JP2010262899A - 二次電池および電池ケース - Google Patents

Abstract

【課題】電池内の温度ムラを低減し，電池の耐久性の向上が期待できる二次電池および電池ケースを提供すること。
【解決手段】リチウムイオン電池１００は，発電要素６０と，発電要素６０を収容する電池ケース１０と，発電要素６０と接合する正極集電端子３１および負極集電端子３２とを備えている。電池ケース１０は，発電要素６０の一部を覆う非塗装領域１３と，発電要素６０の非塗装領域１３に覆われない部位を覆い，その表面が黒色で塗装された塗装領域１２とを備えている。また，正極集電端子３１と発電要素６０との接合部位４０Ａと，負極集電端子３２と発電要素６０との接合部位４０Ｂとが，塗装領域１２に覆われる範囲に位置している。
【選択図】 図２

Description

本発明は，発電要素がケース部材に収容された密閉型の二次電池および電池ケースに関する。

近年，リチウムイオン電池等の二次電池は，携帯型ＰＣや携帯電話を始めとする電子機器のみならず，ハイブリッド車や電気自動車の電源として注目されている。二次電池では，充電と放電とが繰り返され，発電要素を収容するケース内に熱が蓄積されると，二次電池の耐久性が低下する傾向にある。そこで，ケース内で発生した熱を効率よく放出する技術として，例えば特許文献１には，電池ケースの表面に高放射率層を形成する電池が開示されている。

特開２００２−２３１１９２号公報

しかしながら，前記した従来の電池には，次のような問題があった。例えばハイレートの充放電が連続する場合には，発電要素の温度ムラが大きいと，劣化が急速に進行する。温度ムラが大きいと劣化が急速に進行するのは，一般的に温度が高い部分が抵抗が低く，充放電によく使われ，温度が低い部分は抵抗が高く，充放電反応に関与し難いことに起因している。特に，ハイブリッド自動車に車載される二次電池では，ハイレートの充放電が連続することが多く，電池内の温度ムラは劣化を大幅に加速させ，電池の耐久性に悪影響を与える。特許文献１のように，電池全体の温度を下げることも重要であるが，温度ムラによる耐久性の低下を防ぐ上では十分ではない。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，電池内の温度ムラを低減し，電池の耐久性の向上が期待できる二次電池および電池ケースを提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた二次電池は，発電要素と，発電要素を収容するケース部材と，発電要素と接合する正極集電端子および負極集電端子とを備え，ケース部材は，発電要素の一部を覆う第１領域と，発電要素の第１領域に覆われない部位を覆い，第１領域よりも放熱性が高い第２領域とを有し，正極集電端子と発電要素との接合部位である接合部位Ａと，負極集電端子と発電要素との接合部位である接合部位Ｂとが，第２領域に覆われる範囲に位置することを特徴としている。

本発明の二次電池は，発電要素を収容するケース部材が，第１領域と，第１領域よりも放熱性が高い第２領域とに区分される。そして，発電要素のうち，正極集電端子との接合部位Ａと負極集電端子との接合部位Ｂとが，ケース部材の第２領域に覆われる。すなわち，電流が集中しやすい部位が，高放熱性を有する第２領域に覆われる。そのため，接合部位Ａ，Ｂに近接する領域に籠る熱がより積極的に放出され，発電要素の温度が均一になる。よって，本発明の二次電池は，発電要素全体が均一に使用されることになり，充放電サイクルの寿命向上が期待できる。

また，本発明の二次電池は，接合部位Ａと接合部位Ｂとを結ぶ線分ＡＢが，発電要素の中心を通らないように，正極集電端子および負極集電端子が配置されているとよい。すなわち，正極集電端子と負極集電端子とを，発電要素の中心を挟んで略点対称配置し，電流集中を緩和することで，温度ムラを抑制することが考えられる。しかし，このような配置に限定してしまうと，集電端子の配置の自由度が小さくなってしまう。本発明の二次電池は，接合部位Ａと接合部位Ｂとを結ぶ線分ＡＢが発電要素の中心を通らない構成であることから，正極集電端子および負極集電端子の配置の自由度が大きい。

