JP2020129486A - 電池構造体 - Google Patents

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Abstract

【課題】リチウムの析出が防止される電池構造体を提供すること。【解決手段】本実施形態の電池構造体1は、リチウムイオン二次電池からなる複数の電池10と、該電池が配設される複数の配設部20とを有する。複数の配設部20を電池10からの熱引きが大きいものから順に順位付けした熱引き順位が該熱引き順位の中央値よりも上位のグループである熱引き上位グループ20Aと、熱引き順位が中央値以下の下位のグループである熱引き下位グループ20Bとに分けることができる。そして、複数の電池10の中で、充放電におけるリチウムの析出しづらさを示すリチウム析出耐性が最も高い電池10は、熱引き上位グループ20Aに属する配設部20に配設されている。【選択図】図2

Description

本発明は、電池構造体に関する。
従来、電池構造体として、複数の電池セルを備えた電池モジュールや電池パックが広く使用されている。例えば、特許文献1には、複数の電池セルが収納ケース内に並べられて拘束部材により両端から拘束された電池モジュールにおいて、電池セルと拘束部材との間に加熱部を設けた構成が開示されている。かかる構成では、暖機手段により加熱部を加熱することにより、拘束部材に隣接する電池セルを加熱して、拘束部材による当該電池セルの熱引きを防止して、電池モジュールに備えられた電池セル全体を効率よく暖機できるようにしている。
特許第5401900号公報
一方、走行時や急速充電を行う場合に電池セルや電池モジュールが過剰に発熱することを抑制するために、冷却器等により強制的に冷却することが行われている。この場合には、複数の電池セルや電池モジュールが均一に冷却されずに冷却器に近い位置のものや熱引きの大きい位置のものが過度に冷却されるおそれがある。電池セルや電池モジュールがリチウムイオン二次電池からなる場合には、過度に冷却されると、充放電において電極にリチウムが析出して充放電効率や安全性を低下させる恐れがある。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、リチウムの析出が防止される電池構造体を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、リチウムイオン二次電池からなる複数の電池(10)と、該電池が配設される複数の配設部(20)とを有する電池構造体(1)であって、
上記複数の配設部を、上記電池からの熱引きが大きいものから順に順位付けした熱引き順位が該熱引き順位の中央値よりも上位のグループである熱引き上位グループ(20A)と、上記熱引き順位が上記中央値以下の下位のグループである熱引き下位グループ(20B)とに分けたとき、上記複数の電池の中で、充放電におけるリチウムの析出しづらさを示すリチウム析出耐性が最も高い上記電池は、上記熱引き上位グループに属する上記配設部に配設されている、電池構造体にある。
上記電池構造体においては、熱引き上位グループに属する配設部は、熱引きが大きいため当該配設部に配設された電池は温度低下に伴ってその電池抵抗が上昇してリチウム析出が促される傾向がある。しかしながら、上記電池構造体では、充放電においてリチウム析出耐性が最も高い電池が熱引き上位グループに属する配設部に配設されているため、電池構造体全体としてリチウムの析出が防止されることとなる。
以上のごとく、本発明によれば、リチウムの析出が防止される電池構造体を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
実施形態1における、電池構造体の構成を示す概念図。 実施形態1における、析出耐性順位と熱引き順位との関係を示す概念図。 変形形態1における、析出耐性順位と熱引き順位との関係を示す概念図。 変形形態2における、電池構造体の構成を示す概念図。 実施形態2における、電池構造体の構成を示す概念図。 実施形態2における、析出耐性順位と熱引き順位との関係を示す概念図。 変形形態3における、電池構造体の構成を示す概念図。 実施形態3における、電池構造体の構成を示す概念図。
(実施形態1)
上記電池構造体の実施形態について、図1、図2を用いて説明する。
本実施形態の電池構造体1は、図1に示すように、リチウムイオン二次電池からなる複数の電池10と、該電池10が配設される複数の配設部20とを有する。
