KR101285898B1 - 이차전지 - Google Patents

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KR101285898B1
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Abstract

본 발명의 이차전지는 전극조립체와, 상기 전극조립체가 수용되는 캔과, 상기 캔의 개방된 상부와 결합되는 캡플레이트를 구비한 캡조립체를 포함하며, 상기 캡플레이트에 주변의 다른 부분보다 두께가 얇은 벤트가 형성되고, 상기 벤트 둘레에는 상기 캡플레이트의 두께와 상기 벤트의 두께 사이 범위의 두께를 갖는 변형촉진부가 형성된 것을 특징으로 한다. 따라서, 벤트의 주위에 캡플레이트 내지 벤트의 변형을 촉진하는 변형촉진부를 형성하여 비교적 두꺼운 파단부를 갖는 벤트를 제공함으로써, 전지의 낙하 같은 외부충격에 의한 벤트의 파손을 방지하고, 벤트를 성형하는데 들이는 노력과 비용 및 시간을 줄일 수 있게 된다.

Description

이차전지 {SECONDARY BATTERY}
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 나타내는 분리 사시도이다.
도 2a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 평면도이고, 도 2b 는 도 2a 에 나타낸 이차전지의 벤트 및 변형촉진부의 부분 확대 평면도이며, 도 2c 는 도 2b 의 A-A 단면도이고, 도 2d 는 도 2b 의 B-B 단면도이다.
도 3a 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 평면도이고, 도 3b 는 도 3a 에 나타낸 이차전지의 벤트 및 변형촉진부의 부분 확대 평면도이며, 도 3c 는 도 3b 의 C-C 단면도이고, 도 3d 는 도 3b 의 D-D 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 이차전지 11: 캔
12: 전극조립체 100: 캡조립체
110, 110': 캡플레이트 200, 200': 벤트
210, 210': 파단부 300, 300': 변형촉진부
310, 310': 제 1 촉진부 320, 320': 제 2 촉진부
본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 벤트의 둘레에 캡플레이트 내지 벤트의 변형을 촉진하는 변형촉진부를 형성하여 비교적 두꺼운 파단부를 갖는 벤트를 제공함으로써 전지의 낙하 같은 외부충격에 의한 벤트의 파손을 방지한 이차전지에 관한 것이다.
통상적으로, 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 작동전압이 3.6V로서, 전자장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위중량당 에너지밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 또한, 리튬 이차전지는 여러가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
이 중 각형 이차전지는 전극조립체와, 이 전극조립체를 수용하는 캔과, 이 캔에 결합되는 캡조립체를 포함하여 이루어진다.
전극조립체는 양극과 음극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 권취되어 있으며, 양극 및 음극으로부터 양극 및 음극탭이 각각 인출되어 있다.
캔은 각형 이차전지에서 대략 직육면체의 형상을 가진 금속재질의 용기이며, 딥 드로잉(deep drawing) 등의 가공방법으로 형성한다.
캡조립체는 캔의 상부에 결합되는 캡플레이트와, 단자통공을 통하여 설치되 고 그 외면에 캡플레이트와의 절연을 위한 가스켓이 위치하는 전극단자와, 캡플레이트의 아랫면에 설치되는 절연플레이트와, 이 절연플레이트의 아랫면에 설치되어 전극단자와 통전되는 단자플레이트를 포함하여 이루어진다.
전극조립체의 음극은 음극탭과 단자플레이트를 통해 전극단자와 전기적으로 연결되고, 양극은 양극탭을 통해 캡플레이트나 캔에 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 캡플레이트의 일 측에는 벤트가 형성될 수 있다. 이 벤트는 주변의 다른 부분보다 얇게 형성되므로, 과충전 등으로 인하여 전지의 내부압력이 증가할 때 다른 부분보다 우선적으로 파단되어 내부가스를 방출시킴으로써 전지의 안전성을 확보하는 역할을 한다.
그런데, 종래의 벤트에는 다음과 같은 문제점이 있다.
통상적으로 캡플레이트의 두께는 0.8∼1.0㎜이고, 벤트가 형성되는 부분의 캡플레이트의 두께는 70㎛이며, 전지의 내부 이상시 벤트 내에서 파단이 예상되는 곳인 파단부의 두께는 20∼30㎛에 불과하다.
