鋰電池基礎(chǔ)

鋰電池是可充電電池，一般的鋰電池充滿電是4.2V也有其它電壓的電池。鋰電池容量是xxxmAh ，比如1000mAh ，即1000mA的供電電流可以用1小時(shí)。500mA供電能用2小時(shí)。依此類推。

鋰電池的壽命和充電方式

是指完全充滿放光的次數(shù)限制。

充電方式：快充，慢充，涓流充電，恒流充電等。

鋰電池電路設(shè)計(jì)的注意問題：

鋰電池過充，過放電都會(huì)影響電池的壽命。

注意鋰電池的充電電壓，充電電流。然后選取合適的充電芯片。

注意要防止鋰電池的過充，過放，短路保護(hù)等問題。

設(shè)計(jì)過后要經(jīng)過大量的測(cè)試。

鋰電池充電電路的設(shè)計(jì)

這里選擇了芯片TP4056為例子。根據(jù)所接電阻不同可以控制充電最大電流。可以設(shè)計(jì)充電指示燈，可以設(shè)計(jì)充電溫度即多少到多少度之間進(jìn)行充電。

充電保護(hù)電路，選擇芯片DW01 和GTT8205的組合，可以做到短路保護(hù)，過充過放電的保護(hù)。

該電路主要由鋰電池保護(hù)專用集成電路DW01，充、放電控制MOSFET1(內(nèi)含兩只N溝道MOSFET)等部分組成，單體鋰電池接在B+和B-之間，電池組從P+和P-輸出電壓。充電時(shí)，充電器輸出電壓接在P+和P-之間，電流從P+到單體電池的B+和B-，再經(jīng)過充電控制MOSFET到P-。在充電過程中，當(dāng)單體電池的電壓超過4.35V時(shí)，專用集成電路DW01的OC腳輸出信號(hào)使充電控制MOSFET關(guān)斷，鋰電池立即停止充電，從而防止鋰電池因過充電而損壞。放電過程中，當(dāng)單體電池的電壓降到2.30V時(shí)，DW01的OD腳輸出信號(hào)使放電控制MOSFET關(guān)斷，鋰電池立即停止放電，從而防止鋰電池因過放電而損壞，DW01的CS腳為電流檢測(cè)腳，輸出短路時(shí)，充放電控制MOSFET的導(dǎo)通壓降劇增，CS腳電壓迅速升高，DW01輸出信號(hào)使充放電控制MOSFET迅速關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)過電流或短路保護(hù)。

鋰電池的優(yōu)勢(shì)是什么?

高的能量密度

高的工作電壓

無記憶效應(yīng)

循環(huán)壽命長(zhǎng)

無污染

重量輕

自放電小

鋰聚合物電池具有哪些優(yōu)點(diǎn)?

無電池漏液?jiǎn)栴},其電池內(nèi)部不含液態(tài)電解液,使用膠態(tài)的固體。

可制成薄型電池：以3.6V400mAh的容量，其厚度可薄至0.5mm。

電池可設(shè)計(jì)成多種形狀

電池可彎曲變形：高分子電池最大可彎曲900左右

可制成單顆高電壓：液態(tài)電解質(zhì)的電池僅能以數(shù)顆電池串聯(lián)得到高電壓，高分子電池由于本身無液體，可在單顆內(nèi)做成多層組合來達(dá)到高電壓。

容量將比同樣大小的鋰離子電池高出一倍

IEC規(guī)定鋰電池標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命測(cè)試為:

電池以0.2C放至3.0V/支后

1C恒流恒壓充電到4.2V截止電流20mA擱置1小時(shí)再以0.2C放電至3.0V(一個(gè)循環(huán))

反復(fù)循環(huán)500次后容量應(yīng)在初容量的60%以上

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鋰電池的標(biāo)準(zhǔn)荷電保持測(cè)試為(IEC無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)).

電池在25攝氏度條件下以0.2C放至3.0/支后,以1C恒流恒壓充電到4.2V,截止電流10mA,在溫度為20+_5下儲(chǔ)存28天后,再以0.2C放電至2.75V計(jì)算放電容量

什么是二次電池的自放電不同類型電池的自放電率是多少?

