JPWO2017033497A1 - 鉛蓄電池用セパレータ、鉛蓄電池及びこれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態に係る鉛蓄電池は、例えば、電槽、電極群、電解液(硫酸等)及びセパレータを備えている。電極群及び電解液は、電槽内に収容されている。電極群は、複数の電極を有しており、例えば、複数の電極板(板状の電極)を有する極板群である。電極群は、セパレータを介して対向する正極(正極板等)及び負極(負極板等)を有している。本実施形態に係る鉛蓄電池としては、液式鉛蓄電池が好ましい。
[正極活物質]
正極材は、正極活物質を含有している。正極活物質は、正極活物質の原料を含む正極材ペーストを熟成及び乾燥することにより未化成活物質を得た後に化成することで得ることができる。化成後の正極活物質は、α−二酸化鉛(α−PbO2)を含むことが好ましく、β−二酸化鉛(β−PbO2)を更に含んでいてもよい。正極活物質の原料としては、特に制限はなく、例えば鉛粉が挙げられる。鉛粉としては、例えば、ボールミル式鉛粉製造機又はバートンポット式鉛粉製造機によって製造される鉛粉(ボールミル式鉛粉製造機においては、主成分PbOの粉体と鱗片状金属鉛の混合物)が挙げられる。正極活物質の原料として鉛丹(Pb3O4)を用いてもよい。未化成の正極材は、主成分として三塩基性硫酸鉛を含む未化成の正極活物質を含有することが好ましい。
正極材は、添加剤を更に含有していてもよい。添加剤としては、炭素材料、補強用短繊維(炭素繊維を除く)等が挙げられる。炭素材料としては、炭素質導電材等が挙げられる。炭素質導電材としては、黒鉛、カーボンブラック、活性炭、炭素繊維、カーボンナノチューブ等が挙げられる。カーボンブラックとしては、ファーネスブラック(ケッチェンブラック等)、チャンネルブラック、アセチレンブラック、サーマルブラックなどが挙げられる。炭素質導電材としては、負極添加剤と同様の材料を用いることができる。補強用短繊維としては、アクリル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維等が挙げられる。
正極材の比表面積の下限は、充電受入性能に更に優れる観点から、3m2/g以上が好ましく、4m2/g以上がより好ましく、5m2/g以上が更に好ましい。正極材の比表面積の上限は、特に制限はないが、実用的な観点及び利用率に優れる観点から、15m2/g以下が好ましく、13m2/g以下がより好ましく、12m2/g以下が更に好ましい。正極材の前記比表面積は、化成後の正極材の比表面積である。正極材の比表面積は、例えば、正極材ペーストを作製する際の硫酸及び水の添加量を調整する方法、未化成活物質の段階で活物質を微細化させる方法、化成条件を変化させる方法等により調整することができる。
P:一定温度で吸着平衡状態であるときの吸着平衡圧
Po:吸着温度における飽和蒸気圧
V:吸着平衡圧Pにおける吸着量
Vm:単分子層吸着量(気体分子が固体表面で単分子層を形成したときの吸着量)
C:BET定数(固体表面と吸着物質との間の相互作用に関するパラメータ)
[負極活物質]
負極活物質は、負極活物質の原料を含む負極材ペーストを熟成及び乾燥することにより未化成活物質を得た後に化成することで得ることができる。化成後の負極活物質としては、海綿状鉛(Spongylead)等が挙げられる。前記海綿状鉛は、電解液中の硫酸と反応して、次第に硫酸鉛(PbSO4)に変わる傾向がある。負極活物質の原料としては、鉛粉等が挙げられる。鉛粉としては、例えば、ボールミル式鉛粉製造機又はバートンポット式鉛粉製造機によって製造される鉛粉(ボールミル式鉛粉製造機においては、主成分PbOの粉体と鱗片状金属鉛の混合物)が挙げられる。未化成の負極活物質は、例えば、塩基性硫酸鉛、金属鉛、及び、低級酸化物から構成される。
負極材は、添加剤を更に含有していてもよい。添加剤としては、有機化合物;硫酸バリウム;炭素材料;補強用短繊維(炭素繊維を除く)等が挙げられる。補強用短繊維としては、正極添加剤と同様の材料を用いることができる。有機化合物としては、例えば、スルホン基(スルホン酸基、スルホ基)及びスルホン酸塩基(スルホン基の水素原子がアルカリ金属で置換された基等)からなる群より選ばれる少なくとも一種を有する樹脂(スルホン基及び/又はスルホン酸塩基を有する樹脂)が挙げられる。スルホン基及びスルホン酸塩基からなる群より選ばれる少なくとも一種を有する樹脂を負極材が含むことにより、充放電に伴う負極活物質の粗大化を容易に抑制することが可能であり、充電受入性能を更に向上させることができる。