また，本発明の二次電池のケース部材の第２領域は，例えば，ケース外側の表面に黒色層を有するとよい。すなわち，表面に熱放射率が高い層を設けることで第１領域と比較して高放熱性を持たせることができる。

また，本発明の二次電池のケース部材の第２領域は，例えば，少なくともケース外側の表面に突起および溝の少なくとも一方が設けられているとよい。すなわち，外気との接触面積を増やすことで第１領域と比較して高放熱性を持たせることができる。

また，本発明は，発電要素と，発電要素と接合する正極集電端子の一部と，発電要素と接合する負極集電端子の一部とを収容する二次電池用の電池ケースであって，発電要素の一部を覆う第１領域と，発電要素の第１領域に覆われない部位を覆い，第１領域よりも放熱性が高い第２領域とを有し，第２領域は，正極集電端子と発電要素との接合部位である接合部位Ａと，負極集電端子と発電要素との接合部位である接合部位Ｂとを覆うことを特徴とする電池ケースを含んでいる。

本発明によれば，電池内の温度ムラを低減し，電池の耐久性の向上が期待できる二次電池および電池ケースが実現される。

実施の形態にかかる二次電池の構成を示す斜視透視図である。 図１に示した二次電池の外観を示す斜視図である。 図１に示した二次電池の温度分布を示す図である。 応用形態にかかる二次電池（その１）の構成を示す斜視透視図である。 図４に示した二次電池の外観を示す図である。 応用形態にかかる二次電池（その２）の構成を示す斜視透視図である。 図６に示した二次電池の外観を示す図である。 応用形態にかかる二次電池（その３）のケースの表面形状を示す断面図である。

以下，本発明にかかる二次電池を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお，以下の形態では，ハイブリッド自動車に車載されるリチウムイオン電池に本発明を適用する。

［リチウムイオン電池の構成］
本形態のリチウムイオン電池１００は，図１に示すように，発電要素６０と，発電要素６０を収容し，リチウムイオン電池１００の外殻を形成する角型の外装部５０とを有する密閉型の二次電池である。図１は，外装部５０を透視した状態を示している。なお，以下の説明では，説明の便宜上，外装部５０の幅方向（図１中のＸ方向）を「幅方向」，外装部５０の高さ方向（図１中のＹ方向）を「高さ方向」，外装部５０の奥行き方向（図１中のＺ方向）を「奥行き方向」とする。

また，外装部５０は，容器となる電池ケース１０と，電池ケース１０の開口部を封止する封口蓋２０とを有している。電池ケース１０は，アルミニウム，アルミニウム合金，めっき鋼板，ステンレス鋼板等の金属材からなり，封口蓋２０は，アルミニウム，めっき鋼板，ステンレス鋼板等の金属材からなる。電池ケース１０や封口蓋２０に利用する金属材は，成形が容易であって，剛性があるものであればよい。外装部５０の内側全面には，不図示の絶縁フィルムが貼付されている。

電池ケース１０は，有底矩形の箱体，すなわち上面が開口した直方体をなしている。電池ケース１０は，発電要素６０を収納しており，矩形板状の封口蓋２０にてその開口部を塞ぐことによって発電要素６０を密封をしている。具体的に，外装部５０は，電池ケース１０と封口蓋２０とがレーザ溶接によって一体となっている。

また，電池ケース１０は，図２に示すように，黒色に塗装された塗装領域１２と，塗装されていない非塗装領域１３とを備えている。すなわち，電池ケース１０は，高さ方向の位置が異なる領域を２つ有し，高さ方向の中間点よりも上側半分を塗装領域１２が占め，下側半分を非塗装領域１３が占める。黒色に塗装された塗装領域１２は，金属材料がそのまま剥き出しとなっている非塗装領域１３よりも熱放射性に優れる。

