JP6650399B2 - 組電池及びそれを複数含む蓄電ユニット - Google Patents
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Description
前記ラミネート電池が、
前記ラミネート電池の平板状の面に対して平行に配された負極/セパレータ/正極の積層体と、
前記積層体が封入されたラミネートフィルムからなる外装と、
前記積層体と電気的に接続され、かつ、前記外装の一側部側から延出された電極端子と、を有し、
前記外装が、その内部に、前記積層体が存在する空間である電池部、及び
連通部により前記電池部と連通する体積可変な空間であり、前記一側部側とは反対側の他側部側に配置された袋部とを有し、
前記組電池が、その鉛直方向上面側に前記他側部側が配され、かつ、その鉛直方向下面側に前記一側部側が配されるように前記ラミネート電池が並べられてなり、
さらに、前記組電池に充放電するための電力ケーブルが、前記鉛直方向下面側に配されていることを特徴とする組電池に関する。
押圧した際の面圧の面内分布が、該面圧が最小である最小点を含む極小鞍部を含み、かつ、前記極小鞍部に前記連通部が位置する組電池とすることである。
本発明の組電池は、
平板状のラミネート電池を、前記ラミネート電池の平板状の面に対して垂直な方向に、複数個並べた組電池であって、
前記ラミネート電池が、
前記ラミネート電池の平板状の面に対して平行に配された負極/セパレータ/正極の積層体と、
前記積層体が封入されたラミネートフィルムからなる外装と、
前記積層体と電気的に接続され、かつ、前記外装の一側部側から延出された電極端子と、を有し、
前記外装が、その内部に、前記積層体が存在する空間である電池部、及び
連通部により前記電池部と連通する体積可変な空間であり、前記一側部側とは反対側の他側部側に配置された袋部とを有し、
前記組電池が、その鉛直方向上面側に前記他側部側が配され、かつ、その鉛直方向下面側に前記一側部側が配されるように前記ラミネート電池が並べられてなり、
さらに、前記組電池に充放電するための電力ケーブルが、前記鉛直方向下面側に配されている。
本発明では、組電池において複数個のラミネート電池が並んだ状態のものを電池集合体という。前記電池集合体に含まれるラミネート電池は、本発明の組電池内において、その複数個が、直列接続、並列接続、又はこれらを組み合わせた接続で、電気的に接続されていることが好ましい。
本発明に用いるラミネート電池は、その外観が平板状の本体部と、この本体部の一側部側に配置された電極端子とを少なくとも備える。
好ましくは、前記積層体を挟持したラミネート長さのラミネートフィルム2枚の少なくとも4辺において、ラミネートフィルム間が融着されることでシールされ、前記封入が為されたものである。即ち、前記本体部は、その内部の空間として、少なくとも、負極、正極、セパレータからなる積層体、及び積層体が存在する電池部を含み、さらに、前記積層体が存在しない袋部とを有する。
前記ラミネート電池の積層体に用いる正極は、集電体上に、少なくとも正極活物質が含まれる正極活物質層が形成されているものであればよい。この正極活物質層の性能向上のために、導電助材やバインダーが含まれてもよい。
前記ラミネート電池の積層体に用いる負極は、集電体上に、少なくとも負極活物質が含まれる負極活物質層が形成されている。この負極活物質層の性能向上のために、この層を構成する材料には、前記正極に用いられるような導電助材やバインダーが含まれてもよい。
前記ラミネート電池に用いるセパレータは、前記正極と前記負極との間に設置され、絶縁性かつ後述の非水電解質を含むことが出来る構造であればよく、例えば、ナイロン、セルロース、ポリスルホン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリエチレンテレフタラート、及びそれらを2種類以上複合したものの織布、不織布、微多孔膜等が挙げられる。サイクル特性の安定性が優れることから、ナイロン、セルロース、ポリスルホン、ポリエチレン、ポリポロピレン、ポリブテン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリエチレンテレフタラート、及びそれらを2種類以上複合したものの不織布であることが好ましい。
