JP2014212060A - 密閉型電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工程数を増やすことなく初期充電時に発生するガスのガス抜きを行うことができる密閉型電池の製造方法を提供する。
【解決手段】注液孔３３より外装３０内に電解液Ｅを注液後に、注液孔３３より外装３０内にヘリウムＨｅを導入し、注液孔３３を封止する密閉型電池の製造方法であって、電解液Ｅを注液後に、注液孔３３をフィルム１２０によって仮封止する工程と、注液孔３３が仮封止された製造途中の電池１０を初期充電する工程と、フィルム１２０による注液孔３３の仮封止を解除しつつ、注液孔３３より外装３０内にヘリウムＨｅを導入する工程と、を行う。
【選択図】図６

Description

本発明は、外部に開口する開口部より電池容器内に電解液を注液後に、開口部より電池容器内に検知ガスを導入し、開口部を封止する密閉型電池の製造方法に関する。

従来から、密閉型電池の製造工程においては、電池容器内に水分が浸入して電池性能が劣化することを防ぐ等の目的で、電池容器の密閉性を検査している。
このとき、密閉型電池の製造工程においては、予め電池容器内に検知ガス（例えば、ヘリウム等）を導入し、前記検知ガスが電池容器から漏れているかどうかを確認する。
検知ガスを導入するための技術としては、例えば、特許文献１に開示される技術等がある。

特許文献１に開示される技術では、電解液ポットを介してヘリウム供給手段と接続される注液ノズルを電解液注液口に装着し、電池缶（電池容器）の外側から内側に向けてヘリウムを噴射して、電池缶内にヘリウムを導入する。

密閉型電池の製造工程では、電池を初期充電したときに電解液が分解すること等によって炭化水素ガス等のガスが発生する。密閉型電池の製造工程では、このような初期充電時に発生するガスの量が電池缶の耐圧要件を満足しない程度に多い場合等に、電池缶に溜まった初期充電時に発生するガスを抜く必要がある。
つまり、この場合、密閉型電池の製造工程では、電解液注液口を仮封止してから初期充電し、その後、電解液注液口の仮封止を解除して初期充電時に発生するガスを抜く。そして、密閉型電池の製造工程では、ヘリウムを導入し、電解液注液口を本封止する。

特許文献１に開示される技術は、開口している電池缶に外側からヘリウムを導入するものである。つまり、特許文献１に開示される技術は、電解液注液口を仮封止しない、あるいは、ヘリウム導入前に予め仮封止が解除されていることを想定している。
従って、初期充電時に発生するガスを抜くとともに、特許文献１に開示される技術を用いてヘリウムを導入する場合、電解液注液口を仮封止する工程、初期充電する工程、仮封止を解除する工程、およびヘリウムを導入する工程を順番に行う必要がある。

つまり、従来技術においては、密閉型電池を製造する工程を効率的に行うことできず、その結果、密閉型電池を製造するために行う工程数が多くなっていた。従って、従来技術では、密閉型電池を製造するために要するコストが増大していた。

特開２００２−１１７９０１号公報

本発明は、以上の如き状況を鑑みてなされたものであり、工程数を増やすことなく初期充電時に発生するガスのガス抜きを行うことができる密閉型電池の製造方法を提供するものである。

本発明に係る密閉型電池の製造方法は、外部に開口する開口部より電池容器内に電解液を注液後に、前記開口部より前記電池容器内に検知ガスを導入し、前記開口部を封止する密閉型電池の製造方法であって、前記電解液を注液後に、前記開口部を仮封止部材によって仮封止する工程と、前記開口部が仮封止された製造途中の前記密閉型電池を初期充電する工程と、前記仮封止部材による前記開口部の仮封止を解除しつつ、前記開口部より前記電池容器内に前記検知ガスを導入する工程と、を行う、ものである。

本発明に係る密閉型電池の製造方法において、前記検知ガスを導入する工程では、前記検知ガスを噴射可能な封入ノズルを仮封止したままの前記開口部に向けて移動させ、前記封入ノズルの前記開口部側の端部で前記仮封止部材を突き破りつつ、前記封入ノズルより前記検知ガスを噴射する、ものである。

本発明に係る密閉型電池の製造方法において、前記検知ガスを導入する工程では、前記封入ノズルとして、前記電池容器側の端部が尖った凸形状に形成される封入ノズルを用いる、ものである。