塗装領域１２の表面に形成される黒色層は，例えばカーボンブラックとチタニアとの混合物が適用可能である。具体的に本形態では，平均粒子径が０．０２μｍのカーボンブラック（三菱化成社製の「ＭＡ−１００」）を１重量部，平均粒子径が０．２５μｍのチタニア（石原産業社製の「タイペークＣＲ−９０」）を４０重量部，乾燥固形分としてのポリエステル樹脂およびメラミン系架橋剤を５９重量部を，溶剤（本形態では適量のシクロヘキサノン）とともに，ボールミルを用いて分散混合した塗料を使用している。なお，ポリエステル樹脂に対するメラミン系架橋剤の混合割合は，ポリエステル樹脂１００重量部に対して１０重量部としている。この塗料を，塗装領域１２とする部位に塗布し，２４０度で６０秒間の焼き付け処理を施すことで，電池ケース１０の表面に黒色層を形成している。

封口蓋２０には，封口蓋２０を貫通し，封口蓋２０から外装部５０の外側に向けて突出する正極端子部３１及び負極端子部３２が取り付けられている。正極端子部３１の封口蓋２０への取り付け箇所には，樹脂製の絶縁部材３３が介在し，正極端子部３１と封口蓋２０とを絶縁している。同様に，負極端子部３２の封口蓋２０への取り付け箇所には，樹脂製の絶縁部材３４が介在し，負極端子部３２と封口蓋２０とを絶縁している。また，封口蓋２０には，矩形板状の安全弁２３も溶接されている。安全弁２３は，封口蓋２０を貫通する注液孔を封止しており，その注液孔から電解液が注入される。

発電要素６０は，帯状の正極板６１と負極板６２とをポリエチレンからなるセパレータを挟んで捲回し，扁平状にしたものである。正極板６１は，帯状のアルミ箔の両面に不図示の正極活物質層を担持している。この正極活物質層には，例えば，正極活物質のニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ₂ ），導電剤のアセチレンブラック，および結着剤のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ），カルボキシルメチルセルロース（ＣＭＣ）が含まれる。また，負極板６２は，帯状の銅箔の両面に不図示の負極活物質層を担持している。この負極活物質層には，例えば，グラファイトおよび結着剤が含まれる。また，不図示の電解液は，エチレンカーボネート（ＥＣ）とエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）とを，体積比でＥＣ：ＥＭＣ＝３：７に調整した混合有機溶媒に，溶質として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆ ）を添加し，リチウムイオンを１ｍｏｌ／ｌの濃度とした有機電解液である。正極板６１，正極活物質層，負極板６２，負極活物質層，電解液に利用される物質は，一例であり，一般的にリチウムイオン電池に利用されるものを適宜選択すればよい。

また，正極板６１は，クランク状に屈曲した板状の正極集電端子３１と接合され，負極板６２は，同じくクランク状に屈曲した板状の負極集電端子３２と接合されている。具体的に，正極集電端子３１は，発電要素６０の幅方向の一方の端部に露出する正極板６１と接合している。一方，負極集電端子３２は，他方の端部に露出する負極板６２と接合している。

さらに，正極集電端子３１と発電要素６０との接合部位４０Ａは，発電要素６０が電池ケース１に収容された状態で，電池ケース１０の高さ方向の中間点よりも上側（封口蓋２０側）に位置する。また，負極集電端子３２と発電要素６０との接合部位４０Ｂも，電池ケース１０の高さ方向の中間点よりも上側に位置する。つまり，接合部位４０Ａ，４０Ｂともに，電池ケース１０の塗装領域１２に覆われる範囲に位置する。

また，接合部位４０Ａ，４０Ｂは，それぞれ電池ケース１０の高さ方向の中間点よりも上側に位置することから，接合部位４０Ａと接合部位４０Ｂとを結ぶ線分４０ＡＢが発電要素６０の中心６０Ｐを通らない。ここでいう「中心」は，高さ方向，幅方向，奥行き方向の３方すべての中心を意味する。

このように構成されたリチウムイオン電池１００では，充電および放電を繰り返すと，発電要素６０の温度が上昇する。特に，電流が集中しやすい部分である接合部位４０Ａおよび接合部位４０Ｂ付近での発熱が顕著になる。つまり，本形態のリチウムイオン電池１００では，図３に示すように，概ね，発電要素６０の高さ方向の上側部分（図３中のハッチング部分）の温度が高くなる傾向にある。本形態のリチウムイオン電池１００では，この上側部分を，高放熱性を有する塗装領域１２で覆っている。そのため，当該上側部分の温度上昇が抑制され，発電要素６０全体での温度ムラの縮小が期待できる。

