JP7424819B2 - 電気化学セルモジュールおよび電気化学セルシステム - Google Patents
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Description
本開示は、電気化学セルモジュールおよび電気化学セルシステムに関する。
従来技術の電気化学セルモジュールは、例えば特許文献１に蓄電モジュールとして記載されている。この従来技術の蓄電モジュールは、複数の単電池が積層された積層体と、接続部材としてのバスバーと、絶縁保持部材としてのバスバー保持プレートと、を備えている。各単電池は、発電要素がラミネートフィルムによって包まれた電池本体と、発電要素に接続され、電池本体の端部から外側に向けて互いに反対方向に突出する一対のリード端子を有する。このような各単電池は、積層方向に隣り合う単電池が、２つ毎に異なる極性のリード端子が対向するように配置されている。
バスバーは、金属などの導電性材料から成る略長方形の板状部材であって、その中央部分に長方形の孔部を有する略ロ字形状の部材である。バスバー保持プレートは、積層体の前面を覆う絶縁樹脂製の板状部材であって、電池本体とバスバーとの間に位置している。バスバー保持プレートは、積層体と対向する面とは反対側の面に、バスバーを保持する保持壁と、保持壁に保持されたバスバーの縁部に沿うように設けられたスリットとを有する。各単電池のリード端子は、スリットに挿通され、バスバーに折り重ねて接合されている。
前述の特許文献１に記載される従来技術では、リード端子が折り重ねて接続されるバスバーの表面が、各単電池の積層方向とほぼ平行であるので、蓄電モジュールを大型化せずに単電池の積層数を増加して高い出力を得ようとすると、増加した単電池の積層数に反比例して各バスバーの積層方向の幅が小さくなり、リード端子とバスバーとの間に十分な接合幅が得られなくなり、接合強度が低下するおそれがある。また、リード端子は、バスバーに接合するためにほぼ直角に折り曲げられるので、リード端子に積層体の重量、使用時の振動などによる積層体の慣性力が作用すると、リード端子の折曲げ部分に局部的に高い応力が発生し、破断するおそれがある。
したがって従来から、接合強度の低下およびリード端子の破断を生じることなく、高い出力を得ることができる電気化学セルモジュールおよびそれを用いた電気化学セルシステムが求められている。
本開示の電気化学セルモジュールは、複数のリード端子を有する単セルが複数積層され
た単セル積層体と、前記複数のリード端子のそれぞれが挿通される複数の貫通孔が互いに
間隔をあけて形成される基板と、前記基板の前記複数の貫通孔の間に設けられ、前記基板
の前記リード端子が前記貫通孔から突出する側の表面に対して離れる方向に延びるリード
端子接続部を有する複数の外部端子と、を備え、前記複数のリード端子は、前記貫通孔か
ら突出する部分が、前記複数のリード端子接続部に接合され、前記リード端子接続部は、前記基板の前記表面に対して傾斜した構成である。
た単セル積層体と、前記複数のリード端子のそれぞれが挿通される複数の貫通孔が互いに
間隔をあけて形成される基板と、前記基板の前記複数の貫通孔の間に設けられ、前記基板
の前記リード端子が前記貫通孔から突出する側の表面に対して離れる方向に延びるリード
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ら突出する部分が、前記複数のリード端子接続部に接合され、前記リード端子接続部は、前記基板の前記表面に対して傾斜した構成である。
また本開示の電気化学セルモジュールシステムは、前記電気化学セルモジュールと、前記電気化学セルモジュールを制御する制御部と、を備えた構成である。
本開示の電気化学セルモジュールによれば、単セル積層体と外部端子との接合強度の低下およびリード端子の破断を抑制し、より多くの単セルを積層して高い出力電圧を得ることができる。
以下、添付図面を参照して、本開示の電気化学セルモジュールの実施形態について説明する。
（全体構成の概要）
