JP2002042805A - 非水電解質二次電池 - Google Patents
非水電解質二次電池Info
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Abstract
ウムの吸蔵・放出可能な合金を用いた場合、初期の放電
容量は高いが、サイクル時に微粉化を起こし寿命特性が
悪く、さらに高率放電特性にも課題を有している。 【解決手段】 Sn、Si、Al、Ga、In、Pb、
Sb、Biから選択されるいずれか1種を主成分として
有する電気化学的にリチウムイオンの吸蔵・放出が可能
な元素(A相)とTi、Zrあるいは希土類元素から選
択される1種以上の元素(B相)と酸素及び窒素を有す
る合金を用いたことを特徴とする非水電解質二次電池で
ある。B相中に前記合金に含有する酸素と窒素の70重
量%以上が存在し、合金中の酸素と窒素の含有率は各々
0<酸素<10重量%、0<窒素<10重量%、0.5
重量%≦酸素+窒素≦10重量%が有効である。
Description
の負極の改良に関わり、高容量と長寿命さらには高率放
電特性に優れた非水電解質二次電池を提供するものであ
る。
リチウムまたはリチウム化合物が、高電圧で高エネルギ
ー密度を実現できるため、多くの研究が行われてきた。
oO2、LiNiO2、V2O5、Cr2O5、MnO2、Ti
S2、MoS2などの遷移金属の酸化物およびカルコゲン
化合物が検討されてきた。これらは層状もしくはトンネ
ル構造を有し、リチウムイオンが出入りできる結晶構造
を持つことが知られている。
電時に負極リチウム表面に樹枝状のリチウムが析出し、
充放電効率の低下や正極と接して内部短絡を生じるとい
う問題を生じた。このため、現在は金属リチウムより容
量は小さいがリチウムを可逆的に吸蔵、放出ができサイ
クル寿命特性、安全性に優れた黒鉛系の炭素材料を負極
に用いたリチウムイオン電池が実用化されている。
を負極に使用した場合、その実用容量が350mAh/
gと小さく、また理論密度も2.2g/ccと低く、負
極シートとした場合、さらに密度が低下する。電池とし
て高容量化を求めるためには、体積あたりでより高容量
化が可能な金属系材料を負極として利用することが望ま
れる。
負極活物質として使用する際の課題として、リチウムイ
オンの挿入・脱離にともない、活物質が膨張・収縮を繰
り返し、微粉化することがあげられる。微粉化した活物
質は負極中で他の活物質あるいは導電剤との接点を失
い、電子伝導性が低下することから見かけ上、不活性な
活物質となり容量減少を生じる。
−86854号公報で一粒子内にリチウムを吸蔵できる
相と吸蔵しない相を共存させることにより、充電状態
(吸蔵状態)においてリチウムを吸収しない相が応力を
緩和させ、活物質の膨張破壊の抑制を図っている。さら
に特開平11−86853号公報では一粒子内にリチウ
ムを吸蔵する相が2相以上存在させることによって、L
i吸蔵時に各相での構造変化で膨張応力を緩和すること
で微粉化抑制を図っている。これは活物質粒子内に複数
の微小な相が存在し、リチウム吸蔵時において隣接界面
に膨張応力を逃がすことが出来るためと考えられる。
材料であっても活物質の微粉化は完全に抑制できず、そ
れに起因して充放電の繰り返しによるサイクル劣化を生
じる。この原因としては前者のように各相の膨張率が大
きく異なる場合、活物質粒子内での応力の不均一化によ
り、強く膨張応力が働いた一部の相の応力をリチウム非
吸収相が十分吸収できず、結果として微粉化が生じ、活
物質粒子から遊離が起きると考えられる。また、リチウ
ムを吸蔵しない相がリチウムの移動時の抵抗として働
き、電池における高率放電特性の低下をもたらす。
ンを吸蔵する場合は、リチウムイオン吸蔵時の合金相間
