KR20170105671A - Collector plates for bipolar electrodes of leadbatteries - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 쌍극 극판(bipolar electrodes)을 구비한 Pb-PbO 2 배터리용 복합판(composite plates)의 제조방법에 관한 것으로서, 판(plate)의 전기 전도성이 적어도 이들의 표면에 납 또는 납 합금에 의해 구성된 와이어(wire)에 의해 The present invention relates to a method for producing composite plates for Pb-
부여되고, 와이어는 판의 표면에 수직이 되게 규칙적인 배열에 따라 배치되며, 이들 와이어는 산 매체에 안정하고 와이어를 구성하는 금속 또는 합금과 강한 결합을 만들 수 있는 폴리머로 코팅되어 있으며, 도체 와이어(conductor wires)의 전체 부피는 판 전체 부피의 4% 이하이다.And the wires are arranged in a regular arrangement perpendicular to the surface of the plate and these wires are coated with a polymer that is stable to the acid medium and can make strong bonds with the metal or alloy constituting the wire, the total volume of conductor wires is less than 4% of the volume of the plate.
Pb-PbO2 배터리용 쌍극 극판의 제조를 위해 디자인된 도체 판을 생산하려는 많은 시도가 있었다. 평균적인 건축학적 요소와 비교할 때, 본질적인 문제점은 긴 싸이클 수명을 보장하면서 무게를 현저히 줄이는데 있다. 따라서, 폴리아닐린There have been many attempts to produce conductor plates designed for the manufacture of bipolar plates for Pb-PbO2 batteries. Compared to the average architectural factor, the fundamental problem is to significantly reduce the weight while ensuring a long cycle life. Thus, polyaniline
(polyanilines)과 같은 내재적 전도성 폴리머의 사용이나, 절연물질내에 SnO 2 와 같은 다른 산화물 섬유의 사용이 제안 되었다. 이들 신규 물질은 종종 충분치 못한 전기 전도도를 가지며, 비용이 고가이고, 안전성이 신뢰할만하지 못하다.the use of an intrinsically conductive polymer such as polyanilines or the use of other oxide fibers such as
또한, 좀더 최근에는, 서너개의 발명이 판의 전도성 요소로서 납이나 이들의 합금을 사용하는 것에 목적을 두기도 하였다. 이러한 견지에서, 가장 간단한 경우는 납이나 이들 합금들 중의 하나로 이루어진 얇은 시트를 사용하는 것으로 구성되어 있다. 그러나, 수십 미리미터의 두께 때문에, 기계적 강도가 충분치 못하고, 따라서 폴리머로 만들어진 두 개의 그리드(grid) 사이에 얇은 시트를 위치시키는 것이 필요하며, 또한 어셈블리(assembly)를 강화시키면서 활성 물질의 보유를 보장하는 것이 필요하다. 납 시트가 0.4㎜ 이하인 경우, 수십 차례의 충전-방전 싸이클 후, 이런 유형의 용액은 납 시트에 구멍을 내게 된다. 그러나, 더 두꺼운 두께의 것을 사용하는 것은 쌍극 전극의 무게를 줄이는 측면에서 바람직하지 못한데, 0.5㎜에 대해 판의 무게는 대략 55g/dm 2 이다.More recently, several inventions have also aimed at using lead or an alloy thereof as a conductive element of the plate. In this light, the simplest case consists of using a thin sheet of lead or one of these alloys. However, due to the thickness of tens of millimeters, mechanical strength is not sufficient and therefore it is necessary to place a thin sheet between two grids made of polymer and also to ensure retention of active material while strengthening the assembly . If the lead sheet is 0.4 mm or less, this type of solution will puncture the lead sheet after dozens of charge-discharge cycles. However, the use of a thicker one is not preferable in terms of reducing the weight of the bipolar electrode, and the weight of the plate for 0.5 mm is approximately 55 g /
또다른 시스템(PCT 공보 제WO 87/23917호, 11/12/96)은 분말화된 납이나 이들의 합금들 중의 하나를 폴리머에 첨가함으로써 전도성을 갖게 한 판을 사용하는 것으로 구성되어 있다. 이 경우, 추출(percolation)에 의한 충분한 전도성을 얻기에 충분한 분말의 함량을 고려하면, 판의 무게가 또다시 30g/dm 2 이상이어야 함이 확인되었다.Another system (PCT Publication No. WO 87/23917, 11/12/96) consists of using plates made conductive by adding powdered lead or one of these alloys to the polymer. In this case, it was confirmed that the weight of the plate should again be 30 g /