自放電又稱荷電保持能力，它是指在開路狀態(tài)下，電池儲(chǔ)存的電量在一定環(huán)境條件下的保持能力。一般而言，自放電主要受制造工藝，材料，儲(chǔ)存條件的影響自放電是衡量電池性能的主要參數(shù)之一。一般而言，電池儲(chǔ)存溫度越低，自放電率也越低，但也應(yīng)注意溫度過低或過高均有可能造成電池?fù)p壞無法使用，BYD常規(guī)電池要求儲(chǔ)存溫度范圍為-20~45。電池充滿電開路擱置一段時(shí)間后，一定程度的自放電屬于正常現(xiàn)象。IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鎳鎘及鎳氫電池充滿電后，在溫度為20度濕度為65%條件下，開路擱置28天，0.2C放電時(shí)間分別大于3小時(shí)和3小時(shí)15分即為達(dá)標(biāo)。

與其它充電電池系統(tǒng)相比，含液體電解液太陽能電池的自放電率明顯要低，在25下大約為10%/月。

什么是電池的內(nèi)阻怎樣測(cè)量?

電池的內(nèi)阻是指電池在工作時(shí),電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力,一般分為交流內(nèi)阻和直流內(nèi)阻,由于充電電池內(nèi)阻很小,測(cè)直流內(nèi)阻時(shí)由于電極容量極化,產(chǎn)生極化內(nèi)阻,故無法測(cè)出其真實(shí)值,而測(cè)其交流內(nèi)阻可免除極化內(nèi)阻的影響,得出真實(shí)的內(nèi)值.

交流內(nèi)阻測(cè)試方法為:利用電池等效于一個(gè)有源電阻的特點(diǎn),給電池一個(gè)1000HZ,50mA的恒定電流,對(duì)其電壓采樣整流濾波等一系列處理從而精確地測(cè)量其阻值.

什么是電池的內(nèi)壓電池正常內(nèi)壓一般為多少?

電池的內(nèi)壓是由于充放電過程中產(chǎn)生的氣體所形成的壓力.主要受電池材料制造工藝,結(jié)構(gòu)等使用過程因素影響.一般電池內(nèi)壓均維持在正常水平,在過充或過放情況下,電池內(nèi)壓有可能會(huì)升高:

如果復(fù)合反應(yīng)的速度低于分解反應(yīng)的速度,產(chǎn)生的氣體來不及被消耗掉,就會(huì)造成電池內(nèi)壓升高.

什么是內(nèi)壓測(cè)試?

鋰電池內(nèi)壓測(cè)試為:(UL標(biāo)準(zhǔn))

模擬電池在海拔高度為15240m的高空(低氣壓11.6kPa)下,檢驗(yàn)電池是否漏液或發(fā)鼓.

具體步驟:將電池1C充電恒流恒壓充電到4.2V,截止電流10mA ,然后將其放在氣壓為11.6Kpa,溫度為(20+_3)的低壓箱中儲(chǔ)存6小時(shí),電池不會(huì)爆炸,起火,裂口,漏液.

環(huán)境溫度對(duì)電池性能有何影響?

在所有的環(huán)境因素中，溫度對(duì)電池的充放電性能影響最大，在電極/電解液界面上的電化學(xué)反應(yīng)與環(huán)境溫度有關(guān)，電極/電解液界面被視為電池的心臟。如果溫度下降，電極的反應(yīng)率也下降，假設(shè)電池電壓保持恒定，放電電流降低，電池的功率輸出也會(huì)下降。如果溫度上升則相反，即電池輸出功率會(huì)上升，溫度也影響電解液的傳送速度溫度上升則加快，傳送溫度下降，傳送減慢，電池充放電性能也會(huì)受到影響。但溫度太高，超過45，會(huì)破壞電池內(nèi)的化學(xué)平衡，導(dǎo)致副反應(yīng)

過充電的控制方法有哪些?