本発明は、工程数を増やすことなく初期充電時に発生するガスのガス抜きを行うことができる、という効果を奏する。

電池の全体的な構成を示す説明図。 電解液を注液してから電池を初期充電するまでの工程を示す説明図。 初期充電時に発生するガスを抜いてから外装の密閉性を検査するまでの工程を示す説明図。 封入ノズルの説明図。 封入ノズルを下降させる様子を示す説明図。 ヘリウムを導入している様子を示す説明図。 ヘリウム濃度を測定した結果を示す図。 独立して移動するガス抜き針および封入ノズルによって、初期充電時に発生するガスを抜きつつヘリウムを導入する様子を示す説明図。 封入ノズルの変形例を示す説明図。 封入ノズルの先端部の変形例を示す説明図。

以下では、本実施形態の密閉型電池の製造方法（以下、単に「製造方法」と表記する）について説明する。

まず、本発明に係る密閉型電池の実施形態である電池の概略構成について説明する。

本実施形態の電池１０は、密閉型のリチウムイオン二次電池である。なお、本発明が適用される対象はリチウムイオン二次電池に限定されるものではなく、ニッケル水素二次電池等の他の密閉型電池についても適用可能である。

図１に示すように、電池１０は、発電要素２０、外装３０、キャップ４０、および外部端子５０・５０を具備する。

発電要素２０は、正極、負極、およびセパレータを積層または巻回してなる電極体に電解液Ｅを浸透させたものである（図２参照）。電池１０の充放電時には、発電要素２０内で化学反応が起こる（厳密には、正極と負極との間で電解液Ｅを介したイオンの移動が起こる）ことによって電流の流れが発生する。

電池容器である外装３０は、収納部３１と蓋部３２とを有する角柱型缶である。

収納部３１は、一面が開口した有底角筒状の部材であり、内部に発電要素２０を収納する。

蓋部３２は、収納部３１の開口面に応じた形状を有する平板状の部材であり、収納部３１の開口面を塞いだ状態で収納部３１と接合される。蓋部３２において、後述するように外部端子５０・５０が挿通される箇所の間には、電解液Ｅを注液するための注液孔３３が形成される。

注液孔３３は、蓋部３２の板面を貫通する孔である。注液孔３３は、蓋部３２の外側と内側とで内径寸法が異なる平面視略円状の孔である。注液孔３３は、上側（外側）の内径が下側（内側）の内径よりも大径に形成され、上下中途部に段差部が形成される。
前記段差部には、電池１０の製造工程の中で平面視略円状のフィルム１２０が溶着される。フィルム１２０は、電池１０の製造工程の中で突き破られる。このため、完成した電池１０を示す図１において、フィルム１２０は、突き破られた状態となっている。

なお、本実施形態の電池は、外装が有底の角筒状に形成された角型電池に構成しているが、これに限るものではなく、例えば、外装が有底の円筒状に形成された円筒型電池に適用することも可能である。

キャップ４０は、注液孔３３を封止する略円板状の蓋体である。キャップ４０の下面は、フィルム１２０を外側から覆うような形状に形成される。キャップ４０の外径は、注液孔３３の上側の内径と略同一の寸法となっている。
キャップ４０は、注液孔３３の前記段差部に載置され、外周縁部がレーザー溶接されることで、蓋部３２と接合される。

外部端子５０・５０は、その一部が蓋部３２の外側面から電池１０の上方（外方）に突出した状態で配置される。外部端子５０・５０は、集電端子５１・５１を介して発電要素２０の正極または負極に電気的に接続される。外部端子５０・５０は、その外周面部に固定部材３４が嵌装されることにより、絶縁部材５２・５３を間に介して蓋部３２に対して絶縁状態で固定される。外部端子５０・５０および集電端子５１・５１は、発電要素２０に蓄えられる電力を外部に取り出す、若しくは、外部からの電力を発電要素２０に取り入れる通電経路として機能する。
集電端子５１・５１は、発電要素２０の正極板、負極板と接続されている。集電端子５１・５１の材料としては、例えば正極側にアルミニウム、負極側に銅を採用することができる。

