JP4835472B2 - 電池ユニット - Google Patents
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Description
本発明は、バイポーラ電池のような積層型2次電池を複数積層した電池ユニット(組電池)に関する。
従来から、電解質層を介してシート状の電極を積層した積層型2次電池や、この積層型2次電池を複数接続した電池ユニット(組電池)は知られている。この積層型2次電池や電池ユニットの一例が、たとえば特開2004−134210号公報に記載されている。
上記電池ユニットの中には、電流経路を物理的に遮断可能な安全プラグを備えたものがある。この安全プラグの一例が、たとえば特開2003−346748号公報に記載されている。また、特開2002−343331号公報、特開2004−7919号公報、特開2004−7920号公報には、車両のバッテリの安全プラグが記載されている。
特開2004−134210号公報
特開2003−346748号公報
特開2002−343331号公報
特開2004−7919号公報
特開2004−7920号公報
積層型2次電池を複数接続した電池ユニットにおいては、実用上は安全プラグが必要であると考えられるが、シート状の電極の厚みが薄いことから、安全プラグと電極とを直接接続するのは困難である。
そこで、特開2003−346748号公報記載の組電池ユニットのように、左右の電池セル群と接続された第1と第2配線を別途設け、この配線の端部同士を安全プラグで接続するようにしている。
しかし、安全プラグ用の配線が別途必要となるばかりでなく、当該配線を設置するためのスペースを確保する必要も生じ、結果として電池ユニットが大型化したのと等価な状態となるという問題がある。また、安全プラグと配線との接続部を設ける必要も生じ、他の部品等の要素との関係によっては配線の引回しが困難となる場合もあるといった様々な問題も生じうる。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、電池内部の電流経路を遮断/接続可能なプラグを備えたコンパクトな電池ユニット(組電池)を提供することを目的とする。
本発明に係る電池ユニット(組電池)は、ケーシングと、該ケーシング内に収容され電解質の両側にシート状の電極を有する複数の電池要素を積層した第1と第2積層型電池と、第1と第2積層型電池間に取外し可能に挿入され第1と第2積層型電池を電気的に接続可能なプラグとを備える。
上記プラグと、第1および第2積層型電池との間に、導電性を有し弾性変形可能な接続部材を設置することが好ましい。この場合、接続部材を介して、プラグと、第1および第2積層型電池とを電気的に接続する。
上記ケーシングは、好ましくは、第1と第2積層型電池間に、プラグを受入れ可能な凹部を有する。この場合、凹部内に接続部材の少なくとも一部を露出させ、プラグを凹部内に挿入した際に、プラグと接続部材とを当接させることで電気的に接続する。
上記第1積層型電池は、第2積層型電池との間に、導電性を有し弾性変形可能な第1接続部材を有し、第2積層型電池は、第1積層型電池との間に、導電性を有し弾性変形可能な第2接続部材を有するものであってもよい。この場合、第1と第2積層型電池間にプラグを挿入した際に、第1と第2接続部材によりプラグを挟持することで、プラグと、第1および第2積層型電池とを電気的に接続すればよい。
上記ケーシングは、好ましくは、第1と第2積層型電池間に、プラグを受入れ可能な凹部を有する。この場合、凹部内に第1と第2接続部材の少なくとも一部を露出させ、プラグを凹部内に挿入した際に、プラグと、第1と第2接続部材とを当接させるようにすればよい。
上記プラグは、ヒューズ部と、該ヒューズ部を介して接続される第1と第2導電部とを有するものであってもよい。この場合、第1と第2積層型電池間にプラグを挿入した際に、第1導電部を第1積層型電池と電気的に接続し、第2導電部を第2積層型電池と電気的に接続すればよい。
上記第1と第2積層型電池としては、たとえばバイポーラ電池を挙げることができる。
