JP2020512675A - 熱伝逹部材を含むパウチ型二次電池 - Google Patents

Abstract

本発明は電極組立体及び電解液を収納するラミネートシートからなるパウチ型二次電池であって、前記ラミネートシートは、外部被覆層、金属層及び内部接着層を含む構造であり、前記電極組立体とラミネートシートの金属層を連結させるための熱伝逹部材を含むパウチ型二次電池に関する。

Description

本出願は２０１７年８月２９日付の韓国特許出願第２０１７−０１０９７１４号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容はこの明細書の一部として含まれる。

本発明は熱伝逹部材を含むパウチ型二次電池に関し、特にラミネートシートからなった電池ケースを使う場合、別途の冷却部材を付け加えなくても二次電池の放熱性を高めるために、電極組立体とラミネートシートの金属層を連結させる熱伝逹部材を含むパウチ型二次電池に関する。

充放電可能な二次電池は、化石燃料を使う既存のガソリン車両、ディーゼル車両などの大気汚染などを解決するための方案として提示されている電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ−Ｉｎ ＨＥＶ）などを含めた高出力大容量が要求されるデバイスの動力源として注目されている。

二次電池は、その形状によって円筒形電池セル、角形電池セル、パウチ型電池セルなどに区分することができる。その中でも高集積度で積層されることができ、重量当たりエネルギー密度が高く、安価で変形の容易なパウチ型電池セルが多くの関心を集めている。

前記パウチ型電池セルは電池ケースがラミネートシートで構成される電池セルを意味し、前記電池ケースの内部に電極組立体を内蔵する構造である。

一般に、外被が柔軟なパウチ型電池の主要研究課題の一つは安全性を向上させることである。リチウム二次電池は、内部短絡、許容の電流及び電圧を超えた過充電状態、高温への露出、落下又は外部衝撃による変形など、電池の異常な作動状態によって引き起こされることができる電池内部の高温及び高圧によって電池の爆発を引き起こすことができる。

したがって、厚い集電体を使って熱容量を増大させる方法を使うことができるが、集電体の厚さが増加することによって全体的に電極組立体の厚さが増加するため、高容量の電池セルを設計しにくい問題がある。もしくは、パウチ型電池ケースに冷却用管又はモジュールをさらに付け加えることによって温度が上昇することを防止する方法を使うことができるが、新しい冷却システムの導入によって費用が上昇することになり、装着される冷却システムの大きさによって適用位置及び配列に関する再設計が必要になる。

一方、二次電池の異常な作動状態の場合、電流の流れを遮断する方法を使うことができるが、一定の限界点以上に温度が上昇する場合には発火又は爆発を防止しにくい問題がある。

また、韓国特許登録第１６９７７６４号公報は、黒鉛構造体、及び前記黒鉛構造体に含浸された低粘度のモノマー、オリゴマー、樹脂及びこれらの組合せからなる群から選択される少なくとも１種を含む予備複合材料を形成する高分子複合材料を開示している。

前記技術は放熱性の高い素材を開示しているが、パウチ型二次電池に適用するための認識がなく、高分子複合材料が電池ケースの内部で電解液と反応するおそれがある問題がある。

他の先行技術として、韓国特許公開第２０１６−００４０１６７号公報は融点の違う異種金属が結合された接続部材を含む電池パックを開示し、韓国特許登録第１５２０１６８号公報は互いに異なる厚さを有するクラッド構造の電極リード部を含むリチウム二次電池を開示し、日本国特許公開第２０００−０３０９７５号公報はフィラーであるセラミック粒子又はセラミック纎維がマトリックスである金属内に分散されている金属系複合材料製の巻芯に放熱部材が接続された構造の冷却部品を開示しているが、パウチ型二次電池の内部に位置しながら放熱性を高めるための方法は提示できていない。

したがって、電池セルの厚さの増加に及ぶ影響を最小化するとともに追加的な装備をパウチ型二次電池の外部に付着しなくても二次電池の内部の熱を早く排出することによって安全性を高めることができる技術に対する必要性が高い実情である。