外部端子５０・５０には、電池１０の外方側に突出する部位にねじ転造によりねじ加工が施され、ボルト部が形成される。電池１０の実使用時には、このボルト部を用いて外部端子５０・５０にバスバー、外部装置の接続端子等が締結固定される。
締結固定する際、外部端子５０・５０には締結トルクがかかるとともに、ねじ締結によって軸方向へ外力が付与される。このため、外部端子５０・５０の材料としては、鉄等の高強度材料を採用することが好ましい。

次に、本実施形態の製造方法について説明する。

まず、製造方法では、ダイコーダ等の塗工機を用いて集電体（正極集電体および負極集電体）の表面に合剤（正極合剤および負極合剤）を塗工した後、合剤を乾燥させる。
次に、製造方法では、集電体の表面上の合剤に対してプレス加工を施すことで、集電体の表面に合剤層（正極合剤層および負極合剤層）を形成する。

製造方法では、このような工程を経て作製される正極および負極と、セパレータとを積層または巻回して電極体を生成する。そして、製造方法では、外装３０の蓋部３２に一体化された外部端子５０・５０および集電端子５１・５１等を電極体に接続し、外装３０の収納部３１に電極体を収納する。その後、製造方法では、外装３０の収納部３１と蓋部３２とを溶接によって接合して封缶する。

外装３０を封缶した時点において、注液孔３３は、キャップ４０またはフィルム１２０によって封止されていない状態である（図２の左上に示す注液孔３３参照）。
従って、この時点において、注液孔３３は、外部に開口している。つまり、本実施形態の注液孔３３は、本発明に係る外部に開口する開口部に対応する。

図２に示すように、外装３０を封缶した後で、製造方法は、注液孔３３より外装３０内に電解液Ｅを注液する（図２に示す矢印Ｅ参照）。
このとき、製造方法は、例えば、外装３０をチャンバー１１０内に収納するとともに、所定の注液ユニットを外装３０にセットして、チャンバー１１０内を真空引きする。その後、製造方法では、チャンバー１１０内に大気を導入してチャンバー１１０内を大気圧に戻す。製造方法は、このときの差圧を利用して、電解液Ｅを外装３０に注液する。

なお、電解液を注液するための手順は、本実施形態に限定されるものでない。製造方法は、例えば、大気雰囲気下で注液孔に注液ノズルを装着し、注液ノズルに向けて電解液を圧送して外装内に電解液を注液しても構わない。

電解液Ｅを外装３０内に注液した後で、製造方法では、注液孔３３を仮封止（つまり、一時的に封止）する。
このとき、製造方法では、例えば、樹脂によって構成される薄いフィルム１２０を、注液孔３３の前記段差部に載置して、注液孔３３の下側を覆う。そして、製造方法では、レーザー溶接機によってフィルム１２０の外周縁部に沿ってレーザーを照射して、蓋部３２にフィルム１２０を溶着する（図２に黒塗りで示す三角形および図４に示すフィルム１２０参照）。

このように、製造方法では、電解液Ｅを注液後に、注液孔３３をフィルム１２０によって仮封止する工程を行う。
つまり、本実施形態のフィルム１２０は、本発明に係る仮封止部材に対応する。

なお、注液孔を仮封止する工程の手順は、本実施形態に限定されるものでない。例えば、製造方法は、注液孔の前記段差部に接着剤を塗布して、前記段差部にフィルムを貼り付けても構わない。

注液孔３３を仮封止した後で、製造方法では、製造途中の電池１０に対して初期充電する工程を行う。
このとき、製造方法では、外装３０を拘束治具によって拘束し、外装３０の厚み方向（図２における紙面奥側に向かう方向）に沿って、外装３０に対して所定の大きさの荷重を付与する。そして、製造方法では、電源装置１３０の電極を外部端子５０・５０に接続し、電池１０を初期充電する。

拘束時および初期充電時には、外装３０に注液された電解液Ｅが分解する等して、外装３０内に炭化水素ガス等の初期充電時に発生するガスＨＣ（図４参照）が発生する。
従って、拘束時および初期充電時には、仮封止された外装３０の内部に初期充電時に発生するガスＨＣが溜まり、外装３０の内圧が上昇する（図２に白塗りで示す矢印参照）。

