JP2020140831A - 蓄電素子及び蓄電素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電素子の体積エネルギー密度を向上させる。【解決手段】蓄電素子１は、外装体７と、電極体５と、タブ６と、を備える。外装体７は、第１外装材４０及び第２外装材５０を有する。電極体５は、第１外装材４０及び第２外装材５０の間に形成される収容空間７ａに収容される。電極体５、第１方向ｄ１に積層された複数の第１電極１０及び複数の第２電極２０を有する。タブ６は、電極体５と電気的に接続し且つ第１外装材４０及び第２外装材５０の間を通過して外装体７の外部へ延び出す。第１外装材４０は、第１金属層４１と、第１絶縁層４２と、を含む。第１絶縁層４２は、第１金属層４１の周縁４１ａの一部のみであって少なくともタブ６に対面する領域に設けられる。第２外装材５０は、第２金属層５１と、第２絶縁層５２と、を含む。第２絶縁層５２は、少なくとも第２金属層５１の周縁５１ａに設けられる。【選択図】図３

Description

本発明は、蓄電素子及び蓄電素子の製造方法に関する。

蓄電素子として、例えば特許文献１で提案されているように、正極と負極とを交互に積層してなる積層型電池や巻回型電池が広く普及している。このような積層型電池の一例として、リチウムイオン二次電池が挙げられる。リチウムイオン二次電池は、他の形式の積層型電池と比較して大容量であることを特徴の一つとしている。このような特徴を有するリチウムイオン二次電池は、今般、車載用途や定置住宅用途等の種々の用途での更なる普及を期待されている。

リチウムイオン二次電池に代表される積層型電池では、正極及び負極を有する電極体から電力を取り出すため、正極及び負極のうち電極活物質層が設けられていない領域において正極及び負極がそれぞれ別個に集電しており、集電されたそれぞれの電極の電極集電体にタブが取り付けられている。電極体は、それぞれの電極に取り付けられたタブが外部に延び出た状態で、外装体に収容される。このような外装体は、２つの外装材の周縁を接合することで作製される。

特開２０１２−０２８０５５号公報

ところで、このような蓄電素子において、蓄電素子が占める体積あたりの当該蓄電素子が供給可能な電力量、いわゆる体積エネルギー密度を向上させることが求められている。体積エネルギー密度を向上させるためには、電極体が供給可能な電力量を大きくするだけでなく、蓄電素子の体積を小さくすることが考えられる。蓄電素子の体積を小さくするために、外装体の体積を小さくすること、言い換えると外装材を薄くすることが検討され得る。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、蓄電素子の体積エネルギー密度を向上させることを目的とする。

本発明の蓄電素子は、
第１外装材及び第２外装材を有する外装体と、
前記第１外装材及び前記第２外装材の間に形成される収容空間に収容され、第１方向に積層された複数の第１電極及び複数の第２電極を有する電極体と、
前記電極体と電気的に接続し且つ前記第１外装材及び前記第２外装材の間を通過して前記外装体の外部へ延び出したタブと、を備え、
前記第１外装材は、第１金属層と、前記第１金属層の周縁の一部のみであって少なくとも前記タブに対面する領域に設けられた第１絶縁層と、を含み、
前記第２外装材は、第２金属層と、少なくとも前記第２金属層の周縁に設けられた第２絶縁層と、を含む。

本発明の蓄電素子において、記第１絶縁層は、前記タブに対面する領域にのみ設けられていてもよい。

本発明の蓄電素子において、前記第２絶縁層は、前記第２金属層の周縁にのみ設けられていてもよい。

本発明の蓄電素子において、前記電極体の前記第１方向の最も他側に位置する前記第１電極は、前記第１金属層に接していてもよい。

本発明の蓄電素子において、前記第１外装材は、前記第１金属層に積層された第１金属層活物質層をさらに含み、
前記第１金属層は、前記第１電極に接続した前記タブに接続していてもよい。

本発明の蓄電素子において、前記電極体の前記第１方向の最も他側に位置する前記第２電極は、前記第１金属層活物質層に対面していてもよい。

本発明の蓄電素子において、
前記第１金属層は、アルミニウムを含み、
前記第１電極は、正極であり、
前記第２電極は、負極であってもよい。

本発明の蓄電素子において、前記電極体の前記第１方向の最も一側に位置する前記第１電極は、前記第２金属層に接していてもよい。

本発明の蓄電素子において、前記第２外装材は、前記第２金属層に積層された第２金属層活物質層をさらに含み、
前記第２金属層は、前記第１電極に接続した前記タブに接続していてもよい。

本発明の蓄電素子において、前記電極体の前記第１方向の最も一側に位置する前記第２電極は、前記第２金属層活物質層に対面していてもよい。

本発明の蓄電素子において、
前記第２金属層は、アルミニウムを含み、
前記第１電極は、正極であり、
前記第２電極は、負極であってもよい。

本発明の蓄電素子において、
前記電極体は、前記第１電極と前記第２電極の間に配置されたセパレータをさらに有し、
前記第２電極は、第２接続領域と前記第２接続領域よりも前記第２方向における他側に位置する第２電極領域とを有する第２電極集電体と、前記第２電極集電体と前記第２電極領域において積層された第２電極活物質層と、を有し、
前記セパレータは、前記第２電極集電体と前記外装体との間を延びていてもよい。

本発明の蓄電素子において、
前記第２電極は、第２接続領域と前記第２接続領域よりも前記第１方向に非平行な第２方向における他側に位置する第２電極領域とを有する第２電極集電体と、前記第２電極集電体と前記第２電極領域において積層された第２電極活物質層と、を有し、
前記第２絶縁層は、前記第１方向において前記第２接続領域に重なる位置に設けられていてもよい。

本発明の蓄電素子の製造方法は、
第１金属層及び前記第１金属層の周縁の一部のみに設けられた第１絶縁層を含む第１外装材と、第２金属層及び少なくとも前記第２金属層の周縁に設けられた第２絶縁層とを含む第２外装材と、の間に、積層された複数の電極を含む電極体を配置する工程と、
前記第１外装材の周縁及び前記第２外装材の周縁を接合して外装体を形成する工程と、を備え、
前記電極体は、前記電極体と電気的に接続したタブの一部分が前記外装体の外部に露出するように、前記外装体に収容され、
前記第１絶縁層は、少なくとも前記タブに対面する領域に設けられている。