［応用形態（その１）］
続いて，リチウムイオン電池の応用形態について説明する。図４に示すリチウムイオン電池２００は，引き出しタグを有する枚葉状の正極板６４と，同じく引き出しタグを有する枚葉状の負極板６５とを，セパレータを挟んで重ね合わせた発電要素６３を有するものである。この点，帯状の正極板６１と負極板６２とをセパレータを挟んで捲回した発電要素６０を有するリチウムイオン電池１００とは異なる。発電要素６３は，角型の電池ケース１４に収容され，電池ケース１４の開口部は封口蓋２４によって封止される。

また，リチウムイオン電池２００は，発電要素６３の同一辺（図４では上辺）上に，正極集電端子３５との接合部位４１Ａおよび負極集電端子３６との接合部位４１Ｂを配置している。リチウムイオン電池２００の構成では，接合部位４１Ａと接合部位４１Ｂとを結ぶ線分４１ＡＢは，発電要素６３を横断せず，勿論，発電要素６３の中心６３Ｐを通過しない。この点，各集電端子の接合部位４０Ａ，４０Ｂが発電要素６０の幅方向の両端に分かれており，線分４０ＡＢが発電要素６０を横断する構成になっているリチウムイオン電池１００とは異なる。

また，リチウムイオン電池２００の電池ケース１４は，図５に示すように，黒色に塗装された塗装領域１５と，塗装されていない非塗装領域１６とによって構成される。塗装領域１５の塗装材は，リチウムイオン電池１００と同様である。すなわち，電池ケース１４は，リチウムイオン電池１００と同様に，高さ方向の位置が異なる領域を２つ有し，高さ方向の上側部分を高放熱性を有する塗装領域１５が占める。そして，図４に示した接合部位４１Ａ，４１Ｂは，塗装領域１５に覆われた範囲に位置する。

本形態のリチウムイオン電池２００であっても，充電および放電を繰り返すと，図４に示した接合部位４１Ａ，４１Ｂ付近での発熱が顕著になる。そこで，図５に示すように，リチウムイオン電池２００の電池ケース１４の一部を黒色塗装し，その塗装領域１５が接合部位４１Ａ，４１Ｂを覆うように構成する。すなわち，接合部位４１Ａ，４１Ｂを，高放熱性を有する塗装領域１５で覆う。これにより，リチウムイオン電池１００と同様に，温度ムラの縮小が期待できる。

［応用形態（その２）］
図６に示すリチウムイオン電池３００は，帯状の正極板および負極板をセパレータを挟んで捲回し，さらに円筒状をなす発電要素６６を有し，さらに円筒状の電池ケース１７に発電要素６６を収容する筒型電池である。この点，角型電池のリチウムイオン電池１００とは異なる。電池ケース１７は，幅方向の両端部が開口しており，各開口部は封口蓋２５，２６によって封止される。

また，リチウムイオン電池３００は，正極集電端子３７と正極板６７との接合部位４２Ａを発電要素６６の幅方向の一方の端部に，負極集電端子３８と負極板６８との接合部位４２Ｂを発電要素６６の幅方向の他方の端部に，それぞれ配置する。さらに，接合部位４２Ａ，４２Ｂは，発電要素６６の端部の円形面の中心に位置するのではなく，中心からずれた場所（図６では中心６６Ｐよりも高さ方向の上側）に位置する。なお，リチウムイオン電池３００の構成でも，接合部位４２Ａと接合部位４２Ｂとを結ぶ線分４２ＡＢは，発電要素６６の中心６６Ｐを通過しない。

また，リチウムイオン電池３００の電池ケース１７は，図７に示すように，黒色に塗装された塗装領域１８と，塗装されていない非塗装領域１９とによって構成される。塗装領域１８の塗装材は，リチウムイオン電池１００と同様である。すなわち，電池ケース１７は，電池ケース１７の円周方向に領域を二分し，その一方を高放熱性を有する塗装領域１８が占める。そして，図６に示した接合部位４２Ａ，４２Ｂは，塗装領域１８に覆われた範囲に位置する。

