JP2008243761A - 固体薄膜電池 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の薄膜電池を積層して、高電圧・高電気容量の電池を容易に形成できる固体薄膜電池を提供する。
【解決手段】正極層３、負極層２及びこれら層間に配置された固体電解質層４を備える固体薄膜電池１であって、上記各層が形成された電気絶縁性の支持体５と、上記正極層に導通する正極側集電部６と、上記負極層に導通する負極側集電部７と、上記正極側集電部及び／又は上記負極側集電部に形成されるとともに、上記支持体の表裏面に導通する導通電極部８，９とを備えて構成される。
【選択図】図１

Description

本願発明は、固体薄膜電池に関し、より詳しくは、高電圧あるいは高電気容量の電池を容易に構成できる固体薄膜電池に関するものである。

薄膜電池の構成は、たとえば、集電部となる金属箔、またはアルミナ等のセラミックス基材に形成した金属膜上に、正極層、固体電解質層及び負極層を順次重ね合わせた積層構造となっている。固体電解質層を用いる場合、従来の電池のように有機電解液を用いないため、液漏れや発火等を起こす危険性がなく、安全性の高い電池を提供することができる。

近年、携帯電話等の携帯電子機器は、ますます小型軽量化されており、これらに搭載されるバッテリーもますます小型軽量化されている。一方、多機能化によって、上記電子機器の消費電力も増大しており、より電圧が高く、また電気容量の大きい電池が求められている。

特開平１０−８３８３８ 特開昭６１−１９８５６４

上記従来の固体薄膜電池において電気容量を増加させるには、電池形成領域の面積等を増加させて、上記電極容量及び上記固体電解質の保持容量を大きくすることが考えられる。しかしながら、この手法では、電池の小型化の要請に反することになる。

また、複数の固体薄膜電池を並列接続して電気容量を増加させ、あるいは直列接続して電圧を増加させることができる。従来の薄膜電池を積層して接続する場合には、積層される各電池の集電を行うために、層間に集電フィルム等を介挿する必要がある。ところが、これら集電フィルムを接続する構造では、上記集電フィルムを介して正負極が短絡する危険性がある。

また、特許文献２に記載されているような絶縁基板上に電池を形成し、これらを積層する手法が考えられる。しかしながら、上記特許文献２に記載されている電池を積層したり他の配線基板等との接続を行うためには、金属箔等を挟み込んで端子を引き出したり、金属性の接続タブを設ける必要がある。このため、接続構造が複雑になるとともに、寸法が増大するという問題があった。

本願発明は、別途集電のための金属箔や金属タブ等を設けることなく複数の薄膜電池を積層して、高電圧・高電気容量の電池を容易に形成できる固体薄膜電池を提供することを課題とするものである。

本願発明は、正極層、負極層及びこれら層間に配置された固体電解質層を備える固体薄膜電池であって、上記各層が形成された電気絶縁性の支持体と、上記正極層に導通する正極側集電部と、上記負極層に導通する負極側集電部と、上記正極側集電部及び／又は上記負極側集電部に形成されるとともに、上記支持体の表裏面に導通する導通電極部とを備えて構成される。

上記正極側と上記負極側の少なくとも一方に形成される電極部を、支持体の表裏面に導通する導通電極部とすることにより、複数の固体薄膜電池単体を上記集電部ないし上記導通電極部が接触するように配置して重ね合わせるだけで、複数の固体薄膜電池の各電極を導通させることができる。これにより、複数の電池を並列接続あるいは直列接続して、大容量あるいは高電圧の電池を容易に構成することが可能となる。なお、本願発明において、上記集電部は、正極層及び負極層に積層接続された部分のみならず、これら部分から引き出された部分を含む概念である。

また、集電用の金属箔等を各電池間に挟み込む必要がなく、しかも、上記支持体が電気絶縁性であるため、各電池の正極側と負極側とが短絡する恐れもない。しかも、上記集電用の金属箔や接続用のタブが不要となるため、その分電池の体積や厚さが小さくなるとともに、部品点数及び製造工程を削減することができる。