図2に示すように、複数の配設部20は、電池10からの熱引きが大きいものから順に順位付けした熱引き順位が該熱引き順位の中央値よりも上位のグループである熱引き上位グループ20Aと、熱引き順位が中央値以下の下位のグループである熱引き下位グループ20Bとに分けることができる。
そして、複数の電池10の中で、充放電におけるリチウムの析出しづらさを示すリチウム析出耐性が最も高い電池10は、熱引き上位グループ20Aに属する配設部20に配設されている。
以下、本実施形態の電池構造体1について、詳述する。
電池構造体1は、電池モジュール又は電池パックを構成することができる。本実施形態では、電池構造体1は電池モジュールであって、電池10として単電池である電池セルを備える。電池10は電池セルを複数備える組電池であってもよい。電池10が組電池である場合には、組電池を構成する電池セル全体を合わせて一つの電池10として取り扱うことができる。なお、電池構造体1が電池パックである場合は、電池10として電池モジュールを備えるものとすることができる。
電池10は、公知のリチウムイオン二次電池からなる、当該リチウムイオン二次電池の構成は特に限定されず、電解質が液体のものの他、電解質が固体のいわゆるバイポーラ型の全固体電池であってもよい。また、電極材料も公知のものを採用することができる。本実施形態では、複数の電池10は電解質が液体の単電池であるリチウムイオン二次電池であって、図1に示すように、第1の電池11、第2の電池12、第3の電池13、第4の電池14、第5の電池15、第6の電池16及び第7の電池17を含む。各電池11〜17は互いに直列に接続されている。なお、複数の電池10に含まれる電池10の数は限定されない。
図2に示すように、複数の電池10における電池性能には、初期出荷時からバラツキが存在している。当該バラツキは電池10を構成する要素における種々の要因によって引き起こされるが、電池10の製造工程における活性化工程での温度、時間、印加電圧などの条件によって、ある程度制御することができる。そして、電池10における電池性能の一つとして、リチウム析出耐性が挙げられる。リチウム析出耐性は、充放電におけるリチウムの析出しづらさを示す指標であって、電池10の電池抵抗に対する負極抵抗の割合、電池10における負極容量に対する正極容量の比である正負極容量比、電池10の低温特性、電池10の熱容量の少なくとも一つに基づいて定めることができる。例えば、電池10ごとに電池抵抗に対する負極抵抗の割合を算出し、当該割合の小さいものほどリチウム析出耐性が高いものと定めることができる。複数の電池10において、電池抵抗における負極抵抗の割合は、例えば、電池10における通電時の電圧変化から算出した抵抗に基づいて負極抵抗を推定したり、通電時の交流インピーダンスに基づいて導出した負極抵抗を算出したりして導出することができる。電池抵抗における負極抵抗の割合は、例えば、正極と負極の電極重量比、正極と負極の活物質種などによって制御することができる。
また、各電池10の正負極容量比に基づいてリチウム析出耐性を定める場合は、製造検査時に得られる正負極の電極目付、電池容量、電池電圧、電池抵抗の情報などから電池10の正負極容量比を算出して、当該容量比が大きいものほどリチウム析出耐性が高いものと定めることができる。また、電池10の低温特性に基づいてリチウム析出耐性を定める場合は、低温特性が良好なものほどリチウム析出耐性が高いものと定めることができる。また、電池10の熱容量に基づいてリチウム析出耐性を定める場合は、熱容量が大きいものほどリチウム析出耐性が高いものと定めることができる。これらリチウムの析出しづらさを示す指標は使用履歴のある劣化電池においても適用することができる。
そして、本実施形態では、複数の電池10における電池抵抗に対する負極抵抗の割合に基づいて定めたリチウム析出耐性が高いものから順に順位付けした析出耐性順位において、図2に示すように、第1の電池11及び第7の電池17は1位であり、第2の電池12及び第6の電池16は2位であり、第3の電池13及び第5の電池15は3位であり、第4の電池14は4位となっている。
