DE19837625A1 - Lithiummanganoxid, Verfahren zu seiner Herstellung und Lithiumsekundärbatterie - Google Patents
Lithiummanganoxid, Verfahren zu seiner Herstellung und LithiumsekundärbatterieInfo
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Description
Die Erfindung befaßt sich mit einer Lithiumsekundärbatterie
und betrifft ein Lithiummanganoxid in Form eines feinen Pulvers,
ein Verfahren zu seiner Herstellung und eine Lithiumsekundärbat
terie, die eine das Lithiummanganoxid als aktives Material ent
haltende positive Elektrode aufweist.
In einer Lithiumsekundärbatterie hängt die Lade- und Entla
dekapazität des aktiven Materials von der Teilchengröße des
aktiven Materials und von der Teilchenstruktur ab. Das heißt,
daß die Diffusionsgeschwindigkeit der Lithiumionen mit abnehmen
der Teilchengröße des aktiven Materials zunimmt, wodurch die
Lade- und Entladekapazität der positiven Elektrode erhöht wird.
Wenn die Teilchenstruktur die Diffusion der Lithiumionen er
leichtert, nimmt gleichfalls die Lade- und Entladekapazität der
positiven Elektrode zu.
Wie Lithiumnickeloxid LiNiO2 und Lithiumcobaltoxid LiCoO2
wird Lithiummanganoxid LiMn2O4 als aktives Material der positiven
Elektrode in einer Lithiumsekundärbatterie verwandt. Lithiumman
ganoxid ist bevorzugt, da es eine hohe Energiedichte bei niedri
gen Kosten ohne Verunreinigungs- und Umweltverschmutzungsgefahr
liefert.
Es gibt verschiedene Verfahren zum Herstellen dieses akti
ven Materials für die positive Elektrode. Zwei dieser Verfahren
werden im folgenden beschrieben.
Bei dem ersten Verfahren, nämlich dem Festlösungssynthese
verfahren, wird das Lithiummanganoxid dadurch erhalten, daß ein
Lithiumsalz und Manganoxid in einer Kugelmühle gemischt werden
und anschließend das Gemisch wärmebehandelt wird. Während der
Wärmebehandlung wird das Lithiumsalz aufgespalten und werden die
abgetrennten Lithiumionen in die Gitterstruktur des Manganoxids
eingebaut, so daß sich Lithiummanganoxid ergibt. Dabei nimmt die
Teilchengröße mit steigender Temperatur und Zeit der Wärmebe
handlung zu. Es ist daher wichtig, die Temperatur und die Zeit
des Wärmebehandlungsvorganges in passender Weise zu steuern.
Ein anderes Verfahren ist ein Sol-Gel-Verfahren, das in
weitem Umfang für die Keramiksynthese benutzt wird. Da mit dem
Sol-Gel-Verfahren Oxide synthetisiert werden können, die eine
vergleichsweise stabile Struktur haben, wird dieses Verfahren
dazu benutzt, Lithiummetalloxid herzustellen, das als aktives
Material der positiven Elektrode einer Lithiumsekundärbatterie
verwandt wird. Bei dem Sol-Gel-Verfahren werden eine sol- oder
kolloidartige Lösung, die das Rohmaterial enthält, und eine
Chelatverbindung gebildet und werden dann Lithium- und Metall
kationen mit der Chelatverbindung unter passenden Bedingungen
kombiniert. Dann wird das Chelat zersetzt und über einen thermi
schen Prozeß anschließend entfernt, wodurch sich ein Lithiumme
talloxid mit stabiler Struktur ergibt. Das Sol-Gel-Verfahren
liefert ein Lithiummetalloxidpulver, das feiner als das Pulver
ist, das nach dem obigen Festlösungssyntheseverfahren erhalten
wird. Die Zusätze (insbesondere die Chelatverbindung) sind je
doch mit hohen Kosten verbunden und der Gesamtarbeitsvorgang ist
kompliziert, da Hydrolysekondensationen und Ausflockungen wie
derholt ausgeführt werden müssen.