このため、図３に示すように、製造方法では、フィルム１２０を外側から突き破って注液孔３３を外部に開放し、外装３０に溜まった初期充電時に発生するガスＨＣを抜く。これにより、製造方法では、外装３０の内圧を下げる（図３に白塗りで示す矢印および二点鎖線で示す外装３０参照）。
製造方法では、このような外部に開放した注液孔３３より外装３０内にヘリウムＨｅを導入する工程を行う（図３に示す矢印Ｈ参照）。

本実施形態の製造方法では、ヘリウムＨｅを導入する工程の中で、初期充電時に発生するガスＨＣのガス抜きを行う。
ヘリウムＨｅを導入する工程の具体的な手順については後で詳述する。

外装３０内にヘリウムＨｅを導入した後で、製造方法では、注液孔３３をキャップ４０によって本封止する。
このとき、製造方法では、キャップ４０を注液孔３３の前記段差部に載置して、レーザー溶接機によってキャップ４０の外縁部に沿ってレーザーを照射し、注液孔３３を封止する（図３に示す黒塗りの三角形参照）。

注液孔３３を封止した後で、製造方法では、外装３０内に導入されたヘリウムＨｅの漏れ（つまり、外装３０の密閉性）を検査する。
このとき、製造方法では、チャンバー１５０内に外装３０を収納し、チャンバー１５０内を真空引きする。その後、製造方法では、単位時間当たりに外装３０内から漏れるヘリウムＨｅの量を、市販のヘリウムリーク検査器を用いて確認する。

そして、製造方法では、ヘリウムリーク検査器の出力値に基づいて外装３０に漏れがあるかを判断する。
具体的には、製造方法では、ヘリウムリーク検査器の出力値が検査閾値よりも小さくなった場合に外装３０に漏れがないと判断し、ヘリウムリーク検査器の出力値が検査閾値以上となった場合に外装３０に漏れがあると判断する。

このように、本実施形態において、外装３０の漏れを判断するための検知ガスは、ヘリウムＨｅである。

なお、検知ガスは、本実施形態のようなヘリウムに限定されるものでないが、ヘリウムを採用することが好ましい。これは、ヘリウムを採用することで、電池性能に影響を与えることを防止できること、および分子直径が小さく微細な孔からの漏れを検出可能となること等、他の検知ガスと比較して電池の製造工程において有利な効果を得ることができるからである。
また、製造方法は、ヘリウムを導入するときに、ヘリウムとヘリウム以外のガスとを混合した混合ガスを導入しても構わない。

外装３０からのヘリウムＨｅの漏れを検査した後で、製造方法では、電圧の検査を行って、前記拘束治具による外装３０の拘束を解除する。
製造方法は、このようにして密閉型の電池１０を製造する。

次に、ヘリウムＨｅを導入する工程の手順について説明する。

なお、以下において、外装３０は、注液孔３３が仮封止された状態であるとともに、拘束時および初期充電時に発生する初期充電時に発生するガスＨＣによって内圧が上昇した状態であるものとする（図４参照）。

製造方法では、図４に示すような封入ノズル１４０を用いてヘリウムＨｅを導入する工程を行う。

図４に示すように、封入ノズル１４０の先端部１４１（下端部）は、下方向に向かうにつれて外径が徐々に小さくなるような（封入ノズル１４０の中心部に向けて収束した）、下に凸の尖った凸形状に形成される。
封入ノズル１４０は、先端部１４１よりも上方の側面、つまり、外径が一定となっている部分の側面に、外部に開口する噴射口が形成される。
封入ノズル１４０は、注液孔３３の上方に配置され、配管およびポンプ等を介して所定のヘリウム供給源と接続される。これにより、封入ノズル１４０は、ヘリウムＨｅを噴射可能に構成される。

封入ノズル１４０は、例えば、シリンダ等に連結されることにより昇降可能に構成される。

製造方法では、このような封入ノズル１４０を用いて、以下のような手順でヘリウムＨｅを導入する工程を行う。

まず、図５に示すように、製造方法では、封入ノズル１４０を下降させ、封入ノズル１４０を外装３０に接近させる（図５の上側に白塗りで示す矢印参照）。
このとき、注液孔３３は、フィルム１２０によって仮封止されたままの状態、すなわち、フィルム１２０で覆われている状態である。

つまり、製造方法では、封入ノズル１４０を下降させることにより、フィルム１２０に封入ノズル１４０の先端部１４１を当接させる。
製造方法では、当接後も封入ノズル１４０の下降動作を継続して行う（図５の下側に白塗りで示す矢印参照）。

