1912年鋰金屬電池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世紀(jì)70年代時(shí),M. S. Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學(xué)特性非?;顫?,使得鋰金屬的加工、保存、使用,對環(huán)境要求非常高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,鋰電池已經(jīng)成為了主流。
鋰電池大致可分為兩類:鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰,并且是可以充電的???span id="vl89gkt" class="hrefStyle">充電電池的第五代產(chǎn)品鋰金屬電池在1996年誕生,其安全性、比容量、自放電率和性能價(jià)格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術(shù)要求限制,只有少數(shù)幾個(gè)國家的公司在生產(chǎn)這種鋰金屬電池。
概述
鋰電芯(Lithium Cell)是指電化學(xué)體系中含有鋰(包括金屬鋰、鋰合金和鋰離子、鋰聚合物)的最基本電化學(xué)單位。鋰電池大致可分為兩類:鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰,并且是可以充電的??沙潆婋姵氐牡谖宕a(chǎn)品鋰金屬電池在1996年誕生,其安全性、比容量、自放電率和性能價(jià)格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術(shù)要求限制,現(xiàn)在只有少數(shù)的幾個(gè)國家的公司在生產(chǎn)這種鋰金屬電池。
鋰電芯(Lithium Cell)是指電化學(xué)體系中含有鋰(包括金屬鋰、鋰合金和鋰離子、鋰聚合物)的最基本電化學(xué)單位。鋰電池大致可分為兩類:鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰,并且是可以充電的??沙潆婋姵氐牡谖宕a(chǎn)品鋰金屬電池在1996年誕生,其安全性、比容量、自放電率和性能價(jià)格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術(shù)要求限制,現(xiàn)在只有少數(shù)的幾個(gè)國家的公司在生產(chǎn)這種鋰金屬電池。
工作原理
鋰金屬電池:
鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。
放電反應(yīng):Li+MnO2=LiMnO2
鋰離子電池:
鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)的電池。
充電正極上發(fā)生的反應(yīng)為
LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(電子)
充電負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為
6C+XLi++Xe- = LixC6
充電電池總反應(yīng):LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6
正極
正極材料:可選的正極材料很多,主流產(chǎn)品多采用鋰鐵磷酸鹽。不同的正極材料對照:
LiCoO2 3.7 V 140 mAh/g
Li2Mn2O4 4.0 V 100 mAh/g
LiFePO4 3.3 V 100 mAh/g
Li2FePO4F 3.6 V 115 mAh/g
正極反應(yīng):放電時(shí)鋰離子嵌入,充電時(shí)鋰離子脫嵌。 充電時(shí):LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe-放電時(shí):Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- → LiFePO4
負(fù)極
負(fù)極材料:多采用石墨。新的研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鹽可能是更好的材料。負(fù)極反應(yīng):放電時(shí)鋰離子脫嵌,充電時(shí)鋰離子嵌入。 充電時(shí):xLi+ + xe- + 6C → LixC6放電時(shí):LixC6 → xLi+ + xe- + 6C
最早期應(yīng)用在心臟起搏器中。鋰電池的自放電率極低,放電電壓平緩。使得植入人體的起搏器能夠長期運(yùn)作而不用重新充電。鋰電池一般有高于3.0伏的標(biāo)稱電壓,更適合作集成電路電源。二氧化錳電池,就廣泛用于計(jì)算器,數(shù)碼相機(jī)、手表中。
為了開發(fā)出性能更優(yōu)異的品種,人們對各種材料進(jìn)行了研究,從而制造出前所未有的產(chǎn)品。
1992年Sony成功開發(fā)鋰離子電池。它的實(shí)用化,使人們的移動(dòng)電話、筆記本、計(jì)算器等攜帶型電子設(shè)備的重量和體積大大減小。
預(yù)計(jì)到2013 年全球鋰離子電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到278.1 億美元,2015 年,新能源汽車的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用將帶動(dòng)全球鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到523.2 億美元。
