JP6682790B2 - 非水電解質二次電池セパレータ用カルボキシメチルセルロース又はその塩 - Google Patents

非水電解質二次電池セパレータ用カルボキシメチルセルロース又はその塩 Download PDF

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本発明は、非水電解質二次電池セパレータ用カルボキシメチルセルロース又はその塩、それを含有する非水電解質二次電池セパレータ用塗工液、及びそれを含有する非水電解質二次電池セパレータに関する。
非水電解質二次電池は、携帯電話、携帯型音楽プレーヤー、ノート型パーソナルコンピューター等の携帯型電気機器の小型の機器はもとより、電気自転車、ハイブリッド自動車、電気自動車等の大型機器にも展開されている。このため、非水電解質二次電池には高容量化、大電流での充放電特性といった性能が求められているが、非水電解質二次電池は、水系電池と比較して、発煙、発火、破裂等の危険性が高いことが知られており、安全性の向上も要求されている。
この要求に対して、特許文献1には、耐熱性を有する絶縁性微粒子と、増粘剤と、分散媒とを含む塗工液、および該塗工液を基材上に塗工したセパレータが提案されているが、塗工液の安定性が十分でないため、開示されている非水電解質二次電池は、充放電を繰り返しているうちに容量が低下するなどの問題があった。
これに対して、特許文献2には、アルミナ水和物と、バインダーポリマーの水性分散液、1質量%水溶液の25℃における粘度が100mPa・sec以上500mPa・sec以下であるCMC塩、1質量%水溶液の25℃における粘度が3000mPa・sec以上10000mPa・sec以下CMC塩を含有する非水電解質二次電池用塗工液を用いることで非水電解質二次電池は充放電による容量低下を抑えられることが加持されている。
国際公開第2009/096451 特開2013−115031
しかしながら、特許文献3に記載の非水電解質二次電池用塗工液を用いた非水電解質二次電池は、従来の非水電解質二次電池よりも充放電による容量低下を抑えられるが、更なる向上が求められている。
そこで、本発明は、充放電を繰り返しても容量低下が少ない非水電解質二次電池用カルボキシメチルセルロース又はその塩、それを含有する非水電解質二次電池セパレータ用塗工液、及びそれを含有する非水電解質二次電池セパレータを提供することを目的とする。
本発明は以下の[1]〜[5]を提供する。
[1] 非水電解質二次電池セパレータの水溶性分散剤として使用されるカルボキシメチルセルロース又はその塩であって、該カルボキシメチルセルロースのメタノールを分散媒としてレーザー回折・散乱式粒度分布計で測定される体積累計100%粒子径が50μm未満であり、乾燥質量Bの該カルボキシメチルセルロースまたはその塩の0.3質量%水溶液2リットルを調製して−200mmHgの減圧条件にて250メッシュのフィルターですべて濾過し、濾過後の前記フィルター上の残渣の乾燥質量Aを測定した際に、前記乾燥質量Bに対する乾燥質量Aの比率が50ppm未満である、カルボキシメチルセルロース又はその塩。
[2] [1]に記載されたカルボキシメチルセルロース又はその塩、アルミナ水和物、水分散性樹脂を含有した非水電解質二次電池セパレータ用塗工液。
[3] [1]に記載されたカルボキシメチルセルロース又はその塩、アルミナ水和物、水分散性樹脂、増粘剤を含有した非水電解質二次電池セパレータ用塗工液。
[4] 前記増粘剤がカルボキシメチルセルロース又はその塩であり、該該カルボキシメチルセルロースのメタノールを分散媒としてレーザー回折・散乱式粒度分布計で測定される体積累計100%粒子径が50μm未満であり、乾燥質量Bの該カルボキシメチルセルロースまたはその塩の0.3質量%水溶液2リットルを調製して−200mmHgの減圧条件にて250メッシュのフィルターですべて濾過し、濾過後の前記フィルター上の残渣の乾燥質量Aを測定した際に、前記乾燥質量Bに対する乾燥質量Aの比率が50ppm未満であることを特徴とする[3]に記載の非水電解質二次電池セパレータ用塗工液。