本発明の蓄電素子の製造方法において、前記第１絶縁層は、前記タブに対面する領域にのみ設けられていてもよい。

本発明の蓄電素子の製造方法において、前記第２絶縁層は、前記第２金属層の周縁にのみ設けられていてもよい。

本発明によれば、蓄電素子の体積エネルギー密度を向上させることができる。

本発明の一実施の形態を説明するための図であって、蓄電素子を示す斜視図である。 図２は、図１の蓄電素子の外装体の内部に収容された電極体を示す平面図である。 図３は、図２の電極体からセパレータを除いた平面図である。 図４は、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 図５は、図１のＶ−Ｖ線に沿った蓄電素子の外装体の断面図である。 図６は、外装体の第１外装材の平面図である。 図７は、外装体の第２外装材の平面図である。 図８は、蓄電素子の一変形例を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺及び縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

なお、本明細書において、「板」、「シート」、「フィルム」の用語は、呼称の違いのみに基づいて、互いから区別されるものではない。

また、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件ならびにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。

図１乃至図７は、本発明による蓄電素子の一実施の形態を説明するための図である。図１は、蓄電素子の一具体例を示す斜視図である。図１に示すように、蓄電素子１は、外装体７と、外装体７によって形成された収容空間７ａに収容された電極体５と、電極体５に接続されて外装体７の内部から外部へと延び出したタブ６と、を有している。また、図２及び図３は、蓄電素子１に含まれる電極体５を示す平面図であり、図４は、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。図２乃至図４に示すように、電極体５は、第１方向ｄ１に積層された複数の第１電極１０及び第２電極２０を有している。図１に示された例において、蓄電素子１は、全体的に厚さ方向である第１方向ｄ１が薄い偏平形状を有しており、長手方向となる第２方向ｄ２と短手方向となる第３方向ｄ３に広がっている。第１方向ｄ１、第２方向ｄ２及び第３方向ｄ３は、互いに非平行であり、図示された例では、第１方向ｄ１、第２方向ｄ２及び第３方向ｄ３は、互いに直交している。

以下において、蓄電素子１が積層型電池、具体的にはリチウムイオン二次電池である例について説明する。この例において、第１電極１０は正極１０Ｘを構成し、第２電極２０は負極２０Ｙを構成するものとする。ただし、以下に説明する作用効果の記載からも理解され得るように、ここで説明する一実施の形態は、リチウムイオン二次電池に限定されることなく、第１電極１０及び第２電極２０を第１方向ｄ１に交互に積層してなる蓄電素子１に広く適用され得る。また、蓄電素子１は積層型電池に限らず、例えば巻回型電池であってもよい。蓄電素子１が巻回型電池である場合でも、第１電極１０及び第２電極２０が第１方向ｄ１に積層される。

以下、蓄電素子１の各構成要素について説明する。

まず、電極体５について説明する。図２乃至図４に示すように、電極体５は、正極１０Ｘ（第１電極１０）と、負極２０Ｙ（第２電極２０）と、正極１０Ｘと負極２０Ｙとの間に配置されたセパレータ３０と、を有している。図２は、収容空間７ａに収容されている電極体５を示す平面図であり、図３は、図２に示された電極体５からセパレータ３０を除いた平面図である。図４に示すように、正極１０Ｘ及び負極２０Ｙは、第１方向ｄ１に沿って交互に積層されている。図４に示された例では、電極体５の第１方向ｄ１における最も一側となる電極は正極１０Ｘであり、最も他側となる電極も正極１０Ｘである。電極体５は、例えば板状の正極１０Ｘ及び負極２０Ｙを合計で２０枚以上含んでいる。電極体５は、全体的に偏平形状を有し、第１方向ｄ１への厚さが薄く、第２方向ｄ２及び第３方向ｄ３に広がっている。電極体５の厚さ、すなわち第１方向ｄ１に沿った長さは、例えば４ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。

図２及び図３に示された非限定的な例において、正極１０Ｘ及び負極２０Ｙは、略長方形形状の外輪郭を有している板状の電極である。第１方向ｄ１に非平行な第２方向ｄ２が、正極１０Ｘ及び負極２０Ｙの長手方向であり、第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２の両方に非平行な第３方向ｄ３が、正極１０Ｘ及び負極２０Ｙの短手方向（幅方向）である。図２及び図３に示されているように、正極１０Ｘ及び負極２０Ｙは、第２方向ｄ２にずらして配置されている。より具体的には、複数の正極１０Ｘは、第２方向ｄ２における他側（図の右側）に寄って配置され、複数の負極２０Ｙは、第２方向ｄ２における一側（図の左側）に寄って配置されている。図２及び図３に示すように、正極１０Ｘ及び負極２０Ｙは、第２方向ｄ２における中央において、第１方向ｄ１に重なり合っている。

図２及び図３に示されているように、負極２０Ｙ（第２電極２０）の第３方向ｄ３（幅方向）に沿った長さは、正極１０Ｘ（第１電極１０）の第３方向ｄ３に沿った長さよりも長くなっている。図示された例では、負極２０Ｙは、正極１０Ｘより、第３方向ｄ３の一側及び他側に延び出ている。正極１０Ｘ及び負極２０Ｙの厚さ、すなわち第１方向ｄ１の長さは、例えば８０μｍ以上２００μｍ以下であり、長手方向、すなわち第２方向ｄ２に沿った長さは、例えば２００ｍｍ以上９５０ｍｍ以下であり、短手方向、すなわち第３方向ｄ３に沿った長さ（幅）は、例えば７０ｍｍ以上３５０ｍｍ以下である。

図３に示されているように、正極１０Ｘ（第１電極１０）は、正極集電体１１Ｘ（第１電極集電体１１）と、正極集電体１１Ｘ上に設けられた正極活物質層１２Ｘ（第１電極活物質層１２）と、を有している。リチウムイオン二次電池において、正極１０Ｘは、放電時にリチウムイオンを放出し、充電時にリチウムイオンを吸蔵する。

