KR102283101B1 - 리튬 이차전지용 분리막 건조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이차전지의 분리막 건조 시 발생되는 챔버 내의 MC 용재 및 분위기 불균형을 해소할 수 있는 리튬 이차전지용 분리막 건조장치에 관한 것이다.
이를 위해 리튬 이차전지용 분리막 건조장치는 분리막 온도를 제 1 온도로 승온하고, 분리막 기공에 위치한 MC 용재를 제거하는 예열부, 상기 예열부에서 예열된 분리막을 제 2 온도로 승온하여 분리막에 잔류하는 MC 용재를 증발 건조시키는 건조부, 상기 예열부 및 상기 건조부를 통과하면서 가열된 분리막을 상온으로 냉각하는 냉각부를 포함하고, 상기 건조부는 내부에 설치된 복수의 건조롤을 통해 분리막을 가열하여 분리막 표면의 MC 용재를 증발 제거하고, 상기 복수개의 건조롤 중 어느 하나 이상의 건조롤은 상기 건조롤 상부로 기체를 주입하거나, 상기 건조부의 내부에서 발생한 기체를 외부로 방출할 수 있는 노즐부를 포함한다.

Description

리튬 이차전지용 분리막 건조장치{DRYING APPARATUS FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY SEPARATION FILM}
본 발명은 리튬 이차전지용 분리막 건조장치에 관한 것으로, 더 자세하게는 리튬 이차전지의 분리막 생산 공정 중 분리막을 건조시키면서 분리막 표면의 오일을 제거하는 추출 공정에서 분리막의 표면에 잔류하는 MC 용재를 회수하는 리튬 이차전지용 분리막 건조장치에 관한 것이다.
리튬 이차전지의 4대 구성요소 가운데 하나인 분리막은 마이크론(um) 이하의 미세 기공을 갖는 분리막으로서 리튬 이차전지 내에서 양극과 음극을 격리시켜 두 전극의 물리적 접촉에 의한 전기적 단락을 방지하고, 미세 기공 내에 함침된 전해액을 통해 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 역할을 한다.
이러한 특성에 의해 분리막은 전지의 고출력화 및 전지 안전성 향상에 매우 큰 영향을 끼치며, 이에 따라 고에너지 및 고출력 밀도를 갖는 전지를 개발하기 위해서는 기계적 강도가 유지되면서 얇고 기공도가 우수한 분리막이 요구되며, 전지 안전성 향상 측면에서는 셧다운, 용융다운 및 기계적 강도가 우수하고 열수축이 적은 분리막 개발이 지속적으로 진행되고 있다.
최근 보고된 다양한 리튬 이차전지 안전성 사고의 원인은 다양하지만, 분리막 제품이 전지 안전성 확보에 중요한 소재 중 하나이며, 분리막의 내열성, 균일도, 기계적 강도 등의 물성 향상을 통해 전지 안정성 향상에 기여함은 명확하다.
리튬 이차전지용 분리막 분리막의 수요 증가 및 안정성 확보, 고효율 사양 요구로 인해 대폭화(4m급)를 통한 생산성 향상과 제조 공정에서의 품질 향상, 에너지 소비율 절감, 친환경 생산 설비 구축 등이 요구되고 있는 실정이며, 이에 적합한 설비의 개발이 필요하다.
도 1은 종래 기술에 따른 리튬 이차전지용 분리막 건조장치의 설치상태를 도시한 도면이다.
종래 기술에 따른 리튬 이차전지용 분리막 건조장치(200)는 추출공정 중 발생하는 유해가스인 MC(Methyl-chloride, 메틸클로라이드, 이하 MC) 용재 가스가 외부로 방출되는 것을 막기 위하여 워터 샤워 시스템(Water shower system)이 적용되었으며, 건조 시 MC 용재와 물의 건조를 위하여 열풍과 히팅롤을 동시 사용하는 방식으로 구성된다.
종래 기술에 따른 리튬 이차전지용 분리막 건조장치(200)는 물의 건조를 위하여 열풍 건조방식이 사용되고, 그에 따라 열풍 건조 온도는 예를 들면 120℃로 설정되어 에너지의 소비량이 많게 되는 문제가 있었다.
분리막의 재질은 폴리올레핀 계열의 폴리에틸렌(PE) 소재를 사용하고 있으며, 분리막은 130℃에서부터 용융되기 시작하므로, 120℃로 열풍이 공급되어 건조되기는 하지만, 국부적으로 분리막의 용융 온도보다 높은 온도로 열풍이 공급되는 지점이 발생하는 경우에는 그 지점에서 국부적으로 분리막이 용융되고 수축되면서 용융되지 않는 분리막의 다른 곳과는 달리 국부적으로 용융수축되면서 용융 온도보다 높은 열풍에 노출된 지점에 주름이 발생하여 분리막의 불량이 발생하는 문제점이 있었다.
