KR100934465B1 - 보호테이프로 외면을 감싼 구조의 젤리-롤 및 이를포함하고 있는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분리막이 개재된 상태에서 양극 시트와 음극 시트를 둥글게 권취하거나 또는 권취 후 일측 방향으로 압축한 구조의 권취형 전극조립체('젤리-롤')로서, 권취 단부를 포함한 젤리-롤의 권취 외면을 감싸도록 보호테이프가 부착되어 있고, 상기 보호테이프의 양 단부는 중첩된 상태로 상호 결합되어 있으며, 상기 보호테이프는 젤리-롤 하단면으로부터 소정의 길이로 연장된 잉여부('하단 잉여부')를 포함하고 있고, 상기 하단 잉여부는 젤리-롤 하단면 중앙을 향해 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤 및 이를 포함하는 이차전지를 제공한다.

Description

보호테이프로 외면을 감싼 구조의 젤리-롤 및 이를 포함하고 있는 이차전지 {Jelly-Roll of Structure Wrapped Outside by Masking-Tape and Secondary Battery Employed with the Same}

도 1은 젤리-롤을 내장한 종래기술의 각형 이차전지의 모식도이다;

도 2a 및 2b는 도 1의 이차전지에서 각형 케이스 안에 삽입되는 젤리-롤의 모식도들이다;

도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤의 제조 과정 중 보호테이프를 부착하는 과정의 모식도이다;

도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤의 사시도이다.

본 발명은 분리막이 개재된 상태에서 양극 시트와 음극 시트를 둥글게 권취하거나 또는 권취 후 일측 방향으로 압축한 구조의 권취형 전극조립체('젤리-롤')로서, 권취 단부를 포함한 젤리-롤의 권취 외면을 감싸도록 보호테이프가 부착되어 있고, 상기 보호테이프의 양 단부는 중첩된 상태로 상호 결합되어 있으며, 상기 보호테이프는 젤리-롤 하단면으로부터 소정의 길이로 연장된 잉여부('하단 잉여부')를 포함하고 있고, 상기 하단 잉여부는 젤리-롤 하단면 중앙을 향해 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 젤리-롤이 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 젤리-롤이 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.

또한, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 폴딩형 전극조립체(젤리-롤)과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형 전극조립체로 분류된다. 그 중, 젤리-롤은 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.

젤리-롤은 주로 원통형 전지와 각형 전지에 사용되는 바, 도 1에는 젤리-롤을 포함하고 있는 각형 전지의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 각형 전지(50)는 젤리-롤(10)이 각형의 금속 케이스(20)에 내장되어 있고 케이스(20)의 개방 상단에 돌출형 전극단자(예를 들어, 음극단자: 32)가 형성되어 있는 탑 캡(30)을 결합되어 있는 구조로 이루어져 있다.

젤리-롤(10)의 음극은 음극 탭(12)을 통해 탑 캡(30) 상의 음극단자(32)의 하단에 전기적으로 연결되며, 그러한 음극단자(32)는 절연부재(34)에 의해 탑 캡(30)으로부터 절연되어 있다. 반면에, 젤리-롤(10)의 또다른 전극(예를 들어, 양극)은 그것의 양극 탭(14)이 알루미늄, 스테인리스 스틸 등과 같은 도전성 소재로 되어 있는 탑 캡(30)에 전기적으로 연결되어 그 자체로서 양극단자를 형성한다.

또한, 전극 탭들(12, 14)을 제외하고 젤리-롤(10)와 탑 캡(30)의 전기적 절연 상태를 보장하기 위하여, 각형 케이스(20)와 젤리-롤(10) 사이에 시트형 절연부재(40)를 삽입한 뒤, 탑 캡(30)을 장착하고, 탑 캡(30)과 케이스(20)의 접촉면을 따라서 용접으로 이들을 결합한다. 그런 다음, 전해액 주입구(43)를 통해 전해액을 주입한 후 금속 볼(도시하지 않음)용접하여 밀봉하고, 에폭시 등으로 용접 부위를 도포함으로써 전지가 완성된다.

도 2a 및 2b에는 각형 케이스 안에 삽입되는 젤리-롤의 모식도들이 도시되어 있다.

