DE102012212887A1 - Accumulator with galvanic cells - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Akkumulator (10) mit wenigstens einer galvanischen Zelle (12), die eine in eine Ebene erstrecktes, als Flachkörper mit einer schmalen Seite gestaltetes galvanisches Element (13) umgebende Folienhülle (16) mit einer an der schmalen Seite und im Flachkörper umlaufenden und in die Ebene eines Flachkörpers ausgedehnte Randpartie (22) hat. Die Randpartie (20) weist einen die Folienhülle (16) abdichtende Versiegelungsnaht (18) auf, durch welche eine erste Anschlusselektrode (22) und eine von der ersten Anschlusselektrode (22) elektrisch getrennte zweite Anschlusselektrode (24) des galvanischen Elements (13) aus der Folie (16) geführt ist. Die Randpartie (20) ist zumindest teilweise in eine die Versiegelungsnaht (18) überdeckende Haltestruktur (40, 48, 50) aus Klebstoffmaterial eingebettet.The invention relates to an accumulator (10) with at least one galvanic cell (12), which comprises a film envelope (16) extending in a plane and designed as a flat body with a narrow side with a narrow side and a flat body has circumferential and extended in the plane of a flat body edge portion (22). The edge part (20) has a sealing seam (18) sealing the film envelope (16), through which a first connection electrode (22) and a second connection electrode (24) of the galvanic element (13), which is electrically separate from the first connection electrode (22) the film (16) is guided. The edge part (20) is at least partially embedded in a holding structure (40, 48, 50) of adhesive material covering the sealing seam (18).
Description
Die Erfindung betrifft einen Akkumulator mit wenigstens einer an einem Träger festgelegten, galvanischen Zelle, die eine ein in eine Ebene erstrecktes, als ein Flachkörper mit einer schmalen Seite gestaltetes galvanisches Element umgebende Folienhülle mit einer an der schmalen Seite um den Flachkörper umlaufenden und in die Ebene des Flachkörpers ausgedehnte Randpartie hat, die eine die Folienhülle abdichtende Versiegelungsnaht aufweist, durch welche eine erste Anschlusselektrode und eine von der ersten Anschlusselektrode getrennte zweite Anschlusselektrode des galvanischen Elements aus der Folienhülle geführt ist.The invention relates to an accumulator having at least one fixed to a support, galvanic cell having a one in a plane extending, designed as a flat body designed with a narrow side galvanic element film envelope with a circulating on the narrow side of the flat body and in the plane of the flat body has extensive edge portion which has a sealing foil sealing seam, through which a first connection electrode and a second connection electrode of the galvanic element separated from the first connection electrode are guided out of the film envelope.
Derartige Akkumulatoren werden z. B. in Form von Lithium-Ionen Akkumulatoren als elektrische Energiespeicher eingesetzt. Erfindungsgemäße Akkumulatoren können in stationären und instationären Systemen Verwendung finden. Als instationäre Systeme kommen z. B. alle Arten von (Land-)Fahrzeugen, Schiffe und Flugzeuge in Betracht. Entsprechend bezieht sich die Erfindung auch auf solche Anwendungen. Lithium-Ionen-Akkumulatoren enthalten üblicher Weise bis zu 100 oder auch mehr galvanische Elemente, die in einer beutelförmigen Folienhülle angeordnet sind und einen Elektrolyten aufweisen, in dem Lithium-Ionen verlagert werden. Mit den beutelförmigen Folienhüllen werden sogenannte Beutelzellen bzw. „Pouch-Zellen“ gebildet. Die beutelförmigen Folienhüllen sind mittels Verschweißen von aneinander liegenden Flachfolien hergestellt. Die Lebensdauer von Lithium-Ionen Akkumulatoren wird maßgeblich durch die Dichtigkeitseigenschaften der betreffenden Beutelzellen beeinflusst. Bei dem Betrieb eines Fahrzeuges sind solche Beutelzellen Erschütterungen und damit mechanischen Belastungen ausgesetzt, die zu Undichtigkeiten einer Beutelzelle führen können.Such accumulators are z. B. used in the form of lithium-ion batteries as electrical energy storage. Accumulators according to the invention can be used in stationary and transient systems. As transient systems come z. B. all types of (land) vehicles, ships and aircraft into consideration. Accordingly, the invention also relates to such applications. Lithium-ion batteries usually contain up to 100 or even more galvanic elements which are arranged in a bag-shaped film casing and have an electrolyte in which lithium ions are displaced. With the bag-shaped film envelopes so-called bag cells or "pouch cells" are formed. The bag-shaped foil sheaths are produced by welding together flat foil lying on each other. The service life of lithium-ion batteries is significantly influenced by the tightness properties of the respective bag cells. During the operation of a vehicle, such bag cells are subject to vibrations and thus to mechanical stresses which can lead to leaks in a bag cell.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Akkumulator mit einer hohen Lebensdauer zu schaffen, in dem bei vergleichsweise geringem Gewicht elektrische Energie mit einer großen Energiedichte gespeichert werden kann und der insbesondere für den Einsatz als Energiespeicher in einer mobilen Anwendung geeignet ist.The object of the invention is to provide an accumulator with a long service life, in which at comparatively low weight electrical energy can be stored with a high energy density and which is particularly suitable for use as energy storage in a mobile application.
Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators bereitzustellen, das einfach auf die Abmessungen der galvanischen Zellen in dem Akkumulator und den für den Akkumulator vorgesehenen Bauraum angepasst werden kann. In addition, it is an object of the invention to provide a method for producing a rechargeable battery, which can be easily adapted to the dimensions of the galvanic cells in the accumulator and the space provided for the accumulator.
Diese Aufgabe wird durch einen Akkumulator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by an accumulator having the features of claim 1 and a method having the features of
Bei dem erfindungsgemäßen Akkumulator ist die umlaufende Randpartie zumindest teilweise in eine die Versiegelungsnaht überdeckende Haltestruktur aus Klebstoffmaterial eingebettet.In the accumulator according to the invention, the peripheral edge part is at least partially embedded in a holding structure of adhesive material covering the sealing seam.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass Klebstoffe, die für das mechanische Verbinden von Baugruppen geeignet sind, auch eine Dichtfunktion ausfüllen können. Eine Idee des Erfinders besteht deshalb darin, die für die Lebensdauer eines Akkumulators so maßgeblichen Versiegelungs- bzw. Dichtnähte (Versiegelungs- bzw. Dichtraupen) von auch als Beutelzellen bezeichneten galvanischen Zellen zusätzlich abzudichten, indem diese in Raupen aus Klebstoffmaterial eingebettet und damit zusätzlich so versiegelt werden, dass an dem umlaufenden Rand einer Beutelzelle der Gasaustausch vermieden wird. Die Raupen aus Klebstoffmaterial bilden eine Haltestruktur / Tragstruktur. Diese Struktur ist zwischen einer Grundplatte und einer Abschlussplatte angeordnet. Die Verwendung des Klebstoffmaterials hat den Vorteil, dass das Klebstoffmaterial zum einen dichtende Funktion hat und zum anderen Schwingungen dämpfen kann. Wird zum Beispiel der Akkumulator in einem Kraftfahrzeug eingesetzt, so werden Schwingungen des Fahrzeuges auf den Akkumulator übertragen. Durch diese Schwingungen können Undichtigkeiten der Folienhüllen entstehen. In dem erfindungsgemäßen Akkumulator werden mittels der aus Klebstoffmaterial bestehenden Haltestruktur diese Schwingungen gedämpft. The invention is based on the idea that adhesives which are suitable for the mechanical joining of assemblies can also fulfill a sealing function. One idea of the inventor is therefore to additionally seal the sealing or sealing seams (sealing or sealing beads) which are so decisive for the life of a rechargeable battery of galvanic cells, also referred to as bag cells, by embedding them in beads of adhesive material and thus additionally sealing them be that the gas exchange is avoided at the peripheral edge of a bag cell. The beads of adhesive material form a support structure / support structure. This structure is arranged between a base plate and an end plate. The use of the adhesive material has the advantage that the adhesive material on the one hand has a sealing function and on the other can damp vibrations. If, for example, the accumulator is used in a motor vehicle, then vibrations of the vehicle are transmitted to the accumulator. These vibrations can cause leaks in the foil sheaths. In the accumulator according to the invention, these oscillations are damped by means of the holding structure consisting of adhesive material.
