JP6967413B2 - 蓄電装置及び蓄電装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本開示は、蓄電装置及び蓄電装置の製造方法に関する。
EV(Electric Vehicle)やPHV(Plug in Hybrid Vehicle)等の車両には、モータへの供給電力を蓄える蓄電装置として、リチウムイオン二次電池等の二次電池が搭載されている。
例えば、特許文献1には、電極に突出形成されたタブ部を複数重ねた状態で集電端子と電気的に接続する蓄電装置であって、前記タブ部は、前記タブ部の根元から前記タブ部が重なるまでの間の部分である集合部と、前記集合部より先端側で前記タブ部の突出する方向に延びる直進部と、前記直進部より先端側で前記直進部から折り曲げられて形成された折り曲げ部とを有しており、前記集電端子は、第1部材と、前記第1部材と協同して前記タブ部を挟持する第2部材とを備え、前記第1部材及び前記第2部材は、前記折り曲げ部における前記タブの重ね方向において、前記折り曲げ部の両側に設けられるとともに、前記折り曲げ部を挟む挟持面をそれぞれ有し、前記第1部材及び前記第2部材の前記電極に近い方には前記直進部が挿入されるスリットが形成され、複数の前記タブ部のうち最も前記第1部材側に配置された前記タブ部は、前記第1部材の前記挟持面に接合されているとともに、複数の前記タブ部のうち最も前記第2部材側に配置された前記タブ部は、前記第2部材の前記挟持面に接合されている蓄電装置が開示されている。
特開2013−195969号公報 特開2014−32814号公報 特開2004−22534号公報
ところで、正極及び負極を含む電極体の縁部から突出した複数の電極タブが重ねられた電極タブ群は、電極体と当該電極体を収容するケース内面との間の空間に配置される。この電極タブ群が配置される空間はデッドスペースとなるため、電極タブ群の配置状態によっては、デッドスペースが大きくなり、電池サイズやエネルギー密度等に影響を与える。そこで、電極タブ群を折り曲げることで、デッドスペースを削減することは可能である。しかし、蓄電装置に振動や衝撃等が加えられた場合、折り曲げた電極タブ群が延びて、電極体が移動して、ケース内面と接触する場合がある。このような場合、電極体を構成する電極(正極や負極)が折れ曲がったり、電極を構成する活物質(正極活物質や負極活物質)が脱落したりして、蓄電装置の性能に影響を与えることになる。
そこで、本開示の目的は、電極体等を収容するケース内のデッドスペースを削減すると共に、電極体の移動を抑制することが可能な蓄電装置および当該蓄電装置の製造方法を提供することである。
本開示の一態様である蓄電装置は、電極体と、前記電極体の縁部から突出した複数の電極タブを重ねた電極タブ群と、前記電極体との間で電気を授受する電極端子と、前記電極タブの重なり方向における前記電極タブ群の一端に接続され、前記電極タブ群から前記電極端子へと導電させる集電部材と、前記電極タブの重なり方向における前記電極タブ群の他端に接続される絶縁部材と、を有する蓄電装置であって、前記電極タブ群は、前記電極タブ群の一端側に折り曲げられた折曲部と、前記折曲部から前記電極体の厚み方向に延在する延在部と、を有し、前記折曲部は、前記電極タブの重なり方向の両端から前記集電部材と前記絶縁部材で挟まれている。
本開示の一態様である蓄電装置の製造方法は、電極体の縁部から突出した複数の電極タブを重ねて電極タブ群を形成する第1工程と、前記電極タブの重なり方向における前記電極タブ群の一端に集電部材を接続する第2工程と、前記集電部材の端部を起点として、前記電極タブ群の一端側に前記電極タブ群を折り曲げて、折曲部及び前記折曲部から前記電極体の厚み方向に延在する延在部を形成する第3工程と、前記電極タブの重なり方向における前記電極タブ群の他端に絶縁部材を配置して、前記電極タブ群の前記折曲部を、前記電極タブの重なり方向の両端から前記集電部材と前記絶縁部材で挟持する第4工程と、を有する。
本開示の一態様によれば、電極体等を収容するケース内のデッドスペースを削減すると共に、電極体の移動を抑制することが可能となる。