前記ラミネート電池に用いる非水電解質は、特に限定されないが、非水溶媒に溶質を溶解させた非水電解液、非水溶媒に溶質を溶解させた電解液を高分子に含浸させたゲル電解質等を用いることができる。
前記ラミネート電池の外装は、ラミネートフィルムからなり、その内部に、前記積層体が存在する空間である電池部、及び連通部により前記電池部と連通する体積可変な空間であり、前記一側部側とは反対側の他側部側に配置された袋部とを有する。
前記金属箔は、外部からの水分の侵入を防ぎつつシート全体の強度を向上させるものであれば特に限定されないが、水分遮断性と重量ならびにコストの面からアルミ箔が好適に用いられ得る。シート全体の強度が確保できるのであれば、金属箔のかわりに蒸着やスパッタリング等により金属層を設けたものでもよい。
前記熱可塑性樹脂層の組成については特に限定されないが、ヒートシール可能な温度範囲並びに非水電解質の遮断性の観点から、ポリエチレンやポリプロピレンが好適に用いられ得る。
また、ラミネートフィルムの大きさについては、前記電池部、連通部及び袋部を設けるだけの面積があればよく、特に限定はない。
前記電池部は、前記外装を構成する2枚のラミネートフィルムで前記積層体を封入した部分である。
前記ラミネート電池の電池部にあたるラミネートフィルムには、ラミネート電池の内部に、前記積層体が存在する空間を設けるために積層体の厚み分の絞り加工が施されていてもよい。この場合、二枚のラミネートフィルムのうちの片面にのみ絞り加工がなされていても良いし、両面に絞り加工がなされていても良い。
前記ラミネート電池では、前記電池部の前記積層体で充放電時に発生するガスを集めるための袋部が設けられている。前記袋部は、前記外装のラミネートフィルムで囲まれた空間であり、前記電池部の前記積層体を封入している内部空間と前記袋部の内部空間とは、前記連通部を介して連通している状態となっている。このような構成であるために、前記電池部の前記積層体で発生したガスが、前記連通部を介して前記袋部に流入することが可能になる。
前記袋部にあたるラミネートフィルムには、絞り加工が施されていても、いなくても良い。例えば、前記袋部は、後述の組電池の設計に対して、ガスが流入した場合に体積が可変してより多量のガスを流入し易い空間とするために、袋部の大きさを自由に設定できように、絞り加工がないほうが好ましい。
前記電池部と前記袋部との間には連通部を設ける。この連通部は、前記電池部の空間と、前記袋部の空間とを繋ぐ、前記外装のラミネートフィルムで囲まれた空間である。
ここで、前記電池部、袋部及び連通部では、いずれも外装を形成する2層のラミネートフィルムどうしは溶着されていない非溶着部となっている。一方、前記電池部、前記袋部及び前記連通部の周囲は、外装を形成する2層のラミネートフィルムどうしが溶着された溶着部となっており、前記外装の内部において、前記電池部、前記連通部及び前記袋部がラミネートフィルムの溶着部と、ラミネートフィルムが溶着されていない非溶着部とにより区分けされている。
前記電極端子が配置されている前記一側部側から、反対側の他側部側の方向に対して垂直な方向の非溶着部の長さは、前記連通部の幅に相当する。本発明では、前記のような比率に調整された連通部にすることで、前記連通部の幅が狭くなるため、一度前記袋部に捕集されたガスが、電池部へ逆流することが抑制される。ただし、前記非溶着部と前記溶着部との長さの比が50/50より大きくなる場合、連通部の幅が大きくなるため、電池部内の電解液が袋部へ逆流しやすくなり、また、前記比が5/95より小さい場合、連通部の幅が狭くなりすぎて、電池部で発生したガスが袋部に移動しにくい。