就中國市場而言,得益于動(dòng)力鋰離子電池的快速發(fā)展,2013 年鋰離子電池整體市場規(guī)模將達(dá)到741.7 億元,同比增長33.2%,并且未來三年市場規(guī)模增速均會(huì)保持在30%以上,到2015 年,整個(gè)中國鋰離子電池的市場規(guī)模將突破1000 億元,達(dá)到1251.5 億元。
中國產(chǎn)業(yè)洞察網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示:電池產(chǎn)值2010年在5000多億元,這并不包括太陽能電池,2012年達(dá)到了7000億元左右,預(yù)計(jì)到2015年將突破1萬億元。而2013年家電行業(yè)不過七八千億元左右。當(dāng)前全國有1.2億輛新能源汽車,1.5億輛電動(dòng)自行車,50萬個(gè)充電站,都在用電池,還包括飛機(jī)、坦克等都離不開電池。
碳負(fù)極材料:
已經(jīng)實(shí)際用于鋰離子電池的負(fù)極材料基本上都是碳素材料,如人工石墨、天然石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等。
錫基負(fù)極材料:
錫基負(fù)極材料可分為錫的氧化物和錫基復(fù)合氧化物兩種。氧化物是指各種價(jià)態(tài)金屬錫的氧化物。沒有商業(yè)化產(chǎn)品。
氮化物
也沒有商業(yè)化產(chǎn)品。
合金類
包括錫基合金、硅基合金、鍺基合金、鋁基合金、銻基合金、鎂基合金和其它合金 ,也沒有商業(yè)化產(chǎn)品。
納米級
納米碳管、納米合金材料。
納米氧化物
目前合肥翔正化學(xué)科技有限公司根據(jù)2009年鋰電池新能源行業(yè)的市場發(fā)展最新動(dòng)向,諸多公司已經(jīng)開始使用納米氧化鈦和納米氧化硅添加在以前傳統(tǒng)的石墨,錫氧化物,納米碳管里面,極大地提高鋰電池的充放電量和充放電次數(shù)。
發(fā)展進(jìn)程
1970年,代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料,金屬鋰作為負(fù)極材料,制成首個(gè)鋰電池。
1980年,J. Goodenough 發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰可以作為鋰離子電池正極材料。
1982年,伊利諾伊理工大學(xué)(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性,此過程是快速的,并且可逆。與此同時(shí),采用金屬鋰制成的鋰電池,其安全隱患備受關(guān)注,因此人們嘗試?yán)娩囯x子嵌入石墨的特性制作充電電池。首個(gè)可用的鋰離子石墨電極由貝爾實(shí)驗(yàn)室試制成功。
1983年,M.Thackeray、J.Goodenough等人發(fā)現(xiàn)錳尖晶石是優(yōu)良的正極材料,具有低價(jià)、穩(wěn)定和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)鋰性能。其分解溫度高,且氧化性遠(yuǎn)低于鈷酸鋰,即使出現(xiàn)短路、過充電,也能夠避免了燃燒、爆炸的危險(xiǎn)。
1989年,A.Manthiram和J.Goodenough發(fā)現(xiàn)采用聚合陰離子的正極將產(chǎn)生更高的電壓。
1991年,索尼公司發(fā)布首個(gè)商用鋰離子電池。隨后,鋰離子電池革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌。
1996年,Padhi和Goodenough發(fā)現(xiàn)具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽,如磷酸鋰鐵(LiFePO4),比傳統(tǒng)的正極材料更具優(yōu)越性,因此已成為當(dāng)前主流的正極材料。
隨著數(shù)碼產(chǎn)品如手機(jī)、筆記本電腦等產(chǎn)品的廣泛使用,鋰離子電池以優(yōu)異的性能在這類產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用,并在逐步向其他產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。
1998年,天津電源研究所開始商業(yè)化生產(chǎn)鋰離子電池。
2018年7月15日,從科達(dá)煤炭化學(xué)研究院獲悉,一種由純碳作為主要成分的高容量高密度鋰電池用特種碳負(fù)極材料在該院問世,這種由全新材料制備的鋰電池可以實(shí)現(xiàn)汽車?yán)m(xù)航里程突破600公里。
2018年10月,南開大學(xué)梁嘉杰、陳永勝教授課題組與江蘇師范大學(xué)賴超課題組合作成功制備了具有多級結(jié)構(gòu)的銀納米線—石墨烯三維多孔載體,并負(fù)載金屬鋰作為復(fù)合負(fù)極材料。這一載體可抑制鋰枝晶產(chǎn)生,從而可實(shí)現(xiàn)電池超高速充電,有望大幅延長鋰電池“壽命”。該研究成果在最新一期《先進(jìn)材料》上發(fā)表。
2022年上半年,中國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)主要指標(biāo)實(shí)現(xiàn)高速增長,產(chǎn)量超過280吉瓦時(shí),同比增長150%.
