KR20220001365A - 이차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이차전지는, 전극조립체와 전해액이 캔 내부에 수용되는 이차전지에 있어서, 전극과 분리막이 교대로 적층된 상태에서 권취되어 원통형 모양을 갖되, 가운데에 길이방향을 따라 중심홀이 형성된 전극조립체; 및 스웰링테이프가 부착된 상태로 상기 전극조립체의 중심홀에 삽입되는 센터핀;을 포함하고, 상기 스웰링테이프는 센터핀과 중심홀 내주면 사이의 빈 공간을 메우도록 전해액을 흡수하여 부피가 팽창되는 것을 특징으로 한다.

Description

이차전지 및 그 제조방법{Secondary battery and manufacturing method thereof}

본 발명은 원통형 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로써 더욱 상세하게는 전극조립체의 중심홀이 메워져 상기 전극조립체의 변형을 방지할 수 있는 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

전기 에너지를 저장하는 전지는 일반적으로 일차 전지와 이차 전지로 구분될 수 있다. 일차 전지는 일회용 소모성 전지인 반면에, 이차 전지는 전류와 물질 사이의 산화 및 환원 과정이 반복 가능한 소재를 사용하여 제조되는 충전식 전지이다. 즉, 전류에 의해 소재에 대한 환원 반응이 수행되면 전원이 충전되고, 소재에 대한 산화 반응이 수행되면 전원이 방전되는데, 이와 같은 충전-방전이 반복적으로 수행가능하다.

여러 종류의 이차전지 중, 리튬 이차 전지는 일반적으로 양극(Cathode), 분리막(Separator) 및 음극(Anode)이 적층된 전극조립체가 케이스에 장착되어 제조되며, 리튬 이온이 양극의 리튬 금속 산화물로부터 음극으로 삽입(Intercalation) 및 탈리(Deintercalation)되는 과정이 반복되면서, 리튬 이차 전지의 충방전이 진행된다.

한편, 상기 전극조립체를 제조하는 방식으로써, 상기 음극과 양극 사이에 분리막을 적층한 후 감아서 제조하는 젤리롤형(권취형), 요구되는 폭과 길이를 갖도록 재단하여 음극과 양극을 절단한 후, 상기 음극, 분리막, 양극이 반복되도록 적층하여 제조하는 적층형 및 폴딩분리막 위에 단위셀들을 나란히 올려놓은 후 일측부터 폴딩하여 제조하는 스택앤폴딩형 등이 공지된 바 있다.

이 중, 젤리롤형 전극조립체는 축회전하는 권심에서 첫번째 분리막, 음극, 두번째 분리막, 양극이 순차적으로 투입되거나, 첫번째 분리막과 두번째 분리막이 권심에 고정된 후, 첫번째 분리막의 일측면에 음극이 투입된 다음에 첫번째 분리막과 두번째 분리막 사이로 양극이 투입되면, 상기 권심이 회전하여 제조가 이뤄진다.

그리고, 정해진 회전수 만큼 권심의 회전이 이뤄지면 첫번째 분리막, 음극, 두번째 분리막, 양극이 적층된 상태에서 원통형태로 전극조립체가 제조된다. 아울러, 상기 권심이 제거되면 원통형태의 전극조립체의 중앙에는 중심홀이 형성된다.

이러한 전극조립체는 육면체의 파우치에 탑재될 때는 중심홀이 메워지도록 납작한 형태로 눌려진 상태로 탑재되는 반면, 원통형 캔에 탑재될 때는 원통형 모양을 유지한 상태로 탑재된다.

종래의 원통형 이차전지의 종단면 모습이 도시된 도 1a 를 참조하면, 이러한 젤리롤형 전극조립체(1)는 원통형 캔(3) 내부에 탑재되기 전에 외부 충격에 의해 중심홀(1a) 근방에서 변형이 발생하는 것을 억제하기 위해 상기 중심홀(1a)에 핀(2)이 끼워진 상태로 탑재되기도 한다.

하지만, 도 1a 의 A-A 부분의 횡단면도가 도시된 도 1b 에 나타난 바와 같이, 종래의 핀(2)은 중심홀(1a)의 내주면과 핀(2) 사이에는 빈 공간이 발생하여 변형 발생을 효율적으로 억제하기 어려운 문제가 있었다.

비록, 핀(2)의 직경을 증대시킨다면 이러한 빈공간을 메울 수도 있을 것이나, 생산 공차에 따라 상기 중심홀(1a)의 직경이 일정하지 않고 빈 공간이 완전히 메워진 상태로 핀(2)이 삽입되면 외부충격이 가해질 때 충격이 완충되지 않아 접촉지점에서 파손 및 변형이 발생할 수도 있었다.

