KR102268399B1 - 전지셀 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지셀 제조방법에 관한 것으로서, a) 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스 내에 도입된 구조의 1차 전지셀을 준비하는 과정; b) 상기 전극조립체에 대해 전해액이 함침되도록 유지하여 1차 숙성하는 과정; c) 상기 1차 전지셀을 소정의 전압으로 초기 충전하는 과정; d) 상기 1차 전지셀을 상이한 온도 범위에서 각각 순차적으로 유지하여 2차 숙성 및 3차 숙성시키는 과정; e) 상기 1차 전지셀을 충전 및 방전함에 따라 설정된 출하 전압으로 조절하는 충방전 과정; f) 상기 충방전 과정 이후 상기 1차 전지셀 내의 가스를 제거하고 밀봉하는 과정; 및 g) 상기 1차 전지셀의 두께를 조절할 수 있도록, 소정의 온도 및 압력을 인가하여 클램핑-베이킹(clamping & baking)하는 과정을 포함한다.

Description

전지셀 제조방법 및 제조장치{METHOD AND APPARATUS OF MANUFACTURING FOR BATTERY CELL}
본 발명은 전지셀 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로서, 특히 클램핑 앤드 베이킹 과정(Clamping and Baking Step)을 포함하는 전지셀 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있으며, 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극조립체 및 스택형 전극조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
또한, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지셀 및 각형 전지셀과, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지셀로 분류된다.
특히, 최근에는 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지셀이, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
한편, 종래기술에 따른 파우치형 전지셀은 전극조립체, 상기 전극조립체로부터 연장되어 있는 전극탭, 상기 전극 탭에 용접되어 있는 전극리드, 및 상기 전극조립체를 수용하는 전지케이스를 포함한다.
상기한 종래기술에 따른 파우치형 전지셀은 전지케이스에 전극조립체와 전해액이 함께 수납된 구조의 1차 전지셀을 준비하는 공정, 상기 1차 전지셀에 대한 숙성(aging) 공정, 상기 1차 전지셀을 충방전하는 활성화 공정, 상기 숙성 공정 및 충방전 공정에서 발생한 가스를 제거하기 위한 탈기(degas) 공정을 거쳐 제조한다.
그러나 종래기술에 따른 파우치형 전지셀은 완성된 전지셀의 두께가 서로 다르며, 이에 따라 전지셀의 품질성이 크게 떨어지는 문제점이 있었다.
한국등록특허 제10-0233415호(1999년09월13일)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 본 발명의 목적은 전지셀을 클램핑-베이킹(clamping & baking)하는 과정을 포함하여 전지셀의 두께를 균일하게 조절할 수 있으며, 이에 따라 전지셀의 품질성과 성능을 향상시킬 수 있는 전지셀 제조방법 및 제조장치를 제공하는데 있다.
특히, 본 발명의 전지셀 제조방법에서 전지셀의 충방전과정, 전지셀의 디가스과정, 및 전지셀의 클램핑-베이킹과정 순으로 진행하며, 이에 따라 전지셀 내의 가스를 보다 용이하게 제거할 수 있고, 클램핑-베이킹과정 후 바로 최종 전지셀을 완성할 수 있으며, 그 결과 소요되는 비용 및 시간을 절약할 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 전지셀 제조 방법은, a) 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스 내에 도입된 구조의 1차 전지셀을 준비하는 과정; b) 상기 전극조립체에 대해 전해액이 함침되도록 유지하여 1차 숙성하는 과정; c) 상기 1차 전지셀을 소정의 전압으로 초기 충전하는 과정; d) 상기 1차 전지셀을 상이한 온도 범위에서 각각 순차적으로 유지하여 2차 숙성 및 3차 숙성시키는 과정; e) 상기 1차 전지셀을 충전 및 방전함에 따라 설정된 출하 전압으로 조절하는 충방전 과정; f) 상기 충방전 과정 이후 상기 1차 전지셀 내의 가스를 제거하고 밀봉하는 과정; 및 g) 상기 1차 전지셀의 두께를 조절할 수 있도록, 소정의 온도 및 압력을 인가하여 클램핑-베이킹(clamping & baking)하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 g) 1차 전지셀의 클램핑-베이킹과정 후, 최종 전지셀의 두께가 설정된 두께 내에 포함되는지 측정하여 불량여부를 검사하는 (vi) 6차 검사과정을 더 포함할 수 있다.
상기 방법을 통해, 1차 전지셀의 숙성 과정 및 충방전 과정이 수행되는 장치 내지 트레이에서의 각각의 위치를 별도로 표시할 필요가 없으므로, 전지셀의 제조에 소요되는 비용 및 시간을 절약할 수 있고, 클램핑-베이킹 과정 이후에 곧바로 1차 전지셀의 두께를 확인할 수 있으므로, 상기 클램핑-베이킹 과정을 수행하기 위해 최적화된 조건을 보다 용이하게 설정할 수 있으며, 가스 제거 및 밀봉 과정에서 1차 전지셀의 두께를 고려할 필요 없이, 1차 전지셀 내부의 전해액의 잔존량만을 확인하면, 이후의 클램핑-베이킹 과정에 따라 변화된 1차 전지셀의 두께를 용이하게 예측할 수 있어, 상기 가스 제거 및 밀봉 과정을 단순화할 수 있고, 상기 가스 제거 및 밀봉 과정에서 제거되지 못한 가스 내지 기포가 이후의 클램핑-베이킹 과정에서 제거될 수 있으며, 이와 함께, 상기 가스 제거 및 밀봉 과정에서, 전지셀의 두께를 균일하게 형성하기 위해 내부의 전해액을 과도하게 유출할 필요가 없으므로, 전지셀의 성능이 저하되는 문제점을 예방할 수 있다.