本発明に係る電池ユニット(組電池)は、上記のようなプラグを備えているので、該プラグを第1と第2積層型電池間に挿入するだけで第1と第2積層型電池を電気的に接続することができ、また第1と第2積層型電池間からプラグを取り外すことで第1と第2積層型電池を電気的に絶縁することができる。つまり、第1および第2積層型電池とプラグとの接続部を第1と第2積層型電池間に配置することができる。それにより、たとえば第1および第2積層型電池とプラグとを接続するための配線を電池の周囲に引出す必要がなくなり、そのために要求されるスペースや配線等の要素が不要となる。その結果、電池ユニットをコンパクト化することができる。
以下、本発明の実施の形態について図1〜図7を用いて説明する。なお、下記の各図において同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、重複説明は省略する。また、実施の形態の各構成要素は、全てが必須のものであるとは限らず、一部の構成要素を省略可能な場合もある。
図1に、本発明の1つの実施の形態における電池ユニット(組電池)1を示す。図1に示すように、電池ユニット1は、凹部4を有し典型的には樹脂等の絶縁材料で形成されるケーシング(被覆層:筐体)2と、該ケーシング2から突出する複数の端子部30a,30bと、プラグ5とを備える。
図1の例では、端子部30aが正極の端子部であり、端子部30bが負極の端子部である。各端子部30a,30bは、同じ方向に突出しているが、反対方向に突出させてもよく、必要に応じて任意の方向に向くように設けることができる。しかし、端子部30aと端子部30bとはそれぞれ上下に重ならないように配置されることが好ましい。この端子部を介して、電池ユニット1から放電される電流を外部に供給することができ、また充電する際には外部から電池ユニット1に電流を供給することができる。
凹部4は、ケーシング2の表面に開口し、プラグ5の少なくとも一部を受入れ可能な大きさを有する。図1の例では、略矩形の開口形状を有しているが、プラグ5を受入れることができるものであれば、凹部4の開口形状を任意の形状とすることができる。凹部4の深さについても、プラグ5を受入れて、その機能を発揮させ得るものであれば、任意に設定可能である。たとえば、プラグ5の全体を収納可能な深さであってもよく、プラグ5を挿入した際にプラグ5の一部がケーシング2の表面から突出するものであってもよい。
図2に、図1のII−II線に沿って見た断面構造例を示し、図3に電池ユニット1の等価回路図を示す。
図2および図3に示すように、電池ユニット1は、2次電池である複数のバイポーラ電池(積層型電池)6a,6bを含む組電池であり、このバイポーラ電池6a,6b間に、安全プラグとして機能し得るプラグ5が着脱可能に装着されている。図2の例では、2つのバイポーラ電池6a,6bが上下に積層されているが、バイポーラ電池6a,6bの数は任意に選択可能である。
各バイポーラ電池6a,6bは、集電体(集電電極)3a1,3b1,3a2,3b2をそれぞれ備えており、図1および図2の例では、この集電体3a1,3b2の先端部がそれぞれ端子部30a,30bとなる。集電体3a1,3b1,3a2,3b2は、典型的には板状の導電部材で構成可能であるが、板状以外の形態の集電体も採用可能である。なお、図1および図2の例では、集電体3a1,3a2は正極集電電極として機能し、集電体3b1,3b2は負極集電電極として機能する。
ここで、図4を用いて、バイポーラ電池の構造例について説明する。なお、バイポーラ電池6a,6bは基本的に同様の構成を有するので、バイポーラ電池6aの構造例についてのみ説明する。
図4の例では、バイポーラ電池6aは、複数の単位電池(電池要素:電解質と、その両側に配置された正極および負極とを含む構成)12と、各単位電池12間に設けられた集電箔(集電体)11とを積層して形成されている。バイポーラ電池6aの上下端には、集電箔11よりも厚みが大きく板状に形成された上述の集電体3a1,3b1が配置される。
単位電池12は、板状に形成された電解質層9と、電解質層9の一方の主表面上に形成された正極活物質層8と、電解質層9の他方の主表面上に形成された負極活物質層10とを備える。1つの単位電池12の厚みtは、たとえば数十μm程度である。各単位電池12は、集電箔11を介して直列に接続される。
