JP2018018663A - 電気化学セル及び電気化学セルの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このような電気化学セルにおいては、電池容量並びに充電電流及び放電電流を大きくする観点から、電気化学セル内で対向している電極同士の面積を大きくすることが必要である。電気化学セルの製造方法としては、一対の帯状の電極を帯状のセパレータを介して対向させてケースに収め、電解液を電極及びセパレータに含浸させる方法が知られている。例えば、帯状の電極及び帯状のセパレータを、巻回した後に筒状又はコイン状のケースに収容したり、扁平状に変形させた後にラミネートフィルムに収容したりしている。
近年、ウエアブル機器の薄型化の要求に対応して、帯状の電極及び帯状のセパレータをつづら折り形状とした構成も検討されている。例えば、特許文献1では、帯状のカソードをセパレータ袋体に収容して帯状のカソード構造体とし、帯状のカソード構造体と帯状のアノードとを直交方向に交互につづら折りする技術が提案されている。
[電池]
図1に示すように、電池1は、平面視円形をなしている。図2を併せて参照し、電池1は、積層体2と、積層体2に含浸される不図示の電解質溶液と、積層体2を収容する外装体10と、を備えている。
図3に示すように、積層体2は、帯状の重ね合わせ体3がつづら折り形状に折り畳まれたものである。言い換えると、積層体2は、つづら折り形状に折り畳まれた正極構造体4と、正極構造体4と互い違いに積層するようにつづら折り形状に折り畳まれた負極電極7と、を備えている。
重ね合わせ体3は、帯状をなしている。具体的に、図4に示す重ね合わせ体3の展開状態において、重ね合わせ体3は、正極構造体4と負極電極7とが一方向に互い違いに重なるように重ね合わされた帯状とされている。重ね合わせ体3は、構造体本体4aと負極本体7aとが一方向に互い違いに重なるように、正極構造体4と負極電極7とが重ね合わされて構成されている。すなわち、図4及び図6を併せて参照し、正極電極5と負極電極7とは、セパレータ6を介して、正極本体5aと負極本体7aとが一方向に互い違いに重なるように重ね合わされた帯状の重ね合わせ体3とされている。
図5に示すように、正極構造体4は、正極電極5と、正極電極5を覆うセパレータ6と、を備えている。正極構造体4は、正極電極5とセパレータ6とを一体化したものである。正極構造体4の外形は、負極電極7の外形と実質的に同じ大きさである。
構造体本体接続部4bは、正極構造体4の幅方向で、一方側にずれている。すなわち、構造体本体接続部4bは、正極構造体4の展開状態において、平面視で構造体軸線4Lを避けた位置に配置されている。
正極電極5は、帯状をなしている。具体的に、図6に示す正極構造体4の展開状態において、正極電極5は、一方向に並んで配置された複数(例えば本実施形態では8つ)の正極本体5aと、隣り合う2つの正極本体5aを接続する正極本体接続部5bと、を備えている。
正極本体接続部5bは、正極電極5の幅方向で一方側にずれている。すなわち、正極本体接続部5bは、正極構造体4の展開状態において、平面視で正極軸線5Lを避けた位置に配置されている。
セパレータ6は、帯状をなしている。具体的に、図6に示す正極構造体4の展開状態において、セパレータ6は、一方向に並んで配置された複数(例えば本実施形態では8つ)のセパレータ本体6aと、隣り合う2つのセパレータ本体6aを接続するセパレータ本体接続部6bと、を備えている。セパレータ6は、正極電極5と負極電極7との間に配置されている。
セパレータ本体接続部6bは、セパレータ6の幅方向で一方側にずれている。すなわち、セパレータ本体接続部6bは、正極構造体4の展開状態において、平面視でセパレータ軸線6Lを避けた位置に配置されている。
負極電極7は、帯状をなしている。具体的に、図7に示す負極電極7の展開状態において、一方向に並んで配置された複数(例えば本実施形態では8つ)の負極本体7aと、隣り合う2つの負極本体7aを接続する負極本体接続部7bと、を備えている。
負極本体接続部7bは、負極電極7の幅方向で一方側にずれている。すなわち、負極本体接続部7bは、負極電極7の展開状態において、平面視で負極軸線7Lを避けた位置に配置されている。