装置:高速液体クロマトグラフ LC−2200 Plus(日本分光株式会社製)
ポンプ:PU−2080
示差屈折率計:RI−2031
検出器:紫外可視吸光光度計UV−2075(λ:254nm)
カラムオーブン:CO−2065
カラム:TSKgel SuperAW(4000)、TSKgel SuperAW(3000)、TSKgel SuperAW(2500)(東ソー株式会社製)
カラム温度:40℃
溶離液:LiBr(10mmol/L)及びトリエチルアミン(200mmol/L)を含有するメタノール溶液
流速:0.6mL/分
分子量標準試料:ポリエチレングリコール(分子量:1.10×106、5.80×105、2.55×105、1.46×105、1.01×105、4.49×104、2.70×104、2.10×104;東ソー株式会社製)、ジエチレングリコール(分子量:1.06×102;キシダ化学株式会社製)、ジブチルヒドロキシトルエン(分子量:2.20×102;キシダ化学株式会社製)
負極材の比表面積は、電解液と負極活物質との反応性を高める観点から、0.4m2/g以上が好ましく、0.5m2/g以上がより好ましく、0.6m2/g以上が更に好ましい。負極材の比表面積は、サイクル時の負極の収縮を更に抑制する観点から、2m2/g以下が好ましく、1.8m2/g以下がより好ましく、1.5m2/g以下が更に好ましい。負極材の前記比表面積は、化成後の負極材の比表面積である。負極材の比表面積は、例えば、負極材ペーストを作製する際の硫酸及び水の添加量を調整する方法、未化成活物質の段階で活物質を微細化させる方法、化成条件を変化させる方法等により調整することができる。負極材の比表面積は、例えば、BET法で測定することができる。
集電体としては、鋳造格子体、エキスパンド格子体等の集電体格子などが挙げられる。集電体の材料としては、例えば、鉛−カルシウム−錫合金、鉛−カルシウム合金及び鉛−アンチモン合金が挙げられる。これらにセレン、銀、ビスマス等を微量添加することができる。例えば、これらの材料を重力鋳造法、エキスパンド法、打ち抜き法等で格子状に形成することにより集電体を得ることができる。正極及び負極の集電体は、互いに同一であってもよく、互いに異なっていてもよい。
本実施形態に係る鉛蓄電池の製造方法は、例えば、電極(正極及び負極)を得る電極製造工程と、前記電極を含む構成部材を組み立てて鉛蓄電池を得る組み立て工程とを備えている。組み立て工程は、例えば、正極、負極及びセパレータを用いて鉛蓄電池を得る工程である。
(鉛蓄電池用セパレータの作製)
[実施例1A]
8本のリブ(リブ間隔:9.8mm、リブ幅(上底幅及び下底幅):0.8mm、リブ高さ:0.55mm)並びにミニリブ(リブ間隔:1.0mm、リブ幅(上底幅及び下底幅):0.3mm、リブ高さ:0.2mm)を片面に備えた微孔性ポリエチレン製の長尺シート(以下、「シートA」という。日本板硝子株式会社製の「微多孔シート」。ベース部幅:115mm、ベース部厚み:0.20mm)と、表面(両面)をスルホン基で親水化処理したポリプロピレン製の多孔シート(以下、「シートB1」という。日本バイリーン株式会社製の「不織布」。幅:100mm、厚み:0.1mm、平均細孔径:1μm、目付:40g/m2)とを準備した。リブ及びミニリブのそれぞれは、シートAの短手方向において互いに略平行に配置されている。ミニリブは、シートAの短手方向の両端部にそれぞれ20本ずつ配置されている。次に、シートAにおけるリブを設けていない面と、シートB1とが当接するように、シートAとシートB1とを重ね合わせて積層シートを得た。そして、設定温度250℃のヒータにて積層シートを挟み込んだ。
・装置:株式会社島津製作所製、オートポアIV 9500
・水銀圧入圧:0.51psia
・測定圧力での圧力保持時間:10秒
・試料と水銀との接触角:140°
・水銀の表面張力:485dynes/cm
