DE102018207693A1 - Method and device for integrally joining a number of arrester foils for producing a battery arrester - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen einer Anzahl von Ableiterfolien (14) zur Herstellung eines Batterieableiters (10) und eine Vorrichtung dafür, wobei die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden:a) Beaufschlagen eines Folienstapels (16) aus Ableiterfolien (14) mit einer Niederhaltekraft (26) durch einen Niederhalter (18),b) Durchströmung eines durch den Niederhalter (18) und den Folienstapel (16) gebildeten Strömungskanals (36) mit einem Prozessgasstrom (48),c) Erzeugung eines aufgerauten Bereiches (34) an der den Strömungskanal (36) begrenzenden, nächstliegenden mehreren Ableiterfolien (14) des Folienstapels (16) undd) Erzeugung einer Fügenaht (32) zwischen den Ableiterfolien (14) im Folienstapel (16) in Fügerichtung (50).The invention relates to a method for materially joining a number of arrester foils (14) for producing a battery conductor (10) and a device therefor, wherein the following method steps are carried out: a) applying a foil stack (16) of arrester foils (14) a hold-down force (26) through a holding-down device (18), b) throughflow of a flow channel (36) formed by the holding-down device (18) and the film stack (16) with a process gas stream (48), c) generation of a roughened region (34) the closest several Ableitfolien (14) of the film stack (16) delimiting the flow channel (36) and d) generating a joining seam (32) between the Ableitfolien (14) in the film stack (16) in the joining direction (50).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen einer Anzahl von Ableiterfolien zur Herstellung eines Batterieableiters für Traktionsbatterien für Fahrzeuge und auf eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.The invention relates to a method for materially joining a number of arrester foils for producing a battery drain for traction batteries for vehicles and to a device suitable for carrying out this method.
Stand der TechnikState of the art
In zukünftigen Produktionsprozessen für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batteriezellen sollen Ableiterfahnen stoffschlüssig erzeugt werden. Die Ableiterfahnen werden aus bis zu 70 Lagen Kupfer mit einer Dicke zwischen 9 µm und 12 µm oder Aluminium in einer Dicke zwischen 15 µm und 20 µm, bevorzugt im Wege des Laserschweißverfahrens hergestellt, um den stetig wachsenden Anforderungen an die elektrische Kontaktierung und Stromführung gerecht zu werden. Hierzu müssen bis zu 70 Folienlagen, entweder aus Aluminium oder aus Kupfer, mechanisch miteinander verpresst werden, um den für den Laserschweißprozess notwendigen Nullspalt zwischen den einzelnen Ableiterfolien herzustellen. Zudem wird der Laserschweißprozess bevorzugt unter Inertschutzgasatmosphäre durchgeführt.In future production processes for the production of lithium-ion battery cells, collector tabs are to be produced by material bonding. The arrester lugs are made of up to 70 layers of copper with a thickness between 9 microns and 12 microns or aluminum in a thickness between 15 .mu.m and 20 .mu.m, preferably in the way of the laser welding process to meet the ever growing demands on the electrical contacting and power management become. For this purpose, up to 70 film layers, either of aluminum or of copper, must be mechanically pressed together in order to produce the zero gap between the individual conductor foils necessary for the laser welding process. In addition, the laser welding process is preferably carried out under an inert protective gas atmosphere.