前記電極端子は、前記積層体と電気的に接続されており、前記ラミネート電池の外装の一側部側から延出されている。そして、前記電極端子が、前記平板の一側部に配置されることが、本発明の特徴の一つである。即ち、前記ラミネート電池の電極端子は、正極に電気的に接続されている正極電極端子も、負極に電気的に接続されている負極電極端子も、共にラミネート電池の一側部側に配置されていることで、このようなラミネート電池を複数並べて組電池を作製する際、組電池において電極端子部分が占有する箇所を減少せしめることができるので、組電池を小型化することができる。また、電極端子と電極コードとの接続部分を下側に設置できることから、組電池の下側に配置された電極コードで発生する熱を上部に逃がせやすくなり、結果として、制御基板の誤動作、又はラミネート電池が加熱されることによる加速な電池性能の劣化を抑止できる。
本発明の組電池の鉛直方向下面側には、組電池に充放電するための電力ケーブルが配される。具体的には、前記電力ケーブルの一端は、組電池の鉛直方向下面側に配置されるラミネート電池の電極端子と電気的に接続しており、電力ケーブルの他端は組電池外部の充電器や電気的な装置等と電気的に接続できる構成になっている。
また、本発明の組電池の鉛直方向下面側における前記電力ケーブルの配置についても、所望の電力を組電池から安全に充放電できる配置であればよく、特に限定はないが、放熱のし易さ、及び、スペースの有効活用の観点から、組電池を支持する底部材に含まれていることが好ましい。
前記底部材の形状やサイズについては、複数のラミネート電池を垂直に並べて保持できる形状やサイズであればよく、特に限定はない。
本発明の組電池は、前記充放電を制御するための制御ユニットを備えてもよい。前記制御ユニットは、具体的には、予め設定した異常電圧値、異常電流値、異常温度等になった場合に、充放電電流を強制遮断する機能を有している。
前記ラミネート電池の容量のばらつきは、組電池内の各ラミネート電池の電圧値をモニタリングすることで判断することができる。また、自己放電は、充放電時の充電時でも、放電時でもおこなっても良いが、電池容量をあわせやすいことから、充電時、特に、満充電時におこなうのがよい。
前記自己放電制御工程では、例えば、制御ユニット内に抵抗器を備え、その部分に迂回で対象となるラミネート電池の電流を流し、放電させる。
本発明の組電池では、前記底部材上に並べた複数個のラミネート電池の外形を保持するために、さらに、これを樹脂製の外装容器内に収納してもよい。前記外装容器の形状としては、前記複数個のラミネート電池の外形が保持できていればよく、例えば、前記底部材の上に前記ラミネート電池の電池集合体を覆う蓋を被せることで、前記底部材と前記蓋とからなる外装容器としてもよいし、前記組電池を底部材ごと収容できる外装容器を用いてもよい。
また、前記外装容器の外には、外部と電気的に接続できるように前記ラミネート電池と接続した電気ケーブルの端子が出ていればよい。
本発明の組電池は、前記外装を介して前記積層体を、前記ラミネート電池の平板状の面に対して垂直な方向に、押圧する押圧機構を備えていてもよい。
したがって、前記ラミネート電池の平板状の面において、前記押圧機構により生じる面圧は、平板状の面の端部付近で最も高く、連通部が最も低いという分布となる。
前記加圧シートをラミネート電池の表面に押し当てた場合、加圧シート表面の凹部はラミネート電池の表面を押圧しないか押圧しても面圧は低いため、その部分の面圧が最小点となるのに対し、凹部以外の加圧シートの表面はラミネート電池の表面に接触するため面圧が生じる。
前記凹部に設ける凹んだ部分の深さについては、前記加圧シートの端部分と比べ、前記連通部に相当する中央線部分に向かって、段階的に深くなるように調整してもよい。
前記2枚以上の加圧シートを組み合わせる場合の加圧シートの形状としては、その断面が、台形あるいは三角形のものを2枚以上の複数枚使用して、前記凹部となる部分に、その厚みが薄い部分がくるようにして、場合によっては離間することで前記凹部における加圧シートの厚みが0となるようにして、配置するようにすることが好ましい。
なお、面圧分布は、圧力測定シート(プレスケール)を用いて、確認することができる。
前記加圧プレートで前記電池集合体をその外側から挟持することで、前記ラミネート電池とその間に配置された加圧シートとの接触をより確実にし、所望の面圧分布に調整することを容易にすることができる。
前記高引張り剛性梁とは、前記2枚1組の加圧プレートを前記ラミネート電池の電池集合体がある内側に向けて引っ張る(挟む)ことが可能な棒状物をいう。
