JP2023550892A - 電極組立体 - Google Patents

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Abstract

本発明の電極組立体は、第１保護パネル及び前記第１保護パネルの全長方向の一辺から垂直方向に延長された第２保護パネルで構成される保護ブロックを電極積層体のａ）全長方向の角部、ｂ）全幅方向の角部、またはｃ）全長方向及び全幅方向の角部それぞれに備えることによって、分離膜が折りたたまれる現象を予防することができる。

Description

本出願は２０２１年１０月１２日付韓国特許出願第１０-２０２１-０１３４８８８号及び２０２２年１０月１１日付韓国特許出願第１０-２０２２-０１２９４０５号に基づく優先権の利益を主張し、該当韓国特許出願の文献に開示されている全ての内容を本明細書の一部として組み込む。
本発明は保護ブロックを含む電極組立体に関する。
携帯電話やノートパソコンなどの携帯用電子機器が発達することによって、そのエネルギー源として二次電池の需要が急増している。最近では、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）の動力源として二次電池の使用が現実化されている。それによって、多様な要求に応えられる二次電池に対して多くの研究が行われている。特に、高いエネルギー密度、高い放電電圧及び出力を持つリチウム二次電池に対する需要が高くなる成り行きである。
しかし、リチウム二次電池は根本的に安全性が低いという問題点を持っている。二次電池の使用中に電池素子の局所部位で短絡（Ｍｉｃｒｏ ｓｈｏｒｔ）のような欠陷が発生する場合、内部温度上昇及びガス発生のような現象をもたらすことがあって、温度上昇や発生されたガスによって電極など内部素子の形態が変形されることがある。このような形態変形は追加的な短絡発生を加速化させることがあって、短絡による電池発火可能性も高くなる。
リチウム二次電池は正極活物質と負極活物質がそれぞれ塗布された正極及び負極が分離膜を挟んで配置された電極組立体と前記電極組立体を電解液とともに密封収納する外装材である電池ケースを備える。
前記リチウム二次電池を構成する正極／分離膜／負極構造の電極積層体からなる電極組立体は、その構造によって大きくゼリーロール型（巻取型）、スタック型（積層型）及びこれらの混合形態であるスタック／フォールディング型に分けられる。
ゼリーロール型電極組立体は集電体で使われる金属ホイルに電極活物質などをコーティングして乾燥及びプレッシングした後、所望の幅と長さのバンド形態で裁断し、分離膜を使用して負極と正極を隔膜した後で螺旋形で巻いて製造される。前記ゼリーロール型電極組立体は円筒状電池に適する。
スタック型またはスタック／フォールディング型の電極組立体は電極積層体が分離膜を挟んで正極及び負極単位体を順次積層した構造であって、角形の形態を得ることが容易である。
スタック型またはスタック／フォールディング型リチウム二次電池は、正極／分離膜／負極／分離膜構造のモノセル（ｍｏｎｏ ｃｅｌｌ）を反復的に積層したり、連続的な分離膜フィルムを利用してフォールディングする方式、または分離膜／負極／分離膜構造のハフセル（ｈａｌｆ ｃｅｌｌ）の上下に正極を追加する方式で得ることができる。
一方、スタック型またはスタック／フォールディング型リチウム二次電池は電池が自己放電率以上の電圧降下の挙動を見せる低電圧不良セルが発見されることがあるが、これは組み立ての過程において分離膜の端が折られたり破れることで、正極と負極とが直接向い合うようになって、これらが電気的に短絡されることが主な原因である。ここで、前記問題点を解決することができる電極組立体の開発が必要な状況である。
韓国公開特許第１０-２０１８-００８１９２６号公報
前記問題点を解決するために多角的に研究した結果、第１保護パネル及び前記第１保護パネルの全長方向の一辺から垂直方向に延長された第２保護パネルで構成される保護ブロックで電極積層体の角部を包めば、分離膜が折られたり破れる現象が発生しないことを確認した。