図４に示すように、正極集電体１１Ｘは、互いに対向する第１面１１ａ及び第２面１１ｂを主面として有している。正極活物質層１２Ｘは、正極集電体１１Ｘの第１面１１ａ及び第２面１１ｂの両側の面上に形成されている。電極体５に含まれる複数の正極１０Ｘは、正極集電体１１Ｘの両側に設けられた一対の正極活物質層１２Ｘを有し、互いに同一に構成され得る。

正極集電体１１Ｘ及び正極活物質層１２Ｘは、蓄電素子１（リチウムイオン二次電池）に適用され得る種々の材料を用いて種々の製法により、作製され得る。一例として、正極集電体１１Ｘは、アルミニウム箔によって形成され得る。正極活物質層１２Ｘは、例えば、正極活物質、導電助剤、バインダーとなる結着剤を含んでいる。正極活物質層１２Ｘは、正極活物質、導電助剤及び結着剤を溶媒に分散させてなる正極用スラリーを、正極集電体１１Ｘをなす材料上に塗工して固化させることで、作製され得る。正極活物質として、例えば、一般式ＬｉＭ_ｘＯ_ｙ（ただし、Ｍは金属であり、ｘ及びｙは金属Ｍと酸素Ｏの組成比である）で表される金属酸リチウム化合物が用いられる。金属酸リチウム化合物の具体例として、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム等が例示され得る。または、一般式ＬｉＭＰＯ₄（ただし、Ｍは金属である）で表されるリン酸金属リチウム化合物が用いられる。リン酸金属リチウム化合物の具体例として、リン酸鉄リチウム、リン酸マンガンリチウム、リン酸コバルトリチウム等が例示され得る。導電助剤としては、アセチレンブラック等が用いられ得る。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン等が用いられ得る。

図３に示すように、正極集電体１１Ｘ（第１電極集電体１１）は、第１端部領域ａ１及び第１電極領域ｂ１を有している。正極活物質層１２Ｘ（第１電極活物質層１２）は、正極集電体１１Ｘの第１電極領域ｂ１のみに配置されている。第１端部領域ａ１及び第１電極領域ｂ１は、第２方向ｄ２に配列されている。第１端部領域ａ１は、第１電極領域ｂ１よりも第２方向ｄ２における他側（図３における右側）に位置している。複数の正極集電体１１Ｘは、第１端部領域ａ１において、抵抗溶接や超音波溶接、テープによる貼着、融着等によって接合され、電気的に接続している。図示された例では、一つのタブ６が、第１端部領域ａ１において正極集電体１１Ｘに電気的に接続している。このタブ６は、電極体５から第２方向ｄ２の他側に延び出している。一方、図３に示すように、第１電極領域ｂ１は、負極２０Ｙの後述する負極活物質層２２Ｙに対面する領域内に位置している。そして、第３方向ｄ３に沿った正極１０Ｘの幅は、第３方向ｄ３に沿った負極２０Ｙの幅よりも狭くなっている。このような第１電極領域ｂ１の配置により、負極活物質層２２Ｙからのリチウムの析出を防止することができる。

次に、負極２０Ｙ（第２電極２０）について説明する。負極２０Ｙ（第２電極２０）は、負極集電体２１Ｙ（第２電極集電体２１）と、負極集電体２１Ｙ上に設けられた負極活物質層２２Ｙ（第２電極活物質層２２）と、を有している。リチウムイオン二次電池において、負極２０Ｙは、放電時にリチウムイオンを吸蔵し、充電時にリチウムイオンを放出する。

図４に示すように、負極集電体２１Ｙは、互いに対向する第１面２１ａ及び第２面２１ｂを主面として有している。負極活物質層２２Ｙは、負極集電体２１Ｙの第１面２１ａ及び第２面２１ｂの両側の面上に形成されている。電極体５に含まれる複数の負極２０Ｙは、負極集電体２１Ｙの両側に設けられた一対の負極活物質層２２Ｙを有し、互いに同一に構成され得る。

負極集電体２１Ｙ及び負極活物質層２２Ｙは、蓄電素子１（リチウムイオン二次電池）に適用され得る種々の材料を用いて種々の製法により、作製され得る。一例として、負極集電体２１Ｙは、例えば銅箔によって形成される。負極活物質層２２Ｙは、例えば、炭素材料からなる負極活物質、及び、バインダーとして機能する結着剤を含んでいる。負極活物質層２２Ｙは、例えば、炭素粉末や黒鉛粉末等からなる負極活物質とポリフッ化ビニリデンのような結着剤とを溶媒に分散させてなる負極用スラリーを、負極集電体２１Ｙをなす材料上に塗工して固化することで、作製され得る。

図３に示すように、負極集電体２１Ｙ（第２電極集電体２１）は、第２接続領域ａ２及び第２電極領域ｂ２を有している。負極活物質層２２Ｙ（第２電極活物質層２２）は、第２電極領域ｂ２のみにおいて負極集電体２１Ｙに積層されている。第２接続領域ａ２及び第２電極領域ｂ２は、第２方向ｄ２に配列されている。第２電極領域ｂ２は、第２接続領域ａ２よりも第２方向ｄ２における他側（図３における右側）に位置している。複数の負極集電体２１Ｙは、図３に示すように、第２接続領域ａ２において、抵抗溶接や超音波溶接、テープによる貼着、融着等によって接合され、電気的に接続している。図示された例では、正極集電体１１Ｘに接続したタブとは別のタブ６が、第２接続領域ａ２において負極集電体２１Ｙに電気的に接続している。このタブ６は、電極体５から第２方向ｄ２の一側に延び出している。

既に説明したように、正極１０Ｘの第１電極領域ｂ１は、負極２０Ｙの第２電極領域ｂ２に対面する領域の内側に位置している（図３参照）。すなわち、第２電極領域ｂ２は、正極１０Ｘの正極活物質層１２Ｘに対面する領域を内包する領域に広がっている。第３方向ｄ３に沿った負極２０Ｙの幅は、第３方向ｄ３に沿った正極１０Ｘの幅よりも広くなっている。とりわけ、負極２０Ｙの第３方向ｄ３における一側端部２０ａは、正極１０Ｘの第３方向ｄ３における一側端部１０ａよりも、第３方向ｄ３における一側に位置し、且つ、負極２０Ｙの第３方向ｄ３における他側端部２０ｂは、正極１０Ｘの第３方向ｄ３における他側端部１０ｂよりも、第３方向ｄ３における他側に位置している。