Durch die Erfindung sollen die obigen Probleme beseitigt
werden und soll daher ein Lithiummanganoxid (LiMn2O4) in Form von
feinen Teilchen gleichmäßiger Struktur geschaffen werden, das
die Kapazität einer positiven Elektrode als positives aktives
Material einer Lithiumsekundärbatterie erhöhen kann.
Durch die Erfindung soll weiterhin ein Verfahren angegeben
werden, mit dem problemlos ein derartiges Lithiummanganoxid
hergestellt werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Lithiumsekun
därbatterie, die eine positive Elektrode aufweist, die das Li
thiummanganoxid als aktives Material enthält.
Das erfindungsgemäße Lithiummanganoxid (LixMn2O4 mit x
gleich 1-1,05) hat eine feinpulvrige Form mit oktaederförmigen
Pulverteilchen.
Die Teilchengröße liegt vorzugsweise bei 0,3-1 µm und die
wirksame Oberfläche der Teilchen liegt bei 3-4,5 m2/g.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines feinen
Lithiummanganoxidpulvers (LixMn2O4 mit x gleich 1-1,05) umfaßt
die Schritte: (a) Lösen von Lithiumacetat und Manganacetat in
einem Lösungsmittel; (b) Zugabe von Gelatine in die Lösung, die
im Schritt (a) erhalten wurde, und Entfernen des Lösungsmittels,
um ein Gel zu bilden, (c) Bilden eines Lithiummanganoxidpulvers
durch Kalzinieren des Gels bei einer Temperatur von 300-500°C;
(d) Mahlen des Pulvers und Sintern des Basisproduktes auf einer
Temperatur von 750-850°C über 6-12 Stunden; und (e) Abkühlen
des gesinterten Produktes.
Vorzugsweise haben die Teilchen des feinen Lithiummangan
oxidpulvers eine Oktaederform, liegt ihre Teilchengröße bei 0,3-1 µm
und beträgt ihre wirksame Oberfläche 3-4,5 m2/g.
Die erfindungsgemäße Lithiumsekundärbatterie enthält eine
positive Elektrode mit einem Lithiummetalloxid als aktivem Mate
rial, eine kohlenstoffhaltige negative Elektrode und einen hy
drophoben Elektrolyten, wobei das Lithiummetalloxid der positi
ven Elektrode ein Lithiummanganoxid (LixMn2O4 mit x gleich 1-1,05)
ist, dessen Teilchen eine Oktaederform haben.
Vorzugsweise liegt die Teilchengröße bei 0,3-1 µm und
beträgt die wirksame Oberfläche der Teilchen 3-4,5 m2/g.
Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung beson
ders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher be
schrieben. Es zeigen
Fig. 1 in einer graphischen Darstellung die Änderungen in
der Kapazität des aktiven Materials bei wiederholten Aufladungen
und Entladungen in einer Lithiumsekundärbatterie, die Lithium
manganoxid enthält, das bei 800°C 6 Stunden lang gesintert wur
de, gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und
zwar bei einer Auflade- und Entladerate von 0,3C,
Fig. 2 in einer graphischen Darstellung eine Auflade- und
Entladecharakteristik mit hoher Rate (1C) einer Lithiumsekundär
batterie, die Lithiummanganoxid enthält, das bei 800°C 6 Stunden
lang gesintert wurde, gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels
der Erfindung,
Fig. 3 eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines dritten
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Lithiummanganoxids,
Fig. 4 in einer graphischen Darstellung die Änderungen in
der Kapazität des aktiven Materials bei wiederholten Aufladungen
und Entladungen in einer Lithiumsekundärbatterie, die Lithium
manganoxid gemäß des dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung
enthält (bei einer Auflade- und Entladerate von 0,3C) und
Fig. 5 in einer graphischen Darstellung die Änderungen in
der Kapazität des aktiven Materials bei wiederholten Aufladungen
und Entladungen in einer Lithiumsekundärbatterie, die Lithium
manganoxid gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfin
dung enthält.
Gemäß der Erfindung wird Gelatine bei einem Verfahren zur
Herstellung eines Lithiummanganoxidpulvers verwandt. Gelatine,
ein Protein, weint eine Aminogruppe und eine Cabonylgruppe auf.