本発明は前記のような従来技術の問題点と過去から要請されて来た技術的課題を解決するために、金属層及び樹脂層を含むラミネートシートの電池ケースを備えるパウチ型二次電池であって、電極組立体とラミネートシートの金属層を連結するための熱伝逹部材を含む場合、電極組立体で発生する熱が熱伝逹部材を介してラミネートシートの方向に早く排出されることができるので高い放熱性を有するパウチ型二次電池を提供することができる。

また、二次電池の充放電のような正常使用中に発生する熱も早く排出されるので電池の寿命を向上させることができ、二次電池の異常な使用によって高温現象が発生することを防止することができるので、発火又は爆発を防止して安全性が向上した二次電池を提供することができる。

このような目的を達成するための本発明によるパウチ型二次電池は、電極組立体及び電解液を収納するラミネートシートを備えるパウチ型二次電池であって、前記ラミネートシートは、外部被覆層、金属層及び内部接着層を含む構造であり、前記電極組立体とラミネートシートの金属層を連結させるための熱伝逹部材を含む構造を有することができる。

すなわち、電極組立体と電池ケース用ラミネートシートの間に熱伝逹部材が位置し、前記熱伝逹部材は電極組立体とラミネートシートの金属層を連結させる構造であるので、電極組立体で発生する熱エネルギーがラミネートシートの金属層を介して早く排出されることができる。

このように、本発明は一般的な厚さを有する電極集電体を使う。従来に電極集電体として厚い金属板を使うことによって全体的な電極組立体の厚さが増加した問題を防止することができる。また、電池ケースの内部である電極組立体と電池ケースの間に熱伝逹部材が位置するから、電池ケースの外部に冷却部材がさらに付加される場合に比べて全体的な二次電池の大きさを減らすことができるので、小型デバイスに適用可能であり、冷却部材の追加による費用を減らすことができる。

一具体例で、前記熱伝逹部材は電極組立体とラミネートシートの金属層を連結する構造を有する。ラミネートシート電極組立体が熱伝逹部材を挟んでいる状態で密着して配列されても、ラミネートシート金属層と電極組立体の間にラミネートシートの内部接着層が位置するため、電極組立体とラミネートシートの金属層は直接連結されることができない。

したがって、前記ラミネートシートの金属層と電極組立体が直接連通する構造に作るために、前記熱伝逹部材は前記ラミネートシートの内部接着層を貫く突出構造を含むように構成されることができる。

前記電極組立体とラミネートシートの間に位置する前記熱伝逹部材は、電極組立体の最外側電極と接触するように、ラミネートシートに付着された構造になることができる。

例えば、ラミネートシートの製造時、内部接着層の外面に熱伝逹部材を位置させた後にラミネーティングすることにより、熱伝逹部材の少なくとも一部がラミネートシートの金属層と接触することができ、熱伝逹部材とラミネートシートが一体型になることができる。

もしくは、電池ケースに電極組立体を収納した後、電極組立体の表面に熱伝逹部材を位置させた状態で電池ケースを密封する場合、電極組立体収納部の高さ、電極組立体の高さ及び熱伝逹部材の高さを調節することによって熱伝逹部材の一部が金属層と接触するように構成することもできる。ここで、密封段階で熱伝逹部材の一部と金属層と連結されないとしても、脱気過程で熱伝逹部材と金属層を連結することができる。

また、一般的に陽極及び陰極の間に分離膜が介装されて積層された構造の電極組立体は、最外側電極の外側面に電極活物質が塗布されなくて電極活物質未コーティング面が電極組立体の最外側に位置するように構成され、ラミネートシートと電極組立体の間に熱伝逹部材が位置する場合、前記熱伝逹部材は電極組立体の最外側電極の未コーティング面と接触する構造であってもよい。

前記熱伝逹部材は、平板状本体及び前記平板状本体の一面から垂直な方向に延びた突出部を備えることができ、前記平板状本体はラミネートシートの内部接着層と電極組立体の最外側電極の間に位置し、前記突出部は内部接着層を貫く構造になることができる。