次に、セパレータ３０について説明する。図４に示されているように、セパレータ３０は、正極１０Ｘ（第１電極１０）及び負極２０Ｙ（第２電極２０）の間に位置し、正極１０Ｘ及び負極２０Ｙが接触しないように離間させている。セパレータ３０は、絶縁性を有しており、正極１０Ｘ及び負極２０Ｙの接触や、負極２０Ｙ及び外装体７の接触による短絡を防止する。セパレータ３０は、大きなイオン透過度(透気度)、所定の機械的強度、および、電解液、正極活物質、負極活物質等に対する耐久性を有していることが好ましい。このようなセパレータ３０として、例えば、絶縁性の材料によって形成された多孔質体や不織布等を用いることができる。より具体的には、セパレータ３０として、融点が８０〜１４０℃程度の熱可塑性樹脂からなる多孔フィルムを用いることができる。熱可塑性樹脂として、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィン系ポリマー、またはポリエチレンテレフタレートを採用することができる。外装体７の収容空間７ａには、電極体５とともに電解液が封入される。電解液が、多孔質体や不織布からなるセパレータ３０に含浸することで、電極１０，２０の電極活物質層１２，２２に電解液が接触した状態に維持される。

セパレータ３０は、例えば第１方向ｄ１に隣り合う任意の二つの電極１０，２０の間に位置している。また、セパレータ３０は、図２に示すように、平面視において、正極１０Ｘの正極活物質層１２Ｘの全領域を覆うように広がっている。同様に、セパレータ３０は、平面視において、負極２０Ｙの負極活物質層２２Ｙの全領域を覆うように広がっている。さらに、セパレータ３０は、図２に示すように、平面視において、負極２０Ｙの負極集電体２１Ｙの全領域を覆うように広がっている。より詳しくは、図４に示すように、第１方向ｄ１における最も一側のセパレータ３０及び最も他側のセパレータ３０が、第２接続領域ａ２における負極集電体２１Ｙ（第２電極集電体２１）を覆うように、第２方向ｄ２の一側の第２接続領域ａ２に重なる位置まで延びている。言い換えると、セパレータ３０は、負極集電体２１Ｙと外装体７との間を延びている。これにより、セパレータ３０によって、負極集電体２１Ｙと外装体７との接触が抑制される。

次に、タブ６について説明する。タブ６は、蓄電素子１における端子として機能する。図２乃至図４に示すように、電極体５の正極１０Ｘ（第１電極１０）に一方（第２方向ｄ２の他側）のタブ６が電気的に接続している。同様に、電極体５の負極２０Ｙ（第２電極２０）に他方（第２方向ｄ２の一側）のタブ６が電気的に接続している。図示されているように、一対のタブ６は、外装体７の内部である収容空間７ａから、外装体７の外部へと延び出している。タブ６の外装体７の外部に延びている長さは、例えば１０ｍｍ以上２５ｍｍ以下である。なお、図４に示すように、タブ６は、後述する外装体７が有する第１外装材４０と第２外装材５０との間、より詳しくは第１外装材４０の第１絶縁層４２と第２外装材５０の第２絶縁層５２との間を通過する。また、外装体７とタブ６との間は、タブ６が延び出す領域において、封止されている。

タブ６は、導電性を有するタブ本体部６ａと、タブ本体部６ａ上に設けられたシール部６ｂと、を有している。一方のタブ６のタブ本体部６ａの第２方向ｄ２における他側に位置する部分が、外装体７の外部に延び出ており、タブ本体部６ａの第２方向ｄ２における一側に位置する部分が、正極１０Ｘ（第１電極１０）に接続している。他方のタブ６のタブ本体部６ａの第２方向ｄ２における一側に位置する部分が、外装体７の外部に延び出ており、タブ本体部６ａの第２方向ｄ２における他側に位置する部分が、負極２０Ｙ（第２電極２０）に接続している。シール部６ｂは、タブ本体部６ａの第２方向ｄ２における中央部において、タブ本体部６ａを取り囲んでいる。シール部６ｂは、外装体７に溶着しており、タブ本体部６ａと外装体７との間を封止している。シール部６ｂは、タブ本体部６ａと外装体７との間の接触、特にタブ本体部６ａと外装体７における第１外装材４０の金属層４１との接触を効果的に防止する。

タブ本体部６ａは、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケルメッキ銅等を用いて形成され得る。タブ本体部６ａの厚みは、例えば０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。シール部６ｂの材料としては、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン、低密度ポリプロピレン、アイオノマー、エチレン・酢酸ビニル等を挙げることができる。シール部６ｂの厚みは、例えば０．０５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下である。

次に、外装体７について、図４乃至図７を参照しながら、説明する。図５は、図１のＶ−Ｖ線に沿った蓄電素子１の断面図から、図示の簡略化のために電極体５を除いた図となっている。すなわち、図５には、図１の外装体７の断面図が示されている。図６は、外装体７に含まれる第１外装材４０の平面図であり、図７は、外装体７に含まれる第２外装材５０の平面図である。

外装体７は、電極体５を封止するための包装体である。外装体７は、電極体５を収容するための収容空間７ａを形成している。外装体７は、電極体５及び電解液をその内部の収容空間７ａに密閉する。

収容空間７ａは、電極体５を収容することができるよう、電極体５の寸法以上の寸法となっている。一方、蓄電素子１の体積エネルギー密度を高くするため、収容空間７ａは、小さくなっていることが好ましい。ここで、体積エネルギー密度とは、蓄電素子が占める体積あたりの当該蓄電素子が供給可能な電力量のことを意味する。したがって、収容空間７ａの寸法は、電極体５の寸法と同一となっていることが好ましい。言い換えると、外装体７は、収容している電極体５に接していることが好ましい。収容空間７ａは、収容される電極体５の形状に合わせた形状となるよう形成されている。図示された例では、収容空間７ａは、略直方体形状となっている。収容空間７ａは、例えば、第１方向ｄ１に沿った長さが５ｍｍ以上２５ｍｍ以下であり、第２方向ｄ２に沿った長さが２００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であり、第３方向ｄ３に沿った長さが７０ｍｍ以上４００ｍｍ以下である。