図６に示したリチウムイオン電池３００であっても，充電および放電を繰り返すと，接合部位４２Ａ，４２Ｂ付近での発熱が顕著になる。そこで，図７に示すように，リチウムイオン電池３００の電池ケース１８の一部を黒色塗装し，その塗装領域１８が接合部位４２Ａ，４２Ｂを覆うように構成する。すなわち，接合部位４２Ａ，４２Ｂを，高放熱性を有する塗装領域１８で覆う。これにより，リチウムイオン電池１００と同様に，温度ムラの低減が期待できる。

［応用形態（その３）］
リチウムイオン電池１００は，電池ケース１０の表面を黒色に塗装することで，放熱性が高い領域を形成しているが，放熱性を向上させる態様はこれに限るものではない。例えば，図８に示すように，放熱性を向上させたい領域１２の表面に溝８１を形成し，外気との接触面積を大きくする。これにより，溝８１が形成されていない領域１３と比較して放熱性が向上する。

なお，表面積を大きくする態様は，溝８１に限らず，例えば表面に突起を形成してもよい。また，図８に示したように，溝８１が形成された領域の表面に黒色塗装による黒色層１１を形成し，放熱性をさらに向上させてもよい。

［実験例］
続いて，電池ケース１０に塗装領域を有するリチウムイオン電池と，塗装領域を有しないリチウムイオン電池とについての，電池の寿命に関する実験結果について説明する。本実験では，塗装領域を有するリチウムイオン電池としてリチウムイオン電池２００（図４参照。「角型電池１」とする）を用意した。また，比較例として，電池ケース１０を塗装していないこと以外はリチウムイオン電池２００と同等のリチウムイオン電池（「角型電池２」とする）を用意した。

本実験では，角型電池１および角型電池２について，発電要素のうち，高さ方向の中心よりも上側（集電端子側）の領域Ｃと，中心よりも下側（ケース底側）の領域Ｄとの位置にそれぞれ熱電対を取り付けた。なお，領域Ｃは，角型電池１では塗装領域に覆われる範囲であり，角型電池２では非塗装領域に覆われる範囲となる。領域Ｄは，角型電池１，角型電池２ともに非塗装領域に覆われる範囲である。

そして，本実験では，中心のＳＯＣが６０％で，１０Ｃレートの電流で，１０秒の放電と，１０秒の充電とを繰り返すサイクルを１サイクルとし，３０サイクル後の領域Ｃと領域Ｄとの温度差を測定した。その結果を次の表１に示す。表１の結果から，角型電池１の方が，角型電池２よりも温度差が小さく，温度ムラが抑制されていることがわかる。

次に，熱電対を取り外した状態で，角型電池１および角型電池２の連続動作実験を行った。本実験では，中心のＳＯＣが６０％で，１０Ｃレートの電流で，１０秒の放電と，１０秒の充電とを繰り返すサイクルを１サイクルとし，１００サイクル毎に，２Ｃレートで，充電ＣＣＣＶ４．１Ｖ（０．２Ｃでテスト停止），放電３．０Ｖで容量確認を行った。そして，３０００サイクル後の容量維持率の結果を表２に示す。表２の結果から，電流が流れやすい部分の，電池ケースの放熱性を向上させた角型電池１は，角型電池２と比較して，サイクル特性，すなわち電池の寿命が向上していることがわかる。

以上詳細に説明したように実施の形態のリチウムイオン電池１００は，電池ケース１０の表面が，黒色に塗装された塗装領域１２と，塗装されていない非塗装領域１３とに二分されている。そして，発電要素６０のうち，各集電端子３１，３２との接合部位４０Ａ，４０Ｂを含む部位，すなわち電流が流れやすい部位が，非塗装領域１３よりも高放熱性を有する塗装領域１２に覆われている。そのため，各集電端子３１，３２との接合部位４０Ａ，４０Ｂに近接する領域に籠る熱がより積極的に電池ケース１０の外側に放出される。これにより，発電要素６０の温度が均一になり，発電要素６０全体が均一に使用される。そのため，リチウムイオン電池１００は，充放電サイクルの寿命向上が期待できる。