本願発明では、正極側集電部と負極側集電部の双方に上記導通電極部を設けることもできるし、これら集電部の一方のみに上記導通電極部を設けることができる。これらの構成を採用することにより、複数の薄膜電池単体を種々の形態で積層接続して、大容量及び高電圧の電池を構成することができる。

本願発明は、種々の材料から構成される固体薄膜電池に適用することができる。たとえば、正極層として、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣＯＯ２）、酸化マンガン（ＭｎＯ２）、硫化鉄（ＦｅＳ２）等の活物質を単体で又は混合物で用いた薄膜層を採用できる。また、上記材料の粉末に、導電助剤のカーボン粒子、結着剤等を含む塗布層を設けて構成することもできる。

一方、負極層として、たとえば、Ｌｉ金属膜、Ｌｉ−Ａｌ、Ｌｉ−Ｍｎ−Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｉ−Ｎ、Ｓｉ−Ｃｏ、Ｓｉ−Ｆｅ等の合金膜を採用できる。また、カーボン、Ｓｉ等の粉末と導電助剤のカーボン粒子、結着剤からなる塗布層を採用することもできる。

上記正極層と上記負極層の間に配置される固体電解質として、たとえば、Ｌｉ−Ｐ−Ｓ−Ｏからなるアモルファス膜、あるいはこれらの多結晶膜を採用できる。また、Ｌｉ−Ｐ−Ｓ−Ｎからなるアモルファス膜、あるいはこれらの多結晶膜を採用できる。特に、正極側電解質として、上記Ｌｉ−Ｐ−Ｓ−Ｏからなるアモルファス膜を採用するとともに、負極側電解質として上記Ｌｉ−Ｐ−Ｓ−Ｎからなるアモルファス膜を採用するのが好ましい。

なお、上記電極や上記固体電解質にイオン導電性物質を含浸して導電性を高めることもできる。たとえば、上記イオン導電性物質として、（１）ＥＭＩ⁺、ＰｙＩ３⁺ 、ＰＰＩ３⁺ 、等のカチオン系物質、（２）ＦＳＩ^- 、ＴＦＳＩ^- 等のアニオン系物質、（３）ＬｉＴＦＳＩ、ＬｉＢＥＴＩ等の支持塩を含浸させることもできる。

たとえば、上記イオン導電性物質を、正極層や固体電解質層の空隙部に含浸させて、正極層と固体電解質層とのイオン導電性を高めることにより、正極層と固体電解質層との界面における電気抵抗を低減させ、正極側の電池容量を大きくすることができる。

上記支持体として種々の絶縁材料を採用できる。たとえば、一般的なフレキシブルプリント配線用基板を支持体として採用できる。また、リジッド基板にも適用することができる。

上記集電部ないし上記導通電極部を構成する材料、形成方法等も特に限定されることはない。たとえば、Ｎｉ、Ａｌ等の金属を、無電解メッキ等のウエットプロセス、スパッタリング、蒸着等のドライプロセスによって、上記支持体表面に成膜することができる。

支持体の表裏に導通する導通電極部も種々の形態を採用できる。たとえば、請求項２に記載した発明のように、上記導通電極部を、上記正極層及び上記負極層が形成された側に形成された第１の導電薄膜部と、上記支持体の上記第１の導電薄膜部と反対側に形成された第２の導電薄膜部と、上記第１の導電薄膜部と上記第２の導電薄膜部とを導通させる導通部とを備えて構成することができる。

より具体的には、上記支持体上で、金属薄膜で形成される集電部を電池形成領域の縁部に延出させて上記第１の導電薄膜部を構成するとともに、この延出部に上記支持体を貫通するとともに導電性を付与したスルーホールを設けて上記支持体の他面に積層形成した金属薄膜に導通させることにより、上記支持体の表裏に導通する導通電極部を構成することができる。また、上記集電部に導通するとともに、上記支持体の表裏に導通する電極部材を上記支持体の縁部に設けることもできる。

請求項３に記載した発明は、上記支持体の上記正極層及び／又は上記負極層の形成領域に、上記導通電極部を形成したものである。すなわち、支持体の薄膜電池形成領域の直下に上記導通電極部を設けたものである。