為了防止電池過充，需要對(duì)充電終點(diǎn)進(jìn)行控制，當(dāng)電池充滿時(shí)，會(huì)有一些特別的信息可利用來判斷充電是否達(dá)到終點(diǎn)。一般有以下六種方法來防止電池被過充：

峰值電壓控制:通過檢測(cè)電池的峰值電壓來判斷充電的終點(diǎn);

dT/dt控制:通過檢測(cè)電池峰值溫度變化率來判斷充電的終點(diǎn);

T控制:電池充滿電時(shí)溫度與環(huán)境溫度之差會(huì)達(dá)到最大;

-V控制:當(dāng)電池充滿電達(dá)到一峰值電壓后,電壓會(huì)下降一定的值

計(jì)時(shí)控制:通過設(shè)置一定的充電時(shí)間來控制充電終點(diǎn),一般設(shè)定要充進(jìn)130%標(biāo)稱容量所需的時(shí)間來控制;

TCO控制:考慮電池的安全和特性應(yīng)當(dāng)避免高溫(高溫電池除外)充電,因此當(dāng)電池溫度升高60時(shí)應(yīng)當(dāng)停止充電。

什么是過充電，對(duì)電池性能有何影響?

過充電是指電池經(jīng)一定充電過程充滿電后，再繼續(xù)充電的行為。

由于在設(shè)計(jì)時(shí)，負(fù)極容量比正極容量要高，因此，正極產(chǎn)生的氣體透過隔膜紙與負(fù)極產(chǎn)生的鎘復(fù)合。故一般情況下，電池的內(nèi)壓不會(huì)有明顯升高，但如果充電電流過大，或充電時(shí)間過長(zhǎng)，產(chǎn)生的氧氣來不及被消耗，就可能造成內(nèi)壓升高，電池變形，漏液，等不良現(xiàn)象。同時(shí)，其電性能也會(huì)顯著降低。

什么是過放電，對(duì)電池性能有何影響?

電池放完內(nèi)部?jī)?chǔ)存的電量，電壓達(dá)到一定值后，繼續(xù)放電就會(huì)造成過放電，通常根據(jù)放電電流來確定放電截止電壓。0.2C-2C放電一般設(shè)定1.0V/支,3C 以上如5C或10C放電設(shè)定為0.8V/支,電池過放可能會(huì)給電池帶來災(zāi)難性的后果,特別是大電流過放，或反復(fù)過放對(duì)電池影響更大。一般而言，過放電會(huì)使電池內(nèi)壓升高，正負(fù)極活性物質(zhì)可逆性受到破壞，即使充電也只能部分恢復(fù)，容量也會(huì)有明顯衰減。

不同容量的電池組合在一起使用會(huì)出現(xiàn)什么問題?

如果將不同容量或新舊電池混在一起使用,有可能出現(xiàn)漏液,零電壓等現(xiàn)象。這是由于充電過程中，容量差異導(dǎo)致充電時(shí)有些電池被過充，有些電池未充滿電，放電時(shí)有容量高的電池未放完電，而容量低的則被過放。如此惡性循環(huán)，電池受到損害而漏液或低(零)電壓。

什么是電池的爆炸怎樣預(yù)防電池爆炸?電池內(nèi)的任何部分的固態(tài)物質(zhì)瞬間排出，被推至離電池25cm以上的距離，稱為爆炸。判別電池爆炸與否，采用下述條件實(shí)驗(yàn)。將一網(wǎng)罩住實(shí)驗(yàn)電池，電池居于正中，距網(wǎng)罩任何一邊為25cm。網(wǎng)的密度為6-7根/cm，網(wǎng)線采用直徑為0.25mm的軟鋁線，如果實(shí)驗(yàn)無固體部分通過網(wǎng)罩，證明該電池未發(fā)生爆炸。