また、外装体７は、第１外装材４０と、第２外装材５０と、を有している。第１外装材４０と第２外装材５０とが、それぞれの周縁の一部において接合されることで、収容空間７ａが形成される。第１外装材４０と第２外装材５０とは、例えば接着性を有する接着層によって接合されていてもよいし、溶着されることによって接合されていてもよい。接着層によって接合される場合、接着層は、接着性に加え、絶縁性、耐薬品性、熱可塑性等を有していることが好ましく、例えば、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン、低密度ポリプロピレン、アイオノマー、エチレン・酢酸ビニル等を用いることができる。

図５によく示されているように、第２外装材５０は、電極体５を収容可能な十分な大きさの収容空間７ａを形成するため、第２外装材５０の周縁から膨出した膨出部５７を含んでいる。膨出部５７は、第２外装材５０の周縁によって取り囲まれて、第１外装材４０から離間する向きに膨出している。膨出部５７は、第２外装材５０の中央部に位置している。一方、図示された例では、第１外装材４０は、膨出部を含んでおらず、平坦になっている。

しかしながら、図示された例に限らず、第２外装材５０は膨出部を含んでおらず、第１外装材４０が収容空間７ａを形成するための膨出部を含んでいてもよい。さらには、第２外装材５０及び第１外装材４０の両方が、収容空間７ａを形成するための膨出部を含んでいてもよい。

図４乃至図６に示されているように、第１外装材４０は、第１金属層４１と、第１金属層４１の周縁４１ａの一部のみに設けられた第１絶縁層４２と、を含んでいる。図示された例では、第１絶縁層４２は、第１金属層４１上の少なくともタブ６に対面する領域に設けられている。好ましくは、第１絶縁層４２は、第１金属層４１上のタブ６に対面する領域にのみ設けられている。言い換えると、第１絶縁層４２は、第１金属層４１の中央部には設けられていない。すなわち、第１金属層４１は、収容空間７ａにおいて露出している。また、図示された例では、第１外装材４０は、外装体７の表面、すなわち第１金属層４１の第１絶縁層４２が積層された面とは逆側の面に設けられた、絶縁性を有する第１被覆層４３をさらに含んでいる。

また、図４，図５及び図７に示されているように、第２外装材５０は、第２金属層５１と、少なくとも第２金属層５１の周縁５１ａに設けられた第２絶縁層５２と、を含んでいる。好ましくは、第２絶縁層５２は、第２金属層５１の周縁にのみ設けられている。図示された例では、第２絶縁層５２は、第２金属層５１上のタブ６に対面する領域、第１外装材４０と第２外装材５０とを接合する領域、及び、第１方向ｄ１において第２接続領域ｂ２に重なる位置に設けられている。言い換えると、第２絶縁層５２は、第２金属層５１の中央部には設けられていない。すなわち、第２金属層５１は、収容空間７ａにおいて露出している。また、図示された例では、第２外装材５０は、外装体７の表面、すなわち第２金属層５１の第２絶縁層５２が積層された面とは逆側の面に設けられた、絶縁性を有する第２被覆層５３をさらに含んでいる。

第１外装材４０と第２外装材５０とは、第１外装材４０の第１絶縁層４２が設けられた側が第２外装材５０の第２絶縁層５２が設けられた側と向かい合うように配置されている。図４に示すように、第２方向ｄ２において、第１外装材４０の絶縁層４２と第２外装材５０との間を、タブ６が通過している。

図６に示すように、第１絶縁層４２が第１金属層４１上のタブ６に対面する領域にのみ設けられている場合、図５に示す外装体７の断面においては、第１外装材４０の第１金属層４１と第２外装材５０の第２金属層５１との間には、第１絶縁層４２は配置されておらず、第２絶縁層５２のみが配置されている。すなわち、第１金属層４１と第２金属層５１とは、タブ６に対面する領域を除いて、第２絶縁層５２のみによって離間している。

第１金属層４１及び第２金属層５１は、高ガスバリア性と成形加工性を有することが好ましく、例えばアルミニウム箔やステンレス箔等を用いることができる。とりわけ、第１金属層４１及び第２金属層５１は、アルミニウムを含んでいることが好ましい。第１金属層４１及び第２金属層５１がアルミニウムを含んでいることで、第１外装材４０及び第２外装材５０に高ガスバリア性と成形加工性を付与するとともに、第１金属層４１及び第２金属層５１を電極として機能させることができる。第１絶縁層４２及び第２絶縁層５２は、第１金属層４１及び第２金属層５１とタブ６とが電気的に接続されることを防止する。第１絶縁層４２及び第２絶縁層５２としては、例えばポリプロピレン等を用いることができる。第１被覆層４３及び第２被覆層５３は、例えば薄膜状のナイロン層である。

第１方向ｄ１の最も他側に位置する正極１０Ｘ（第１電極１０）は、第１外装材４０の第１金属層４１に接している。同様に、電極体５の第１方向ｄ１の最も一側に位置する正極１０Ｘ（第１電極１０）は、第２外装材５０の第２金属層５１に接している。

第１外装材４０の厚さ及び第２外装材５０の厚さは、例えば１００μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。このような第１外装材４０及び第２外装材５０の各構成要素は、同一の材料で同一に構成されていてもよいし、或いは、材料および構成の少なくとも一方において互いに異なるようにしてもよい。

次に、本実施の形態の蓄電素子１の製造方法の一例について、説明する。

まず、複数の第１電極１０及び第２電極２０が第１方向ｄ１に交互に積層され、第１電極１０及び第２電極２０の間にセパレータ３０が配置された電極体５を用意する。電極体５の第２方向ｄ２における他側において、タブ６を第１電極１０と電気的に接続し、第２方向ｄ２における一側において、別のタブ６を第２電極２０と電気的に接続する。電極体５では、第１方向ｄ１の最も一側となる電極が第１電極１０となっており、第１方向ｄ１の最も他側となる電極も第１電極１０となっている。また、第１方向ｄ１における最も一側のセパレータ３０及び最も他側のセパレータ３０は、第２接続領域ａ２における第２電極２０の第２電極集電体２１を覆うように、第２方向ｄ２の一側の第２接続領域ａ２に重なる位置まで延びている。