前述のように、封入ノズル１４０は、先端部１４１が尖った下に凸の凸形状に形成されている。つまり、図６に示すように、封入ノズル１４０は、下降動作によってフィルム１２０を突き破ることとなる。
これにより、本実施形態の製造方法では、外装３０の仮封止を解除する。

外装３０の仮封止を解除した後も、製造方法では、封入ノズル１４０の下降動作を継続して行う（図６に白塗りで示す矢印参照）。
そして、製造方法では、発電要素２０の上方、かつ、フィルム１２０の下方に封入ノズル１４０の先端部１４１および前記噴射口が位置したときに、封入ノズル１４０の下降動作を停止する。

封入ノズル１４０の下降動作を停止した後で、製造方法では、封入ノズル１４０の噴射口より一定時間ヘリウムＨｅの噴射を行って、外装３０内にヘリウムＨｅを導入する（図６に示す矢印Ｈ参照）。

フィルム１２０を突き破ってからヘリウムＨｅを導入している間、外装３０の内部に溜まった初期充電時に発生するガスＨＣは、外装３０内と外部との圧力差によって注液孔３３より外部に排出される。
製造方法では、このようにして初期充電時に発生するガスＨＣのガス抜きと、ヘリウムＨｅの導入とを同時に行う。

封入ノズル１４０によるヘリウムＨｅの噴射を行った後で、製造方法では、封入ノズル１４０を上昇させてヘリウム導入前の高さ位置に戻す。

このように、本実施形態の製造方法では、封入ノズル１４０の下降動作、つまり、ヘリウムＨｅを導入するための一連の動作の中で、注液孔３３の仮封止を解除して、外装３０内にヘリウムＨｅを導入する。

つまり、初期充電時に発生するガスＨＣを抜くために注液孔３３を仮封止した場合、従来技術においては、予め仮封止を解除しなければヘリウムＨｅを導入できないが、本実施形態の製造方法では、注液孔３３を仮封止したままでも、ヘリウムＨｅを導入できる。
すなわち、製造方法では、注液孔３３の仮封止の解除とヘリウムＨｅの導入とを一つの工程で（同時に）行うことができる。

これによれば、製造方法は、外装３０に溜まった初期充電時に発生するガスＨＣを抜くための工程を別途行うことなく、初期充電時に発生するガスＨＣによる外装３０の内圧上昇を抑制できる。
従って、製造方法は、工程数を増やすことなく初期充電時に発生するガスＨＣのガス抜きを行うことができる。このため、製造方法は、電池１０を製造するために要するコストを低減できる。

このように、製造方法は、フィルム１２０による注液孔３３の仮封止を解除しつつ、外装３０内にヘリウムＨｅを導入する工程を行う。

なお、ヘリウムを導入する工程の手順は、本実施形態に限定されるものでない。製造方法は、例えば、図８に示すように、独立して昇降可能であるとともに、先端部が平らな封入ノズル２４０および先端部が尖ったガス抜き針２４１を用いて、ヘリウムＨｅを導入する工程を行っても構わない。
この場合、製造方法は、例えば、ガス抜き針２４１を下降させてフィルム１２０を突き破りつつ、封入ノズル２４０を下降させて注液孔３３より外装３０内に進入させ、封入ノズル２４０が外装３０内に進入した後は、封入ノズル２４０よりヘリウムＨｅを噴射するとともに、ガス抜き針２４１を上昇させる。

次に、本実施形態の製造方法を用いてヘリウムＨｅを導入した結果について説明する。

測定では、封入ノズル１４０によってフィルム１２０を突き破り、封入ノズル１４０よりヘリウムＨｅを噴射してヘリウムＨｅを導入した（図６参照）。
測定では、ヘリウム濃度測定器を用いてヘリウム導入後の外装３０内のヘリウム濃度を測定した。
測定では、このようなヘリウム濃度の測定を複数回行った。

図７に示すように、外装３０内のヘリウム濃度は、リーク検査工程を行うために必要なヘリウム濃度（図７に示す点線Ｌのヘリウム濃度）を大きく上回る濃度となった。

以上より、本実施形態の製造方法は、注液孔３３の仮封止を解除しつつ、ヘリウムＨｅを導入した場合でも、外装３０の密閉性を確実に検査できる程度に、ヘリウムＨｅを高濃度に導入できていることが確認できた。