2022年9月22日上午,由中國航天科技集團(tuán)四院自主研制并合格交付用戶的國內(nèi)首個(gè)直徑3.0米新能源鋰電銅箔核心裝備陰極輥新產(chǎn)品在西安面市,填補(bǔ)了國內(nèi)行業(yè)技術(shù)空白,實(shí)現(xiàn)了大直徑陰極輥的月產(chǎn)能力突破百臺(tái)大關(guān),標(biāo)志著中國超大直徑陰極輥制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了重大突破。
早期研發(fā)
鋰電池最早期應(yīng)用在心臟起搏器中。鋰電池的自放電率極低,放電電壓平緩等優(yōu)點(diǎn),使得植入人體的起搏器能夠長期運(yùn)作而不用重新充電。鋰電池一般有高于3.0伏的標(biāo)稱電壓,更適合作集成電路電源。二氧化錳電池,就廣泛用于計(jì)算器,數(shù)碼相機(jī)、手表中。
為了開發(fā)出性能更優(yōu)異的品種,人們對各種材料進(jìn)行了研究,從而制造出前所未有的產(chǎn)品。
1992年Sony成功開發(fā)鋰離子電池。它的實(shí)用化,使人們的移動(dòng)電話、筆記本、計(jì)算器等攜帶型電子設(shè)備的重量和體積大大減小。
電池結(jié)構(gòu)
鋰電池通常有兩種外型:圓柱型和方型。電池內(nèi)部采用螺旋繞制結(jié)構(gòu),用一種非常精細(xì)而滲透性很強(qiáng)的聚乙烯薄膜隔離材料在正、負(fù)極間間隔而成。正極包括由鈷酸鋰(或鎳鈷錳酸鋰、錳酸鋰、磷酸亞鐵鋰等)及鋁箔組成的電流收集極。負(fù)極由石墨化碳材料和銅箔組成的電流收集極組成。電池內(nèi)充有有機(jī)電解質(zhì)溶液。另外還裝有安全閥和PTC元件(部分圓柱式使用),以便電池在不正常狀態(tài)及輸出短路時(shí)保護(hù)電池不受損壞。
單節(jié)鋰電池的電壓為3.7V(磷酸亞鐵鋰正極的為3.2V),電池容量也不可能無限大,因此,常常將單節(jié)鋰電池進(jìn)行串、并聯(lián)處理,以滿足不同場合的要求。
電池特點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)
1.能量比較高。具有高儲(chǔ)存能量密度,已達(dá)到460-600Wh/kg,是鉛酸電池的約6-7倍;
2.使用壽命長,使用壽命可達(dá)到6年以上,磷酸亞鐵鋰為正極的電池1C(100%DOD)充放電,有可以使用10,000次的記錄;
3.額定電壓高(單體工作電壓為3.7V或3.2V),約等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯(lián)電壓,便于組成電池電源組;鋰電池可以通過一種新型的鋰電池調(diào)壓器的技術(shù),將電壓調(diào)至3.0V,以適合小電器的使用。
4.具備高功率承受力,其中電動(dòng)汽車用的磷酸亞鐵鋰鋰離子電池可以達(dá)到15-30C充放電的能力,便于高強(qiáng)度的啟動(dòng)加速;
5.自放電率很低,這是該電池最突出的優(yōu)越性之一,一般可做到1%/月以下,不到鎳氫電池的1/20;
6.重量輕,相同體積下重量約為鉛酸產(chǎn)品的1/6-1/5;
7.高低溫適應(yīng)性強(qiáng),可以在-20℃--60℃的環(huán)境下使用,經(jīng)過工藝上的處理,可以在-45℃環(huán)境下使用;
