TWI795106B - 製造陽極結構之方法、真空沉積系統、陽極結構及鋰電池層堆疊 - Google Patents

製造陽極結構之方法、真空沉積系統、陽極結構及鋰電池層堆疊 Download PDF

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Abstract

描述了一種製造用於鋰電池的陽極結構（10）的方法。方法包括以下步驟：在第一撓性支撐件（21）上的鋰的第一沉積，以提供具有第一鋰表面（31）的鋰陽極－第一子層（12-1）；在第二撓性支撐件（22）上的鋰的第二沉積，以提供具有第二鋰表面（32）的鋰陽極－第二子層（12-2）；藉由將第一鋰表面和第二鋰表面壓在一起，將鋰陽極－第一子層（12-1）和鋰陽極－第二子層（12-2）結合，以形成鋰金屬陽極層（12）。進一步描述了具有根據所述方法製造的陽極結構的鋰電池層堆疊，以及用於製造如於此所述的陽極結構的真空沉積系統。

Description

製造陽極結構之方法、真空沉積系統、陽極結構及鋰電池層堆疊
本揭露書的實施例關於用於鋰電池（特別是使用金屬鋰層作為陽極的鋰電池）的陽極結構的製造方法。具體而言，於此所述的方法關於製造具有鋰金屬陽極和固態電解質（SSE）層的固態鋰電池的方法。本揭露書的實施例進一步關於用於鋰電池的陽極結構，以及關於包括所述陽極結構的鋰電池層堆疊。進一步的實施例關於用於製造鋰電池的陽極結構的真空沉積系統。具體地，於此所述的真空沉積系統可為輥對輥（roll to roll）真空沉積系統，配置用於在撓性支撐層上蒸發鋰。
電化學儲存系統目前在日常生活的許多領域中變得越來越有價值。大容量電化學能量儲存裝置（諸如鋰電池，特別是鋰離子（Li-ion）電池和鋰金屬電池）在越來越多的應用中使用，包括可攜式電子裝置、醫療、交通、併網（grid- connected）大能源儲存、可再生能源儲存和不間斷功率供應器（UPS）。傳統的鉛/硫酸電池通常缺乏容量，並且通常不能充分循環用於這些應用。鋰電池被認為是更好的解決方案。
通常，鋰離子電池未含有任何金屬鋰，而是使用石墨材料作為陽極。然而，與使用金屬鋰相比，使用石墨導致較低的容量。目前，產業正在從基於石墨的陽極轉向矽混合石墨，以提高能量密度。然而，矽混合石墨陽極遭受首次循環容量損失，這可藉由鋰金屬沉積來減少，以補充矽混合石墨陽極的首次循環容量損失。首次循環損失也是Si陽極的一個問題，但可藉由在循環前添加額外的鋰（所謂的預鋰化）來補償。另一個問題是膨脹（亦即充電/放電期間的體積膨脹（高達400％））需要解決。
另一種方式關於使用鋰金屬陽極（亦即金屬鋰層）作為陽極的鋰金屬電池。純鋰金屬陽極的能量密度明顯高於包含石墨或矽的陽極的能量密度。然而，由於複數個原因，鋰金屬陽極的製造具有挑戰性。
鋰是鹼金屬。與第一主族的重元素同系物（homolog）一樣，鋰的特徵在於與多種物質的強反應性。鋰與水、酒精和其他含有質子氫的物質發生劇烈反應，通常會導致點燃。鋰在空氣中不穩定，並且會與氧氣、氮氣和二氧化碳發生反應。鋰通常在惰性氣體氣氛（稀有氣體，諸如氬氣）下處理，且鋰的強反應性使得其他處理操作也必須在惰性氣體氣氛中執行。此外，需要注意的是，鋰在水的存在下會劇烈反應。當沒有水存在時，例如在乾燥的房間中，與O 2、N 2和其他氣體的反應在室溫下很慢。因此，從安全的觀點來說，當在乾燥的氣氛中處理時是沒有問題的。然而，在待整合到電池中的鋰表面上仍可能發生一些非期望的反應。因此，鋰在處理、儲存和運輸方面面臨諸多挑戰。
為了避免鋰金屬層與（如，在空氣中的）周圍分子反應，在進一步處理和整合到電池結構之前，鋰金屬層的鋰表面通常被鈍化或以其他方式（如，藉由保護層或界面層）保護。例如，在支撐層上沉積鋰金屬層後，可用保護層保護金屬鋰層的曝露鋰表面，且陽極結構可接著藉由在保護層上設置其他層來進一步處理及/或在空氣中處理。然而，金屬鋰層上的保護層或鈍化層會對完成的鋰電池的電流傳輸及/或能量密度產生負面影響。
因此，提供解決至少一些上面提及的問題的用於製造鋰電池的陽極結構的改進方法將是有益的。特別地，提供具有鋰金屬陽極層的鋰電池層堆疊以製造能夠實現高能量密度的緊密鋰電池將是有益的。此外，提供用於製造鋰電池的陽極結構的改進真空沉積系統將是有益的。
有鑑於此，提供了一種根據獨立項的用於鋰電池的陽極結構的製造方法、陽極結構、鋰電池層堆疊和真空沉積系統。從附屬項、說明書和附隨的圖式中，進一步的態樣、優點和特徵是顯而易見的。
根據本揭露書的一態樣，提供了一種製造用於鋰電池的陽極結構的方法。方法包括以下步驟：在第一撓性支撐件上的鋰的第一沉積，以提供具有第一鋰表面的鋰陽極－第一子層；在第二撓性支撐件上的鋰的第二沉積，以提供具有第二鋰表面的鋰陽極－第二子層；及藉由將第一鋰表面和第二鋰表面壓在一起，將鋰陽極－第一子層和鋰陽極－第二子層結合，以形成鋰金屬陽極層。
在一些實施例中，第一撓性支撐件可為陽極電流收集器，如，金屬箔，諸如銅箔。在一些實施例中，第二撓性支撐件可包括分隔件或固態電解質（SSE）層，鋰陽極－第二子層直接沉積在分隔件或固態電解質（SSE）層上。
根據本揭露書的進一步的態樣，提供了根據於此所述的任何方法製造的陽極結構。