Vorzugsweise wird als Klebstoffmaterial ein Elastomer verwendet. Ein Elastomer ist ein formfester, aber elastisch verformbarer Kunststoff. Elastomere können also so verformt werden, dass sie nach der Verformung wieder von selbst in ihre ursprüngliche, unverformte Gestalt zurückfinden.Preferably, an elastomer is used as the adhesive material. An elastomer is a dimensionally stable, but elastically deformable plastic. Elastomers can thus be deformed so that they find their way back to their original, undeformed shape after deformation.
Das Elastomer wird in einem (hoch)viskosen Zustand aufgetragen und härtet nachfolgend aus, wodurch die Formfestigkeit zunimmt und eine elastische Verformbarkeit erreicht wird. Die Auftragsviskosität liegt je nach Verfahren zwischen 102 und 1010 mPa·s (MilliPascalsekunden), vorzugsweise zwischen 103 und 104 mPa·s. Als Elastomere eignen sich vorwiegend Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten mit einer ausgeprägten Thixotropie (Strukturviskosität). Zum Auftragen der Versiegelungsnaht erfolgt unter Scherbeanspruchung eine Erniedrigung der dynamischen Viskosität, was die Applikation, d. h. das Auftragen wesentlich erleichtert. Nach dem Auftragen steigt die Viskosität auf Werte oberhalb der Fließgrenze an, was zur Folge hat, dass die aufgetragene Versiegelungsnaht nicht mehr ihre Form ändert, also nicht mehr fließt. Das Elastomer kann ein Silikonmaterial, insbesondere ein Silikon-Kautschuk oder ein Epoxidharz sein. Insbesondere kann als verformbarer Kunststoff ein Polyesterharz oder ein anderer Kunststoff vorgesehen sein, der sich mit UV-Licht härten lässt. Die nach dem Aushärten zu erzielende Härte hängt insbesondere vom jeweiligen Anwendungsfall ab, so dass auch elastomere Kunststoffe mit vergleichsweise großer Härte verwendet werden können. The elastomer is applied in a (highly) viscous state and subsequently cured, whereby the molding strength increases and elastic deformability is achieved. Depending on the method, the application viscosity is between 10 2 and 10 10 mPa · s (milliPascal seconds), preferably between 10 3 and 10 4 mPa · s. As elastomers are mainly non-Newtonian liquids with a pronounced thixotropy (intrinsic viscosity). To apply the sealing seam under shear stress is a lowering of the dynamic viscosity, which facilitates the application, ie the application significantly. After application, the viscosity increases to values above the yield point, with the result that the applied sealing seam no longer changes its shape, ie no longer flows. The elastomer may be a silicone material, in particular a silicone rubber or an epoxy resin. In particular, can be provided as a deformable plastic, a polyester resin or other plastic, which can be cured with UV light. The hardness to be achieved after curing depends in particular on the particular application, so that elastomeric plastics with comparatively high hardness can be used.
Vor dem Aushärten kann das Elastomer auch in eine beliebige Form gespritzt werden. Zunächst ist es dann noch nicht elastisch, d.h. das Elastomer kehrt noch nicht in seine ursprüngliche Form zurück. Somit kann einfach durch Spritzen des viskosen Elastomers eine beliebige Haltestruktur aus Klebstoffmaterial erzeugt werden, die nach einem Aushärten, Trocknen, Abkühlen und/oder Ausreagieren formbeständig bleibt.Before curing, the elastomer can also be injected into any shape. First, it is not yet elastic, i. the elastomer does not yet return to its original shape. Thus, simply by spraying the viscous elastomer, any holding structure of adhesive material can be produced which remains dimensionally stable after curing, drying, cooling and / or reacting.
Vorzugsweise wird das Elastomermaterial für einen Akkumulator unter Legen von Raupen mittels Formdüsen ausgebracht.Preferably, the elastomeric material for an accumulator is applied with the laying of beads by means of shaping dies.