상기 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 전지케이스에 전극조립체가 수납된 상태에서, 외주변이 열융착에 의해 밀봉되어 있는 판상형 구조로 이루어질 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀 제조 방법은 1차 전지셀의 두께가 숙성과정 및 충방전 과정에서 변화할 수 있으며, 이에 따라, 상기 두께를 조절하기 위한 클램핑-베이킹 과정이 수행될 수 있는 파우치형 전지셀에 대해 보다 효과적으로 적용될 수 있다.
상기 b) 과정의 1차 숙성은 섭씨 20도 내지 30도의 온도범위에서, 40시간 내지 80시간 동안 수행될 수 있다.
상기 c) 과정의 초기 충전은 3.5V 내지 4.0V의 전압 범위까지 수행될 수 있다.
상기 d) 과정의 2차 숙성은 섭씨 50도 내지 80도의 범위에서, 20시간 내지 40시간 동안 수행될 수 있다.
상기 d) 과정의 3차 숙성은 섭씨 20도 내지 30도의 범위에서, 70시간 내지 120시간 동안 수행될 수 있다.
상기 f) 과정의 가스 제거시, 1차 전지셀 내의 전해액은 설정된 양으로 조절될 수 있다.
상기 g) 과정의 클램핑-베이킹은 한 쌍의 지그가 상기 1차 전지셀의 서로 대향하는 양면에 대면한 상태에서, 소정의 온도와 압력을 인가하여 수행될 수 있다.
상기 지그에 의해 인가되는 온도는 섭씨 25도 내지 80도의 범위일 수 있다.
상기 지그에 의해 인가되는 압력은 300 kgf/cm2 내지 2000 kgf/cm2의 범위일 수 있다.
상기 g) 과정의 클램핑-베이킹에 의해 조절되는 1차 전지셀의 두께는 a) 과정에서 준비된 1차 전지셀의 두께에 대해 50% 내지 95%의 크기일 수 있다.
상기 e) 과정은 1차 전지셀에 대한 완전 방전 및 완전 충전을 수행한 이후에, 설정된 출하 전압에 도달하도록 방전하여 수행될 수 있다.
상기 e) 과정의 출하 전압은 1차 전지셀의 만충 전압에 대해 30% 내지 80%의 범위로 설정될 수 있다.
한편, i) 상기 b) 과정의 1차 숙성 이후에, 1차 전지셀의 전해액 함침 상태, 부반응 발생 유무, 조립상태 이상 유무를 검사하는 1차 검사 과정; ii) 상기 c) 과정의 초기 충전 이후에, 1차 전지셀의 충전 용량을 검사하는 2차 검사 과정; iii) 상기 d) 과정의 3차 숙성 이후에, 1차 전지셀의 방전 용량을 검사하는 3차 검사 과정; 및 iv) 상기 e) 과정의 출하 전압 조절 이후에, 1차 전지셀의 전압 조절 상태를 검사하는 4차 검사 과정을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 전지셀 제조 방법을 수행하기 위한 전지셀 제조장치는 1차 전지셀을 충방전하고 숙성시키는 활성화부; 1차 전지셀 내의 가스를 제거하고 밀봉하는 가스 제거부; 및 상기 가스가 제거된 1차 전지셀의 두께를 조절할 수 있도록, 소정의 온도 및 압력을 인가하여 클램핑 및 베이킹하는 램핑-베이킹부;를 포함할 수 있다.
본 발명은 하기와 같은 효과가 있다.
첫째: 발명에 따른 전지셀 제조 방법은 1차 전지셀을 클램핑-베이킹하는 과정을 포함함으로써 전지셀의 두께를 균일하게 조절할 수 있으며, 그 결과 전지셀의 품질성을 높일 수 있다.
둘째: 발명에 따른 전지셀 제조 방법은 1차 전지셀을 클램핑-베이킹하는 과정을 제일 마지막에 진행하며, 이에 따라 1차 전지셀의 숙성 과정 및 충방전 과정이 수행되는 장치 내지 트레이에서의 각각의 위치를 별도로 표시할 필요가 없고, 전지셀의 제조에 소요되는 비용 및 시간을 절약할 수 있으며, 클램핑-베이킹 과정 이후에 곧바로 1차 전지셀의 두께를 확인할 수 있고, 상기 클램핑-베이킹 과정을 수행하기 위해 최적화된 조건을 보다 용이하게 설정할 수 있다.
셋째: 발명에 따른 전지셀 제조 방법은 전지셀의 충방전과정, 전지셀의 디가스과정, 및 전지셀의 클램핑-베이킹과정 순으로 진행하며, 이에 따라 전지셀의 충방전 및 가스 제거 과정에서 1차 전지셀의 두께를 고려할 필요가 없고, 1차 전지셀 내부의 전해액의 잔존량만을 확인하면, 이후의 클램핑-베이킹 과정에 따라 변화된 1차 전지셀의 두께를 용이하게 예측할 수 있으며, 상기 가스 제거과정에서, 전지셀의 두께를 균일하게 형성하기 위해 내부의 전해액을 과도하게 유출할 필요가 없고, 그 결과 전지셀의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 전지셀을 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전지셀 제조방법을 나타낸 순서도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전지셀 제조 방법의 각 과정에 따른 전압 수준의 변화를 개략적으로 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전지셀 제조장치를 대략적으로 도시한 도면.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
[일실시예에 따른 전지셀 제조장치]
본 발명의 일실시예에 따른 전지셀 제조장치는 도 4에 도시되어 있는 것과 같이, 1차 전지셀을 충방전하고 숙성시키는 활성화부(300), 1차 전지셀 내의 가스를 제거하고 밀봉하는 가스 제거부(400), 및 상기 가스가 제거된 1차 전지셀의 두께를 조절할 수 있도록, 소정의 온도 및 압력을 인가하여 클램핑 및 베이킹하는 클램핑-베이킹부(500)를 포함한다.