根據進一步的態樣，提供了一種鋰電池層堆疊，特別地包括根據於此所述的任何實施例的陽極結構。鋰電池層堆疊包括陰極電流收集器、在陰極電流收集器上的陰極、在陰極電流收集器上的分隔件、在分隔件上的鋰金屬陽極層和在鋰金屬陽極層上的陽極電流收集器。鋰金屬陽極層是與陽極電流收集器和分隔件直接接觸的純鋰膜。特別地，鋰金屬陽極層具有與陽極電流收集器直接接觸的第一（原始）鋰界面和與分隔件直接接觸的第二（原始）鋰界面。
分隔件可將陰極與構成陽極的鋰金屬陽極層電分離。電池層堆疊可填充有液體電解質。
在一些實施例中，提供一種配置用於製造固態電池（SSB）的鋰電池層堆疊。鋰電池層堆疊包括陰極電流收集器、陰極電流收集器上的陰極、陰極電流收集器上的固態電解質層、固態電解質層上的鋰金屬陽極層和鋰金屬陽極層上的陽極電流收集器。鋰金屬陽極層是與陽極電流收集器和固態電解質層直接接觸的純鋰膜。特別地，鋰金屬陽極層具有與陽極電流收集器直接接觸的第一（原始）鋰界面和與固態電解質（SSE）層直接接觸的第二（原始）鋰界面。
根據進一步的態樣，提供了一種用於製造陽極結構的真空沉積系統，特別是根據於此所述的任何方法。真空沉積系統包括：第一鋰沉積設備，用於在第一撓性支撐件上沉積具有第一鋰表面的鋰陽極－第一子層，特別是藉由蒸發；第二鋰沉積設備，用於在第二撓性支撐件上沉積具有第二鋰表面的鋰陽極－第二子層，特別是藉由蒸發；及結合裝置，用於藉由將第一鋰表面和第二鋰表面壓在一起，將鋰陽極－第一子層和鋰陽極－第二子層結合，以形成鋰金屬陽極層。
實施例還涉及用於執行所揭露的方法的設備並且包括用於執行每個所述方法態樣的設備部分。這些方法態樣可藉由硬體部件、由適當軟體編程的計算機、藉由兩者的任何結合或以任何其他方式來執行。此外，根據本揭露書的實施例還涉及用於操作所述設備的方法以及根據所述方法或由所述設備製造的產品。用於操作所述設備的方法包括用於實施設備的每個功能的方法態樣。
現在將詳細參考本揭露書的各種實施例，圖式中顯示了其一個或多個示例。在以下圖式的描述中，相同的元件符號指代相同的部件。僅描述了關於各個實施例的差異。每個示例藉由本揭露書的解釋而提供的，並不意味作為本揭露書的限制。此外，作為一個實施例的一部分顯示或描述的特徵可用於其他實施例或與其他實施例結合使用，以產生又進一步的實施例。說明書旨在包括這樣的修改和變化。
在本揭露書中，「陽極結構」可理解為包含用於鋰電池的陽極的結構。特別地，根據本揭露書的「陽極結構」可理解為具有多層的層結構，也稱為層堆疊，包括陽極電極層和佈置在陽極電極層上方及/或下方的進一步的層。
在本揭露書中，「撓性支撐件」或「撓性基板」可理解為可彎曲的基板。術語「撓性支撐件」或「基板」可與術語「箔」或術語「腹板（web）」同義使用並且涵蓋具有沉積在其上的一層或多層的箔。
在本揭露書中，「鋰膜」或「鋰層」可理解為包括鋰為主要成分的層。特別地，鋰層可由鋰組成並且可具有90％或更多，特別是99％或更多，或甚至99.9％或更多的鋰含量。提供為由鋰組成的鋰層的陽極（亦即由純金屬鋰製成）由於與其他陽極類型相比鋰金屬陽極的重量和厚度較低，因此有利地提供了更高的能量密度。
第1圖示意性地顯示了根據於此所述的實施例製造用於鋰電池的陽極結構10的方法。方法可在真空環境中用真空沉積系統進行，特別是在真空沉積系統的一個或多個真空腔室內側。
方法包括藉由蒸發在第一撓性支撐件21上的鋰的第一沉積，以形成具有曝露的第一鋰表面31的鋰陽極－第一子層12-1。具體地，可在第一撓性支撐件21上用第一鋰沉積設備105蒸發鋰，以形成鋰陽極－第一子層12-1。鋰陽極－第一子層可為純鋰層（亦即，鋰含量＞99％，或甚至＞99.9％的層）。具體地，鋰陽極－第一子層12-1的鋰含量可為90％或更高，特別是99％或更高，或甚至99.9％或更高。
由於第一沉積在真空沉積系統中在真空下進行，所以第一鋰表面31是原始鋰表面。特別地，基本上不存在可與第一鋰表面31反應的分子，使得－只要鋰陽極－第一子層12-1在真空沉積系統的真空環境中保留並進一步處理－就無需藉由鈍化或保護層來保護第一鋰表面，以實現安全處理或運輸。
方法進一步包括藉由蒸發在第二撓性支撐件22上的鋰的第二沉積，以形成具有曝露的第二鋰表面32的鋰陽極－第二子層12-2。具體地，可在第二撓性支撐件上用第二鋰沉積設備106蒸發鋰，以形成鋰陽極－第二子層12-2。鋰陽極－第二子層可為純鋰層。具體地，鋰陽極－第二子層12-2的鋰含量可為90％或更高，特別是99％或更高，或甚至99.9％或更高。
第二撓性支撐件22可包括分隔件或固態電解質（SSE）層，鋰陽極－第二子層12-2直接沉積在分隔件或固態電解質（SSE）層上。
由於第二沉積在真空沉積系統中在真空下進行，所以第二鋰表面32是原始鋰表面。特別地，基本上不存在可與第二鋰表面32反應的分子，使得－只要鋰陽極－第二子層在真空沉積系統中保留並進一步處理－就無需藉由鈍化或保護層來保護第二鋰表面，以確保安全處理或運輸。
在一些實施例中，第一撓性支撐件21和第二撓性支撐件22是撓性腹板基板，如，其上可選地設有一個或多個層的撓性箔，其沿著各自的腹板運輸路徑移動經過一個或多個鋰蒸發器，特別是在輥對輥沉積系統中。具體地，第一撓性支撐件21從第一退繞輥退繞並由一個或多個引導輥移動經過一個或多個第一鋰蒸發器，其中第一撓性支撐件21塗佈有鋰陽極－第一子層12-1。類似地，第二撓性支撐件22可從第二退繞輥退繞並由一個或多個引導輥移動經過一個或多個第二鋰蒸發器，其中第二撓性支撐件22可塗佈有鋰陽極－第二子層12-2。