図１は本開示の一実施形態の電気化学セルモジュールの上部の一部を拡大した部分拡大断面図であり、図２は電気化学セルモジュールに備えられる単セル積層体の内部構造を模式的に示す断面図である。図３は単セルの積層体を示す正面図であり、図４は電気化学セルモジュールの分解斜視図である。なお、本実施形態において、電気化学セルモジュールは、例えばリチウムイオン電池であってもよく、あるいはニッケルイオン電池であってもよい。また、電気化学セルモジュールは、例えば、ナトリウムイオン電池であってもよいし、マグネシウムイオン電池であってもよい。
図１は本開示の一実施形態の電気化学セルモジュールの上部の一部を拡大した部分拡大断面図であり、図２は電気化学セルモジュールに備えられる単セル積層体の内部構造を模式的に示す断面図である。図３は単セルの積層体を示す正面図であり、図４は電気化学セルモジュールの分解斜視図である。なお、本実施形態において、電気化学セルモジュールは、例えばリチウムイオン電池であってもよく、あるいはニッケルイオン電池であってもよい。また、電気化学セルモジュールは、例えば、ナトリウムイオン電池であってもよいし、マグネシウムイオン電池であってもよい。
本実施形態の電気化学セルモジュール１は、内部に発電要素２が収容されたセル本体３と、セル本体３から外部に突出し、正極および負極を構成する薄板状の２つのリード端子４，５とを有する単セル６が複数積層された単セル積層体７と、複数のリード端子４，５のそれぞれが挿通される複数の貫通孔８が互いに間隔をあけて形成される基板９と、基板９の複数の貫通孔８の間に設けられ、基板９のリード端子４，５が貫通孔８から突出する側の表面に対して離れる方向に延びるリード端子接続部１０を有する複数の外部端子１１と、を備える。各リード端子４，５は、電極４ａ，５ａに連なり、発電要素２に両側に配設される。
このような電気化学セルモジュール１は、単セル積層体７と、単セル積層体７が収容される外容器１４とを備える。単セル積層体７は、複数の単セル６を積層したものである。単セル６は、板状であり、電気化学セルモジュール１内で電池として機能する最小の単位の部材である。
複数のリード端子４，５は、貫通孔８から突出する部分１２が、複数のリード端子接続部１０に、例えばレーザ溶接によって接合される。リード端子接続部１０は、基板９の表面に対して角度θを成して傾斜している。複数のリード端子４，５は、セル本体３と貫通孔８から突出する部分１２との間に、湾曲部１３を有している。
前述の各リード端子４、５は、帯状であって、単セル積層体７を構成する積層された状態で、互いに隣接する各一対の単セル６のうち、一方の単セル６の正極側のリード端子４と他方の単セル６の負極側のリード端子５とが重なった状態で基板９の貫通孔８に挿通され、基板９から突出する部分１２が、基板９の突出する側の表面（図１では基板９の上面）に対して角度θを成して傾斜したリード端子接続部１０に接合されるので、各リード端子４、５の隣接する部分１２同士の間隔を小さくしても、各部分１２間の絶縁距離が確保され、１つの単セル積層体７を構成する単セル６の積層枚数を増やすことが可能となり、電気化学セルモジュール１の出力を大きくすることができる。また、各外部端子１１のリード端子搭載部１０は、基板９の表面に対して角度θを成して離れる方向に傾斜して延びているので、外部端子１１の幅Ｗ１よりも大きな幅Ｗ２（＝Ｗ１・ｃｏｓ－１θ）を得ることができる。したがって、各外部端子１１間の間隔を小さくして高密度化しても、各リード端子４，５をリード端子搭載部１０に広い接触面積で接触させて接合することができ、これによって各外部端子１１との間で良好な電気的接続状態および高い機械的接合強度を得ることができる。
また、前述の複数のリード端子４，５は、セル本体３と貫通孔８から突出する部分１２との間に、湾曲部１３を有しているので、電気化学セルモジュール１に振動および衝撃力などが作用しても、湾曲部１３が伸縮し、かつ変位することができ、これによって振動および衝撃力などの外力を許容し、各リード端子４，５などの破壊および変形などの損傷を抑制することができる。