우선, 도 2a를 참조하면, 젤리-롤(10)은 권취된 형태를 유지할 수 있도록 권취 단부 부위에 보호테이프(15)를 부착하여 풀림을 방지한다. 이렇게 풀림 방지를 위해 부착되는 보호테이프(15)는 젤리-롤(10)의 적어도 권취 단부(11)를 커버할 수 있는 크기를 가진다. 즉, 젤리-롤(10)의 높이(H)와 폭(W)보다 작은 크기의 보호테이프(15)를 젤리-롤(10) 권취 단부(11)에 부착한다.

그러나, 이러한 보호테이프(15)의 부착에 의해 젤리-롤(10)의 풀림이 일시적으로 방지되지만, 전지의 계속적인 충방전 과정에서 부피의 팽창 및 수축이 반복됨에 따라, 젤리-롤(15)의 원상 복원력으로 인한 내부 응력에 의해 권취 상태가 풀릴 가능성이 높고, 전지케이스에 삽입 시 외곽 부 분리막 및 전극이 손상될 가능성이 크다. 또한, 그로 인한 이물질의 유입으로 내부단락의 가능성이 크다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하면서, 동시에 젤리-롤(10)과 전지케이스 내부 사이의 절연성을 높이기 위하여, 2b에서와 같이, 젤리-롤(10)의 외주면을 전체 감싸도록 보호테이프(15a)를 부착하기도 한다.

도 2b에서와 같이, 젤리-롤의 외주면 전체를 감싸도록 보호테이프를 부착하는 하나의 예가 한국 등록특허 제0467690호에 개시되어 있다. 상기 특허는 젤리-롤의 외주면을 감싸도록 보호테이프를 부착할 때 기체가 포획되면 젤리-롤과 보호테이프 사이에 기포가 형성되는 것을 방지하는 기술을 제시하고 있다. 즉, 미세한 구멍 복수 개를 뚫은 보호테이프를 사용함으로써, 접착되는 면과 보호테이프 사이에 기포가 형성되는 것을 방지하고 있다. 그러나, 상기 기술을 상용화하려면 제조공정이 복잡해지고, 더욱이 다수의 미세한 구멍들로 인해 보호테이프의 기계적 강도가 떨어져, 전지의 제조과정에서조차 보호테이프가 파손될 가능성이 높다는 단점을 가지고 있다. 더욱이, 본 출원의 발명자들이 행한 실험에 따르면, 전지의 제조과정에서 그러한 기포 형성의 가능성은 크지 않으며, 실제 기포가 형성되더라도 전지의 작동 성능에 크게 영향을 미치지는 않다는 사실이 확인되었다.

그 보다는 전지의 조립과정에서 케이스에 전극조립체를 삽입할 때 전극조립 체의 손상으로 인한 작동 성능의 저하 내지 안전성 훼손이 더 심각한 것으로 확인되었다.

따라서, 젤리-롤형 이차전지에서 계속적인 충방전에 의한 젤리-롤의 풀림을 방지하면서, 제조가 용이하며, 전지의 작동 성능과 안전성 저하를 최소화할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 다양한 실험과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 보호테이프를 특정한 형태로 젤리-롤에 부착하는 경우, 충방전시의 풀림 현상을 근본적으로 방지하면서 전지 제조시의 상기 문제점들을 방지할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 젤리-롤은, 분리막이 개재된 상태에서 양극 시트와 음극 시트를 둥글게 권취하거나 또는 권취 후 일측 방향으로 압축한 구조의 권취형 전극조립체('젤리-롤')로서, 권취 단부를 포함한 젤리-롤의 권취 외면을 감싸도록 보호테이프가 부착되어 있고, 상기 보호테이프의 양 단부는 중첩된 상태로 상호 결합되어 있으며, 상기 보호테이프는 젤리-롤 하단면으로부터 소정의 길이로 연장된 잉여부('하단 잉여부')를 포함하고 있고, 상기 하단 잉여부는 젤리-롤 하단면 중앙을 향해 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤을 포함하는 것으로 구성되어 있다.