・水銀の密度:13.5335g/mL
接着剤(位置ずれ防止手段)によりシートAとシートB1とを接着し、鉛蓄電池用セパレータを得た。シートA及びシートB1としては、実施例1Aと同様のシートを使用した。接着剤の構成材料はアタクチックポリプロピレンであった。接着位置は、実施例1Aと同様であった。接着面積は10cm2/枚であった。
両面テープ(位置ずれ防止手段)によりシートAとシートB1とを接着し、鉛蓄電池用セパレータを得た。両面テープとしては、基材が紙であり且つ粘着剤がアタクチックポリプロピレンであるテープを使用した。接着位置は、実施例1Aと同様であった。両面テープとしては、アスクル株式会社製の一般作業用両面テープを使用した。両面テープの幅は、10mmであった。
圧着(位置ずれ防止手段)によりシートAとシートB1とを接着し、鉛蓄電池用セパレータを得た。圧着は、シートAとシートB1とを金属製ギアで挟み込み、ギアを回転させることで行った。接着位置は、実施例1Aと同様であった。
位置ずれ防止手段を用いることなく、シートAと、平均細孔径が40μmである多孔シート(ポリプロピレン不織布。以下、「シートB2」という。両面スルホン化処理、幅:100mm、厚み:0.1mm)とを重ね合わせて、鉛蓄電池用セパレータを得た。
超音波溶着(位置ずれ防止手段)によりシートAとシートB1とを溶着し、鉛蓄電池用セパレータを得た。超音波溶着は、下記条件で行った。シートA及びシートB1としては、実施例1Aと同様のシートを使用した。超音波溶着部の配置位置は、実施例1Aと同様であった。
{超音波溶着条件}
(1)エネルギー:330J
(2)出力パワー:30W
(3)発振周波数:39.5kHz
(4)出力振幅:80%(前記(1)〜(3)の設定で決まる振幅の80%)
(5)ホーンと溶着部との距離:0.15mm
シートB1の代わりに、表面(両面)にフッ素ガス処理が施されたポリプロピレン製の多孔シート(以下、「シートB3」という。日本バイリーン株式会社製の「不織布」。幅:100mm、厚み:0.1mm、平均細孔径:40μm、目付:40g/m2)を用いたことを除き実施例1Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。シートB3の表面は、フッ素ガス処理が施されているため、スルホン基、カルボキシル基及び水酸基を有している。以下のフッ素ガス処理についても同様である。
シートB1の代わりに、表面(両面)にフッ素ガス処理が施された混合繊維から構成される不織布(多孔シート。パルプ、ガラス繊維及びシリカ粉末を含む混合繊維。以下、「シートB4」という。幅:100mm、厚み:0.1mm、平均細孔径:1μm)を用いたことを除き実施例2Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。
シートB4の代わりに、シートB4の幅を97mmに変更した不織布(以下、「シートB5」という)を用いたことを除き実施例7Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。
シートB4の代わりに、シートB4の幅を111mmに変更した不織布(以下、「シートB6」という)を用いたことを除き実施例7Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。
位置ずれ防止部の形成位置を、シートB4の長辺側の両端部からそれぞれ15.5mmの位置(シートAの長辺側の両端部からそれぞれ23mmの位置)へ変更したことを除き実施例7Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。
シートB4の代わりに、シートB4の幅を113mmに変更した不織布(以下、「シートB7」という)を用いたことを除き実施例7Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。
シートB4の代わりに、シートB4の幅を95mmに変更した不織布(以下、「シートB8」という)を用いたことを除き実施例7Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。
