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JP2019067645A - 電池の検査方法 - Google Patents

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JP2019067645A JP2017192586A JP2017192586A JP2019067645A JP 2019067645 A JP2019067645 A JP 2019067645A JP 2017192586 A JP2017192586 A JP 2017192586A JP 2017192586 A JP2017192586 A JP 2017192586A JP 2019067645 A JP2019067645 A JP 2019067645A
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Mitsuhiro Taki
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章宏 小枝
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Abstract

【課題】生産ライン中でコンタミとして混入する要因物を精度良く検査可能な電池の検査方法を提供する。【解決手段】この検査方法は、金属箔を有する正極12及び負極11がセパレータ13を介して積層された発電要素10と、電解質60とを、外装体30内に備える電池1を検査する方法であり、外装体30の表面の凸状態の程度から疑義部を認定する疑義部認定工程(ステップS1)と、疑義部に認定された外装体30の表面の箇所を示すマーカ52、53を外装体30の表面に付すマーカ付設工程(ステップS2)と、マーカ52、53が付設された疑義部の箇所での電池1のX線透過画像を取得するX線透過画像取得工程(ステップS3)と、取得された疑義部でのX線透過画像から電池の良否を判定する判定工程(ステップS4)と、を含む。【選択図】図5

Description

本発明は、金属箔を有する正極及び負極がセパレータを介して積層された発電要素と、電解質とを、外装体内に備える電池を検査する技術に関する。
従来から、この種の電池において、生産ライン中でコンタミとして電池内部に混入するおそれがある要因物に対し、電池内部をX線CTや共振を利用して検査する方法が提案されている(例えば特許文献1参照)。
特開2010−249629号公報
ここで、特許文献1記載の技術では、要因物として想定される形状が既知であることから、既知形状とのパターンマッチングを行って、その結果、該当すれば廃棄するという方法である。
しかし、上記電池の外装体表面に凸部を生じさせ得る要因物としては、銅箔やアルミ箔等の金属箔の切断工程での切断片などの他、樹脂、ラミネートフィルム、生産設備自体からの摩耗粉など多様であり、その形状は一定ではないことから、既知形状とのパターンマッチング法を適用することはできない。
さらに、上記電池は、銅箔やアルミ箔等の金属箔が多層となっている積層構造を有するところ、外装体表面に凸部を生じさせ得る要因物の大きさは、数十ミクロンから一ミリ程度と微小である。そのため、この種の電池の検査において、単純に電池全体をX線CTスキャンするような検査方法では、銅箔やアルミ箔が多層となっている電池内の要因物とのS/N比が小さすぎるので、要因物を精度良く検出することが極めて困難である。
そこで、本発明は、生産ライン中でコンタミとして混入する要因物を精度良く検査可能な電池の検査方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る電池の検査方法は、金属箔を有する正極及び負極がセパレータを介して積層された発電要素と、電解質とを、外装体内に備える電池を検査する方法であって、前記外装体の表面の凸状態の程度から疑義部を認定する疑義部認定工程と、前記疑義部に認定された前記外装体の表面の箇所を示すマーカを前記外装体の表面に付すマーカ付設工程と、前記マーカが付設された前記疑義部の箇所での前記電池のX線透過画像を取得するX線透過画像取得工程と、取得された前記疑義部でのX線透過画像から前記電池の良否を判定する判定工程と、を含むことを特徴とする。