方法進一步包括藉由將第一鋰表面31和第二鋰表面32壓在一起來結合鋰陽極－第一子層12-1和鋰陽極－第二子層12-2，以形成鋰金屬陽極層12。具體地，其上沉積有鋰陽極－第一子層12-1的第一撓性支撐件21與其上沉積有鋰陽極－第二子層12-2的第二撓性支撐件22壓在一起，以提供具有鋰金屬陽極層12（由兩個鋰子層12-1和12-2組成）夾在第一和第二撓性支撐件之間的結合層堆疊。結合可包括使鋰陽極－第一子層12-1的第一鋰表面31與鋰陽極－第二子層12-2的第二鋰表面32直接接觸，以提供包含兩個鋰子層並形成鋰金屬陽極層12的一個（更厚的）鋰層。在一些實施例中，鋰金屬陽極層12包括堆疊在彼此頂部上的鋰陽極－第一子層12-1和鋰陽極－第二子層12-2，諸如以形成具有第一鋰子層和第二鋰子層的結合厚度的單個均勻鋰層。
在一些實施例中，第一沉積、第二沉積和結合在真空下連續進行，特別是在一個真空沉積系統內，以便避免在結合之前第一鋰表面和第二鋰表面的污染及/或反應。特別地，於此所述的方法可在彼此直接連接的真空沉積系統的幾個真空腔室中進行，以提供連續的真空環境。在結合之後，鋰金屬陽極層12在其兩個相對的主表面上分別受到第一撓性支撐件21和第二撓性支撐件22的保護，使得製成的陽極結構不再具有曝露的鋰表面，並且可自真空取出。進一步地，在結合之後，第一鋰表面31和第二鋰表面32受到保護，被壓在一起並保持直接面接觸，以形成純鋰界面（亦即，包含兩個接觸鋰表面的界面）。
根據於此所述的實施例，可提供具有鋰金屬陽極層12的陽極結構10，鋰金屬陽極層12是在兩個相對側上被相應的撓性支撐件覆蓋和保護的純鋰層。陽極結構10是撓性的，並且可用於生產鋰電池。鋰金屬陽極層12可（例如）具有90％或更高，特別是99％或更高的鋰含量。
第一撓性支撐件21可為用於整合在鋰電池中的陽極電流收集器，並且第二撓性支撐件22可包括用於整合在鋰電池中的分隔件或固態電解質層。因此，在陽極結構10中，鋰金屬陽極層12可直接夾在陽極電流收集器和固態電解質層或分隔件之間，而無需會對鋰電池提供的電荷轉移及/或能量密度產生負面影響的進一步的層（諸如鈍化層、界面層或Li保護層）。
根據於此所述的一些實施例，在鋰金屬陽極層12和第一撓性支撐件21之間的第一界面33是鋰蒸發界面，並且鋰金屬陽極層12和第二撓性支撐件22之間的第二界面34是鋰蒸發界面。如於此所用，「鋰蒸發界面」是指藉由蒸發將鋰層直接設置在支撐層上的層界面。鋰蒸發界面固有地提供了鋰層在支撐層上的優異附著力，並減少或完全避免了在鋰層和支撐層之間的界面處受到外來分子的污染。
例如，若為了保護鋰層而將不同材料的接觸層（例如金屬箔）機械地壓到鋰層的曝露的鋰表面上，則在鋰層和接觸層之間的界面處存在有不良接觸和不良黏附的風險。另一方面，如於此所述，在其兩個相對的主側處具有兩個鋰蒸發界面的鋰金屬陽極層在其兩側提供與支撐層的良好黏附和良好接觸。
具有鋰金屬陽極的已知鋰電池通常在鋰金屬陽極的至少一側上具有鈍化層或另一附加保護層，以便能夠運輸和處理陽極結構，以進一步處理和整合在電池層堆疊中。相比之下，根據於此所述的實施例，鋰金屬陽極層12在其兩側上具有兩個原始鋰界面，因為構成鋰金屬陽極層12的兩個鋰子層在整合在最終鋰電池中的撓性支撐件上直接蒸發。
根據可與於此所述的其他實施例結合的一些實施例，第一撓性支撐件21包括陽極電流收集器11，並且鋰的第一沉積直接在陽極電流收集器11上進行。換言之，鋰在陽極電流收集器11上直接蒸發，陽極電流收集器11可為（例如）金屬箔。
具體地，陽極電流收集器11可為金屬箔，特別是銅箔，並且鋰可在金屬箔上直接蒸發，以形成鋰陽極－第一子層12-1。
替代地，陽極電流收集器11可包括具有金屬塗層（如，在聚合物箔的一側或兩側上的銅塗層）的聚合物箔，並且鋰的第一沉積可直接在陽極電流收集器11的金屬塗層上進行。同樣，於此，鋰在陽極電流收集器11的金屬上直接蒸發，從而確保在陽極和陽極電流收集器之間的良好接觸和導電性。
根據一些實施例，在陽極電流收集器11和鋰金屬陽極層12之間提供鋰蒸發界面，從而提供陽極在陽極電流收集器上的良好黏附以及在陽極和陽極電流收集器（其可為銅箔）之間的良好電接觸。具體地，在鋰金屬陽極層12和陽極電流收集器11之間可提供原始的鋰界面（藉由鋰蒸發獲得），這不同於在陽極和陽極電流收集器之間具有鈍化層、保護層或其他界面層的其他方案。
在可與於此所述的其他實施例結合的一些實施例中，第二撓性支撐件22包括固態電解質層13（SSE層），並且第二沉積直接在SSE層上進行。換言之，鋰在SSE層上直接蒸發，用於形成鋰陽極－第二子層12-2。這樣的實施例顯示在第2圖中。
在可與於此所述的其他實施例結合的一些實施例中，第二撓性支撐件22包含分隔件16，並且鋰的第二沉積直接在分隔件16上進行。換言之，鋰在分隔件16上直接蒸發，用於形成鋰陽極－第二子層12-2。這樣的實施例顯示在第3圖中。
第2圖示意性地顯示了根據於此所述的實施例的製造陽極結構的方法。第2圖所示的方法與上述方法基本對應，使得可參見上述說明，在此不再重複。
第2圖的實施例中的第二撓性支撐件22包括固態電解質層13，並且鋰的第二沉積直接在固態電解質層上進行。
特別地，第二撓性支撐件22可為層堆疊，其包括陰極電流收集器15、陰極電流收集器上的陰極14和陰極14上的固態電解質層13。用於形成鋰陽極－第二子層12-2的鋰的第二沉積直接在所述層堆疊的固態電解質層13上進行。