次に、バイポーラ電池6aの各要素の材質例について説明する。上記集電箔11は、たとえばアルミニウムで形成することができる。この場合、集電箔11の表面に設けられる活物質層が固体高分子電解質を含んでも、集電箔11の機械的強度を十分に確保することができる。集電箔11は、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)もしくはこれらの合金等、アルミニウム以外の金属の表面にアルミニウムを被膜することによって形成されてもよい。
負極活物質層10は固体高分子電解質を含む。負極活物質層10は、イオン伝導性を高めるための支持塩(リチウム塩)、電子伝導性を高めるための導電助剤、スラリー粘度の調整溶媒としてのNMP(N−メチル−2−ピロリドン)、重合開始剤としてのAIBN(アゾビスイソブチロニトリル)等を含んでもよい。
負極活物質層10としては、リチウムイオン2次電池で一般的に用いられる、リチウムと遷移金属との複合酸化物を使用することができる。また、負極活物質層10として、LiCoO2等のLi・Co系複合酸化物、LiNiO2等のLi・Ni系複合酸化物、スピネルLiMn2O4等のLi・Mn系複合酸化物、LiFeO2等のLi・Fe系複合酸化物なども使用可能である。その他、LiFePO4等の遷移金属とリチウムとのリン酸化合物や硫酸化合物;V2O5、MnO2、TiS2、MoS2、MoO3等の遷移金属酸化物や硫化物、PbO2、AgO、NiOOH等も使用可能である。
固体高分子電解質としては、イオン伝導性を示す高分子であれば、特に限定されず、たとえば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、これらの共重合体などが挙げられる。このようなポリアルキレンオキシド系高分子は、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2等のリチウム塩を容易に溶解する。固体高分子電解質は、負極活物質層10と正極活物質層8の少なくとも一方に含まれればよいが、好ましくは、負極活物質層10と正極活物質層8の双方に含まれる。
支持塩としては、Li(C2F5SO2)2N、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2C2F5)2、もしくはこれらの混合物等を使用することができる。導電助剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト等を使用することができる。
正極活物質層8は固体高分子電解質を含む。この正極活物質層8も、イオン伝導性を高めるための支持塩(リチウム塩)、電子伝導性を高めるための導電助剤、スラリー粘度の調整溶媒としてのNMP(N−メチル−2−ピロリドン)、重合開始剤としてのAIBN(アゾビスイソブチロニトリル)等を含んでもよい。
正極活物質層8としても、リチウムイオン2次電池で一般的に用いられる材料を使用することができる。固体電解質を使用する場合には、正極活物質層8として、カーボンもしくはリチウムと金属酸化物もしくは金属との複合酸化物を用いることが好ましい。より好ましくは、正極活物質層8は、カーボンもしくはリチウムと遷移金属との複合酸化物を用いる。遷移金属としてはチタンを挙げることができる。
電解質層9を形成可能な固体電解質としては、たとえば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、これらの共重合体等、固体高分子電解質を使用することができる。固体電解質は、イオン伝導性を確保するための支持塩(リチウム塩)を含む。支持塩としては、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、もしくはこれらの混合物等を使用することができる。
下記の表1から表3に、負極活物質層10を形成可能な材料(負極材料)、正極活物質層8を形成可能な材料(正極材料)および電解質層9を形成可能な材料(固体電解質または高分子基材)の具体例を示す。
なお、表1には電解質層9が有機系固体電解質である場合の各要素の具体例を示し、表2には電解質層9が無機系固体電解質である場合の各要素の具体例を示し、表3には、電解質層9がゲル状電解質である場合の各要素の具体例を示す。