상술한 바와 같이, 본래 벤트는 전지의 내부가스압에 의해 파단됨으로써 전지의 안전성을 확보하는 역할을 수행하는데, 벤트 내 파단부의 두께는 수∼수십 마이크로미터에 불과하므로, 전지의 낙하나 작은 외부충격에도 파단부에 크랙(crack)이 발생하거나 파단부가 파단될 수 있는 위험이 있다. 즉, 벤트가 손상됨으로써 전지의 신뢰성이 떨어지게 된다.
또한, 벤트 내 파단부의 두께는 매우 얇으므로, 기존 벤트의 작동압력보다 낮은 압력에서 작동하는 벤트를 구비한 이차전지를 설계하는 데에는 한계가 있다. 또한, 이러한 정밀한 두께의 벤트를 형성하기 위해서는 고도의 정밀한 성형작업을 요하고 제조단가를 높이며 공정시간이 지연되는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 벤트의 둘레에 캡플레이트 내지 벤트의 변형을 촉진하는 변형촉진부를 형성하여 비교적 두꺼운 파단부를 갖는 벤트를 제공함으로써 전지의 낙하 같은 외부충격에 의한 벤트의 파손을 방지하고, 벤트를 성형하는데 들이는 노력과 비용 및 시간을 줄이는 데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는,
전극조립체와, 상기 전극조립체가 수용되는 캔과, 상기 캔의 개방된 상부와 결합되는 캡플레이트를 구비한 캡조립체를 포함하며, 상기 캡플레이트에 주변의 다른 부분보다 두께가 얇은 벤트가 형성되며, 상기 벤트 둘레에는 상기 캡플레이트의 두께와 상기 벤트의 두께 사이 범위의 두께를 갖는 변형촉진부가 형성된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 변형촉진부는 상기 벤트의 가장자리부를 따라 소정의 폭을 갖도록 형성될 수도 있다.
또는, 상기 변형촉진부는 상기 벤트의 가장자리부에서 소정 거리 이격된 상태에서 소정의 폭을 갖도록 형성될 수도 있다.
또한, 상기 변형촉진부는, 상기 캡플레이트의 두께와 상기 벤트의 두께 사이 범위의 두께를 갖는 제 1 촉진부와, 상기 제 1 촉진부와 상기 벤트의 두께 사이 범위의 두께를 갖는 제 2 촉진부를 포함하여 이루어질 수도 있다.
이때, 상기 제 1 촉진부의 두께는 상기 캡플레이트 두께의 3/5∼2/5일 수도 있다.
또한, 상기 제 2 촉진부의 두께는 상기 제 1 촉진부 두께의 3/5∼2/5일 수도 있다.
또한, 상기 제 2 촉진부의 형상은 위에서 볼 때 상기 변형촉진부의 바깥쪽 가장자리부와 상기 변형촉진부의 안쪽 가장자리부를 잇는 띠 모양일 수도 있다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 이차전지에 관한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 나타내는 분리 사시도이다.
도면을 참조하면, 이차전지는 전극조립체(12)와, 이 전극조립체(12)를 수용하는 캔(11)과, 이 캔(11)과 결합되는 캡조립체(100)를 포함하여 이루어진다.
전극조립체(12)는 통상 전기용량을 높이기 위해 양극(13) 및 음극(15)을 넓은 판형으로 형성한 뒤, 이들을 상호 절연시키는 세퍼레이터(14)를 양극(13)과 음극(15) 사이에 개재하여 적층하고, 와형으로 권취하여 이른바 '젤리롤(Jelly Roll)' 형태로 만든다. 음극(15) 및 양극(13)은 각각 구리 및 알미늄 포일로 이루어진 집전체 각각에 음극 활물질인 탄소와 양극 활물질인 코발트산 리튬 등을 코팅시켜 형성할 수 있다. 세퍼레이터(14)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 공중합체(co-polymer)로 이루어질 수 있다. 세퍼레이터(14)는 양극(13) 및 음극(15)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 극판 간의 단락을 방지하는 데 유리하다. 전극조립체(12)에는 각 전극과 연결된 양극 및 음극탭(16, 17)이 인출되어 있다. 상기 양극 및 음극탭(16, 17)에는 상기 전극조립체(12)의 외부로 인출되는 경계부에 극판(13, 15) 간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(18)가 감겨져 있다.