따라서, 본 발명은 위와 같은 종래 구조의 문제점을 해소할 수 있도록 전극조립체의 중심홀을 메워서 전극조립체의 변형 발생을 억제할 수 있고, 외부 충격이 가해졌을 때 충격을 완충할 수 있는 센터핀을 구비한 이차전지 및 그 제조방법을 제공하는 것에 주목적이 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 이차전지의 제조방법 및 상기 제조방법을 통해 제조될 수 있는 이차전지를 제공한다.

본 발명에 따른 이차전지의 제조방법은, 전극조립체와 전해액이 캔 내부에 수용되는 이차전지의 제조방법으로써, 전극과 분리막을 회전하는 권심에 순차적으로 투입하여 원통형 모양의 전극조립체를 제조하는 전극조립체 제조단계(S10); 상기 권심이 제거되어 가운데에 중심홀이 형성된 전극조립체에 스웰링테이프가 부착된 센터핀을 삽입하는 센터핀 삽입단계(S20); 및 센터핀이 삽입된 전극조립체를 캔에 탑재하고 상기 캔에 전해액을 주입한 후 캔을 밀폐하는 조립단계(S30);를 포함하고, 상기 스웰링테이프는 센터핀과 중심홀 내주면 사이의 빈 공간을 메우도록 전해액을 흡수하여 부피가 팽창되는 것을 특징으로 한다.

상기 센터핀 삽입단계(S20)에서 상기 센터핀은 스웰링테이프가 센터핀의 둘레 전체를 감싸도록 부착된 상태로 삽입된다.

상기 조립단계(S30)가 완료된 후, 전극조립체의 충방전이 이뤄지는 활성화단계(S40)를 포함하며, 상기 스웰링테이프는 활성화단계(S40)가 시작되기 전에 부피 팽창이 완료된다.

상기 스웰링테이프는 전해액과 화학반응이 발생하지 않는 재질로 제조된다. 그리고, 상기 조립단계(S30)에서는 스웰링테이프의 흡수량만큼 전해액이 추가로 주입이 이뤄질 수 있다.

아울러, 본 발명에서는 위와 같은 제조방법으로 제조될 수 있는 이차전지를 제공한다. 본 발명에 따른 이차전지는 전극조립체와 전해액이 캔 내부에 수용되는 이차전지로써, 전극과 분리막이 교대로 적층된 상태에서 권취되어 원통형 모양을 갖되, 가운데에 길이방향을 따라 중심홀이 형성된 전극조립체; 및 스웰링테이프가 부착된 상태로 상기 전극조립체의 중심홀에 삽입되는 센터핀;을 포함하고, 상기 스웰링테이프는 센터핀과 중심홀 내주면 사이의 빈 공간을 메우도록 전해액을 흡수하여 부피가 팽창되는 것을 특징으로 한다.

상기 스웰링테이프는 센터핀의 둘레 전체를 감싸도록 부착되며, 전기전도성이 없는 재질로 제조된다.

상기 전극조립체는 중심홀의 내주면에 분리막이 위치하도록 제조된다.

그리고, 상기 센터핀은 전극조립체의 길이와 동일한 길이를 갖거나 또는 전극조립체의 길이 보다 더 짧은 길이를 갖는다.

전술한 바와 같은 구성을 갖는 이차전지는 복수 개가 직렬 또는 병렬로 연결되어 이차전지 모듈을 구성할 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 이차전지는 스웰링테이프가 전해액을 흡수하여 중심홀을 메우므로, 중심홀 근방의 국부적인 변형은 물론 전극조립체 전체의 변형을 효율적으로 방지할 수 있다.

아울러, 전해액을 흡수한 스웰링테이프는 전극조립체에 충격이 가해졌을 때, 충격을 완충시켜 전극조립체의 변형 및 파손을 더 효율적으로 억제할 수 있다. 즉, 외부 충격이 가해지면, 상기 스웰링테이프는 충격에너지를 흡수된 전해액을 토출하는 에너지로 변환하여 완충시킬 수 있다.

상기 스웰링테이프는 센터핀의 둘레 전체를 감싸도록 부착되며, 전기전도성이 없는 재질로 제조되어 전극조립체의 성능에 악영향을 미치지 않고 전극조립체의 전체길이를 따라 균일한 지지력을 제공할 수 있다.