次に、電極体５を、第１外装材４０と第２外装材５０との間に配置する。第１外装材４０及び第２外装材５０は、第１絶縁層４２と第２絶縁層５２とが向かい合うように配置される。第１絶縁層４２は、第１金属層４１の周縁４１ａの一部のみであって、少なくともタブ６に対面するようになる領域に設けられている。第２絶縁層５２は、少なくとも第２金属層５１の周縁５１ａに設けられている。好ましくは、第１絶縁層４２は、タブ６に対面するようになる領域にのみ設けられ、第２絶縁層５２は、第２金属層５１の周縁５１ａにのみ設けられている。この場合、第１絶縁層４２と第２絶縁層５２とは、タブ６に対面するようになる領域のみにおいて重なり、第１外装材４０の周縁と第２外装材５０の周縁との間にのみ第２絶縁層５２が設けられるようになる。

その後、第１外装材４０の周縁と第２外装材５０の周縁とを接合する。第１外装材４０と第２外装材５０との接合は、例えば第１外装材４０及び第２外装材５０の周縁を加熱・加圧することで溶着により接合する。第１外装材４０の周縁と第２外装材５０の周縁とが加熱・加圧されることで、第２絶縁層５２を介して第１外装材４０及び第２外装材５０が溶着される。また、タブ６が設けられた領域においては、第１絶縁層４２及びシール部６ｂを介して第１外装材４０及びタブ６が溶着され、第２絶縁層５２及びシール部６ｂを介して第２外装材５０及びタブ６が溶着される。この加熱・加圧は、例えば第１外装材４０及び第２外装材５０を１２０℃以上２００℃以下に加熱しながら、０．２ＭＰａ以上０．８ＭＰａ以下に加圧した状態を、１秒以上８秒以下維持することで行われる。

以上の工程により、図１に示すような蓄電素子１が製造される。

ところで、貯蔵及び供給する電力量をより効率よくするため、蓄電素子の体積エネルギー密度を向上させることが求められている。すなわち、蓄電素子が供給可能な電力量を維持あるいは多くしながら、蓄電素子の体積を小さくすることが求められている。蓄電素子が供給可能な電力量は、電極体の体積に大きく依存するため、蓄電素子の体積エネルギー密度を向上させるために電極体の体積を小さくすることは困難である。そこで、本件発明者らは、外装体の体積を小さくすることを検討した。以下、従来の蓄電素子と比較しながら、本実施の形態における蓄電素子１の外装体の体積を小さくする本件発明者らの工夫について説明する。

従来の蓄電素子では、外装体を形成する第１外装材に含まれる第１絶縁層は、第１金属層上の全領域に設けられている。また、外装体を形成する第２外装材に含まれる第２絶縁層も、第２金属層上の全領域に設けられている。したがって、従来の蓄電素子では、電極体は、第１方向の他側において第１外装材の第１絶縁層に接しており、第１方向の一側において第２外装材の第２絶縁層に接している。このため、特に蓄電素子の電極体が収容された部分において、第１絶縁層及び第２絶縁層が存在することで、第１絶縁層の厚さ及び第２絶縁層の厚さの分だけ、蓄電素子が厚くなってしまう。

一方、本実施の形態の蓄電素子１では、外装体７を形成する第１外装材４０に含まれる第１絶縁層４２は、第１金属層４１の周縁４１ａの一部のみに設けられており、第１金属層４１の中央部には設けられていない。したがって、本実施の形態の蓄電素子１では、電極体５は、第１方向ｄ１の他側において第１外装材４０の第１金属層４１に接している。従来の蓄電素子と比較して、蓄電素子１の電極体５が収容された部分において、第１絶縁層４２の厚さの分だけ、蓄電素子１を薄くすることができる。したがって、蓄電素子１の体積エネルギー密度を向上させることができる。

なお、本実施の形態において、第１絶縁層４２は、少なくともタブ６に対面する領域に設けられている。このため、タブ６に対面する領域においては、第１絶縁層４２がタブ６と溶着され、タブ６と第１金属層４１とが短絡してしまう可能性は、低減される。

とりわけ、本実施の形態では、第１絶縁層４２は、タブ６に対面する領域にのみ設けられている。このため、第１絶縁層４２がタブ６と溶着されることを可能にしながら、その他の第１金属層４１の周縁４１ａでは、第１絶縁層４２の厚さの分だけ、第１外装材４０を薄くすることができる。すなわち、蓄電素子１を薄くして、蓄電素子１の体積エネルギー密度を向上させることができる。

また、第２絶縁層５２は、第２金属層５１の周縁５１ａにのみ設けられており、第２金属層５１の中央部には設けられていない。したがって、電極体５は、第１方向ｄ１の一側において第２外装材５０の第２金属層５１に接している。このため、蓄電素子１の電極体５が収容された部分において、第２絶縁層５２の厚さの分だけ第２外装材５０を薄くすることができる。すなわち、蓄電素子１を薄くして、蓄電素子１の体積エネルギー密度を向上させることができる。

さらに、電極体５の第１方向ｄ１の最も他側に位置する第１電極１０は、第１金属層４１に接している。言い換えると、電極体５の第１方向ｄ１の最も他側に位置する第１電極１０と第１金属層４１との間には、第１絶縁層４２だけでなく電極体５に含まれるセパレータ３０も設けられていない。したがって、蓄電素子１を薄くして、蓄電素子１の体積エネルギー密度を向上させることができる。

また、第１金属層４１は、アルミニウムを含んでおり、第１金属層４１に接している第１電極１０は、正極１０Ｘである。第１金属層４１がアルミニウムを含んでいることで、第１金属層４１が正極１０Ｘに接していても、第１金属層４１が正極１０Ｘと反応しない。このため、電極体５が予期しない反応をすることを抑制しながら、蓄電素子１を薄くして、蓄電素子１の体積エネルギー密度を向上させることができる。