Diese Funktionsgruppen wirken als reaktive Stellen für chelat
bildenden Kationen. Im Fall von Gelatine ist die Anzahl der
reaktiven Stellen pro Molekül annähernd 550 mal so groß wie die
von Citrat, das als Chelat bei dem herkömmlichen Sol-Gel-Verfah
ren benutzt wird. Die Reaktivität von Gelatine ist somit sehr
groß, was die Herstellungskosten des aktiven Materials für eine
positive Elektrode herabsetzt. Wenn Gelatine zum Bilden des
aktiven Materials für die positive Elektrode nach dem Sol-Gel-
Verfahren verwandt wird, bildet die Gelatine zwischen dem Li
thium als Hauptbestandteil des aktiven Materials der positiven
Elektrode und dem Mangankation ein Chelat, wodurch die Struktur
des sich ergebenden Lithiummanganoxids stabilisiert wird. Da
eine kleine Menge an Gelatine die anorganischen Kationen in ein
Gel im gefrorenen Zustand umwandeln kann, kann das herkömmliche
Problem bezüglich eines komplizierten Arbeitsvorganges ein
schließlich von Ausflockungen und Hydrolysekondensationen so
gering wie möglich gehalten werden, wodurch die Gesamtzeit ver
ringert werden kann, die für die Gesamtsynthese benötigt wird.
Die durch die Gelatine bestimmte Struktur wird nach der Entfer
nung der Gelatine über die folgenden Kalzinierungs- und Sinte
rungsprozesse beibehalten, so daß der größte Teil der Lithiumm
anganoxidteilchen eine Oktaederform hat, was die wirksame Ober
fläche erhöht.
Im folgenden wird das Verfahren der Herstellung von Lithi
ummanganoxid gemäß der Erfindung mehr im einzelnen beschrieben.
Nach dem Lösen von Lithiumacetat und Manganacetat in einem Lö
sungsmittel wird Gelatine der Lösung zugegeben. Lithiumacetat
und Manganacetat sind dabei in einem Molverhältnis von 1 : 2-1,05 : 2
gemischt, was dem üblichen Verhältnis ähnlich ist, das
für Lithiummanganoxid verwandt wird, das als aktives Material
der positiven Elektrode in einer Lithiumsekundärbatterie benutzt
wird. Die Gelatine wird vorzugsweise in einer Menge von 5-15 Gew.-%
auf der Grundlage der Gesamtmenge an Lithiumacetat und
Manganacetat zugegeben. Die erfindungsgemäße Wirkung wird durch
die Gelatinemenge nicht beeinflußt. Der obige Bereich an Gelati
ne liefert jedoch eine passende Löslichkeit. Als Lösungsmittel
wird Alkohol oder destilliertes Wasser, vorzugsweise Methanol
oder Ethanol verwandt.
Wenn die Gelatine durch Erhöhung der Temperatur auf 90-150°C
vollständig gelöst wird, wird das Lösungsmittel während
dieses Arbeitsvorganges spontan verdampft und entfernt, was ein
viskoses Material zum Ergebnis hat. Durch Abkühlung der Tempera
tur auf Raumtemperatur wird ein transparentes Gel erhalten. Wenn
das Gel durch Erhöhung der Temperatur auf 300-500°C kalziniert
wird, wird das Gel in der Anfangsphase langsam solubilisiert,
wobei Blasen erzeugt werden. Dann beginnt die Aufspaltung des
Polymers. Während dieses Arbeitsvorganges werden Kohlendioxid
und Dampf erzeugt, so daß sich Lithiummanganoxidpulver ergeben.
