JP4449658B2 - Secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は二次電池に係り、特に、正極板と負極板とをセパレータを介して複数枚積層した積層電極群と、積層電極群を収容する電池容器とを有する二次電池に関する。 The present invention relates to a secondary battery, and more particularly, to a secondary battery having a laminated electrode group in which a plurality of positive and negative electrode plates are laminated via a separator, and a battery container that houses the laminated electrode group.
従来、各種機器や車両の電源として二次電池が用いられている。このような二次電池のうち、リチウム二次電池は、電解液として有機溶媒を用いており、水溶液系電解液に比べ著しく導電率が低い。このため、リチウム二次電池では、電極面積を大きくし電極を薄くすることにより、反応抵抗を低減させ充放電性能の向上を図っている。 Conventionally, secondary batteries have been used as power sources for various devices and vehicles. Among such secondary batteries, a lithium secondary battery uses an organic solvent as an electrolytic solution, and has a remarkably low electrical conductivity as compared with an aqueous electrolytic solution. For this reason, in the lithium secondary battery, by increasing the electrode area and making the electrode thinner, the reaction resistance is reduced and the charge / discharge performance is improved.
通常、リチウム二次電池用電極の厚みは数十マイクロメートル(μm)から300μm程度であり、電極集電体には数μmから数十μm程度の非常に薄いアルミニウム箔や銅箔が使用されている。従って、リチウム二次電池における積層式電極群の固定は、電極厚みと集電体厚みが数ミリメートルある鉛蓄電池のように電極を電池容器に当接させ、あるいは各電極の集電体強度によって振動に伴う電極群全体の移動を防ぐことは難しい。 Usually, the thickness of an electrode for a lithium secondary battery is about several tens of micrometers (μm) to about 300 μm, and an extremely thin aluminum foil or copper foil of about several μm to several tens of μm is used for the electrode current collector. Yes. Therefore, the fixation of the stacked electrode group in the lithium secondary battery is performed by bringing the electrode into contact with the battery container like a lead storage battery having an electrode thickness and a current collector thickness of several millimeters, or vibrating depending on the current collector strength of each electrode. It is difficult to prevent the movement of the entire electrode group due to.
この問題を解決するために、積層電極群の積層最外面に板バネを配置して加圧力により固定する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。 In order to solve this problem, a technique is known in which a leaf spring is arranged on the outermost surface of the laminated electrode group and fixed by pressure (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1の技術では、積層電極群の積層方向のみの加圧であり、三次元的な表現として積層方向をX軸方向とすれば、Y軸方向あるいはZ軸方向の振動に対する保持力は極めて低く、積層電極群が電池容器内で安定に保持されるとは言い難い。このため、Y軸方向あるいはZ軸方向の振動によって、正極と負極の積層ずれによる短絡、あるいは積層電極群端部が電池容器と衝突することによる破損・短絡によって、単に電池性能上の低下に止まらず、熱暴走等の電池異常状態への到達など安全上でも考慮すべき課題を有している。
However, in the technique of
本発明は、上記事案に鑑み、積層電極群を構成する極板の積層ずれや短絡を起こすことなく、電池容器内で積層電極群の安定した固定が可能な二次電池を提供することを課題とする。 In view of the above-described problem, the present invention provides a secondary battery capable of stably fixing a laminated electrode group in a battery container without causing a laminating shift or a short circuit of electrode plates constituting the laminated electrode group. And
上記課題を解決するために、本発明は、正極板と負極板とをセパレータを介して複数枚積層した積層電極群と、前記積層電極群を収容するステンレス製電池容器とを有する二次電池において、前記正極板、負極板及びセパレータの少なくともいずれかは前記積層電極群を支持する矩形板状の電極群支持体に固定され、前記電極群支持体は、前記電池容器側に矩形状に突出した突起を有しており、該突起が前記電池容器に形成された溝部に嵌合することで、前記電池容器内で位置決めされているとともに、前記積層電極群の極面方向と交わる方向の前記電池容器又は該電池容器に固定された電池構成部材に当接していることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a secondary battery having a laminated electrode group in which a plurality of positive and negative electrode plates are laminated via a separator, and a stainless steel battery container that houses the laminated electrode group. the positive electrode plate, at least one of the negative electrode plate and the separator are fixed in a rectangular plate-shaped electrode assembly support for supporting the laminated electrode group, the electrode group support, projecting in a rectangular shape to the battery container side The battery has a protrusion, and the protrusion is positioned in the battery container by fitting into a groove formed in the battery container, and the battery in a direction intersecting the polar surface direction of the multilayer electrode group It is in contact with a container or a battery constituent member fixed to the battery container.