他の実施形態では、各リード端子４，５の貫通孔８から突出する部分１２は、リード端子接続部１０に接合される平坦状の第１部分１２ａと、第１部分１２ａから屈曲して延びる第２部分１２ｂと、を有する構成であってもよい。このような構成によれば、各リード端子４，５は帯状の第１部分１２ａと屈曲した第２部分１２ｂとを有するので、セル本体３の充放電で発生した熱が各リード端子４，５に伝わっても、第１部分１２ａの熱が第２部分１２ｂに熱伝導し、長さに比べて表面積の大きい第２部分１２ｂによって放熱することができ、これによって排熱性に優れた電気化学セルモジュール１を実現することができ、高温環境での使用しおいても耐熱性の高い電気化学セルモジュールを提供することができる。
（単セルの構成）
単セル６は、単セル積層体７の積層方向から見たときの形状が、例えば、矩形状、正方形状、円形状、楕円形状等であってもよく、その他の形状であってもよい。本実施形態では、略矩形状である。第１方向から見たときの単セル６の寸法は、例えば、長辺の長さが５０ｍｍ～５００ｍｍであり、短辺の長さが５０ｍｍ～３００ｍｍである。また、第１方向における単セル６の厚みは、例えば、０．１ｍｍ～２ｍｍである。
単セル６は、単セル積層体７の積層方向から見たときの形状が、例えば、矩形状、正方形状、円形状、楕円形状等であってもよく、その他の形状であってもよい。本実施形態では、略矩形状である。第１方向から見たときの単セル６の寸法は、例えば、長辺の長さが５０ｍｍ～５００ｍｍであり、短辺の長さが５０ｍｍ～３００ｍｍである。また、第１方向における単セル６の厚みは、例えば、０．１ｍｍ～２ｍｍである。
単セル６は、発電要素２、包装体１６、正極端子１７および負極端子１８を有する。発電要素２は、電気化学反応を利用して電荷を蓄え、放出するための部材である。発電要素２は、例えば、正極板と、負極板と、正極板および負極板間に位置するセパレータとを有している。発電要素２は、セパレータを介して、正極板と負極板との間で陽イオンおよび陰イオンを交換することができる。発電要素２は、正極板および負極板を外部装置と電気的に接続することによって、外部装置に電力供給することができる。
正極板および負極板は、例えば、電気化学的に活性な物質であり、例えば、活性物質および電解液を有していてもよい。電解液としては、例えば、溶剤または溶剤混合液に塩を加えたものを用いることができる。
正極板は、例えば、ニッケルコバルトアルミニウム系リチウム複合酸化物（ＮＣＡ）、スピネル系マンガン酸リチウム（ＬＭＯ）、リン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）、コバルト酸リチウム（ＬＣＯ）、ニッケルコバルトマンガン系リチウム複合酸化物（ＮＣＭ）等を含んでいてもよい。正極板は、例えば、ニッケル水素バッテリ、ニッケルカドミウムバッテリ等で用いられる、当業者にとって既知の固体化合物を含んでいてもよい。正極板は、例えば、ＬｉＣｏＯ２、ＭｇがドープされたＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２およびＬｉ（Ｎｉ，Ｃｏ，Ａｌ）Ｏ２、ならびにＬｉ（Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｏ）Ｏ２等を含んでいてもよい。
負極板は、例えば、黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン、カーボンナノチューブ、グラフェン等の炭素系材料を含んでいてもよい。負極板は、例えば、チタン酸リチウム、二酸化チタン等のチタン系酸化物を含んでいてもよい。負極板は、例えば、鉄、コバルト、銅、マンガン、ニッケル等を含有する遷移金属化合物を含んでいてもよい。
電解液は、電気化学セルモジュール１がリチウムイオン電池である場合、例えば、溶剤にリチウム塩を加えたものを用いることができる。電解液に用いられるリチウム塩としては、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＦＳＩ、ＬｉＣｌＯ４等が挙げられる。電解液に用いられる溶剤としては、例えば、炭酸プロピレン（ＰＣ）、炭酸エチレン（ＥＣ）、炭酸ジメチル（ＤＭＣ）、ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、炭酸ジエチル（ＤＥＣ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、トリエチレングリコールジメチルエーテル（Ｔｒｉｇｌｙｍｅ）等が挙げられる。