캔(11)은 도시된 바와 같은 각형 이차전지에서 대략 직육면체의 형상을 가진 금속재질의 용기이며, 딥 드로잉(deep drawing) 등의 가공방법으로 형성한다. 따라서 캔 자체가 단자역할을 수행하는 것도 가능하다. 캔을 이루는 재질로는 경량의 전도성 금속인 알미늄 또는 알미늄 합금이 바람직하다. 캔(11)은 전극조립체(12)와 전해액의 용기가 되고, 전극조립체(12)가 투입되도록 개방된 상부는 캡조립체(100)에 의해 봉해진다.
캡조립체(100)는 캡플레이트(110)와, 전극단자(130)와, 절연플레이트(140)와, 단자플레이트(150)를 포함하여 이루어진다. 캡플레이트(110)에는 단자통공(111)이 형성되어 있는데, 전극단자(130)가 그 외면에 캡플레이트(110)와의 절연을 위하여 가스켓(120)을 위치시킨 채 단자통공(111)을 관통하여 설치된다. 캡플레이트(110)의 아랫면에는 절연플레이트(140)가 설치되어 있고, 이 절연플레이트(140)의 아랫면에는 단자플레이트(150)가 설치되어 있다. 이 단자플레이트(150)에는 전극단자(130)의 하단부가 결합되어 있다.
전극조립체(12)의 음극(15)은 음극탭(17)과 단자플레이트(150)를 통하여 전극단자(130)와 전기적으로 연결되어 있다. 전극조립체(12)의 양극(13)의 경우에는 양극탭(16)이 캡플레이트(110)나 캔(11)에 용접되어 있다. 상기 단자플레이트(150)의 하부에는 절연케이스(190)가 더 설치될 수도 있다. 한편, 극성을 달리하여 전지를 설계할 수도 있다.
캡플레이트(110)의 일 측에는 캔(11)의 내부에 전해액을 주입하기 위한 전해액주입공(112)이 형성되어 있으며, 전해액 주입 후 상기 전해액주입공(112)을 밀폐시키는 밀봉부(160)가 형성된다.
또한, 캡플레이트(110)에는 벤트(200) 및 변형촉진부(300)가 형성되는데, 이에 관하여 보다 상세하게는 다음과 같다.
도 2a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 평면도이고, 도 2b 는 도 2a 에 나타낸 이차전지의 벤트 및 변형촉진부의 부분 확대 평면도이며, 도 2c 는 도 2b 의 A-A 단면도이고, 도 2d 는 도 2b 의 B-B 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 캡플레이트(110)에 주변의 다른 부분보다 두께가 얇은 벤트(200)가 형성되며, 상기 벤트(200) 둘레에는 상기 캡플레이트(110)의 두께와 상기 벤트(200)의 두께 사이 범위의 두께를 갖는 변형촉진부(300)가 형성되어 있다.
벤트(200)는 주변의 다른 캡플레이트(110) 부분보다 두께가 얇은 부분인데, 과충전 등으로 인하여 전지의 내부가스에 의한 압력이 증가할 때 다른 부분보다 우선적으로 파단되어 내부가스를 방출시킴으로써 전지의 안전성을 확보하는 역할을 한다.
이 벤트(200)에는 벤트(200) 내에서 가장 얇은 두께를 갖는 파단부(210)가 형성되는데, 이 파단부(210)는 전지의 내부가스압에 의하여 가장 먼저 파단이 일어나는 부분이다.
상기 벤트(200) 둘레에는 상기 캡플레이트(110)의 두께와 상기 벤트(200)의 두께 사이 범위의 두께를 갖는 변형촉진부(300)가 형성되어 있다.
상기 변형촉진부(300)는 벤트(200)보다는 두꺼워 전지의 내부가스압에 의하여 파단이 일어나지는 않으나, 벤트(200)가 형성되지 않은 캡플레이트 부분의 두께보다는 얇게 형성되어 캡플레이트 내지 벤트(200)의 변형을 촉진시키는 역할을 한다.
이에 따라, 벤트(200)의 파단을 촉진시키는 상기 변형촉진부(300)로 인해, 20∼30㎛의 두께에 불과한 기존 벤트의 파단부보다는 두꺼운 파단부를 갖는 벤트를 형성할 수 있게 된다.
따라서, 전지의 낙하 같은 외부충격에 의한 파단부의 손상을 방지할 수 있고, 기존 벤트의 작동압력보다 낮은 압력에서 작동하는 벤트를 설계할 수도 있으며, 벤트를 형성함에 있어 고도의 정밀한 성형작업을 요하지 않게 되므로 제조단가를 줄이고 공정시간을 단축시킬 수 있게 된다.