[5] [2]〜[4]のいずれか一項に記載の塗工液を、不織布に塗工、乾燥してなることを特徴とするリチウムイオン電池セパレータ。
本発明によれば、充放電を繰り返しても容量低下が少ない非水電解質二次電池用カルボキシメチルセルロース又はその塩、それを含有する非水電解質二次電池セパレータ用塗工液、及びそれを含有する非水電解質二次電池セパレータを提供することができる。
(水溶性分散剤、増粘剤:カルボキシメチルセルロース又はその塩)
本発明の非水電解質二次電池セパレータの水溶性分散剤、増粘剤として使用されるカルボキシメチルセルロース又はその塩(以下、「CMC」と略すことがある。)は、CMCのメタノールを分散媒としてレーザー回折・散乱式粒度分布計で測定される体積累計100%粒子径が50μm未満であり、乾燥質量BのCMCの0.3質量%水溶液2リットルを調製して−200mmHgの減圧条件にて250メッシュのフィルターですべて濾過し、濾過後の前記フィルター上の残渣の乾燥質量Aを測定した際に、前記乾燥質量Bに対する乾燥質量Aの比率が50ppm未満であることを特徴とする。
上記条件のCMCを非水電解質二次電池セパレータ用塗工液に用いることで、この塗工液中のCMC未溶解物の量を大幅に低減することができる。このため、この塗工液を不織布に塗工、乾燥して製造される非水電解質二次電池セパレータには、その表面にスジ状の欠陥(ストリーク)の発生が大幅に抑制できる。また、未溶解物があると、塗布後の乾燥工程において未溶解物が収縮し、ピンホールが発生するが、本発明の未溶解物の少ないCMCを用いることでこの問題も防止できる。
なお、通常、非水電解質二次電池セパレータ用塗工液は、塗工前にフィルター処理が施されるが、この処理により金属などの固い異物は除去できるものの、CMCの未溶解物などの軟らかいポリマーは、フィルター処理の際に加圧(背圧)されると、変形してフィルターを通過するため、除去することは困難である。また、未溶解物が多く発生するCMCをフィルター処理する場合、フィルターの目詰まりが生じやすく、未溶解物の除去効率が著しく低下してしまう問題が発生する。
本発明の非水電解質二次電池セパレータ用のCMCは、セルロースを構成するグルコース残基中の水酸基がカルボキシメチルエーテル基に置換された構造を有するものである。CMCの塩としては、CMCのナトリウム塩、CMCのリチウム塩等などを例示することができる。
本発明の非水電解質二次電池セパレータ用のCMCの無水グルコース単位当りのカルボキシメチル置換度(DS)は、0.45〜1.5であることが好ましく、0.6〜1.5であることがより好ましく、更に好ましくは0.6〜1.0である。カルボキシメチル置換度が0.45未満であると、水への溶解が十分でなくなるおそれがある。なお、無水グルコース単位とは、セルロースを構成する個々の無水グルコースを意味し、カルボキシメチル置換度とは、セルロースを構成するグルコース残基中の水酸基のうちカルボキシメチルエーテル基に置換されているものの割合を示す。
上記カルボキシメチル置換度は、試料中のCMCを中和するのに必要な水酸化ナトリウム等の塩基の量を測定して確認することができる。なお、CMCの塩の測定においては、予めCMC(H型)に変換した後、塩基、酸を用いた逆滴定、フェノールフタレイン等の指示薬を適宜組み合わせて測定する。
本発明の非水電解質二次電池セパレータ用のCMC(水溶性分散剤)の25℃でのB型粘度計で測定された1質量%水溶液の粘度は100〜20,000mPa・sのものが好ましく、100〜500mPa・sのものがより好ましい。
本発明の非水電解質二次電池セパレータ用のCMC(増粘剤)の25℃でのB型粘度計で測定された1質量%水溶液の粘度は100〜20,000mPa・sのものが好ましく、1,000〜10,000mPa・sのものがより好ましい。
本発明において、CMCの製法は限定されず、例えば、原料であるセルロースをアルカリで処理してアルカリセルロースを調製した後に、エーテル化剤を添加してエーテル化反応させることで製造することができる。
原料のセルロースとしては、特に制限なく用いることができるが、セルロース純度が高いものが好ましく、そのような物として溶解パルプ、リンター等を挙げることができる。