다른 해결책은, 납이나 납 합금으로 기공을 체움으로써, 폴리머로 만들어진 섬유상 구조체가 전도성을 가지게 하는 것이 특징인 복합판을 제조하는 것으로 구성되어 있다(프랑스 특허 제2 662 536호, 14/10/91). 이 경우, 전체 기공을 체우는 것이 어렵고 비용이 드는 공정이며, 전해질 수단에 의해 얻어진 밀봉은 드물다.다른 해결책은, 쌍극 극판이 폴리머-금속 복합 물질로 구성되고, 전기 전도성은 폴리머 물질을 관통해 지나가는 섬유상 형태나 또는 핀(pins)상 형태로 사용되는 금속에 의해 담보되는 것으로 구상되었다. 폴리머 판을 관통해 지나가는 금속섬유를 사용하는 경우(일본특허 제56-149776호, 19/11/81)에는, 섬유들이 서로에 대해 평행하지 않기 때문에, 전도성 섬유의 분포가 규칙적이지 않고, 전기 전위가 거치는 거리가 일정하지 않다. 일본특허 제59-121787호(13/07/84)는, 금속 핀이 수지를 관통하고 그것의 단부가 양단에서 돌출되어 있는 수지로 만들어진 기재로 구성되어 있는 쌍극 집전체를 기재하고 있기 때문에, 금속 섬유를 사용하는 경우와 비교할 때 상당한 향상을 이루고 있다. 이러한 쌍극 벽을 제조하는 방법은 폴리프로필렌계 수지로 만들어진 기재를 천공하고 홀에 금속 핀을 삽입하는 것으로 구성되어 있다. 다음 단계는 세 개의 다른 모양에 따라 핀의 단부를 형성하는 것으로 구성되어 있는데, 이는 산업적인 공정에서는 복잡하고 따라서 고비용의 공정이다. 더불어, 금속 핀을 지지체의 구멍에 도입하는 방법은 금속과 수지 사이의 효과적인 결합이 형성되는 것을 가능하게 만들지 못하고, 산 전해질의 누출(leakages)이 쌍극 벽의 양면에서 일어나기 쉬우므로, 쌍극 배터리의 다른 단일 셀들 사이에 분권 전류(shunt current)를 만들어낸다.Another solution consists in producing a composite sheet characterized by the fact that the fibrous structure made of polymer is made conductive by filling the pores with lead or lead alloys (French Patent Nos. 2 662 536, 14/10/91 ). In this case, it is difficult and costly to fill the entire pore, and the sealing obtained by the electrolytic means is scarce. Another solution is that the bipolar plate is composed of a polymer-metal composite material, It is conceived to be secured by a metal used in the form of fibers or pins. In the case of using metal fibers passing through a polymer plate (Japanese Patent No. 56-149776, 19/11/81), since the fibers are not parallel to each other, the distribution of the conductive fibers is not regular, The distance traveled is not constant. Japanese Patent No. 59-121787 (13/07/84) discloses a bipolar current collector in which a metal pin is made of a base material made of a resin penetrating resin and an end of which protrudes from both ends, Compared to the use of fibers, significant improvements have been made. A method for producing such a bipolar wall is constituted by punching a substrate made of a polypropylene resin and inserting a metal pin into the hole. The next step consists of forming the ends of the pins according to three different shapes, which is a complex and therefore costly process in industrial processes. In addition, since the method of introducing the metal pin into the hole of the support does not make it possible to form an effective bond between the metal and the resin, and the leakage of the acid electrolyte tends to occur on both sides of the bipolar wall, A shunt current is created between the single cells.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 가지지 않는 복합판과 이런 유형의 판을 제조하는 방법이다.The object of the present invention is a composite plate which does not have the above problems and a method of manufacturing this type of plate.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 포함It is included in the detailed contents for carrying out the invention.