또한, 종래 기술에 따른 리튬 이차전지용 분리막 건조장치(200)는 MC 용재를 재사용하기 위해 물과 혼합된 MC 용재를 다시 물과 분리하는 과정을 거쳐야 하고, 그 과정에서 많은 양의 MC 용재가 유실되어 MC 용재의 회수율이 낮게 되는 문제가 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-2018299호(발명의 명칭 : 리튬 이차전지용 분리막 및 그의 제조방법, 2016. 11. 01. 공개) 대한민국 등록특허공보 제10-1334888호(발명의 명칭 : 리튬 이차전지용 분리막 및 그 제조방법, 2013. 09. 25. 공개)
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 창안된 것으로, 리튬 이차전지의 분리막 건조 시 발생되는 챔버 내의 MC 용재 및 분위기 불균형을 해소할 수 있는 리튬 이차전지용 분리막 건조장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 분리막 건조장치는 분리막 온도를 제 1 온도로 승온하고, 분리막 기공에 위치한 MC 용재를 제거하는 예열부, 상기 예열부에서 예열된 분리막을 제 2 온도로 승온하여 분리막에 잔류하는 MC 용재를 증발 건조시키는 건조부, 상기 예열부 및 상기 건조부를 통과하면서 가열된 분리막을 상온으로 냉각하는 냉각부를 포함하고, 상기 건조부는 내부에 설치된 복수의 건조롤을 통해 분리막을 가열하여 분리막 표면의 MC 용재를 증발 제거하고, 상기 복수개의 건조롤 중 어느 하나 이상의 건조롤은 상기 건조롤 상부로 기체를 주입하거나, 상기 건조부의 내부에서 발생한 기체를 외부로 방출할 수 있는 노즐부를 포함할 수 있다.
상기 노즐부는 외부에서 기체가 주입되거나 상기 건조부 내부의 기체를 외부로 배기할 수 있도록 상기 건조롤의 상부에 배치되는 에어 파이프, 및 상기 에어 파이프를 따라 일정 간격을 두고 복수개가 설치되는 노즐을 포함할 수 있다.
상기 건조롤은 분리막 주입부로부터 분리막 배출구 방향으로 수평 방향으로 상단과 하단의 2단으로 배치되고, 상기 노즐은 상기 하단에 배열된 건조롤 상부에 배치될 수 있다.
상기 노즐은 상기 건조롤 중 상단에 배치되는 상단 건조롤과 하단에 배치되는 하단 건조롤 사이에 배치되어 데드 존(dead zone)으로 기체를 주입하거나 배출할 수 있다.
상기 건조부의 건조챔버 하단에 액상 및 가스상의 MC 용재가 배출되는 배출구가 마련되고, 상기 배출구에 MC 용재를 응축하는 열교환기가 설치되며, 상기 열교환기에 MC 용재를 회수하기 위한 제2 배기팬이 설치될 수 있다.
상기 노즐부는 상기 노즐의 단부에 설치되어 분리막 표면의 온도를 측정하는 열센서를 더 포함할 수 있다.
상기 노즐부는 상기 노즐의 단부에 설치되어 분리막 표면에서 MC 용재의 농도를 측정하는 농도측정센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 분리막 건조장치에 따르면, 리튬 이차전지의 분리막 건조 시 발생되는 챔버 내의 MC 용재 및 분위기 불균형을 해소함으로써 분리막의 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 건조롤의 데드 존으로 기체를 주입하거나 배출하여 건조챔버 내에서 리튬 이차전지 분리막이 건조되면서 국지적으로 발생할 수 있는 불균형을 해소함으로써 분리막 건조 환경을 개선하여 결과적으로 생성되는 분리막의 품질을 개선할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 리튬 이차전지용 분리막 건조장치의 설치상태를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 분리막 건조장치의 설치상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 분리막 건조장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 분리막 건조장치를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 건조장치의 노즐부 구성을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 분리막 건조장치의 일 실시예를 설명한다. 이때, 본 발명은 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명확하게 하기 위해 생략될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 분리막 건조장치의 설치상태를 도시한 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 분리막 건조장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2와 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 분리막 건조장치(100)는 예열부(A), 건조부(B), 냉각부(C)를 포함한다.