したがって、本発明は分離膜損傷が発生しない電極組立体を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、
本発明は電極積層体；
前記電極積層体の角部を包む保護ブロック；及び
前記電極積層体の外面及び保護ブロックの外面に全幅方向または全長方向に巻かれた固定テープ；を含み、
前記保護ブロックは第１保護パネル及び前記第１保護パネルの全長方向の一辺から垂直方向に延長された第２保護パネルで構成される電極組立体を提供する。
本発明の一実施形態において、前記保護ブロックは、
ａ）電極積層体の全長方向の角部を包むもの、
ｂ）電極積層体の電極タップを除いた全幅方向の角部を包むもの、または
ｃ）電極積層体の全長方向及び電極タップを除いた全幅方向の角部を包むものであってもよい。
本発明の一実施形態において、前記ａ）電極積層体の全長方向の角部を包む保護ブロックは４個で、前記電極積層体の全長方向の角部それぞれに備えられたものであってもよい。
本発明の一実施形態において、前記ｂ）電極積層体の電極タップを除いた全幅方向の角部を包む保護ブロックは４個で、前記電極積層体の全幅方向の角部それぞれに備えられたものであってもよい。
本発明の一実施形態において、前記ｃ）電極積層体の全長方向の角部を包む保護ブロックは４個で、電極タップを除いた全幅方向の角部を包む保護ブロックは４個で、前記電極積層体の全長方向及び全幅方向の角部それぞれに備えられたものであってもよい。
本発明の一実施形態において、各前記保護ブロックは隣接した保護ブロックへの離隔距離を持つことができる。
本発明の一実施形態において、前記保護ブロックは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、エチレン酢酸ビニル及びアクリレート系化合物からなる群から選択される１種以上の素材で製造されたものであってもよい。
本発明の一実施形態において、前記固定テープは複数の位置に備えられ、互いに離隔されるように位置されるものであってもよい。
本発明の一実施形態において、前記固定テープは電極積層体の外面及び保護ブロックの外面に全幅方向に１回転以上巻かれたものであってもよい。
本発明の一実施形態において、複数個の前記固定テープは電極組立体の全長方向の中間地点上の全幅ラインに基づいて対称となる位置に固定されるものであってもよい。
本発明の一実施形態において、前記固定テープは電極積層体の外面及び保護ブロックの外面に全長方向に１回転以上巻かれたものであってもよい。
本発明の一実施形態において、複数個の前記固定テープは電極組立体の全幅方向の中間地点上の全長ラインに基づいて対称となる位置に固定されるものであってもよい。
本発明の一実施形態において、前記電極積層体は正極及び負極の間に分離膜が介在されていて、前記電極積層体の全長方向の長さが、前記全長方向と直交する全幅方向の長さより相対的に長い形態からなるものであってもよい。
本発明の電極組立体は、電極積層体のａ）全長方向の角部、ｂ）全幅方向の角部、またはｃ）全長方向及び全幅方向の角部それぞれに第１保護パネル及び前記第１保護パネルの全長方向の一辺から垂直方向に延長された第２保護パネルで構成される保護ブロックを備えることによって、分離膜が折りたたまれる現象を予防すること効果を持つことができる。
また、前記分離膜の折り畳み現象を予防することによって、分離膜の折り畳みによって発生し得る電池短絡の問題を解決することができる。
本発明の一実施例による電極組立体の斜視図である。 本発明の一実施例による電極組立体の前面図である。 本発明の他の実施例による電極組立体の斜視図である。 本発明の他の実施例による電極組立体の斜視図である。 従来の電極組立体の斜視図である。 従来の電極組立体で分離膜が折りたたまれたことを示す写真である。 他の形態の保護ブロック２２０を含む電極組立体２００の前面図である。
以下、添付の図面に基づいて本発明に対して本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明はいくつか異なる形態で具現されることができ、ここで説明する実施例に限定されない。
本発明を明確に説明するために説明と関係のない部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似な構成要素に対しては同一な参照符号を付ける。