Das Klebstoffmaterial für die Haltestruktur in einem erfindungsgemäßen Akkumulator kann auch im sogenannten Airless-Spritzverfahren aufgebracht werden. Bei diesem Verfahren wird unter hohem Druck (ca. 200 bar) das hochviskose Material in kleinen Tropfen scharf begrenzt formgebend aufgetragen. Eine weitere Möglichkeit für das Auftragen von Klebstoffmaterial ist das Drucken in einem Inkjet-Verfahren. The adhesive material for the support structure in an accumulator according to the invention can also be applied in the so-called airless spray process. In this process, under high pressure (about 200 bar), the highly viscous material is applied in small drops in a sharply limited form. Another possibility for applying adhesive material is printing in an inkjet process.
Als Klebstoffmaterial für die Haltestruktur in einem erfindungsgemäßen Akkumulator eignen sich abhängig vom Anwendungsfall folgende Kunststoffe:
Acrylnitril-Butadien-Acrylat, Acrylnitril-Methylmethacrylat, Butadien-Kautschuke, Butylkautschuke, Ethylen-Ethylacrylat-Copolymere, Ethylen-Propylen-Copolymere, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuke, Ethylenvinylacetate, Fluorkautschuke, Isopren-Kautschuke, Polyisobutylene, Polyurethane, Styrol-Butadien-Kautschuke, Styrol-Butadien-Styrole, Vinylchlorid/Ethylen und dergleichen. In besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen werden Naturkautschuk oder Silikonkautschuk verwendet. Sie zeichnen sich durch gute Verarbeitungs- und Beständigkeitseigenschaften aus. Geeignet sind auch Silane, Polyvinylchlorid (PVC-Plastisole), Polyurethan (1K-PUR, 2K-PUR), PMMA-Plastisole (Polymethylmetharrylat) und Epoxid-Harze. Um schnell eine Viskosität oberhalb der Fließgrenze zu erreichen, eignen sich in besonderem Maße 2-Komponenten-Systeme oder feuchtigkeitshärtende Systeme, wobei zum schnellen Aushärten die relative Luftfeuchtigkeit künstlich und/oder temporär erhöht werden kann.Depending on the application, the following plastics are suitable as adhesive material for the support structure in an accumulator according to the invention:
Acrylonitrile butadiene acrylate, acrylonitrile methyl methacrylate, butadiene rubbers, butyl rubbers, ethylene-ethyl acrylate copolymers, ethylene-propylene copolymers, ethylene-propylene-diene rubbers, ethylene vinyl acetates, fluororubbers, isoprene rubbers, polyisobutylenes, polyurethanes, styrene Butadiene rubbers, styrene-butadiene-styrenes, vinyl chloride / ethylene and the like. In particularly preferred embodiments, natural rubber or silicone rubber is used. They are characterized by good processing and resistance properties. Also suitable are silanes, polyvinyl chloride (PVC plastisols), polyurethane (1K-PUR, 2K-PUR), PMMA plastisols (polymethyl metharrylate) and epoxy resins. To quickly reach a viscosity above the yield point, 2-component systems or moisture-curing systems are particularly suitable, wherein the relative humidity can be increased artificially and / or temporarily for rapid curing.
Bevorzugt besteht das Klebstoffmaterial aus Materialien, die von sich aus schnell aushärten, so dass vor dem nächsten Stapelvorgang (Einlegen der galvanischen Zelle, Auftrag der nächsten Versiegelungsnaht-Raupe) kein Aushärtevorgang erforderlich ist. Sollte trotzdem eine Zwischenhärtung notwendig sein, so wären Verfahren mit kurzzeitiger Wärmezufuhr oder Verfahren mit veränderter Atmosphärenzusammensetzung (z. B. Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit) die bevorzugte Wahl.Preferably, the adhesive material consists of materials which harden quickly on their own, so that no curing process is required before the next stacking operation (insertion of the galvanic cell, application of the next sealing seam bead). Should intermediate curing be necessary, however, short-term heat input or modified atmosphere composition processes (eg, increasing relative humidity) would be the preferred choice.