本実施形態の一例である二次電池の模式断面図である。 電極体の構成要素を示す分解模式斜視図である。 図1のA−A線における二次電池の拡大模式断面図である。 蓄電装置の製造方法の一例を説明する図である。 実施形態の変形例を説明するための二次電池の模式断面図である。 実施形態の変形例を説明するための二次電池の拡大模式断面図である。
以下、実施形態の一例について詳細に説明する。実施形態の説明で参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された構成要素の寸法比率などは、現物と異なる場合がある。
図1は、本実施形態の一例である二次電池の模式断面図である。図1に示すように、蓄電装置としての二次電池10は、電極体12、電極体12の縁部から突出した正極タブ群14及び負極タブ群16、正極集電部材18及び負極集電部材20、正極絶縁部材22及び負極絶縁部材24、ケース26、正極端子28及び負極端子30、を備える。本実施形態の二次電池10はリチウムイオン電池であり、外郭が角型をなす角型電池である。
ケース26は、四角箱状のケース本体部32と矩形平板状の封口体34とから構成される。封口体34の外側面には、所定の間隔を空けて正極端子28及び負極端子30が設置されている。また、封口体34と正極端子28との間及び封口体34と負極端子30との間には絶縁板36が設置されていることが望ましい。
図2は、電極体の構成要素を示す分解模式斜視図である。図2に示すように、電極体12は、シート状の正極38と、シート状の負極40と、セパレータ42とを備える。正極38は、正極金属箔44(例えば、アルミニウム箔)と、その両面に正極活物質を含む正極活物質層46とを有する。負極40は、負極金属箔48(例えば、銅箔)と、その両面に負極活物質を含む負極活物質層50とを有する。電極体12は、正極38と負極40との間に、これらを絶縁するセパレータ42を介在させた積層構造であり、正極38と、負極40と、セパレータ42とからなる組が複数組設けられている。
正極38は、正極金属箔44に正極活物質が塗布されていない領域からなる正極未塗工部を有している。そして、正極38の縁部の一部には、縁部から突出した形状の正極未塗工部からなる正極タブ52が形成されている。負極40は、負極金属箔48に負極活物質が塗布されていない領域からなる負極未塗工部を有している。そして、負極40の縁部の一部には、縁部から突出した形状の負極未塗工部からなる負極タブ54が形成されている。なお、正極タブ52及び負極タブ54は、正極38及び負極40が積層された状態で、正極タブ52と負極タブ54とが重ならない位置にそれぞれ設けられている。
正極38は、それぞれの正極タブ52が電極体12の積層方向に沿って列状に配置されるように積層されている。そして、正極タブ52を電極体12の積層方向の一端から他端までの範囲内で重ねることで正極タブ群14が形成される。また、負極40は、それぞれの負極タブ54が電極体12の積層方向に沿って列状に配置されるように積層されている。そして、負極タブ54を電極体12の積層方向の一端から他端までの範囲内で重ねることで負極タブ群16が形成される。
図1に示すように、正極集電部材18は、板状部56と、板状部56上に形成されたリベット部58とを備える。正極集電部材18の板状部56は、正極タブ群14に接続されている。正極タブ群14との接続構造については後で詳述する。正極集電部材18のリベット部58は、封口体34及び絶縁板36を介して、正極端子28に接続されている。また、図での説明や省略するが、正極集電部材18のリベット部58の外周には、ケース26から絶縁するためのリング状の絶縁部材が取り付けられている。このように、正極集電部材18は、一方で、正極タブ群14と接続し、他方で正極端子28と接続しており、これにより、正極タブ群14から正極端子28へと導電させ、さらには、電極体12と正極端子28とを電気的に接続させている。負極集電部材20も同様に、板状部56と、板状部56上に形成されたリベット部58とを備える。負極集電部材20の板状部56は、負極タブ群16に接続されている。負極集電部材20のリベット部58は、封口体34及び絶縁板36を介して、負極端子30に接続されている。また、図での説明や省略するが、負極集電部材20のリベット部58の外周には、ケース26から絶縁するためのリング状の絶縁部材が取り付けられている。このように、負極集電部材20は、一方で、負極タブ群16と接続し、他方で負極端子30と接続しており、これにより、負極タブ群16から負極端子30へと導電させ、さらには、電極体12と負極端子30とを電気的に接続させている。