Nach dem Mahlen des Lithiummanganoxidpulvers, wird ein Sintern
über 6-12 Stunden ausgeführt, während die Temperatur auf 750-850°C,
vorzugsweise 800°C mit einer Temperaturzunahmegeschwin
digkeit von 1-3°C pro Minute erhöht wird. Ein Sintern über 6
Stunden oder weniger bei 800°C reicht dabei nicht aus. Im Gegen
satz dazu führt ein Sintern über 12 Stunden oder mehr bei 800°C
zu einem Teilchenwachstum, was die wirksame Oberfläche herab
setzt. Eine geringere wirksame Oberfläche verringert auch die
Kapazität. Das Produkt des Sintervorganges wird mit einer Ge
schwindigkeit von 0,1-2°C pro Minute abgekühlt, was ein feines
Lithiummanganoxidpulver mit oktaederförmigen Teilchen als akti
ves Material der positiven Elektrode gemäß der Erfindung zur
Folge hat. Die Oktaederform der feinen Teilchen des Lithium
manganoxidpulvers erlaubt eine problemlose Einlagerung und Aus
lagerung der Lithiumionen, was die Kapazität der Batterie er
höht.
Eine positive Elektrode kann aus dem aktiven Material nach
einem üblichen Verfahren gebildet werden, ohne daß es insoweit
Beschränkungen gibt. Bei der Herstellung einer Lithiumsekundär
batterie mit der in dieser Weise gebildeten positiven Elektrode
werden ein Leiter und ein Bindemittel, die üblicherweise benutzt
werden, verwandt. Acetylenruß oder Kohlenstoffruß können als
Leiter benutzt werden, und als Bindemittel kann ein Polyvinyli
denfluorid verwandt werden.
Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen anhand von
Beispielen beschrieben, auf die die Erfindung jedoch nicht be
schränkt ist.
0,5 Mol Lithiumacetat (CH3CO2Li.H2O) und 0,2 Mol Manganacetat
(CH3CO2)2Mn.4H2O) wurden langsam 50 ml Methanol zugegeben und
vollständig durch Rühren gelöst. Anschließend wurden 4 g Gelatine
der Lösung zugegeben, woraufhin das Gemisch auf 120°C erwärmt
wurde, um das Lösungsmittel zu entfernen und dadurch ein Gel zu
bilden. Das Gel wurde bei 400°C kalziniert, um ein Lithiumman
ganoxidpulver (LiMn2O4) zu bilden. Das Pulver wurde dann in einem
Mörser gemahlen. Das gemahlene Lithiummanganoxid wurde dadurch
gesintert, daß die Temperatur auf annähernd 800°C mit einer
Geschwindigkeit von 1°C/Min. über 6 Stunden erhöht wurde, wor
aufhin eine Abkühlung auf Raumtemperatur mit einer Geschwindig
keit von 0,5°C/Min. folgte, was ein feinpulvriges Lithiummangan
oxid ergab. Die wirksame Oberfläche des erhaltenen Lithiumman
ganoxids betrug 4,5 m2/g.
6 ml N-Methylpyrrolidon wurden einem Gemisch zugegeben, das
das erhaltene Lithiummanganoxidpulver, Kohlenstoffruß und Poly
vinylidenfluorid (88 : 5:7 Gew.-%) enthielt und anschließend ver
mischt, bis eine Paste gebildet war. Nachdem die Paste in einem
Vakuumofen zum Entfernen der Blasen angeordnet war, wurde sie
auf eine Aluminiumfolie in der Stärke von 200 µm mit einem
Streichmesser geschichtet. Die sich ergebende Schicht wurde in
einem Vakuumofen bei 150°C zwei Stunden lang getrocknet und
anschließend zur Bildung einer Polplatte gepreßt. Die Polplatte
wurde auf eine Kreisscheibe mit einem Durchmesser von 2 cm zu
geschnitten, so daß sie die positive Elektrode für eine münzen- oder
tablettenförmige Zelle bildet. Anschließend wurde Lithi
umfolie in die gleiche Größe wie die Anode geschnitten und dann
mit einer Nickelfolie verpreßt, so daß sich eine Anode ergab.
Die erhaltene Anode wurde in ein Fach in der Kappe der Zelle ge
schweißt. Ein Separator (3M) und ein Elektrolyt (EC/DMC (Ethy
lencarbonat/Dimethylencarbonat) + LiPF6) wurden eingegeben, so
daß sich eine fertige Zelle ergab.
