KR20140110125A - 결락부가 형성된 전지셀 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체; 및 상기 전극조립체를 내장하는 케이스;를 포함하고, 상기 전극조립체 본체와 케이스 본체에는 각각 결락(缺落)부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.

Description

결락부가 형성된 전지셀 및 이를 포함하는 전지팩 {Battery Cell Provided With Cut Portion and Battery Pack Comprising The Same}
본 발명은, 결락부가 형성된 전지셀 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
IT(Information Technology) 기술이 눈부시게 발달함에 따라 다양한 휴대형 정보통신 기기의 확산이 이뤄짐으로써, 21세기는 시간과 장소에 구애 받지 않고 고품질의 정보서비스가 가능한 ‘유비쿼터스 사회’로 발전되고 있다.
이러한 유비쿼터스 사회로의 발전 기반에는, 리튬 이차전지가 중요한 위치를 차지하고 있다. 구체적으로, 충방전이 가능한 리튬 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 사용되고 있다.
상기와 같이, 리튬 이차전지가 적용되는 디바이스들이 다양화됨에 따라, 리튬 이차전지는, 적용되는 디바이스에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 다양화되고 있다. 더불어, 소형 경박화가 강력히 요구되고 있다.
휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터 등과 같은 소형 모바일 기기들에는 해당 제품들의 소형 경박화 경향에 따라 그에 상응하도록 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 소형 경량의 전지셀들이 사용되고 있다.
상기한 전지셀은, 그것의 형상에 따라 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 파우치형 전지셀 등이 사용되고 있으며, 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 저렴한 파우치형 전지셀이 많은 관심을 모으고 있다.
도 1A 및 1B에는 종래의 대표적인 파우치형 전지셀의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1A를 참조하면, 파우치형 전지셀(10)는, 다수의 전극 탭들(21, 22)이 돌출되어 있는 전극조립체(20), 전극 탭들(21, 22)에 각각 연결되어 있는 두 개의 전극 리드(30, 31), 및 전극 리드(30, 31)의 일부가 외부로 노출되도록 전극조립체(20)를 수납 및 밀봉하는 구조의 전지케이스(40)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전지케이스(40)는 전극조립체(20)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(41)를 포함하는 하부 케이스(42)와 그러한 하부 케이스(42)의 덮개로서 전극조립체(20)를 밀봉하는 상부 케이스(43)로 이루어져 있다. 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)는 전극조립체(20)를 내장한 상태에서 열융착되어, 상단 실링부(44)와 측면 실링부(45, 46), 및 하단 실링부(47)를 형성한다.
도 1A에서는 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)가 각각 별도의 부재로서 표시되어 있지만, 도 1B에서와 같이 일측 단부가 일체되어 연속되어 있는 경첩식 구조도 가능하다.
또한, 도 1A 및 1B는, 전극 탭과 전극 리드가 연결된 구조의 전극 단자가 일단에 함께 형성되어 있는 구조의 파우치형 전지셀을 도시하고 있으나, 전극 단자가 일단과 타단에 각각 형성되어 있는 구조의 파우치형 전지셀 등도 상기와 같은 방법으로 제작할 수 있음은 물론이다.
또한, 도 1A 및 도 1B는, 스택형 전극 조립체를 예시하고 있으나, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체 또는 스택형 전극 조립체들을 긴 길이의 연속적인 분리 필름을 이용하여 권취한 구조의 스택 앤 폴딩형 전극조립체를 사용하여 도 1A 및 도 1B의 파우치형 이차전지를 제작할 수 있음은 물론이다.
일반적으로, 리튬 이차전지에는 과충전, 과전류 등의 비정상인 상태를 효과적으로 제어할 수 있는 보호회로 모듈(PCM; Protection Circuit Module)이 전지셀에 접속된 상태로 탑재되어 있다.
도 1C에는, 파우치형 전지셀에 보호회로 모듈이 탑재된 종래기술의 전지팩의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1C를 참조하면, 전지팩(50)은 전극단자(30, 31)가 돌출되어 있는 파우치형 전지셀(10), 전극단자(30, 31)에 접속되어 있는 상태로 장착되고 외부 입출력 단자(122)가 노출되어 있는 PCM(120)을 포함한다.
도 1A 및 도 1B에서와 같이, 파우치형 전지셀은 육면체 형상으로 제조되는 것이 일반적이고, 이러한 육면체 형상의 파우치형 전지셀에는 PCM이 결합하여 육면체 형상의 전지팩이 완성된다.
