根据权利要求4所述的一种改性钠离子层状正极材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中的反应温度为35~65℃,反应过程中的pH值为9~12,沉淀剂溶液浓度为1~7mol/L,反应时长为2~10h。
9.一种由权利要求1所述的改性钠离子层状正极材料制备的钠离子电池。
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