この構成を採用することにより、電池形成領域の周囲に集電部を延出させて導通電極部を設ける必要がなくなり、電池の寸法をさらに小さく設定することができる。また、上記導通電極部の裏面を配線体等の電極に直接接続することができる。したがって、接続構造が簡単になるとともに、配線基板等に搭載する場合のスペースも削減することができる。

請求項４に記載した発明は、上記正極層の表裏のほぼ全面に対して、上記正極側集電部及び上記固体電解質層がそれぞれ積層形成されている一方、上記負極層及びこれに積層形成される上記負極側集電部が、上記固体電解質層の一部の領域に対して積層形成されているものである。

固体リチウム電池の正極側電極材を構成する正極活物質は導電性がないか又は導電性が低い。このため、固体薄膜電池の場合、固体電解質と正極層との界面付近の正極活物質のみが実質的に充放電の反応に寄与する場合が多い。この結果、正極側の電池容量が負極側に比べて小さくなり、電池性能が低下するという問題が生じる。

上記正極層の表裏のほぼ全面に対して、上記正極側集電部及び上記固体電解質層をそれぞれ積層形成することにより、上記正極層と上記集電部間、及び上記正極層と上記固体電解質層間の接続面積を大きくして、正極側の電池容量を大きく設定することができる。

一方、負極層を構成する負極活物質は導電性が高い。このため、上記負極層及び上記負極側集電部を固体電解質層の全面に導通接続する必要はない。したがって、上記負極層及び上記負極側集電部を、上記固体電解質層の一部の領域に対して積層形成することにより、上記正極側電池容量と上記負極側電池容量のバランスをとり、電池全体としての面積効率を向上させることができる。また、上記負極層や上記負極側集電部の材料を削減することもできる。さらに、上記負極層の導電性が高いので、上記負極側集電部を上記負極層の一部に接続するように構成することもできる。

請求項５に記載した発明は、少なくとも上記負極層及び上記負極側集電部を微細パターン形状を備えて構成したものである。

上述したように、固体薄膜電池においては、正極側の電池容量と負極側の電池容量とをバランスさせるのが望ましい。負極層側を微細パターンに形成することにより、負極側の電池容量を調節することが可能となり、正極側電池容量と負極側電池容量のバランスをとることができる。たとえば、正極側を平板状に形成する一方、負極側を微細パターン形状に形成して電池容量の調整を行うのが好ましい。上記微細パターンとして、櫛歯状や螺旋状のパターンを採用することができる。

本願の請求項６に記載した発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載された複数の固体薄膜電池単体を重ね合わせて構成される固体薄膜電池であって、積層される上記固体薄膜電池単体の上記集電部ないし上記導通電極部を互いに導通させて構成したものである。

本願発明に係る固体薄膜電池単体においては、正極側集電部と負極側集電部の少なくとも一方に、支持体の裏面に導通する導通電極が形成されている。このため、上記導通電極部ないし上記集電部を上下に重ね合わせるだけで、上記集電部ないし上記導通電極部を電気的に接続することができる。

上記構成において、上記導通電極部同士を互いに接続することもできるし、上記集電部と上記導通電極部とを互いに接続するように構成することもできる。これにより、複数の薄膜電池単体を種々の形成で接続することが可能となる。

たとえば、正極側集電部と負極側集電部の双方に導通電極部を設け、これら導通電極部を互いに重ね合わせて接続することができる。また、一方の集電部のみに導通電極部を設け、この導通電極部を隣接して重ねられる薄膜電池の集電部に直接接続することもできる。

請求項８に記載した発明のように、複数の上記固体薄膜電池単体を並列接続するように、上記集電部ないし上記導通電極部を配置して積層することにより、電池容量の大きい固体薄膜電池を構成することができる。また、請求項９に記載した発明のように、上記複数の固体薄膜電池単体を直列接続するように、上記集電部ないし上記導通電極部を配置して積層することにより、大きな電圧の固体薄膜電池を構成することができる。さらに、上記並列接続と上記直列接続を含む接続形態に積層することもできる。