一具体例で、前記熱伝逹部材は前記電極組立体の最外側電極の外側面から垂直な方向に延びた突出構造になることができ、前記突出構造の端部はラミネートシートの金属層と連結されることができる。

前記突出構造は電極組立体の最外側電極と結合された構造であってもよく、電極及び熱伝逹部材の結合体であってもよい。

もしくは、前記突出構造は電極組立体の最外側電極から分離可能な構造であってもよく、前記最外側電極の平面及びラミネートシートの金属層と直交する形態に位置することができ、ラミネートシートの内部接着層に突っ込まれている針状又は柱状構造であってもよい。

前記突出構造は複数の突起が一定の間隔で均一に形成される構造になることができる。電極組立体の熱エネルギーをラミネートシートの方向に早く移動させるための効率性を考慮すると、多数の突起が形成されることができ、熱エネルギーが電極組立体の外面全体で均一に伝達されるために、前記突出構造が一定の間隔で形成されることが好ましい。

前記突出構造はラミネートシートの内部接着層を貫いて電極組立体とラミネートシートの金属層を連結する構造であり、前記突出構造の高さはラミネートシートの内部接着層の厚さを基準に１００％〜１２０％であってもよく、好ましくは１１０％〜１２０％であってもよい。

前記突出構造の高さがラミネートシートの内部接着層厚さの１００％より小さい場合には、電極組立体とラミネートシートの金属層が連結できなくなり、１２０％より大きな場合には、電極組立体とラミネートシート間の離隔空間が大きくなって無駄に浪費される空間が増えるだけでなく、放熱効果が低くなる問題が発生することがあるから好ましくない。

具体的に、一般的にラミネートシートの内部接着層の高さが２０μｍ〜１００μｍである点を考慮すると、前記突出構造の高さは２０μｍ〜１４０μｍの範囲であってもよく、好ましくは２２μｍ〜１２０μｍの範囲であってもよい。

前記突出構造の高さが２０μｍより小さい場合には電極組立体とラミネートシートの金属層が連結できなくなり、１２０μｍより大きな場合には電極組立体とラミネートシート間の離隔空間が大きくなって無駄に浪費される空間が増える問題があるから好ましくない。

前記電極組立体の最外側電極がラミネートシートの内部接着層と接する構造になる点を考慮すると、前記電極組立体は陽極及び陰極の間に分離膜が介装されて積層される構造であることが好ましい。例えば、前記電極組立体は、スタック型電極組立体、スタック／フォルディング型電極組立体、又はラミネーション／スタック型電極組立体であってもよく、あるいは前記電極組立体の１種以上が積層される構造であってもよい。

また、前記スタック型電極組立体、スタック／フォルディング型電極組立体、及びラミネーション／スタック型電極組立体のそれぞれを単位セルとするとき、前記単位セルの平面上の大きさは互いに同一であってもよいが、互いに異なる大きさの単位セルが積層される構造になることもできる。

一方、本発明によるパウチ型二次電池は、電極組立体の最外側電極と電池ケースの金属層が互いに連結される構造を有する。電池ケースの上部ケース及び下部ケースが熱融着によって密封されるとき、上部ケース及び下部ケースのそれぞれの金属層が互いに接触することができる点を考慮すると、二次電池の短絡を防止するために、前記電極組立体は最外側電極が互いに同じ電極からなることができる。

もしくは、電極組立体の最外側電極の中で一側の電極のみ電池ケースの金属層と連結される構造の場合には、電極組立体の最外側電極が互いに異なる電極からなることができるのは言うまでもない。

前記熱伝逹部材は電池セルの内部の熱エネルギーを速かに電池セルの外部に排出するための部材であり、前記熱伝逹部材は熱伝導性の高い金属で構成されていることが好ましい。

例えば、前記熱伝逹部材は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、炭素（Ｃ）及び鉄（Ｆｅ）からなる群から選択される１種以上からなることができ、好ましくはアルミニウム又は銅からなることができる。