本発明の二次電池では、正極板と負極板とをセパレータを介して複数枚積層した積層電極群がステンレス製電池容器内に収容されている。正極板、負極板及びセパレータの少なくともいずれかは積層電極群を支持する矩形板状の電極群支持体に固定されており、電極群支持体は、電池容器側に矩形状に突出した突起を有しており、該突起が電池容器に形成された溝部に嵌合することで、電池容器に固定され電池容器内で位置決めされているため、積層電極群が電池容器内部で大きく移動することがなく、振動により電極群が電池容器と衝突することを回避することができる。 In the secondary battery of the present invention, a laminated electrode group in which a plurality of positive and negative electrode plates are laminated via a separator is housed in a stainless steel battery container. At least one of the positive electrode plate, the negative electrode plate, and the separator is fixed to a rectangular plate-shaped electrode group support that supports the laminated electrode group, and the electrode group support has a protrusion protruding in a rectangular shape on the battery container side. Since the protrusions are fitted into the grooves formed in the battery container, and are fixed to the battery container and positioned in the battery container, the stacked electrode group does not move greatly inside the battery container. The collision of the electrode group with the battery container due to vibration can be avoided.
また、本発明の二次電池では、電極群支持体が、積層電極群の極面方向と交わる方向の電池容器又は該電池容器に固定された電池構成部材に当接しているので、三次元的に積層方向つまり極面方向をX軸方向としたときに、極面方向と交わる方向はY軸方向あるいはZ軸方向であり、この極面方向と交わる方向の電池容器又は電池容器に固定された電池構成部材と電極群支持体が当接することにより、Y軸方向あるいはZ軸方向の振動に対しても電極群が電池内部で移動することが避けられ、正極と負極の積層ずれによる短絡、あるいは積層電極群端部が電池容器と衝突することによる破損・短絡によって、電池性能の低下や熱暴走などの電池異常状態への到達を避けることができる。 Further, in the secondary battery of the present invention, the electrode group support, the battery structure member fixed to the battery container or the battery container in a direction crossing the pole face of the multilayer electrode group not abut Runode, three-dimensional When the stacking direction, that is, the polar surface direction is the X-axis direction, the direction intersecting the polar surface direction is the Y-axis direction or the Z-axis direction, and is fixed to the battery container or the battery container in the direction intersecting the polar surface direction. The contact between the battery constituent member and the electrode group support prevents the electrode group from moving inside the battery even with respect to vibrations in the Y-axis direction or the Z-axis direction. Due to the breakage or short circuit caused by the collision of the end of the laminated electrode group with the battery container, it is possible to avoid reaching a battery abnormal state such as a decrease in battery performance or thermal runaway.
一方、セパレータと電極群支持体とが熱溶着で固定された構成を採れば、両者の固定方法も容易であり、固定のための部材を用いる必要がなく経済的である。更に、セパレータの形状を袋状とすれば、正極板又は負極板のいずれか、あるいは両方が整形された袋状セパレータ内にあるため、セパレータを固定することにより正極板あるいは負極板を位置決めすることができるため生産性が向上すると共に、袋状セパレータを固定することにより正極板と負極板の位置ずれも防止できる。 On the other hand, taking a configuration in which the separators and the electrode group support fixed by thermal welding, both the method of fixing it is easy and economical it is not necessary to use a member for fixing. Furthermore, if the shape of the separator is a bag shape, either the positive electrode plate or the negative electrode plate, or both are in the shaped bag-shaped separator, so the positive electrode plate or the negative electrode plate can be positioned by fixing the separator. Therefore, productivity can be improved and positional displacement between the positive electrode plate and the negative electrode plate can be prevented by fixing the bag-shaped separator.