本発明の一態様に係る電池の検査方法によれば、疑義部認定工程により、外装体表面に凸部として確認された疑義部の部分に対し、マーカ付設工程により、疑義部をチェックするためのマーカを外装体の表面に付設する。そして、X線透過画像取得工程により、マーカが付設された疑義部の箇所での電池のX線透過画像を取得し、判定工程により、取得したX線透過画像から当該電池の良否を判定できる。そのため、不必要に電池を廃棄することが低減される。
本発明の一実施形態に係る検査対象となるリチウムイオン二次電池の模式的斜視図である。 図1のリチウムイオン二次電池のZ−Z断面図である。 本発明の一態様に係る電池の検査方法に用いる非破壊検査設備の一実施形態を説明する模式図である。 本発明の一態様に係る電池の検査方法に用いるマーカシートの一実施形態を説明する模式図である。 本発明の一態様に係る電池の検査方法の一実施形態を説明する非破壊検査フローである。
以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。
<検査対象となる電池の構成について>
まず、本実施形態のリチウムイオン二次電池の構成について説明する。
図1に示すように、このリチウムイオン二次電池1(以下、単に「電池」ともいう)は、略矩形のシート状の外観形状を有する積層型電池である。電池1は、ラミネートフィルムによって形成された外装体30を備える。
外装体30の周縁部には、負極端子21及び正極端子22が設けられている。本実施形態の電池1では、略矩形の外装体30の周縁部の一辺に、負極端子21及び正極端子22が隣り合って設けられている。また、負極端子21及び正極端子22は、それぞれ外装体30の内部から外部に向かって同一方向に導出されている。
電池1は、図2に示すように、負極11及び正極12がセパレータ13を介して交互に複数積層された発電要素10と、電解質として発電要素10に浸潤された電解液60とを外装体30内に備える。負極11、正極12及びセパレータ13は、いずれも膜状であり、発電要素10は平板状をなしている。負極11、正極12及びセパレータ13は空孔を有し、電解液60と接触すると電解液60が浸潤する。
同図に示すように、負極11は、負極集電体11Aの両主面上に負極活物質層11B、11Bを有する。負極活物質層11Bは、リチウムイオンを吸蔵及び放出し得る負極活物質を含有している。正極12は、正極集電体12Aの両主面上に正極活物質層12B、12Bを有する。正極活物質層12Bは、リチウムイオンを吸蔵及び放出し得る正極活物質を含有している。
発電要素10は、隣接する負極活物質層11B、セパレータ13及び正極活物質層12Bが1つの単電池層14を構成する。負極端子21及び正極端子22の端部のうち、外装体30内に配される端子端部は、外装体30内に封入された発電要素10の負極集電体11A及び正極集電体12Aそれぞれのタブ部分に、例えば溶接によって電気的に接続される。これにより、本実施形態の電池1は、単電池層14が複数積層されて、電気的に並列接続される。なお、同図に示す例では、3枚の負極11と2枚の正極12とが4枚のセパレータ13を介して交互に複数積層された構造を有するが、負極11、正極12及びセパレータ13の数は、これに限定されるものではない。
<電池1の製造方法について>
次に、上記電池1の製造方法について説明する。
負極11の製造に際しては、負極活物質として調製したスラリーを、銅箔等の金属箔から所望寸法に切断されてなる負極集電体11Aに塗布し、乾燥させ、負極活物質層11Bを形成して負極11を作製する。
また、正極12の製造に際しては、正極活物質として調製したスラリーを、アルミニウム箔等の金属箔から所望寸法に切断されてなる正極集電体12Aに、ホットプレート上にてドクターブレード等を用いて塗布し、乾燥させ、正極活物質層12Bを形成して正極12を作製する。
また、セパレータ13の製造に際しては、長手方向に一軸延伸されて微多孔膜からなる帯状セパレータ材を用意し、その帯状セパレータ材を所望の寸法にて矩形状に切断して作製する。次いで、負極11、セパレータ13、及び正極12を、図2に示したように積層して発電要素10を構成する。発電要素10を構成する際は、セパレータ13と電極11,12との相対位置に注意してこれらの部材を積層する。