일반적으로, 전지셀 또는 전지팩을 전원으로 사용하는 디바이스의 내부에는, 다수의 전자부품 및/또는 기계부품이 전지셀 또는 전지팩과 함께 내장된다. 전자부품 및/또는 기계부품을 내장하고 남은 디바이스 내부의 공간은 전지셀 또는 전지팩의 육면체 형상과 정확히 일치하지 않는다. 이로 인해, 육면체 형상의 전지셀 또는 전지팩은 디바이스 내부에 사공간을 초래하는 문제가 있다.
예를 들어, 최근 스마트 폰에 기본적으로 탑재되어 있는 카메라는 디스플레이의 반대면 상부 중앙에 위치하는 것이 일반적이다. 그러나, 이 경우, 카메라의 양측면에는 전지셀 또는 전지팩이 장착될 수 없는 사공간이 발생할 수 있고, 이는 곧 디바이스의 부피당 용량의 저하를 가져올 수 있다.
본 출원의 발명자들은, 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 디바이스의 부피 당 용량을 최대한 향상시킬 수 있는 전지셀 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하고자, 본 발명에 따른 전지셀은, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체; 및 상기 전극조립체를 내장하는 케이스;를 포함하고, 상기 전극조립체 본체와 케이스 본체에는 각각 결락(缺落)부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 결락부는 전극 슬러리 층이 형성되어 있는 전류 집전체로 이루어진 전극, 예를 들어, 양극 슬러리 층이 형성된 양극 집전체로 이루어진 양극과 음극 슬러리 층이 형성된 음극 집전체로 이루어진 음극 및 케이스 본체의 일부가 잘려 나간 부분으로 이해될 수 있다.
특히, 전극조립체의 결락부는 전극 슬러리 층이 형성된 전극의 일부가 잘려나간 부분이라는 점에서, 종래의 전극조립체와 상이한 구조를 가진다.
즉, 종래의 전극조립체는, 전극으로부터 돌출되어 있는 전극 탭을 제외한 부분에만 전극 슬러리 층이 형성되어 있었으나, 본 발명에 따른 전극조립체는 종래의 전극조립체의 전극 탭 부분의 일부 또는 전부에도 전극 슬러리 층이 형성되어 있을 수 있다.
본 발명에 따른 전극조립체 또한, 양극 슬러리 층이 형성되어 있지 않은 양극 탭과 음극 슬러리 층이 형성되어 있지 않은 음극 탭이 형성되어 있다. 상기 양극 탭과 음극 탭은 전극조립체의 결락부를 향해 돌출되어 있을 수도 있고, 결락부를 향하지 않는 방향으로 돌출되어 있을 수도 있다.
상기 양극 탭과 음극 탭은 그 자체로 양극 단자와 음극 단자를 구성할 수도있고, 양극 탭과 음극 탭에 양극 리드와 음극 리드가 각각 결합하여 양극 단자와 음극 단자가 형성될 수 있다. 상기 음극단자와 양극단자는 각각 절곡되어 케이스 본체에 밀착되어 있을 수도 있고, 절곡되어 있지 않을 수도 있다.
상기 전극조립체의 결락부가 형성된 부위는 케이스의 결락부가 형성된 부위와 일치할 수도 있고, 일치하지 않을 수도 있다. 바람직하게는, 상기 전극조립체의 결락부와 케이스의 결락부는 서로 형성된 위치가 일치할 수 있다. 즉, 케이스의 결락부는 전극조립체의 결락부가 형성된 부분에 형성될 수 있다.
또한, 상기 전극조립체의 결락부와 케이스의 결락부의 형상은, 디바이스 내부에 장착된 부품들로 인해서 오목하게 돌출된 부위와 맞물리는 형상이라면 특별히 제한되지 않는다.
경우에 따라서는, 상기 케이스의 결락부에는, 과충전, 과방전, 폭발 등을 방지하는 보호회로 부재가 장착될 수 있고, 상기 보호회로 부재는, 전극조립체의 양극에 형성된 양극 탭 및 전극조립체의 음극에 형성된 음극 탭과 전기적으로 연결되어 있다. 이 경우, 상기 양극 탭과 음극 탭은 결락부 방향으로 돌출되어 있는 것일 바람직하다.
상기 보호회로 부재는, 보호회로 기판, 상기 보호회로 기판에 형성되는 전계 효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor)와 보호회로, 및 전지셀의 양극단자 및 음극단자와 전기적으로 연결하는 접속 단자를 포함하는 구조로 이루어져 있을 수 있고, 예를 들어, 보호회로 모듈(Protection Circuit Module: PCM) 일 수 있다.
바람직하게는, 디바이스 내부의 사공간을 최소화하고 콤팩트(compact)한 전지셀을 구현할 수 있도록, 상기 양극단자와 음극단자는 모두 결락부 방향으로 형성되어 있을 수 있으며, 절곡된 상태로 케이스 본체에 밀착되어 있을 수 있다. 이 때, 상기 보호회로 부재의 접속단자 또한 절곡된 상태로 보호회로 기판에 밀착되어 있을 수 있다.