さらに、電極体５の第１方向ｄ１の最も一側に位置する第１電極１０は、第２金属層５１に接している。言い換えると、電極体５の第１方向ｄ１の最も一側に位置する第１電極１０と第２金属層５１との間には、第２絶縁層５２だけでなく電極体５に含まれるセパレータ３０も設けられていない。したがって、蓄電素子１を薄くして、蓄電素子１の体積エネルギー密度を向上させることができる。

なお、第１金属層４１に接する電極と第２金属層５１に接する電極とが同一の種類の電極であるため、本実施の形態では第１金属層４１に接する電極と第２金属層５１に接する電極とがともに正極１０Ｘであるため、第１金属層４１と第２金属層５１とが外部において通電したとしても、電極体５が短絡してしまうことが回避される。

また、第２金属層５１は、アルミニウムを含み、第２金属層５１に接している第１電極１０は、正極１０Ｘである。第２金属層５１がアルミニウムを含んでいることで、第２金属層５１が正極１０Ｘに接していても、第２金属層５１が正極１０Ｘと反応しない。このため、電極体５が予期しない反応をすることを抑制しながら、蓄電素子１を薄くして、蓄電素子１の体積エネルギー密度を向上させることができる。

とりわけ、第１外装材４０の第１金属層４１及び第２外装材５０の第２金属層５１は、収容空間７ａにおいて露出している。さらに、第１金属層４１及び第２金属層５１は、第１電極に接している。このため、第２電極集電体２１と外装体７の第１金属層４１及び第２金属層５１が接触すると、短絡してしまう。このような短絡を抑制するため、セパレータ３０は、第２電極集電体２１と外装体７との間を延びている。セパレータ３０によって、負極集電体２１Ｙと外装体７との接触が抑制され、したがって第２電極集電体２１と外装体７の第１金属層４１及び第２金属層５１との短絡を抑制することができる。

また、第２絶縁層５２は、第１方向ｄ１において第２接続領域ａ２に重なる位置に設けられている。このため、第２接続領域ａ２において、第２電極集電体２１と第２金属層５１とが接触して短絡してしまうことを、効果的に抑制することができる。

以上のように、本実施の形態の蓄電素子１は、第１外装材４０及び第２外装材５０を有する外装体７と、第１外装材４０及び第２外装材５０の間に形成される収容空間７ａに収容され、第１方向ｄ１に積層された複数の第１電極１０及び複数の第２電極２０を有する電極体５と、電極体５と電気的に接続し且つ第１外装材４０及び第２外装材５０の間を通過して外装体７の外部へ延び出したタブ６と、を備え、第１外装材４０は、第１金属層４１と、第１金属層４１の周縁４１ａの一部のみであって少なくともタブ６に対面する領域に設けられた第１絶縁層４２と、を含み、第２外装材５０は、第２金属層５１と、少なくとも第２金属層５１の周縁５１ａに設けられた第２絶縁層５２と、を含む。このような蓄電素子１によれば、第１金属層４１の中央部には設けられておらず、電極体５が第１方向ｄ１の他側において第１外装材４０の第１金属層４１に接している。このため、第１絶縁層４２の厚さの分だけ、蓄電素子１を薄くすることができる。したがって、蓄電素子１の体積エネルギー密度を向上させることができる。

なお、上述した実施の形態に対して様々な変更を加えることが可能である。

図８には、蓄電素子１の一変形例が示されている。図８は、蓄電素子１の第２方向ｄ２の他側におけるタブ６を含む部分の断面図である。図８に示された例では、図４に示された例とは異なり、電極体５の第１方向ｄ１における最も一側となる電極は負極２０Ｙであり、最も他側となる電極も負極２０Ｙとなっている。また、第１金属層４１は、第１金属層４１から延び出す第１延出部４１ｅによって、正極１０Ｘ（第１電極１０）に接続したタブ６のタブ本体部６ａに接続している。同様に、第２金属層５１は、第２金属層５１から延び出す第２延出部５１ｅによって、正極１０Ｘ（第１電極１０）に接続したタブ６のタブ本体部６ａに接続している。

図８に示された例において、第１外装材４０は、第１金属層４１に積層された第１金属層活物質層４５をさらに含んでいる。電極体５の第１方向ｄ１の最も他側に位置する負極２０Ｙ（第２電極２０）は、第１金属層活物質層４５に対面している。同様に、第２外装材５０は、第２金属層５１に積層された第２金属層活物質層５５をさらに含んでいる。電極体５の第１方向ｄ１の最も一側に位置する負極２０Ｙ（第２電極２０）は、第２金属層活物質層５５に対面している。第１金属層活物質層４５及び第２金属層活物質層５５は、例えば、正極活物質、導電助剤及び結着剤を溶媒に分散させてなる正極用スラリーを、第１金属層４１をなす材料上に塗工して固化させることで、作製され得る。正極活物質として、例えば、一般式ＬｉＭ_ｘＯ_ｙ（ただし、Ｍは金属であり、ｘ及びｙは金属Ｍと酸素Ｏの組成比である）で表される金属酸リチウム化合物が用いられる。金属酸リチウム化合物の具体例として、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム等が例示され得る。または、一般式ＬｉＭＰＯ_４（ただし、Ｍは金属である）で表されるリン酸金属リチウム化合物が用いられる。リン酸金属リチウム化合物の具体例として、リン酸鉄リチウム、リン酸マンガンリチウム、リン酸コバルトリチウム等が例示され得る。導電助剤としては、アセチレンブラック等が用いられ得る。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン等が用いられ得る。

このように、第１外装材４０が第１金属層４１に積層された第１金属層活物質層４５を含み、第１金属層４１が第１電極１０に接続したタブ６に接続していることで、第１金属層活物質層４５によって第１金属層４１にリチウムイオンを供給することができる。このため、第１電極１０に接している第１金属層４１及び第１金属層活物質層４５が、正極として機能することができる。蓄電素子１が有する電極が増加することになるため、蓄電素子１が供給可能な電力量を増大させることができる。すなわち、蓄電素子１の体積エネルギー密度を向上させることができる。