その後に、負極11のタブ部分に負極端子21を取り付けるとともに、正極12のタブ部分に正極端子22を取り付ける。そして、外装体30となる一対のラミネートフィルムで発電要素10を両側から挟み、図1に示すように、負極端子21及び正極端子22の先端が、それぞれラミネートフィルムの外部に突出するように位置させつつ、一対のラミネートフィルムの一辺を除く3つの周縁部同士を熱融着し、一辺に開口部を有する袋状の外装体30とする。
次に、電解質である電解液60を、外装体30の開口部31から内部に所期の量だけ注液する。電解液60の注液により、発電要素10に電解液60を接触させて、発電要素10に電解液60を含浸させる。電解液60を注液し終えたら外装体30の開口部を熱融着して外装体30を密閉状態とする。これにより、図1および図2に示した、ラミネート型のリチウムイオン二次電池1が完成する。なお、電解液60として例えばゲル状の電解質を用いることもできる。
<電池1の非破壊検査について>
ここで、上述した電池1の品質を管理する上で、種々・多数の管理項目があるところ、基本的には、電池1の性能検査に合格後、外観検査に合格した製品が出荷される。外観検査とは、ラミネートフィルム製の外装体30の状態から良否判定を行う検査であり、検査項目の一つとして、例えば外装体30の表面に凸部がみられなければ合格品と判断する。一方、例えば図1にイメージを示すように、外装体表面に凸部Tがあると判断された場合、当該製品を破棄することが望ましい。なぜなら、その凸部Tを生じさせている要因物が、電池性能に将来影響を与えるおそれがあるかもしれないからである。
しかし、外装体表面に凸部Tがあるというだけで一律に総ての製品を破棄すると、凸部Tを生じさせている要因物が、電池性能に将来影響を与えない場合であっても製品を廃棄してしまうことになる。例えば、樹脂が要因物であれば電池1の性能に影響を与えるおそれがない。すなわち、外装体表面に凸部Tが確認された場合に、その凸部Tを生じさせている要因物が、将来、当該電池1の性能に影響を与えるか否かも視野に入れた非破壊検査を行うことにより、一層優れた製品を歩留まり良く出荷することに寄与する。そこで、本実施形態では、このような主旨に鑑み、上記電池1の非破壊検査を実施している。以下、詳しく説明する。なお、図1では、凸部Tを誇張したイメージを示しているが、上述した製造過程でコンタミとして混入し、外装体表面に凸部Tを生じさせ得る要因物の大きさは、数十ミクロンから一ミリ程度と微小である。
<電池1の非破壊検査に用いる非破壊検査設備について>
まず、本実施形態の電池1の非破壊検査に用いる非破壊検査設備について詳しく説明する。
図3に示すように、この非破壊検査設備40は、いわゆる産業用CTスキャナであって、X線を利用して検査対象を走査して得た画像を、コンピュータを用いて処理することで、検査対象の内部および外部を3次元データで表現する、卓上設置型のコンピュータ断層撮影装置である。
本実施形態の非破壊検査設備40は、線源41およびX線検出器42は回転せずに回転台43上の検査対象が回転するよう構成されている。詳しくは、この非破壊検査設備40は、同図に示すように、X線(同図の符号X)を検査対象に向けて照射するX線管球を有する線源41と、検査対象となる電池1を中央に位置させた状態で線源41の反対側に対向配置されたX線検出器42と、検査対象となる電池1を立てた姿勢で保持した状態で垂直な軸線まわりに回転させる回転台43と、を備える。
線源41は、X線管球から照射したX線ビームをコリメータ等にて狭め、扇型状となるファンビームとして電池1に向けて照射可能になっている。回転台43上には、支持具44が設けられている。支持具44は、回転台43の中央に相互に対向して立設された一対の挟持板44a,44bと、挟持部45と、を備える。挟持部45は、手で締結操作可能なねじによる締結挟持機構を有し、一対の挟持板44a,44bの一方を他方の対向方向に進退させて検査対象をその両側から挟持することにより、その保持および解除が可能に構成されている。