그리고, 상기 센터핀은 전극조립체에서 돌출되지 않도록 전극조립체의 길이와 동일한 길이를 갖거나 또는 전극조립체의 길이 보다 더 짧은 길이를 갖는다. 따라서, 상기 센터핀은 캔의 상측에 결합된 탑캡과 불필요한 접촉이 방지될 수 있다.

도 1a 는 종래의 원통형 이차전지의 종단면 모습이 도시된 단면도.
도 1b 는 도 1a 에서 A-A 부분의 횡단면 모습이 도시된 단면도.
도 2 는 본 발명에 따른 이차전지의 종단면 모습이 도시된 단면도.
도 3 은 본 발명에 따른 전극조립체에서 스웰링테이프가 팽창하기 전과 후 각각의 상태일 때 종단면 모습과 횡단면 모습이 도시된 도면.
도 4 는 종래의 전극조립체 구조에서 변형이 발생한 횡단면 모습과 본 발명의 전극조립체 구조에서 변형이 방지된 횡단면 모습이 각각 도시된 도면.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명은 전극조립체의 중심홀을 메워서 전극조립체의 변형 발생을 억제할 수 있고 외부 충격이 가해졌을 때 충격을 완충할 수 있는 이차전지의 제조방법 및 상기 제조방법으로 제조될 수 있는 이차전지에 관한 것으로써, 이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 더욱 상세히 설명한다.

제1실시예

본 발명에서는 이차전지의 제조방법을 제1실시예로써 제공한다. 이 실시예에 따른 이차전지의 제조방법은 원통형 전극조립체(10)와 전해액이 원통형 캔(3) 내부에 수용되는 원통형 이차전지를 제조하기 위한 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 제조방법은 전극조립체 제조단계(S10), 센터핀 삽입단계(S20) 및 조립단계(S30)를 포함하고, 상기 조립단계가 진행되는 동안 또는 완료된 후에 캔(3) 내부에서 스웰링테이프(30)는 센터핀(20)과 중심홀(11) 사이의 빈 공간을 메우도록 전해액을 흡수하여 부피가 팽창되는 것을 특징으로 한다.

상기 전극조립체 제조단계(S10)는 전극들(양극과 음극)을 분리막들과 함께 회전하는 권심에 순차적으로 투입하여 원통형 모양의 전극조립체(10)를 제조하는 단계이다.

위에 설명한 바와 같이 이 단계에서는 젤리롤형 전극조립체(10)를 제조하는 방식으로 진행된다. 즉, 축회전하는 권심에서 첫번째 분리막, 음극, 두번째 분리막, 양극이 순차적으로 투입되거나, 첫번째 분리막과 두번째 분리막이 권심에 고정된 후 첫번째 분리막의 일측면에 음극이 투입된 다음에 첫번째 분리막과 두번째 분리막 사이로 양극이 투입되면, 상기 권심이 회전하여 제조가 이뤄진다. 참고로, 첫번째 분리막과 두번째 분리막은 동일한 분리막이되 투입되는 순서를 구분하기 위해 첫번째와 두번째로 지칭한 것이다.

그리고, 정해진 회전수 만큼 권심의 회전이 이뤄지면 첫번째 분리막, 음극, 두번째 분리막, 양극이 적층된 상태에서 원통형태로 전극조립체(10)가 제조된다. 아울러, 상기 권심이 제거되면 원통형태의 전극조립체(10)의 중앙에는 중심홀(11)이 형성된다.

상기 센터핀 삽입단계(S20)에서는 권심이 삽입되어 있던 전극조립체(10)의 가운데 중심홀(11)에 스웰링테이프(30)가 표면에 부착된 센터핀(20)의 삽입이 이뤄진다. 상기 센터핀(20)은 금속재 또는 합성수지재 등으로 제조될 수 있고, 상기 스웰링테이프(30)는 전해액과 화학반응이 발생하지 않는 재질로 제조된다. 그리고, 상기 센터핀(20)은 스웰링테이프(30)가 센터핀(20)의 둘레 전체를 감싸도록 부착된다.

이때, 상기 스웰링테이프(30)가 감긴 상태일 때의 직경은 중심홀(11)의 내경보다 작다.

그리고, 조립단계(S30)에서는 상기 스웰링테이프(30)가 감긴 센터핀(20)이 중심홀(11)에 삽입된 전극조립체(10)를 캔(3)에 탑재하고 상기 캔(3)에 전해액을 주입한 후 캔(3)에 탑캡을 결합하며 밀폐하는 공정이 이뤄진다.

이때, 상기 스웰링테이프(30)는 전해액을 흡수하게 되며 상기 조립단계가 이뤄지는 동안 또는 조립단계가 완료된 후에 충분히 전해액을 흡수하여 부피가 팽창하게 된다.