鋰電池串聯(lián)問題

由于電池在生產(chǎn)過程中，從涂膜開始到成為成品要經(jīng)過很多道工序。即使經(jīng)過嚴(yán)格的檢測(cè)程序，使每組電源的電壓、電阻、容量一致，但使用一段時(shí)間，也會(huì)產(chǎn)生這樣或那樣的差異。如同一位母親生的雙胞胎，剛生下時(shí)可能長(zhǎng)得一模一樣，做為母親都很難分辨。然而，在兩個(gè)孩子不斷成長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這樣或那樣的差異鋰動(dòng)力電池也是這樣。使用一段時(shí)間產(chǎn)生差異后，采用整體電壓控制的方式是難以適用于鋰動(dòng)力電池的，如一個(gè)36V的電池堆，必須用10只電池串聯(lián)。整體的充電控制電壓是42V，而放電控制電壓是26V。用整體電壓控制方式，初始使用階段由于電池一致性特別好，也許不會(huì)出現(xiàn)什么問題。在使用一段時(shí)間以后電池內(nèi)阻和電壓產(chǎn)生波動(dòng)，形成不一致的狀態(tài)，(不一致是絕對(duì)的，一致性是相對(duì)的)這種時(shí)候仍然使用整體電壓控制是不能達(dá)到其目的的。例如10只電池放電時(shí)其中兩只電池的電壓在2.8V，四只電池的電壓是3.2V，四只是3.4V，現(xiàn)在的整體電壓是32V，我們讓它繼續(xù)放電一直工作到26V。這樣，那兩只2.8V的電池就低于2.6V 處于了過放狀態(tài)。鋰電池幾次過放就等于報(bào)廢。反之，用整體電壓控制充電的方式進(jìn)行充電，也會(huì)出現(xiàn)過充的狀況。比如用上述10只電池當(dāng)時(shí)的電壓狀態(tài)進(jìn)行充電。整體電壓達(dá)到42V時(shí)，那兩只2.8V的電池處于"饑餓"的狀態(tài)，而迅速吸收電量，就會(huì)超過4.2V，而過充的超過4.2V的電池，不僅由于電壓過高產(chǎn)生報(bào)廢，甚至還會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)，這就是鋰動(dòng)力電池的特性。

鋰離子電池的額定電壓為3.6V(有的產(chǎn)品為3.7V)。充滿電時(shí)的終止充電電壓與電池陽極材料有關(guān)：陽極材料為石墨的4.2V;陽極材料為焦炭的4.1V。不同陽極材料的內(nèi)阻也不同，焦炭陽極的內(nèi)阻略大，其放電曲線也略有差別，如圖1所示。一般稱為4.1V鋰離子電池及4.2V鋰離子電池。現(xiàn)在使用的大部分是4.2V的，鋰離子電池的終止放電電壓為 2.5V～2.75V(電池廠給出工作電壓范圍或給出終止放電電壓，各參數(shù)略有不同)。低于終止放電電壓繼續(xù)放電稱為過放，過放對(duì)電池會(huì)有損害。

便攜式電子產(chǎn)品以電池作為電源。隨著便攜式產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，各種電池的用量大增，并且開發(fā)出許多新型電池。除大家較熟悉的高性能堿性電池、可充電的鎳鎘電池、鎳氫電池外，還有近年來開發(fā)的鋰電池。本文主要介紹有關(guān)鋰電池的基本知識(shí)。這包括它的特性、主要參數(shù)、型號(hào)的意義、應(yīng)用范圍及使用注意事項(xiàng)等。

鋰是一種金屬元素，其化學(xué)符號(hào)為L(zhǎng)i(其英文名為lithium)，是一種銀白色、十分柔軟、化學(xué)性能活潑的金屬，在金屬中是最輕的。它除了應(yīng)用于原子能工業(yè)外，可制造特種合金、特種玻璃(電視機(jī)上用的熒光屏玻璃)及鋰電池。在鋰電池中它用作電池的陽極。

鋰電池也分成兩大類：不可充電的及可充電的兩類。不可充電的電池稱為一次性電池，它只能將化學(xué)能一次性地轉(zhuǎn)化為電能，不能將電能還原回化學(xué)能(或者還原性能極差)。而可充電的電池稱為二次性電池(也稱為蓄電池)。它能將電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能儲(chǔ)存起來，在使用時(shí)，再將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，它是可逆的，如電能化學(xué)能鋰電池的主要特點(diǎn)。

靈巧型便攜式電子產(chǎn)品要求尺寸孝重量輕，但電池的尺寸及重量與其它電子元器件相比往往是最大的及最重的。例如，想當(dāng)年的“大哥大”是相當(dāng)“粗大、笨重”，而今天的手機(jī)是如此的輕巧。其中電池的改進(jìn)是起了重要作用的：過去是鎳鎘電池，現(xiàn)在是鋰離子電池。