상기 보호회로 부재의 크기 내지 부피는 상기 결락부 내에 수납될 수 있는 한 특별한 제한은 없다. 즉, 보호회로 부재가 케이스 본체의 결락부 내에 수납될 수 있는 한, 보호회로 부재의 가로 길이, 세로 길이는 결락부의 가로 길이, 세로 길이 내이면 충분하다. 따라서, 보호회로 부재의 높이는 상기 결락부의 높이에 비해 클 수 있고, 이 경우에는, 보호회로 부재가 결락부를 벗어나 돌출되어 있을 수도 있다.
경우에 따라서는, 상기 케이스 본체의 결락부는, 보호회로 부재와 닮음꼴 도형의 형상으로 이루어져 있을 수 있으며, 더욱 구체적으로, 상기 케이스 본체의 결락부에 대한 보호회로 부재의 닮음비는 1 이하일 수 있다. 상기 닮음비는 닮은 다각형의 대응하는 부분의 비로 이해할 수 있다.
상기 전극조립체는, 양극판, 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되는 분리판을 포함하고, 양극판, 분리판, 음극판이 순서대로 적층되어 있는 구조로 이루어진 스택형 전극조립체일 수 있다.
또한, 상기 전극조립체는, 양극판, 음극판 및 스택형 전극조립체로 이루어진 군에서 선택되는 둘 이상의 극성체들; 및 상기 극성체들의 적층면과 측면을 감싸고 있는 분리 시트;를 포함하고, 상기 극성체들은 상기 분리 시트를 사이에 두고 양극과 음극이 서로 대면하도록 평면을 기준으로 높이 방향을 따라 적층되어 있는 스택 ＆ 폴딩형 전극조립체일 수 있고, 이 때, 상기 스택형 전극조립체는, 최상단과 최하단에 위치하는 전극판들의 극성이 서로 동일하거나, 또는 다른 것일 수 있다.
상기 전지셀의 형상은, 디바이스 내부에 부품들이 장착되고 남은 공간과 일치하는 형상인 한 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로, 상기 전지셀은, 평면상 원형 구조의 전지셀, 평면상 다각형 구조의 전지셀, 적어도 하나의 모서리가 곡선을 이루는 평면상 다각형 구조의 전지셀 또는 적어도 하나의 변이 곡선을 이루는 평면상 다각형 구조의 전지셀로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.
상기 케이스는, 전극조립체를 수납하는 수납 공간이 형성된 구조로서, 금속 캔 또는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스일 수 있다.
이 때, 상기 전지셀은, 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 구조의 전극조립체를 금속 캔 내에 내장한 각형 전지셀 또는 파우치형 케이스 내에 내장한 구조의 파우치형 전지셀일 수 있다. 상기 파우치형 전지셀은, 상기 양극 및 음극에 각각 형성되어 있는 양극단자와 음극단자가 파우치형 케이스의 외부로 돌출되어 있을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 전지셀은, 결락부가 형성된 전지셀과 상기 결락부에 보호회로 부재가 결합한 전지셀일 수 있다.
본 발명은 상기한 전지셀을 하나 이상 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.
본 발명에 따른 전지팩이 사용될 수 있는 디바이스의 예로는, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 하나의 디바이스일 수 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀 및 이를 포함하는 전지팩은, 디바이스 내부에 장착되는 전자부품 및/또는 기계부품의 돌출된 부위와 맞물리는 형상 내지 보호회로 부재의 형상과 닮음꼴 형상의 결락부를 포함하고 있으므로, 종래의 전지셀 내지 전지팩에 비해 디바이의 단위 부피당 용량이 향상되는 효과가 있다.
도 1A 내지 1C는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 분해 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지셀의 평면도를 모식적으로 도시한 도면이다;
도 3은, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 평면도를 모식적으로 도시한 도면이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 평면도를 모식적으로 도시한 도면이다.
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 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지셀의 평면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 파우치형 전지셀(100)은 전극조립체(110), 전극조립체(110)을 내장하는 케이스(120), 전극조립체(110) 및 케이스(120)에 형성되어 있는 결락부(130) 및 케이스(120)으로부터 외부에 돌출되어 있는 양극단자(111)과 음극단자(112)를 포함하고 있다. 양극단자(111) 및 음극단자(112)는 결락부(130)을 향하지 않는 방향으로 돌출되어 있다.