이러한 변형촉진부(300)는 상기 벤트(200)의 가장자리부를 따라 소정의 폭을 갖도록 형성될 수도 있다. 여기서, 벤트(200)의 가장자리부라 함은 캡플레이트(110)에 벤트(200)가 형성된 영역과 그렇지 않은 영역과의 경계선을 말한다. 도 2b 내지 도 2d 를 참조하면, 타원형의 벤트(200)가 형성된 영역에 바로 인접하고 소정의 폭을 가지면서 상기 벤트(200)를 둘러싸는 타원형의 변형촉진부(300)가 형 성되어 있다.
상기 변형촉진부(300)는, 상기 캡플레이트(110)의 두께와 상기 벤트(200)의 두께 사이 범위의 두께를 갖는 제 1 촉진부(310)와, 상기 제 1 촉진부(310)와 상기 벤트(200)의 두께 사이 범위의 두께를 갖는 제 2 촉진부(320)를 포함하여 이루어져 있다.
변형촉진부(300) 전체를 일정 두께로 형성할 수도 있으나, 그 두께가 너무 두꺼우면 캡플레이트(110) 내지 벤트(200)의 변형을 촉진하는 역할을 제대로 수행하지 못할 수 있고, 반대로 그 두께가 너무 얇으면 전지의 낙하 같은 외부충격에 벤트(200)가 손상될 수 있게 된다.
따라서, 변형촉진부(300)를 비교적 두꺼운 제 1 촉진부(310)와 비교적 얇은 제 2 촉진부(320)로 하여 두께에 차등을 둠으로써, 캡플레이트(110) 내지 벤트(200)의 변형을 촉진하는 역할과 외부충격에 의한 벤트(200)의 손상을 방지하는 역할을 동시에 수행할 수 있게 한다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 더 세분화된 두께의 차등을 줄 수도 있다.
이를 위해, 상기 제 1 촉진부(310)의 두께는 상기 캡플레이트(110) 두께의 3/5∼2/5일 수도 있다. 또한, 상기 제 2 촉진부(320)의 두께는 상기 제 1 촉진부(310) 두께의 3/5∼2/5일 수도 있다. 예를 들어, 캡플레이트(110)의 두께가 0.8㎜라 한다면, 제 1 촉진부(310)의 두께는 대략 0.4㎜로 하고, 제 2 촉진부(320)의 두께는 대략 0.2㎜로 할 수 있다.
도시한 바와 같이, 상기 제 2 촉진부(320)의 형상은 위에서 볼 때 상기 변형 촉진부(300)의 바깥쪽 가장자리부와 상기 변형촉진부(300)의 안쪽 가장자리부를 잇는 띠 모양일 수도 있다. 여기서, 변형촉진부(300)의 바깥쪽 및 안쪽 가장자리부라 함은 캡플레이트(110)에 변형촉진부(300)가 형성된 영역과 그렇지 않은 영역과의 경계선을 말한다. 도 2b 내지 도 2d 를 참조하면, 상기 변형촉진부(300)는 상기 벤트(200)와 인접해 있어 상기 변형촉진부(300)의 안쪽 가장자리부가 바로 벤트(200)의 가장자리부가 된다. 이러한 띠 모양은 타원형의 벤트(200)의 장축에 평행한 방향으로 형성되어 있다.
상기 벤트(200) 및 상기 변형촉진부(300)는 가압 성형에 의해 형성될 수 있다. 벤트(200) 및 변형촉진부(300)의 형성과정을 살펴보면, 먼저 캡플레이트 가운데 벤트 및 변형촉진부가 형성될 영역을 제 1 촉진부의 두께가 될 때까지 가압한다. 그 다음, 상기 가압된 부분 가운데 제 2 촉진부 및 벤트가 형성될 영역을 제 2 촉진부의 두께가 될 때까지 가압한다. 그 다음, 벤트가 형성될 영역을 가압한다. 그 다음, 벤트의 파단부가 형성될 영역을 가압한다. 다만, 본 발명의 내용은 상기한 방법에 의해 제조된 이차전지에 한정되지 않는다.
한편, 도 3a 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 평면도이고, 도 3b 는 도 3a 에 나타낸 이차전지의 벤트 및 변형촉진부의 부분 확대 평면도이며, 도 3c 는 도 3b 의 C-C 단면도이고, 도 3d 는 도 3b 의 D-D 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지는, 캡플레이트(110')에 주변의 다른 부분보다 두께가 얇은 벤트(200')가 형성되며, 상기 벤트(200') 둘레에는 상기 캡플레이트(110')의 두께와 상기 벤트(200')의 두께 사이 범위의 두께를 갖는 변형촉진부(300')가 형성되어 있다.