の膨張率差は小さくなるが、合金粒子全体としては体積
膨張が大きくなり、合金粒子間及び集電材間でゆるみを
生じ、集電不良を起こす。このため合金粒子は負極極板
内で電気的に独立し、電池反応に寄与しないものが増加
する。よって後者では膨張・収縮による合金粒子の微粉
化抑制効果はあるが、充放電サイクルによる放電容量低
下を十部抑えることはできない。
術も多く報告されている。例えばIdotaらはスズの
酸化物を利用することで高容量かつ長寿命の負極を発表
している(Science、276,5317,139
5−1397(1997))。しかしながらこれらの場
合、初回の充電過程において2価あるいは4価の価数を
有する酸化物中のスズを0価(金属状態)まで還元する
必要があり、大きな不可逆容量を持つことになる。この
ため、充放電サイクルに関与しないリチウムが多量に生
じ、実際の電池系としては低容量のものしか設計するこ
とができない。
子の膨張・収縮を抑制し、高容量かつ充放電サイクル寿
命特性、高率放電特性に優れた非水電解質二次電池用負
極を提供することを目的とするものである。
料の課題である膨張・収縮にともなう微粉化に対して、
酸素及び窒素を多く有するリチウム透過相を緩衝相とし
て介在させることで抑制した。これにより高容量、長寿
命かつ高率放電特性に優れた非水電解質二次電池を提供
するものである。
・放出する充放電可能な正極、負極およびリチウム塩を
含む非水電解質からなる非水電解質二次電池において、
負極活物質が少なくとも2種以上の金属元素あるいは/
及び半金属元素とさらに酸素と窒素を含有する合金粒子
でありことを特徴とする。
放出が可能なA相とリチウムイオンの透過性を有するB
相の少なくとも2相が共存し、B相はA相を取り囲むよ
うに存在し、A相は少なくともSn、Si、Al、G
a、In、Pb、Sb、Biから選択されるいずれか1
種を主成分として有し、B相は少なくともTi、Zrあ
るいは希土類元素から選択される1種以上を有してい
る。但し、合金粒子中の酸素及び窒素の含有量はA相よ
りB相の方が多く、合金粒子中の酸素と窒素の全含有量
の70重量%以上がB相に存在することが好ましい。
b、Biは電気化学的にリチウムと合金化しやすい元素
であり、充分に高容量(大きなリチウム吸蔵量)を発揮
する。含有量としてはA相において上記元素が50mo
l%以上存在することが望ましい。Ti、Zrあるいは
希土類元素は酸素及び窒素との反応性が高く、A相への
酸素及び窒素の反応を抑制し、B相への酸化反応及び窒
化反応を優先的に起こす。これによってB相においては
低結晶化あるいは非晶質化が進行し、結晶粒界面の増加
あるいは原子配列の長距離秩序が消失する。その結果、
リチウムイオンの透過性が向上するとともに塑性強度が
増し、A相の微粉化を抑制する効果が大きくなる。リチ
ウムイオンの透過性が向上することで電池特性としては
高率放電特性が改善される。
の反応性はTi、Zrあるいは希土類元素を有するB相
に比べてはるかに小さく、リチウムイオンの吸蔵・放出
量を低下させるレベルではない。
取り囲む組織構造をもつことにより、A相の膨張・収縮
で発生する応力が分散され個々に吸収することが可能と
なり、効果的に微粉化を抑制できる。
まない場合は雰囲気中の酸素や窒素がB相だけでなくA
相とも同様に反応し、A相にも酸化物及び窒化物が多く
形成される。このためリチウムの吸蔵・放出量が減少し
放電容量の低下を招く。Ti、Zrあるいは希土類元素
の含有量は5重量%以上70重量%以下が容量の点から
望ましい。より好ましくは5重量%以上30重量%以下
の含有率とすることで容量と寿命さらに高率放電特性の
点で優れる。
放電容量と寿命特性及び高率放電特性のバランスから各
々0<酸素<10重量%、0<窒素<10重量%、0.