アルカリ化剤としては水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の水酸化アルカリ金属塩等を使用することができる。エーテル化剤としてはモノクロロ酢酸、モノクロロ酢酸ソーダ等を使用することができる。
水溶性のCMCの製造方法としては、特に制限されないが、アルカリ化剤とエーテル化剤のモル比は、エーテル化剤としてモノクロロ酢酸を使用する場合では2.00〜2.45程度である。
本発明の非水電解質二次電池セパレータ用のCMCは、粉砕処理が施されたものであり、粉砕処理方法としては、粉体の状態で処理する乾式粉砕法と、液体に分散、あるいは溶解させた状態で処理する湿式粉砕法との両方法が例示される。本発明においてはこれらのいずれを選択してもよい。
本発明で機械的な粉砕処理のために使用可能な粉砕装置としては以下の様な乾式粉砕機および湿式粉砕機が挙げられる。
乾式粉砕機は、カッティング式ミル、衝撃式ミル、気流式ミル、媒体ミルが例示される。これらは単独あるいは併用して、さらには同機種で数段処理することができるが、気流式ミルが好ましい。カッティング式ミルとしては、メッシュミル((株)ホーライ製)、アトムズ((株)山本百馬製作所製)、ナイフミル(パルマン社製)、グラニュレータ(ヘルボルト製)、ロータリーカッターミル((株)奈良機械製作所製)、等が例示される。衝撃式ミルとしては、パルペライザ(ホソカワミクロン(株)製)、ファインイパクトミル(ホソカワミクロン(株)製)、スーパーミクロンミル(ホソカワミクロン(株)製)、サンプルミル((株)セイシン製)、バンタムミル((株)セイシン製)、アトマイザー((株)セイシン製)、トルネードミル(日機装(株))、ターボミル(ターボ工業(株))、ベベルインパクター(相川鉄工(株))等が例示される。気流式ミルとしては、CGS型ジェットミル(三井鉱山(株)製)、ジェットミル(三庄インダストリー(株)製)、エバラジェットマイクロナイザ((株)荏原製作所製)、セレンミラー(増幸産業(株)製)、超音速ジェットミル(日本ニューマチック工業(株)製)等が例示される。媒体ミルとしては、振動ボールミル等が例示される。湿式粉砕機としては、マスコロイダー(増幸産業(株)製)、高圧ホモジナイザー(三丸機械工業(株)製)、媒体ミルが例示される。媒体ミルとしては、ビーズミル(アイメックス(株)製)等を例示できる。
本発明の非水電解質二次電池セパレータ用のCMCの粒径は、メタノールを分散剤としてレーザー回折・散乱式粒度分布計で測定される体積累計100%粒子径の値(以下、「最大粒子径」ということがある)が5〜50μmであることが望ましく、5〜45μmであることがより望ましい。カルボキシメチルセルロース又はその塩の最大粒子径が50μm以上であるとカルボキシメチルセルロース又はその塩の水溶液中の未溶解物が増加する傾向がある。
また、本発明において、上記最大粒子径が5〜50μmのCMCを造粒して使用することもできる、なお、造粒した場合には、造粒物の最大粒子径が50μm以上となっても構わない。
本発明の非水電解質二次電池セパレータ用のCMCは、最大粒子径が50μm未満となるように分級処理を施こすことが好ましい。分級の時期は特に限定されず、粉砕処理の途中に設けてもよいし、粉砕処理の終了後に設けてもよい。分級の方法は、公知の方法、例えば乾式分級機、湿式分級機を用いる方法を用いればよい。乾式分級機としては、サイクロン式分級機、DSセパレータ、ターボクラシフィア、ミクロセパレータ、エアーセパレータ等が挙げられる。一方湿式分級機としては、液体サイクロン方式の分級機、遠心沈降機、ハイドロッシレーター等が挙げられる。このうち乾式分級機が好ましく、サイクロン式分級機がより好ましい。
(非水電解質二次電池セパレータ用塗工液)
本発明の非水電解質二次電池セパレータ用塗工液は、上記の水溶性分散剤(未溶解物量を規定したCMC)、アルミナ水和物、水分散性樹脂を必須とし、必要に応じて上記の増粘剤を添加したものである。