본 발명의 복합판은 쌍극 극판(bipolar electrodes)을 구비한 Pb-PbO 2 배터리에 사용될 수 있으며, 상당한 무게 감소, 만족스러운 전도성 및 전해질에 대한 우수한 밀봉성 등을 모두 만족하는 것으로 확인되었다.The composite plate of the present invention can be used in a Pb-
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 정사각형 패턴을 도시하고 있고,
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 정삼각형 패턴을 도시하고 있다.Figure 1 shows a square pattern according to one embodiment of the present invention,
Figure 2 illustrates an equilateral triangle pattern according to one embodiment of the present invention.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 가지지 않는 복합판과 이런 유형의 판을 제조하는 방법이다.The object of the present invention is a composite plate which does not have the above problems and a method of manufacturing this type of plate.
판의 최적 구조는 상당한 무게 감소, 만족스러운 전도성 및 전해질에 대한 우수한 밀봉성을 얻는 근거에서 결정되었다.The optimum structure of the plate was determined on the basis of obtaining significant weight reduction, satisfactory conductivity and good sealability to the electrolyte.
Pb-PbO2 배터리용으로 디자인된 본 발명에 따른 전도성 판은 황산 매체에서 안전한 폴리머로 만들어진 판으로 구성되며, 여기에 도체 와이어가 삽입되고 이것은 납 또는 납 합금에 의한 적어도 표면이 구성되며, 상기 판의 표면에 수직으로 배치되어 전기 전도성을 제공한다.A conductive plate according to the present invention designed for a Pb-PbO2 battery is composed of a plate made of a polymer which is safe in sulfuric acid medium, into which conductor wires are inserted, at least the surface of which is constituted by lead or lead alloy, And is disposed perpendicular to the surface to provide electrical conductivity.
판의 전기 전도 특성의 견지에서, 전도성 요소가 규칙적으로 배열되고 이러한 전도가 실질적으로 일방향이라면, 판의 덩어리 전체를 통하여 전도성을 얻고자 시도할 필요가 없음이 입증되었다. 따라서, 200 mA/㎠ 만큼 높은 표면 전류 밀도에서조차, (납으로 구성된 전도성 와이어용) 판의 1㎜ 두께와 판 전체 부피의 대략 겨우 2%의 금속 도체 부피에 대해, 3 ㎷ 이하의 표면에의 옴 저하(ohmic drop)가 얻어질 수 있다.In view of the electrical conduction properties of the plate, it has been demonstrated that if the conductive elements are arranged regularly and this conduction is substantially one-way, there is no need to attempt to obtain conductivity through the entire chunk of the plate. Thus, even at surface current densities as high as 200 mA /
전도성을 제공하는 요소는 와이어일 수 있고, 그것의 단면은 바람직하게는 원형이고 그렇다고 반드시 필요한 것은 아니며, 상기 와이어는 판의 큰 면적에 대해 수직으로 배치된다. 이들 와이어의 배열에 필요한 규칙성은, 판의 두 표면에 개방된 단면이 규칙적 배열의 교차점에 중심이 와야하고, 이들의 패턴이 정사각형이거나, 바람직하게는 정삼각형들인 것을 담보해야 한다. 두 전도성 섹션들의 중심사이의 최적 거리는, 장치의 실질적인 이유로 와이어가 0.2㎜ 이상의 직경을 가진다면, 와이어에서의 전도성이 아니라 판을 미세하게 덮고 있는 활성 물질의 전기 전도 특성에 본질적으로 좌우된다.The element providing conductivity may be a wire, the cross-section of which is preferably circular and not necessarily required, and the wire is arranged perpendicular to the large area of the plate. The regularity required for the arrangement of these wires should ensure that the open cross-sections on the two surfaces of the plate are centered at the intersection of the regular arrays and that their pattern is square or, preferably, equilateral triangles. The optimum distance between the centers of the two conductive sections is essentially dependent on the electrical conduction properties of the active material finely covering the plate, not the conductivity in the wire, provided that the wire has a diameter of 0.2 mm or more for practical reasons.
도 1은 정사각형 패턴에 따른 와이어의 배열을 보여주고 있고, 도 2는 정삼각형 패턴에 따른 와이어의 배열을 보여주고 있다.FIG. 1 shows an arrangement of wires according to a square pattern, and FIG. 2 shows an arrangement of wires according to an equilateral triangle pattern.