5重量%≦酸素+窒素≦10重量%が望ましい。特に1
重量%≦酸素+窒素≦5重量%が最適である。含有率が
0.5重量%未満では本発明の効果は薄く、また10重
量%より多く存在すると上述の酸化物負極と同様に初回
充電時における不可逆容量が増加するため実効放電容量
の低下を招き不適である。さらに、酸素、窒素の過度な
混入は活物質の密度を低下させる要因であり、体積あた
りの放電容量が減少するため不適である。
ッ素、硫黄、リンから選択される少なくとも1種以上を
含有し、酸素と窒素及びフッ素、硫黄、リンの含有率が
0.5重量%以上10重量%以下の時も微粉化抑制効果
が認められた。
ム吸蔵・放出量の低下を防ぎつつ、B相においては酸化
反応、窒化反応に加えてフッ化物・硫化物・リン化物形
成による膨張・収縮での応力緩和効果を大きくするため
合金粒子中の酸素と窒素及びフッ素、硫黄、リンの含有
量の70重量%以上がB相に存在することが好ましかっ
た。
かつ寿命への効果を確保するため酸素量、窒素量、さら
にフッ素量、硫黄量、リン量を制御して、微粉化抑制を
行い、高容量・長寿命化を図った。
硫黄、リンのいずれか少なくとも1種以上をアトマイズ
法やメカニカルアロイング等の手法を利用して制御しな
がら合金中に導入することで、放電容量を減少させず高
率放電特性の低下を抑え、サイクル性を向上させること
が可能となる。単に合金粒子を2相以上の相で構成した
だけでは、高率放電特性が悪く、リチウム吸蔵・放出時
の膨張応力を緩和する能力に乏しく、あまり長寿命の電
池が得られなかった。
記B相に選択的に導入されることにより、B相の低結晶
化あるいは非晶質化の進行に加え、フッ化物、硫化物、
リン化物も生成することによって、さらにリチウムイオ
ンが容易に通過でき、高率放電特性の低下を防ぐことも
できた。
極合金粒子の製造法としてはガスアトマイズ法、水アト
マイズ法やメカニカルアロイング法等の手法が合金粒子
中に酸素、窒素さらにはフッ素、硫黄、リンを導入する
のに有効であった。個々の製法については各実施例で詳
細に述べる。
学セル、高率放電特性及びサイクル寿命については円筒
型電池を組んで行った。
セルを作製した。負極合金粒子7.5gと導電剤として
の黒鉛粉末2g、結着剤としてのポリエチレン粉末0.
5gを混合して合剤とした。この合剤0.1gを直径1
7.5mmに加圧成型して試験電極1とし、ケース3の
中に置いた。次に、微孔性ポリプロピレンセパレータ7
を電極上に置いた。
O4)を溶解したエチレンカーボネート(EC)とジメ
トキシエタン(DME)の体積比で1:1の混合溶液を
非水電解質として試験セルに注液した。この上に、内側
に直径17.5mmの金属Li4を張り付け、外周部に
ポリプロピレンガスケット5を付けた封口板6を置い
て、封口し試験セルとした。
2の一定電流で端子電圧が0Vになるまで充電(合金粒
子にリチウムイオンが挿入される反応)を行い、次に端
子電圧が1.5Vになるまで0.5mA/cm2の電流
で放電(合金粒子からリチウムイオンが放出される反
応)を行い、放電容量を測った。その際の充電容量と放
電容量の比を求めた。この値が低いことは初回充電時に
不可逆な反応が多く生じていることを示す。つまり電気
化学的に不可逆容量が多いことが示せる。
LiMn1.8Co0.2O4は、Li2CO3とMn3O4とC
oCO3とを所定のモル比で混合し、900℃で加熱す
ることによって合成した。さらに、これを100メッシ
ュ以下に分級したものを正極活物質とした。
して炭素粉末を10g、結着剤としてポリ4フッ化エチ
レンディスパージョン8gと純水を加え、十分混合しペ
ースト状にし、アルミニウムの芯材に塗布し、乾燥、圧
延して正極11を得た。
(活物質)と導電剤としての黒鉛粉末、結着剤としての
スチレンブタジエンゴム(SBR)を重量比で70:2
0:10の割合で混合し、水を分散溶媒に用いてペ−ス
ト状としたものを銅の芯材に塗布後、140℃で乾燥
し、負極12とした。
て説明する。超音波溶接で正極芯材のアルミニウムにア
ルミニウムからなる正極リード14を取り付けた。同様
に負極芯材の銅に、同材質の負極リード15を超音波溶
接で接合した。正極と負極間に両極板より幅の広い帯状
の多孔性ポリプロピレン製のセパレータ13を配して全
体を渦巻状に捲回して構成した。さらに、上記電極体の
上下それぞれにポリプロピレン製の絶縁板16、17を
配して電槽18に挿入し、電槽18の上部に段部を形成
させた後、非水電解液として、1モル/lのLiClO
4を溶解したECとDMEの等比体積混合溶液を注入
し、封口板19で密閉して電池とした。
度20℃、充電電流0.2C(1Cは1時間率電流)
で、電池電圧が4.2Vまで定電流充電を行い、その後
4.2Vで定電圧充電(定電流定電圧CCCV充電)を
行った。1回目の放電は0.2Cの電流で電池電圧3.