Die erhaltene Zelle wurde mit einer Rate von 0,3C aufge
laden und entladen. Das Ergebnis ist in Fig. 1 dargestellt die
es in Fig. 1 dargestellt ist, betrug die Anfangskapazität des
aktiven Materials 129 mAh/g und lag die Kapazität des aktiven
Materials nach 30 Auflade- und Entladezyklen nahezu auf dem
gleichen Wert wie bei 20 Auflade- und Entladezyklen.
Die Änderung in der Kapazität des aktiven Materials wurde
gleichfalls nach der Entladung und Aufladung der Zelle in bis zu
100 Zyklen mit einer hohen Rate (1C) gemessen, das Ergebnis ist
in Fig. 2 dargestellt.
Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß die Kapazität des aktiven
Materials nach 80 Aufladungen und Entladungen leicht angestiegen
ist. Die Kapazität des aktiven Materials nach 100 Aufladungen
und Entladungen bei hoher Rate erreicht 75% der Anfangskapazi
tät des aktiven Materials. Aus dem obigen Ergebnis ergibt sich,
daß eine gute Zelle mit einer Entlade- und Aufladecharakteristik
mit hoher Ladegeschwindigkeit erhalten werden kann, wenn das
Lithiummanganoxid gemäß der Erfindung als aktives Material der
positiven Elektrode der Lithiumsekundärbatterie verwandt wird.
4 g Gelatine wurden vollständig in 50 ml destilliertem
Wasser gelöst. Anschließend wurden 1 Mol Lithiumacetat
(CH3CO3Li.2H2O) und 2 Mol Manganacetat ((CH3CO2)2Mn.4H2O) der Lösung
zugegeben und vollständig durch Rühren gelöst. Die sich ergeben
de Lösung wurde dann auf 90°C erwärmt, um das Lösungsmittel zu
entfernen und dadurch ein Gel zu bilden. Abgesehen davon wurden
ein feinpulvriges Lithiummanganoxid (LiMn2O4) und eine Lithium
zelle mit diesem Lithiummanganoxid als aktivem Material der
positiven Elektrode nach dem gleichen Verfahren wie beim Bei
spiel 1 hergestellt.
Die Auflade- und Entladeversuche wurden an der erhaltenen
Lithiumzelle durchgeführt. Das Ergebnis war, daß die Kapazitäts
charakteristik des aktiven Materials und die Auflade/Entlade
charakteristik bei hoher Auflade- und Entladegeschwindigkeit
genauso gut wie beim Beispiel 1 waren.
Ein feinpulvriges Lithiummanganoxid wurde nach dem Verfah
ren des Beispiels 1 mit der Ausnahme hergestellt, daß das gemah
lene Lithiummanganoxid bei 800°C 12 Stunden lang gesintert wur
de. Die wirksame Oberfläche des feinen Lithiummanganoxidpulvers
betrug 3,7 m2/g. Eine Aufnahme des feinen Pulvers mittels eines
Elektronenmikroskopes ist in Fig. 3 dargestellt. Fig. 3 zeigt,
daß die Teilchen des feinen Pulvers oktaederförmig sind und daß
die Teilchengröße unter 1 µm liegt.
Eine münzen- oder tablettenförmige Zelle wurde unter Ver
wendung dieses Lithiummanganoxids als aktivem Material der posi
tiven Elektrode nach dem gleichen Verfahren wie beim Beispiel 1
hergestellt. Es wurden wiederum Auflade- und Entladeversuche an
der Zelle durchgeführt, das Ergebnis ist in Fig. 4 dargestellt.
Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die Anfangskapazität des
aktiven Materiale 123 mAh/g betrug, was noch über dem bevorzug
ten Kapazitätswert liegt. Die Kapazität des aktiven Materials
nahm bei wiederholten Auflade- und Entladezyklen ab. Diese Ab
nahme in der Kapazität des aktiven Materials lag jedoch inner
halb eines erlaubten Bereiches. Es wird davon ausgegangen, daß
der Grund für die Abnahme der Anfangskapazität des aktiven Mate
rials verglichen mit dem Beispiel 1 darin besteht, daß die wirk
same Oberfläche des Pulvers abgenommen hat als die Pulver mit
zunehmender Sinterdauer wuchsen.