구체적으로, 본 발명에 따른 젤리-롤에서 보호테이프는 활물질이 도포되어 있는 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 후 그것의 수직 단면상으로 폐곡선을 형성하도록 부착되어 있다. 즉, 보호테이프가 젤리-롤의 외주면을 따라 그것의 양 단부가 중첩되면서 젤리-롤을 감싸고 있고 그러한 중첩 단부가 상호 결합되어서, 젤리-롤의 풀림을 방지할 수 있다. 보호테이프가 전극의 외면에 부착되어 나타내는 접착력에 비해, 보호테이프의 단부가 상호 중첩되면서 결합되었을 때의 접착력이 훨씬 크므로, 그러한 접착력의 차이만큼 우수한 풀림 방지 특성을 발휘할 수 있다.

더욱이, 상기 보호테이프의 하단 잉여부가 젤리-롤의 하단 모서리를 따라 하단면 중앙을 향해 절곡되어 부착되어 있어서, 풀림 방지 특성을 크게 향상시키며, 젤리-롤을 전지케이스에 삽입할 때, 젤리-롤의 하단 모서리를 보호하여 전지케이스의 개방 상단부에 의해 젤리-롤이 손상되는 것을 근본적으로 방지할 수 있다. 또한, 보호테이프는 매끄러운 외면을 가지고 있으므로, 전지케이스와의 마찰력을 감소시켜 삽입 과정을 더욱 용이하게 해주는 장점도 가지고 있다.

상기 젤리-롤은 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조되어 수평 단면 상으로 원형의 형상을 이룬다. 그리고 케이스에 맞게 원형의 형상을 조절하기도 하는 바, 각형 전지케이스에 들어가는 젤리-롤은 젤리-롤 측면에 압력을 가하여, 수평 단면에서의 원 형상을 타원 형상으로 만들어 각형 전지케이스에 삽입된다. 따라서 상기 젤리-롤의 수평 단면은 바람직하게는 원형 또는 타원형의 형상으로 이루어질 수 있다.

상기 젤리-롤의 보호테이프 양 단부는 서로 중첩된 상태로 결합되는데, 젤리-롤의 외주면을 감싸는 보호테이프의 일면에 접착제가 도포되어, 접착제에 의한 접착으로 보호테이프의 양 단부의 중첩 부분을 결합시키는 것이 바람직하다. 경우에 따라서는, 전극조립체가 열에 의한 열화되지 않는 범위 내에서 보호테이프의 중첩된 양 단부를 열융착에 의해 결합시킬 수 있다.

보호테이프의 양 단부를 접착제에 의해 접착하는 방법에 있어서, 상기 접착제는 전지의 작동에 영향을 미치지 않으면서, 젤리-롤의 권취 상태를 충분히 유지할 수 있는 부착력을 제공하는 다양한 물질들이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 아크릴계 접착제, SBR계 접착제 등이 사용될 수 있다.

상기 보호테이프의 양 단부는 젤리-롤의 외주면 길이를 기준으로 5 내지 8%의 크기로 중첩되는 것이 바람직하다. 계속적인 충방전 과정에서 부피의 팽창 및 수축이 반복되고, 젤리-롤의 회복력에 의한 내부 응력으로 인해, 결합하는 양 단부의 길이가 5%보다 작으면, 중첩되는 양 단부가 쉽게 분리되므로, 젤리-롤이 풀릴 수 있다. 반면에, 중첩되어 결합하는 양 단부의 길이가 8%를 초과하면, 그러한 중첩 부위만큼 젤리-롤의 두께가 증가하여 전체적인 전지의 용량이 줄어들 수 있으므로, 바람직하지 않다.

또한, 상기 보호테이프의 폭은, 충방전시 전극조립체의 팽창 및 수축에 의해 변형 정도를 고려할 때, 젤리-롤의 높이를 기준으로 70 내지 100% 크기인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 보호테이프는 젤리-롤의 외주면 전체를 감싸는 형태로 부착되어 있으므로, 그러한 구조에 의해 두께가 증가하는 것을 방지할 수 있도록, 종래의 보호테이프보다 상대적으로 얇은 두께의 보호테이프를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 종래에 일반적으로 사용되는 대략 55 ㎛ 두께의 보호테이프보다 얇은 보호테이프를 사용함으로써, 상대적으로 얇은 두께를 가지고도 젤리-롤의 풀림을 충분히 방지할 수 있다.