한편, 상기 활성화부(300), 가스 제거부(400) 및 클램핑-베이킹부(500)는 전지셀 제조방법에서 자세히 설명하기에 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
[일실시예에 따른 전지셀 제조방법]
본 발명의 일실시예에 따른 전지셀 제조방법은 도 2에 도시되어 있는 것과 같이, (a) 1차 전지셀의 준비과정, (b) 1차 전지셀의 1차 숙성과정, (c) 1차 전지셀의 초기 충전과정, (d) 1차 전지셀의 2차 및 3차 숙성과정, (e) 1차 전지셀의 충방전과정 (f) 1차 전지셀의 디가스과정, 및 (g) 1차 전지셀의 클램핑-베이킹과정을 포함한다.
여기서 본 발명의 일실시예에 따른 전지셀 제조방법은 (e) 1차 전지셀의 충방전과정, (f) 1차 전지셀의 디가스과정, 및 (g) 1차 전지셀의 클램핑-베이킹과정 순으로 진행하며, 특히 (g) 1차 전지셀의 클램핑-베이킹과정 후 바로 최종 전지셀의 두께를 확인할 수 있고, 최적화된 압력을 확인할 수 있다. 또한 (e) 1차 전지셀의 충방전과정시 상기 1차 전지셀 내부에 발생한 가스는 (f) 1차 전지셀의 디가스(degas)과정에서 제거되며, 이에 따라 가스제거의 용이성과 작업의 효율성을 높일 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 전지셀 제조방법을 보다 상세히 설명한다.
(a) 1차 전지셀의 준비과정
(a) 1차 전지셀의 준비과정은 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체와 전해액(미도시)을 함께 전지케이스에 수용하여 1차 전지셀을 제조한다.
예를 들면, 1차 전지셀(100)은, 도 1에 도시되어 있는 것과 같이, 전극조립체(130), 상기 전극조립체(130)에 구비되는 전극 탭(131)(132), 상기 전극 탭(131)(132)에 결합되는 전극리드(140)(141), 및 전극조립체(130)를 수용하는 전지케이스(120)를 포함한다.
상기 전극조립체(130)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되는 구조를 가고, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진다. 상기 전극 탭(131)(132)은 전극조립체(130)의 양극에 구비되는 양극탭(131)과 음극에 구비되는 음극탭(132)을 포함하며, 상기 전극리드(140)(141)은 상기 양극탭에 결합되는 양극리드(140)와 상기 음극탭(132)에 결합되는 음극리드(141)를 포함한다.
여기서 상기 전극탭(131)(132)과 상기 전극리드(140)(141)는 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되며, 상기 전극리드(140)(141)는 전지케이스(120)의 외부로 일부가 노출된다. 또한, 전극리드(140)(141)의 상하면 일부에는 전지케이스(120)와의 밀봉성과 전기적 절연성을 확보하기 위하여 절연필름(150)을 부착한다.
상기 전지케이스(120)는 전극조립체(130)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(123)를 구비한 케이스 본체(122)와, 상기 케이스 본체(122)에 일체로 연결되고 상기 수납부(123)를 밀폐하는 덮개(121)를 포함한다. 즉, 상기 전지케이스(120)는 상기 케이스 본체(122)의 수납부(123)에 전극조립체(130)와 전해액(미도시)을 수용한 다음, 상기 케이스 본체(122)와 상기 덮개(121)를 밀착시키고, 상기 케이스 본체(122)와 상기 덮개(121)의 테두리를 실링한다.
한편, 전지케이스(120)는 수지 외층/차단성의 금속층/열용융성 수지 실란트층의 알루미늄 라미네이트 구조를 가지며, 이에 따라 서로 접하는 덮개(121)와 본체(122)의 양측부(124) 및 상단부(125) 부위에 열과 압력을 가하여 상기 수지 실란트층을 상호 융착시킬 수 있고, 밀봉 잉여부를 형성할 수 있다.
한편, 상기 양측부(124)는 상하 전지케이스(120)의 동일한 수지 실란트층들이 직접 접하므로 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다. 반면에, 상기 상단부(125)에는 전극리드(140)(141)가 돌출되어 있으므로 전극리드(140)(141)의 두께 및 전지케이스(120) 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극리드(140)(141)와의 사이에 절연필름(150)을 개재한 상태에서 열융착한다.
따라서 (a)1차 전지셀의 준비과정은 상기와 같은 과정을 통해 1차 전지셀(100)를 준비할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지셀 제조 방법은 1차 전지셀의 두께가 숙성과정 및 충방전 과정에서 변화할 수 있으며, 이에 따라, 상기 두께를 조절하기 위한 클램핑-베이킹 과정이 수행될 수 있는 파우치형 전지셀에 대해 보다 효과적으로 적용될 수 있다.