また、本明細書及び特許請求範囲に使用された用語や単語は通常的や辞書的な意味で限定して解釈されてはならず、発明者は自分の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に即して本発明の技術的思想に符合する意味と概念で解釈しなければならない。
以下、添付の図面を参照して実施例を詳しく説明する。しかし、本発明はいくつか異なる形態で具現されることができ、ここで説明する実施例に限定されない。
本発明は電極組立体に関わり、本発明の電極組立体１００は、
電極積層体１１０；
前記電極積層体１１０の角部を包む保護ブロック１２０；及び
前記電極積層体１１０の外面及び保護ブロック１２０の外面に全幅方向または全長方向に巻かれた固定テープ１３０；を含み、
前記保護ブロック１２０は、第１保護パネル１２１及び第１保護パネル１２１の全長方向の一辺から垂直方向に延長された第２保護パネル１２２で構成される。
前記電極積層体１１０の角部を包む保護ブロック１２０は、
ａ）電極積層体１１０の全長方向ｙの角部を包むもの、
ｂ）電極積層体１１０の電極タップ１１１ａ、１１２ａを除いた全幅方向ｘの角部を包むもの、または
ｃ）電極積層体１１０の全長方向ｙ及び電極タップ１１１ａ、１１２ａを除いた全幅方向ｘの角部を包むものであってもよい。
前記保護ブロック１２０は、第１保護パネル１２１及び前記第１保護パネル１２１の全長方向の一辺から垂直方向に延長された第２保護パネル１２２で構成されるものであってもよい。
具体的に、例えば、前記保護ブロック１２０は「
Figure 2023550892000002
」字に類似な形状を持つことができる。
また、前記第１保護パネル１２１及び第２保護パネル１２２は四角形に類似な形態であってもよい。
また、前記保護ブロック１２０は強度の高い絶縁素材であり、具体的に、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、エチレン酢酸ビニル及びアクリレート系化合物からなる群から選択される１種以上の素材で製造されたブロックであってもよい。
前記固定テープ１３０は電極組立体１００の形態が変形されないように維持する役目を遂行することができ、複数の位置に備えられ、互いに離隔されるように位置されることができる。
本発明の一実施形態において、前記固定テープ１３０は電極積層体１１０の外面及び保護ブロック１２０の外面に全幅方向ｘに１回転以上巻かれたものであってもよい。
また、複数個の前記固定テープ１３０は電極組立体１００の全長方向ｙの中間地点上の全幅ラインに基づいて対称となる位置に固定されるものであってもよい。
前記固定テープ１３０は、好ましくは３から５個であってもよい。
本発明の他の実施形態において、前記固定テープ１３０は電極積層体１１０の外面及び保護ブロック１２０の外面に全長方向ｙに１回転以上巻かれたものであってもよい。
また、複数個の前記固定テープ１３０は電極組立体１００の全幅方向ｘの中間地点上の全長ラインに基づいて対称となる位置に固定されるものであってもよい。
前記固定テープ１３０は好ましくは２から４個であってもよい。
図１は本発明の一実施例による電極組立体の斜視図で、図２は本発明の一実施例による電極組立体の前面図である。
図１及び２を参照すれば、本発明の一実施例による電極組立体１００は電極積層体１１０；前記電極積層体１１０の全長方向ｙの角部を包む保護ブロック１２０；及び前記電極積層体１１０の外面及び保護ブロック１２０の外面に全幅方向ｘに巻かれた固定テープ１３０；を含むものであってもよい。
前記保護ブロック１２０は４個で、前記電極積層体１１０の全長方向ｙの角部それぞれに１個ずつ備えられたものであってもよい。また、前記保護ブロック１２０は接した保護ブロックと離隔距離を持つことができる。
前記電極組立体１００で前記保護ブロック１２０によって被覆される面積は特に制限されるものではなく、例えば、電極組立体１００の全長方向ｙ外周面の総表面積に対して３０から７０％で被覆されることができる。