例如，在一些實施例中，用於提供陰極14的陰極材料可（如，藉由槽模（slot-die）塗佈）首先沉積在陰極電流收集器15上，且固態電解質層13可接著沉積在陰極14上，以產生第二撓性支撐件22。之後可直接用鋰塗佈第二撓性支撐件22，用於在同一真空沉積設備中形成鋰陽極－第二子層12-2。替代地，包括陰極電流收集器15、陰極14和固態電解質層13的第二撓性支撐件22可（如以捲的形式作為輥）運輸通過大氣環境，並接著可插入另一個真空沉積系統中用於以鋰塗佈。
在可與於此所述的其他實施例結合的一些實施例中，陰極電流收集器15可為或可包括鋁箔。在可與於此所述的其他實施例結合的一些實施例中，陰極14可為NMC陰極。在可與於此所述的其他實施例結合的一些實施例中，陽極電流收集器11可為或可包括銅箔或銅塗層。
如第2圖所示意地描繪的，在陽極電流收集器11上的鋰的第一沉積和在固態電解質層13上的鋰的第二沉積之後，具有沉積的鋰子層的第一撓性支撐件21和具有沉積的鋰子層的第二撓性支撐件22被壓在一起，使得鋰陽極－第一子層12-1和鋰陽極－第二子層12-2的曝露鋰表面接觸，且形成構成鋰金屬陽極層12的單一鋰層。
製造的鋰電池層堆疊可進一步處理以生產作為固態電池（SSB）的鋰電池，亦即不具有用於實現離子傳輸的液體電解質的鋰電池。
第3圖示意性地顯示了根據於此所述的實施例的製造陽極結構的方法。第3圖所示的方法與上述方法基本對應，使得可參見上述說明，在此不再重複。
第3圖的實施例中的第二撓性支撐件22是分隔件16，並且鋰的第二沉積直接在分隔件16上進行。替代地，第二撓性支撐件22可為具有分隔件16作為頂層的層堆疊，鋰的第二沉積在頂層上進行。同樣，於此，鋰的第一沉積可直接在陽極電流收集器11上（如在銅箔上）進行。
如第3圖所示意地描繪的，在陽極電流收集器11上的鋰的第一沉積和在分隔件16上的鋰的第二沉積之後，將具有沉積的鋰子層的第一撓性支撐件21和具有沉積的鋰子層的第二撓性支撐件22壓在一起，使得鋰陽極－第一子層12-1和鋰陽極－第二子層12-2的曝露鋰表面接觸並且形成構成鋰金屬陽極層12的單一鋰層。
在一些實施例中，陽極結構10如下製造：陰極14（例如NMC陰極）可沉積在陰極電流收集器15上（例如鋁箔上），以提供陰極層堆疊。陰極層堆疊可與具有沉積在其上的鋰陽極－第二子層12-2的第二撓性支撐件22以及具有沉積在其上的鋰陽極－第一子層12-1的第一撓性支撐件21結合，如第3圖所示意地描繪的，特別是藉由將上述三層堆疊壓在一起。
具體地，結合可包括將（1）其上沉積有鋰陽極－第一子層12-1的第一撓性支撐件21、（2）其上沉積有鋰陽極－第二子層12-2的第二撓性支撐件22及（3）包括其上設置有陰極14的陰極電流收集器15的陰極層堆疊壓在一起。層堆疊（1）、（2）和（3）可同時或隨後壓在一起。例如，層堆疊（1）、（2）和（3）可用兩個壓輥或用彼此偏向的幾對壓輥壓在一起（參見第1圖）。進行結合使得鋰陽極－第一子層12-1的第一鋰表面和鋰陽極－第二子層12-2的第二鋰表面彼此直接接觸，使得形成鋰金屬陽極層12。例如，壓輥可對陰極電流收集器15和陽極電流收集器11施加壓力，使得佈置在陰極電流收集器15和陽極電流收集器11之間的層被壓在一起並且產生結合層堆疊。
在結合之後，可將液體電解質插入到在陽極和陰極之間佈置有分隔件的空間中。具體地，電池層堆疊可填充有液體電解質。
在可與於此所述的其他實施例結合的一些實施例中，於此所述的製造方法（包括第一和第二沉積以及結合）在輥對輥處理系統中在連續真空下進行。具體地，第一沉積可藉由具有第一塗佈滾筒的第一鋰沉積設備進行，並且第一撓性支撐件可在第一塗佈滾筒的滾筒表面上引導經過一個或多個第一鋰蒸發器，用於沉積鋰陽極的第一子層於其上。第一撓性支撐件可從第一退繞輥退繞並藉由可包括一個或多個引導輥的第一腹板輸送系統移動至第一塗佈滾筒。
第二沉積可藉由具有第二塗佈滾筒的第二鋰沉積設備進行，並且第二撓性支撐件可在第二塗佈滾筒的滾筒表面上引導經過一個或多個第二鋰蒸發器，用於沉積鋰陽極的第二子層於其上。第二撓性支撐件可從第二退繞輥退繞並藉由可包括一個或多個引導輥的第二腹板輸送系統移動至第二塗佈滾筒。這種輥對輥處理系統允許快速、可靠和高品質的鋰層沉積和腹板結合，特別是在連續真空環境下的一個真空沉積系統內側。
在可與於此所述的其他實施例結合的一些實施例中，以1μm≤T Li1≤20μm的第一厚度T Li1沉積鋰陽極－第一子層，以1μm≤T Li2≤20μm的T Li2的第二厚度沉積鋰陽極－第二子層，及/或鋰金屬陽極層12具有2μm≤T Li≤40μm的結合厚度T Li，特別是3μm≤T Li≤25μm，更特別是5μm≤T Li≤15µm，例如約10µm。
本揭露書的實施例還關於根據於此所述的任何方法製造的陽極結構10。
第4圖顯示了用於製造如於此所述的陽極結構10的真空沉積系統200的示意圖。
真空沉積系統200包括第一鋰沉積設備105、第二鋰沉積設備106及結合裝置211，第一鋰沉積設備105用於在第一撓性支撐件21上沉積具有第一鋰表面的鋰陽極－第一子層12-1，第二鋰沉積設備106用於在第二撓性支撐件22上沉積具有第二鋰表面的鋰陽極－第二子層12-2，結合裝置211用於藉由將第一鋰表面和第二鋰表面壓在一起以結合鋰陽極－第一子層和鋰陽極－第二子層，以形成鋰金屬陽極層12。
第一鋰沉積設備105可包括一個或多個第一鋰蒸發器223，且第二鋰沉積裝置106可包括一個或多個第二鋰蒸發器233。