상기 리튬 이차전지용 분리막은 추출공정에서의 MC 용재가 함수되어 있는 조건에서 급격한 온도 변화는 분리막의 손상 및 품질 저하의 원인이 된다. 이에 분리막 온도 조절을 위해 리튬 이차전지용 분리막 건조장치(100)는 크게 예열구간, 건조구간, 냉각구간으로 나뉜 설계가 바람직하다.
상기 예열부(A)는 MC 용재의 끓는 점 이하의 수준으로 분리막 온도를 승온하고, 분리막 기공에 묻어있는 액상의 MC 용재를 최대한 제거하는 부분이다.
상기 예열부(A)는 예열챔버(110)의 내부에 설치되는 다수의 예열롤(111)을 사용하여 분리막을 예열한다.
상기 예열부(A)를 통과하는 분리막의 온도 편차에 의한 영향은 극히 낮으므로 온도의 균일분포는 배제되며, MC 용재의 끓는점 이하의 조건에서 예열이 가능하다.
상기 예열부(A)의 각 예열롤(111)의 설정온도는 MC 용재의 끓는점 약 40℃를 감안하여 30~35℃가 적합하다.
상기 예열챔버(110)의 상단 일측에는 비산된 가스상의 MC 용재를 배출하기 위한 제1 배출구(도시되지 않음)가 마련되고, 제1 배출구에는 제1 배기팬(도시되지 않음)이 설치된다.
본 실시예에서, 상기 건조부(B)는 예열부(A)에서 예열된 분리막을 MC 용재의 끓는 점 이상의 온도로 가온하여 분리막에 잔류하는 MC 용재를 증발 건조시키는 부분이다.
상기 건조부(B)는 예열챔버(110)의 일측에 마련되는 건조챔버(120)의 내부에 설치된 다수의 건조롤(121)를 통해 분리막을 가열하여 분리막 표면의 MC 용재를 증발 제거한다.
상기 건조롤(121)의 표면온도는 MC 용재의 끓는점인 40℃보다 높은 온도의 열매 공급이 요구되며, 건조 성능 확보를 위한 건조 길이, 체류시간, 내부 온습도 제어가 중요한 설계 대상이다.
상기 건조롤(121)의 표면온도는 MC 용재의 끓는점인 40℃보다 높은 온도인 40~60℃의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.
상기 건조롤(121)은 좁은 나선 통로로 열매를 공급하여 열매의 사용 감소와 건조롤 표면 온도 균일화에 우수한 성능을 나타내는 자켓 롤(Jacket roll)이 바람직하나 기타 방식의 건조롤도 가능하다.
상기 건조챔버(120) 내부에 좌우방향으로 배열 설치되는 건조롤(121)의 설치갯수는 열량분석을 통하여 건조 길이를 산정하고, 분석된 자료를 통하여 얻어진 갯수로 하는 것이 바람직하다.
건조 성능 향상을 위하여 건조챔버(120)의 내부 온습도 제어 시스템의 도입이 필요하며, 실시간 데이터 수집을 통해 건조챔버(120)의 내부 환경을 안정적으로 유지하도록 시스템을 구축하는 것이 바람직하다.
상기 건조챔버(120)에서는 주로 건조롤(121)에 의한 가열에 의하여 기화된 MC 용재를 제거한다. 건조챔버에서 기화된 MC 용재 기준으로는 약 90 ~ 95% 내외가 제거된다. 액상의 MC 용재 기준으로는 약 5 ~ 10% 내외가 제거된다.
본 실시예에서, 상기 냉각부(C)는 예열부(A) 및 건조부(B)에서 예열롤(111) 및 건조롤(121)을 통해 가열된 분리막을 상온으로 냉각하는 부분이다.
상기 냉각부(C)는 건조챔버(120)의 일측에 마련되는 냉각챔버(130)의 내부에 설치된 다수의 냉각롤(131)를 통해 분리막을 냉각한다.
상기 냉각부(C)는 예열부(A) 및 건조부(B)를 통과하는 동안 승온된 분리막의 온도를 서랭시키는 부분으로 외기 온도와 동일한 온도로 냉각이 요구되며, 요구 냉각 온도를 고려한 설계가 요구된다.
상기 냉각롤(131)의 표면온도는 외기 온도와 동일한 온도, 예를 들면 25℃로 설정하는 것이 바람직하다.
상기 냉각챔버(130)에서 가스상의 MC 용재 기준으로는 약 0.5% 미만이 제거된다.