水溶性分散剤(未溶解物量を規定したCMC)の添加量は、アルミナ水和物に対し、0.05質量%以上3.00質量%以下が好ましく、0.10質量%以上2.00質量%以下がより好ましい。水溶液性分散剤として用いるCMC塩の添加量が少なすぎる場合、増粘剤として用いるCMC塩を添加した際にアルミナ水和物が凝集することがある。水溶液性分散剤として用いるCMC塩の添加量が多すぎる場合、ハイレート充放電特性が悪化することがある。
増粘剤として用いるCMCの添加量は、アルミナ水和物に対し、0.05質量%以上3.00質量%以下が好ましく、0.10質量%以上2.00質量%以下がより好ましい。増粘剤として用いるCMC塩の添加量が少なすぎる場合、塗工液が不織布の反対面に裏抜けしたり、塗工液の安定性が低下したりすることがある。増粘剤として用いるCMC塩の添加量が多すぎる場合、ハイレート充放電特性が悪化したり、塗工液の粘度が著しく高くなって塗工が困難になったりすることがある。
アルミナ水和物としては、熱安定性や、塗工に適した液性を得やすい点から、ベーマイトが好ましく用いられる。
水性分散性樹脂としては、スチレン−ブタジエンラテックス等の各種ラテックスを用いることができ、添加量としては、アルミナ水和物に対し、2質量%以上15質量%以下が好ましい。塗工層の粉落ちと塗工層中の空隙のバランスの点から、3質量%以上10質量%以下がより好ましい。
(非水電解質二次電池セパレータ)
本発明の非水電解質二次電池セパレータは、非水電解質二次電池セパレータ用塗工液を、不織布に塗工、乾燥することによって得ることができる。
本発明の非水電解質二次電池セパレータに用いられる不織布の製造方法として、スパンボンド法、メルトブロー法、乾式法、湿式法、エレクトロスピニング法などを例示することができるが、これらの製造方法に限定されるものではない。また、不織布表面の平坦化や厚みをコントロールする目的で、カレンダー処理や熱カレンダー処理することも可能である。不織布の材料としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート及びそれらの誘導体、芳香族ポリエステル、全芳香族ポリエステルなどのポリエステル、ポリオレフィン、アクリル、ポリアセタール、ポリカーボネート、脂肪族ポリケトン、芳香族ポリケトン、脂肪族ポリアミド、芳香族ポリアミド、全芳香族ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリ(パラ−フェニレンベンゾビスチアゾール)、ポリ(パラ−フェニレン−2,6−ベンゾビスオキサゾール)、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルアルコール、ポリウレタン及びポリ塩化ビニルなどの樹脂からなる繊維並びにセルロース繊維などが挙げられ、2種類以上を材料として使用することもできる。
本発明の非水電解質二次電池セパレータに用いる不織布としては、目付が5.0〜30.0g/m2であるのが好ましい。目付が30.0g/m2を超えると、不織布がセパレータの大半を占めることとなり、塗工層による効果が得られにくい場合がある。5.0g/m2未満であると不織布としての均一性を得ることが難しい場合がある。不織布の目付としては、7.0〜20.0g/m2がより好ましい。なお、目付はJIS P 8124(紙及び板紙−坪量測定法)に規定された方法に基づく坪量を意味する。
非水電解質二次電池セパレータ用塗工液を不織布に塗工する方法に特に制限はなく、例えば、従来公知のエアドクターコーター、ブレードコーター、ナイフコーター、ロッドコーター、スクイズコーター、含浸コーター、グラビアコーター、キスロールコーター、ダイコーター、リバースロールコーター、トランスファーロールコーター、スプレーコーター等が挙げられる。塗工層の付着量としては、1.0〜20.0g/m2が好ましく、さらに4.0〜15.0g/m2がより好ましい。塗工層の付着量が1.0g/m2未満であると、不織布表面を十分被覆することができず、細孔径が大きくなり、ショートが発生するなど良好な電池特性が発現しなくなる場合がある。一方、塗工層の付着量が20.0g/m2を超えると、セパレータの薄膜化が困難となったり、また、これを用いた電池の大電流充放電特性が悪化したりする場合がある。また、必要に応じて、消泡剤、ぬれ剤等を塗工液中に適宜添加することができる。