鋰電池的最大特點(diǎn)是比能量高。什么是比能量呢?比能量指的是單位重量或單位體積的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L來表示。Wh是能量的單位，W是瓦、h 是小時(shí);kg是千克(重量單位)，L是升(體積單位)。這里舉一個(gè)例來說明：5號(hào)鎳鎘電池的額定電壓為1 2V，其容量為800mAh，則其能量為 0 96Wh(1 2V×0 8Ah)。同樣尺寸的5號(hào)鋰-二氧化錳電池的額定電壓為3V，其容量為1200mAh，則其能量為3 6Wh。這兩種電池的體積是相同的，則鋰-二氧化錳電池的比能量是鎳鎘電池的375倍!

一節(jié)5號(hào)鎳鎘電池約重23g，而一節(jié)5號(hào)鋰-二氧化錳電池約重18g。一節(jié)鋰-二氧化錳電池為3V，而兩節(jié)鎳鎘電池才2 4V。所以采用鋰電池時(shí)電池?cái)?shù)量少(使便攜式電子產(chǎn)品體積減孝重量減輕)，并且電池的工作壽命長(zhǎng)。

另外，鋰電池具有放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)、無記憶效應(yīng)及無公害等優(yōu)點(diǎn)。

不可充電的鋰電池

不可充電的鋰電池有多種，目前常用的有鋰-二氧化錳電池、鋰—亞硫酰氯電池及鋰和其它化合物電池。本文僅介紹前兩種最常用的。

1、鋰-二氧化錳電池(Li MnO2)

鋰-二氧化錳電池是一種以鋰為陽極、以二氧化錳為陰極，并采用有機(jī)電解液的一次性電池。該電池的主要特點(diǎn)是電池電壓高，額定電壓為3V(是一般堿性電池的2 倍);終止放電電壓為2V;比能量大(見上面舉的例子);放電電壓穩(wěn)定可靠;有較好的儲(chǔ)存性能(儲(chǔ)存時(shí)間3年以上)、自放電率低(年自放電率≤2%);工作溫度范圍-20℃～+60℃。

該電池可以做成不同的外形以滿足不同要求，它有長(zhǎng)方形、圓柱形及紐扣形(扣式)。圓柱形的也有不同的直徑及高度尺寸。這里列舉大家較熟悉的1#(尺寸代碼D)、2#(尺寸代碼C)及5#(尺寸代碼AA)電池的主要參數(shù)。

CR表示為圓柱形鋰-二氧化錳電池;五位數(shù)字中，前兩位表示電池的直徑,后三位表示帶一位小數(shù)的高度。例如，CR14505，其直徑為14mm，高度為50 5mm(這種型號(hào)是通用的)。

這里要指出的是不同工廠生產(chǎn)的同型號(hào)的電池其參數(shù)可能有些差別。另外，標(biāo)準(zhǔn)放電電流值是較小的，實(shí)際放電電流可以大于標(biāo)準(zhǔn)放電電流，并且連續(xù)放電及脈沖放電的允許放電電流也不同，由電池廠提供有關(guān)數(shù)據(jù)。例如，力興電源公司生產(chǎn)的CR14505給出最大連續(xù)放電電流為1000mA，最大脈沖放電電流可達(dá) 2500mA。

照相機(jī)中用的鋰電池多半是鋰-二氧化錳電池。這里將照相機(jī)中常用的鋰-二氧化錳電池列入表2，供參考。

紐扣式(扣式)電池尺寸較小，其直徑為12 5～24 5mm，高度為1 6～5 0mm。幾種較常用的扣式電池如表3所示。

CR為圓柱形鋰-二氧化錳電池，后四位數(shù)字中前兩位為電池的直徑尺寸，后兩位為帶小數(shù)點(diǎn)的高度尺寸。例如，CR1220的直徑為12 5mm(不包括小數(shù)點(diǎn)后的數(shù))，其高度為2 0mm。這種型號(hào)表示方法是國(guó)際通用的。