本発明によれば、正極板、負極板及びセパレータの少なくともいずれかは積層電極群を支持する矩形板状の電極群支持体に固定されており、電極群支持体は、ステンレス製電池容器側に矩形状に突出した突起を有しており、該突起が電池容器に形成された溝部に嵌合することで、電池容器に固定され電池容器内で位置決めされているため、積層電極群が電池容器内部で大きく移動することがなく、振動により電極群が電池容器と衝突することを回避することができるとともに、電極群支持体が、積層電極群の極面方向と交わる方向の電池容器又は該電池容器に固定された電池構成部材に当接しているので、三次元的に積層方向つまり極面方向をX軸方向としたときに、極面方向と交わる方向はY軸方向あるいはZ軸方向であり、この極面方向と交わる方向の電池容器又は電池容器に固定された電池構成部材と電極群支持体が当接することにより、Y軸方向あるいはZ軸方向の振動に対しても電極群が電池内部で移動することが避けられ、正極と負極の積層ずれによる短絡、あるいは積層電極群端部が電池容器と衝突することによる破損・短絡によって、電池性能の低下や熱暴走などの電池異常状態への到達を避けることができる、という効果を得ることができる。 According to the present invention, the positive electrode plate, at least one of the negative electrode plate and the separator are fixed in a rectangular plate-shaped electrode assembly support for supporting stacked electrode group, the electrode group support, in a stainless steel cell container side Since the projection has a rectangular shape and the projection is fitted in a groove formed in the battery container, and is fixed to the battery container and positioned in the battery container, the stacked electrode group is formed in the battery container. It is possible to avoid the electrode group from colliding with the battery container due to vibration without moving greatly inside, and the electrode container support in the direction intersecting the extreme surface direction of the laminated electrode group or the battery Since it is in contact with the battery component fixed to the container, when the stacking direction, that is, the pole face direction is defined as the X axis direction in three dimensions, the direction intersecting the pole face direction is the Y axis direction or the Z axis direction. , This polar direction Avoid contact of the electrode group within the battery with respect to vibration in the Y-axis direction or Z-axis direction by contacting the battery container in the intersecting direction or the battery component member fixed to the battery container and the electrode group support. Therefore, it is possible to avoid reaching a battery abnormal state such as deterioration of battery performance or thermal runaway due to short circuit due to misalignment of positive electrode and negative electrode, or damage / short circuit due to collision of the end of the laminated electrode group with the battery container. The effect that can be obtained.
以下、図面を参照して、本発明を角型リチウムイオン二次電池に適用した実施の形態について説明する。 Embodiments in which the present invention is applied to a prismatic lithium ion secondary battery will be described below with reference to the drawings.
<正極板>
正極活物質としてリチウムマンガン複酸化物粉末と、導電材として鱗片状黒鉛と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを重量比85:10:5の割合で混合し、これに分散溶媒のN−メチルピロリドン(NMP)を添加、混練したスラリを、厚さ20μmのアルミニウム箔(正極集電体)の両面に塗布した。その後、乾燥、プレスし、矩形状に裁断することにより厚さ170μmの正極を得た。なお、正極集電体からは正極集電体耳部(図1の符号3参照)が張り出している。
<Positive electrode plate>