한편, (b)1차 전지셀의 1차 숙성과정, (c) 1차 전지셀의 초기 충전과정, (d) 1차 전지셀의 2차 및 3차 숙성과정, 및 (e) 1차 전지셀(100)의 충방전과정은 1차 전지셀을 충방전하고 숙성시키는 활성화부에 의해 이루어진다.
활성화부
상기 활성화부(300)는 도 4를 참조하면, 1차 전지셀(100)을 충방전하는 충방전장치와, 상기 1차 전지셀(100)을 숙성시키는 숙성장치를 포함하며, 상기 충방전장치는 상기 1차 전지셀(100)에 전압을 인가하여 소정의 전압으로 충전하거나 또는 방전을 한다. 그리고 상기 숙성장치는 상기 1차 전지셀(100)의 온도를 상승시키거나 압력을 상승시켜서 상기 1차 전지셀(100) 내의 전해액이 전극조립체 내부로 원활하게 함침시킨다.
따라서 상기 활성화부(300)를 통해 (b)1차 전지셀의 1차 숙성과정, (c) 1차 전지셀의 초기 충전과정, (d) 1차 전지셀의 2차 및 3차 숙성과정, 및 (e) 1차 전지셀(100)의 충방전과정을 진행할 수 있으며, 이에 따라 장치 내지 트레이를 이동할 필요 없어 연속적인 제조가 가능하고, 그 결과 상기 1차 전지셀(100)의 불량이 정확히 어느 위치에서 발생하는지 정확하게 식별할 수 있으며, 1차 전지셀(100)의 숙성 과정 및 충방전 과정이 수행되는 장치 내지 트레이에서의 각각의 위치를 별도로 표시할 필요 없으므로 소요되는 비용 및 시간을 절약할 수 있다.
(b)1차 전지셀의 1차 숙성과정
(b)1차 전지셀의 1차 숙성과정은 상기 전지케이스(120)에 수용된 상기 전극조립체(130)에 전해액(미도시)이 함침되도록 유지하여 1차 숙성한다(도 3에 표시된 (a) 참조).
여기서 (b) 1차 전지셀의 1차 숙성과정은 섭씨 20도 내지 30도의 온도범위에서, 40시간 내지 80시간 동안 수행할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 상기 1차 전지셀의 숙성과정은 1차 전지셀(100) 내의 전극조립체(130)에 대한 전해액의 함침성을 향상시킬 수 있도록 유지하는 과정으로서, 상기 1차 숙성이 섭씨 20도 이하에서 수행될 경우에는 전해액의 점성에 의해 전극조립체(130) 내부까지 함침되는데 많은 시간이 소요되고, 30도 이상에서 수행될 경우에는 전해액의 성질 변화가 발생될 수 있는 문제가 있다. 또한 상기 1차 숙성이 40시간 미만으로 수행될 경우에는, 상기 전극조립체(130)에 전해액이 충분히 함침될 수 없으며, 이와 반대로, 80시간을 초과하여 수행될 경우에는, 전해액의 함침에 소요되는 시간에 비해 지나치게 많은 시간 동안 1차 숙성이 수행되어 작업성이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서 상기 (b) 1차 전지셀의 숙성과정은 섭씨 20도 내지 30도의 온도범위에서, 40시간 내지 80시간 동안 수행하며, 이에 따라 1차 숙성에 소요되는 전체적인 시간이 줄일 수 있다.
한편, 상기 (b) 1차 전지셀의 숙성과정이 완료되면, 1차 숙성된 1차 전지셀(100)은 이상 유무를 검사하는 (i) 1차 검사 과정를 거칠 수 있다(도 3에 표시된 (i) 참조).
(i) 1차 검사 과정
(i) 1차 검사 과정은 도 3을 참조하면, 1차 숙성된 1차 전지셀(100)의 전해액 함침 상태, 부반응 발생 유무, 조립상태 이상 유무를 검사한다.
(c) 1차 전지셀의 초기 충전과정
(c) 1차 전지셀의 초기 충전과정은 1차 숙성된 상기 1차 전지셀(100)을 전압으로 초기 충전한다. 특히 3.5V 내지 4.0V의 전압 범위까지 수행할 수 있다. 이에 따라, 상기 전극조립체(130)에 포함된 음극 표면에는 이온 터널의 역할을 수행하는 SEI 막이 형성된다(도 3에 표시된 (c) 참조).
한편, 리튬 이차전지는 제조 과정에서 초기 충전을 수행하여 활성화시키는 바, 이러한 초기 충전시 양극으로부터 나온 리튬 이온이 음극으로 이동하여 삽입되며, 이때 음극 표면에서 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface: SEI) 막이 형성된다.
상기 SEI 막은 일단 형성되면 이온 터널(Ion Tunnel)의 역할을 수행하여 리튬 이온만을 통과시키게 된다. 이러한 이온 터널의 효과로 리튬 이온을 용매화(solvation)시켜, 전해액 중에서 리튬 이온과 함께 이동하는 분자량이 큰 유기용매 분자, 예를 들어, 리튬염, EC, DMC 또는 DEC 등이 흑연 음극에 함께 삽입되어 음극의 구조를 붕괴시키는 것을 방지할 수 있다. 일단 SEI 막이 형성되면, 리튬 이온은 다시는 흑연 음극 또는 다른 물질과 부반응을 하지 않게 되고, 상기 SEI 필름 형성에 소모된 전하량은 비가역 용량으로 방전시 가역적으로 반응하지 않는 특성을 갖는다. 따라서, 더 이상의 전해액의 분해가 발생하지 않고 전해액 중의 리튬 이온의 양이 가역적으로 유지되어 안정적인 충방전이 유지될 수 있다.