また、本発明は、前記パウチ型二次電池を含む電池パックを提供することができる。

具体的に、前記電池パックは、高温安全性及び長いサイクル特性と高いレート特性などが要求されるデバイスの電源として使われることができる。このようなデバイスの具体的な例としては、モバイル電子機器（ｍｏｂｉｌｅ ｄｅｖｉｃｅ）、ウェアラブル電子機器（ｗｅａｒａｂｌｅ ｄｅｖｉｃｅ）、電池的モーターによって動力を受けて動作するパワーツール（ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ）；電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＰＨＥＶ）などを含む電気車；電気自転車（Ｅ−ｂｉｋｅ）、電気スクーター（Ｅ−ｓｃｏｏｔｅｒ）を含む電気二輪車；電気ゴルフカート（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｏｌｆ ｃａｒｔ）；電力貯蔵装置（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）などを挙げることができるが、これに限定されるものではない。

これらのデバイスの構造及びその製作方法は当該分野に公知となっているので、本明細書ではそれについての詳細な説明は省略する。

一実施例による電極組立体の垂直断面図である。 一実施例によるラミネートシート、熱伝逹部材及び電極の一部の分解斜視図である。 図２のラミネートシート、熱伝逹部材及び電極の一部の垂直断面図である。 他の一実施例によるラミネートシート、熱伝逹部材及び電極の一部の分解斜視図である。 図４のラミネートシート、熱伝逹部材及び電極の一部の垂直断面図である。

以下、添付図面に基づいて本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を易しく実施することができる実施例を詳細に説明する。ただ、本発明の好適な実施例に対する動作原理を詳細に説明するに当たり、関連の公知機能又は構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにする可能性があると判断される場合にはその詳細な説明を省略する。

また、図面全般にかけて類似の機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を付ける。明細書全般で、ある部分が他の部分と連結されていると言うとき、これは直接的に連結されている場合だけではなく、その中間に他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むとは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

本発明を図面に基づいて詳細な実施例とともに説明する。

図１は本発明のパウチ型二次電池に使われる電極組立体の垂直断面図を模式的に示している。

図１を参照すれば、電極組立体１００は、陽極集電体１０２の一側面又は両側面に陽極活物質１０１がコートされた陽極と陰極集電体１０４の一側面又は両側面に陰極活物質１０３がコートされた陰極との間に分離膜１１０が介装された状態に積層されたスタック型電極組立体である。

電極組立体１００は、上端最外側電極としては陰極が位置し、下端最外側電極としては陽極が位置する。しかし、電極組立体１００の両端最外側電極が互いに同一であってもよく、陽極又は陰極の同一電極が位置することができる。

電極組立体１００の上端最外側電極は陰極集電体１０４の内側面にのみ陰極活物質１０３がコートされた片面陰極であり、下端最外側電極は陽極集電体１０２の内側面にのみ陽極活物質１０１がコートされた片面陽極から構成され、最外側電極を除いた残りの中心部電極は電極集電体の両面に電極活物質がコートされた両面電極から構成される。

このように、熱伝逹部材と対面する電極組立体の最外側に金属素材の電極集電体が位置するから、電極組立体の熱エネルギーが熱伝逹部材を介してパウチケースの方向に早く移動することができる。

また、最外側電極として電極活物質がコートされていない未コーティング電極が使われれば、図１のスタック型電極組立体１００の代わりにラミネーション／スタック型電極組立体、スタック／フォルディング型電極組立体も使われることができるのは言うまでもない。

図２は一実施例によるラミネートシート、熱伝逹部材及び電極の一部の分解斜視図を模式的に示し、図３は図２のラミネートシート、熱伝逹部材及び電極が結合された状態の垂直断面図を模式的に示している。