図1及び図2を併せて参照し、外装体10は、正極缶体11と、負極缶体12と、正極缶体11と負極缶体12との間を電気的に絶縁するガスケット13と、を備えている。
正極缶体11及び負極缶体12は、有底円筒状をなしている。正極缶体11の内径は、負極缶体12の外径よりも大きい。負極缶体12の筒状部が正極缶体11に挿入された状態で、積層体2は、負極缶体12の底面と正極缶体11の底面との間に挟まれている。
次に、上述した電池1の製造方法の一例について説明する。
図8に示すように、電池1の製造方法は、正極電極5を所定形状に加工する電極加工工程S1と、正極電極5をセパレータ6で覆う電極被覆工程S2と、正極電極5をセパレータ6と一体化した帯状の正極構造体4とする正極構造体形成工程S3と、正極構造体4と負極電極7とを重ね合わせて帯状の重ね合わせ体3とする重ね合わせ体形成工程S4と、重ね合わせ体3をつづら折り形状に折り畳むつづら折り工程S5と、を含む。
そして、正極集電体30の両面に正極用スラリーを塗布する。その後、正極用スラリーを乾燥させる。これにより、正極集電体30の両面に正極活物質層32を形成して正極用シートを得る。そして、正極用シートをスリッター等で上述した帯状に切り出して正極電極5を得る(電極加工工程S1)。
一方、負極集電体20の両面に負極用スラリーを塗布する。その後、負極用スラリーを乾燥させる。これにより、負極集電体20の両面に負極活物質層22を形成して負極用シートを得る。そして、負極用シートをスリッター等で上述した帯状に切り出して負極電極7を得る。
なお、電極加工工程S1では(すなわち、電極被覆工程S2の前)、正極電極5の外形を、負極電極7の外形よりも小さくする。
次に、重ね合わせ体3の接続部を折り曲げ部T2に沿って矢印の方向V2(すなわち、矢印の方向V1とは反対方向)に折り曲げる。
次に、重ね合わせ体3の接続部を折り曲げ部T3に沿って矢印の方向V3(すなわち、矢印の方向V2とは反対方向)に折り曲げる。
次に、重ね合わせ体3の接続部を折り曲げ部T4に沿って矢印の方向V4(すなわち、矢印の方向V3とは反対方向)に折り曲げる。
次に、重ね合わせ体3の接続部を折り曲げ部T5に沿って矢印の方向V5(すなわち、矢印の方向V4とは反対方向)に折り曲げる。
次に、重ね合わせ体3の接続部を折り曲げ部T6に沿って矢印の方向V6(すなわち、矢印の方向V5とは反対方向)に折り曲げる。
次に、重ね合わせ体3の接続部を折り曲げ部T7に沿って矢印の方向V7(すなわち、矢印の方向V6とは反対方向)に折り曲げる。
このように、重ね合わせ体3の接続部を、構造体本体4aと負極本体7aとが積層方向(積層体2の厚み方向)に互い違いに重なるように折り曲げていく。このようにつづら折りすることにより、上述した積層体2(図3参照)を得る。
これに対し、本実施形態によれば、正極電極5の外形が負極電極7の外形よりも小さいため、正極電極5が対向する部分に負極電極7の端部が存在することをより確実に回避することができる。したがって、短絡及び電池容量の低下を回避して電池1の信頼性をより一層高めることができる。
図13は、第2実施形態に係る重ね合わせ体203の展開状態を示す平面図であり、図4に相当する図である。
第2実施形態は、構造体本体接続部204bがスリット207cに挿通されている点で第1実施形態と異なる。なお、第2実施形態においては、第1実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付しその説明を省略する。
図13に示すように、重ね合わせ体203の展開状態において、重ね合わせ体203は、構造体本体204aと負極本体207aとが一方向に互い違いに重なるように、構造体本体接続部204bがスリット207cに挿通されて構成されている。
なお、「正極本体」は、正極電極205のうち図13の平面視で負極本体207aと重なる部分である。「正極本体接続部」は、正極電極205のうち図13の平面視でスリット207cと重なる部分である。
図14に示すように、正極構造体204は、正極電極205と、正極電極205を覆うセパレータ206と、を備えている。正極構造体204は、平面視で一方向に延びる帯状をなしている。
なお、「構造体本体204a」は、正極構造体204のうち図13の平面視で負極本体207aと重なる部分である。「構造体本体接続部204b」は、正極構造体204のうち図13の平面視でスリット207cと重なる部分である。