8.綠色環(huán)保,不論生產(chǎn)、使用和報(bào)廢,都不含有、也不產(chǎn)生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質(zhì)。
9.生產(chǎn)基本不消耗水,對缺水的中國來說,十分有利。
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)。
缺點(diǎn)
1.鋰原電池均存在安全性差,有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。
2.鈷酸鋰的鋰離子電池不能大電流放電,價(jià)格昂貴,安全性較差。
3.鋰離子電池均需保護(hù)線路,防止電池被過充過放電。
4.生產(chǎn)要求條件高,成本高。
5.使用條件有限制,高低溫使用危險(xiǎn)大。
電池特征
1.高能量密度鋰離子電池的重量是相同容量的鎳鎘或鎳氫電池的一半,體積是鎳鎘的20-30%,鎳氫的35-50%。
2.高電壓一個(gè)鋰離子電池單體的工作電壓為3.7V(平均值),相當(dāng)于三個(gè)串聯(lián)的鎳鎘或鎳氫電池。
3.無污染鋰離子電池不含有諸如鎘、鉛、汞之類的有害金屬物質(zhì)。
4.不含金屬鋰鋰離子電池不含金屬鋰,因而不受飛機(jī)運(yùn)輸關(guān)于禁止在客機(jī)攜帶鋰電池等規(guī)定的限制。
5.循環(huán)壽命高在正常條件下,鋰離子電池的充放電周期可超過500次,磷酸亞鐵鋰則可以達(dá)到2000次。
6.無記憶效應(yīng)記憶效應(yīng)是指鎳鎘電池在充放電循環(huán)過程中,電池的容量減少的現(xiàn)象。鋰離子電池不存在這種效應(yīng)。
7.快速充電使用額定電壓為4.2V的恒流恒壓充電器,可以使鋰離子電池在1.5-2.5個(gè)小時(shí)內(nèi)就充滿電;而新開發(fā)的磷鐵鋰電池,已經(jīng)可以在35分鐘內(nèi)充滿電。
充電知識
充電電壓
一般手機(jī)電池電壓寫的是3.7V,但一般充電器的電壓寫的是5V,但不會(huì)影響使用的,因?yàn)槭謾C(jī)內(nèi)部有充電管理芯片負(fù)責(zé)降壓恒流充電。
5號的圓柱形鋰電池,即14500的電池。是通過鋰電池調(diào)壓器的技術(shù),將電池的電壓調(diào)至可適合小電器使用的3.0V電壓。
對于新買的鋰離子電池的“激活”問題,眾多的說法是:充電時(shí)間一定要超過12小時(shí),反復(fù)做三次,以便激活電池。這種“前三次充電要充12小時(shí)以上”的說法,明顯是從鎳電池(如鎳鎘和鎳氫)延續(xù)下來的說法。所以這種說法,可以說一開始就是誤傳。鋰電池和鎳電池的充放電特性有非常大的區(qū)別,而且可以非常明確的告訴大家,所有嚴(yán)肅的正式技術(shù)資料都強(qiáng)調(diào)過充和過放電會(huì)對鋰電池、特別是液體鋰離子電池造成巨大的傷害。因而充電最好按照標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)方法充電,特別是不要進(jìn)行超過12個(gè)小時(shí)的超長充電。
電池同樣需要激活。但是這個(gè)過程是由生產(chǎn)廠家完成的,與用戶無關(guān),用戶也沒有能力完成。鋰電池真正的激活過程是這樣的:鋰離子電池殼灌輸電解液-封口--化成,就是恒壓充電,然后放電,如此進(jìn)行幾個(gè)循環(huán),使電極充分浸潤電解液充分活化,直至容量達(dá)到要求為止,這個(gè)就是激活過程--分容,也就是說出廠后鋰離子電池到用戶手上已經(jīng)是激活過的了。另外,其中有些電池的激活過程需要電池處于開口狀態(tài),激活以后再封口。