前記固定テープ１３０は電極積層体１１０の外面及び保護ブロック１２０の外面に全長方向ｙに巻かれることもできるが、前記保護ブロック１２０が全長方向ｙの角部を包む場合、電極積層体１１０の外面及び保護ブロック１２０の外面に全幅方向ｘに巻かれることが好ましい。
図３は本発明の他の実施例による電極組立体の斜視図である。
図３を参照すれば、本発明の他の実施例による電極組立体１００は電極積層体１１０；前記電極積層体１１０の電極タップ１１１ａ、１１２ａを除いた全幅方向ｘの角部を包む保護ブロック１２０；及び前記電極積層体１１０の外面及び保護ブロック１２０の外面に全長方向ｙに巻かれた固定テープ１３０；を含むものであってもよい。
前記保護ブロック１２０は４個で、前記電極積層体１１０の電極タップ１１１ａ、１１２ａを除いた全幅方向ｘの角部それぞれに１個ずつ備えられたものであってもよい。また、前記保護ブロック１２０は接した保護ブロックと離隔距離を持つことができる。
前記全幅方向ｘの角部全体を保護ブロック１２０が包めば、電極タップ１１１ａ、１１２ａに断線が発生することがあるので、保護ブロック１２０は電極タップ１１１ａ、１１２ａを除いた全幅方向ｘの角部を包むものであってもよい。前記電極タップ１１１ａ、１１２ａを除いた全幅方向ｘの角部にそれぞれ備えられた保護ブロック１２０は、前記第１保護パネル１２１の全長方向の一辺から垂直方向に延長された第２保護パネル１２２が電極タップ１１１ａ、１１２ａを除いた部分から延長されたものであってもよい。
前記電極組立体１００で前記保護ブロック１２０によって被覆される面積は特に制限されるものではなく、例えば、電極組立体１００の全幅方向ｘの外周面の総表面積に対して３０から７０％で被覆されることができる。
前記固定テープ１３０は電極積層体１１０の外面及び保護ブロック１２０の外面に全幅方向ｘに巻かれることもできるが、前記保護ブロック１２０が全幅方向ｘの角部を包む場合、電極積層体１１０の外面及び保護ブロック１２０の外面に全長方向ｙに巻かれることが好ましい。
図４は本発明の他の実施例による電極組立体の斜視図である。
図４を参照すれば、本発明の他の実施例による電極組立体１００は、電極積層体１１０；前記電極積層体１１０の全長方向ｙ及び電極タップ１１１ａ、１１２ａを除いた全幅方向ｘの角部を包む保護ブロック１２０；及び前記電極積層体１１０の外面及び保護ブロック１２０の外面に全幅方向ｘに巻かれた複数の固定テープ１３０；を含むものであってもよい。
前記保護ブロック１２０は８個で、具体的に前記電極積層体１１０の全長方向ｙの角部にそれぞれ１個ずつ４個が備えられたものであり、電極タップ１１１ａ、１１２ａを除いた全幅方向ｘの角部にそれぞれ１個ずつ４個が備えられたものであってもよい。また、前記保護ブロック１２０は接した保護ブロックと離隔距離を持つことができる。
前記全幅方向ｘの角部全体を保護ブロック１２０が包めば、電極タップ１１１ａ、１１２ａに断線が発生することがあるので、保護ブロック１２０は電極タップ１１１ａ、１１２ａを除いた全幅方向ｘの角部を包むものであってもよい。前記電極タップ１１１ａ、１１２ａを除いた全幅方向ｘの角部にそれぞれ備えられた保護ブロック１２０は前記第１保護パネル１２１の全長方向の一辺から垂直方向に延長された第２保護パネル１２２が電極タップ１１１ａ、１１２ａを除いた部分から延長されたものであってもよい。
前記電極組立体１００で前記保護ブロック１２０によって被覆される面積は特に制限されるものではなく、例えば、電極組立体１００の全幅方向ｘ及び全長方向ｙの外周面の総表面積に対して３０から７０％で被覆されることができる。
前記固定テープ１３０は電極積層体１１０の外面及び保護ブロック１２０の外面に全長方向ｙに巻かれることもできるが、前記保護ブロック１２０が全幅方向ｘ及び全長方向ｙの角部を包む場合、電極積層体１１０の外面及び保護ブロック１２０の外面に全長方向ｙに巻かれることが好ましい。
本発明の電極組立体１００は上述した保護ブロック１２０を備えることによって、分離膜１１３の端が外部に露出されないようにすることができる。したがって、電解液の注入などによる外力によって分離膜が折りたたまれる現象を防ぐことができ、電池短絡などの問題を解決することができる。また、外部の衝撃から電極組立体１００を保護することができる。