図２及び図３を参照すれば、ラミネートシート２１０は、外部被覆層２０１、金属層２０２及び内部接着層２０３が順次積層された層状構造である。ラミネートシート２１０の内側面は熱伝逹部材２２０と対面しており、熱伝逹部材２２０の平板状本体２２１はラミネートシート２１０の内部接着層２０３と電極２３４の間に位置し、突出部２２２は内部接着層２０３の内部を貫いて金属層２０２と接している。

突出部２２２は直方体構造のように示されているが、金属層方向の端部が半球形になるか、全体的に三角錐形構造であってもよく、又は線形構造であってもよいが、放熱性を高めるためにラミネートシートの金属層との接触面をできるだけ増やすことが好ましい。

突出部２２２の高さｈ２は内部接着層２０３の厚さｈ１と同じ厚さを有するものとして示されているが、内部接着層２０３の厚さｈ１を基準に１００％〜１２０％の範囲であってもよい。

突出部２２２は平板状本体２２１の平面に対して垂直方向に突出した構造であり、突出部２２２は互いに均一な間隔で離隔するように位置する。

したがって、電極組立体の熱エネルギーは最外側電極から熱伝逹部材を介してラミネートシートの金属層の方向に移動し、最外側電極の全部分で均一で速かに熱エネルギーが移動することができる。

図４は他の一実施例によるラミネートシート、熱伝逹部材及び電極の一部の分解斜視図を模式的に示し、図５は図４のラミネートシート、熱伝逹部材及び電極の一部の垂直断面図を模式的に示している。

図４及び図５を参照すれば、ラミネートシート３１０は、外部被覆層３０１、金属層３０２及び内部接着層３０３が順次積層された層状構造である。

電極３３４の上面には熱伝逹部材３３２が電極の上面に対して垂直方向に付着されており、電極３３４及び熱伝逹部材３３２の結合体３３０を電池ケースに収納すれば、熱伝逹部材３３２は電池ケースであるラミネートシート３１０の内部接着層３０３を貫いてラミネートシート３１０の金属層３０２と接する。

熱伝逹部材３３２の形状及び高さは熱伝逹部材２２０の突出部２２２と同じものと見なすことができるので、これについての説明は省略する。

このように、電極及び熱伝逹部材の結合体を形成する場合は、電極組立体の製造時に前記結合体を使って製造することが工程上の便宜性を考慮して適切であり、熱伝逹部材３３２を使う場合、熱伝逹部材２２０を使うことに比べ、平板状本体の厚さの分だけ電池の容量を増やすことができる利点がある。

すなわち、本発明によるパウチ型二次電池は電池ケースの内部に熱伝逹部材を含む構造であり、電池の内部で発生する熱エネルギーの排出が可能であって安全性が向上した二次電池を提供することができる。

以下では、本発明による実施例を参照して説明するが、これは本発明のより容易な理解のためのもので、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。

熱伝導性測定

＜実験例＞

一般的に使われる導電性接着剤の熱伝導性と本発明による熱伝逹部材の熱伝導性の差を確認するために、下記のように市販の導電性接着剤７種を比較例１〜７に示し、本願の主要熱伝逹部材５種を実施例１〜５に示して熱伝導性を測定した。

熱伝導性は常温２５℃でＭａｔｈｉｓ社製のＴＣ−３０を使って測定し、熱伝導度の測定のための関連規格はＡＳＴＭ Ｃ５１８を参考した。追加的に、前記装備の他にも、固体、液体及びペースト類の熱伝導度を同時に測定することができる装備を用いた熱伝導度の測定が可能である。

比較例１〜７の製造社及び基礎物質は下記の表１の通りである。

前記実施例１〜５の熱伝逹部材及び比較例１〜７の導電性接着剤の熱伝導性を測定した結果は下記の表２のようである。

前記表２を参照すれば、同じ基礎物質が同じ素材からなった場合であっても、導電性接着剤から製造される場合には、熱伝逹部材から製造された場合に比較すると、著しく低い熱伝導性を有することが分かる。