Ein feines Lithiummanganoxidpulver (Li0,05Mn2O4) und eine
tabletten- oder münzenförmige Lithiumzelle wurden mit dem Li
thiummanganoxidpulver als aktivem Material der positiven Elek
trode mit dem gleichen Verfahren wie beim Beispiel 3, allerdings
mit der Ausnahme hergestellt, daß Lithiumacetat und Manganoxid
in einem Molverhältnis von 1,05 : 2 zugegeben wurden. Ein Auflade- und
Entladetest wurde an der Lithiumzelle durchgeführt, das
Ergebnis ist in Fig. 5 dargestellt.
Fig. 5 zeigt, daß die Anfangskapazität des aktiven Materi
als 117 mAh/g betrug und daß die Kapazität des aktiven Materials
durch wiederholte Auflade- und Entladezyklen kaum abnahm.
Aus dem obigen ergibt sich, daß das feinpulvrige Lithiumm
anganoxidpulver gemäß der Erfindung eine Oktaederform hat und
aufgrund seiner Feinheit die Kapazität vergrößern kann, wenn es
als aktives Material der positiven Elektrode für eine Lithiumse
kundärbatterie verwandt wird. Das Lithiummanganoxid kann weiter
hin problemlos mit niedrigen Kosten hergestellt werden. Eine
Lithiumsekundärbatterie, die eine positive Elektrode verwendet,
die das Lithiummanganoxid als aktives Material enthält, hat
daher eine verbesserte Kapazitätscharakteristik und eine Hoch
geschwindigkeitslade- und -entladecharakteristik, was den Anwen
dungsbereich vergrößert.
Claims (9)
1. Lithiummanganoxid (LixMn2O4 mit x gleich 1-1,05), da
durch gekennzeichnet, daß es in einer feinpulvrigen Form vor
liegt und die Teilchen des Pulvers eine Oktaederform haben.
2. Lithiummanganoxid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Teilchengröße 0,3-1 µm beträgt und daß deren
wirksame Oberfläche bei 3-4,5 m2/g liegt.
3. Verfahren zum Herstellen eines feinen Lithiummanganoxid
pulvers (LixMn2O4 mit x gleich 1-1,05), dadurch gekennzeichnet,
daß
- (a) Lithiumacetat und Manganacetat in einem Lösungsmittel gelöst werden,
- (b) Gelatine der im Schritt (a) erhaltenen Lösung zugegeben wird und das Lösungsmittel zur Bildung eines Gels entfernt wird,
- (c) Lithiummanganoxidpulver durch Kalzinieren des Gels bei 300-500°C gebildet wird,
- (d) das Pulver gemahlen wird und das gemahlene Produkt bei 750-850°C 6-12 Stunden lang gesintert wird, und
- (e) das gesinterte Produkt abgekühlt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Teilchen des feinen Lithiummanganoxidpulvers eine Oktaeder
form haben.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Teilchengröße 0,3-1 µm beträgt und daß die wirksame Ober
fläche der Teilchen bei 3-4,5 m2/g liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
das im Schritt (a) benutzte Lösungsmittel Alkohol oder destil
liertes Wasser ist.
7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Gehalt an Gelatine im Schritt (b) 5-15 Gew.-% auf der
Grundlage des Gesamtgewichtes an Lithiumacetat und Manganacetat
beträgt.
8. Lithiumsekundärbatterie mit einer positiven Elektrode,
die als aktives Material ein Lithiummetalloxid verwendet, mit
einer kohlenstoffhaltigen negativen Elektrode und einem hydro
phoben Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß das Lithiumme
talloxid der positiven Elektrode Lithiummanganoxid (LixMn2O4 mit
x gleich 1-1,05) ist, dessen Teilchen eine Oktaederform haben.
9. Lithiumsekundärbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Teilchengröße 0,3-1 µm beträgt und daß die
wirksame Oberfläche der Teilchen bei 3-4,5 m2/g liegt.
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