複数の電池10は、析出耐性順位に基づいて、析出耐性順位の中央値よりも上位である析出耐性上位グループ10Aと、当該中央値以下の下位である析出耐性下位グループ10Bとに分けることができる。本実施形態では、複数の電池10の析出耐性順位は1位から4位の偶数個であって、その中央値は中央に近い2つの値の算術平均値の2.5である。従って、析出耐性上位グループ10Aには、析出耐性順位が1位の第1の電池11及び第7の電池17と、析出耐性順位が2位の第2の電池12及び第6の電池16とが含まれることとなる。一方、析出耐性下位グループ10Bには、析出耐性順位が3位の第3の電池13及び第5の電池15と、熱引き順位が4位の第4の電池14とが含まれることとなる。
図1に示すように、複数の電池10は複数の配設部20に配設されている。本実施形態では、複数の配設部20として、第1の配設部21、第2の配設部22、第3の配設部23、第4の配設部24、第5の配設部25、第6の配設部26、第7の配設部27が設けられており、この順で配列している。そして、複数の配設部20における配列方向Xの両端に位置する第1の配設部21及び第7の配設部27にはそれぞれ隣接する位置にエンドプレート30が設けられている。また、複数の配設部20において配列方向Xに直交する上下方向Yにおける下方には熱交換器50が設けられている。熱交換器50は、複数の電池10の下端に当接して複数の電池10から伝播された熱を外部に放出するように構成されている。
複数の配設部20において、それぞれに配設された電池10からの熱引きの大きさには、配設部20ごとにバラツキがある。例えば、配設部20の配列において端に近いものほど熱引きが大きくなりやすい。また、電池10よりも熱容量の大きい部材に近い位置であったり、当該部材に熱的に接続されたりした配設部20ほど熱引きが大きくなりやすい。
本実施形態では、図2に示すように、配設部20の配列の端に位置する第1の配設部21及び第7の配設部27には、エンドプレート30が熱的に接続されている。そのため、本実施形態では、複数の配設部20を熱引きが大きいものから順に順位付けした熱引き順位において、図2に示すように、第1の配設部21及び第7の配設部27は1位であり、第2の配設部22及び第6の配設部26は2位であり、第3の配設部23及び第5の配設部25は3位であり、第4の配設部24は4位となっている。
複数の配設部20は、熱引き順位に基づいて、熱引き順位の中央値よりも上位である熱引き上位グループ20Aと、当該中央値以下の下位である熱引き下位グループ20Bとに分けることができる。本実施形態では、複数の配設部20の熱引き順位は1位から4位の偶数個であって、その中央値は中央に近い2つの値の算術平均値の2.5である。従って、熱引き上位グループ20Aには、熱引き順位が1位の第1の配設部21及び第7の配設部27と、熱引き順位が2位の第2の配設部22及び第6の配設部26とが含まれることとなる。一方、熱引き下位グループ20Bには、熱引き順位が3位の第3の配設部23及び第5の配設部25と、熱引き順位が4位の第4の配設部24とが含まれることとなる。
そして、図2に示すように、複数の電池10において、リチウム析出耐性が最も高い第1の電池11及び第7の電池17は、熱引き上位グループ20Aに属する配設部20に配設されている。さらに、本実施形態では、析出耐性上位グループ10Aに属する電池10は、熱引き上位グループ20Aに属する配設部20に配設され、析出耐性下位グループ10Bに属する電池10は、熱引き下位グループ20Bに属する配設部20に配設されている。より具体的には、本実施形態では、複数の電池10は、複数の電池10における析出耐性順位と、複数の配設部20における熱引き順位とが一致するように、複数の配設部20に配設されている。
本実施形態では、図1に示すように、複数の配設部20は線状に配列しており、複数の電池10は複数の配設部20に配設された状態で互いに積層されている。電池11〜17の配列方向Xの両端側には一対のエンドプレート30が位置しており、エンドプレート30により、電池11〜17は配列方向Xの両側から挟持されている。なお、隣り合う電池11〜17の間には電池セル同士が直接接するのを防止するための緩衝部材や電池セル間の熱移動を抑制する断熱部材が介在されていてもよい。また、本実施形態では、複数の電池10の中でリチウム析出耐性が最も高い電池10には、外部接続用配線40が接続されている。外部接続用配線40は、図示しない車両の電源系に接続されている。
次に、本実施形態の電池構造体1における作用効果について、詳述する。