構造体本体接続部204bは、正極構造体204の展開状態において、平面視で構造体軸線4Lと重なる位置に配置されている。
正極電極205は、図14の平面視で一方向に延びる長方形の帯状をなしている。
セパレータ206は、図14の平面視で一方向に延びる長方形の帯状をなしている。セパレータ206の長手方向の長さは、正極電極205の長手方向の長さよりも短い。すなわち、セパレータ206の長手方向の長さは、正極電極205の延出部231を露出させる程度の長さとなっている。
負極電極207は、一方向に延びる帯状をなしている。具体的に、図15に示す負極電極207の展開状態において、負極電極207は、一方向に並んで配置された複数(例えば本実施形態では8つ)の負極本体207aと、隣り合う2つの負極本体207aを接続する負極本体接続部207bと、を備えている。なお、図中符号221は、負極電極207の延出部である。
負極本体接続部207bには、負極本体接続部207bの幅方向(すなわち、負極電極207の幅方向)に長手を有するスリット207cが形成されている。
図16は、第2実施形態に係る電池の製造方法を示す工程図である。
第2実施形態は、重ね合わせ体形成工程において構造体本体接続部204bをスリット207cに挿通する点で第1実施形態と異なる。
以下、第2実施形態に係る電池の製造方法の一例について説明する。なお、第2実施形態においては、第1実施形態における製造工程と同一の工程については説明を省略する。
図17は、第3実施形態に係る重ね合わせ体303の展開状態を示す平面図であり、図4に相当する図である。
第3実施形態は、構造体側切欠き304cに負極側切欠き非形成部307dが入り込み、かつ負極側切欠き307cに構造体側切欠き非形成部304dが入り込んでいる点で第1実施形態と異なる。なお、第3実施形態においては、第1実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付しその説明を省略する。
図17に示すように、重ね合わせ体303の展開状態において、重ね合わせ体303は、構造体本体304aと負極本体307aとが一方向に互い違いに重なるように、構造体側切欠き304cに負極側切欠き非形成部307dが入り込み、かつ負極側切欠き307cに構造体側切欠き非形成部304dが入り込んで構成されている。
なお、「正極本体」は、正極電極305のうち図17の平面視で負極本体307aと重なる部分である。「正極本体接続部」は、隣り合う2つの正極本体を接続する部分である。「正極側切欠き」は、正極本体接続部のうち図17の平面視で構造体側切欠き304cと重なる部分である。「正極側切欠き非形成部」は、正極本体接続部のうち平面視で構造体側切欠き非形成部304dと重なる部分である。
図18に示すように、正極構造体304は、正極電極305と、正極電極305を覆うセパレータ306と、を備えている。正極構造体304は、平面視で一方向に延びる帯状をなしている。具体的に、正極構造体304の展開状態において、正極構造体304は、一方向に並んで配置された複数(例えば本実施形態では8つ)の構造体本体304aと、隣り合う2つの構造体本体304aを接続する構造体本体接続部304bと、を備えている。
正極電極305は、図18の平面視で一方向に延びる帯状をなしている。
セパレータ306は、図18の平面視で一方向に延びる帯状をなしている。セパレータ306の長手方向の長さは、正極電極305の長手方向の長さよりも短い。すなわち、セパレータ306の長手方向の長さは、正極電極305の延出部331を露出させる程度の長さとなっている。
負極電極307は、一方向に延びる帯状をなしている。具体的に、図19に示す負極電極307の展開状態において、負極電極307は、一方向に並んで配置された複数(例えば本実施形態では8つ)の負極本体307aと、隣り合う2つの負極本体307aを接続する負極本体接続部307bと、を備えている。なお、図中符号321は、負極電極307の延出部である。
図20は、第3実施形態に係る電池の製造方法を示す工程図である。
第3実施形態は、重ね合わせ体形成工程において、構造体側切欠き304cに負極側切欠き非形成部307dを入り込ませ、かつ負極側切欠き307cに構造体側切欠き非形成部304dを入り込ませる点で第1実施形態と異なる。