0Vまで行い、2回目は同一充電条件で、放電のみ2C
の電流で行った。2回目の2C放電容量を1回目の0.
2C放電容量で割り100を掛けた値を高率放電比とし
た。
ることになる。3回目以降は1回目と同一条件で充放電
を繰り返した。1サイクル目に対する100サイクル目
の放電容量比をサイクル維持率とした。当然、この比も
100に近いほどサイクル特性が良好なことを示す。
種条件で作製した合金を負極活物質とした電池について
具体的に実施例を示す。
く説明する。なお、本発明はこれらに限定されるもので
はない。
子は以下の方法で合成した。各種元素を塊状あるいは板
状、あるいは粒状のまま任意の比率で混合し、アーク溶
解炉で鋳造した。
イズ法を用いて球状の合金粒子を得た。このとき、噴射
ノズル径は1mmφであり、噴射ガスはAr+O2(1%、
3%、5%)あるいはN2+O2(1%、3%、5%)を
用いた。ガス噴射圧は100kgf/cm2で行った。
この作製したガスアトマイズ合金粒子を45ミクロンメ
ッシュのふるいを通すことで平均粒径28μmの粒子を
得た。
A分析(電子線マイクロ分析)による面分析を行ったと
ころ、どれも複数の相を有していた。それらの相及び粒
子中の酸素量、窒素量を透過型電子顕微鏡(TEM)お
よび電子エネルギー損失分析(EELS)により分析し
た結果及び電池特性を表1に示す。酸素および窒素量は
各粒子の断面の数点をTEMで観測し、EELSにより
面分析を行うことで算出した。表1の値は合金相を1と
した場合の酸素、窒素の存在比の平均値を記載してい
る。
Sn合金をAr+1%O2(実施例1)、Ar+3%O2
(実施例2)、Ar+5%O2(実施例3)及びN2+1
%O2(実施例4)、N2+3%O2(実施例5)、N2+
5%O2(実施例6)のガスを用いてガスアトマイズし
た場合、作製した合金中のA相及びB相中の酸素量およ
び窒素量は実施例1−6で、それぞれ表1に示すような
値を示した。いずれにおいてもA相には酸素および窒素
がほとんど含まれず、B相の方に多く含まれていること
がわかった。これはTiが酸素及び窒素のゲッターとし
て働いたためと思われる。電池特性も表1に示すが、放
電容量は高く、高率放電特性及びサイクル特性にも優れ
ていた。
CuZrSi2を化学量論比でアーク溶解炉に投入し、
合金を作製した。その後、実施例1−6と同様に各種ガ
スでガスアトマイズを行い、合金粒子を作製した。合金
粒子のA相及びB相の組成分析の結果と電池特性を表2
に示す。B相中の酸素及び窒素含有量の総量は0.5重
量%以上10重量%で優れた特性を示した。
トマイズ法で合成したTiSn合金(比較例1)ではガ
ス中に酸素及び窒素を含んでいないため合金粒子中の酸
素量および窒素量がそれぞれ0.11重量%、0.25
重量%と低く、サイクル特性が表1に示すように大幅に
低下した。
金をAr+8%O2(比較例2)及びN2+8%O2(比
較例3)のガスを用いてガスアトマイズした場合、作製
した合金中のA相及びB相中の酸素量、窒素量はそれぞ
れ表1に示すように大幅に増加し、初回放電容量/充電
容量比の低下をもたらした。これは、A相中の酸素量お
よび窒素量が増加することで活性相(ここではSn)が
酸化、窒化される。リチウムイオンを吸蔵するためには
Snを金属状態まで還元する必要があるため電気化学的
には不可逆容量が増加する。
ガスを用いてFeSi(それぞれ比較例4、比較例
7)、FeSn2(比較例5、比較例8)及びNiAl
合金(比較例6、比較例9)をガスアトマイズした場合
では、作製した合金粒子中のA相及びB相中の酸素量、
窒素量がそれぞれ表1に示すような値となり、いずれの
合金粒子においてもB相(リチウム非吸蔵相)にTi、
Zrあるいは希土類元素を含んでいないため、合金粒子
中の酸素および窒素はA相にも多く含まれ、初回放電容
量/充電容量の比が大幅に低下した。