Lithium manganese complex oxide powder as a positive electrode active material, scaly graphite as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder are mixed at a weight ratio of 85: 10: 5. A slurry in which N-methylpyrrolidone (NMP) was added and kneaded was applied to both surfaces of an aluminum foil (positive electrode current collector) having a thickness of 20 μm. Then, it dried, pressed, and cut | judged to the rectangular shape, and obtained the positive electrode of thickness 170 micrometers. A positive electrode current collector ear (see
<負極板>
負極活物質として非晶質炭素粉末90質量部に対し、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを負極活物質に対し10質量部添加し、これに分散溶媒のNMPを添加、混練したスラリを、厚さ10μmの電解銅箔の両面に塗布した。その後乾燥、プレスし、矩形状に裁断することにより厚さ130μmの負極を得た。なお、負極集電体からは負極集電体耳部(図1の符号4参照)が張り出している。
<Negative electrode plate>
10 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder is added to 90 parts by mass of the amorphous carbon powder as the negative electrode active material, and the slurry obtained by adding and kneading the dispersion solvent NMP to the thickness is added. It apply | coated on both surfaces of 10 micrometers electrolytic copper foil. Thereafter, drying, pressing, and cutting into a rectangular shape, a negative electrode having a thickness of 130 μm was obtained. A negative electrode current collector ear (see
<電池の作製>
図1に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池20は、電池容器となる角型でステンレス製の電池缶8を備えている。電池缶8の中央部には、上部方向に集電体耳部が張り出した正極板5及び負極板6を、セパレータ7を介して複数枚積層した電極群12が収容されている。
<Production of battery>
As shown in FIG. 1, the lithium ion
セパレータ7はシート状のままでも電池作製が可能であるが、本実施形態のリチウムイオン二次電池20では、セパレータ7を固定することにより正極板又は負極板を位置決めすることができ生産性が向上すること、更に、セパレータ7を固定することにより正極板及び負極板の位置ずれも防止できることなどの利点を考慮し、セパレータ7を袋状に整形し、袋内に正極板5を内包する形態を採用した。
The
リチウムイオン二次電池20は、ステンレス製の電池容器の一部としての電池蓋9を備えており、電極群12を電池缶8に挿入した後、電池缶8の上部開口周縁とこの電池蓋9の周縁とを溶接することで封止されている。図1及び図2に示すように、電池蓋9には、アルミニウム製で上部側にネジが螺設された正極端子1、及び、銅製で上部側にネジが螺設された負極端子2が固定されている。正極端子1、負極端子2は、それぞれ、電池蓋9との間に介在する薄い円環状の下パッキン21、電池蓋9に当接する薄い円環状の上パッキン22、上パッキン22に当接する平ワッシャ23、平ワッシャ23に当接する歯付きワッシャ24を介してナット25で締め付けられており、上パッキン22及び下パッキン21の介在により正負極端子部の密閉・封止状態が確保されている。正極集電体耳部3及び負極集電体耳部4は、それぞれ超音波溶接により、正極端子1及び負極端子2の下部に接合されており、正極板5は正極端子1に、負極板6は負極端子2に導通されている。
The lithium ion
電極群12の中央には、電極群12を支持する矩形板状の電極群支持体30が配置されている。図3に示すように、電極群支持体30は電池蓋9側に矩形状に突出した突起30aを有している。電池蓋9には細長の溝部9aが形成されており、突起30aは溝部9aに嵌合している。従って、電極群支持体30は突起30aの溝部9aへの嵌合により電池缶8内で位置決めされ固定されている。なお、電極群支持体30に樹脂材料を用いれば、溝部9aに嵌合した突起30aを熱溶融することで溝部9aは封止されるが、電極群支持体30に金属材料を用いる場合には、別途シールを行えばよい。
A rectangular plate-shaped
本実施形態では、袋状のセパレータ7が電極支持体30に固定されている。セパレータ7と電極群支持体30との固定は、正極板5又は負極板6の活物質が配されている部分と当接していない箇所のセパレータを電極群支持体30にバンド締め、又は、リベットなどを用いて締結する方法もあるが、本実施形態ではこれらバンド及びリベットを用いない簡易かつ効率的な固定方法として熱溶着が用いられている。このため、電極群支持体30の材質に、バンド締めやリベットによる締結では金属材料を用いることも可能であるが、セパレータ7との固定に熱溶着を用いるため樹脂材料とした。樹脂材料として厚さ2mmのポリプロピレン製のものを使用した。また、本実施形態では、袋状のセパレータ7の少なくとも3辺の一部が電極群支持体30に熱溶着されている(図1の熱溶着部31参照)。セパレータ7の電極群支持体30に確実に固定するためには、熱溶着部31の袋状のセパレータ7の各辺に対する長さが各辺の1/2以上であることが好ましい。
In the present embodiment, the bag-
また、電池蓋9にはステンレス箔を溶接したガス排出弁10及び注液口が配設されている。ガス排出弁10は、電池内圧上昇時にこのステンレス箔が破断して内部のガスを放出する機能を有している。注液口からは、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合溶媒に6フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を溶解した図示しない非水電解液が注入されており、電解液注入後、液口栓11により注液口は密閉されている。電池容量は15.0Ahである。
The