前述のように、本実施形態の製造方法は、先端部１４１（つまり、外装３０側の端部）が尖った下に凸の凸形状に形成される封入ノズル１４０の下降動作によって、フィルム１２０を突き破っている（図６参照）。

これによれば、製造方法は、注液孔３３の仮封止を解除するためだけの動作を独立して行うことなく、つまり、ヘリウムＨｅを導入するための動作の中で、注液孔３３の仮封止を解除できる。

従って、製造方法は、工程数を増やすことなく初期充電時に発生するガスＨＣのガス抜きを行うことができるだけでなく、初期充電時に発生するガスＨＣのガス抜きとヘリウムＨｅの導入とを効率的に行うことができる。
つまり、製造方法は、初期充電時に発生するガスＨＣのガス抜きとヘリウムＨｅの導入とを行う時間を短縮できる。

このように、製造方法において、ヘリウムＨｅを導入する工程では、封入ノズル１４０を仮封止したままの注液孔３３に向けて移動させ、封入ノズル１４０の先端部１４１でフィルム１２０を突き破りつつ、封入ノズル１４０よりヘリウムＨｅを噴射する。

なお、製造方法は、封入ノズルの下降動作でフィルムを突き破ることができればよく、例えば、図９に示すように、平らな先端部より突出するようにガス抜き針３４１が取り付けられた封入ノズル３４０を用いても構わない。
この場合、本発明に係る封入ノズルの開口部側の端部は、ガス抜き針３４１の先端部となる。

また、製造方法は、本実施形態のような先端部１４１が尖った凸形状に形成される封入ノズル１４０を用いることにより、図９に示すようなガス抜き針３４１が取り付けられる封入ノズル３４０を用いた場合と比較して、ヘリウムＨｅを導入するための加工費をより低減させることができる。

つまり、製造方法は、本実施形態のような先端部１４１が尖った凸形状に形成される封入ノズル１４０を用いることにより、電池１０を製造するために要するコストをより低減できる。

なお、先端部が尖った凸形状の封入ノズルは、本実施形態に限定されるものでない。例えば、先端部が尖った凸形状の封入ノズルは、図１０に示すような、先端部４４１の径方向一端部が径方向他端部よりも突出するように尖った下に凸の凸形状、つまり、平らな先端部を斜めに切断したような形状の封入ノズル４４０であっても構わない。

なお、フィルムの構成は、本実施形態に限定されるものでない。フィルムは、ヘリウムを導入する工程を行うときに外部からの力で破られればよく、例えば、金属箔であっても構わない。また、フィルムは、樹脂、金属箔、およびこれらの組み合わせを複数枚積層して貼り合わせたものであっても構わない。

１０ 電池（密閉型電池）
３０ 外装（電池容器）
３３ 注液孔（開口部）
１２０ フィルム（仮封止部材）
１４０ 封入ノズル
１４１ 先端部
Ｅ 電解液
Ｈｅ ヘリウム（検知ガス）

Claims (3)

1. 外部に開口する開口部より電池容器内に電解液を注液後に、前記開口部より前記電池容器内に検知ガスを導入し、前記開口部を封止する密閉型電池の製造方法であって、
   前記電解液を注液後に、前記開口部を仮封止部材によって仮封止する工程と、
   前記開口部が仮封止された製造途中の前記密閉型電池を初期充電する工程と、
   前記仮封止部材による前記開口部の仮封止を解除しつつ、前記開口部より前記電池容器内に前記検知ガスを導入する工程と、
   を行う、
   密閉型電池の製造方法。
2. 前記検知ガスを導入する工程では、
   前記検知ガスを噴射可能な封入ノズルを仮封止したままの前記開口部に向けて移動させ、前記封入ノズルの前記開口部側の端部で前記仮封止部材を突き破りつつ、前記封入ノズルより前記検知ガスを噴射する、
   請求項１に記載の密閉型電池の製造方法。
3. 前記検知ガスを導入する工程では、
   前記封入ノズルとして、前記電池容器側の端部が尖った凸形状に形成される封入ノズルを用いる、
   請求項２に記載の密閉型電池の製造方法。

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