正極絶縁部材22は、正極タブ群14に接続されている。正極タブ群14との接続構造については後で後述するが、正極絶縁部材22は、正極タブ群14とケース26内面との間に介在し、これにより、ケース26と正極タブ52との電気的絶縁が確保される。なお、正極絶縁部材22は、封口体34の内面等のケース26の内面に固定されていることが望ましい。負極絶縁部材24は、負極タブ群16に接続されている。そして、負極絶縁部材24は、負極タブ群16とケース26内面との間に介在し、これにより、ケース26と負極タブ54との電気的絶縁が確保される。なお、負極絶縁部材24は、封口体34の内面等のケース26の内面に固定されていることが望ましい。
以下に、正極タブ群14と正極集電部材18及び正極絶縁部材の接合構造について、図3を用いて説明する。なお、負極タブ群16と負極集電部材20及び負極絶縁部材の接合構造は、正極38側と同様であるのでその説明を省略する。
図3は、図1のA−A線における二次電池の拡大模式断面図である。図3に示すように、正極タブ群14は、電極体12の積層方向の一端から他端までの範囲内にある全ての正極タブ52が重ねられたものであり、具体的には、電極体12の積層方向の一端の正極タブ52(H1)が、他端の正極タブ52(H2)に近接するよう重ねられている。電極体12の積層方向は電極体12の厚み方向となる。
図3に示すように、正極タブ群14は、折曲部60と、折曲部60から電極体12の積層方向(厚み方向)に延在する延在部62とを有する。そして、正極タブ52の重なり方向における正極タブ群14の一端側(すなわち、正極タブ52(H1))には、正極集電部材18の板状部56が接続されている。具体的には、正極集電部材18の板状部56と正極タブ群14の延在部62とが、抵抗溶接や超音波溶接等により電気的に接続されている。そして、正極集電部材18の板状部56は、正極タブ群14の延在部62及び折曲部60の内側に配置されており、板状部56の一端は、折曲部60の内側面に当接している。なお、正極タブ群14と接触している面と反対側の板状部56の面は、電極体12と向かい合う面となる。
また、図3に示すように、正極タブ52の重なり方向における正極タブ群14の他端(すなわち、正極タブ52(H2))には、正極絶縁部材22が接続されている。なお、正極タブ群14と接触している面と反対側の正極絶縁部材22の面は、ケース26の内面と向かい合う面となる。以下に、正極絶縁部材22の具体的な構成例を説明する。
図3に示す正極絶縁部材22は、正極タブ群14の延在部62を覆う、矩形平板状の本体部64と、本体部64の両端に設けられる断面L字状の側壁部(66a,66b)とを有する。正極絶縁部材22の側壁部66aは、正極タブ群14の折曲部60の外側面を覆うように配置されている。
正極タブ群14の折曲部60の内側面に当接している正極集電部材18の板状部56の一端と、正極タブ群14の折曲部60の外側面に配置されている正極絶縁部材22の側壁部66aとで、正極タブ群14の折曲部60をタブの重なり方向の両端から挟持している。ここで、正極集電部材18の板状部56の他端が、正極絶縁部材22の側壁部66bに当接し、板状部56が、正極絶縁部材22の両端の側壁部(66a,66b)との間で固定されるため、板状部56の一端と正極絶縁部材22の側壁部66aは一定の力で、折曲部60を挟持している。なお、正極絶縁部材22と正極タブ群14とは、接着剤等で固定することが望ましいが、単に物理的に接触しているだけでもよい。