본 실시예에서, 상기 리튬 이차전지용 분리막 건조장치(100)는 리튬이차전지 분리막 생산 공정 중의 분리막 기공의 오일을 제거하는 추출공정에서 분리막을 건조시키면서 분리막의 기공에 잔류하는 MC 용재를 회수한다.
상기 리튬 이차전지용 분리막 건조장치(100)에서 분리막은 예열챔버(110)의 다수의 예열롤(111)을 통과하는 과정에서 MC 용재의 끓는점인 40℃ 이하의 온도로 예열되고, 건조챔버(120)의 다수의 건조롤(121)을 통과하는 과정에서 MC 용재의 끓는점인 40℃보다 높은 온도로 가열되고, 냉각챔버(130)의 다수의 냉각롤(131)을 통과하는 과정에서 상온으로 냉각된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 분리막 건조장치를 도시한 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 건조장치의 노즐부 구성을 도시한 도면이다.
도 4와 도 5를 참조하면, 상기 리튬 이차전지용 분리막 건조장치(100)는 예열부(A), 건조부(B), 냉각부(C), 및 노즐부(140)를 포함할 수 있다.
상기 예열부(A)는 분리막 온도를 제 1 온도로 승온하고, 분리막 기공에 위치한 MC 용재를 제거한다.
상기 건조부(B)는 예열부(A)에서 예열된 분리막을 제 2 온도로 승온하여 분리막에 잔류하는 MC 용재를 증발 건조시킨다. 상기 건조부(B)는 내부에 설치된 복수의 건조롤(121)을 통해 분리막을 가열하여 분리막 표면의 MC 용재를 증발 제거한다.
상기 냉각부(C)는 예열부(A) 및 건조부(B)를 통과하면서 가열된 분리막을 상온으로 냉각한다.
상기 노즐부(140)는 복수개의 건조롤(121) 중 어느 하나 이상의 건조롤(121)은 건조롤(121) 상부로 기체를 주입하거나, 상기 건조부(B)의 내부에서 발생한 기체를 외부로 방출할 수 있다. 상기 노즐부(140)는 외부에서 기체가 주입되거나 상기 건조부(B) 내부의 기체를 외부로 배기할 수 있도록 상기 건조롤(121)의 상부에 배치되는 에어 파이프(142), 및 상기 에어 파이프(142)를 따라 일정 간격을 두고 복수개가 설치되는 노즐(141)을 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 건조부(B)의 건조챔버(120) 하단에 액상 및 가스상의 MC 용재가 배출되는 배출구가 마련되고, 상기 배출구에 MC 용재를 응축하는 열교환기(123)가 설치되며, 상기 열교환기(123)에 MC 용재를 회수하기 위한 제2 배기팬(124)이 설치될 수 있다.
즉, 상기 건조챔버(120)의 하단에는 예열챔버(110)에서 제거되지 않고 분리막 기공에 붙어있는 잔류의 액상 및 가스상의 MC 용재가 배출되는 제2 배출구(122)가 마련되고, 제2 배출구(122)에는 MC 용재를 응축하는 열교환기(123)가 설치되고, 열교환기(123)에 MC 용재를 회수하기 위한 제2 배기팬(124)이 설치된다.
또한, 상기 건조롤(121)은 분리막 주입부로부터 분리막 배출구 방향으로 수평 방향으로 상단과 하단의 2단으로 배치되고, 상기 노즐(141)은 상기 하단에 배열된 건조롤(121) 상부에 배치될 수 있다.
이에 따라, 상기 노즐(141)은 상기 건조롤(121) 중 상단에 배치되는 상단 건조롤(121a)과 하단에 배치되는 하단 건조롤(121b) 사이에 배치되어 데드 존(D)으로 기체를 주입하거나 배출할 수 있다.
즉, 상기 리튬 이차전지용 분리막 건조장치(100)는 종래 수직으로 배열되는 건조롤(121)을 수평 방향으로 배열하고, 설치 공간을 확보하기 위해 건조롤(121) 사이의 간격을 좁혀서 시공되므로, 상단 건조롤(121a)과 하단 건조롤(121b) 사이에 데드 존(D)으로 기체를 주입하거나 배출하는 노즐부(140)를 포함할 수 있다.