ここで再び図2を参照して、該ケーシング2は、バイポーラ電池6a,6bの側面、上面および底面を覆うように設けられ、典型的には絶縁材料(絶縁層)で構成される。具体的には、樹脂のような絶縁材料でケーシング2を作製可能である。しかし、樹脂以外の絶縁材料でケーシング2を構成してもよい。また、単層または複数層の絶縁材料で構成されるケーシング2でバイポーラ電池6a,6bを被覆するようにしてもよい。
図2の例では、ケーシング2は、高さ方向の中央部に凹部4を有するが、凹部4の形成位置は任意に選択可能である。また、凹部4の数も、1つに限らず、プラグ5の数に応じて任意に設定可能である。図2に示す凹部4は、バイポーラ電池6a,6b間に位置するケーシング2に凹状に設けられ、バイポーラ電池6a,6bの電極と略平行な方向に延在する。
バイポーラ電池6aは接続部材(接続部)7aを有し、バイポーラ電池6bは接続部材(接続部)7bを有する。この接続部材7a,7bは、バイポーラ電池6a,6b間に設けられる。
接続部材7aは、バイポーラ電池6aにおいて最もバイポーラ電池6b側に位置する電極である集電体3b1と電気的に接続され、導電性を有する金属等の部材で構成される。接続部材7bは、バイポーラ電池6bにおいて最もバイポーラ電池6a側に位置する電極である集電体3a2と電気的に接続され、接続部材7aと同様に、導電性を有する金属等の部材で構成される。図2の例では、この接続部材7a,7bは、互いに対向するようにバイポーラ電池6a,6b間に設けられている。
接続部材7aは、図5(a)に示すように、プレス加工等の手法で集電体3b1の一部を変形させて立ち上げる等して集電体3b1と一体的に設けてもよいが、図5(b)に示すように、溶接やロウ付け等の手法で集電体3b1に別部材を接合して設けるようにしてもよい。接続部材7bも同様の手法で形成可能である。
図5(a)の例では、接続部材7aの直下に位置する集電体3b1には貫通孔13が設けられるが、図5(b)の例では、接合部20を介して集電体3b1に別部材を接合して接続部材7aを形成しているので、接続部材7aの直下に位置する集電体3b1には貫通孔が存在しない。接続部材7bの場合も同様である。
接続部材7a,7bは、単一の導電部材で構成してもよいが、複数の部材を組み合わせて接続部材7a,7bを形成してもよい。また、接続部材7a,7bは、バイポーラ電池6a,6bとプラグ5とを電気的に接続する機能を有することから、当該機能を有効に発揮させるべく、凹部4内にプラグ5を挿入した際にプラグ5と確実に接触させるようにすることが望ましい。
たとえば、凹部4内にプラグ5を挿入した際に、ある程度以上の力が作用した状態でプラグ5と接続部材7a,7bとを当接可能となるように、プラグ5に対し弾性力を付与可能な構成を採用することが望ましい。より具体的には、たとえば凹部4内にプラグ5を挿入した際に、プラグ5が接続部材7a,7bの一部に当たるような位置に予め接続部材7a,7bを配置しておき、プラグ5の挿入により接続部材7a,7bを弾性変形させてプラグ5に弾性力を与えるようにすればよい。つまり、接続部材7a,7bに方持ち状態の板バネのような機能を持たせることが考えられる。
図2の例では、接続部材7a,7bを、集電体3b1,3a2の主面から斜め方向にバイポーラ電池6b側に立上るように湾曲させ、凹部4内にプラグ5を挿入した際に、接続部材7a,7bを弾性変形させるようにしている。しかし、これ以外の任意の構成を採用してプラグ5に弾性力を付与するようにしてもよい。また、これとは逆に、プラグ5側に上記の接続部材7a,7bに対応する構成を設けて集電体3b1,3a2と接触させ、プラグ5側から集電体3b1,3a2側(バイポーラ電池側)に弾性力を付与するようにしてもよい。なお、図2の例では、プラグ5の挿入方向に接続部材7a,7bを延在させているが、これにより凹部4内にスムーズにプラグ5を挿入することができ、凹部4内に容易にプラグ5を挿入することができる。
図2に示すように、接続部材7a,7bは、集電体3b1,3a2と略平行な方向に延びる平坦な部分、つまり凹部4内にプラグ5を挿入した際に該プラグ5と略平行な方向に延びる部分を有しているが、このような部分を設けることで、プラグ5と接続部材7a、7bとの接触面積を確保することができる。なお、図2の例では、接続部材7a,7bを湾曲状として概ね平坦な部分を設けるようにしているが、接続部材7a,7bの先端部あるいはその近傍を屈曲する等して平坦な部分を設けてもよい。