真空沉積系統200可為輥對輥處理系統，用於將鋰沉積在撓性腹板基板上，撓性腹板基板在沉積之前從儲存捲軸退繞並且藉由一個或多個腹板輸送系統移動經過一個或多個鋰蒸發器。
在可與於此所述的其他實施例結合的一些實施例中，第一鋰沉積設備105包括第一塗佈滾筒222，配置用於在第一真空沉積腔室221中引導第一撓性支撐件21通過一個或多個第一鋰蒸發器223，並且第二鋰沉積設備106可包括第二塗佈滾筒232，配置用於在第二真空沉積腔室231中引導第二撓性支撐件22通過一個或多個第二鋰蒸發器233。例如，兩個、三個或更多個第一鋰蒸發器可佈置在第一塗佈滾筒222的外圍，用於將蒸發的鋰導向第一塗佈滾筒222的滾筒表面。類似地，兩個、三個或更多個第二鋰蒸發器可佈置在第二塗佈滾筒232的外圍，用於將蒸發的鋰導向第二塗佈滾筒232的滾筒表面，如第4圖中示意地描繪的。
在一些實現中，真空沉積系統200可包括設置在第一真空沉積腔室221和第二真空沉積腔室231之間的真空結合腔室210，其中結合裝置211佈置在真空結合腔室210中。替代地或另外地，真空結合腔室210可佈置在第一撓性支撐件21的腹板輸送方向上的第一真空沉積腔室221的下游和在第二撓性支撐件22的腹板輸送方向上的第二真空沉積腔室231的下游。因此，第一撓性支撐件21和第二撓性支撐件22可在真空結合腔室210中在其上沉積各自的鋰子層之後結合。
在一些實施例中，真空沉積系統包括第一腹板輸送系統，配置用於將第一撓性支撐件21從第一退繞輥225輸送到第一塗佈滾筒222並且從第一塗佈滾筒222輸送到結合裝置211。此外，可提供第二腹板輸送系統，其配置用於將第二撓性支撐件22從第二退繞輥235輸送到第二塗佈滾筒232並且從第二塗佈滾筒232輸送到結合裝置211。在結合裝置211中，第一鋰表面和第二鋰表面彼此面對並且可藉由結合裝置211直接接觸，使得鋰表面彼此黏附。
第一退繞輥225可佈置在第一捲軸腔室224中，並且第二退繞輥235可佈置在第二捲軸腔室234中。
在可與於此所述的其他實施例結合的一些實施例中，結合裝置211可包括朝第二壓輥偏壓的第一壓輥，且具有沉積的鋰陽極－第一子層的第一撓性支撐件21和具有沉積的鋰陽極－第二子層的第二撓性支撐件22可在結合裝置211的第一壓輥和第二壓輥引導並藉由結合裝置211的第一壓輥和第二壓輥而壓在一起。
捲繞捲軸215可佈置在結合裝置211的下游，可選地在單獨的捲繞腔室中，捲繞腔室可用閥與真空結合腔室210分開。構成鋰電池層堆疊的結合裝置211下游的結合層堆疊可捲繞在捲繞捲軸215上。捲繞捲軸215可從真空沉積系統200取出以輸送至進一步的處理設備。
第4圖的真空沉積系統200可操作如下：
第一撓性支撐件21可為陽極電流收集器，特別是銅箔，其從第一退繞輥225退繞並用第一腹板輸送系統輸送到第一塗佈滾筒222。當陽極電流收集器支撐在第一塗佈滾筒222的滾筒表面上時，可用一個或多個第一鋰蒸發器223將鋰直接沉積在陽極電流收集器上。塗佈鋰的陽極電流收集器可輸送到真空結合腔室210中的結合裝置211。
作為分隔件層（可選地在其他層的頂部）的第二撓性支撐件22可從第二退繞輥235退繞並用第二腹板輸送系統從第二退繞輥235輸送到第二塗佈滾筒232。當分隔件層支撐在第二塗佈滾筒232的滾筒表面上時，可用一個或多個第二鋰蒸發器233將鋰直接沉積在分隔件層上。塗佈鋰的分隔件層可輸送到真空結合腔室210中的結合裝置211。
可選地，包括陰極電流收集器（如，鋁箔）的陰極層堆疊和沉積在其上的陰極可輸送到真空結合腔室210中的結合裝置211。例如，陰極層堆疊可從第三退繞輥216退繞。
陰極層堆疊、Li塗佈的分隔件層和Li塗佈的陽極電流收集器可（如，藉由在第一和第二壓輥之間將所述三層堆疊壓在一起，或替代地藉由隨後的壓輥對壓在一起）用結合裝置211結合，以形成鋰電池層堆疊。在鋰子層的曝露的鋰表面彼此接觸的情況下，將塗佈鋰的分隔件和塗佈鋰的陽極電流收集器壓在一起，諸如以形成連續的鋰層，從而形成鋰金屬陽極層。
製造的鋰電池層堆疊可填充有液體電解質。
在替代實施例中，第二撓性支撐件22是層堆疊，其包括在層堆疊的頂部上（如，在陰極和陰極電流收集器的頂部上）的SSE層。第二撓性支撐件22藉由第二腹板輸送系統輸送到第二塗佈滾筒232。當第二撓性支撐件22的後表面支撐在第二塗佈滾筒232的滾筒表面上時，使用一個或多個第二鋰蒸發器233將鋰直接沉積在SSE層上。塗佈鋰的第二撓性支撐件可運輸到真空結合腔室210中的結合裝置211並與塗佈Li的第一撓性支撐件結合，以形成直接設置在陽極電流收集器和SSE層之間的連續鋰層。
第5圖顯示了根據於此所述的實施例的鋰電池層堆疊100的示意性截面圖。
鋰電池通常包括具有相反極性的兩個電極，即負極和正極。陰極和陽極藉由佈置在陰極和陽極之間的分隔件絕緣，以防止在陰極和陽極之間的短路。電池包括用作離子導電基質的電解質。因此，電解質是離子導體，其可為液體、凝膠形式或固體。固態電解質可充當分隔件。分隔件通常是離子可滲透的，並允許在充電或放電循環中在陽極和陰極之間進行離子交換。例如，分隔件可為多孔聚合物離子導電聚合物基板。特別地，多孔聚合物基板可為多層聚合物基板。