セパレータは、正極板と負極板とが短絡しないようにする部材である。セパレータは、例えば、陽イオンおよび陰イオンが通過するための微細な穴が開いていてもよい。セパレータとしては、例えば、多孔質の絶縁材料を用いることができる。セパレータで用いられる多孔質の絶縁材料としては、例えば、ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル等が挙げられる。
発電要素２は、積層方向から見たときの形状が、例えば、矩形状、正方形状、円形状、楕円形状等であってもよく、その他の形状であってもよい。本実施形態では、例えば矩形状であり、長辺の長さが５０ｍｍ～５００ｍｍであり、短辺の長さが５０ｍｍ～３００ｍｍである。また、発電要素２の厚みは、例えば、０．１ｍｍ～２ｍｍである。
本実施形態では、複数の単セル６は電気的に並列に接続されている。これによって、電気化学セルモジュール１の容量を大きくすることができる。なお、複数の単セル６は電気的に直列に接続されていてもよい。この場合、電気化学セルモジュール１の電圧を高めることができる。
包装体１６は、外部環境から発電要素２を電気的に絶縁し、外部環境から発電要素２を保護するための部材である。包装体１６は、発電要素２全体を覆い、発電要素２を収容している。包装体１６は、例えば、平坦な袋形状である。このような包装体１６は、例えば、２つのラミネートフィルムを溶着して形成されている。
第１リード端子４および第２リード端子５は、例えば、金属材料から成る。第１リード端子４および第２リード端子５に用いられる金属材料としては、例えば、銅、アルミニウム等が挙げられる。
（電気化学セルモジュールの構成）
図４は電気化学セルモジュール全体の分解斜視図である。電気化学セルモジュール１は、複数の単セル６と、複数の単セル６が収容される筐体５０とを備える。筐体５０は、複数の単セル６を収容し、外部環境から単セル６を保護するための部材である。筐体５０は、本実施形態では、一面が開口した直方体形状の箱体であってもよく、２つ以上の部材が結合されて形成されていてもよい。筐体５０に用いられる金属材料として、例えば、アルミニウム、ステンレス等が用いられてもよい。これにより、単セル積層体７で発生した熱が筐体５０に伝わりやすくなるため、単セル６の放熱性を向上することができる。
図４は電気化学セルモジュール全体の分解斜視図である。電気化学セルモジュール１は、複数の単セル６と、複数の単セル６が収容される筐体５０とを備える。筐体５０は、複数の単セル６を収容し、外部環境から単セル６を保護するための部材である。筐体５０は、本実施形態では、一面が開口した直方体形状の箱体であってもよく、２つ以上の部材が結合されて形成されていてもよい。筐体５０に用いられる金属材料として、例えば、アルミニウム、ステンレス等が用いられてもよい。これにより、単セル積層体７で発生した熱が筐体５０に伝わりやすくなるため、単セル６の放熱性を向上することができる。
筐体５０は、主面板５１、２つの側面板５２、底面板５３を含み、例えば、金属材料から成っていてもよい。主面板５１、２つの側面板５２、底面板５３に用いられる金属材料としては、例えば、アルミニウム、ステンレス等が挙げられる。これによって、電気化学セルモジュール１で発生した熱が、主面板５１、２つの側面板５２、底面板５３を介して、外部へ伝わりやすくなるため、電気化学セルモジュール１の放熱性を向上して、耐久性寿命を向上させることができる。
側面板５２は、例えば、樹脂材料から成っていてもよい。側面板５２に用いられる樹脂材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）等の耐熱性樹脂材料が挙げられる。これによって、電気化学セルモジュール１と外部環境とを電気的に絶縁することができ、電気化学セルモジュール１と外部環境とが短絡する可能性を低減することができる。
底面板５３は、単セル積層体７の下部を保護するための部材である。底面板５３は、主面板５１または側面板５２の一部を折曲げ加工して一体に形成されてもよい。底面板５３は、単セル積層体７の下面に垂直な方向から見たときに、矩形状であってもよい。この場合、底面板５３は、例えば、長辺が２００ｍｍ～６００ｍｍ、短辺が５０ｍｍ～３００ｍｍであってもよい。また、底面板５３は、例えば、厚みが０．５ｍｍ～５ｍｍであってもよい。