請求項７に記載した発明のように、積層した電池の上記集電部ないし上記導通電極部を互いに導通させるための接続手段を設けるのが好ましい。上記接続手段は特に限定されることはなく、たとえば、ハンダ等を用いて固定的に接続することができる。また、集電部ないし上記導通電極部を挟圧できるネジ手段や、弾性的に挟圧できるクリップ状の接続手段を採用することもできる。

複数の薄膜電池を積層して、高電圧・高電気容量の電池を容易に形成できる。

以下、本願発明の実施形態を具体的に説明する。

図１及び図２に、本願発明の第１の実施形態を示す。

第１の実施形態は、リチウム固体薄膜電池に本願発明を適用したものである。固体薄膜電池１は、正極層３と、負極層２と、これら層間に配置される固体電解質層４とを積層形成して構成されている。上記各層は電気絶縁性のフレキシブル支持体５の片面に積層形成されている。

上記正極層３は、リチウムイオンの吸蔵及び放出を行う活物質を含む層で構成されている。たとえば、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣＯＯ２）等の活物質を単体又は混合物で用いることができる。また、硫化物、たとえば、硫化鉄（ＦｅＳ２）等を単体又は混合物で用いることができる。導電粉末として、カーボン粒子を採用するとともに、結着剤としてポリフッ化ビニリデンやテフロンを用いることができる。上記正極層３は、ゾルゲル法、コロイド等の湿式法や、蒸着法、スパッタリング法等の乾式法を用いて形成することができる。

また、上記の正極粉末、導電粉末、結着剤等をＮ−メチル−２ピロリドン等の溶媒に分散させ、所定のパターンに塗布した後、１５０℃程度に加熱して乾燥させて形成することもできる。この手法によって形成される正極層３は多孔質体であり、空隙部分にイオン性液体７を含浸させて、正極側の導電性を高めることもできる。

上記負極層２も、正極層３と同様に、リチウムイオンの吸蔵及び放出を行う活物質を含む層で構成される。負極層２は、Ｌｉ金属及びＬｉ金属と合金を形成することができる金属等を単体または混合物で形成するのが好ましい。たとえば、リチウム単体（Ｌｉ）、リチウム（Ｌｉ）−アルミニウム（Ａｌ）合金、リチウム（Ｌｉ）−マンガン（Ｍｎ）−アルミニウム（Ａｌ）合金等を採用できる。また、シリコン単体（Ｓｉ）、シリコン（Ｓｉ）−ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）−コバルト（Ｃｏ）、シリコン（Ｓｉ）−鉄（Ｆｅ）等の合金を採用することもできる。

上記固体電解質層４として、Ｌｉ−Ｐ−Ｓ−Ｏからなるアモルファス膜を正極側電解質として用いる一方、Ｌｉ−Ｐ−Ｏ−Ｎからなるアモルファス膜を負極側電解質として用いることができる。

上記支持体５として、種々の基板材料を採用することができる。たとえば、フレキシブル配線板に用いられる電気絶縁性の樹脂フィルム、たとえば、ポリイミドやポリフェニレンサルファイドを支持体として用いることができる。また、リジッド配線板に用いられている樹脂プレートを支持体として用いることもできる。さらに、他の回路が形成されたプリント回路基板上に上記電池を作り込むこともできる。

本実施形態では、上記正極側集電部６を支持体５の広い範囲にわたって薄膜状に形成するとともに、上記正極層３のほぼ全域が上記集電部６に接続するように積層形成されている。また、上記固体電解質層４も、上記正極側集電部６と同様に、上記正極層３のほぼ全域に積層形成されている。この構成を採用することにより、正極層３の導電性が低い場合であっても、上記正極層３と、上記正極側集電部６及び上記固体電解質層４との接続面積を増加させ、正極側電池容量を確保することができる。

一方、負極層２は電気伝導性が高いため、縁部に集電部７を接続するだけで充分な導電性を確保できる。なお、本実施形態では、上記負極層２を上記固体電解質層４のほぼ全面に接続するように構成したが、上記固体電解質層４に対する上記負極層２の積層領域を小さく設定して、正極側と負極側の電池容量をバランスさせることができる。