결론적으로, SEI 막이 일단 형성되면 리튬 이온의 양이 가역적으로 유지되며 전지의 수명 특성 또한 개선된다.
이러한 SEI 막은 전해액이 안정성을 유지하는 통상의 조건, 즉 -20 내지 60의 온도 범위 및 4V 이하의 전압 조건하에서는 비교적 견고하여 음극과 전해액간의 부반응을 방지하는 역할을 충분히 수행할 수 있다.
그러나, 만충전 상태에서의 고온 저장시 (예를 들어, 4.2V에서 100% 충전 후 85에서 4일간 방치) SEI 막의 내구성이 서서히 저하한다는 문제점이 있다.
즉, 만충전 상태에서 고온 저장하게 되면 시간이 경과함에 따라 SEI 필름이 서서히 붕괴하면서 음극이 노출되고, 이렇게 노출된 음극의 표면이 주위의 전해액과 반응하여 부반응을 지속적으로 일으키면서 CO, CO2, CH4, C3H6 등의 가스들이 발생하여 전지 내압의 상승을 초래하게 된다.
따라서, 만일 이러한 초기 충전이 3.5V 미만으로 수행될 경우에는, 1차 전지셀이 충분히 활성화될 수 없어, SEI 막이 충분히 형성될 수 없으며, 이와 반대로 상기 초기 충전이 4.0V를 초과하여 수행될 경우에는, 이후의 2차 숙성 및 3차 숙성 과정에서 SEI 막의 내구성이 오히려 저하될 수 있는 문제점이 있다.
따라서 상기 (c) 1차 전지셀의 초기 충전과정은 3.5V 내지 4.0V의 전압 범위까지 1차 숙성된 상기 1차 전지셀(100)을 초기 충전하며, 이에 따라 음극 표면에 이온 터널의 역할을 수행하는 SEI 막을 안정적으로 형성할 수 있다.
한편, (c) 1차 전지셀의 초기 충전과정이 완료된 1차 전지셀(100)은 충전 용량을 검사하는 (ii) 2차 검사 과정을 거칠 수 있다(도 3에 표시된 (ii) 참조).
(ii) 2차 검사 과정
(ii) 2차 검사 과정은 도 3을 참조하면, 상기 (c) 1차 전지셀의 초기 충전과정에 의해 초기 충전된 1차 전지셀(100)의 충전 용량을 측정하고, 측정된 충전 용량과 설정된 충전 용량을 대비하여 불량여부를 검사한다.
(d) 1차 전지셀의 2차 및 3차 숙성과정
(d) 1차 전지셀의 2차 및 3차 숙성과정은 상기 (c) 1차 전지셀의 초기 충전과정에 의해 초기 충전된 1차 전지셀(100)을 상이한 온도 범위에서 각각 순차적으로 유지하여 2차 숙성 및 3차 숙성한다.(도 3에 표시된 (d) 참조).
즉, 상기 (d) 1차 전지셀의 2차 및 3차 숙성과정은 1차 전지셀(100)을 약 섭씨 60도 내외의 온도 범위에서 약 1일(24시간) 동안 유지하여 2차 숙성하고, 2차 숙성 이후에, 약 섭씨 23도 내외의 온도 범위에서 약 4일(96시간) 동안 유지하여 3차 숙성한다.
구체적으로 설명하면, 상기 d) 과정의 2차 숙성과정은 도 3을 참조하면, 섭씨 50도 내지 80도의 범위에서, 20시간 내지 40시간 동안 수행될 수 있다.
즉, 상기 2차 숙성이 상기 범위를 벗어나 지나치게 낮은 온도 범위에서 수행되거나, 지나치게 짧은 시간 동안 수행될 경우에는, 오히려 전지셀의 고온 보존 특성이 저하될 수 있으며, 이와 반대로 상기 2차 숙성이 상기 범위를 벗어나 지나치게 높은 온도에서 수행되거나, 지나치게 오랜 시간 동안 수행될 경우에는, 앞서 설명한 바와 마찬가지로, 상기 SEI 막의 내구성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 d) 과정의 3차 숙성과정은 섭씨 20도 내지 30도의 범위에서, 70시간 내지 120시간 동안 수행될 수 있다.
즉, 상기 3차 숙성이 상기 범위를 벗어나 지나치게 낮은 온도 범위에서 수행되거나, 지나치게 짧은 시간 동안 수행될 경우에는, 1차 전지셀이 충분히 활성화 될 수 없으므로, 전기적 성능이 저하될 수 있으며, 이와 반대로 상기 3차 숙성이 상기 범위를 벗어나 지나치게 높은 온도에서 수행되거나, 지나치게 오랜시간 동안 수행될 경우에는, 전해액의 분해에 따른 가스 발생량이 많아져, 스웰링(swelling) 현상이 발생하거나, 상기 SEI 막의 내구성이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
따라서 (d) 1차 전지셀의 2차 및 3차 숙성과정에서 상기 2차 숙성은 섭씨 50도 내지 80도의 범위에서, 20시간 내지 40시간 동안 수행하고, 상기 3차 숙성은 섭씨 20도 내지 30도의 범위에서, 70시간 내지 120시간 동안 수행하며, 그에 따라 1차 전지셀(100)을 안정적으로 숙성할 수 있다.