본 발명자들은, 전도성 요소의 규칙적 배열 패턴으로 인해, 활성 물질에서 전위의 드레인(drain)에 의해 유도되는 옴저항(ohmic resistance)은 이들 전도성 와이어(A)의 공간에 독립적이라는 사실을 보인바 있다. 따라서, 정사각형 패턴에서,The present inventors have shown that the ohmic resistance induced by the drain of dislocations in the active material is independent of the space of these conductive wires (A) due to the regular arrangement pattern of the conductive elements. Thus, in a square pattern,
이고, 여기서, ρ는 활성 물질의 저항(resistivity)이고, " e" 는 그것의 두께이며, ρ는 활성 물질의 방전 조건에 따라 변한다. 실질적으로, 다음의 실험 데이터가 얻어질 것이다., Where p is the resistivity of the active material, "e" is its thickness, and rho varies with the discharge conditions of the active material. Substantially, the following experimental data will be obtained.
어느 경우에든, 전체 옴 저하는 스크린(양극 및 음극 활성기재: positive and negative active substances)의 각각의 표면에서의 옴 저하와, 하나의 표면에서 다른 표면으로의 전기 전도를 보장하는 와이어에서의 옴 저하의 합이다. 사실,In any case, the total ohmic degradation is due to ohmic degradation at the respective surfaces of the screen (positive and negative active substrates) and ohmic degradation in the wire ensuring electrical conduction from one surface to the other surface . Actually,
와이어에서의 저하는 무시할 만하고, 양극 활성기재에서의 옴 저하는 음성 활성기재에서의 경우와 비교하여 분명히 압도적으로 크다.The degradation in the wire is negligible and the ohmic degradation in the positive active substrate is clearly overwhelmingly large as compared to that in the negative active substrate.
상기 후자의 결론은 정삼각형에 따른 배열이 공간을 가장 조밀하게 채우는 것에 상응한다는 사실과 관련이 있다.The latter conclusion is related to the fact that the arrangement according to an equilateral triangle corresponds to filling the space with the most compact.
도체 와이어의 직경은, 와이어를 취급하기에 충분한 기계적 특성을 가진 와이어를 얻기위한 장치에 의해, 특히 폴리머와 접촉될 때의 상태 동안에 실질적으로 결정될 것이다. 금속 도체의 무게를 스크린 전체 무게의 25% 이하로 유지하는 것이 요구되고, 가능하다면 그것이 스크린 전체 무게의 대략 10% 정도라면, 와이어 단면의 중심들 사이의 거리 0.5 내지 1.5㎝에 대해, 와이어의 직경은 0.5 내지 1.5㎜가 될 것이고; 더욱 넓고 더욱 큰 " a" 가 될 수 있는 바람직한 직경이다.The diameter of the conductor wire will be substantially determined by the device for obtaining a wire having sufficient mechanical properties to handle the wire, particularly during the state of contact with the polymer. If it is desired to keep the weight of the metal conductor below 25% of the total weight of the screen and, if possible, about 10% of the total weight of the screen, for a distance of 0.5 to 1.5 cm between the centers of the wire cross- Will be between 0.5 and 1.5 mm; Quot; a "which is larger and larger.
와이어의 직경과 와이어 단면들의 중심 사이의 거리는, 와이어의 전체 부피가 판 전체 부피의 0.2 내지 4% 사이가 되도록 선택될 것이다.The distance between the diameter of the wire and the center of the wire cross-sections will be selected such that the total volume of the wire is between 0.2 and 4% of the total plate volume.
폴리머의 적용 방법과 관련된 한계이외에, 판의 두께는 와이어의 표면을 구성하는 납 또는 납 합금의 산화 관련된 거동에 의해 결정되어지는 임계값보다 커야한다. 사실, 판의 매우 낮은 두께와 그에 따른 와이어의 짧은 길이, 예를 들어, 0.2㎜에 대해, 싸이클(충전-방전)이 일어난 후, 와이어의 산화가 관찰되므로, 갭(gaps)의 수단에 의해 전해질은 판의 두표면을 연결시킬 수 있다. 이러한 밀봉 단점은 쌍극 전극의 만족스러운 기능을 위해 분명히 허용될 수 없다.In addition to the limitations associated with the application of the polymer, the thickness of the plate must be greater than the threshold determined by the oxidation-related behavior of the lead or lead alloy constituting the surface of the wire. In fact, since the oxidation of the wire is observed after a very low thickness of the plate and a short length of the resulting wire, for example 0.2 mm, after a cycle (charge-discharge) has taken place, Can connect the two surfaces of the plate. This sealing disadvantage is clearly not acceptable for the satisfactory function of the bipolar electrode.