以下、第3実施形態に係る電池の製造方法の一例について説明する。なお、第3実施形態においては、第1実施形態における製造工程と同一の工程については説明を省略する。
加えて、正極電極がセパレータと別体にされている場合と比較して、正極電極の位置がずれることをより効果的に抑制することができる。したがって、正極本体と負極本体との位置がずれることをより効果的に抑制することができる。
ところで、リチウムイオン二次電池の充電時においては、正極電極から負極電極に向けてリチウムイオンが移動している状態にある。このとき、正極電極が対向する部分に負極電極の端部が存在すると、正極電極から移動してきたリチウムイオンがエッジ効果によって負極電極の端部に集中する。そのため、本来であれば負極活物質に吸収されるリチウムイオンが負極電極の端部に針状のリチウム金属(以下「リチウムデンドライト」という。
)として析出する可能性がある。このリチウムデンドライトは、セパレータを突き抜けて負極電極と正極電極とを短絡させる可能性がある。また、リチウムデンドライトが欠落して負極電極から電気接続が切れることにより、電池容量を低下させる可能性がある。その結果、電池の信頼性を低下させる可能性がある。ここで、帯状の電極(正極電極)をセパレータ袋体に収容する構成では、正極電極と負極電極との重ね合わせ作業時においてセパレータ袋体の側で位置決めする必要がある。そのため、セパレータ袋体の中の正極電極がずれてしまうと、前記重ね合わせ作業時において正極電極が対向する部分に負極電極の端部が存在する可能性が高くなる。仮に、負極電極の外形が正極電極の外形よりも小さいと、正極電極が対向する部分に負極電極の端部が存在することになる。これに対し、この構成によれば、正極電極の外形が負極電極の外形よりも小さいため、正極電極が対向する部分に負極電極の端部が存在することをより確実に回避することができる。したがって、短絡及び電池容量の低下を回避して電池の信頼性をより一層高めることができる。
加えて、正極構造体の外形が負極電極の外形と異なる大きさである場合と比較して、正極構造体と負極電極との位置合わせがし易くなるため、正極本体と負極本体との位置がずれることを容易に抑制することができる。加えて、正極電極が対向する部分に負極電極の端部が存在することをより確実に回避することができる。加えて、正極構造体と負極電極とのつづら折りも容易となる。
加えて、正極電極をセパレータと別体にした場合と比較して、正極電極の位置がずれることをより効果的に抑制することができる。したがって、正極本体と負極本体との位置がずれることをより効果的に抑制することができる。
加えて、正極電極の外形が負極電極の外形よりも小さいため、正極電極が対向する部分に負極電極の端部が存在することをより確実に回避することができる。したがって、短絡及び電池容量の低下を回避して電池の信頼性をより一層高めることができる。
加えて、正極構造体の外形を負極電極の外形と異なる大きさとした場合と比較して、正極構造体と負極電極との位置合わせがし易くなるため、正極本体と負極本体との位置がずれることを容易に抑制することができる。加えて、正極電極が対向する部分に負極電極の端部が存在することをより確実に回避することができる。加えて、正極構造体と負極電極とのつづら折りも容易となる。
そして、正極構造体シート4Aをスリッター等で上述した帯状に切り出して図6に示す正極構造体4を得る。
Claims (23)
- 一方向に並んで配置された複数の正極本体と、隣り合う2つの前記正極本体を接続する正極本体接続部と、を有する帯状の正極電極と、
前記一方向に並んで配置された複数の負極本体と、隣り合う2つの前記負極本体を接続する負極本体接続部と、を有する帯状の負極電極と、
前記正極電極と前記負極電極との間に配置されたセパレータと、を備え、
前記正極電極と前記負極電極とは、前記セパレータを介して、前記正極本体と前記負極本体とが前記一方向に互い違いに重なるように重ね合わされた帯状の重ね合わせ体とされていることを特徴とする電気化学セル。 - 前記正極本体接続部と前記負極本体接続部とは、前記重ね合わせ体の幅方向で互いに反対方向にずれていることを特徴とする請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記正極電極は、前記セパレータと一体化した帯状の正極構造体とされていることを特徴とする請求項1又は2に記載の電気化学セル。