このような底面板５３は、例えば、金属材料から成っていてもよい。底面板５３に用いられる金属材料としては、例えば、アルミニウム、ステンレス等が挙げられる。これにより、電気化学セルモジュール１で発生した熱が、底面板５３を介して、外部へ伝わりやすくなるため、電気化学セルモジュール１の寿命を向上させることができる。
他の実施形態では、底面板５３が、例えば樹脂材料から成っていてもよい。底面板５３に用いられる樹脂材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）等の耐熱性樹脂材料が挙げられる。これにより、電気化学セルモジュール１と外部環境とを電気的に絶縁することができるため、電気化学セルモジュール１と外部環境とが短絡する可能性を低減することができる。
単セル積層体７は、筐体５０内で、積層方向における両端面が押圧されて保持されていてもよい。単セル積層体７は、押圧板５４と弾性体５５とによって押圧されて保持されていてもよい。
押圧板５４として、例えば、金属材料が用いられてもよい。これによって、電気化学セルモジュール１から発生した熱を外部へ伝わりやすくすることができる。その結果、電気化学セルモジュール１の寿命を向上させることができる。押圧板５４に用いられる金属材料としては、例えば、アルミニウム、ステンレス等が挙げられる。
押圧板５４として、例えば、絶縁性の樹脂材料が用いられてもよい。これにより、電気化学セルモジュール１と外部環境とを電気的に絶縁することができるため、電気化学セルモジュール１と外部環境とが短絡する可能性を低減することができる。押圧板５４に用いられる樹脂材料としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。
押圧板５４として、例えば、樹脂材料と金属材料とが用いられてもよい。樹脂材料は、例えば、押圧板５４における単セル積層体７に接触する部分に用いられてもよい。これにより、電気化学セルモジュール１と押圧板５４とを電気的に絶縁することができる。その結果、電気化学セルモジュール１と外部環境とが短絡する可能性を低減することができる。また、押圧板５４に金属材料を用いることで、押圧板５４を破損しにくくすることができる。
弾性体５５は、押圧板５４と筐体５０の主面板５１との間に位置している。弾性体５５は、押圧板５４に圧力を加えることにより、電気化学セルモジュール１に圧力を加えるために設けられている。弾性体５５としては、例えば、ばねを用いることができる。ばねは、例えば、圧縮コイルばねであってもよい。また、ばねは、例えば、屈曲または湾曲した板ばねであってもよい。ばね材料としては、例えば、金属材料から成っていてもよい。ばねに用いられる金属材料としては、例えば、ばね鋼、ステンレス鋼等が挙げられる。ばねの寸法は、例えば、圧縮コイルばねの場合、直径が５ｍｍ～５０ｍｍであり、長さが、１０ｍｍ～５０ｍｍであり、ピッチが１ｍｍ～１０ｍｍであってもよい。
弾性体５５として、前述のばねに代えて、例えば、板状のゴム材料が用いられてもよい。ゴム材料は、例えば、押圧板５４と同じ形状であってもよい。ゴム材料としては、例えば、天然ゴムであってもよく、合成ゴムであってもよい。
また、単セル積層体７は、筐体５０によって、第２方向における端面２ｂ，２ｃに圧力が加えられていてもよい。筐体５０は、例えば、主面板５１と側面板５２とをねじ止めすることで、主面板５１が単セル積層体７の端面を押圧することで圧力を加えてもよい。
本開示の他の実施形態の電気化学セルモジュール１では、リード端子接続部は、基板の表面に対して垂直に延びていてもよい。
（電気化学セルシステム）
本開示の一実施形態の電気化学セルシステムは、前述の実施形態の電気化学セルモジュールと、電気化学セルモジュールを制御する制御部と、を備える。制御部は、電気化学セルモジュールに、過充電/過放電から電池を保護する制御ＩＣとして内蔵されてもよい。制御ＩＣには、保護回路がプログラムとして構築されてもよい。