於此所述的鋰電池層堆疊100包括陰極電流收集器15（例如Al箔）、在陰極電流收集器15上的陰極14、在陰極電流收集器上的分隔件16或固態電解質層13、在分隔件16或固態電解質層13上的鋰金屬陽極層12及在鋰金屬陽極層12上的陽極電流收集器11（例如銅箔）。若提供固態電解質層13，則固態狀態電解質層13可將陽極與陰極隔開，使得可不需要用液體電解質填充的額外分隔件。
鋰金屬陽極層12是與陽極電流收集器11和分隔件16（或固態電解質層13）直接接觸的純鋰膜。
具體地，在鋰金屬陽極層12和陽極電流收集器11之間的界面處可不存在任何進一步的層，諸如鋰保護層或鈍化層。此外，在鋰金屬陽極層12和分隔件16（或固態電解質層13）之間的界面處可不存在任何進一步的層。特別地，原始鋰界面可設置在鋰金屬陽極的兩側。
在一些實施例中，在鋰金屬陽極層12和陽極電流收集器11之間的第一界面33是鋰蒸發界面，及/或在鋰金屬陽極層12和分隔件16（或固態電解質層13）之間的第二界面34為鋰蒸發界面。鋰蒸發界面藉由在相應支撐層上的直接鋰蒸發而產生。鋰蒸發界面的特徵在於在接觸層之間的良好黏附和接觸性質。
在一些實現中，鋰金屬陽極層12包括彼此直接接觸並彼此黏附的鋰陽極－第一子層12-1和鋰陽極－第二子層12-2。
在一些實施例中，陰極電流收集器15可為Al箔或Al塗佈的聚合物箔，特別是具有1μm或更大且15μm或更小的厚度。
在一些實施例中，陰極14可為NMC陰極。
在一些實施例中，陽極電流收集器11可為銅箔或塗佈銅的聚合物箔，特別是具有1μm或更大且15μm或更小的厚度。
第6圖是用於說明製造根據於此所述實施例的陽極結構的方法的流程圖。
在方塊610中，藉由蒸發將鋰沉積在第一撓性支撐件上，以形成具有曝露的第一鋰表面的鋰陽極－第一子層。第一撓性支撐件可為陽極電流收集器。
在方塊611中，藉由蒸發將鋰沉積在第二撓性支撐件上，以形成具有曝露的第二鋰表面的鋰陽極－第二子層。第二撓性支撐件可包括鋰直接沉積在其上的分隔件或SSE層。
在方塊620中，將塗佈有鋰的第一撓性支撐件和塗佈有鋰的第二撓性支撐件壓在一起，使得第一和第二鋰表面彼此接觸並且包含彼此黏附的兩個鋰子層的鋰金屬陽極層形成。具體地，鋰陽極－第一子層和鋰陽極－第二子層藉由將第一鋰表面和第二鋰表面壓在一起而結合，以形成鋰金屬陽極層。
具體地，於此描述了以下實施例： 實施例1：一種製造用於鋰電池的陽極結構（10）的方法，包含以下步驟：在第一撓性支撐件（21）上的鋰的第一沉積，以提供具有第一鋰表面（31）的鋰陽極－第一子層；在第二撓性支撐件（22）上的鋰的第二沉積，以提供具有第二鋰表面（32）的鋰陽極－第二子層；及藉由將第一鋰表面和第二鋰表面壓在一起，將鋰陽極－第一子層和鋰陽極－第二子層結合，以形成鋰金屬陽極層（12）。 實施例2：根據實施例1所述的方法，其中第一撓性支撐件包含陽極電流收集器（11），並且鋰的第一沉積直接在陽極電流收集器上進行。 實施例3：根據實施例2所述的方法，其中陽極電流收集器（11）是金屬箔，特別是銅箔。 實施例4：根據實施例2所述的方法，其中陽極電流收集器（11）包含具有金屬塗層的聚合物箔，並且鋰的第一沉積直接在金屬塗層上進行。 實施例5：根據實施例1至4任一實施例所述的方法，其中第二撓性支撐件包含固態電解質層（13），並且鋰的第二沉積直接在固態電解質層上進行。 實施例6：根據實施例5所述的方法，其中第二撓性支撐件（22）是層堆疊，層堆疊包含陰極電流收集器（15）、在陰極電流收集器上的陰極（14）和在陰極上的固態電解質層（13）。 實施例7：根據實施例1至6實施例所述的方法，其中第二撓性支撐件（22）包含分隔件（16），並且鋰的第二沉積直接在分隔件上進行。 實施例8：根據實施例1至7任一實施例所述的方法，其中結合包含以下步驟：將（i）其上沉積有鋰陽極－第一子層的第一撓性支撐件（21）、（ii）其上沉積有鋰陽極－第二子層的第二撓性支撐件（22）及（iii）其上設置有陰極（14）的陰極電流收集器（15）壓在一起。 實施例9：在輥對輥處理系統中在真空下連續進行的實施例1至8任一實施例的方法。 實施例10：根據實施例1至9任一實施例所述的方法，其中以1μm≤T Li1≤20μm的第一厚度T Li1沉積鋰陽極－第一子層，以1μm≤T Li2≤20µm的第二厚度T Li2沉積鋰陽極－第二子層，且鋰金屬陽極層具有2µm≤T Li≤40µm，特別是5µm≤T Li≤15µm的結合厚度T Li。 實施例11：一種用於製造陽極結構（10）的真空沉積系統（200），包含：第一鋰沉積設備（105），用於在第一撓性支撐件（21）上沉積具有第一鋰表面的鋰陽極－第一子層；第二鋰沉積設備（106），用於在第二撓性支撐件（22）上沉積具有第二鋰表面的鋰陽極－第二子層；及結合裝置（211），用於藉由將第一鋰表面和第二鋰表面壓在一起，將鋰陽極－第一子層和鋰陽極－第二子層結合，以形成鋰金屬陽極層（12）。 實施例12：根據實施例11所述的真空沉積系統，其中第一鋰沉積設備（105）包含第一塗佈滾筒（222），第一塗佈滾筒（222）配置用於在第一真空沉積腔室（221）中引導第一撓性支撐件通過一個或多個第一鋰蒸發器（223），並且第二鋰沉積設備（106）包含第二塗佈滾筒（232），第二塗佈滾筒（232）配置用於在第二真空沉積腔室（231）中引導第二撓性支撐件通過一個或多個第二鋰蒸發器（233）。 實施例13：根據實施例12所述的真空沉積系統，進一步包含：真空結合腔室（210），在第一真空沉積腔室和第二真空沉積腔室之間，真空結合腔室（210）中佈置有結合裝置（211）。 