本実施形態の非破壊検査設備40は、不図示のモータの駆動で回転台43が回転することにより、検査対象となる電池1の周囲を線源41とX線検出器42が相対的に回転し、これにより、電池1はX線を周方向での全方位から受けるようになっている。電池1に照射された扇型状のX線は、電池1を透過時にその一部が電池1の構成部材に吸収されて減衰した後、線源41の反対側に位置するX線検出器42に到達し、それぞれの方向でX線がどの程度吸収されたかがデータとして記録される。
そして、記録されたデータからコンピュータによりCT画像が再構成される。本実施形態では、再構成されたCT画像を、3次元グラフィックスとして表示可能である。なお、CT画像の再構成手法としては、例えば解析的再構成法、代数的再構成法ないし統計的再構成法等の周知の手法によることができる。
なお、同図において符号Bで示す範囲内が、本実施形態の非破壊検査設備40での検査対象設置可能範囲である。例えば、この検査対象設置可能範囲Bにおいて、検査対象を線源41に近づけて幾何学的拡大率を大きくして検査対象の詳細を撮像したり、幾何学的拡大率を下げて幾何学不鮮明度の影響を小さくしたりできる。
この種のX線CTで得られる検査対象の基本的な画像は、検査対象の断面を表すモノクロ画像である。再構成されたCT画像上の白い部分(CT値(CT number)が高い部分)がX線の吸収度の高い部分であり、黒い部分(CT値が低い部分)がX線吸収の低い部分に対応する。金属(銅箔やアルミ箔等の金属箔)は高いCT値(例えば数千HU)を呈する。これに対し、それ以外の樹脂やラミネートフィルム片等はCT値が非常に低いことから、再構成されたCT画像から容易に金属とそれ以外の物質とを見分けることが可能である。
ここで、上述したファンビームは、例えばコーンビームよりもX線の散乱の影響が少なく、より鮮明な画像を取得できる。しかし、検査対象となる電池1を1ライン毎に走査する必要があるため、電池1全体の走査には時間を要する。これに対し、本実施形態では、図1に示すように、検査対象となる電池1に対し、外装体30の表面に凸部Tが確認された場合に、その凸部Tの箇所を疑義部として指定するマーカシート50を付設し、検査対象となる電池1の疑義部を走査することにより、検査精度および検査効率を向上させている。以下、本実施形態の電池1の非破壊検査に用いるマーカシート50について詳しく説明する、
<電池1の非破壊検査に用いるマーカシート50について>
図4に拡大図示するように、このマーカシート50は、平面視が矩形状をなす薄肉のシート部51と、シート部51上に予め付設された二つのマーカ52、53とを有する。シート部51は、平面視が矩形状をなす透明な樹脂(例えばポリプロピレン)製のシート部材であり、シート裏面が着脱可能な程度の粘着面とされている。シート部51として、ポリプロピレンシートに替えて、例えば、シート基材となる無色透明のセロファンの片面に粘着面を設けて帯状にしたセロファン粘着テープを用いることができる。
本実施形態の例では、シート部51の平面寸法は、例えば、幅Wが6mm程度、長さLが12mm程度に形成されている。同図のシート部51の中央に二点鎖線で示す部分は、疑義部と認定された凸部Tを位置させるための凸部対応領域54とされている。凸部対応領域54は、二点鎖線の範囲を窓として開口させてもよいし、窓を設けずにシート基材自体をそのまま用いてもよい。
二つのマーカ52、53は、X線吸収度の高い金属薄膜からなり、例えば銅箔を用いて構成されている。各マーカ52、53は、平面視が略V字形に形成され、同図に示すように、略V字形の凹の中心がシート部51の幅方向中央に一致する位置であって、略V字形の凹の側が長さLの方向の両側から、凸部対応領域54を挟むように付設されている。二つのマーカ52、53相互の対向方向での離隔距離(同図符号L方向での長さ)は、凸部対応領域54よりも外側に位置している。これにより、電池1の周囲を線源41とX線検出器42が相対回転して走査する時に、凸部Tの部分のX線透過画像に二つのマーカ52、53が干渉しないようになっている。
<電池1の非破壊検査方法について>
次に、本実施形態の電池1の非破壊検査方法について詳しく説明する。
上述した電池1を非破壊で検査する際は、図5に検査フローを示すように、検査員は、まず、例えば目視により、外装体30の表面の凸状態の程度から疑義部を認定する(同図のステップS1(疑義部認定工程))。検査員は、疑義部認定工程にて、外装体の表面の凸の程度が所定以上か否かを判断し、疑義部と認定される程度の凸部Tが無いと判断した場合は(ステップS1のNo)、電池1を破棄せずに、次の生産工程に当該電池1を送る(ステップS6)。