本実施形態の電池構造体1において、熱引き上位グループ20Aに属する配設部20は、熱引きが大きいため当該配設部20に配設された電池10はその電池抵抗が上昇してリチウム析出が促される傾向がある。しかしながら、本実施形態の電池構造体1では、充放電においてリチウム析出耐性が最も高い電池10が熱引き上位グループ20Aに属する配設部20に配設されているため、電池構造体1全体としてリチウムの析出が防止される。
また、本実施形態の電池構造体1では、リチウムの析出防止のために電池10を加熱する加熱装置などを設ける必要がなく、簡易な構成でリチウムの析出を防止できるため、装置の小型化を図ることができる。
また、本実施形態では、複数の電池10を、リチウム析出耐性が高いものから順に順位付けした析出耐性順位が該析出耐性順位の中央値よりも上位のグループである析出耐性上位グループ10Aと、析出耐性順位が中央値以下の下位のグループである析出耐性下位グループ10Bとに分けたとき、析出耐性上位グループ10Aに属する電池10は、熱引き上位グループ20Aに属する配設部20に配設され、析出耐性下位グループ10Bに属する電池10は、熱引き下位グループ20Bに属する配設部20に配設される。これにより、リチウム析出耐性が高い析出耐性上位グループ10Aに属する電池10が熱引き上位グループ20Aに属する配設部20に配設されているため、電池構造体1全体としてリチウムの析出が防止される。
また、本実施形態では、リチウム析出耐性は、電池10の電池抵抗における負極抵抗の割合、電池10の正負極容量比、電池10の低温特性、電池10の熱容量の少なくとも一つに基づいて定められる。これにより、簡易な方法で電池10のリチウム析出耐性を取得することができる。
また、本実施形態では、複数の配設部20の中で、リチウム析出耐性が最も高い電池10が配設された配設部20には、電池10よりも熱容量の大きい部材であるエンドプレート30が熱的に接続されている。これにより、エンドプレート30が熱的に接続された配設部20では熱引きが増大するが、当該配設部20にリチウム析出耐性が最も高い電池10を配設することにより、当該熱引きの増大によるリチウムの析出の増加を抑制することができる。
また、本実施形態では、複数の電池10の中でリチウム析出耐性が最も高い電池10には、外部接続用配線40が接続されている。外部接続用配線40が接続された電池10は、外部接続用配線40により熱引きが増大することとなるが、外部接続用配線40をリチウム析出耐性が最も高い電池10に接続することにより、当該熱引きの増大によるリチウムの析出の増加を抑制することができる。
本実施形態では、図2に示すように、複数の電池10における析出耐性順位は1位から4位まで順位付けされたが、図3に示す変形形態1のように、複数の電池10が、リチウム析出耐性が最も高い第1の電池11及び第7の電池17と、析出耐性順位が最も低いその他の電池12〜16とを備え、複数の電池10における析出耐性順位が1位と2位に順位付けされることとしてもよい。かかる変形形態では、析出耐性上位グループ10Aに属する第1の電池11及び第7の電池17は、すべて熱引き上位グループ20Aに属する配設部20に配設されているが、析出耐性下位グループ10Bに属する複数の電池10の中で第2の電池12及び第6の電池16は熱引き上位グループ20Aに属する配設部20に配設されている。当該変形形態においても、実施形態1と同様の作用効果を奏する。
本実施形態では、図1に示すように、熱交換器50は各電池10の下面に接するように構成されているが、これに替えて、図4に示す変形形態2のように、熱交換器50が各電池10の下面に接する底部51と、底部51における配列方向Xの両端からそれぞれ上方に向けて立設された一対の立設部52とを備え、上方が開口した枠形状を有するようにすることができる。当該変形形態2では、一対の立設部52の間には、複数の電池10とエンドプレート30が実施形態1と同様に配設されている。そして、一対の立設部52は、配列方向Xの両端のエンドプレート30にそれぞれ接している。当該変形形態2では、本実施形態に比べて、一対の立設部52によりエンドプレート30と隣り合う電池10からの熱引きが大きくなる。この場合でも本実施形態1と同等の作用効果を奏することができる。
本実施形態では、複数の電池10はいずれも使用履歴を有さない新品としたが、これに替えて、複数の電池10は使用履歴を有する再利用品が含まれていてもよい。再利用品の電池10は電池性能としてのリチウム析出耐性の程度が様々であるため、再利用品を含む複数の電池10におけるリチウム析出耐性のバラツキが大きくなる傾向がある。かかる場合でも、当該再利用品の電池10のリチウム析出耐性と、複数の配設部20の熱引き順位に基づいて、再利用品の電池10を最適な配設部20に配設して使用することができるため、再利用品の電池10の利用率向上に寄与することができる。