シートB1の代わりに、表面処理を施していないガラス繊維から構成される多孔シート(以下、「シートB9」という。幅:100mm、厚み:0.1mm、平均細孔径:1μm)を用いたことを除き実施例2Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。
金属製ギアを用いて、図4に示すように、実施例1A〜13A及び比較例1の鉛蓄電池用セパレータ(多孔シート付き微孔シート)にメカニカルシールを形成して鉛蓄電池用負極収納袋を作製した際のシートA及びシートB1〜B9の位置ずれの有無を評価した。不織布が負極収納袋の内側に位置するように調整した。鉛蓄電池用負極収納袋を作製した数(n数)は、実施例1A〜13A及び比較例1のそれぞれにおいて100とした。位置ずれの有無は、目視で判断した。結果を下記表1及び表2に示す。
(鉛蓄電池用セパレータの作製)
[実施例1B]
実施例1Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。
多孔シートとしてシートB2を用いたことを除き実施例1Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。
多孔シートとして、平均細孔径が80μmである多孔シート(ポリプロピレン不織布。以下、「シートB10」という。両面スルホン化処理、幅:100mm、厚み:0.1mm)を用いたことを除き実施例1Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。
多孔シートとして、平均細孔径が100μmである多孔シート(ポリプロピレン不織布。以下、「シートB11」という。両面スルホン化処理、幅:100mm、厚み:0.1mm)を用いたことを除き実施例1Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。
多孔シートとして、平均細孔径が200μmである多孔シート(ポリプロピレン不織布。以下、「シートB12」という。両面スルホン化処理、幅:100mm、厚み:0.1mm)を用いたことを除き実施例1Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。
比較例1において位置ずれしなかった鉛蓄電池用負極収納袋(袋状の二重セパレータ)を準備した。
多孔シートとして、平均細孔径が40μmである多孔シート(ポリプロピレン不織布。以下、「シートB13」という。両面フッ素ガス処理、幅:100mm、厚み:0.1mm)を用いたことを除き実施例1Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。
実施例8Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。
実施例12Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。
実施例7Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。
位置ずれ防止部の幅を0.4mmに変更したことを除き実施例7Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。
位置ずれ防止部の幅を1.5mmに変更したことを除き実施例7Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。
位置ずれ防止部の幅を1.6mmに変更したことを除き実施例7Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。
多孔シートとしてシートB9を用いたことを除き実施例2Aと同様にして、鉛蓄電池用セパレータを得た。
比較例1において位置ずれした鉛蓄電池用負極収納袋(袋状の二重セパレータ)を準備した。
[正極板の作製]