Gerade im Bereich von Anschlusselektroden, die aus der Folienhülle herausragen, besteht ein großes Risiko von Undichtigkeiten. Insbesondere ist ein Hineindiffundieren von Feuchtigkeit zu verhindern. Herkömmlich wurde dem Rechnung getragen, indem die Verbindungsnähte, insbesondere im Bereich der Anschlusselektroden besonders groß bzw. breit ausgeführt worden sind. Aufgrund der Erfindung ist es jetzt möglich, die in der Regel als Schweißnähte ausgeführten Versiegelungsnähte der Folienhülle vergleichsweise schmal zu gestalten. Das hat den Vorteil, dass erfindungsgemäße Akkumulatoren kleiner bauen und somit in der Gesamtbetrachtung eine erhöhte Energiedichte aufweisen. Die erforderliche Dichtigkeit ist dabei durch die Einbettung in das Klebstoffmaterial der Raupen sichergestellt. Especially in the area of connection electrodes, which protrude from the film envelope, there is a great risk of leaks. In particular, a penetration of moisture is to prevent. Conventionally, this has been taken into account by the connecting seams, in particular in the region of the terminal electrodes have been made particularly large or wide. Due to the invention, it is now possible to make the sealing seams of the film envelope, which are generally designed as welds, comparatively narrow. This has the advantage that accumulators according to the invention build smaller and thus in the overall view have an increased energy density. The required tightness is ensured by the embedding in the adhesive material of the beads.
Es hat sich insbesondere als vorteilhaft herausgestellt, dass der Bereich, in dem die Anschlusselektroden aus der Folienhülle herausragen, in dem Klebstoffmaterial eingebettet sind. In particular, it has proven to be advantageous for the region in which the connection electrodes protrude from the film envelope to be embedded in the adhesive material.
Um die Dichtigkeit der galvanischen Zelle zu erhöhen, hat es sich auch als vorteilhaft herausgestellt, dass die umlaufende Verbindungsnaht der galvanischen Zelle komplett von Klebstoffmaterial umgeben ist. Dabei stellt die Verbindungsnaht den Rand der galvanischen Zelle dar. In order to increase the tightness of the galvanic cell, it has also proven to be advantageous that the peripheral connection seam of the galvanic cell is completely surrounded by adhesive material. The connecting seam represents the edge of the galvanic cell.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators umfasst das Aufbauen eines Batteriestapels mit aufeinander angeordneten galvanischen Zellen. Der Batteriestapel aus galvanischen Zellen wird mittels Kleberaupen hergestellt. Dabei werden in einem Arbeitsgang die galvanischen Zellen zusätzlich durch die Raupen aus Klebstoffmaterial abgedichtet und zu einem Stapel verklebt. Damit wird in einem und demselben Arbeitsgang ein Abdichten und eine mechanische Stabilisierung eines Batteriestapels ermöglicht. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es deshalb möglich, Akkumulatoren kostengünstig herzustellen.The inventive method for producing a rechargeable battery comprises the construction of a battery stack with galvanic cells arranged on one another. The battery stack of galvanic cells is made by means of adhesive beads. In this case, the galvanic cells are additionally sealed in a single operation by the beads of adhesive material and glued into a stack. This allows sealing and mechanical stabilization of a battery stack in one and the same operation. With the method according to the invention it is therefore possible to produce batteries cost.