有些產(chǎn)品的說明書上寫著,建議用戶前三次使用,要對手機(jī)進(jìn)行完全的充放電。其實(shí)事實(shí)是這樣的,在電池出廠,然后銷售,再到用戶的手中,會(huì)經(jīng)歷一段時(shí)間,一個(gè)月或者幾個(gè)月,這樣一來,電池的電極材料就會(huì)“鈍化”,此時(shí)容量低于正常值,使用時(shí)間亦隨之縮短。但鋰電池很容易激活,只要經(jīng)過3—5次正常的充放電循環(huán)就可激活電池,恢復(fù)正常容量。由于鋰電池本身的特性,決定了它幾乎沒有記憶效應(yīng)。因此用戶新鋰電池在激活過程中,是不需要特別的方法和設(shè)備的。
長充深充
長充可能導(dǎo)致過充。鋰電池或充電器在電池充滿后都會(huì)自動(dòng)停充,并不存在鎳電充電器所謂的持續(xù)10幾小時(shí)的“涓流”充電。也就是說,如果鋰電池在充滿后,放在充電器上也是白充。誰都無法保證電池的充放電保護(hù)電路的特性永不變化和質(zhì)量的萬無一失,所以電池將長期處在危險(xiǎn)的邊緣徘徊。這也是反對長充電的另一個(gè)理由。
在對某些機(jī)器上,充電超過一定的時(shí)間后,如果不去取下充電器,這時(shí)系統(tǒng)不僅不停止充電,還將開始放電-充電循環(huán)。也許這種做法的廠商自有其目的,但顯然對電池的壽命而言是不利的。同時(shí),長充電需要很長的時(shí)間,往往需要在夜間進(jìn)行,而以中國電網(wǎng)的情況看,許多地方夜間的電壓都比較高,而且波動(dòng)較大。前面已經(jīng)說過,鋰電池是很嬌貴的,它比鎳電在充放電方面耐波動(dòng)的能力差得多,于是這又帶來附加的危險(xiǎn)。
事實(shí)上,淺放淺充對于鋰電更有益處,只有在產(chǎn)品的電源模塊為鋰電做校準(zhǔn)時(shí),才有深放深充的必要。所以,使用鋰電供電的產(chǎn)品不必拘泥于過程,一切以方便為先,隨時(shí)充電。
過充過放
鋰離子電池的額定電壓,因?yàn)椴牧系淖兓话銥?.7V,磷酸鐵鋰(以下稱磷鐵)正極的則為3.2V。充滿電時(shí)的終止充電電壓國際標(biāo)準(zhǔn)是4.2V,磷鐵3.6V。鋰離子電池的終止放電電壓為2.75V~3.0V(國內(nèi)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,一般為3.0~2.75V,磷鐵為2.5V。)。低于2.5V(磷鐵2.0V)繼續(xù)放電稱為過放(國際標(biāo)準(zhǔn)為最低3.2v,磷鐵2.8v),低電壓的過放或自放電反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致鋰離子活性物質(zhì)分解破壞,并不一定可以還原。而鋰離子電池任何形式的過充都會(huì)導(dǎo)致電池性能受到嚴(yán)重破壞,甚至爆炸。鋰離子電池在充電過程必需避免對電池產(chǎn)生過充。
充電說明
鋰電動(dòng)車充電說明
1.放置補(bǔ)電:
電池組在出廠前均有部分電量剩余,在電動(dòng)車出售后亦可以進(jìn)行短距離的騎行。第一次騎行完畢后,須對電池進(jìn)行首次充電,建議首次充電應(yīng)進(jìn)行稍長時(shí)間(8-12小時(shí))。