Wird beispielsweise infolge schlechter Verpressung des Folienstapels aus den Ableiterfolien kein Nullspalt erzielt und ist die Strömungsführung des Prozessgasstroms aus Inertgas über der Bauteiloberfläche nicht optimal, so entstehen bevorzugt Lunker, Poren oder Risse in sowie an den Kanten der Schweißnaht. Des Weiteren wird zum Beispiel für Cu eine hohe Laserleistung bei Einsatz eines IR-Faserlasers benötigt, was auf den hohen Reflektionsgrad zurückzuführen ist, da die Absorption der Strahlung erst infolge der Schmelzbadbildung und einer Keyholeausbildung drastisch ansteigt. Eine inhomogene Stromdichte ungleichmäßiger Schweißnähte ist die Folge. Dadurch können sogenannte „hot spots“ innerhalb der Batteriezelle entstehen, die die Batteriezellenalterung erheblich beschleunigen sowie im Extremfall zu einem Batteriezellenversagen führen können.If, for example, as a result of poor compression of the film stack from the arrester foils, no zero gap is achieved and if the flow guidance of the process gas stream of inert gas over the component surface is not optimal, voids, pores or cracks are formed in and at the edges of the weld seam. Furthermore, for example, for Cu, a high laser power is required when using an IR fiber laser, which is due to the high degree of reflection, since the absorption of the radiation increases only as a result of the molten bath and a Keyholeausbildung drastically. An inhomogeneous current density of uneven welds is the result. This can result in so-called "hot spots" within the battery cell, which can significantly accelerate battery cell aging and, in extreme cases, can lead to battery cell failure.
Die unzureichende Qualität von Schweißnähten hat verschiedene Ursachen, wie beispielsweise eine unzureichende Verpressung des Folienstapels, wodurch an einzelnen Stellen innerhalb des Folienstapels kein Nullspalt vorliegt. Eine weitere Ursache liegt hinsichtlich einer unzureichenden Strömungsmechanik nicht optimierter Schutzgasströme, beispielsweise Helium, Argon, CO2 oder ein Gemisch aus diesen. Infolge unzureichender Verpressung der Ableiterfolien innerhalb des Folienstapels können Materialfehler auftreten, ferner wird die Schweißqualität herabgesetzt, ebenso wie die Prozessstabilität.The insufficient quality of welds has various causes, such as insufficient compression of the film stack, which is present at individual points within the film stack no zero gap. Another cause is inadequate flow mechanics of non-optimized inert gas streams, such as helium, argon, CO 2 or a mixture of these. Due to insufficient compression of the Ableiterfolien within the film stack material defects can occur, also the welding quality is reduced, as well as the process stability.
Die bisherigen Fügeverfahren sind alles in allem unbefriedigend, weshalb nach Abhilfe gesucht wird.All in all, the previous joining methods are unsatisfactory, which is why we are looking for a remedy.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen einer Anzahl von Ableiterfolien zur Herstellung eines Batterieableiters vorgeschlagen, bei dem zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden:
- a) Beaufschlagen eines Folienstapels aus Ableiterfolien mit einer Niederhaltekraft mittels eines Niederhalters,
- b) Durchströmung eines durch den Niederhalter und den Folienstapel gebildeten Strömungskanals mit einem Inertgas,
- c) Erzeugung eines aufgerauten Bereiches an der den Strömungskanal begrenzenden, nächstliegenden Ableiterfolie des Folienstapels und
- d) Erzeugung einer Fügenaht zwischen den Ableiterfolien im Folienstapel in Fügerichtung.
- a) applying a foil stack of arrester foils with a hold-down force by means of a hold-down,
- b) flow through a flow channel formed by the hold-down device and the film stack with an inert gas,
- c) Generation of a roughened area on the flow channel limiting, the nearest arrester foil of the film stack and
- d) Generation of a joining seam between the arrester foils in the film stack in the joining direction.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren wird einerseits eine Niederhaltekraft erzeugt, die auf den gesamten Folienstapel wirkt und andererseits die Möglichkeit geschaffen, genau zu diesem Zeitpunkt die stoffschlüssige Verbindung auszuführen. Gemäß des vorgeschlagenen Verfahrens lässt sich ein Nullspalt zwischen den einzelnen Ableiterfolien des Folienstapels während der Erzeugung der stoffschlüssigen Verbindung aufrechterhalten, so dass die Qualität der erhaltenen Fügenaht, insbesondere der lasergeschweißten Schweißnaht erheblich verbessert ist.By the method proposed according to the invention, on the one hand, a hold-down force is generated which acts on the entire film stack and, on the other hand, creates the possibility of carrying out the cohesive connection precisely at this time. According to the proposed method, a zero gap between the individual conductor sheets of the film stack can be maintained during the production of the integral connection, so that the quality of the resulting joint seam, in particular the laser-welded seam, is considerably improved.