正極活物質の原料として鉛粉及び鉛丹(Pb3O4)を用いた(鉛粉:鉛丹=90:3.9(質量比))。正極活物質の原料と、正極活物質の原料の全質量を基準として0.07質量%の補強用短繊維(アクリル繊維)と、水とを混合して混練した。続いて、希硫酸(比重1.280)を少量ずつ添加しながら混練して、正極材ペーストを作製した。鉛合金からなる圧延シートにエキスパンド加工を施すことにより作製されたエキスパンド式集電体にこの正極材ペーストを充填した。次いで、正極材ペーストが充填された集電体を温度50℃、湿度98%の雰囲気で24時間熟成した。その後、乾燥して未化成の正極板を作製した。
負極活物質の原料として鉛粉を用いた。ビスパーズP215(ビスフェノール系化合物とアミノベンゼンスルホン酸とホルムアルデヒドとの縮合物、日本製紙株式会社製、商品名)を0.2質量%(固形分換算)、補強用短繊維(アクリル繊維)を0.1質量%、硫酸バリウムを1.0質量%、炭素材料(鱗片状黒鉛(粒径180μm))を2質量%含む混合物を前記鉛粉に添加した後に乾式混合した(前記配合量は、負極活物質の原料の全質量を基準とした配合量である)。次に、水を加えた後に混練した。続いて、希硫酸(比重1.280)を少量ずつ添加しながら混練して、負極材ペーストを作製した。鉛合金からなる圧延シートにエキスパンド加工を施すことにより作製されたエキスパンド式集電体にこの負極材ペーストを充填した。次いで、負極材ペーストが充填された集電体を温度50℃、湿度98%の雰囲気で24時間熟成した。その後、乾燥して未化成の負極板を作製した。
実施例1B〜5B,7B〜14Bの鉛蓄電池用セパレータの長手方向の中央において長手方向に折り目をつけて断面U字状に折り曲げた後、未化成の負極板を断面U字状の空間の内側に配置した。そして、折り曲げ部に隣接する両側部をそれぞれメカニカルシールによってシールして、袋状の二重セパレータ(内側:不織布、外側:ポリエチレン製セパレータ)を得た。不織布が負極収納袋の内側に位置するように調整した。続いて、実施例1B〜14B及び参考例1の袋状の二重セパレータに未化成の負極板を収納した。さらに、袋状の二重セパレータに入った未化成の負極板6枚と、未化成の正極板5枚とを交互に積層した。
これらの鉛蓄電池について、充電受入性能、5時間率容量、放電特性、成層化の抑制効果、及び、寿命サイクル数を評価した。結果を下記表3及び表4に示す。各測定の測定方法を下記に示す。
25℃の恒温槽の中で、組み立て初期の鉛蓄電池のSOC(充電状態)を満充電状態の90%に調整した後、2.33Vの充電電圧の印加(但し、2.33Vに達する前の電流を100Aに制限)開始時から5秒目の充電電流値(5秒目充電電流値)を計測した。5秒目充電電流値が高い場合ほど、初期の充電受入性能が高いことを意味する。充電受入性能は、実施例1Bの測定結果を100として相対評価した。
作製した電池において、25℃、6Aで定電流放電し、セル電圧が1.75Vを下回るまでの放電持続時間に基づき5時間率容量を算出した。5時間率容量は、実施例1Bの測定結果を100として相対評価した。
放電特性として、−15℃において5Cで定電流放電し、電池電圧が1.0Vに達するまでの放電持続時間を測定した。放電持続時間が長いほど放電特性に優れる電池であると評価される。なお、前記Cとは、満充電状態から定格容量を定電流放電するときの電流の大きさを相対的に表したものである。例えば、定格容量を1時間で放電させることができる電流を「1C」、2時間で放電させることができる電流を「0.5C」と表現する。放電特性は、実施例1Bの測定結果を100として相対評価した。
鉛蓄電池を25℃の雰囲気に保持しつつ、(i)放電電流45Aで59秒放電、(ii)放電電流300Aで1秒放電、(iii)充電電圧2.33V(制限電流100A)で定電流定電圧充電の(i)〜(iii)を1サイクルとするサイクル試験を3600回繰り返した(電池工業会規格:SBAS0101)。3600回目における電解液上部と下部の比重を測定し、この比重の差によって成層化の抑制効果を評価した。数値が小さいほど、成層化を抑制できることを意味する。また、サイクルを継続し、電池電圧が1.2Vまで低下するまでのサイクル数を寿命サイクル数として評価した。
Claims (19)
- 長尺の第1の多孔シート、及び、当該第1の多孔シートに積層された第2の多孔シートを有する積層シートと、
前記第1の多孔シート及び前記第2の多孔シートの互いの相対位置を固定する位置ずれ防止部と、を備え、