Darüber hinaus ist es auch möglich, dem Batteriestapel in einem Akkumulator eine grundsätzlich beliebige Form zu geben. Folglich kann das Verfahren für das Herstellen eines Akkumulators sehr leicht an unterschiedliche Formen von Batteriebeuteln angepasst werden, indem die Struktur des aufgetragenen Klebstoffmaterials an die Formgebung der Batteriebeutel angepasst wird, so dass wiederum die Verbindungsnähte der verwendeten Batteriebeutel in Klebstoffmaterial eingebettet werden. Damit ist es mit geringem Aufwand möglich, die Abmessungen von Akkumulatoren an die verschiedenen Einbausituationen anzupassen, die sich in unterschiedlichen Einsatzgebieten ergeben. Der geringe Aufwand ergibt sich insbesondere dadurch, dass kein spezielles, auf die Beutelform angepasstes Werkzeug erforderlich ist.In addition, it is also possible to give the battery stack in an accumulator a basically arbitrary shape. Consequently, the method for manufacturing a rechargeable battery can be adapted very easily to different forms of battery bags by adapting the structure of the applied adhesive material to the shape of the battery bags, so that again the connecting seams of the battery bags used in FIG Adhesive material to be embedded. Thus, it is possible with little effort to adapt the dimensions of batteries to the various installation situations that arise in different applications. The low cost results in particular in that no special, adapted to the bag shape tool is required.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.In the following the invention will be explained in more detail with reference to the embodiments schematically illustrated in the drawing.
Es zeigen:Show it:
Der in der
Der Akkumulator
Für das Stabilisieren des Stapels aus galvanischen Zellen
Die
Das galvanische Element
Die Anschlusselektroden
Es sei auch bemerkt, dass das galvanische Element
Die Randpartie
Der Akkumulator
In einem nächsten Schritt wird dann eine weitere Raupe
Im Anschluss daran wird auf die Raupe
Dieses Verfahren wird entsprechend fortgesetzt, um so einen Stapel mit einer Vielzahl von galvanischen Zellen
Indem die galvanischen Zellen in dem Bereich der Anschlusselektroden
Wenn die Raupen aus Klebstoffmaterial eine Höhe von z.B. 15 mm haben und einer Breite von z. B. 10 mm aufweisen und die galvanische Zellen
Mittels der Raupen
Es ist auch möglich vor dem Aufbringen des nächstfolgenden Raupenauftrags die Oberfläche mittels eines Kamerasystems zu vermessen und Unebenheiten zu berechnen. Durch entsprechende Ausbringung des Raupenmaterials oder der Spritzmenge kann mit diesem Auftrag eine Höhenkorrektur vorgenommen werden.It is also possible to measure the surface by means of a camera system and to calculate unevennesses before applying the next following bead application. By appropriate application of the track material or the spray rate can be made with this order a height correction.
An der Grundplatte
Die
Die
Als Kühlfluid in den vorstehend beschriebenen Akkumulatoren
Wird als Kühlfluid eine Kühlflüssigkeit verwendet und ist zwischen einem nicht dargestellten Ausgleichsbehälter und den Kühlkanälen eine Strömungsdrossel angeordnet, so kann damit erreicht werden, dass das Kühlfluid eine weitere Dämpfung gegen Vibrationen der galvanischen Zellen
Die
Durch einfaches Umprogrammieren des Roboters
Zusammenfassend sind insbesondere die folgenden bevorzugten Merkmale einer erfindungsgemäßen Vorrichtung festzuhalten: Die Erfindung betrifft einen Akkumulator
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10, 10', 10''10, 10 ', 10' '
- Akkumulator accumulator
- 1212
- galvanische Zelle galvanic cell
- 1313
- galvanisches Element galvanic element
- 1414
- Flachkörper flat body
- 15, 1715, 17
- Folie foil
- 1616
- Folienhülle film cover
- 1818
- Versiegelungsnaht sealing seam
- 2020
- Randpartie edge part
- 2121
- Außenkontur outer contour
- 22, 2422, 24
- Anschlusselektroden terminal electrodes
- 2828
- Grundplatte baseplate
- 3030
- Abschlussplatte End plate
- 3232
- Befestigungslaschen mounting tabs
- 34, 34'34, 34 '
- Kühlkanal cooling channel
- 40, 40', 40'', 48, 48', 48'', 5040, 40 ', 40 ", 48, 48', 48", 50
- Raupen aus Klebstoffmaterial Caterpillars of adhesive material
- 52, 52', 52''52, 52 ', 52' '
- Akkumulatorenwand accumulators wall
- 5454
- Anlage investment
- 56, 5856, 58
- Roboter robot
- 6060
- Drehteller turntable
- 6262
- Drehachse axis of rotation
- 6464
- Pfeil arrow
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