In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird gemäß Verfahrensschritt a) durch die Niederhaltekraft im Folienstapel zwischen den einzelnen Ableiterfolien jeweils ein Nullspalt erzeugt und während der Erzeugung der stoffschlüssigen Fügenaht aufrechterhalten.In a further development of the method proposed according to the invention, a zero gap is generated in each case according to method step a) by the hold-down force in the film stack between the individual conductor foils and maintained during the production of the cohesive joining seam.
Erfindungsgemäß wird gemäß Verfahrensschritt b) durch ein Inertgas eine vollständig inerte Schutzgasatmosphäre im Strömungskanal kreiert. Als Inertgase kommen Edelgase wie Helium, Argon, Krypton, Radon oder auch beispielsweise CO2 oder ein Gemisch aus diesen zum Einsatz.According to the invention, a completely inert protective gas atmosphere is created in the flow channel according to process step b) by an inert gas. As inert gases are noble gases such as helium, argon, krypton, radon or even, for example, CO 2 or a mixture of these used.
Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren folgend, wird gemäß Verfahrensschritt c) der aufgeraute Bereich durch Erzeugung erhabener Strukturen im µm-/Sub-µm-Bereich durch direkte Strukturierung, Interferenzstrukturierung oder Laser-induced periodic surface structuring (LIPSS) durchgeführt. Durch den aufgerauten Bereich wird die Laserstrahleinkopplung erheblich verbessert und die schlussendlich ausgebildete stoffschlüssige Fügenaht qualitativ stark verbessert.According to the method proposed according to the invention, according to method step c), the roughened area is produced by producing raised structures in the μm / sub-μm range by direct structuring, interference structuring or laser scanning. induced periodic surface structuring (LIPSS). The roughened area considerably improves the laser beam injection and qualitatively greatly improves the finally formed cohesive joint seam.
Gemäß Verfahrensschritt d) kann eine Lichtbrechung entweder durch das Inertgas und/oder eine entsprechende Formgebung eines vom Laserstrahl durchstrahlten Teiles des Niederhaltes, beispielsweise aus transparentem BK7-Glas in Rechteckform, konvexer Form oder konkaver Form erfolgen. In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann eine Fokussierung oder Defokussierung des Laserstrahls durchgeführt werden. Mittels einem vorgeschalteten VarioScan oder eines ExcelliShifts kann eine Fokussierung oder Defokussierung erreicht werden, wobei eine Verstellung der Fokusebene mittels optischer Elemente erfolgt. Durch eine gezielte Defokussierung kann die Energieverteilung für den Prozess optimiert werden.In accordance with method step d), a refraction of the light can be effected either by the inert gas and / or a corresponding shaping of a part of the hold-down beam irradiated by the laser beam, for example of transparent BK7 glass in a rectangular, convex or concave form. In a further development of the method proposed according to the invention, a focusing or defocusing of the laser beam can be carried out. By means of an upstream VarioScan or an ExcelliShift, a focusing or defocusing can be achieved, whereby an adjustment of the focal plane takes place by means of optical elements. By targeted defocusing, the energy distribution for the process can be optimized.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass ein Niederhalter einen Glaseinsatz, beispielsweise aus BK7-Glas aufweist oder vollständig aus transparentem BK7-Glas ausgeführt ist und gleichzeitig einen Strömungskanal bietet, der von Inertgas durchströmt ist. Vorteilhafterweise stellt die Niederhaltevorrichtung gleichzeitig eine Schweißzelle mit integriertem Strömungskanal dar, wobei sie gleichzeitig an der dem Laserstrahl zuweisenden Seite für diesen transparent ist.A device for carrying out the method proposed according to the invention is characterized in that a holding-down device has a glass insert, for example made of BK7 glass, or is made entirely of transparent BK7 glass and at the same time offers a flow channel through which inert gas flows. Advantageously, the hold-down device simultaneously constitutes a welding cell with integrated flow channel, while at the same time being transparent to the laser beam on the side facing it.