前記第1の多孔シートの前記第2の多孔シート側の面における前記第1の多孔シートの短手方向の少なくとも一方の縁部が前記第2の多孔シートから露出している、鉛蓄電池用セパレータ。 - 前記位置ずれ防止部が、前記第1の多孔シートの長手方向に沿って複数配置されている、請求項1に記載の鉛蓄電池用セパレータ。
- 前記位置ずれ防止部が、熱溶着部、超音波溶着部、接着剤、両面テープ又は圧着部である、請求項1又は2に記載の鉛蓄電池用セパレータ。
- 前記第1の多孔シートと前記第2の多孔シートとが互いに当接している、請求項1〜3のいずれか一項に記載の鉛蓄電池用セパレータ。
- 前記第2の多孔シートの平均細孔径が1〜200μmである、請求項1〜4のいずれか一項に記載の鉛蓄電池用セパレータ。
- 前記第2の多孔シートが、有機繊維、ガラス繊維及びパルプからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の鉛蓄電池用セパレータ。
- 前記第2の多孔シートの少なくとも一方の面が親水化処理されている、請求項1〜6のいずれか一項に記載の鉛蓄電池用セパレータ。
- 前記第1の多孔シートの前記縁部が、前記第1の多孔シートの短手方向の露出量が2〜9mmである部分を有する、請求項1〜7のいずれか一項に記載の鉛蓄電池用セパレータ。
- 前記第2の多孔シートの少なくとも一方の面が、スルホン基、カルボキシル基及び水酸基からなる群より選ばれる少なくとも1種を有する、請求項1〜8のいずれか一項に記載の鉛蓄電池用セパレータ。
- 前記第1の多孔シートが、前記第1の多孔シートの長手方向に延びる第1のリブ及び第2のリブを有し、
前記第2のリブが、前記第1の多孔シートの短手方向の両端部のそれぞれに複数配置されており、
前記第1のリブが、前記両端部の間の領域に配置されている、請求項1〜9のいずれか一項に記載の鉛蓄電池用セパレータ。 - 前記第2のリブが、前記両端部のそれぞれに10〜40本配置されている、請求項10に記載の鉛蓄電池用セパレータ。
- 前記第2の多孔シートが内側に位置するように前記積層シートが屈曲していると共に前記第1の多孔シートの前記縁部同士が接合することにより、電極を収納可能な空間が形成されている、請求項1〜11のいずれか一項に記載の鉛蓄電池用セパレータ。
- 請求項1〜12のいずれか一項に記載の鉛蓄電池用セパレータの製造方法であって、
前記第1の多孔シートの前記縁部が前記第2の多孔シートから露出するように前記第1の多孔シートと前記第2の多孔シートとを積層してセパレータを得る工程を備える、鉛蓄電池用セパレータの製造方法。 - 請求項12に記載の鉛蓄電池用セパレータと、正極と、前記セパレータの前記空間に収納された負極と、を備え、
前記負極と前記正極とが交互に配置されている、鉛蓄電池。 - 電槽と、当該電槽に収容された電極群及び電解液と、を備える鉛蓄電池であって、
前記電極群が、セパレータを介して積層された正極及び負極を有し、
前記正極が、正極集電体と、当該正極集電体に保持された正極材と、を有し、
前記負極が、負極集電体と、当該負極集電体に保持された負極材と、を有し、
前記セパレータが、第1の多孔シートと、平均細孔径1〜200μmの第2の多孔シートと、を有し、
前記第2の多孔シートの少なくとも一部が前記負極と前記第1の多孔シートとの間に配置されている、鉛蓄電池。 - 前記第2の多孔シートの少なくとも一方の面が、スルホン基、カルボキシル基及び水酸基からなる群より選ばれる少なくとも1種を有する、請求項15に記載の鉛蓄電池。
- 前記第1の多孔シートが、長尺であると共に、前記第1の多孔シートの長手方向に延びる第1のリブ及び第2のリブを有し、
前記第2のリブが、前記第1の多孔シートの短手方向の両端部のそれぞれに複数配置されており、
前記第1のリブが、前記両端部の間の領域に配置されている、請求項15又は16に記載の鉛蓄電池。 - 前記第2のリブが、前記両端部のそれぞれに10〜40本配置されている、請求項17に記載の鉛蓄電池。
- 請求項14〜18のいずれか一項に記載の鉛蓄電池の製造方法であって、
前記正極、前記負極及び前記セパレータを用いて鉛蓄電池を得る工程を備える、鉛蓄電池の製造方法。
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