電池組在使用過后應(yīng)及時(shí)充電不可虧電儲(chǔ)存,如果電池放置超過兩個(gè)月時(shí)間未被使用,電池組需要進(jìn)行一次完全的充電。如置放超過5個(gè)月電池組需要進(jìn)行一次充放電循環(huán)。規(guī)律使用電池,正常使用、長時(shí)間放置時(shí)對電池組規(guī)律地充電,可以保證電池組最佳實(shí)用效果,并延長使用壽命
2.正常充電:
首先連接充電器與被充電電池組,之后再將充電器電源插頭連接到220V交流電源。(此連接順序會(huì)避免插拔充電插頭時(shí)電火花的產(chǎn)生。)當(dāng)電源接通后充電器顯示紅色指示燈說明電池組正在正常充電,常規(guī)進(jìn)行6-8小時(shí)充電即可。
3.充電器注意事項(xiàng):
為了確保電池組的充電安全和保證電池組的使用壽命,此款電池組只可使用配套的36V鋰電專用充電器。如果充電器丟失或者損壞請找相應(yīng)經(jīng)銷商購買。不得使用鉛酸充電器或其他形式的充電器進(jìn)行充電。
鋰電池維護(hù)
1.由于鋰電池屬于無記憶性電池,客戶使用中建議在每次或者每天騎行后即可對電池組進(jìn)行規(guī)律性的充電或者補(bǔ)電,這樣會(huì)大幅度提高電池組的使用壽命。建議不要每次都騎行至電池組不可放出電量后再進(jìn)行充電,不建議放電超過于電池組容量的90% 。當(dāng)在電動(dòng)車在靜止?fàn)顟B(tài)下,電動(dòng)車上的欠壓指示燈亮起時(shí),需及時(shí)充電。
2.當(dāng)電動(dòng)車啟動(dòng)時(shí)、走上陡坡路、土石路或者強(qiáng)烈頂風(fēng)狀態(tài)下,建議客戶在騎行時(shí)同時(shí)使用腳踏助力,使得電池及電機(jī)擁有最長壽命。
3.電池組容量是在常溫25℃時(shí)進(jìn)行測量的,因此在冬季,電池容量的發(fā)揮、以及行駛里程略有降低是被視為正常的。建議在冬季,在環(huán)境溫度較高的地方對電池組進(jìn)行充電,確保能夠電池組充飽。
4.電動(dòng)車在不騎行或者停放的情況下,建議客戶拔下電池組與電動(dòng)車的鏈接插頭,或者關(guān)閉電源鎖。因?yàn)殡姍C(jī)和控制器在空載狀態(tài)下會(huì)有耗電,請避免電量浪費(fèi)。
鋰電池使用注意:
1.在雨雪天氣騎行時(shí),電池組與電動(dòng)自行車之間放電插口部分不應(yīng)該接觸到水。不用的時(shí)候,關(guān)掉電池電源開關(guān),以免造成短路后果。且盡量避免在惡劣環(huán)境下使用電動(dòng)車。注意電池組的防水。
2.電池放置應(yīng)該躲避水源、火源、保持干燥,避免強(qiáng)烈搖晃、磕碰及短路。夏季時(shí)節(jié),電池應(yīng)該避免太陽直射。
3.特別提醒: 不要擅自對電池進(jìn)行拆包、修改,或進(jìn)行破壞;嚴(yán)禁將此電池使用在其他品牌或型號的電動(dòng)車上;使用時(shí)避免異物對充放電口進(jìn)行短路。
主要材料
碳負(fù)極材料
實(shí)際用于鋰離子電池的負(fù)極材料基本上都是碳素材料,如人工石墨、天然石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等。
錫基負(fù)極材料
錫基負(fù)極材料可分為錫的氧化物和錫基復(fù)合氧化物兩種。氧化物是指各種價(jià)態(tài)金屬錫的氧化物。沒有商業(yè)化產(chǎn)品。
氮化物
沒有商業(yè)化產(chǎn)品。
合金類