また、前記高引張り剛性梁には、棒状物の長さが伸縮可能な構成を有していてもよい。この場合、前記加圧プレートの間に電池集合体を挟持した状態で、前記穴部に、伸ばした状態の棒状物を通し、その先端にナットを嵌めてから、前記棒状物を縮ませることで加圧プレートを内側に引っ張ることができる。
本発明の組電池では、ガスが捕集された袋部は、断熱材としての機能を発揮し得ることから、複数の本発明の組電池を、一の前記組電池の鉛直方向上面側に他の前記組電池の前記鉛直方向下面側がくるように配置して蓄電ユニットを構成した場合には、前記一の組電池の発熱が他の組電池に及ばないよう、その影響を抑制でき、かつ、空間内において組電池を上下に配置することで設置面積を小さくすることができるので、高効率が維持可能な高信頼性の蓄電ユニットとなる。
前記組電池1では、平板状のラミネート電池2を、前記ラミネート電池2の平板状の面3に対して垂直な方向Lに、複数個並べられている。
また、図3に示すラミネート電池2’のように、袋部8が、前記電極端子5a、5bが配された一側部側Aとは反対側の他側部側Bだけでなく、ラミネート電池2’の右側にも連通部7’を介して袋部8’が配置されていてもよい。
前記他側部側B以外の位置にある袋部8’等は、電極端子5a、5bとは離れた位置に配置されていればよく、前記袋部8’の形状や大きさについては特に限定はない。
具体的には、図4に示すように、2つのラミネート電池2を用いる場合、正極の電極端子5aどうし及び負極の電極端子5bどうしがそれぞれ前記電力ケーブル9で電気的に接続されていればよい。3つ以上のラミネート電池2を用いる場合も同様に、正極の電極端子どうし及び負極の電極端子どうしを電力ケーブルで接続されていればよい。
前記制御ユニット11は、前記組電池1に含まれる少なくとも一つの前記ラミネート電池2に電気的に接続されており、そのラミネート電池2を自己放電させるための自己放電制御工程を含み、かつ、前記制御ユニット11が、前記自己放電時に発熱する自己放電負荷抵抗を含む。また、図1に示すように、前記制御ユニット11は、前記電力ケーブル9を介して、全てのラミネート電池2と電気的に接続していてもよい。
前記ゴム製の板の、ゴム材料としては、フッ素ゴム、クロロプレンゴム、EPDM、シリコンゴム、あるいは、ブチルゴムを使用できる。前記ゴムの硬度は、20以上、70以下が好ましく、面圧の傾斜を付けやすいことから、25以上、65以下が更に好ましい。これらのゴム硬度の値はJIS K 6253準拠することによって測定することができる。
例えば、前記加圧プレート25a、25bは、平面視で、前記加圧シート22を覆う面積を有していればよく、加圧シート23も覆うように構成されていることが好ましい。
前記高引張り剛性組電池収納ケース26とは、内部に収容している電池集合体12を内部側に押圧を加えた場合に耐えられる剛性を有する素材で構成されたケースをいう。
本発明では、例えば、ラミネート電池2と加圧シート22、23との積層物である電池集合体12をSUSやアルミニウム等の金属板で構成された前記ケース26に収め、SUSやアルミニウム等の金属板の加圧プレート25aをボルト27で押し込むことによって押圧をその圧力を制御しつつ実施することができる。
なお、加圧プレート25bは、前記ケース26の壁に密着していてもよし、所望の位置に固定されていてもよい。
製造例1の正極に用いる正極活物質として、スピネル型のマンガン酸リチウム(Li1.1Al0.1Mn1.8O4)、を用いた。
負極活物質として、スピネル型のチタン酸リチウム(Li4/3Ti5/3O4)を用いた。この負極活物質、導電助材(アセチレンブラック)、及びバインダー(PVdF)を、それぞれ固形分濃度で100重量部、5重量部、及び5重量部の混合物のスラリーを作製した。なお、バインダーは固形分濃度5wt%のNMP溶液に調製したものを使用し、後述の塗工をしやすいように、さらにNMPを加えて粘度調整した。このスラリーをアルミニウム箔(15μm)に塗工した後に、溶媒を除去するため乾燥させた。前記工程をアルミニウム箔の両面で実施することによって負極を作製した。
図2に示す構造を有するラミネート電池を、次のとおりに作製した。