바람직하게는, 30 내지 55 ㎛ 두께의 보호테이프를 사용할 수 있다. 상기 보호테이프의 두께가 30 ㎛ 이하이면, 젤리-롤 내부의 팽창과 수축에 의해 늘어나거나 끊어지기 쉽고, 55 ㎛ 이상이면, 그 만큼 젤리-롤의 두께가 증가하여 전지케이스에 삽입 시 공정성 저하로 인한 젤리-롤 손상이 크다.

보호테이프는, 예를 들어, 기재 필름과, 상기 기재 필름의 일면에 도포되어 있는 접착층으로 구성되어 있으며, 이들의 재료는, 전지와 화학적 반응을 일으키지 않는 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니다, 상기 기재 필름의 소재로는, 예를 들어, 소수성, 내화학성이 우수한 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 수지가 사용될 수 있으며, 특히 폴리프로필렌계 수지가 바람직하다. 접착층의 소재로는 앞서 설명한 접착제가 그대로 사용될 수 있다.

접착층은 기재 필름의 일면 전체 도포될 수도 있고, 중첩되는 단부에만 도포 될 수도 있다. 접착층일 일면 전체 도포되어 있는 경우에는 보호테이프가 젤리-롤의 외면에 접착되면서 그것의 양 단부 중첩 부위에서 상호 결합을 이룰 수 있다.

보호테이프의 두께는 기재 필름의 두께와 접착층의 두께에 의해 결정되는 바, 예를 들어, 젤리-롤의 외경이 최대 17.45 mm일 때, 25 ㎛ 두께의 OPP 기재 필름에 5 ㎛ 두께의 아크릴계 접착층을 도포하여 전체 두께가 30 ㎛인 보호테이프를 부착할 수 있고, 30 ㎛ 두께의 OPP 기재 필름에 25 ㎛ 두께의 아크릴계 접착층을 도포하여 전체 두께가 55 ㎛인 보호테이프를 부착할 수도 있다.

본 발명에 따른 상기 보호테이프의 하단 잉여부는, 앞서 설명한 바와 같이, 전지의 제조 공정 중 전지케이스 내에 젤리-롤을 수납하는 과정에서, 젤리-롤의 외주면 하단이 전지케이스의 개방 상단부에 의해 손상되지 않고 전지케이스 내부로 안전하게 삽입될 수 있도록, 하단 모서리를 따라 하단면 중앙을 향해 절곡되어 있다.

이와 같이 절곡된 하단 잉여부는 바람직하게는 젤리-롤의 하단면에 밀착되어 있는 바, 예를 들어, 젤리-롤 하단면에 접착제에 의한 접착방식으로 부착되어 있거나, 또는 하단 잉여부에 소정의 열을 가하여 열수축 현상을 이용하여 밀착시킬 수 있다.

보호테이프의 상기 하단 잉여부는 젤리-롤 하단면의 권취 반경을 기준으로 5 내지 30%의 크기를 가지는 것이 바람직하다. 하단 잉여부가 5%보다 작으면, 하단면에 밀착되었던 잉여부가 쉽게 분리될 수 있으며, 반대로, 하단 잉여부의 크기가 30%보다 크면, 절곡된 잉여부가 하단면 중앙으로 향해 밀착되면서 생기는 주름의 크기가 상당히 커지게 되어 젤리-롤의 부피가 증가할 수 있으므로, 바람직하지 않다.

본 발명은 또한 상기의 젤리-롤이 전지케이스에 내장되어 있는 구조의 이차전지를 제공한다.

상기 전지케이스는, 예를 들어, 각형 또는 원통형의 금속 캔일 수 있으며, 원통형 이차전지는 분리막이 개재된 상태의 양극 시트와 음극 시트를 둥글게 권취하여, 그 외면을 감싸도록 보호테이프가 부착되어 있는 젤리-롤을, 원통형 캔에 삽입한 후 전해액을 함침시키고 캔을 밀봉함으로써 제조할 수 있다.