반면에, 본 발명자들에 의해 수행된 연구에 따르면, 와이어를 구성하는 납의 작은 외형 표면(대략 전체 표면의 2%)에서조차, 0.5㎜ 이상의 두께가 많은 충방전 싸이클에 대한 이들 위험을 방지하는 것을 가능케 한다는 것을 보여준다. 판은 바람직하게는 0.5 내지 2㎜ 두께, 더욱 바람직하게는 1㎜ 두께를 가질 것이다.도체 와이어의 길이는 판 두께보다 약간 큰 것이 바람직할 수 있는데, 이것은 활성기재와의 완벽한 접촉을 보장하는 것을 가능하게 한다. 판의 각각의 측면에 대한 와이어의 오버랩은 0.1 내지 0.3㎜이다.On the other hand, according to the research conducted by the present inventors, even in a small external surface (approximately 2% of the entire surface) of the lead constituting the wire, a thickness of 0.5 mm or more makes it possible to prevent these risks for many charge- . The plate will preferably have a thickness of 0.5 to 2 mm, more preferably 1 mm. The length of the conductor wire may preferably be slightly larger than the plate thickness, which makes it possible to ensure perfect contact with the active substrate . The overlap of the wires to each side of the plate is 0.1 to 0.3 mm.
사실, 충전의 마지막 단계(요소들의 과충전)에서조차, 와이어의 표면을 구성하는 납 또는 납 합금에 가해진 전류는 전체 전류의 겨우 작은 부분에 지나지 않고, 전류의 대부분은 산소와 스크린으로 작용하는 금속 납이나 그것의 합금을 도포하는 산화물의 발달(development)에 가해진다. 더불어, 와이어와 폴리머 사이의 접촉 표면이 넓을수록, 갭의 존재에 의해 야기되는 누설(leakages)의 위험성은 더욱 줄어든다.In fact, even at the final stage of charging (overcharging of the elements), the current applied to the lead or lead alloy constituting the surface of the wire is only a small fraction of the total current, and most of the current is the metal lead, Is applied to the development of oxides that apply its alloys. In addition, the wider the contact surface between the wire and the polymer, the further the risk of leakage caused by the presence of the gap is further reduced.
본 발명에 따른 또 다른 중요한 점은 와이어의 표면을 구성하는 납이나 이들 합금들 중의 하나와 와이어를 코팅하는 폴리머 사이에 존재해야 하는 결합의 중요성에 관한 것이다. 사실, 목적은 금속 와이어와 폴리머 사이의 탈착(detachment)을 방지하는 것이다. 결론적으로, 산 매체에 저항성이 있는 에폭시 수지, 또는 에보나이트(ebonite)를 폴리머로 선택하는 것이 바람직하다는 사실이 확인되었다.Another important aspect according to the present invention relates to the importance of the bonds that must be present between the lead constituting the surface of the wire or one of these alloys and the polymer coating the wire. In fact, the purpose is to prevent detachment between the metal wire and the polymer. Consequently, it has been confirmed that it is preferable to select an epoxy resin resistant to an acid medium, or an ebonite as a polymer.
에폭시 수지의 경우에는, 와이어 주위에서 중합되기 전에 미리 정해진 패턴에 따라 배열되도록 몰드에서 성형한다.In the case of epoxy resins, they are molded in a mold so that they are arranged according to a predetermined pattern before being polymerized around the wires.
에보나이트의 경우에는, 적당히 배열된 와이어를 함유하는 몰드내로 고온 혼합물을 사출한다.In the case of an ebonite, the hot mixture is injected into a mold containing properly arranged wires.