實施例14：根據實施例12或13所述的真空沉積系統，進一步包含第一腹板輸送系統，第一腹板輸送系統配置用於將第一撓性支撐件從第一退繞輥（225）輸送到第一塗佈滾筒（222）並從第一塗佈滾筒輸送到結合裝置（211）；及第二腹板輸送系統，第二腹板輸送系統配置用於將第二撓性支撐件從第二退繞輥（235）輸送到第二塗佈滾筒（232）並從第二塗佈滾筒輸送到結合裝置（211），使得第一鋰表面和第二鋰表面在結合裝置（211）中彼此面對並且可藉由結合裝置（211）直接接觸。 實施例15：根據實施例11至14任一實施例所述的真空沉積系統，其中結合裝置（211）包含朝第二壓輥偏壓的第一壓輥，使得具有鋰陽極－第一子層的第一撓性支撐件（21）和具有鋰陽極－第二子層的第二撓性支撐件（22）可在第一壓輥和第二壓輥之間引導並藉由第一壓輥和第二壓輥壓在一起。 實施例16：一種根據實施例1至10任一實施例所述的方法製造的陽極結構（10）。 實施例17：一種鋰電池層堆疊（100），包含：陰極電流收集器（15）、在陰極電流收集器上的陰極（14）、在陰極電流收集器上的分隔件（16）或固態電解質層（13）、在分隔件或固態電解質層上的鋰金屬陽極層（12）及在鋰金屬陽極層上的陽極電流收集器（11），其中鋰金屬陽極層（12）是與陽極電流收集器和分隔件或固態電解質層兩者直接接觸的純鋰膜。 實施例18：根據實施例17所述的鋰電池層堆疊，其中在鋰金屬陽極層與陽極電流收集器之間的第一界面（33）為鋰蒸發界面，並且在鋰金屬陽極層與分隔件或固態電解質層之間的第二界面（34）為鋰蒸發界面。 實施例19：根據實施例17或18所述的鋰電池層堆疊，其中鋰金屬陽極層（12）包含彼此直接接觸的鋰陽極－第一子層（12-1）和鋰陽極－第二子層（12-2）。 實施例20：根據實施例17至19任一實施例所述的鋰電池層堆疊，其中陰極電流收集器（15）為Al箔或Al塗佈的聚合物箔，陰極（14）為NMC陰極，及/或陽極電流收集器（11）為銅箔或塗佈銅的聚合物箔。
綜上所述，應當理解，本揭露書的實施例有益地提供了陽極結構、鋰電池層堆疊、製造陽極結構的方法和真空沉積系統，其與現在的技術相比進行了改進。具體地，提供了具有夾在陽極電流收集器和分隔件或SSE層之間的原始鋰界面的鋰金屬陽極層，並且可根據於此所述的方法製造。可減少鋰枝晶生長並且可顯著改善鋰金屬陽極層與接觸層的黏附和接觸。
雖然前面涉及實施例，但在不背離基本範圍的情況下可設計其他和進一步的實施例，並且該範圍由以下的申請專利範圍決定。
10:陽極結構 11:陽極電流收集器 12:鋰金屬陽極層 12-1:鋰陽極－第一子層 12-2:鋰陽極－第二子層 13:固態電解質層 14:陰極 15:陰極電流收集器 16:分隔件 21:第一撓性支撐件 22:第二撓性支撐件 31:第一鋰表面 32:第二鋰表面 33:第一界面 34:第二界面 100:鋰電池層堆疊 105:第一鋰沉積設備 106:第二鋰沉積設備 200:真空沉積系統 210:真空結合腔室 211:結合裝置 215:捲繞捲軸 216:第三退繞輥 221:第一真空沉積腔室 222:第一塗佈滾筒 223:第一鋰蒸發器 224:第一捲軸腔室 225:第一退繞輥 231:第二真空沉積腔室 232:第二塗佈滾筒 233:第二鋰蒸發器 234:第二捲軸腔室 235:第二退繞輥 610:方塊 611:方塊 620:方塊
為了能夠詳細地理解本揭露書的上述特徵的方式，可藉由參考實施例獲得以上簡要概括的本揭露書的更具體的描述。附隨的圖式關於本發明的實施例，並且描述於下： 第1圖示意性地顯示了根據於此所述的實施例的製造陽極結構的方法； 第2圖示意性地顯示了根據於此所述的進一步的實施例的製造陽極結構的方法； 第3圖示意性地顯示了根據於此所述的實施例的製造陽極結構的方法； 第4圖顯示了根據於此所述的實施例的用於製造陽極結構的真空沉積系統的示意圖； 第5圖顯示了根據於此所述的實施例的鋰電池層堆疊的示意性截面圖；及 第6圖是用於說明製造根據所述實施例的陽極結構的方法的流程圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
10:陽極結構
11:陽極電流收集器
12:鋰金屬陽極層
12-1:鋰陽極-第一子層
12-2:鋰陽極-第二子層
21:第一撓性支撐件
22:第二撓性支撐件
31:第一鋰表面
32:第二鋰表面
33:第一界面
34:第二界面
105:第一鋰沉積設備
106:第二鋰沉積設備

Claims (19)

  1. 一種製造用於一鋰電池的一陽極結構(10)的方法，包含以下步驟：在一第一撓性支撐件(21)上的鋰的一第一沉積，以提供具有一第一鋰表面(31)的一鋰陽極-第一子層；在一第二撓性支撐件(22)上的鋰的一第二沉積，以提供具有一第二鋰表面(32)的一鋰陽極-第二子層；及藉由將該第一鋰表面和該第二鋰表面壓在一起，將該鋰陽極-第一子層和該鋰陽極-第二子層結合，以形成一鋰金屬陽極層(12)。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該第一撓性支撐件包含一陽極電流收集器(11)，並且鋰的該第一沉積直接在該陽極電流收集器上進行。
  3. 如請求項2所述之方法，其中該陽極電流收集器(11)是一金屬箔。