한편, 도 3를 참조하면, 1차 전지셀(100)에 대한 1차 숙성, 초기 충전 및 2차숙성과 3차 숙성은 장치 내지 트레이를 이동할 필요 없이, 동일한 활성화부에서 연속적으로 수행될 수 있으며, 이에 따라, 상기 1차 전지셀의 불량이 정확히 어느 위치에서 발생하는지 정확하게 식별할 수 있어, 1차 전지셀의 숙성(b)(d)과 초기 충전(c)이 수행되는 장치 내지 트레이에서의 각각의 위치를 별도로 표시할 필요 없으므로, 이에 소요되는 비용 및 시간을 절약할 수 있다.
한편, (d) 1차 전지셀의 2차 및 3차 숙성과정이 완료되면, 3차 숙성이 완료된 1차 전지셀(100)은 (iii) 3차 검사 과정을 거칠 수 있다(도 3에 표시된 (iii) 참조).
(iii) 3차 검사 과정
(iii) 3차 검사 과정은 도 3을 참조하면, 3차 숙성이 완료된 1차 전지셀(100)의 방전 용량을 측정하며, 측정된 1차 전지셀(100)의 방전 용량과 설정된 방전 용량을 대비하여 불량여부를 검사한다.
(e) 1차 전지셀의 충방전과정
(e) 1차 전지셀의 충방전과정은 (d) 1차 전지셀의 2차 및 3차 숙성과정에 의해 3차 숙성된 1차 전지셀(100)을 충전 및 방전하여 설정된 출하 전압으로 조절하며, 이에 따라 전압이 조절된 1차 전지셀(100)을 준비할 수 있다.
즉, (e) 1차 전지셀의 충방전과정은 상기 1차 전지셀(100)에 대한 완전 방전 및 완전 충전을 수행한 이후에, 설정된 출하 전압에 도달하도록 방전함으로써 수행될 수 있다.
구체적으로 설명하면, 상기 1차 전지셀(100)은 2차 숙성 및 3차 숙성을 거치는 과정에서 자연 방전되며, 이러한 과정에서 상기 1차 전지셀들의 전압은 각각 개별적으로 상이해질 수 있으며, 각각의 1차 전지셀들은 각각 적용되는 디바이스에 따라, 서로 상이한 전압을 갖도록 조절되어 분류될 수 있다.
따라서 (e) 1차 전지셀의 충방전과정에서 1차 전지셀(100)은 완전 방전 및 완전 충전된 상태에서, 설정된 출하 전압에 도달하도록 방전됨으로써, 모두 동일한 전압 상태를 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 소망하는 전압 범위로 각각의 1차 전지셀들을 방전하여 분류함으로써, 상이한 종류의 최종 전지셀들을 각각 별도로 준비할 수 있다. 더욱이 (f) 1차 전지셀의 디가스과정 전에 (e) 1차 전지셀의 충방전과정을 진행한다. 이는 (e) 1차 전지셀의 충방전과정에서 어느 정도의 전해액이 소모가 되고, 전해액의 반응으로 인해서 가스가 발생하는데, 이 가스를 (f) 1차 전지셀의 디가스과정에서 효율적으로 제거할 수 있다.
한편, (e) 1차 전지셀의 충방전과정의 출하 전압은 1차 전지셀(100)의 만충 전압에 대해 30% 내지 80%의 범위로 설정될 수 있다.
구체적으로 설명하면, 상기 (e) 1차 전지셀의 충방전과정의 출하 전압이 1차 전지셀의 만충 전압에 대해 30% 미만으로 설정될 경우에는, 상기 최종 전지셀이 사용될 때까지의 대기 과정에서, 자연 방전되며, 이에 따라 곧바로 사용할 수 없다. 이와 반대로 80%를 초과하여 설정될 경우에는, 상기 최종 전지셀이 사용될 때까지 지나치게 높은 전압 상태에서 대기하게 되므로, 전해액이 유출되는 등의 문제점이 발생하거나, 상기 최종 전지셀이 사용되기에 앞서 사용자에 의해 임의로 재충전되는 경우, 상기 최종 전지셀이 재충전에 의해 충분히 재활성화될 수 없어, 성능이 저하될 수 있다.
따라서 (e) 1차 전지셀의 충방전과정의 출하 전압은 1차 전지셀(100)의 만충 전압에 대해 30% 내지 80%의 범위로 설정되며, 이에 따라 사용의 효율성과 성능을 높일 수 있다.
한편, (e) 1차 전지셀의 충방전과정이 완료되면, 충전 또는 방전된 1차 전지셀(100)은 (iv) 4차 검사 과정을 거칠 수 있다(도 3에 표시된 (iv) 참조).
(iv) 4차 검사 과정
(iv) 4차 검사 과정은 (e) 1차 전지셀의 충방전과정의 출하 전압 조절 이후에, 1차 전지셀(100)의 전압 조절 상태를 검사한다. 즉, (iv) 4차 검사 과정에는 각각의 1차 전지셀(100)을 상이한 종류의 출하 전압에 따라, 별도로 분류하고, 검사하여 불량여부를 검사한다.
한편, (f) 1차 전지셀의 디가스과정은 1차 전지셀 내의 가스를 제거하고 밀봉하는 가스 제거부(400)에 의해 이루어진다.
가스 제거부
가스 제거부(400)는 도 4를 참조하면, 상기 1차 전지셀(100)이 수용되고 1차 전지셀(100)에 압력을 가하여 상기 1차 전지셀(100) 내의 전해액에 포함된 가스를 외부로 방출시키는 진공챔버를 구비한 가스제거장치와, 가스가 제거된 1차 전지셀(100)의 개구를 실링하여 밀봉하는 실링장치를 포함한다.