이때, 상기 변형촉진부(300')는 상기 벤트(200')의 가장자리부에서 소정 거리 이격된 상태에서 소정의 폭을 갖도록 형성되어 있다. 여기서, 벤트(200')의 가장자리부라 함은 캡플레이트(110')에 벤트(200')가 형성된 영역과 그렇지 않은 영역과의 경계선을 말한다. 도 3b 내지 도 3d 를 참조하면, 타원형의 벤트(200')가 형성된 영역으로부터 소정 거리 이격된 상태에서 소정의 폭을 가지면서 상기 벤트(200')를 둘러싸는 타원형의 변형촉진부(300')가 형성되어 있다.
상기 변형촉진부(300')는, 상기 캡플레이트(110')의 두께와 상기 벤트(200')의 두께 사이 범위의 두께를 갖는 제 1 촉진부(310')와, 상기 제 1 촉진부(310')와 상기 벤트(200')의 두께 사이 범위의 두께를 갖는 제 2 촉진부(320')를 포함하여 이루어져 있다.
변형촉진부(300')를 비교적 두꺼운 제 1 촉진부(310')와 비교적 얇은 제 2 촉진부(320')로 하여 두께에 차등을 둠으로써, 캡플레이트(110') 내지 벤트(200')의 변형을 촉진하는 역할과 외부충격에 의한 벤트(200')의 손상을 방지하는 역할을 동시에 수행할 수 있게 하기 위함이다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 더 세분화된 두께의 차등을 줄 수도 있다.
이를 위해, 상기 제 1 촉진부(310')의 두께는 상기 캡플레이트(110') 두께의 3/5∼2/5일 수도 있다. 또한, 상기 제 2 촉진부(320')의 두께는 상기 제 1 촉진부(310') 두께의 3/5∼2/5일 수도 있다.
도시한 바와 같이, 상기 제 2 촉진부(320')의 형상은 위에서 볼 때 상기 변 형촉진부(300')의 바깥쪽 가장자리부와 상기 변형촉진부(300')의 안쪽 가장자리부를 잇는 띠 모양일 수도 있다. 상기 띠 모양은 타원형의 벤트(200')의 장축에 평행한 방향으로 형성되어 있다.
또한, 상기 벤트(200') 및 상기 변형촉진부(300')는 가압 성형에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지는 벤트의 둘레에 캡플레이트 내지 벤트의 변형을 촉진하는 변형촉진부를 형성하여 비교적 두꺼운 파단부를 갖는 벤트를 제공함으로써, 전지의 낙하 같은 외부충격에 의한 벤트의 파손을 방지하고, 벤트를 성형하는데 들이는 노력과 비용 및 시간을 줄일 수 있게 된다.
본 발명은 도시된 실시예를 중심으로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 할 수 있는 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 포괄할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (8)

  1. 전극조립체와, 상기 전극조립체가 수용되는 캔과, 상기 캔의 개방된 상부와 결합되는 캡플레이트를 구비한 캡조립체를 포함하여 이루어진 이차전지에 있어서,
    상기 캡플레이트에 주변의 다른 부분보다 두께가 얇은 벤트가 형성되며, 상기 벤트 둘레에는 상기 캡플레이트의 두께와 상기 벤트의 두께 사이 범위의 두께를 갖는 변형촉진부가 형성되며,
    상기 변형촉진부는, 상기 캡플레이트의 두께와 상기 벤트의 두께 사이 범위의 두께를 갖는 제 1 촉진부와, 상기 제 1 촉진부와 상기 벤트의 두께 사이 범위의 두께를 갖는 제 2 촉진부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 변형촉진부는 상기 벤트의 가장자리부를 따라 소정의 폭을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 변형촉진부는 상기 벤트의 가장자리부에서 소정 거리 이격된 상태에서 소정의 폭을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 촉진부의 두께는 상기 캡플레이트 두께의 3/5∼2/5인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 촉진부의 두께는 상기 제 1 촉진부 두께의 3/5∼2/5인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 촉진부의 형상은 위에서 볼 때 상기 변형촉진부의 바깥쪽 가장자리부와 상기 변형촉진부의 안쪽 가장자리부를 잇는 띠 모양인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 벤트 및 상기 변형촉진부는 가압 성형에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
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