次に、本実施形態に従い電極群支持体30の形状を種々変更して作製したリチウムイオン二次電池20の実施例について説明する。なお、以下に説明する実施例のうち、実施例3、実施例4は参考として示したものである。また、比較のために作製した比較例の電池についても併記する。
Next, examples of the lithium ion
<実施例1>
実施例1では、図3に示した電極群支持体30を用いて、すなわち、上記実施形態と同じ電池を作製した。
<Example 1>
In Example 1, using the
<実施例2>
実施例2では、電極群支持体30に代えて図4に示す電極群支持体32を用いて電池を作製した。電極群支持体32は、電極群12の極面方向と交わる方向、つまり、電池蓋9、電池缶8の底部、電池缶8の左右の短側面に当接するように配置したこと以外は実施例1と同様に電池を作製した。なお、電極群支持体32の材質及び厚さは電極群支持体30と同じである。
<Example 2>
In Example 2, a battery was produced using an
<実施例3>
実施例3では、電極群支持体30に代えて図5に示す電極群支持体33を用いた。電極群支持体33は、正極板及び負極板の活物質が配されない電極群外周に、電池蓋9、電池缶8の底部、電池缶8の左右の短側面と当接するように配置した。なお、電極群支持体33の材質及び厚さは電極群支持体30と同じである。実施例1、2では電極群支持体30、32は活物質合剤層が配される部分にあるが、実施例3では活物質合剤層に電極群支持体33がなく、この空間を充填するために正極板、負極板、セパレータを増加した。このため、実施例3の電池容量は15.5Ahとなった。これ以外は実施例1と同様に電池を作製した。
<Example 3>
In Example 3, an
<実施例4>
実施例4では、電極群支持体30に図6に示す電極群支持体34を用いた。電極群支持体34は、電池缶8の左右の短側面の内側寸法と同寸法の板状部材を図5に示した電極群支持体33に取り付け、積層電極群の極面方向と交わる方向以外の面、すなわち、電池缶8の長側面、とも当接するように形成したこと以外は、実施例4と同様に電池を作製した。なお、電極群支持体34の材質及び厚さは電極群支持体30と同じである。
<Example 4>
In Example 4, the
<比較例1>
比較例1では、図1及び図2において電極群支持体30を用いず、かつ、セパレータ7を袋状にしなかったこと以外は実施例1と同様に電池を作製した。
<Comparative Example 1>
In Comparative Example 1, a battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the
<試験・評価>
以上のように作製した実施例及び比較例の各電池について、振動試験をした。振動試験条件は、3次元の各方向に加速度29.4m/s2、周波数5〜50Hz、掃引速度0.5Hz/sとした。振動試験前後の電池電圧を比較し、電圧低下の有無を確認するとともに、電池容量確認試験をした。振動試験後の電池を解体し、導電経路の切断や、正極板5及び負極板6の破損の有無を確認した。その結果を表1に示す。
<Test and evaluation>
A vibration test was performed on each of the batteries of Examples and Comparative Examples manufactured as described above. The vibration test conditions were an acceleration of 29.4 m / s 2 in each of three dimensions, a frequency of 5 to 50 Hz, and a sweep speed of 0.5 Hz / s. The battery voltages before and after the vibration test were compared to confirm the presence or absence of a voltage drop, and a battery capacity confirmation test was performed. The battery after the vibration test was disassembled, and the presence or absence of breakage of the conductive path or damage of the
表1に示すように、比較例1の電池は、振動試験前後で電圧低下と電池容量低下を起こした。解体後の調査により正極板の集電体耳部と負極板の集電体耳部の部分切断と正極板及び負極板の活物質合剤層の破損を確認した。しかしながら、実施例1〜4は、振動試験前後で電圧低下及び電池容量低下を起こさず、正極板の集電体耳部と負極板の集電体耳部の破断と正極板及び負極板の破損もなかった。 As shown in Table 1, the battery of Comparative Example 1 caused a voltage drop and a battery capacity drop before and after the vibration test. Investigation after the disassembly confirmed the partial cutting of the current collector ear of the positive electrode plate and the current collector ear of the negative electrode plate and the breakage of the active material mixture layer of the positive electrode plate and the negative electrode plate. However, in Examples 1 to 4, the voltage drop and the battery capacity did not decrease before and after the vibration test, the current collector ear of the positive electrode plate and the current collector ear of the negative electrode plate were broken, and the positive electrode plate and the negative electrode plate were damaged. There was not.