マイズを行ったものではB相中の酸素あるいは窒素量が
低く、放電容量は高かったが高率放電特性及びサイクル
寿命特性は現行リチウムイオン電池より劣っていた。一
方、比較例2及び比較例3のようにガス中の酸素量が8
%を越すような場合は、A相中の酸素量も増加し、不可
逆容量の増加が顕著となった。
比較例に比べて高容量かつサイクル特性及び高率放電特
性において格段に優れていた。
iLaGa及びNiCeIn2となるよう原料を化学量
論比で一旦アーク溶解炉を用いて合金を作製した後、水
アトマイズ法で合金粒子を作製した。合成雰囲気はN2
中である。水アトマイズでは噴出圧800kgf/cm2
の水を溶湯にぶつけることで合金は急冷、微粉化され
る。この合金粒子を45ミクロンメッシュのふるいを通
すことで平均粒径20μmの粒子を得た。
上記条件で作製した。これら合金粒子の各種分析(実施
例1と同様)結果を表2に示す。EPMA分析の断面で
の組成分析より水アトマイズ法で合成した粒子では粒子
表面に平均膜厚18nm程度の酸化物被膜が生成してい
ることが判明した。本実施例においてもB相にほとんど
の酸素と窒素が導入されていることがわかった。水アト
マイズ法の場合、水に含まれる溶存酸素と窒素さらには
冷却時の衝突で分解される水の影響で合金中に酸素及び
窒素が導入される。
充放電試験を行った時の電池特性も表2に示す。本発明
の活物質を負極に用いた電池は従来例に比べて高容量か
つ長寿命で高率放電特性に優れていた。
び窒素を多く含んだB相は、TEM観察および観測点に
おける電子線回折により低結晶あるいは非晶質の状態で
あることが判明した。このB相はリチウムを良く透すこ
とができるため、高率放電特性に優れる。また、A相の
膨張・収縮の応力の吸収にも適しており、サイクル特性
においても優れていた。この際、合金粒子のB相に窒素
が入ることで前記応力の緩和効果が酸素のみの場合に比
べて向上した。
放電容量、高率放電特性及びサイクル特性を示している
が、酸素量及び窒素量が0<酸素<10重量%、0<窒
素<10重量%、0.5重量%≦酸素+窒素≦10重量
%の範囲に置いて、高容量で高率放電特性に優れ、かつ
長寿命の電池特性となることがわかった。
金粒子は以下の方法で合成した。ステンレスボール(直
径4.8cm)25個を入れたステンレス製ポットミル
(容量500ml)中に各種金属あるいは半金属元素お
よび添加元素の粉末(全て粒径45μm以下)を任意の
比率で投入した。フッ素の添加についてはLiF(顆粒
状)を加え、全混合粉末量は15gとした。仕込み組成
はTiPb、ZrSb2、TiCoBi、Ti2Sn、T
iSi2である。さらにTiPbには1.0重量%のフ
ッ素(LiF)、ZrSb2には0.5重量%の硫黄、
そしてTiCoBiには1.0重量%のリンをそれぞれ
添加した。
気下において60rpm一定回転で10日間ボールミリ
ングを行った。合成操作後、合金粒子の平均粒径はいず
れも約0.8μmと非常に微小な合金粒子が得られた。
たところ、どの合金粒子もブロードなピーク形状を示す
低結晶あるいは非晶質な粒子であることが判明した。ま
た上記粒子に対してX線回折から判明するものに関して
はそのピークから相構造を、また非晶質の粒子に対して
はTEMを利用して相構造を解析した。その結果、全て
の粒子において複数の金属間化合物相からなることが判
明した。その分析結果及び電池特性を表3に示す。
相に酸素、窒素が多く含まれ、さらに上記添加物のほと
んどがB相でのみ検出された。これらの合金粒子は高率
放電特性及び寿命特性に優れることがわかった。
部に向かって10nmまでの部分にで酸素と窒素の70
重量%以上が存在していることがわかった。
析結果及び電池特性も表3に示すが、Arガスのみの雰
囲気では寿命特性及び高率放電特性に劣っており、大気
中の物ではA相の酸素量、窒素量が多くなりすぎ、不可