각형 이차전지는 둥글게 권취한 젤리-롤을 납작하게 압축한 후 각형 캔에 삽입한다는 점을 제외하고는 상기 원통형 이차전지와 동일한 방법으로 제조할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤의 제조과정에서 보호테이프를 부착하는 과정의 모식도가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 분리막이 개재된 상태에서 양극 시트와 음극 시트를 둥글게 권취한 후, 일측 방향으로 압축한 구조의 젤리-롤(100)로서, 권취 단부(110)를 포함한 젤리-롤(100)의 권취 외주면을 감싸도록 보호테이프가(200) 부착되어 있다.

보호테이프(200)의 양 단부(201, 202)는 중첩된 상태로 접착제에 의한 접착 및/또는 열에 의한 융착에 의하여 상호 결합되어 있다.

또한, 보호테이프(200)는 젤리-롤(100)의 하단면(102)으로부터 소정의 길이로 연장된 잉여부(210)를 포함하고 있다.

도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 완성된 젤리-롤의 사시도가 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 보호테이프(200)의 잉여부(210)는 하단 모서리(250)를 따라 하단면 중앙을 향해 절곡되어 있고, 절곡되는 하단 잉여부(210)는 젤리-롤 하단면의 권취 반경(R)을 기준으로 5 내지 30%의 크기를 가진다. 절곡된 하단 잉여부(210)는 접착제에 의한 접착방식으로 하단면에 부착되거나 잉여부(210)에 소정의 열을 가하여 열수축 현상을 이용하여 하단면과 밀착시킨다.

이러한 구조는, 젤리-롤(100)의 권취 구조로 인해 유발되는 내부 응력, 즉, 감겨 있는 용수철과 풀리려고 하는 것과 같은 복원력으로 인해 보호테이프(200)의 풀림을 방지하여 우수한 안전성을 제공한다. 또한, 완성된 젤리-롤(101)을 전지케이스(도 1; 20)에 삽입할 때 젤리-롤의 하단 외주면이나 또는 권취 구조의 바깥쪽 전극의 일부분이 전지케이스의 개방 상단부에에 걸려 파손됨을 방지한다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 젤리-롤은 보호테이프가 젤리-롤의 외면을 완전히 감싼 상태에서 그것의 단부들이 서로 결합됨으로써, 계속되는 충방전 과정에서 젤리-롤의 부피의 팽창 및 수축이 반복되어도 권취 상태가 안전하게 유지되며, 전지의 제조과정에서의 불량을 최소화할 수 있는 효과와 더불어 안전성을 확보할 수 있다.

Claims (14)

1. 분리막이 개재된 상태에서 양극 시트와 음극 시트를 둥글게 권취하거나 또는 권취 후 일측 방향으로 압축한 구조의 권취형 전극조립체("젤리-롤")로서, 권취 단부를 포함한 젤리-롤의 권취 외면을 감싸도록 보호테이프가 부착되어 있고, 상기 보호테이프의 양 단부는 중첩된 상태로 상호 결합되어 있으며, 상기 보호테이프는 젤리-롤 하단면으로부터 소정의 길이로 연장된 잉여부("하단 잉여부")를 포함하고 있고, 상기 하단 잉여부는 젤리-롤의 권취 반경의 크기를 기준으로 5 내지 30%의 크기로 젤리-롤 하단면 중앙을 향해 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 젤리-롤의 수평 단면은 원형 또는 타원형의 형상인 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 보호테이프의 양 단부는 접착 또는 열융착에 의해 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 보호테이프의 양 단부는 아크릴계 접착제 또는 SBR계 접착제에 의해 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 보호테이프의 양 단부는 젤리-롤의 외주면 길이를 기준으로 5 내지 8%의 크기로 중첩되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 보호테이프는 젤리-롤의 높이를 기준으로 70 내지 100%의 높이로 젤리-롤의 권취 외주면을 감싸고 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 보호테이프는 30 ~ 55 ㎛의 두께를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 보호테이프는 폴리올레핀계 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 보호테이프는 폴리프로필렌계 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
10. 삭제
11. 제 1 항에 있어서, 상기 잉여부는 젤리-롤의 하단면에 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 잉여부는 접착 방식으로 부착되어 있거나 또는 열에 의해 수축되면서 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
13. 제 1 항에 따른 젤리-롤이 전지케이스에 내장되어 있는 구조의 이차전지.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 전지케이스는 원통형 또는 각형의 금속 캔인 것을 특징으로 하는 이차전지.

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