図4は、蓄電装置の製造方法の一例を説明する図である。図4(A)に示すように、正極、セパレータ、負極からなる組を複数積層した電極体12の厚み方向(積層方向)において、一端側に位置する正極タブ52(H1)を、他端側に位置する正極タブ52(H2)に近接するように集める。これにより、電極体12の作製段階で、独立していた各正極タブ52が重ねられて、正極タブ群14となる(第1工程)。次に、図4(B)に示すように、正極タブ52の重なり方向における正極タブ群14の一端側、すなわち正極タブ52(H1)に、正極集電部材18の板状部56を当接させ、超音波溶接機のホーン68とアンビル70で、正極タブ群14および板状部56を挟み、所定の圧力を掛けて溶接する。これにより、正極タブ群14と正極集電部材18とを電気的に接続する(第2工程)。溶接は、超音波溶接機に限定されず、抵抗溶接機等でもよい。次に、図4(C)に示すように、板状部56の一端を起点として、正極タブ52の重なり方向における正極タブ群14の一端側に、正極タブ群14を折り曲げ、折曲部60及び折曲部60から電極体12の厚み方向(積層方向)に延在する延在部62を形成する(第3工程)。すなわち、正極タブ群14を折り曲げた後の正極集電部材18の板状部56は、折曲部60及び延在部62の内側に配置される。次に、図4(D)に示すように、正極タブ52の重なり方向における正極タブ群14の他端側、すなわち正極タブ52(H2)に、正極絶縁部材22を配置して、折曲部60を、正極タブ52の重なり方向の両端から正極絶縁部材22と正極集電部材18の板状部56とで挟持する(第4工程)。なお、負極側の説明は省略するが、負極側も同様に、第1工程〜第4工程を行い、負極タブ群16に負極集電部材20及び負極絶縁部材24を接続する。
また、正極集電部材18のリベット部58を、封口体34に設置された正極端子28に接続し、負極集電部材20のリベット部58を、封口体34に設置された負極端子30に接続する。そして、電極体12、正極タブ群14、負極タブ群16、正極絶縁部材22、負極絶縁部材24、正極集電部材18、負極集電部材20等をケース本体部32内に収容して、ケース本体部32と封口体34とを密閉する。そして、封口体34に設けた注液口(不図示)から電解液を注入する。以上のようにして、蓄電装置を製造する。
以上説明した、本実施形態によれば以下の効果を得ることが可能である。以下に述べる電極は正極及び負極の両方を指しており、例えば、電極タブ群と言えば、正極タブ群及び負極タブ群を指している。
本実施形態の蓄電装置において、電極タブ群が、電極タブの重なり方向における電極タブ群の一端側に折り曲げた折曲部を有することで、電極タブ群が配置されるケース内のデッドスペースを削減することが可能となる。また、本実施形態においては、電極タブを折り曲げる方向である電極タブ群の一端側に集電部材を配置し、電極タブ群の他端側に絶縁部材を配置している。すなわち、集電部材を電極タブ群の延在部及び折曲部の内側に、絶縁部材を電極タブ群の延在部及び折曲部の外側に配置しているため、折曲部の折り曲げ角度を鋭角にすることができ、電極タブ群が配置されるケース内のデッドスペースをより削減することが可能となる。これにより、蓄電装置のサイズを小さくしたり、或いは蓄電装置のエネルギー密度を向上させたりすることが可能となる。
また、電極タブ群の折曲部を、タブの重なり方向の両端から集電部材と絶縁部材で挟んでいるため、蓄電装置に衝撃や振動が加えられた場合でも、電極タブ群の延びが抑制され、電極体の移動が抑えられる。これにより、電極体がケース内面と接触することが抑えられるため、電極体を構成する電極の折れ曲り、電極を構成する活物質の脱落による電池性能の低下が抑制される。
また、本実施形態の蓄電装置の製造方法によれば、電極タブの重なり方向における電極タブ群の一端に集電部材を接続し、当該集電部材の一端を起点として、電極タブ群を折り曲げるため、折曲部の折り曲げ位置を安定させることができる。これにより、ケース内に電極体を収容する際に、電極体がケースに引っ掛かることなく、スムーズに収容することが可能となる。
図5は、実施形態の変形例を説明するための二次電池の模式断面図である。図5の二次電池11において、図1の二次電池10と同様の構成については同一の符号を付している。電極体の縁部から突出する正極タブ群及び負極タブ群は、図1に示す二次電池10のように、電極体12の上端の縁部から突出する正極タブ群14及び負極タブ群16に制限されず、図5に示す二次電池11のように、電極体12の側面の縁部から突出する正極タブ群14及び負極タブ群16でもよい。