以上のごとく、本実施形態及び変形形態1、2によれば、リチウムの析出が防止される電池構造体1を提供することができる。
(実施形態2)
図5に示すように、本実施形態では、実施形態1における熱交換器50に替えて、熱交換器としての冷却器55を備える。そして、複数の電池10はいずれも使用履歴を有する再利用品であって、実施形態1の場合に比べて複数の電池10における電池性能のバラツキが大きくなっている。
図5に示すように、冷却器55は、複数の電池10の底面に熱的に接続されている。冷却器55は、冷媒流路56、冷媒導入部57及び冷媒排出部58を有する。冷媒流路56は冷媒を流通させるように構成されている。冷媒導入部57は、冷媒流路56に冷媒を導入するように構成されている。冷媒排出部58は、冷媒流路56から冷媒を排出するように構成されている。かかる冷却器55では矢印Fで示すように、冷媒は冷媒導入部57から冷媒排出部58に向けて冷媒流路56内を流通する。冷媒の種類は限定されず、本例では、液体の冷媒を採用している。
本実施形態では、図5に示すようにエンドプレート30に近い配設部20に配置された方が熱引きが大きく、また、冷媒導入部57に近い方が熱引きが大きい。そのため、本実施形態では、図6に示すように、複数の配設部20における熱引きは大きいものから順に、第1の配設部21、第2の配設部22、第7の配設部27、第3の配設部23、第6の配設部26、第4の配設部24、第5の配設部25となっている。従って、熱引き上位グループ20Aには第1の配設部21、第2の配設部22及び第7の配設部27が属し、熱引き下位グループ20Bには第3の配設部23、第6の配設部26、第4の配設部24及び第5の配設部25が属する。
本実施形態では、複数の電池10におけるリチウム析出耐性は高いものから順に、第1の電池11、第2の電池12、第7の電池17、第3の電池13、第6の電池16、第4の電池14、第5の電池15となっている。従って、本実施形態では、複数の電池10における析出耐性順位と複数の配設部20における熱引き順位とが互いに一致している。本実施形態において、その他の構成要素は実施形態1の場合と同様であり、実施形態1の場合と同一の符号を用いてその説明を省略する。
本実施形態の電池構造体1における作用効果について、以下に詳述する。
本実施形態の電池構造体1では、冷媒を流通させる冷媒流路56と、冷媒流路56に冷媒を導入する冷媒導入部57と、冷媒流路56から冷媒を排出する冷媒排出部58とを有し、冷媒流路56に冷媒を流通させて複数の電池10を冷却する冷却器55を備える。そして、複数の電池10の中でリチウム析出耐性が最も高い第1の電池11は、複数の配設部20の中で冷媒導入部57に最も近い位置に位置する第1の配設部21に配設されている。これにより、冷却器55を備える構成を有する電池構造体1においても全体としてリチウムの析出が防止される。なお、本実施形態2においても、実施形態1と同等の作用効果を奏する。
また、本実施形態2に替えて、図7に示す変形形態3のように、冷却器55は、隣接する電池10の間、及びエンドプレート30と電池10との間に冷媒流路59を有するサーペンタイン型の冷却器であってもよい。この場合は、複数の電池10の冷却性能が高まる。当該変形形態3においても本実施形態1、2と同等の作用効果を奏する。
(実施形態3)
本実施形態3では、実施形態1における単一のセルからなる電池10に替えて、図8に示すように、複数の電池10はいずれも3つのセルA、B、Bを有し、互いに並列接続されている。そして、3つのセルの内、セルAはセルBに比べて負極抵抗割合が小さく、リチウム析出耐性が高い。