また，リチウムイオン電池１００は，接合部位４０Ａと接合部位４０Ｂとを結ぶ線分ＡＢが，発電要素６０の中心を通らないように，正極集電端子３１および負極集電端子３２が配置されている。すなわち，温度ムラを抑制する方法としては，正極集電端子３１と負極集電端子３２とを発電要素６０の中心を挟んで略点対称配置し，発電要素６０全体を効率良く利用することが考えられる。しかし，点対称配置に限定してしまうと，正極集電端子および負極集電端子の配置の自由度が狭くなってしまう。一方，リチウムイオン電池１００は，接合部位４０Ａと接合部位４０Ｂとを結ぶ線分ＡＢが発電要素６０の中心を通らない構成でも温度ムラを抑制する効果があり，正極集電端子３１および負極集電端子３２の配置の自由度は高い。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，リチウムイオン電池は，車載用に限らず，家電製品やパソコンに利用されるものであってもよい。また，電池はリチウムイオン電池に限るものではない。すなわち，ニッケル水素電池やニッカド電池等の二次電池でも本発明を適用できる。

また，正極集電端子３１および負極集電端子３２の配置は，これに限るものではない。すなわち，接合部位４０Ａ，４０Ｂが，電池ケース１０の塗装領域１２に覆われる範囲に位置すればよい。換言すると，電池ケース１０は，塗装領域１２と非塗装領域１３とに２分されている必要はなく，接合部位４０Ａ，４０Ｂを覆うことが可能な位置に塗装領域１２が配置されていればよい。

また，実施の形態のリチウムイオン電池では，外装部５０のうち，電池ケース１０にのみ黒色塗装しているが，封口蓋２０にも黒色塗装を施してもよい。

また，実施の形態のリチウムイオン電池では，電池ケース１０の表面に黒色塗装し，非塗装箇所との放熱性の差を生じさせているが，放熱性に差を持たせる態様としては，これに限るものではない。例えば，電池ケース１０の内側に，放熱性を低下させたい箇所に樹脂コートを施すことで，放熱性に差を持たせることができる。

１０ 電池ケース（ケース部材）
１２ 塗装領域（第２領域）
１３ 非塗装領域（第１領域）
３１ 正極集電端子
３２ 負極集電端子
４０Ａ 正極集電端子と発電要素との接合部位（接合部位Ａ）
４０Ｂ 負極集電端子と発電要素との接合部位（接合部位Ｂ）
６０ 発電要素
１００ リチウムイオン電池（二次電池）

Claims (5)

1. 発電要素と，
   前記発電要素を収容するケース部材と，
   前記発電要素と接合する正極集電端子および負極集電端子とを備え，
   前記ケース部材は，
   前記発電要素の一部を覆う第１領域と，
   前記発電要素の前記第１領域に覆われない部位を覆い，前記第１領域よりも放熱性が高い第２領域とを有し，
   前記正極集電端子と前記発電要素との接合部位である接合部位Ａと，前記負極集電端子と前記発電要素との接合部位である接合部位Ｂとが，前記第２領域に覆われる範囲に位置することを特徴とする二次電池。
2. 請求項１に記載する二次電池において，
   前記接合部位Ａと前記接合部位Ｂとを結ぶ線分ＡＢが，前記発電要素の中心を通らないように，前記正極集電端子および前記負極集電端子が配置されていることを特徴とする二次電池。
3. 請求項１または請求項２に記載する二次電池において，
   前記ケース部材の前記第２領域は，ケース外側の表面に黒色層を有することを特徴とする二次電池。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１つに記載する二次電池において，
   前記ケース部材の前記第２領域は，少なくともケース外側の表面に突起および溝の少なくとも一方が設けられていることを特徴とする二次電池。
5. 発電要素と，前記発電要素と接合する正極集電端子の一部と，前記発電要素と接合する負極集電端子の一部とを収容する二次電池用の電池ケースにおいて，
   前記発電要素の一部を覆う第１領域と，
   前記発電要素の前記第１領域に覆われない部位を覆い，前記第１領域よりも放熱性が高い第２領域とを有し，
   前記第２領域は，前記正極集電端子と前記発電要素との接合部位である接合部位Ａと，前記負極集電端子と前記発電要素との接合部位である接合部位Ｂとを覆うことを特徴とする電池ケース。

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