塗工後に乾燥する方法は特に限定されず、公知の乾燥方法を用いることができるが、特に熱風を吹きつける方法、赤外線を照射する方法など、加熱により乾燥する方法は、生産性が良く好ましく用いられる。
本発明において、非水電解質二次電池セパレータの坪量は6.0〜50.0g/m2が好ましく、15.0〜40.0g/m2がより好ましい。また、セパレータの厚みは10.0〜50.0μmが好ましく、15.0〜40.0μmがより好ましい。セパレータの密度としては0.4〜1.2g/cm3が好ましく、0.6〜1.0g/cm3がより好ましい。また、塗工、乾燥後、塗工層表面の平坦化や厚みをコントロールする目的で、カレンダー処理を施すことも可能である。
<実施例>
以下、本発明の実施例と比較例を示し詳細を説明するが、本発明はなんら該記載に限定されるものではない。
<水溶液に溶解させたカルボキシメチルセルロース(水溶性分散剤及び/又は増粘剤)の乾燥質量に対する濾過残渣の質量の質量比の測定>
カルボキシメチルセルロース又はその塩の0.3質量%(カルボキシメチルセルロース又はその塩の乾燥質量を基準とした質量%)水溶液2リットルを調製した。この水溶液2リットルを−200mmHgの減圧条件にて、濾過器(「セパロート」桐山製作所製)を用いて、250メッシュのフィルター(ステンレス製、目開き63μm)にて濾過した。250メッシュのフィルターに残存した残渣を、温度105℃で、16時間送風乾燥させた後、乾燥した残渣の質量を測定し、カルボキシメチルセルロース溶液中のカルボキシメチルセルロースの質量に対する質量比(ppm)で表示した。
<最大粒子径、平均粒子径および粒度分布の測定>
カルボキシメチルセルロースまたはその塩の最大粒子径、平均粒子径、及び粒度分布は、レーザー回折・散乱式粒度分布計(マイクロトラック Model−9220−SPA、日機装(株)製)により行った。ここで、最大粒子径とは体積累型100%粒子径の値を、平均粒子径とは体積累計50%粒子径の値を示した。測定に当たっては、試料をメタノールに入れよく撹拌し分散した後、測定を行った
<不織布の作製>
繊度0.06dtex(平均繊維径2.4μm)、繊維長3mmの配向結晶化ポリエチレンテレフタレート(PET)系短繊維45質量部と繊度0.1dtex(平均繊維径3.0μm)、繊維長3mmの配向結晶化PET系短繊維15質量部と繊度0.2dtex(平均繊維径4.3μm)、繊維長3mmの単一成分型バインダー用PET系短繊維(軟化点120℃、融点230℃)40質量部とを一緒に混合し、パルパーにより水中で離解させ、アジテーターによる撹拌のもと、濃度1質量%の均一な抄造用スラリーを調製した。その後円網抄紙機を用い、この抄造用スラリーを湿式方式で抄き上げ、120℃のシリンダードライヤーによって、バインダー用PET系短繊維を接着させて不織布強度を発現させ、目付15.2g/m2の不織布とした。さらに、この不織布を金属ロール−金属ロールからなる1ニップの熱カレンダーを使用して、ロール温度185℃、線圧740N/cm、搬送速度20m/分で加熱処理を実施し、厚み27μmの不織布を作製した。
<実施例1>
水180質量部、アルミナ水和物(ベーマイト、単粒子、平均粒子径0.9μm、比表面積5.5m2/g、アスペクト比2.5、ナバルテック社製、商品名:APYRAL(登録商標) AOH60)を100質量部、水溶性分散剤として、その1質量%水溶液の25℃における粘度が100mPa・s、エーテル化度0.65、体積累計100%粒子径が49μmである、前記質量比(濾過残渣量)8ppmのカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(以下、「CMC−Na」と記す)の2質量%水溶液20質量部(固形分として0.4質量部)を、ノコギリ刃型翼を備えた分散機を用いて混合、撹拌し、次いで増粘剤として、その1質量%水溶液の25℃における粘度5000mPa・s、エーテル化度0.7、体積累計100%粒子径が44μmである、前記質量比(濾過残渣量)45ppmのCMC−Naの1質量%水溶液を80質量部(固形分として0.8質量部)混合、撹拌し、次に固形分含量48質量%のスチレン−ブタジエンラテックスの18.75質量部(固形分として9部)を混合、撹拌し、さらに、イオン交換水を加えて濃度を調整し、固形分濃度25質量%の非水電解質二次電池セパレーター用塗工液を作製した。