따라서 상기와 같은 구성을 가진 가스 제거부(400)를 통해 (f) 1차 전지셀의 디가스과정을 효과적으로 진행할 수 있다.
(f) 1차 전지셀의 디가스과정
(f) 1차 전지셀의 디가스과정은 (e) 1차 전지셀의 충방전과정이 완료된 1차 전지셀(100) 내의 가스를 제거하고 밀봉한다. 이때 (f) 1차 전지셀의 디가스과정의 가스 제거시, 1차 전지셀(100) 내의 전해액은 설정된 양으로 조절될 수 있다.
구체적으로 설명하면, 상기 1차 전지셀(100)은 가스 제거 및 밀봉 과정 이후에, 1차 전지셀(100)의 두께를 조절하기 위한 클램핑-베이킹하는 과정을 거칠 수 있으며, 이에 따라, 상기 가스 제거 및 밀봉 과정에서 내부의 전해액 잔존량을 설정된 양으로 균일하게 조절하는 것만으로, 이후의 클램핑-베이킹 과정에서 전해액의 잔존량에 따른 1차 전지셀(100)의 두께 불량을 용이하게 감소시킬 수 있다.
또한, (f) 1차 전지셀의 디가스과정의 가스 제거시, 1차 전지셀(100) 내의 전해액이 설정된 양으로 조절되면, 이후의 클램핑-베이킹 과정에 따라 변화되는 1차 전지셀의 두께를 보다 용이하게 예측할 수 있어, 상기 가스 제거 및 밀봉 과정을 단순화할 수 있다.
따라서 (f) 1차 전지셀의 디가스과정은 1차 전지셀(100) 내의 가스를 원활하게 배출시킬 수 있으며, 특히 1차 전지셀(100)의 두께를 균일하게 조절하기 위해, 과도하게 전해액을 유출할 필요가 없고, 그 결과 최종 전지셀의 성능 저하를 예방할 수 있다.
한편, (f) 1차 전지셀의 디가스과정 후, 1차 전지셀(100) 내의 전해액의 잔존량을 검사하는 (v) 5차 검사 과정을 진행할 수 있다(도 3에 표시된 (v) 참조).
상기 (v) 5차 검사과정은 1차 전지셀(100) 내의 전해액의 잔존량을 정확히 확인하고 불량여부를 검사한다.
한편, (g) 1차 전지셀의 클램핑-베이킹과정은 상기 가스가 제거된 1차 전지셀(100)의 두께를 조절할 클램핑-베이킹부(500)에 의해 이루어진다.
클램핑-베이킹부
상기 클램핑-베이킹부(500)는 도 4를 참조하면, 상기 가스가 제거된 1차 전지셀(100)이 배치되는 클램핑장치와, 상기 클램핑장치에 배치된 전지셀(100)을 두께를 조절할 수 있도록 소정의 온도 및 압력을 인가하는 베이킹장치를 포함한다.
이와 같은 구성의 상기 클램핑-베이킹부를 통해 (g) 1차 전지셀의 클램핑-베이킹과정을 안정적으로 진행할 수 있다.
(g) 1차 전지셀의 클램핑-베이킹과정
(g) 1차 전지셀의 클램핑-베이킹과정은 상기 1차 전지셀(100)의 두께를 조절할 수 있도록 소정의 온도 및 압력을 인가하여 클램핑-베이킹(clamping & baking)한다(도 3에 표시된 (g) 참조).
즉, (g) 1차 전지셀의 클램핑-베이킹과정은 한 쌍의 지그가 1차 전지셀(100)의 서로 대향하는 양면에 대면한 상태에서, 소정의 온도와 압력을 인가하여 수행될 수 있으며, 그 결과 상기 1차 전지셀의 두께가 보다 용이하게 조절될 수 있을뿐만 아니라, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 전지케이스의 강도가 증가될 수 있다.
한편, (g) 1차 전지셀의 클램핑-베이킹과정은 상기 지그에 의해 인가되는 온도는 섭씨 25도 내지 80도의 범위일 수 있으며, 상기 지그에 의해 인가되는 압력은 300 kgf/cm2 내지 2000 kgf/cm2의 범위일 수 있다.
구체적으로 설명하면, 상기 지그에 의해 인가되는 온도 또는 압력이 상기 범위를 범어나 지나치게 낮을 경우에는, 소망하는 두께 조절의 효과 및 전지케이스 강도 증가의 효과를 충분히 발휘할 수 없으며, 이와 반대로, 상기 지그에 의해 인가되는 온도 또는 압력이 상기 범위를 벗어나 지나치게 높을 경우에는, 오히려 1차 전지셀에 구조적 손상이 발생할 수 있다.
또한, (g) 1차 전지셀의 클램핑-베이킹과정의 클램핑-베이킹에 의해 조절되는 1차 전지셀의 두께는 (a) 과정에서 준비된 1차 전지셀의 두께에 대해 50% 내지 95%의 크기일 수 있다.