이에 따라 팽창된 스웰링테이프(30)는 센터핀(20)과 중심홀(11) 내주면 사이의 빈 공간을 메우게 된다.

상기 스웰링테이프(30)가 전해액을 완전히 흡수하는데 소요되는 시간은 제한이 없으나, 상기 조립단계(S30)가 완료된 후 전극조립체(10)의 충방전이 이뤄지는 활성화단계(S40) 이전에 부피 팽창이 완료되는 것이 바람직하다.

아울러, 조립단계 마직막에 캔(3)의 밀봉이 이뤄지기 전에 스웰링테이프(30)의 전해액 흡수량만큼 전해액이 추가로 주입될 수도 있다.

제2실시예

본 발명은 위의 제1실시예에 따른 제조방법으로 제조될 수 있는 이차전지를 제2실시예로써 제공한다.

도 2 는 본 발명에 따른 이차전지의 종단면 모습이 도시된 단면도이고, 도 3 은 도 3 은 본 발명에 따른 전극조립체에서 스웰링테이프가 팽창하기 전과 후 각각의 상태일 때 종단면 모습과 횡단면 모습이 도시된 도면이다.

도 2, 3 을 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지는 전극조립체(10)와 전해액이 캔(3) 내부에 수용되는 구조를 갖는다.

상기 전극조립체(10)는 분리막, 음극, 분리막, 양극이 적층된 상태에서 중심홀을 따라 권취되어 원통형 모양을 갖도록 구성된다. 상기 캔(3)은 바닥면은 막히고 상측은 개구된 형상을 갖되, 전극조립체(10)가 내장되고 전해액이 주입되면 개구된 상측은 탑캡이 안착되어 밀폐가 이뤄지는 구조를 갖는다.

한편, 상기 전극조립체(10)는 캔(3)에 탑재되기 이전에 중심홀(11)에 센터핀(20)의 삽입이 이뤄지고, 상기 센터핀(20)이 삽입된 상태에서 탑재가 이뤄진다.

상기 센터핀(20)은 전극조립체(10)의 길이와 동일한 길이를 갖거나 또는 전극조립체(10)의 길이 보다 더 짧은 길이를 갖도록 제조되며, 둘레에는 스웰링테이프(30)가 부착된 상태에서 중심홀(11)에 삽입된다.

상기 스웰링테이프(30)가 감긴 센터핀(20)은 부피가 팽창하기 전에는 도 3 에 나타난 바와 같이 스웰링테이프(30)가 감긴 부분을 포함하는 전체직경이 중심홀(11)의 내경 보다 더 작은 상태로 삽입이 이뤄진다.

그리고, 전극조립체(10)가 캔(3)에 탑재된 상태에서 상기 캔(3) 내부로 전해액의 주입이 이뤄지면, 상기 스웰링테이프(30)는 전해액을 흡수하여 부피의 팽창이 이뤄진다.

상기 스웰링테이프(30)에서 센터핀(20)과 맞닿는 부분은 센터핀(20)에 의해 팽창이 단속되므로, 스웰링테이프(30)는 직경이 확장되는 방향으로만 팽창이 이뤄진다. 이때, 스웰링테이프(30)는 도 3 의 오른쪽 그림을 기준으로 전극조립체(10)의 윗쪽과 아랫쪽으로도 팽창이 이뤄질 수 있으나, 이는 직경 방향으로 확장되는 팽창량 대비 무시될 수 있을 정도이다.

이와 같이 부피가 팽창된 스웰링테이프(30)는 센터핀(20)과 중심홀(11) 내주면 사이의 빈 공간을 메운다.

이 실시예에서는 센터핀(20)과 중심홀(11) 내주면 사이에 빈공간이 발생하지 않도록 상기 스웰링테이프(30)는 센터핀(20)의 둘레 전체를 충분히 감싸도록 부착된다.

그리고, 쇼트 발생을 억제할 수 있도록 상기 스웰링테이프(30)는 전기전도성이 없는 재질로 제조되며, 전극조립체(10)는 중심홀(11)의 내주면에 분리막이 위치하도록 제조된다.

도 4 는 종래의 전극조립체 구조에서 변형이 발생한 횡단면 모습과 본 발명의 전극조립체 구조에서 변형이 방지된 횡단면 모습이 각각 도시된 도면이다.