上記熱カレンダー処理後の不織布に、グラビアコーターにて、乾燥固形分10g/m2となるように、不織布片面にこの塗工液を均一に塗工、乾燥して、厚み30μmのリチウムイオン電池セパレータを得た。
<比較例1>
水180質量部、アルミナ水和物(ベーマイト、単粒子、平均粒子径0.9μm、比表面積5.5m2/g、アスペクト比2.5、ナバルテック社製、商品名:APYRAL(登録商標) AOH60)を100質量部、水溶性分散剤として、その1質量%水溶液の25℃における粘度が100mPa・s、エーテル化度0.65、体積累計100%粒子径が150μmである、前記質量比(濾過残渣量)150ppmのカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(以下、「CMC−Na」と記す)の2質量%水溶液20質量部(固形分として0.4質量部)を、ノコギリ刃型翼を備えた分散機を用いて混合、撹拌し、次いで増粘剤として、その1質量%水溶液の25℃における粘度5000mPa・s、エーテル化度0.7、体積累計100%粒子径が150μmである、前記質量比(濾過残渣量)150ppmのCMC−Naの1質量%水溶液を80質量部(固形分として0.8質量部)混合、撹拌し、次に固形分含量48質量%のスチレン−ブタジエンラテックスの18.75質量部(固形分として9部)を混合、撹拌し、さらに、イオン交換水を加えて濃度を調整し、固形分濃度25質量%の非水電解質二次電池セパレーター用塗工液を作製した。
上記熱カレンダー処理後の不織布に、グラビアコーターにて、乾燥固形分10g/m2となるように、不織布片面にこの塗工液を均一に塗工、乾燥して、厚み30μmのリチウムイオン電池セパレータを得た。
[塗工性]
各実施例及び各比較例で得られた塗工液を、黒色画用紙の上に敷いた上記不織布に、乾燥後に10g/m2の塗工量を与える手動ロッドコーターで塗工した。画用紙上から不織布を取り除いた際に、画用紙上に付着した塗工液の痕跡を観察し、次の度合いで評価した。
○:画用紙上に塗工液の痕跡がない。
△:1個/cm2以下の頻度で裏抜けした塗工液の痕跡がある。
×:1個/cm2を超える頻度で裏抜けした塗工液の痕跡がある。
Figure 0006682790
実施例及び比較例で示されるように、本発明の範囲内の水溶性分散剤及び/又は増粘剤を用いた非水電解質二次電池セパレーター用塗工液は、塗工時の欠点が少なく、ストリークの発生を抑制することができ、均一な導電性の塗膜を形成することができるため充放電を繰り返しても容量低下の少ない二次電池用セパレーターを得ることができる。一方、本発明の範囲を満たさない比較例1は、塗工時の欠点が多く、本発明の効果を得られない。

Claims (2)

  1. 下記条件を満たすカルボキシメチルセルロース又はその塩、アルミナ水和物、水分散性樹脂を含有した非水電解質二次電池セパレータ用塗工液。
    (条件)該カルボキシメチルセルロースのメタノールを分散媒としてレーザー回折・散乱式粒度分布計で測定される体積累計100%粒子径が50μm未満であり、乾燥質量Bの該カルボキシメチルセルロースまたはその塩の0.3質量%水溶液2リットルを調製して−200mmHgの減圧条件にて250メッシュのフィルターですべて濾過し、濾過後の前記フィルター上の残渣の乾燥質量Aを測定した際に、前記乾燥質量Bに対する乾燥質量Aの比率が50ppm未満である、カルボキシメチルセルロース又はその塩。
  2. 請求項1に記載の塗工液を、不織布に塗工、乾燥してなることを特徴とするリチウムイオン電池セパレータ。
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