  4. 如請求項2所述之方法，其中該陽極電流收集器(11)包含具有一金屬塗層的一聚合物箔，並且鋰的該第一沉積直接在該金屬塗層上進行。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該第二撓性支撐件包含一固態電解質層(13)，並且鋰的該第二沉積直接在該固態電解質層上進行。
  6. 如請求項5所述之方法，其中該第二撓性支撐件(22)是一層堆疊，該層堆疊包含一陰極電流收集 器(15)、在該陰極電流收集器上的一陰極(14)和在該陰極上的該固態電解質層(13)。
  7. 如請求項1-6任一項所述之方法，其中該第二撓性支撐件(22)包含一分隔件(16)，並且鋰的該第二沉積直接在該分隔件上進行。
  8. 如請求項1-6任一項所述之方法，其中該結合包含以下步驟：將(i)其上沉積有該鋰陽極-第一子層的該第一撓性支撐件(21)、(ii)其上沉積有該鋰陽極-第二子層的該第二撓性支撐件(22)及(iii)其上設置有一陰極(14)的一陰極電流收集器(15)壓在一起。
  9. 如請求項1-6任一項所述之方法，其在一輥對輥處理系統中在真空下連續進行。
  10. 如請求項1-6任一項所述之方法，其中以1μm
    Figure 110144762-A0305-02-0034-1
    TLi1
    Figure 110144762-A0305-02-0034-2
    20μm的一第一厚度TLi1沉積該鋰陽極-第一子層，以1μm
    Figure 110144762-A0305-02-0034-3
    TLi2
    Figure 110144762-A0305-02-0034-4
    20μm的一第二厚度TLi2沉積該鋰陽極-第二子層，且該鋰金屬陽極層具有2μm
    Figure 110144762-A0305-02-0034-5
    TLi
    Figure 110144762-A0305-02-0034-6
    40μm的一結合厚度TLi。
  11. 一種用於製造一陽極結構(10)的真空沉積系統(200)，包含：一第一鋰沉積設備(105)，用於在一第一撓性支撐件(21)上沉積具有一第一鋰表面的一鋰陽極-第一子 層；一第二鋰沉積設備(106)，用於在一第二撓性支撐件(22)上沉積具有一第二鋰表面的一鋰陽極-第二子層；及一結合裝置(211)，用於藉由將該第一鋰表面和該第二鋰表面壓在一起，將該鋰陽極-第一子層和該鋰陽極-第二子層結合，以形成一鋰金屬陽極層(12)。
  12. 如請求項11所述之真空沉積系統，其中該第一鋰沉積設備(105)包含一第一塗佈滾筒(222)，該第一塗佈滾筒(222)配置用於在一第一真空沉積腔室(221)中引導該第一撓性支撐件通過一個或多個第一鋰蒸發器(223)，並且該第二鋰沉積設備(106)包含一第二塗佈滾筒(232)，該第二塗佈滾筒(232)配置用於在一第二真空沉積腔室(231)中引導該第二撓性支撐件通過一個或多個第二鋰蒸發器(233)。
  13. 如請求項12所述之真空沉積系統，進一步包含：一真空結合腔室(210)，在該第一真空沉積腔室和該第二真空沉積腔室之間，該真空結合腔室(210)中佈置有該結合裝置(211)。
  14. 如請求項12所述之真空沉積系統，進一步包含：一第一腹板輸送系統，該第一腹板輸送系統配置用於將該第一撓性支撐件從一第一退繞輥(225)輸送到該 第一塗佈滾筒(222)並從該第一塗佈滾筒輸送到該結合裝置(211)；及一第二腹板輸送系統，該第二腹板輸送系統配置用於將該第二撓性支撐件從一第二退繞輥(235)輸送到該第二塗佈滾筒(232)並從該第二塗佈滾筒輸送到該結合裝置(211)，使得該第一鋰表面和該第二鋰表面在該結合裝置(211)中彼此面對並且可藉由該結合裝置(211)直接接觸。
  15. 如請求項11-14任一項所述之真空沉積系統，其中該結合裝置(211)包含朝一第二壓輥偏壓的一第一壓輥，使得具有該鋰陽極-第一子層的該第一撓性支撐件(21)和具有該鋰陽極-第二子層的該第二撓性支撐件(22)可在該第一壓輥和該第二壓輥之間引導並藉由該第一壓輥和該第二壓輥壓在一起。
  16. 一種根據請求項1所述之方法製造的陽極結構(10)。
  17. 一種鋰電池層堆疊(100)，包含：一陰極電流收集器(15)；在該陰極電流收集器上的一陰極(14)；在該陰極電流收集器上的一分隔件(16)或一固態電解質層(13)；在該分隔件或固態電解質層上的一鋰金屬陽極層(12)及；在該鋰金屬陽極層上的一陽極電流收集器(11)， 其中該鋰金屬陽極層(12)是與該陽極電流收集器和該分隔件或固態電解質層兩者直接接觸的一純鋰膜，其中在該鋰金屬陽極層與該陽極電流收集器之間的一第一界面(33)為一鋰蒸發界面，並且在該鋰金屬陽極層與該分隔件或固態電解質層之間的一第二界面(34)為一鋰蒸發界面。
  18. 如請求項17所述之鋰電池層堆疊，其中該鋰金屬陽極層(12)包含彼此直接接觸的一鋰陽極-第一子層(12-1)和一鋰陽極-第二子層(12-2)。
  19. 如請求項17或18所述之鋰電池層堆疊，其中該陰極電流收集器(15)為一Al箔或一Al塗佈的聚合物箔，該陰極(14)為一NMC陰極，及/或該陽極電流收集器(11)為一銅箔或一塗佈銅的聚合物箔。
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