상기 리튬 이차전지용 분리막 건조장치(100)의 노즐부(140)는 하단에 배열된 하단 건조롤(121b) 상부에 노즐(141) 하부 말단부가 위치하도록 함으로써 상단에 배치된 상단 건조롤(121a)과 하단에 배치된 하단 건조롤(121b) 사이에 데드 존(D)으로 기체를 주입하거나 배출할 수 있고, 이로 인해 건조챔버(120) 내에서 리튬 이차전지용 분리막이 건조되면서 국지적으로 발생할 수 있는 불균형을 해소함으로써 분리막 건조 환경을 개선하여 결과적으로 생성되는 분리막의 품질을 개선할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 리튬 이차전지용 분리막 건조장치(100)의 노즐부(140)는 상기 노즐(141)의 단부에 설치되어 분리막 표면의 온도를 측정하는 열센서(141a)를 포함할 수 있다. 상기 노즐부(140)는 상기 노즐(141)의 단부에 설치되어 분리막 표면에서 MC 용재의 농도를 측정하는 농도측정센서(141b)를 포함할 수 있다.
상기 열센서(141a)와 농도측정센서(141b)가 분리막에 인접되게 배치됨으로써 분리막 표면의 온도를 측정하거나 분리막 표면에서의 MC 용재 농도를 측정할 수 있게 되어 품질이 균일한 분리막을 제조할 수 있다.
따라서, 상기 분리막 건조장치(100)를 통해 리튬 이차전지의 분리막 건조 시 발생되는 챔버 내의 MC 용재 및 분위기 불균형을 해소함으로써 분리막의 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 건조롤(121)의 데드 존(D)으로 기체를 주입하거나 배출하여 건조챔버(120) 내에서 리튬 이차전지 분리막이 건조되면서 국지적으로 발생할 수 있는 불균형을 해소함으로써 분리막 건조 환경을 개선하여 결과적으로 생성되는 분리막의 품질을 개선할 수 있다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
1: 분리막 건조장치 110: 예열챔버
111: 예열롤 120: 건조챔버
121: 건조롤 121a: 상단 건조롤
121b: 하단 건조롤 122: 제2 배출구
123: 열교환기 124: 제2 배기팬
130: 냉각챔버 131: 냉각롤
140: 노즐부 141: 노즐
141a: 열센서 141b: 농도측정센서
142: 에어 파이프
A: 예열부
B: 건조부
C: 냉각부
D: 데드 존

Claims (7)

  1. 분리막 온도를 제 1 온도로 승온하고, 분리막 기공에 위치한 MC 용재를 제거하는 예열부;
    상기 예열부에서 예열된 분리막을 제 2 온도로 승온하여 분리막에 잔류하는 MC 용재를 증발 건조시키는 건조부;
    상기 예열부 및 상기 건조부를 통과하면서 가열된 분리막을 상온으로 냉각하는 냉각부;를 포함하고,
    상기 건조부는 내부에 설치된 복수의 건조롤을 통해 분리막을 가열하여 분리막 표면의 MC 용재를 증발 제거하고, 상기 복수개의 건조롤 중 어느 하나 이상의 건조롤은 상기 건조롤 상부로 기체를 주입하거나, 상기 건조부의 내부에서 발생한 기체를 외부로 방출할 수 있는 노즐부; 를 포함하고,
    상기 노즐부는 외부에서 기체가 주입되거나 상기 건조부 내부의 기체를 외부로 배기할 수 있도록 상기 건조롤의 상부에 배치되는 에어 파이프, 상기 에어 파이프를 따라 일정 간격을 두고 복수개가 설치되는 노즐, 상기 노즐의 단부에 설치되어 분리막 표면의 온도를 측정하는 열센서, 및 상기 노즐의 단부에 설치되어 분리막 표면에서 MC 용재의 농도를 측정하는 농도측정센서를 포함하며,
    상기 노즐은 상기 건조롤 중 상단에 배치되는 상단 건조롤과 하단에 배치되는 하단 건조롤 사이에 배치되어 데드 존(D)으로 기체를 주입하거나 배출하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 분리막 건조장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 건조롤은 분리막 주입부로부터 분리막 배출구 방향으로 수평 방향으로 상단과 하단의 2단으로 배치되고, 상기 노즐은 상기 하단에 배열된 건조롤 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 분리막 건조장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 노즐은 상기 건조롤 중 상단에 배치되는 상단 건조롤과 하단에 배치되는 하단 건조롤 사이에 배치되어 데드 존으로 기체를 주입하거나 배출하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 분리막 건조장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 건조부의 건조챔버 하단에 액상 및 가스상의 MC 용재가 배출되는 배출구가 마련되고, 상기 배출구에 MC 용재를 응축하는 열교환기가 설치되며, 상기 열교환기에 MC 용재를 회수하기 위한 제2 배기팬이 설치되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 분리막 건조장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
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