도 4 에 나타난 바와 같이, 종래의 구조에서는 핀(2)과 중심홀(1a)의 내주면 사이에 빈공간이 발생하여 전극조립체(1)에 충격이 가해지거나 외력이 작용하는 경우 또는 미세한 압력이 누적되는 경우에는 중심홀(1a)이 지지되지 못하고 변형 또는 붕괴가 발생하는 문제가 있었다.

그러나, 본 발명의 구조에서는 팽창된 스웰링테이프(30)가 중심홀(11)의 내주면과 센터핀(20) 사이의 빈공간을 메움에 따라서 중심홀(11) 근방에서 전극조립체(10)는 지지력이 형성되어 변형발생을 억제할 수 있다.

아울러, 전해액을 흡수한 스웰링테이프(30)는 전극조립체(10)에 충격이 가해졌을 때, 충격을 완충시켜 전극조립체(10)의 변형 및 파손을 더 효율적으로 억제할 수 있다. 즉, 외부 충격이 가해지면, 상기 스웰링테이프(30)는 충격에너지를 흡수된 전해액을 토출하는 에너지로 변환하여 완충시킬 수 있다.

상기 스웰링테이프(30)는 센터핀(20)의 둘레 전체를 감싸도록 부착되며, 전기전도성이 없는 재질로 제조되어 전극조립체(10)의 성능에 악영향을 미치지 않고 전극조립체의 전체길이를 따라 균일한 지지력을 제공할 수 있다.

그리고, 상기 센터핀(20)은 전극조립체(10)에서 돌출되지 않도록 전극조립체의 길이와 동일한 길이를 갖거나 또는 전극조립체의 길이 보다 더 짧은 길이를 갖는다. 따라서, 상기 센터핀(20)은 캔(3)의 상측에 결합된 탑캡과 불필요한 접촉이 방지될 수 있다.

또한, 전술한 바와 같은 구성을 갖는 이차전지는 복수 개가 직렬 또는 병렬로 연결되어 이차전지 모듈을 구성할 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.

3 : 캔
10 : 전극조립체
11 : 중심홀
20 : 센터핀
30 : 스웰링테이프

Claims (12)

1. 전극조립체와 전해액이 캔 내부에 수용되는 이차전지에 있어서,
   전극과 분리막이 교대로 적층된 상태에서 권취되어 원통형 모양을 갖되, 가운데에 길이방향을 따라 중심홀이 형성된 전극조립체; 및
   스웰링테이프가 부착된 상태로 상기 전극조립체의 중심홀에 삽입되는 센터핀;을 포함하고,
   상기 스웰링테이프는 센터핀과 중심홀 내주면 사이의 빈 공간을 메우도록 전해액을 흡수하여 부피가 팽창되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 스웰링테이프는 센터핀의 둘레 전체를 감싸도록 부착된 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 스웰링테이프는 전기전도성이 없는 재질로 제조된 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 전극조립체는 중심홀의 내주면에 분리막이 위치하도록 제조된 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 센터핀은 전극조립체의 길이와 동일한 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 센터핀은 전극조립체의 길이 보다 더 짧은 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 이차전지가 복수 개 연결되어 구성된 이차전지 모듈.
   
8. 전극조립체와 전해액이 캔 내부에 수용되는 이차전지의 제조방법에 있어서,
   전극과 분리막을 회전하는 권심에 순차적으로 투입하여 원통형 모양의 전극조립체를 제조하는 전극조립체 제조단계(S10);
   상기 권심이 제거되어 가운데에 중심홀이 형성된 전극조립체에 스웰링테이프가 부착된 센터핀을 삽입하는 센터핀 삽입단계(S20); 및
   센터핀이 삽입된 전극조립체를 캔에 탑재하고 상기 캔에 전해액을 주입한 후 캔을 밀폐하는 조립단계(S30);를 포함하고,
   상기 스웰링테이프는 센터핀과 중심홀 내주면 사이의 빈 공간을 메우도록 전해액을 흡수하여 부피가 팽창되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 센터핀 삽입단계(S20)에서 상기 센터핀은 스웰링테이프가 센터핀의 둘레 전체를 감싸도록 부착된 상태로 삽입되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
   
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 조립단계(S30)가 완료된 후, 전극조립체의 충방전이 이뤄지는 활성화단계(S40)를 포함하며,
    상기 스웰링테이프는 활성화단계(S40)가 시작되기 전에 부피 팽창이 완료되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
    
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 스웰링테이프는 전해액과 화학반응이 발생하지 않는 재질로 제조되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
    
12. 제 8 항에 있어서,
    상기 조립단계(S30)에서는 스웰링테이프의 흡수량만큼 전해액이 추가로 주입되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.

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