In vorteilhafter Weise kann die Formgebung des Strömungskanals auf der Einkopplungsseite des Laserstrahls so beschaffen sein, dass diese entweder eben verläuft, in konvexer Form verläuft oder in konkaver Form ausgeführt ist. Durch die Formgebung, sei es konvex oder konkav, kann die Fokussierung bzw. Defokussierung des Laserstrahls ermöglicht werden. Beispielsweise kann sich durch den Einsatz des Prozessgases die Fokussierung ändern, was auf den Grund des unterschiedlichen Brechungsindex im Gegensatz zu Luft zurückzuführen ist. Weiterhin führen Prozessgase und konvektive Strömungen die Wärme an der Materialoberfläche anders ab als „stehende“, d.h. eine unbewegte Luftströmung bei einem Prozess, welcher ohne Prozessgas durchgeführt ist. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann diese Veränderung durch einen geeignet geformten Strömungskanal kompensiert werden.Advantageously, the shaping of the flow channel on the coupling-in side of the laser beam can be such that it is either flat, convex in shape or concave in shape. By shaping, be it convex or concave, the focusing or defocusing of the laser beam can be made possible. For example, the use of the process gas can change the focus, which is due to the different refractive index in contrast to air. Furthermore, process gases and convective flows dissipate heat at the material surface other than "stagnant", i. a stagnant air flow in a process that is performed without process gas. By the proposed solution according to the invention, this change can be compensated by a suitably shaped flow channel.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung kann daneben eine metallische Schweißmaske umfassen, die mindestens eine Bohrung zur Erzeugung einer Punktschweißung und mindestens eine Nut für eine Linienschweißung aufweist. Die Schweißmaske dient in diesem Falle als Niederhalter, wobei jedoch auch zwei verschiedene Schweißmasken zum Einsatz kommen können.The device proposed according to the invention may additionally comprise a metallic welding mask which has at least one hole for producing a spot weld and at least one groove for a line weld. The welding mask is used in this case as a hold-down, but also two different welding masks can be used.
In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung umfasst der Niederhalter einen ersten Schenkel sowie einen zweiten Schenkel, die durch ein Brückenteil miteinander verbunden sind, wobei in einer Ausführungsvariante der Niederhalter vollständig aus transparentem Material wie beispielsweise BK7-Glas gefertigt ist, oder der Niederhalter ist derart beschaffen, dass der erste und der zweite Schenkel beispielsweise aus metallischem Material gefertigt sind und nur der Bereich des Niederhalters, durch welchen die Einkopplung des Laserstrahles erfolgt, aus einem transparenten Material wie beispielsweise BK7-Glas gefertigt ist.In a further development of the solution proposed according to the invention, the hold-down device comprises a first leg and a second leg, which are interconnected by a bridge part, wherein in one embodiment the hold-down device is made entirely of transparent material, such as BK7 glass, or the hold-down device is such, that the first and the second leg are made, for example, of metallic material, and only the region of the hold-down, through which the coupling of the laser beam takes place, is made of a transparent material, such as BK7 glass.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ermöglicht eine gute Verpressung der einzelnen Ableiterfolien innerhalb des Folienstapels in dem Moment, in dem die stoffschlüssig erzeugte Fügenaht im Folienstapel erzeugt wird. Die optimierte Verpressung der einzelnen Ableiterfolien innerhalb des Folienstapels führt zum Erreichen eines Nullspaltes zwischen den einzelnen Ableiterfolien. Die optimierte Niederhaltevorrichtung stellt einerseits eine Schweißzelle mit integriertem Strömungskanal dar und ist gleichzeitig transparent für den Laserstrahl. Durch die Aufrauung der ersten einzelnen Ableiterfolien innerhalb des Folienstapels durch einen ps/fs-Laser kann der Einkopplungsgrad der Laserstrahlung erheblich verbessert werden.The proposed solution according to the invention allows a good compression of the individual Ableiterfolien within the film stack at the moment in which the cohesively produced joint seam is produced in the film stack. The optimized compression of the individual Ableiterfolien within the film stack leads to the achievement of a zero gap between the individual Ableiterfolien. The optimized hold-down device on the one hand represents a welding cell with integrated flow channel and is also transparent to the laser beam. The roughening of the first individual conductor sheets within the film stack by a ps / fs laser can significantly improve the degree of coupling in of the laser radiation.