一方、疑義部認定工程にて、検査員が、疑義部と認定される程度の凸部Tが外装体30の表面に有ると判定した場合には(ステップS1のNo)、検査員は、図1に示すように、その疑義部に認定された外装体30の表面の箇所を示すマーカを外装体30の表面に付す(図5のステップS2(マーカ付設工程))。凸の程度が所定以上か否かは、例えば陰影の程度や凸の高さの程度から設定することができる。
マーカ付設工程は、X線吸収度の高いマーカを疑義部に設定された箇所またはその近傍に付する。本実施形態では、図1に示すように、両極端子21,22の延出方向に対して、二つのマーカ52、53が凸部Tを上下から挟むように、上記マーカシート50を外装体30の表面に貼り付けている。マーカ付設工程を経た電池1に対し、上記非破壊検査設備40を用いてCTスキャン検査が行われる(ステップS3(X線透過画像取得工程))。
CTスキャン検査では、まず、図3に示すように、電池1の両極端子21,22を上に向けた支持姿勢となるように支持具44で電池1を支持する。このとき、本実施形態では、マーカとして少なくとも2つのマーカ52、53を有する上記マーカシート50用い、線源41による一方向からのX線の照射方向に対し直角方向であって、2つのマーカ52、53間に疑義部(つまり、凸部T)を位置させるようにマーカシート50を貼り付けて、各マーカ52、53を外装体30の表面に付設する。
次いで、回転台43を回転させるとともにX線ビームを電池1に向けて照射し、電池1を走査して得たデータからコンピュータを用いて再構成処理をすることで、検査対象の電池1内部および外部が、CT画像および3次元データで表現される。
ここで、CTスキャン検査に際し、本実施形態のように、銅箔やアルミ箔が多層となっている電池1の場合、CT画像の画素値のダイナミックレンジを単純均等に白黒画像に割り付けてしまうと、外装体30表面に凸部Tを生じさせ得る要因物の大きさが、数十ミクロンから一ミリ程度と微小であるため、人間が観察する場合は、コントラスト不良となってしまい、ほとんど観察できなくなってしまうおそれがある。
そこで、本実施形態では、S/N比を上げて検出精度を向上させるために、凸部Tを生じさせ得る要因物に合わせたCT値を割り振って「要因物弁別条件」を設定する。つまり、多層となっている積層金属箔を含む発電要素10を有する電池1の内部構造を観察する場合、積層金属箔と要因物とを区別できるような「要因物弁別条件」で画像を観察する。
特に、本実施形態では、線源41による一方向からのX線の照射方向に対し直角方向であって、2つのマーカ52、53間に疑義部を位置させるように各マーカ52、53が外装体30の表面に付設されているので、検査員は、形状や材質が既知である2つのマーカ52、53を基準に複数の「要因物弁別条件」を切り替えながら、コンピュータのモニタ上でリアルタイムに疑義部のCT画像を観察し、電池1の外装体30表面に凸部Tを生じさせ得る要因物が銅箔やアルミ箔等の金属箔であるか否か、つまり要因物の材質を確実に且つ効率良く判定することができる(ステップS4(判定工程))。
<電池1の非破壊検査方法による作用効果について>
次に、本実施形態の電池1の非破壊検査方法の作用効果について詳しく説明する。
本実施形態に係る電池の非破壊検査方法では、上述したように、疑義部認定工程(ステップS1)により、外観検査でラミネートフィルム製の外装体30表面に凸部Tとして確認された疑義部の部分を検査部とし、マーカ付設工程(ステップS2)により、疑義部をチェックするためのマーカ52、53を外装体30の表面に予め付設する。そして、X線透過画像取得工程(ステップS3)により、二つのマーカ52、53が付設された疑義部の箇所での電池1のX線透過画像を取得し、続く判定工程(ステップS4)により、取得したX線透過画像からマーカ52、53の付設部分での要因物を効率良く抽出してその材質を精度良く判定できる。