- 前記正極電極の外形は、前記負極電極の外形よりも小さいことを特徴とする請求項3に記載の電気化学セル。
- 前記正極構造体の外形は、前記負極電極の外形と同じ大きさであることを特徴とする請求項4に記載の電気化学セル。
- 前記正極構造体は、前記一方向に並んで配置された複数の構造体本体と、隣り合う2つの前記構造体本体を接続する構造体本体接続部と、を備え、
前記重ね合わせ体は、前記構造体本体と前記負極本体とが前記一方向に互い違いに重なるように、前記正極構造体と前記負極電極とが重ね合わされて構成され、
前記構造体本体の外形は、前記負極本体の外形と同じ大きさの円形状をなしていることを特徴とする請求項5に記載の電気化学セル。 - 前記正極本体接続部又は前記負極本体接続部の何れか一方には、前記一方の幅方向に長手を有するスリットが形成され、
前記重ね合わせ体は、前記正極本体と前記負極本体とが前記一方向に互い違いに重なるように、前記正極本体接続部又は前記負極本体接続部の何れか他方が前記スリットに挿通されて構成されていることを特徴とする請求項1に記載の電気化学セル。 - 前記スリットは、前記負極本体接続部に形成され、
前記正極電極は、前記セパレータと一体化した帯状の正極構造体とされ、
前記正極構造体は、前記一方向に並んで配置された複数の構造体本体と、隣り合う2つの前記構造体本体を接続する構造体本体接続部と、を備え、
前記重ね合わせ体は、前記構造体本体と前記負極本体とが前記一方向に互い違いに重なるように、前記構造体本体接続部が前記スリットに挿通されて構成されていることを特徴とする請求項7に記載の電気化学セル。 - 前記正極本体接続部の幅方向の一方側には正極側切欠きが形成され、前記正極本体接続部の幅方向の他方側には正極側切欠き非形成部が設けられ、
前記負極本体接続部の幅方向の一方側には負極側切欠きが形成され、前記負極本体接続部の幅方向の他方側には負極側切欠き非形成部が設けられ、
前記重ね合わせ体は、前記正極本体と前記負極本体とが前記一方向に互い違いに重なるように、前記正極側切欠きに前記負極側切欠き非形成部が入り込み、かつ前記負極側切欠きに前記正極側切欠き非形成部が入り込んで構成されていることを特徴とする請求項1に記載の電気化学セル。 - 前記正極電極は、前記セパレータと一体化した帯状の正極構造体とされ、
前記正極構造体は、前記一方向に並んで配置された複数の構造体本体と、隣り合う2つの前記構造体本体を接続する構造体本体接続部と、を備え、
前記構造体本体接続部の幅方向の一方側には構造体側切欠きが形成され、前記構造体本体接続部の幅方向の他方側には構造体側切欠き非形成部が設けられ、
前記重ね合わせ体は、前記構造体本体と前記負極本体とが前記一方向に互い違いに重なるように、前記構造体側切欠きに前記負極側切欠き非形成部が入り込み、かつ前記負極側切欠きに前記構造体側切欠き非形成部が入り込んで構成されていることを特徴とする請求項9に記載の電気化学セル。 - 前記重ね合わせ体は、つづら折り形状に折り畳まれた積層体とされていることを特徴とする請求項1から10の何れか一項に記載の電気化学セル。
- 一方向に並んで配置された複数の正極本体と、隣り合う2つの前記正極本体を接続する正極本体接続部と、を有する帯状の正極電極と、
前記一方向に並んで配置された複数の負極本体と、隣り合う2つの前記負極本体を接続する負極本体接続部と、を有する帯状の負極電極と、
前記正極電極と前記負極電極との間に配置されたセパレータと、を備えた電気化学セルの製造方法であって、