Hinsichtlich der Strömungsmechanik kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ein optimierter Schutzgasstrom aus Inertgas, wie beispielsweise He, Ar, CO2, Rn, Kr und weiteren Edelgasen oder ein Gemisch aus diesen erreicht werden. Durch den mittels eines ps/fs-Lasers aufgerauten Bereich der Ableiterfolie, können Strukturen im µm-/Sub-µm-Bereich erzeugt werden, was durch direkte Strukturierung, Interferenzstrukturierung oder Laser-induced periodic surface structuring (LIPSS) erreicht werden kann. Durch die Aufrauung kann ein Absorptionszentrum für die eingekoppelte Laserstrahlung erreicht werden, deren Einkoppelgrad erheblich verbessert werden, sowie die erfolgreiche Laserleistung günstig beeinflusst werden, d.h. herabgesetzt werden. Es lässt sich ein homogeneres Schmelzbad erreichen, bei dem deutlich weniger Spritzer auftreten, die mittels der Inertgasströmung innerhalb des Strömungskanales abzutransportieren wären. Der Strömungskanal für den Schutzgasstrom ist einerseits durch den Niederhalter begrenzt und andererseits durch die obenliegenden Ableiterfolien des Folienstapels. Durch den Strömungskanal für das Inertgas, kann eine Reduzierung der Plasmatemperatur erreicht werden, was wiederum zur Vermeidung von Oxidationsvorgängen während des stoffschlüssigen Fügeprozesses, d.h. des Schweißprozesses führt. Durch eine entsprechende Einstellung einer optimierten Inertgasströmung innerhalb des Strömungskanales kann der Abtransport von Partikeln und Schweißspritzern begünstigt werden. Wird eine als Niederhalter fungierende Schweißmaske aus metallischem Material eingesetzt, können entsprechend der Lage und Orientierung von Nuten bzw. Bohrungen Punktschweißungen bzw. Linienschweißvorgänge vorgenommen werden.With regard to the fluid mechanics, an optimized inert gas stream of inert gas, such as He, Ar, CO 2 , Rn, Kr and other noble gases or a mixture of these can be achieved by the solution proposed by the invention. By means of the area of the arrester foil roughened by means of a ps / fs laser, structures in the μm / sub-μm range can be produced, which can be achieved by direct structuring, interference structuring or laser-induced periodic surface structuring (LIPSS). The roughening an absorption center for the coupled laser radiation can be achieved, the Einkoppelgrad be significantly improved, and the successful laser performance are favorably influenced, ie reduced. It is possible to achieve a more homogeneous molten bath in which significantly fewer spatters occur that would have to be removed by means of the inert gas flow within the flow duct. The flow channel for the protective gas flow is limited on the one hand by the hold-down and on the other hand by the overhead Ableiterfolien the film stack. Through the flow channel for the inert gas, a reduction of the plasma temperature can be achieved, which in turn to avoid Oxidation processes during the cohesive joining process, ie the welding process leads. By appropriate adjustment of an optimized inert gas flow within the flow channel, the removal of particles and spatter can be promoted. If a welding mask made of metallic material acts as a holding-down device, spot welds or line welding operations can be carried out in accordance with the position and orientation of grooves or bores.