特に、本実施形態に係る電池の非破壊検査方法では、銅箔やアルミ箔等の金属箔が多層となっている電池1に対し、金属箔と同様の材質が外装体30の中にある場合に、S/N比を上げて検出精度を向上させる必要があるところ、疑義部に金属箔と同様の材質からなるマーカ52、53を付すことによって、検査員がマーカ52、53が見えるように合わせたCT値を割り振って「要因物弁別条件」を設定するのである。
そして、金属と樹脂とではX線の透過率が大幅に異なるので、マーカ52、53が見える要因物弁別条件下において、マーカ52、53相互の間の凸部対応領域54部分の疑義部をチェックするだけで、要因物の材質が、マーカ52、53と同様の材質か否かを容易に見分けることができる。よって、本実施形態に係る電池の非破壊検査方法によれば、銅箔やアルミ箔等の金属箔が多層となっている電池1であっても、当該電池1の良否を効率良く且つ精度良く判定でき、不必要に電池1を廃棄することが低減される、という優れた効果を奏する。
なお、本発明に係る電池の検査方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、電池の一例として、リチウムイオン二次電池を例に説明したが、これに限らず、本発明は、金属箔を有する正極及び負極がセパレータを介して積層された発電要素と、電解質とを、外装体内に備える電池であれば、種々の電池に適用することができる。
また、例えば上記実施形態では、非破壊検査設備の一例として、非破壊検査設備40に、二次元CTスキャナを用いた例を示したが、これに限定されず、例えば、非破壊検査設備として、3次元CTスキャナを用いたり、ヘリカルCTスキャナを用いたりしてもよい。
また、例えば上記実施形態では、一のマーカシート50に予め付設した、金属箔と同様の材質からなる二つのマーカ52、53を用いた例で説明したが、これに限定されず、マーカの数は一つでもよいし、3以上のマーカを用いてもよい。また、一のマーカシート50に限らず、複数のマーカシートを用いてもよい。
但し、本実施形態のように、二つのマーカ52、53がX線吸収度の高い金属薄膜からなり、一方向からのX線の照射方向に対し直角方向であって、2つのマーカ52、53間に疑義部を位置させるように、各マーカ52、53が凸部対応領域54を挟むように付設され、さらに、二つのマーカ52、53相互を、対向方向で離隔して凸部対応領域54よりも外側に位置させれば、電池1の周囲を線源41とX線検出器42が相対回転して走査する時に、二つのマーカ52、53により疑義部を見つけやすくするとともに、凸部Tの部分のX線透過画像に二つのマーカ52、53が干渉しない。よって、銅箔やアルミ箔等の金属箔が多層となっている電池1の疑義部検査を効率良く且つ精度良く判定する上で好適である。
1 リチウムイオン二次電池(電池)
10 発電要素
11 負極
12 正極
13 セパレータ
14 単電池層
21 負極端子
22 正極端子
30 外装体
40 非破壊検査設備
50 マーカシート
60 電解液(電解質)
T (外装体表面の)凸部

Claims (4)

  1. 金属箔を有する正極及び負極がセパレータを介して積層された発電要素と、電解質とを、外装体内に備える電池を検査する方法であって、
    前記外装体の表面の凸状態の程度から疑義部を認定する疑義部認定工程と、
    前記疑義部に認定された前記外装体の表面の箇所を示すマーカを前記外装体の表面に付すマーカ付設工程と、
    前記マーカが付設された前記疑義部の箇所での前記電池セルのX線透過画像を取得するX線透過画像取得工程と、
    取得された前記疑義部でのX線透過画像から前記電池の良否を判定する判定工程と、
    を含むことを特徴とする電池の検査方法。
  2. 前記疑義部認定工程は、前記外装体の表面の凸の程度が所定以上の部分を前記疑義部に認定する請求項1に記載の電池の検査方法。
  3. 前記マーカ付設工程は、前記マーカとして、X線吸収度の高いマーカを前記疑義部に設定された箇所またはその近傍に付する請求項1または2に記載の電池の検査方法。
  4. 前記マーカ付設工程は、前記マーカを少なくとも2つ用い、一方向からのX線の照射方向に対し直角方向であって、2つのマーカ間に疑義部を位置させるように各マーカを付設する請求項1〜3のいずれか一項に記載の電池の検査方法。
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