同様に、第２外装材５０が第２金属層５１に積層された第２金属層活物質層５５を含み、第２金属層５１が第１電極１０に接続したタブ６に接続していることで、第２金属層活物質層５５によって第２金属層５１にリチウムイオンを供給することができる。このため、第１電極１０に接している第２金属層５１及び第２金属層活物質層５５が、正極として機能することができる。蓄電素子１が有する電極が増加することになるため、蓄電素子１が供給可能な電力量を増大させることができる。すなわち、蓄電素子１の体積エネルギー密度を向上させることができる。

また、第１金属層活物質層４５は、電極体５の第１方向ｄ１の最も他側に位置する第２電極２０に対面している。同様に、第２金属層活物質層５５は、電極体５の第１方向ｄ１の最も一側に位置する第２電極２０に対面している。このため、電極体５の第１方向ｄ１の最も一側及び最も他側に位置する第２電極２０において、負極活物質層２２Ｙからのリチウムの析出を防止することができる。

さらに、上述した実施の形態と同じく、第１金属層４１は、アルミニウムを含み、第２電極２０は、負極２０Ｙである。このため、第１金属層４１及び第１金属層活物質層４５が、負極２０Ｙに積層された正極として機能することができる。加えて、第２金属層５１も、アルミニウムを含む。このため、第２金属層５１及び第２金属層活物質層５５が、負極２０Ｙに積層された正極として機能することができる。第１金属層４１及び第２金属層５１が負極２０Ｙに積層されているため、第１金属層４１及び第２金属層５１が正極として効率よく機能することができる。したがって、蓄電素子１が供給可能な電力量を増大させることができる。すなわち、蓄電素子１の体積エネルギー密度を向上させることができる。

１ 蓄電素子
５ 電極体
６ タブ
７ 外装体
７ａ 収容空間
１０ 第１電極
２０ 第２電極
３０ セパレータ
４０ 第１外装材
４１ 第１金属層
４１ａ 周縁
４２ 第１絶縁層
４３ 第１被覆層
４５ 第１金属層活物質層
５０ 第２外装材
５１ 第２金属層
５１ａ 周縁
５２ 第２絶縁層
５３ 第２被覆層
５５ 第２金属層活物質層

Claims (16)

1. 第１外装材及び第２外装材を有する外装体と、
   前記第１外装材及び前記第２外装材の間に形成される収容空間に収容され、第１方向に積層された複数の第１電極及び複数の第２電極を有する電極体と、
   前記電極体と電気的に接続し且つ前記第１外装材及び前記第２外装材の間を通過して前記外装体の外部へ延び出したタブと、を備え、
   前記第１外装材は、第１金属層と、前記第１金属層の周縁の一部のみであって少なくとも前記タブに対面する領域に設けられた第１絶縁層と、を含み、
   前記第２外装材は、第２金属層と、少なくとも前記第２金属層の周縁に設けられた第２絶縁層と、を含む、蓄電素子。
2. 前記第１絶縁層は、前記タブに対面する領域にのみ設けられている、請求項１に記載の蓄電素子。
3. 前記第２絶縁層は、前記第２金属層の周縁にのみ設けられている、請求項１または２に記載の蓄電素子。
4. 前記電極体の前記第１方向の最も他側に位置する前記第１電極は、前記第１金属層に接している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の蓄電素子。
5. 前記第１外装材は、前記第１金属層に積層された第１金属層活物質層をさらに含み、
   前記第１金属層は、前記第１電極に接続した前記タブに接続している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の蓄電素子。
6. 前記第１金属層活物質層は、前記電極体の前記第１方向の最も他側に位置する前記第２電極に対面している、請求項５に記載の蓄電素子。
7. 前記第１金属層は、アルミニウムを含み、
   前記第１電極は、正極であり、
   前記第２電極は、負極である、請求項４乃至６のいずれか一項に記載の蓄電素子。
8. 前記電極体の前記第１方向の最も一側に位置する前記第１電極は、前記第２金属層に接している、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の蓄電素子。
9. 前記第２外装材は、前記第２金属層に積層された第２金属層活物質層をさらに含み、
   前記第２金属層は、前記第１電極に接続した前記タブに接続している、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の蓄電素子。
10. 前記第２金属層活物質層は、前記電極体の前記第１方向の最も一側に位置する前記第２電極に対面している、請求項９に記載の蓄電素子。
11. 前記第２金属層は、アルミニウムを含み、
    前記第１電極は、正極であり、
    前記第２電極は、負極である、請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の蓄電素子。
12. 前記電極体は、前記第１電極と前記第２電極の間に配置されたセパレータをさらに有し、
    前記第２電極は、第２接続領域と前記第２接続領域よりも前記第１方向に非平行な第２方向における他側に位置する第２電極領域とを有する第２電極集電体と、前記第２電極集電体と前記第２電極領域において積層された第２電極活物質層と、を有し、
    前記セパレータは、前記第２電極集電体と前記外装体との間を延びている、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の蓄電素子。
13. 前記第２電極は、第２接続領域と前記第２接続領域よりも前記第１方向に非平行な第２方向における他側に位置する第２電極領域とを有する第２電極集電体と、前記第２電極集電体と前記第２電極領域において積層された第２電極活物質層と、を有し、
    前記第２絶縁層は、前記第１方向において前記第２接続領域に重なる位置に設けられている、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の蓄電素子。
14. 第１金属層及び前記第１金属層の周縁の一部のみに設けられた第１絶縁層を含む第１外装材と、第２金属層及び少なくとも前記第２金属層の周縁に設けられた第２絶縁層とを含む第２外装材と、の間に、積層された複数の電極を含む電極体を配置する工程と、
    前記第１外装材の周縁及び前記第２外装材の周縁を接合して外装体を形成する工程と、を備え、
    前記電極体は、前記電極体と電気的に接続したタブの一部分が前記外装体の外部に露出するように、前記外装体に収容され、
    前記第１絶縁層は、少なくとも前記タブに対面する領域に設けられている、蓄電素子の製造方法。
15. 前記第１絶縁層は、前記タブに対面する領域にのみ設けられている、請求項１４に記載の蓄電素子の製造方法。
16. 前記第２絶縁層は、前記第２金属層の周縁にのみ設けられている、請求項１４または１５に記載の蓄電素子の製造方法。

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