Je nach Ausbildung der Austrittsfläche des Laserstrahles aus dem für diesen transparenten Bereich des Niederhalters als ebene Fläche, konkav gekrümmte Fläche oder konvex gekrümmte Fläche, kann eine Lichtbrechung durch entsprechende Formgebung, die als optische µm-Linse wirkt, eingestellt werden. Daneben ist die Lichtbrechung innerhalb des Strömungskanales auch durch die Auswahl des als Prozessgases dienenden Inertgases einstellbar.Depending on the design of the exit surface of the laser beam from the transparent for this area of the blank holder as a flat surface, concave curved surface or convex curved surface, a refraction of light can be adjusted by appropriate shaping, which acts as an optical micron lens. In addition, the refraction of light within the flow channel can also be set by the selection of the inert gas used as the process gas.
Mit der Ausformung eines geeigneten Strömungskanals kann in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl, die eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit einer charakteristischen geometrischen Kennzahl der Geometrie des Strömungskanals sowie der Viskosität des Fluids darstellt, der Prozessgasstrom in seiner Charakteristik gesteuert werden. Der Prozessgasstrom kann entweder eine laminare Strömung oder eine turbulente Strömung sein. Dadurch können für den Prozess jeweils vorteilhafte Eigenschaften eingestellt werden, insbesondere eine gezielte Kühlung oder auch eine Beheizung der Materialoberfläche sind vorstellbar. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, durch den Prozessgasstrom bestimmte Elemente in die Schweißnaht einzumischen.With the formation of a suitable flow channel, depending on the Reynolds number, which is a function of the flow velocity of a characteristic geometric characteristic of the geometry of the flow channel and the viscosity of the fluid, the process gas flow can be controlled in its characteristic. The process gas stream may be either a laminar flow or a turbulent flow. As a result, in each case advantageous properties can be set for the process, in particular targeted cooling or also heating of the material surface are conceivable. Furthermore, it is possible to mix certain elements into the weld by means of the process gas flow.
Figurenlistelist of figures
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben. With reference to the drawing, the invention will be described below in more detail.
Es zeigt:
-
1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsvariante des Niederhalters, -
2.1 bis2.3 verschiedene Formgebungen des Niederhalters aus transparentem Material, -
3 eine perspektivische Darstellung des Niederhalters aus transparentem Material mit Strömungskanal und darunterliegendem Folienstapel, -
4 eine weitere Ausführungsvariante des Niederhalters, -
5 die Darstellung einer Schweißmaske aus metallischem Material, die als Niederhalter dient und -
6 eine schematische Darstellung einer als Schweißnaht ausgebildeten Fügenaht ohne Defekte.
-
1 a side view of a first embodiment of the blank holder, -
2.1 to2.3 different shapes of the hold-down made of transparent material, -
3 a perspective view of the blank made of transparent material with flow channel and underlying film stack, -
4 a further embodiment of the hold-down, -
5 the representation of a welding mask of metallic material, which serves as hold-down and -
6 a schematic representation of a weld formed as seam without defects.
Ausführungsvariantenvariants
Aus der Darstellung gemäß
Der Strömungskanal
Den Darstellungen gemäß der
Aus der perspektivischen Darstellung gemäß
Dieses durchströmt den Strömungskanal
Aus der Darstellung gemäß
Auch durch den in
Aus der Darstellung gemäß
Wie aus der Draufsicht gemäß
Aus der Darstellung gemäß
Aus zeichnerischen Gründen sind in
Wie aus der Darstellung gemäß
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung gemäß der oben dargestellten Ausführungsvarianten des Niederhalters
Als weitere Laserquellen, die beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen stoffschlüssigen Fügeverfahren zur Fügung der einzelnen Ableiterfolien
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.
Claims (13)
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