양극단자(111)은 양극 슬러리 층이 양극 집전체에 형성되어 있지 않은 양극 탭 자체이거나, 양극 탭에 양극 리드가 결합한 구조일 수 있다. 음극단자(112)는 음극 슬러리 층이 음극 집전체에 형성되어 있지 않은 음극 탭 자체이거나, 음극 탭에 음극 리드가 결합한 구조일 수 있다.
전극조립체(110) 및 케이스(120) 모두에 형성되어 있는 결락부(130)은 직사각형의 형상으로 전극조립체의 결락부와 케이스의 결락부는 닮음꼴이다.
결락부(130)에는 디바이스의 전자부품 및/또는 기계부품의 돌출부위가 수용될 수도 있고, 도 3 및 도 4에서와 같이 보회호로 모듈이 장착될 수도 있다.
도 3 및 도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩(200)의 실시예들이 모식적으로 도시되어 있다.
도 3 및 도 4를 도 2와 함께 참조하면, 도 2와 달리, 양극단자(111) 및 음극단자(112)가 결락부(130)를 향해 돌출되어 있고, 결락부(130)에는 보호회로 모듈(250)이 탑재되어 있다.
도 3 및 도 4를 도 1C와 함께 참조하면, 도 1C와 달리, 보호회로 모듈(250)이 육면체 형상의 전지셀 상에 탑재되는 것이 아니라, 결락부(130)에 탑재되어 육면체 형상의 전지팩(200)을 완성하고 있는 점에서 차이가 있다.
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.

Claims (23)

  1. 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체; 및 상기 전극조립체를 내장하는 케이스;를 포함하고,
    상기 전극조립체 본체와 케이스 본체에는 각각 결락(缺落)부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 결락부는, 양극 집전체에 양극 슬러리 층이 형성된 구조의 양극의 일부와 음극 집전체에 음극 슬러리 층이 형성된 음극의 일부가 잘려 나간 부분인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 양극에는 양극 슬러리 층이 형성되지 않은 양극 탭이 형성되어 있고, 상기 음극에는, 음극 슬러리 층이 형성되지 않은 음극 탭이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 양극 탭과 음극 탭은 결락부를 향해 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 양극 탭과 음극 탭은 결락부를 향하지 않는 방향으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스의 결락부는, 전극조립체의 결락부가 형성된 부위와 일치하는 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 케이스의 결락부 및 전극조립체의 결락부는, 디바이스 내부에 장착된 부품들로 인해서 오목하게 돌출된 부위와 맞물리는 형상인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 1 항에 있어서, 과충전, 과방전, 과전류 및 대전류 시 전지셀의 안전성을 담보하는 보호회로 부재를 더 포함하고, 상기 보호회로 부재는 케이스 본체의 결락부에 합체하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 케이스 본체의 결락부는, 보호회로 부재와 닮음꼴 도형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 케이스 본체의 결락부에 대한 보호회로 부재의 닮음비는 1 이하인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 보호회로 부재는, 전극조립체의 양극에 형성된 양극탭 및 전극조립체의 음극에 형성된 음극 탭과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 양극 탭과 음극 탭에는, 각각 양극 리드와 음극 리드가 결합되어 양극 단자 및 음극 단자를 형성하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 양극단자와 음극단자는 절곡된 상태로 케이스 본체에 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 제 8 항에 있어서, 상기 보호회로 부재는, 보호회로 기판, 상기 보호회로 기판에 형성되는 전계 효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor)와 보호회로, 및 전지셀의 양극단자 및 음극단자와 전기적으로 연결하는 접속 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 접속단자는 절곡된 상태로 보호회로 기판에 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는, 양극판, 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되는 분리판을 포함하고, 양극판, 분리판, 음극판이 순서대로 적층되어 있는 구조로 이루어진 스택형 전극조립체인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는, 양극판, 음극판 및 스택형 전극조립체로 이루어진 군에서 선택되는 둘 이상의 극성체들; 및 상기 극성체들의 적층면과 측면을 감싸고 있는 분리 시트;를 포함하고, 상기 극성체들은 상기 분리 시트를 사이에 두고 양극과 음극이 서로 대면하도록 평면을 기준으로 높이 방향을 따라 적층되어 있는 스택 ＆ 폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 스택형 전극조립체는, 최상단과 최하단에 위치하는 전극판들의 극성이 서로 동일하거나, 또는 다른 것을 특징으로 하는 전지셀.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은, 평면상 원형 구조의 전지셀, 평면상 다각형 구조의 전지셀, 적어도 하나의 모서리가 곡선을 이루는 평면상 다각형 구조의 전지셀 또는 적어도 하나의 변이 곡선을 이루는 평면상 다각형 구조의 전지셀로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스는, 전극조립체를 수납하는 수납 공간이 형성된 구조로서, 금속 캔 또는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  21. 제 1 항에 따른 전지셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 하나에 따른 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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