以上により、本実施形態(実施例1〜4)の電池は、正極板5、負極板6及びセパレータ7の少なくともいずれかが電極群支持体に固定され、電極群支持体が電池容器内で位置決め、あるいは電極群支持体が、積層電極群の極面方向と交わる方向の電池容器(電池缶8、電池蓋9)に固定された電池構成部材に当接しているため、電極群が電池内部で移動することが避けられ、正極と負極の積層ずれによる短絡、あるいは積層電極群端部が電池容器と衝突することによる破損・短絡によって、電池性能の低下や発火などの電池異常状態への到達を避けることができる。また、電極群支持体33を電極群12の外周に配置することにより、正極板5及び負極板6の活物質合剤層が積層されている箇所にはないため活物質合剤層の反応を損なうことなく、また、積層電極群厚みを活物質合剤層部以外の部材で増加させることがないため、同一電極群体積で容量を増加することができる。更に、電極群支持体30との固定方法を熱溶着としたので、部品点数を増加させることがない。また更に、セパレータ7を袋状としたので生産性が向上し、セパレータ7を固定することにより正極板5及び負極板6の位置ずれも防止できることがわかった。
As described above, in the battery of this embodiment (Examples 1 to 4), at least one of the
なお、本実施形態では、セパレータ7を電極支持体30に固定した例を示したが、正極板5又は負極板6を電極支持体30に固定するようにしてもよい。この場合には、正極集電体耳部3または負極集電体耳部4を電極群支持体30にバンド締め又はリベットなどを用いて締結(固定)するようにしてもよい。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、突起30aを電池蓋9に固定した例を示したが、電池缶8の底側に、又は、電池蓋9と電池缶8の底面の両方に固定するようにしてもよい。更に、本実施形態では、袋状のセパレータ7の3辺が電極群支持体30に熱溶着した例を示したが、4辺を電極群支持体30に熱溶着するようにしてもよい。
Moreover, although the example which fixed the
また、本実施形態では、リチウムイオン二次電池20を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池などのアルカリ電池や鉛蓄電池等に適用しても良い。更に、電極群支持体30の材質は、例示したものに限定されるものではなく、例えば、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のプラスチック類、木材、金属なども使用可能である。更に、電極群支持体の形状は上記実施形態乃至実施例に限定されるものではなく、その効果を有する他の形状も当然のことながら取りうるものである。
Moreover, in this embodiment, although the lithium ion
そして、本実施形態では、電極群支持体30は電池缶8と電池蓋9とに当接して位置決めされているが、それに限らず、電池蓋9に間接的に当接することで、すなわち、電池蓋9に固定された電池構成部材と当接することにより位置決めされていてもよい。
In the present embodiment, the
本発明は積層電極群を構成する極板の積層ずれや短絡を起こすことなく、電池容器内で積層電極群を安定した固定が可能な二次電池を提供するものであるため、二次電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。 The present invention provides a secondary battery capable of stably fixing a laminated electrode group in a battery container without causing a stacking shift or a short circuit of electrode plates constituting the laminated electrode group. Since it contributes to manufacturing and sales, it has industrial applicability.
5 正極板
6 負極板
7 セパレータ
8 電池缶(電池容器の一部)
9 電池蓋(電池容器の一部)
9a 溝部
12 電極群(積層電極群)
20 リチウム二次電池(二次電池)
30、32、33、34 電極群支持体
30a 突起
5
9 Battery cover (part of battery container)
20 Lithium secondary battery (secondary battery)
30, 32, 33, 34 Electrode group support
30a protrusion
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