図12に示す組電池を、以下記載の方法で作製した。
なお、本実施例では、前記ラミネート電池一次集合体35の外形を保持するために、図4に示すように、主面36としてポリプロピレン製の平板状物(縦25cm、横30cm、厚み0.1cm)を用い、この平板状物の表面に、2個のラミネート電池2を各極の端子部分5a、5bが露出するようにしながら、固定した。図4は、樹脂製平板状物に収納した後のラミネート電池一次集合体35の断面概念図である。
この組電池1fでは、ラミネート電池一次集合体35を構成する各ラミネート電池2を充放電するための電力ケーブル(図示せず)を前記ラミネート電池一次集合体35の下部にある底部材10に含み、かつ、この組電池1fを支持する底部材10の上に載置して、さらに、ラミネート電池一次集合体35とこの電力ケーブル(図示せず)との間で必要な電気的な接続を行うことでラミネート電池一次集合体35が10列直列に繋がれた、即ち、前記ラミネート電池2を10直列2並列に繋いだ組電池1fを作製した。図12は、実施例1で作製した組電池1fの概念図である。
次に、実施例1で作製した組電池1fを水平方向に3列(1列目は鉛直方向に4段、2、3列目は鉛直方向に3段)に配置し、10個の組電池1fを直列に電気的に接続した蓄電ユニット100aを作製した。図13は、前記蓄電ユニット100aの概念図である。
前記蓄電ユニット100aは、2並列のラミネート電池2を100個直列接続したものであり、本発明の組電池1fを10個直列接続したものでもある。このような蓄電ユニット100aを、ラミネート電池基準で「100直列2並列」と呼ぶこととする。
そして、前記蓄電ユニット100aは、定格電圧:248V、定格容量:20Ah(約5kWh)であり、組電池1fの一部である前記制御ユニットとは別に、蓄電ユニット100aの一部として、組電池1fとは独立した蓄電ユニット制御部101を含む。
図12に示すラミネート電池一次集合体35において、ラミネート電池2の袋部8を鉛直方向Mの下面側に、電極端子5a、5bを含む側面部を鉛直方向Mの上面側に配置したこと以外は実施例1と同様に、ラミネート電池一次集合体を10個並べた組電池を作製した。なお、比較例1で作製した組電池では、鉛直方向の上面側にある電極端子5a、5bに電力ケーブルを接続したが、この電力ケーブルは前記組電池の鉛直方向上面側でむき出しになっていた。
次いで、前記組電池を用いた以外は、実施例2と同様にして水平方向に3列(1列目は鉛直方向に4段、2、3列目は鉛直方向に3段)に配置し、10個の組電池を直列に電気的に接続した蓄電ユニットを作製した。
ラミネート電池2に袋部8を配置しなかったこと以外は、実施例1と同様に組電池を作製し、この組電池を用いた以外は実施例2と同様にして蓄電ユニットを作製した。
これに対して、比較例1で作製した蓄電ユニットでは、実施例2で作製した蓄電ユニット100aとくらべ10%以上容量が低下し、また、放熱が不十分であったために熱による制御基板の誤作動による充放電停止が3回起こった。また、比較例2で作製した蓄電ユニットは、ガス捕集用の袋体が各ラミネート電池にないために、充放電を繰り返すにしたがって各ラミネート電池の容量が著しく低下するとともに、ガス漏れが生じ80回で充放電停止となった。
以上の結果から、本発明の組電池1fは、比較例1、2のものに比べて、充放電を繰り返した後でも優れた動作安定性を発現しており、高効率が維持可能な、格段に信頼性が向上した組電池であることが判る。
2 ラミネート電池
3 ラミネート電池2の平板状の面
4 外装
5 電極端子
6 電池部
7 連通部
8 袋部
9 電力ケーブル
10 底部材
11 制御ユニット
12 電池集合体
22 加圧シート
23 加圧シート
24 極小鞍部
25 加圧プレート
26 高引張り剛性組電池収納ケース
27 ネジ
28 高引張り剛性梁
29 ナット
100 蓄電ユニット
101 蓄電ユニット制御部
102 筺体
A 一側部側
B 他側部側
L ラミネート電池2の平板状の面3に対して垂直な方向
M 組電池1の鉛直方向
N ラミネート電池2の前記一側部側Aから他側部側Bの方向
O ラミネート電池2の前記一側部側Aから他側部側Bの方向Nに対して垂直な方向