前記保護ブロック１２０がｃ）電極積層体１１０の全長方向ｙ及び電極タップ１１１ａ、１１２ａを除いた全幅方向ｘの角部を包む場合が分離膜が折りたたまれる現象を最も効果的に防ぐことができる。また、前記保護ブロック１２０がａ）電極積層体１１０の全長方向ｙの角部を包む場合がｂ）電極積層体１１０の電極タップ１１１ａ、１１２ａを除いた全幅方向ｘの角部を包む場合より効果が優れることがある。すなわち、保護ブロック１２０によって被覆される面積が広いほど外力による分離膜の折り畳み現象を効果的に防ぐことができる。
前記電極積層体１１０は正極１１１及び負極１１２の間に分離膜１１３が介在されていて、前記電極積層体１１０の全長方向ｙの長さが前記全長方向ｙと直交する全幅方向ｘの長さより相対的に長い形態からなることができる。
また、前記電極積層体１１０は、正極１１１及び負極１１２の間に分離膜１１３が介在された単位セルが複数個からなるスタック型電極積層体１１０であってもよい。また、電極積層体１１０の最外層が分離膜からなる電極積層体１１０であってもよい。これと一緒に複数の単位セルをラミネーションするラミネーション／スタック型電極積層体を使用することもでき、前記電極積層体１１０の構造は本明細書に記載された電極積層体１１０全てに適用されることができる。
前記正極１１１は正極タップ１１１ａを含み、前記負極１１２は負極タップ１１２ａを含むことができる。
図５は従来の電極組立体の斜視図である。
図５を参照すれば、従来の電極組立体１０は電極積層体２０及び前記電極積層体２０の外面に全幅方向ｘに巻かれた固定テープ３０を含んでいる。
前記電極積層体２０及び固定テープ３０は上述した本発明と同一である。
従来の電極組立体１０は電極積層体の全長方向の角部を包む保護ブロックを含まず、分離膜が外部に露出されている。
一般に、電極組立体は全ての方向から外力を受け、この時、複数の固定テープで巻かれた領域を除いた領域は外力に脆弱である。特に、分離膜の端は外力にもっと脆弱で、小さい外力にも分離膜の折りたたまれる現象が発生する（図６）。
しかし、本発明の一実施例による電極組立体１００は第１保護パネル１２１及び前記第１保護パネルの全長方向の一辺から垂直方向に延長された第２保護パネル１２２で構成される保護ブロック１２０を備え、前記保護ブロック１２０が電極積層体１１０のａ）全長方向ｙの角部、ｂ）全幅方向ｘの角部、またはｃ）全長方向ｙ及び全幅方向ｘの角部それぞれに備えられることによって分離膜を外部に露出させないこともあって、前記のように外力によって分離膜が折りたたまれる問題を解決することができる。
図７は電極積層体２１０の全長方向ｙの角部及び側面を包む保護ブロック２２０を含む電極組立体２００の前面図である。
図７を参照すれば、前記保護ブロック２２０は四角パネル２２１及び前記四角パネル２２１の全長方向の両端部を同じ方向に前記四角パネル２２１と垂直になるように延長させた２個の延長部２２２で構成されるものであってもよい。
具体的に、例えば、前記保護ブロック２２０は「
Figure 2023550892000003
」字に類似な形状を持つことができる。
また、前記２個の延長部２２２は四角形に類似な形態であってもよい。
前記保護ブロック２２０の内部に電極積層体２１０が挿入され、挿入過程で前記保護ブロック２２０の内部の高さが十分ではないと、外力によって分離膜２１３が折りたたまれるか、負極２１２または正極２１１が損傷される現象が発生することがある。また、前記保護ブロック２２０の内部の高さが電極積層体２１０の高さより高い場合、前記保護ブロック２２０の内部で電極積層体２１０が動くことができて損傷が発生することがある。
しかし、本発明の一実施例による電極組立体１００は第１保護パネル１２１及び前記第１保護パネルの全長方向の一辺から垂直方向に延長された第２保護パネル１２２で構成される保護ブロック１２０を電極積層体１１０のａ）全長方向ｙの角部、ｂ）電極タップ１１１ａ、１１２ａを除いた全幅方向ｘの角部、またはｃ）全長方向ｙ及び電極タップ１１１ａ、１１２ａを除いた全幅方向ｘの角部それぞれに備えられ、前記保護ブロック１２０は接した保護ブロックと離隔距離を持つ。したがって、上述したように前記図７に示された保護ブロック２２０で発生する問題点を解決することができる。