図6は、実施形態の変形例を説明するための二次電池の拡大模式断面図である。図6は図3と同じ方向から見た断面図である。図6の二次電池13において、図1の二次電池10と同様の構成については同一の符号を付している。図6に示すように、正極タブ群14は、電極体12の積層方向(厚み方向)において分割された第1正極タブ群14aと第2正極タブ群14bとを有する。第1正極タブ群14aは、一方の最も外側の正極タブ52(H3)が、他方の最も外側の正極タブ52(H2)に近接するように重ねられている。第2正極タブ群14bは、一方の最も外側の正極タブ52(H4)が、他方の最も外側にある正極タブ52(H1)に近接するように重ねられている。
第1正極タブ群14aは、折曲部60aと、折曲部60aから電極体12の積層方向(厚み方向)に延在する延在部62aとを有する。また、第2正極タブ群14bは、折曲部60bと、折曲部60bから電極体12の積層方向(厚み方向)に延在する延在部62bとを有する。第1正極タブ群14aの折曲部60a及び第2正極タブ群14bの折曲部60bは、第1正極タブ群14aの延在部62aと第2正極タブ群14bの延在部62bが互いに近づく方向に折り曲げられている。すなわち、第1正極タブ群14aの折曲部60a及び第2正極タブ群14bの折曲部60bは、電極体12の積層方向(厚み方向)の中央に向かって折り曲げられている。そして、正極集電部材18の板状部56は、第1正極タブ群14aおよび第2正極タブ群14bの延在部(62a,62b)及び折曲部(60a,60b)の内側に配置されている。正極集電部材18の板状部56は、抵抗溶接や超音波溶接により、第1正極タブ群14a及び第2正極タブ群14bの延在部(60a,60b)等と接続されている。板状部56の一端は、第1正極タブ群14aの折曲部60aの内側面に当接している。また、板状部56の他端は、第2正極タブ群14bの折曲部60bの内側面に当接している。
正極絶縁部材22は、第1正極タブ群14a及び第2正極タブ群14bの延在部(62a,62b)及び折曲部(60a,60b)の外側に配置されている。具体的には、正極絶縁部材22の本体部64は、第1正極タブ群14a及び第2正極タブ群14bの延在部(62a,62b)を覆うように配置されている。また、正極絶縁部材22の一方の側壁部66aは、第1正極タブ群14aの折曲部60aの外側面を覆うように配置されており、正極絶縁部材22の他方の側壁部66bは、第2正極タブ群14bの折曲部60bの外側面を覆うように配置されている。そして、正極絶縁部材22の側壁部66aと正極集電部材18の板状部56の一端とで、第1正極タブ群14aの折曲部60aをタブの重なり方向の両端から挟持している。また、正極絶縁部材22の側壁部66bと正極集電部材18の板状部56の他端とで、第2正極タブ群14bの折曲部60bをタブの重なり方向の両端から挟持している。負極側も同様であり、その説明を省略する。
このように、電極タブ群を電極体の厚み方向において第1電極タブ群及び第2電極タブ群に分割し、第1電極タブ群の折曲部及び第2電極タブ群の折曲部を、第1電極タブ群の延在部と第2電極タブ群の延在部が互いに近づく方向に折り曲げることによって、電極タブ群が配置されるケース内のデッドスペースをさらに削減することが可能となる。
実施形態は、上記に限定されるものではなく、本開示の効果を損なわない範囲において変形することが可能である。
例えば、蓄電装置は、リチウムイオン電池に限定されるものではなく、ニッケル水素電池等の他の種類の電池でもよいし、電気二重層キャパシタ等のようなキャパシタやその他の蓄電素子でもよい。また、例えば、電極体は積層型に限定されるものではなく、巻回型の電極体であってもよい。
正極タブ及び負極タブは、正極未塗工部及び負極未塗工部からなるものに限定されるものではなく、例えば、それぞれの電極に溶接した金属箔を正極タブ及び負極タブとしてもよい。
正極絶縁部材及び正極集電部材の形状は、図3に示した形状以外の形状でもよい。正極絶縁部材は、正極集電部材と共に、正極タブ群の折曲部を正極タブの重なり方向の両端から挟持することができるものであればどのような形状であってもよい。正極集電部材は、正極絶縁部材と共に、正極タブ群の折曲部を正極タブの重なり方向の両端から挟持することができる形状であり、且つ正極タブ群から正極端子へと導電させることができるものであればどのような形状であってもよい。負極絶縁部材及び負極集電部材も同様である。