正極側電池容量と負極側電池容量とを調節するため、負極層２及び負極側集電部７を微細パターン状に形成することができる。たとえば、櫛歯状や螺旋状の形態を採用することができる。

本実施形態では、上記正極側集電部６と上記負極側集電部７を、電池形成領域Ｓから延出させ、この延出部に上記支持体５の表裏に導通する導通電極部８，９が形成されている。

本実施形態に係る上記導通電極部８，９は、上記集電部６，７に連続して形成された第１の導電薄膜部１０，１３と、上記支持体５の上記第１の導電薄膜部１０，１３の形成面と反対側に形成された第２の導電薄膜部１２，１５と、上記支持体５に貫通形成されたスルーホールを導電金属で埋めるようにして形成された導電部１１，１４とを備えて構成されている。

上記導通電極部を８，９設けることにより、複数の上記固体薄膜電池を積層するだけで、上記複数の固体薄膜電池間の電極を接続することが可能となり、高電圧あるいは大容量の固体薄膜電池を容易に形成することができる。

また、上記導通電極部８，９を設けることにより、上記支持体５の電池形成面と反対側において電気的接続を行うことが可能となり、接続用の金属泊や金属タブ等を設けることなく、配線板等に直接搭載することも可能となる。

図３は本願発明の第２の実施形態を示す図であり、図１に示す固体薄膜電池単体を４枚並列接続するように積層して、各導通電極部を接続した状態を示す断面図である。この図に示すように、各固体薄膜電池単体を同じ向きに配置して重ね合わせて、正極側の導通電極部８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄと、負極側導通電極部９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄとをそれぞれ接触させるだけで、各正極側導通電極部及び各負極側導通電極部を接続することができる。なお、接続される上記導通電極部は、ハンダ等で固定的に接続することもできるし、これら電極を挟圧できるネジ手段やクリップ等の接続手段を採用することもできる。

図４は本願発明の第３の実施形態を示す図であり、固体薄膜電池単体を４枚直列接続するように積層して、各導通電極部を接続した状態を示す断面図である。

この実施形態では、上記支持体５の表裏に導通する導通電極部９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを負極側集電部７にのみ設けた固体薄膜電池単体１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈを積層して直列接続した構成を採用している。各固体薄膜電池単体の負極側導通電極部９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄと上記導通電極部を設けていない正極側の電極部８ａ，８ｂ．８ｃ，８ｄとを交互に配置して重ね合わせることにより、各固体薄膜電池単体の正極側と負極側とが交互に接続されて、複数の薄膜電池が直列接続された電池が形成される。

図３及び図４から明らかなように、本願実施形態では、同一形態の電池を複数積層して各電極部を接続するだけで、所望の電気容量ないし電圧の固体薄膜電池を構成することができる。また、各電池の間に電気絶縁性の支持体５が配置されることになるため、従来の電池のように電極間が短絡する恐れもない。

図５に、本願発明の第４の実施形態を示す。

この実施形態に係る固体薄膜電池２０１は、図１に示す第１の実施形態と同様の支持体２０５に、正極層２０３と、負極層２０２と、これら層間に配置された固体電解質層２０４とを備えて構成されている。なお、上記各層は、図１に示す第１の実施形態と同様の構成を備えている。

上記支持体２０５には、上記正極層２０３が積層形成された正極側集電部２０６が形成されている。この正極側集電部２０６は、上記正極層２０３の全面に接続されるように上記支持体２０５の表面に積層形成されている。同様に、上記固体電解質層２０４も、上記正極層２０３の全面に接続するように積層形成されている。

一方、上記負極層２０２及びこの負極層２０２に積層形成された負極側集電部２０７は、上記正極層２０３と固体電解質層２０４の接続面積より小さい面積で、上記固体電解質層２０４の表面中央部に対して積層形成されている。上記正負極の接続面積を所定割合に設定することにより、正極側電池容量と負極側電池容量のバランスをとることができる。また、上記負極層及び上記負極側集電部を櫛歯状や螺旋状の微細パターンに形成することもできる。