逆容量の増加をもたらした。
池は比較例に比べて高容量かつサイクル特性に優れ、高
率放電特性の点でも酸素及び窒素を含有していない合金
に比べて格段に優れていた。
ムイオンの吸蔵・放出量が大きいことが望まれ、A相に
Sn、Si、Al、Ga、In、Pb、Sb、Biから
選択されるいずれか1種を主成分とするものが有効であ
った。
Co0.2O4を用いた場合について説明したが、LiMn
2O4、LiCoO2、LiNiO2などの充放電に対して
可逆性を有する正極と組み合わせた場合にも同様の効果
があることはいうまでもない。
酸素<10重量%、0<窒素<10重量%、0.5重量
%≦酸素+窒素≦10重量%の範囲において、高容量で
高率放電特性に優れ、かつ長寿命の電池特性となること
がわかった。
は、その全含有量の70重量%以上がB相に含まれてい
ることが望ましい。
率放電特性に優れた合金粒子を負極活物質に用いること
で、より高エネルギー密度で樹枝状リチウムによる短絡
のない高信頼性の非水電解質二次電池を得ることが可能
となる。
試験セルの断面概略図
円筒型電池の断面概略図
Claims (10)
- 【請求項1】 充放電によってリチウムイオンの吸蔵・
放出が可能な正極、負極およびリチウム塩を含む非水電
解質からなる非水電解質二次電池において、前記負極活
物質が少なくとも2種以上の金属元素あるいは/及び半
金属元素及び酸素と窒素で構成される合金粒子であるこ
とを特徴とする非水電解質二次電池。 - 【請求項2】 充放電によってリチウムイオンの吸蔵・
放出が可能な正極、負極およびリチウム塩を含む非水電
解質からなり、負極活物質が少なくとも2種以上の金属
元素あるいは半金属元素からなる合金粒子であって、そ
の合金粒子は、電気化学的にリチウムイオンの吸蔵・放
出が可能なA相とリチウムイオンの透過性を有するB相
の少なくとも2相が存在し、さらに前記B相の方がA相
より多くの酸素および窒素を含有していることを特徴と
する非水電解質二次電池。 - 【請求項3】 請求項2記載のA相は少なくともSn、
Si、Al、Ga、In、Pb、Sb、Biから選択さ
れるいずれか1種以上を成分として有し、B相がTi、
Zrあるいは希土類元素から選択される1種以上を有し
ていることを特徴とする非水電解質二次電池。 - 【請求項4】 請求項2記載のB相がA相を取り囲むよ
うに存在していることを特徴とする非水電解質二次電
池。 - 【請求項5】 請求項2記載のB相中に含有する酸素と
窒素の含有量が合金粒子全体での酸素と窒素の全含有量
に対して70重量%以上存在することを特徴とする非水
電解質二次電池。 - 【請求項6】 請求項1記載の合金中の酸素と窒素の含
有率が各々0<酸素<10重量%、0<窒素<10重量
%、0.5重量%≦酸素+窒素≦10重量%であること
を特徴とする非水電解質二次電池。 - 【請求項7】 請求項3記載のTi、Zrあるいは希土
類元素の含有量が5重量%以上70重量%以下であるこ
とを特徴とする非水電解質二次電池。 - 【請求項8】 請求項1記載の合金粒子中に酸素及び窒
素以外にフッ素、硫黄、リンから選択される少なくとも
1種以上を含有し、酸素と窒素及びフッ素、硫黄、リン
の含有率が0.5重量%以上10重量%以下であること
を特徴とする非水電解質二次電池。 - 【請求項9】 請求項2記載の合金粒子中に酸素及び窒
素以外にフッ素、硫黄、リンから選択される少なくとも
1種以上を含有し、酸素と窒素及びフッ素、硫黄、リン
の含有率が0.5重量%以上10重量%以下であること
を特徴とする非水電解質二次電池。 - 【請求項10】 請求項9記載の合金粒子中の酸素と窒
素及びフッ素、硫黄、リンの含有量の70重量%以上が
B相に存在することを特徴とする非水電解質二次電池。
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