そして、複数の電池10において、第1の電池11、第2の電池12及び第3の電池13は、複数の配設部20において、いずれも一対のエンドプレート30のうちの一方である第1のエンドプレート31に近い側の第1の配設部21、第2の配設部22及び第3の配設部23にそれぞれ配設されている。そして、第1の電池11〜第3の電池13はいずれもリチウム析出耐性が高いセルAが第1のエンドプレート31に近い側に位置するように配設されている。一方、複数の電池10において、第5の電池15、第6の電池16及び第7の電池17は、複数の配設部20において、いずれも一対のエンドプレート30のうちの他方である第2のエンドプレート32に近い側の第5の配設部25、第6の配設部26及び第7の配設部27にそれぞれ配設されている。そして、第5の電池15〜第7の電池17はいずれもリチウム析出耐性が高いセルAが第2のエンドプレート32に近い側に位置するように配設されている。なお、第4の電池14は、複数の電池10において一対のエンドプレート30の両方と同じ距離に位置するが、本実施形態ではセルAが第1のエンドプレート31に近い側に位置するように配設されている。その他の構成は実施形態1と同等であって、同一の符号を付してその説明青を省略する。
本実施形態によれば、複数の電池10はそれぞれ、エンドプレート30に近い側にリチウム析出耐性が高いセルAが位置するように配設されている。これにより、電池10ごとにおいても、熱引きの大きい側にリチウム析出耐性が高いセルAが位置することとなるため、各電池10においてリチウムの析出が防止される。
本発明は上記各実施形態及び変形形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、実施形態3における熱交換器50に替えて、実施形態2における冷却器55の構成を採用することとしてもよい。
1 電池構造体
10、11〜17 電池
10A 析出耐性上位グループ
10B 析出耐性下位グループ
20、21〜27 配設部
20A 上位グループ
20B 下位グループ
30 エンドプレート
40 外部接続用配線
55 冷却器

Claims (7)

  1. リチウムイオン二次電池からなる複数の電池(10)と、該電池が配設される複数の配設部(20)とを有する電池構造体(1)であって、
    上記複数の配設部を、上記電池からの熱引きが大きいものから順に順位付けした熱引き順位が該熱引き順位の中央値よりも上位のグループである熱引き上位グループ(20A)と、上記熱引き順位が上記中央値以下の下位のグループである熱引き下位グループ(20B)とに分けたとき、上記複数の電池の中で、充放電におけるリチウムの析出しづらさを示すリチウム析出耐性が最も高い上記電池は、上記熱引き上位グループに属する上記配設部に配設されている、電池構造体。
  2. 上記複数の電池を、リチウム析出耐性が高いものから順に順位付けした析出耐性順位が該析出耐性順位の中央値よりも上位のグループである析出耐性上位グループ(10A)と、上記析出耐性順位が上記中央値以下の下位のグループである析出耐性下位グループ(10B)とに分けたとき、
    上記析出耐性上位グループに属する上記電池は、上記熱引き上位グループに属する上記配設部に配設され、
    上記析出耐性下位グループに属する上記電池は、上記熱引き下位グループに属する上記配設部に配設される、請求項1に記載の電池構造体。
  3. 上記リチウム析出耐性は、上記電池の電池抵抗に対する負極抵抗の割合、上記電池における負極容量に対する正極容量の比、上記電池の低温特性、上記電池の熱容量の少なくとも一つに基づいて定められる、請求項1又は2に記載の電池構造体。
  4. 上記複数の配設部の中で、リチウム析出耐性が最も高い上記電池が配設された上記配設部には、上記電池よりも熱容量の大きい部材(30)が熱的に接続されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の電池構造体。
  5. 上記複数の電池の中でリチウム析出耐性が最も高い上記電池には、外部接続用配線(40)が接続されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電池構造体。
  6. 冷媒を流通させる冷媒流路(56、59)と、該冷媒流路に冷媒を導入する冷媒導入部(57)と、上記冷媒流路から冷媒を排出する冷媒排出部(58)とを有し、上記冷媒流路に上記冷媒を流通させて上記複数の電池を冷却する冷却器(55)を備え、
    上記複数の電池の中でリチウム析出耐性が最も高い上記電池は、上記複数の配設部の中で上記冷媒導入部に最も近い位置に位置する上記配設部に配設されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載の電池構造体。
  7. 上記複数の電池には、使用履歴を有する再利用品が含まれている、請求項1〜6のいずれか一項に記載の電池構造体。
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