例えば、基礎物質がアルミニウムである場合の実施例１と比較例１を比較すると、実施例１の熱伝導性は比較例１の熱伝導性の約１９６倍に至ることを確認することができる。

したがって、電極組立体とラミネートシートの間に導電性接着剤が塗布され、前記導電性接着剤を介してラミネートシートの金属層と電極組立体が連結される構造になったパウチ型二次電池を使っても、前記導電性接着剤の低い熱伝導性によって、前記パウチ型二次電池の内部で発生する熱エネルギーを電池ケースの外部に早く排出することが容易でないことを予想することができる。

本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば前記内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用及び変形をなすことが可能であろう。

以上で説明したように、本発明によるパウチ型二次電池は電池ケースの内部に電極組立体とラミネートシートの金属層を連結させるための熱伝逹部材を含む構造であるので、全体的な二次電池の厚さ増加を最小化することができ、電池セルの容量減少を防止することができる。

また、電池の内部で発生する熱エネルギーを電池ケースの外部に早く排出することができるので、二次電池の異常な使用によって発生する熱暴走現象を防止することができ、電池セルの劣化による寿命低下を最小化して寿命特性を向上させ、安全性が向上した二次電池を提供することができる利点がある。

１００ 電極組立体
１０１ 陽極活物質
１０２ 陽極集電体
１０３ 陰極活物質
１０４ 陰極集電体
１１０ 分離膜
２０１、３０１ 外部被覆層
２０２、３０２ 金属層
２０３、３０３ 内部接着層
２１０、３１０ ラミネートシート
２２０、３３２ 熱伝逹部材
２２１ 平板状本体
２２２ 突出部
２３４、３３４ 電極
３３０ 電極及び熱伝逹部材の結合体
ｈ１ 内部接着層の厚さ
ｈ２ 突出部の高さ

Claims (12)

1. 電極組立体及び電解液を収納するラミネートシートを備えるパウチ型二次電池であって、
   前記ラミネートシートは、外部被覆層、金属層及び内部接着層を含む構造であり、
   前記電極組立体と前記ラミネートシートの前記金属層を連結させるための熱伝逹部材を含む、パウチ型二次電池。
2. 前記熱伝逹部材は、前記ラミネートシートの前記内部接着層を貫く突出構造を含む、請求項１に記載のパウチ型二次電池。
3. 前記熱伝逹部材は、前記電極組立体の最外側電極と接触するように前記ラミネートシートに付着されている、請求項１または２に記載のパウチ型二次電池。
4. 前記熱伝逹部材は、平板状本体及び前記平板状本体の一面から垂直な方向に延びた突出部を備える、請求項１〜３の何れか一項に記載のパウチ型二次電池。
5. 前記熱伝逹部材は、前記電極組立体の最外側電極の外側面から垂直な方向に延びた突出構造である、請求項１〜４の何れか一項に記載のパウチ型二次電池。
6. 前記突出構造は、複数の突起が一定の間隔で均一に形成される、請求項２又は５に記載のパウチ型二次電池。
7. 前記突出構造の高さは前記ラミネートシートの内部接着層の厚さを基準に１００％〜１２０％である、請求項２又は５に記載のパウチ型二次電池。
8. 前記突出構造の高さは２０μｍ〜１４０μｍの範囲である、請求項２又は５に記載のパウチ型二次電池。
9. 前記電極組立体は、スタック型電極組立体、スタック／フォルディング型電極組立体、及びラミネーション／スタック型電極組立体からなる群から選択される１種以上である、請求項１〜８の何れか一項に記載のパウチ型二次電池。
10. 前記電極組立体は、最外側電極が互いに同じ電極から構成されるか、又は互いに異なる電極から構成される、請求項９に記載のパウチ型二次電池。
11. 前記熱伝逹部材は、熱伝導性の高い金属からなる、請求項１〜１０の何れか一項に記載のパウチ型二次電池。
12. 前記熱伝逹部材は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、炭素（Ｃ）及び鉄（Ｆｅ）からなる群から選択される１種以上からなる、請求項１〜１１の何れか一項に記載のパウチ型二次電池。

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