正極タブ群と正極集電部材との接続は、超音波溶接や抵抗溶接に限定されるものではなく、例えば、レーザー溶接等でもよい。正極集電部材は、正極タブ群の一端側であればどこに溶接されてもよいが、延在部に溶接されることが望ましく、特に、厚みが3mm以上7mm以下の範囲の延在部に溶接されることが好ましい。負極タブ群と負極集電部材との接続も同様である。
正極タブ群の延在部は、電極体の厚み方向に平行に延在していてもよいし、電極体の厚み方向に対して傾斜するように延在していてもよい。電極体の厚み方向に対する延在部の傾斜角度は例えば、0°〜20°以下が好ましい。負極タブ群の延在部も同様である。
正極タブ群を厚み方向に分割した第1正極群及び第2正極タブ群は、電極体の積層方向(厚み方向)の一端から他端までの範囲内に位置する正極タブの全枚数のうち、均等の枚数の正極タブをそれぞれ有していてもよいし、異なる枚数の正極タブをそれぞれ有していてもよい。負極タブ群も同様である。
10,11,13 二次電池、12 電極体、14 正極タブ群、14a 第1正極タブ群、14b 第2正極タブ群、16 負極タブ群、18 正極集電部材、20 負極集電部材、22 正極絶縁部材、24 負極絶縁部材、26 ケース、28 正極端子、30 負極端子、32 ケース本体部、34 封口体、36 絶縁板、38 正極、40 負極、42 セパレータ、44 正極金属箔、46 正極活物質層、48 負極金属箔、50 負極活物質層、52 正極タブ、54 負極タブ、56 板状部、58 リベット部、60,60a,60b 折曲部、62,62a,62b 延在部、64 本体部、66a,66b 側壁部、68 ホーン、70 アンビル。

Claims (3)

  1. 電極体と、
    前記電極体の縁部から突出した複数の電極タブを重ねた電極タブ群と、
    前記電極体との間で電気を授受する電極端子と、
    前記電極タブの重なり方向における前記電極タブ群の一端に接続され、前記電極タブ群から前記電極端子へと導電させる集電部材と、
    前記電極タブの重なり方向における前記電極タブ群の他端に接続される絶縁部材と、を有する蓄電装置であって、
    前記電極タブ群は、前記電極タブ群の一端側に折り曲げられた折曲部と、前記折曲部から前記電極体の厚み方向に延在する延在部と、を有し、
    前記折曲部は、前記電極タブの重なり方向の両端から前記集電部材と前記絶縁部材で挟まれていて、
    前記絶縁部材は、前記電極タブ群と対向する面に、前記延在部より前記電極体の近くに位置し且つ前記電極タブ群に向かって突出する突起を有する、蓄電装置。
  2. 前記電極タブ群は、前記電極体の厚み方向において分割された第1電極タブ群と第2電極タブ群とを有し、
    前記第1電極タブ群と前記第2電極タブ群は、前記折曲部及び前記延在部を有し、
    前記第1電極タブ群の前記折曲部及び前記第2電極タブ群の前記折曲部は、前記第1電極タブ群の前記延在部と前記第2電極タブ群の前記延在部が互いに近づく方向に折り曲げられ、
    前記第1電極タブ群の前記折曲部及び前記第2電極タブ群の前記折曲部は、前記電極タブの重なり方向の両端から前記集電部材と前記絶縁部材で挟まれている、請求項1に記載の蓄電装置。
  3. 電極体の縁部から突出した複数の電極タブを重ねて電極タブ群を形成する第1工程と、
    前記電極タブの重なり方向における前記電極タブ群の一端に集電部材を接続する第2工程と、
    前記集電部材の端部を起点として、前記電極タブ群の一端側に前記電極タブ群を折り曲げて、折曲部及び前記折曲部から前記電極体の厚み方向に延在する延在部を形成する第3工程と、
    前記電極タブの重なり方向における前記電極タブ群の他端に絶縁部材を配置して、前記電極タブ群の前記折曲部を、前記電極タブの重なり方向の両端から前記集電部材と前記絶縁部材で挟持する第4工程と、を有し、
    前記絶縁部材は、前記電極タブ群と対向する面に、前記延在部より前記電極体の近くに位置し且つ前記電極タブ群に向かって突出する突起を有する、蓄電装置の製造方法。

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