X ラミネート電池2の他側部側Bの端部から連通部7の中心までの距離である袋部8を含む長さ
Y 他側部側Bの端部から一側部側Aの端部までの距離であるラミネート全長
Claims (15)
- 平板状のラミネート電池を、前記ラミネート電池の平板状の面に対して垂直な方向に、複数個並べた組電池であって、
前記ラミネート電池が、
前記ラミネート電池の平板状の面に対して平行に配された負極/セパレータ/正極の積層体と、
前記積層体が封入されたラミネートフィルムからなる外装と、
前記積層体と電気的に接続され、かつ、前記外装の一側部側から延出された電極端子と、を有し、
前記外装が、その内部に、前記積層体が存在する空間である電池部、及び
連通部により前記電池部と連通する体積可変な空間であり、前記一側部側とは反対側の他側部側に配置された袋部とを有し、
前記組電池が、その鉛直方向上面側に前記他側部側が配され、かつ、その鉛直方向下面側に前記一側部側が配されるように前記ラミネート電池が並べられてなり、
さらに、前記組電池に充放電するための電力ケーブルが、前記鉛直方向下面側に配されていることを特徴とする組電池。 - ラミネート電池が前記袋部を複数個有する請求項1に記載の組電池。
- さらに、前記鉛直方向下面側に前記充放電を制御するための制御ユニットを備える請求項1又は2に記載の組電池。
- 前記制御ユニットによる制御が、前記組電池に含まれる少なくとも一つの前記ラミネート電池を自己放電させるための自己放電制御工程を含み、かつ、前記制御ユニットが、該自己放電時に発熱する自己放電負荷抵抗を含む請求項3に記載の組電池。
- 前記電力ケーブルが、前記組電池を支持する底部材に含まれる請求項1〜4のいずれかに記載の組電池。
- 前記外装の内部において、前記電池部、前記連通部及び前記袋部がラミネートフィルムの溶着部と非溶着部とにより区分けされており、前記連通部が非溶着部により形成され、前記一側部側から他側部側の方向に対して垂直な方向の前記非溶着部と前記溶着部との長さの比が50/50〜5/95である請求項1〜5のいずれかに記載の組電池。
- 前記ラミネート電池の他側部側の端部から前記連通部の中心までの距離である袋部を含む長さが、前記他側部側の端部から前記一側部側の端部までの距離であるラミネート全長の25%以上である請求項1〜6のいずれかに記載の組電池。
- 前記積層体を挟んだ前記ラミネートフィルム2枚の少なくとも4辺において、前記ラミネートフィルム同士が融着されることでシールされ、前記積層体が封入されてなる請求項1〜7のいずれかに記載の組電池。
- 前記負極が、その負極活物質としてチタン含有酸化物を含む請求項1〜8のいずれかに記載の組電池。
- 前記外装を介して前記積層体を、前記ラミネート電池の平板状の面に対して垂直な方向に、押圧する押圧機構を備え、
押圧した際の面圧の面内分布が、該面圧が最小である最小点を含む極小鞍部を含み、かつ、前記極小鞍部に前記連通部が位置する請求項1〜9のいずれかに記載の組電池。 - 前記面内分布が、前記面圧が最大である最大点をその一方の点とする2点の極大点を含み、かつ、前記極小鞍部が前記2点の極大点の間に存在する請求項10に記載の組電池。
- 前記押圧機構が、隣り合う前記ラミネート電池の間に配され、前記積層体を前記ラミネートフィルムを介して覆う面積を有し、且つ前記極小鞍部に対応する凹部をその表面に含む可撓性の加圧シートを含む請求項10又は11に記載の組電池。
- 前記押圧機構が、さらに、前記ラミネート電池を前記ラミネート電池の平板状の面に対して垂直な方向に複数個並べた電池集合体を挟持し、かつ、前記加圧シートより面積の大きな2枚1組の加圧プレートを含む、請求項12に記載の組電池。
- 前記押圧機構が、さらに、前記2枚1組の加圧プレート間を内側に引っ張る高引張り剛性梁を含む、請求項13に記載の組電池。
- 請求項1〜14のいずれかに記載の組電池を複数含む蓄電ユニットであって、一の前記組電池の鉛直方向上面側に他の前記組電池の前記鉛直方向下面側がくるように配置されてなる蓄電ユニット。
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