本開示の一実施形態の電気化学セルシステムは、前述の実施形態の電気化学セルモジュールと、電気化学セルモジュールを制御する制御部と、を備える。制御部は、電気化学セルモジュールに、過充電/過放電から電池を保護する制御ＩＣとして内蔵されてもよい。制御ＩＣには、保護回路がプログラムとして構築されてもよい。
この保護回路は，電池電圧が予め設定されて満充電時の電池電圧を越えようとすると、電流を遮断して充電電流の流れを強制的に停止させる。また、放電時の電池電圧が予め設定された放電可能電圧未満になると、放電電流を強制的に遮断するように構成される。さらに、このような保護回路が動作して、突然電源が遮断されてしまうと、電気化学セルモジュールから電源電力を供給していた設備（電力需要家）に大きな支障を与えることになるため、そのような状態が発生しないように、電池電圧が放電可能電圧まで低下すると、例えば「電池残量が少なくなりました。充電して下さい。」などの警告情報を画像表示および音響などによって報知し、使用者に警告し、このときの警告信号に応答してデータをメモリなどに保存し、動作を停止させるように構成される。
保護回路が実行する充電シーケンスとしては、例えば、プリチャージ、急速充電（または定電流充電、定電圧充電、満充電判定をこの順序で実行する。プリチャージでは、初期段階は小さな電流を流し込み、一定の電圧に達したら，一定の大きさの電流による充電（定電流充電）を行ない、定電流から定電圧にシフトする定電流定電圧（Constant Voltage Constant Current；ＣＶＣＣ）制御を実行する。満充電近くまで電池電圧が上昇したら，一定の電圧で充電を行う。定電圧充電の期間では，電池の内部電圧が上昇するにつれて、充電電流が自然に減少し、電流値が一定の電流まで減少したら充電完了と判断して、充電を終了するように構成される。
以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、また、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。上記各実施形態をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせ可能であることは、言うまでもない。
１ 電気化学セルモジュール
２ 発電要素
３ セル本体
４、５ リード端子
６ 単セル
７ 単セル積層体
８ 貫通孔
９ 基板
１０ リード端子接続部
１１ 外部端子
１２ 部分
１２ａ 第１部分
１２ｂ 第２部分
１３ 湾曲部
１６ 包装体
１７ 正極端子
１８ 負極端子
５０ 筐体
５１ 主面板
５２ 側面板
５３ 底面板
５４ 押圧板
２ 発電要素
３ セル本体
４、５ リード端子
６ 単セル
７ 単セル積層体
８ 貫通孔
９ 基板
１０ リード端子接続部
１１ 外部端子
１２ 部分
１２ａ 第１部分
１２ｂ 第２部分
１３ 湾曲部
１６ 包装体
１７ 正極端子
１８ 負極端子
５０ 筐体
５１ 主面板
５２ 側面板
５３ 底面板
５４ 押圧板
Claims (4)
- 複数のリード端子を有する単セルが複数積層された単セル積層体と、
前記複数のリード端子のそれぞれが挿通される複数の貫通孔が互いに間隔をあけて形成される基板と、
前記基板の前記複数の貫通孔の間に設けられ、前記基板の前記リード端子が前記貫通孔から突出する側の表面に対して離れる方向に延びるリード端子接続部を有する複数の外部端子と、を備え、
前記複数のリード端子は、前記貫通孔から突出する部分が、前記複数のリード端子接続部に接合され、
前記リード端子接続部は、前記基板の前記表面に対して傾斜している、電気化学セルモジュール。 - 前記貫通孔から突出する部分は、前記リード端子接続部に接合される平坦状の第１部分と、前記第１部分から屈曲して延びる第２部分と、を有している、請求項１に記載の電気化学セルモジュール。
- 前記複数のリード端子は、前記セル本体と前記貫通孔から突出部分との間に、湾曲部を有している、請求項２に記載の電気化学セルモジュール。
- 請求項１～３のいずれかに記載の電気化学セルモジュールと、
前記電気化学セルモジュールを制御する制御部と、を備えた電気化学セルシステム。
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