本実施形態では、上記正極側集電部２０６の中央部の直下に、上記支持体２０５の表裏に導通する導通電極部２０８が形成されている。上記導通電極部２０８は、上記第１の実施形態と同様の手法によって、上記支持体２０５の裏面側に導電性金属膜を形成し、上記正極側集電部２０６と上記導電性膜間を導電部２１４で連結することにより形成することができる。

図６は、第５の実施形態を示す図であり、図５に示す固体薄膜電池単体を４枚積層して構成される電池の断面図である。

図６に示すように、本実施形態では、各薄膜電池単体２０１ａ、２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄの各導通電極部２０８と、各電池の下側に積層される電池の上面に形成された負極側集電部２０７とが直接接続されている。

上記構成を採用することにより、集電部を電池形成領域の周縁部引き出して導通電極部を設ける必要がなくなり、電池の寸法をさらに小さくすることが可能となる。

本願発明は、上述の実施形態に限定されることはない。今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本願発明の範囲は、上記説明した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本願発明によって、複数の固体薄膜電池を接続して、高電気容量及び高電圧の薄膜電池を容易に形成することができる。

本願発明に係る第１の実施形態に係る固体薄膜電池単体の断面図である。 図１に示す固体薄膜電池の平面図である。 本願発明の第２の実施形態を示す図であり、図１に示す固体薄膜電池を複数枚並列接続するように積層して構成される固体薄膜電池の断面図である。 本願発明の第３の実施形態を示す図であり、固体薄膜電池を複数枚直列接続するように積層して構成される固体薄膜電池の断面図である。 本願発明に係る第４の実施形態に係る固体薄膜電池単体の断面図である。 本願発明の第５の実施形態を示す図であり、図５に示す固体薄膜電池を複数枚直列接続するように積層して構成される固体薄膜電池の断面図である。

符号の説明

１ 固体薄膜電池
２ 負極層
３ 正極層
４ 固体電解質層
５ 支持体
６ 正極側集電部
７ 負極側集電部
８ 導通電極部
９ 導通電極部

Claims (9)

1. 正極層、負極層及びこれら層間に配置された固体電解質層を備える固体薄膜電池であって、
   上記各層が形成された電気絶縁性の支持体と、
   上記正極層に導通する正極側集電部と、
   上記負極層に導通する負極側集電部と、
   上記正極側集電部及び／又は上記負極側集電部に形成されるとともに、上記支持体の表裏面に導通する導通電極部とを備える、固体薄膜電池。
2. 上記導通電極部は、
   上記正極層及び上記負極層が形成された側に形成された第１の導電薄膜部と、
   上記支持体の上記第１の導電薄膜部と反対側に形成された第２の導電薄膜部と、
   上記第１の導電薄膜部と上記第２の導電薄膜部とを導通させる導通部とを備える、請求項１に記載の固体薄膜電池。
3. 上記支持体の上記正極層及び／又は上記負極層の形成領域に、上記導通電極部が形成されている、請求項１又は請求項２のいずれかに記載の固体薄膜電池。
4. 上記正極層の表裏のほぼ全面に対して、上記正極側集電部及び上記固体電解質層がそれぞれ積層形成されている一方、
   上記負極層及びこれに積層形成される上記負極側集電部は、上記固体電解質層の一部の領域に対して積層形成されている、請求項１から請求項３のいずれかに記載の固体薄膜電池。
5. 少なくとも上記負極層及び上記負極側集電部が微細パターン形状を備える、請求項１から請求項４のいずれかに記載の固定薄膜電池。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載された複数の固体薄膜電池単体を重ね合わせて構成される固体薄膜電池であって、
   積層される上記固体薄膜電池の上記集電部ないし上記導通電極部が互いに導通させられている、固体薄膜電池。
7. 上記集電部ないし上記導通電極部を互いに導通させる接続手段を備える、請求項６に記載の固体薄膜電池。
8. 複数の上記固体薄膜電池単体を並列接続するように、上記集電部ないし上記導通電極部を配置して積層形成された、請求項６又は請求項７のいずれかに記載の固体薄膜電池。
9. 複数の上記固体薄膜電池単体を直列接続するように、上記集電部ないし上記集電電極を配置して積層形成された、請求項６又は請求項７のいずれかに記載の固体薄膜電池。

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