接続部材7a、7bの表面の一部は、図2に示すように、凹部4内に露出している。そのため、凹部4内にプラグ5を挿入した際に、容易にプラグ5を接続部材7a,7bと接触させることができる。なお、図2の例では、接続部材7a,7bの先端はケーシング2から離隔して自由端となっているが、接続部材7a,7bの先端をケーシング2内に埋め込む等してケーシング2に対して固定してもよい。このように接続部材7aの先端を固定することにより、対向する位置関係にある接続部材7a,7bが不必要に接触するのを回避することができる。
図2に示すように、互いに対向する位置に接続部材7a,7bを設けることで、凹部4内にプラグ5を挿入した際に接続部材7a,7bでプラグ5を挟持することができる。それにより、接続部材7a,7bの双方によってプラグ5の両側から弾性力を付与しながら接続部材7a,7bをプラグ5に当接することができ、接続部材7a,7bとプラグ5とを確実に当接させることができる。
なお、図2の例では、接続部材7a,7bが同じ形状を有しているが、これらの形状を異ならせてもよい。また、図2の例では、接続部材7a,7bが図2の上下方向に互いに重なる位置に設けられているが、接続部材7a,7bの形成位置は適宜変更可能である。たとえば接続部材7a,7bの形成位置を、図2の左右方向(集電体3b1,3a2の延在方向と平行な方向)にずらせることも考えられる。図2の上下方向に重なるように接続部材7a,7bを設けた場合には、プラグ5の一部を接続部材7a,7bで上下から挟持するように接続部材7a,7bをプラグ5の上下面に当接することができる。他方、接続部材7a,7bの形成位置を図2の左右方向にずらせた場合にはプラグ5の上下面の異なる箇所に接続部材7a,7bをそれぞれ当接することができる。さらに、上述の例では、接続部材7a,7bとプラグ5とを直接接続させる例について説明したが、導電部材等を介して間接的に接続部材7a,7bとプラグ5とを接続するようにしてもよい。
次に、図6を用いて、プラグ5の構造例について説明する。図6に示すように、プラグ5は、典型的には、手で把持することができ絶縁体で構成されるグリップ部5aと、導電性を有する部材で構成される本体部5bとを備える。
グリップ部5aの形状としては、手で把持可能な形状であれば任意の形状を採用することができ、また材質についてでも、絶縁材料であれば樹脂等の任意の材料を採用可能である。
本体部5bについては、導電部分を有しており、複数のバイポーラ電池間を電気的に接続可能なものでれば、任意の形態のものを採用可能である。典型的には、図6等に示すように、本体部5bは平板状であるが、本体部5bを、湾曲状や屈曲状等の任意の形態の導電性板材、棒状導電体やブロック状導電体等の任意の形態の導電部材で構成してもよい。また、単数の導電部材で本体部5bを構成してもよいが、複数の導電部材を組合せて構成してもよく、導電部材と絶縁体との複合材料で構成してもよい。
図6には、本体部5bにヒューズ部5cを設けた例を図示しているが、ヒューズ部5cは省略可能である。また、図6の例では、板状の本体部5bに複数の貫通孔5dを設けることでこれらの間に細幅部を設け、この細幅部をヒューズ部5cとして機能させているが、これ以外の任意の手法でヒューズ部5cを設けてもよい。たとえば本体部5bに比較的大きな貫通孔を設け、該貫通孔内に別の導電部材を配置し、該導電部材と本体部5bとを導電性で細幅の接続部材で接続し、この接続部材をヒューズ部として機能させてもよい。
図6のようにヒューズ部5cを設けた場合には、接続部材7a,7bで本体部5bを単純に上下から挟持するのではなく、接続部材7a,7bと本体部5bとの接触箇所を本体部5bの上下面(主面)と平行な方向にずらす等の工夫が必要となる。具体的には、本体部5bにおいてヒューズ部5cの両側に位置する部分を、それぞれ接続部材7a,7bと接触させればよい。たとえば図6の例においては、斜線を施した領域5e(第1導電部)を接続部材7aと接触させ、領域5f(第2導電部)を接続部材7bと接触させればよい。それにより、ヒューズ部5cを介して接続部材7a,7bを電気的に接続することができ、また所定以上の電流がプラグ5に流れた場合には、ヒューズ部5cが溶断されてバイポーラ電池6a,6b間を電気的に絶縁状態とすることができる。