전기 전도성을 보장하는 와이어는 순수한 납이나 납 합금, 예를 들어, Pb-Sn, Pb-Ca 또는 Pb-Sb, 산화에 내성이 있는 금속(예를 들어, 316L 스테인레스 스틸)으로 구성되며, 이들은 납이나 앞서 설명한 이들의 합금의 하나의 층으로 코팅된다.The wires which ensure electrical conductivity are composed of pure lead or lead alloys, for example Pb-Sn, Pb-Ca or Pb-Sb, oxidation resistant metals (for example 316L stainless steel) Or one layer of these alloys described above.
상기에 기재된 상세한 내용에 따라, 측면이 6㎜인 정삼각형 패턴으로 배열된 순수한 납으로 만들어진, 10㎝ ×10㎝와 두께 1㎜의 판을 제조하였다. 납 와이어(순소 99.5%)는 1㎜의 직경을 가졌다. 전술한 정삼각형 패턴으로 몰드에 와이어를 배열하고, 혼합물 ARALDITE(상표) AV138M + HV 998 경화제(CIBA)를 그 사이에 몰딩하였다. 50℃에서 중합한 후 판을 몰드로부터 취출하고, 그 표면을 살짝 마모처리 하였다.According to the details described above, a 10 cm x 10 cm and 1 mm thick plate made of pure lead arranged in an equilateral triangular pattern with a side of 6 mm was produced. Lead wire (99.5% pure) had a diameter of 1 mm. The wire was arranged in the mold with the above-mentioned equilateral triangle pattern and the mixture ARALDITE (trade mark) AV138M + HV 998 curing agent (CIBA) was molded therebetween. After polymerization at 50 占 폚, the plate was taken out of the mold and its surface was lightly abraded.
판의 표면들 중의 하나를 양극 활성기재로 부분적으로 도포하고, 그것의 표면 중량은 10 시간의 방전시 용량이 75 mAh/㎠로 되도록 하였다. 다른 표면에는 음극 활성기재로 도포함으로써, 상기와 동일한 공정을 행하였다.One of the surfaces of the plate was partially coated with the cathode active material, and its surface weight was such that the capacity was 75 mAh / cm < 2 > during a 10 hour discharge. And the other surface was coated with a negative active material to carry out the same process as described above.
490g/ℓ농도의 황산 용액으로 각각 채워진 간막이(compartments) 사이의 스크린내에 상기 전극을 위치시켰다. PbO 2 양극을 이 간막이의 한쪽에 위치시키고, Pb 음극을 다른 쪽에 위치시켰다. 활성기재로 도포되지 않은 판의 일부는 밀봉 수단에 의해 두 간막이 사이의 밀봉을 보장하는 것을 가능케 하였다.The electrode was placed in a screen between compartments each filled with a 490 g / l sulfuric acid solution. The
전형적인 방법에 따라 전극의 활성기재를 형성한 후, 이러한 바이엘리먼트After the active substrate of the electrode is formed according to a typical method,
(bi-element)에 하기와 같이 연속적인 충방전을 행하였다.(bi-element) was continuously charged and discharged as follows.
2.7A의 등가 전류로 7.2 시간동안 충전;Charging for 7.2 hours with an equivalent current of 2.7 A;
2.7A의 등가 전류로 6 시간동안 방전.Discharge for 6 hours with equivalent current of 2.7A.
800회 싸이클 후, 바이-엘리먼트의 안정한 거동이 확인되었고, 이것은 쌍극판의 우수한 안전성 및 그에 따른 그것의 밀봉 물성의 보존을 입증한다. 더불어, 쌍극판의 중량이 (활성기재로 코팅하기 전에) 15g/dm 2 이라는 것을 측정하는 것이 또한 가능하였다.After 800 cycles, the stable behavior of the bi-element was confirmed, demonstrating the excellent safety of the bipolar plate and hence the preservation of its sealing properties. In addition, it was also possible to measure that the weight of the bipolar plates was 15 g / dm 2 (before coating with the active substrate).
상기 실시예는 본 발명을 단지 설명하기 위한 것으로 본 발명이 이들에 한정되는 것이 아니며, 본 발명은 모든 다양한 변형을 포함한다.The foregoing embodiments are merely illustrative of the present invention, and the present invention is not limited thereto, and the present invention includes all various modifications.
도면의 간단한 설명에 포함Included in the brief description of the drawings
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