구체적으로 설명하면, (g) 1차 전지셀의 클램핑-베이킹과정의 클램핑-베이킹에 의해 조절되는 1차 전지셀의 두께가 (a) 과정에서 준비된 1차 전지셀의 두께에 대해 75% 미만의 크기일 경우에는, 상기 과정에서 인가되는 온도 또는 압력이 지나치게 높은 경우로서, 오히려 1차 전지셀에 구조적 손상이 발생할 수 있으며, 이와 반대로 95%를 초과하는 크기일 경우에는, 상기 과정에서 인가되는 온도 또는 압력이 지나치게 낮은 경우로서, 소망하는 두께 조절의 효과 및 전지케이스 강도 증가의 효과를 충분히 발휘할 수 없다.
또한, 상기 클램핑-베이킹 과정이 정상적인 온도 및 압력의 범위에서 수행되었음에도 불구하고, 상기 1차 전지셀의 두께의 두께가 75% 미만의 크기를 갖거나, 95%를 초과하는 크기를 갖게 될 경우에는, 오히려 1차 전지셀 자체의 이상을 예상할 수 있다.
따라서 g) 1차 전지셀의 클램핑-베이킹과정이 완료되면 최종 전지셀을 완성할 수 있다.
한편, g) 1차 전지셀의 클램핑-베이킹과정 후, 최종 전지셀의 두께를 검사하는 (vi) 6차 검사과정을 더 포함할 수 있다(도 3에 표시된 (vi) 참조).
즉, (vi) 6차 검사과정은 최종 전지셀의 두께가 설정된 두께 내에 포함되는지 측정하여 불량여부를 검사한다.
따라서 본 발명의 일실시예에 따른 전지셀 제조방법은 1차 전지셀의 숙성 과정 및 충방전 과정이 수행되는 장치 내지 트레이에서의 각각의 위치를 별도로 표시할 필요가 없고, 클램핑-베이킹 과정 이후에 곧바로 최종 전지셀의 두께를 확인할 수 있으며, 1차 전지셀의 충방전 후 디가스 공정을 진행하여 1차 전지셀 내의 가스를 보다 원활하게 배출시킬 수 있고, 그 결과 전지셀의 제조에 소요되는 비용 및 시간을 절약할 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 가능하다.
100: 1차 전지셀
300: 활성화부
400: 가스 제거부
500: 클램핑-베이킹부

Claims (15)

  1. a) 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스 내에 도입된 구조의 1차 전지셀을 준비하는 과정;
    b) 상기 전극조립체에 대해 전해액이 함침되도록 유지하여 1차 숙성하는 과정;
    c) 상기 1차 전지셀을 소정의 전압으로 초기 충전하는 과정;
    d) 상기 1차 전지셀을 상이한 온도 범위에서 각각 순차적으로 유지하여 2차
    숙성 및 3차 숙성시키는 과정;
    e) 상기 1차 전지셀을 충전 및 방전함에 따라 설정된 출하 전압으로 조절하는 충방전 과정;
    f) 상기 충방전 과정 이후 상기 1차 전지셀 내의 가스를 제거하고 밀봉하는 과정; 및
    g) 상기 1차 전지셀의 두께를 조절할 수 있도록, 소정의 온도 및 압력을 인가하여 클램핑-베이킹(clamping & baking)하는 과정을 포함하고,
    상기 g) 과정의 클램핑-베이킹에 의해 조절되는 1차 전지셀의 두께는 a) 과정에서 준비된 1차 전지셀의 두께에 대해 50% 내지 95%의 크기를 가지며,
    상기 g) 1차 전지셀의 클램핑-베이킹과정 후, 최종 전지셀의 두께가 설정된 두께 내에 포함되는지 측정하여 불량여부를 검사하는 (vi) 6차 검사과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 전지케이스에 전극조립체가 수납된 상태에서, 외주변이 열융착에 의해 밀봉되어 있는 판상형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 b) 과정의 1차 숙성은 섭씨 20도 내지 30도의 온도범위에서, 40시간 내지 80시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 c) 과정의 초기 충전은 3.5V 내지 4.0V의 전압 범위까지 수행되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 d) 과정의 2차 숙성은 섭씨 50도 내지 80도의 범위에서, 20시간 내지 40시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 d) 과정의 3차 숙성은 섭씨 20도 내지 30도의 범위에서, 70시간 내지 120시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 f) 과정의 가스 제거시, 1차 전지셀 내의 전해액은 설정된 양으로 조절되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 g) 과정의 클램핑-베이킹은 한 쌍의 지그가 상기 1차 전지셀의 서로 대향하는 양면에 대면한 상태에서, 소정의 온도와 압력을 인가하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 지그에 의해 인가되는 온도는 섭씨 25도 내지 80도의 범위인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 지그에 의해 인가되는 압력은 300 kgf/cm2 내지 2000 kgf/cm2의 범위인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 e) 과정은 1차 전지셀에 대한 완전 방전 및 완전 충전을 수행한 이후에, 설정된 출하 전압에 도달하도록 방전하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 e) 과정의 출하 전압은 1차 전지셀의 만충 전압에 대해 30% 내지 80%의 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    i) 상기 b) 과정의 1차 숙성 이후에, 1차 전지셀의 전해액 함침 상태, 부반응 발생 유무, 조립상태 이상 유무를 검사하는 1차 검사 과정;
    ii) 상기 c) 과정의 초기 충전 이후에, 1차 전지셀의 충전 용량을 검사하는 2차 검사 과정;
    iii) 상기 d) 과정의 3차 숙성 이후에, 1차 전지셀의 방전 용량을 검사하는 3차 검사 과정;
    iv) 상기 e) 과정의 출하 전압 조절 이후에, 1차 전지셀의 전압 조절 상태를 검사하는 4차 검사 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
  15. 삭제
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