這種扣式電池常用于時(shí)鐘、計(jì)算器、電子記事本、照相機(jī)、助聽器、電子游戲機(jī)、IC卡、備用電源等。

2、鋰-亞硫酰氯電池(Li SOCl2)

鋰-亞硫酰氯電池是比能量最高的一種，目前可達(dá)到500Wh/kg或1000Wh/L的水平。它的額定電壓是3 6V，以中等電流放電時(shí)具有極其平坦的 3 4V放電特性(可在90%容量范圍內(nèi)平坦地放電，保持不大的變化)。電池可以在-40℃～+85℃范圍內(nèi)工作，但在-40℃時(shí)的容量約為常溫容量的 50%。自放電率低(年自放電率≤1%)、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)達(dá)10年以上。

以1#(尺寸代碼D)鎳鎘電池與1#鋰-亞硫酰氯電池的比能量作一個(gè)比較：1#鎳鎘電池的額定電壓為1 2V，容量為5000mAh;1#鋰-亞硫酰氯的額定電壓為3 6V，容量為10000mAh，則后者的比能量比前者大6倍!

應(yīng)用注意事項(xiàng)

上述兩種鋰電池是一次性電池，不可充電(充電時(shí)有危險(xiǎn)!);電池正負(fù)極之間不可短路;不可以過大電流放電(超過最大放電電流放電);電池使用至終止放電電壓時(shí)，應(yīng)從電子產(chǎn)品中及時(shí)取出;用完的電池不可擠壓、焚燒及拆卸;不可超過規(guī)定溫度范圍使用。

由于鋰電池的電壓高于普通電池或鎳鎘電池，使用時(shí)不要搞錯(cuò)以免損壞電路。通過熟悉型號(hào)中的CR、ER就可以知道它的種類及額定電壓。在購(gòu)買新電池時(shí)，一定要按原來的型號(hào)來買，否則會(huì)影響電子產(chǎn)品性能。

案例：

最近在給一些孩子做機(jī)器人方面的培訓(xùn)，非常有前瞻意識(shí)的家長(zhǎng)覺得認(rèn)可我這個(gè)工程師的背景愿意把孩子給我培養(yǎng)。

其實(shí)作為工程師看來，就是用一些創(chuàng)客的工具(類似于arduino、樹莓派這種降低開發(fā)難度的開發(fā)板的應(yīng)用)，提前讓孩子接觸軟硬件、以及一些控制、傳感器相關(guān)的知識(shí)。但是孩子們還是非常開心的參與進(jìn)來。因?yàn)樾∨笥堰@么小的年紀(jì)，自己組裝一個(gè)智能的機(jī)器人，真的非常有成就感。

孩子們玩的還是很開心的。但是現(xiàn)實(shí)的問題來了，由于目前的設(shè)計(jì)是，直接由鋰電池對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、舵機(jī)等高能耗的器件進(jìn)行供電的。小朋友玩到最開心的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)“電池沒電了”。很多孩子在機(jī)器人工作完成之后，沒有及時(shí)關(guān)閉電源。導(dǎo)致了“過放”。最后我們產(chǎn)生大量的“報(bào)廢電池”。

所以我們需要對(duì)現(xiàn)有的電路進(jìn)行整改。但是改板工作量比較大，而且現(xiàn)有產(chǎn)品的庫(kù)存就無法使用，造成浪費(fèi)。小朋友如果電池報(bào)廢了，我們都是免費(fèi)進(jìn)行更換，追求最大的客戶滿意度。

一開始想到：“使用充電寶”，但是充電寶一般是用于手機(jī)充電，最大輸出電流一般在0.5A或者1A(經(jīng)過試驗(yàn)，市面上大多數(shù)充電寶)，不能驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，而選用2A、3A的充電寶，成本太高。而且電壓偏低，導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏低。

所以我們通過增加一個(gè)鋰電池充放電保護(hù)的模塊，對(duì)現(xiàn)有電路進(jìn)行改造。這樣不用擔(dān)心，組裝過程中，電池的一些短路、過放的情況，都可以避免。

審核編輯：湯梓紅

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