すなわち、本発明の一実施例による電極組立体１００は分離膜１１３の折りたたまれる現象が発生せず、それによって電池短絡などの問題を解決することができる。
以上のように、本発明はたとえ限定された実施例と図面によって説明されたが、本発明はこれによって限定されず、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者によって本発明の技術思想と下記特許請求範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは勿論である。
１０、１００、２００：電極組立体
２０、１１０、２１０：電極積層体
１１１、２１１: 正極
２１ａ、１１１ａ：正極タップ
１１２、２１２: 負極
２２ａ、１１２ａ：負極タップ
１１３、２１３：分離膜
１２０、２２０：保護ブロック
１２１: 第１保護パネル
１２２: 第２保護パネル
３０、１３０：固定テープ
２２１: 四角パネル
２２２: 延長部

Claims (13)

  1. 電極積層体；
    前記電極積層体の角部を包む保護ブロック；及び
    前記電極積層体の外面及び前記保護ブロックの外面に全幅方向または全長方向に巻かれた固定テープ；を含み、
    前記保護ブロックは第１保護パネル及び前記第１保護パネルの全長方向の一辺から垂直方向に延長された第２保護パネルで構成される電極組立体。
  2. 前記保護ブロックは
    ａ）電極積層体の全長方向の角部を包むこと、
    ｂ）電極積層体の電極タップを除いた全幅方向の角部を包むこと、または
    ｃ）電極積層体の全長方向及び電極タップを除いた全幅方向の角部を包む、請求項１に記載の電極組立体。
  3. 前記ａ）電極積層体の全長方向の角部を包む前記保護ブロックは４個で、
    前記電極積層体の全長方向の角部それぞれに備えられた、請求項２に記載の電極組立体。
  4. 前記ｂ）電極積層体の電極タップを除いた全幅方向の角部を包む前記保護ブロックは４個で、
    前記電極積層体の全幅方向の角部それぞれに備えられた、請求項２に記載の電極組立体。
  5. 前記ｃ）電極積層体の全長方向の角部を包む前記保護ブロックは４個で、電極タップを除いた全幅方向の角部を包む前記保護ブロックは４個で、
    前記電極積層体の全長方向及び全幅方向の角部それぞれに備えられた、請求項２に記載の電極組立体。
  6. 各前記保護ブロックは隣接した保護ブロックへの離隔距離を持つ、請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の電極組立体。
  7. 前記保護ブロックは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、エチレン酢酸ビニル及びアクリレート系化合物からなる群から選択される１種以上の素材で製造されたブロックである、請求項１に記載の電極組立体。
  8. 前記固定テープは複数の位置に備えられ、互いに離隔されるように位置される、請求項１に記載の電極組立体。
  9. 前記固定テープは前記電極積層体の外面及び前記保護ブロックの外面に全幅方向に１回転以上巻かれた、請求項１に記載の電極組立体。
  10. 複数個の前記固定テープは前記電極組立体の全長方向の中間地点上の全幅ラインに基づいて対称となる位置に固定される、請求項１に記載の電極組立体。
  11. 前記固定テープは前記電極積層体の外面及び前記保護ブロックの外面に全長方向に１回転以上巻かれた、請求項１に記載の電極組立体。
  12. 複数個の前記固定テープは前記電極組立体の全幅方向の中間地点上の全長ラインに基づいて対称となる位置に固定される、請求項１に記載の電極組立体。
  13. 前記電極積層体は正極及び負極の間に分離膜が介在され、
    前記電極積層体の全長方向の長さが、前記全長方向と直交する全幅方向の長さより相対的に長い形態からなる、請求項１に記載の電極組立体。
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