なお、図6等に示すプラグ5は、たとえば、プレス加工によって複数の貫通孔5dを形成した板状導電部材にインサート成形を施す等して樹脂製のグリップ部5aを設けるという手法で作製可能である。
次に、本実施の形態の電池ユニット1の使用例について説明する。図7に示すように、本実施の形態の電池ユニット1は、自動車14のような車両に搭載可能である。自動車14としては、たとえば充放電可能な電源を動力源とする電気自動車や、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な電源とを動力源とするハイブリッド車両等を挙げることができる。
図7に示すように、自動車14の搭乗空間(車室)16内には、フロントシート18とリアシート19とが配置される。このフロントシート18下に、電池ユニット1を配置することができる。
図7の例では、電池ユニット1は、フロントシート18下に配置されたカバー15と床面17とで囲まれた状態となっている。フロントシート18の下の領域は、自動車14の他の領域と比較して電池ユニット1を収納する空間を確保しやすい。また、フロントシート18の下に電池ユニット1を配置することにより、車体が強い衝撃を受けた場合でも電池パック1を衝撃から保護することができる。
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示した実施の形態はすべての点での例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
1 電池ユニット、2 ケーシング、3a1,3a2,3b1,3b2 集電体、4 凹部、5 プラグ、5a グリップ部、5b 本体部、5c ヒューズ部、5d,13 貫通孔、5e,5f 領域、6a,6b バイポーラ電池、7a,7b 接続部材、8 正極活物質層、9 電解質層、10 負極活物質層、11 集電箔、12 単位電池、14 自動車、15 カバー、16 搭乗空間、17 床面、18 フロントシート、19 リアシート、20 接合部、30a,30b 端子部。
Claims (7)
- ケーシングと、
前記ケーシング内に収容され、電解質の両側にシート状の電極を有する複数の電池要素を積層した第1と第2積層型電池と、
前記第1と第2積層型電池間に取外し可能に挿入され、前記第1と第2積層型電池を電気的に接続可能なプラグとを備えた、電池ユニット。 - 前記プラグと、前記第1および第2積層型電池との間に、導電性を有し弾性変形可能な接続部材を設置し、
前記接続部材を介して、前記プラグと、前記第1および第2積層型電池とを電気的に接続した、請求項1に記載の電池ユニット。 - 前記ケーシングは、前記第1と第2積層型電池間に、前記プラグを受入れ可能な凹部を有し、
前記凹部内に前記接続部材の少なくとも一部を露出させ、
前記プラグを前記凹部内に挿入した際に、前記プラグと前記接続部材とを当接させることで電気的に接続するようにした、請求項2に記載の電池ユニット。 - 前記第1積層型電池は、第2積層型電池との間に、導電性を有し弾性変形可能な第1接続部材を有し、
前記第2積層型電池は、第1積層型電池との間に、導電性を有し弾性変形可能な第2接続部材を有し、
前記第1と第2積層型電池間に前記プラグを挿入した際に、前記第1と第2接続部材により前記プラグを挟持することで、前記プラグと、前記第1および第2積層型電池とを電気的に接続するようにした、請求項1に記載の電池ユニット。 - 前記ケーシングは、前記第1と第2積層型電池間に、前記プラグを受入れ可能な凹部を有し、
前記凹部内に前記第1と第2接続部材の少なくとも一部を露出させ、
前記プラグを前記凹部内に挿入した際に、前記プラグと前記第1および第2接続部材とを当接させるようにした、請求項4に記載の電池ユニット。 - 前記プラグは、ヒューズ部と、該ヒューズ部を介して接続される第1と第2導電部とを有し、
前記第1と第2積層型電池間に前記プラグを挿入した際に、前記第1導電部を前記第1積層型電池と電気的に接続し、前記第2導電部を前記第2積層型電池と電気的に接続するようにした、請求項1から請求項5のいずれかに記載の電池ユニット。 - 前記第1と第2積層型電池はバイポーラ電池である、請求項1から請求項6のいずれかに記載の電池ユニット。
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