前記正極電極と前記負極電極とを、前記セパレータを介して、前記正極本体と前記負極本体とが前記一方向に互い違いに重なるように重ね合わせて帯状の重ね合わせ体を形成する重ね合わせ体形成工程を含むことを特徴とする電気化学セルの製造方法。 - 前記重ね合わせ体形成工程では、前記正極本体接続部と前記負極本体接続部とを、前記重ね合わせ体の幅方向で互いに反対方向にずらすことを特徴とする請求項12に記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記重ね合わせ体形成工程の前、前記正極電極を、前記セパレータと一体化した帯状の正極構造体とする正極構造体形成工程を更に含むことを特徴とする請求項12又は13に記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記正極構造体形成工程では、前記正極電極を、前記セパレータを構成する樹脂製の第一セパレータと樹脂製の第二セパレータとで挟んで覆った後、前記第一セパレータ及び前記第二セパレータ同士を熱融着することを特徴とする請求項14に記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記正極構造体形成工程の前、前記正極電極の外形を、前記負極電極の外形よりも小さくすることを特徴とする請求項14又は15に記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記正極構造体形成工程では、前記正極構造体の外形を、前記負極電極の外形と同じ大きさにすることを特徴とする請求項16に記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記正極構造体形成工程では、前記一方向に並んで配置された複数の構造体本体と、隣り合う2つの前記構造体本体を接続する構造体本体接続部と、を形成し、
前記重ね合わせ体形成工程では、前記構造体本体と前記負極本体とが前記一方向に互い違いに重なるように、前記正極構造体と前記負極電極とを重ね合わせ、
前記正極構造体形成工程では、前記構造体本体の外形を、前記負極本体の外形と同じ大きさの円形状とすることを特徴とする請求項17に記載の電気化学セルの製造方法。 - 前記重ね合わせ体形成工程の前、前記正極本体接続部又は前記負極本体接続部の何れか一方に、前記一方の幅方向に長手を有するスリットを形成し、
前記重ね合わせ体形成工程では、前記正極本体と前記負極本体とが前記一方向に互い違いに重なるように、前記正極本体接続部又は前記負極本体接続部の何れか他方を前記スリットに挿通することを特徴とする請求項12に記載の電気化学セルの製造方法。 - 前記重ね合わせ体形成工程の前、前記スリットを前記負極本体接続部に形成し、かつ、前記正極電極を前記セパレータと一体化して、前記一方向に並んで配置された複数の構造体本体と、隣り合う2つの前記構造体本体を接続する構造体本体接続部と、を有する帯状の正極構造体とし、
前記重ね合わせ体形成工程では、前記構造体本体と前記負極本体とが前記一方向に互い違いに重なるように、前記構造体本体接続部を前記スリットに挿通することを特徴とする請求項19に記載の電気化学セルの製造方法。 - 前記重ね合わせ体形成工程の前、前記正極本体接続部の幅方向の一方側に正極側切欠きを形成するとともに、前記正極本体接続部の幅方向の他方側に正極側切欠き非形成部を設け、かつ、前記負極本体接続部の幅方向の一方側に負極側切欠きを形成するとともに、前記負極本体接続部の幅方向の他方側に負極側切欠き非形成部を設け、
前記重ね合わせ体形成工程では、前記正極本体と前記負極本体とが前記一方向に互い違いに重なるように、前記正極側切欠きに前記負極側切欠き非形成部を入り込ませ、かつ前記負極側切欠きに前記正極側切欠き非形成部を入り込ませることを特徴とする請求項12に記載の電気化学セルの製造方法。 - 前記重ね合わせ体形成工程の前、前記正極電極を前記セパレータと一体化して、前記一方向に並んで配置された複数の構造体本体と、隣り合う2つの前記構造体本体を接続する構造体本体接続部と、を有する帯状の正極構造体とし、かつ、前記構造体本体接続部の幅方向の一方側に構造体側切欠きを形成するとともに、前記構造体本体接続部の幅方向の他方側に構造体側切欠き非形成部を設け、
前記重ね合わせ体形成工程では、前記構造体本体と前記負極本体とが前記一方向に互い違いに重なるように、前記構造体側切欠きに前記負極側切欠き非形成部を入り込ませ、かつ前記負極側切欠きに前記構造体側切欠き非形成部を入り込ませることを特徴とする請求項21に記載の電気化学セルの製造方法。 - 前記重ね合わせ体形成工程の後、前記重ね合わせ体を、つづら折り形状に折り畳んで積層体を形成することを特徴とする請求項12から22の何れか一項に記載の電気化学セルの製造方法。
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