包括錫基合金、硅基合金、鍺基合金、鋁基合金、銻基合金、鎂基合金和其它合金 ,也沒有商業(yè)化產(chǎn)品。
納米級
納米碳管、納米合金材料。
納米氧化物
根據(jù)2009年鋰電池新能源行業(yè)的市場發(fā)展最新動(dòng)向,諸多公司已經(jīng)開始使用納米氧化鈦和納米氧化硅添加在以前傳統(tǒng)的石墨,錫氧化物,納米碳管里面,極大地提高鋰電池的充放電量和充放電次數(shù)。
電池膨脹損壞
外殼特性
鋰,原子序數(shù)3,原子量為6.941,是最輕的堿金屬元素。為了提升安全性及電壓,科學(xué)家們發(fā)明了用石墨及鈷酸鋰等材料來儲(chǔ)存鋰原子。這些材料的分子結(jié)構(gòu),形成了納米等級的細(xì)小儲(chǔ)存格子,可用來儲(chǔ)存鋰原子。這樣一來,即使是電池外殼破裂,氧氣進(jìn)入,也會(huì)因氧分子太大,進(jìn)不了這些細(xì)小的儲(chǔ)存格,使得鋰原子不會(huì)與氧氣接觸而避免爆炸。
保護(hù)措施
鋰電池芯過充到電壓高于 4.2V 后,會(huì)開始產(chǎn)生副作用。過充電壓愈高,危險(xiǎn)性也跟著愈高。鋰電芯電壓高于 4.2V 后,正極材料內(nèi)剩下的鋰原子數(shù)量不到一半, 此時(shí)儲(chǔ)存格常會(huì)垮掉, 讓電池產(chǎn)生永久性的容量損失。 如果繼續(xù)充電,由于負(fù)極的儲(chǔ)存格已經(jīng)裝滿了鋰原子,后續(xù)的鋰金屬會(huì)堆積于負(fù)極材料表面。這些鋰原子會(huì)由負(fù)極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結(jié)晶。這些鋰金屬結(jié)晶會(huì)穿過隔膜,使正負(fù)極短路。有時(shí)在短路發(fā)生前電池就先爆炸,這是因?yàn)樵谶^充過程,電解液等材料會(huì)分解產(chǎn)生氣體,使得電池外殼或壓力閥鼓脹破裂,讓氧氣進(jìn)去與堆積在負(fù)極表面的鋰原子反應(yīng),進(jìn)而爆炸。
因此,鋰電池充電時(shí),一定要設(shè)定電壓上限, 才可以同時(shí)兼顧到電池的壽命、容量、和安全性。最理想的充電電壓上限為 4.2V。 鋰電芯放電時(shí)也要有電壓下限。 當(dāng)電芯電壓低于 2.4V 時(shí), 部分材料會(huì)開始被破壞。 又由于電池會(huì)自放電, 放愈久電壓會(huì)愈低,因此,放電時(shí)最好不要放到 2.4V 才停止。鋰電池從 3.0V 放電到 2.4V 這段期間,所釋放 的能量只占電池容量的 3%左右。因此,3.0V 是一個(gè)理想的放電截止電壓。 充放電時(shí),除了電壓的限制,電流的限制也有其必要。電流過大時(shí),鋰離子來不及進(jìn)入儲(chǔ)存格,會(huì)聚集于材料表面。
這些鋰離子獲得電子后,會(huì)在材料表面產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶,這與過充一樣,會(huì)造成危險(xiǎn)性。萬一電池外殼破裂,就會(huì)爆炸。 因此,對鋰離子電池的保護(hù),至少要包含:充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項(xiàng)。一般鋰電池組內(nèi),除了鋰電池芯外,都會(huì)有一片保護(hù)板,這片保護(hù)板主要就是提供這三項(xiàng)保護(hù)。但是,保護(hù)板的這三項(xiàng)保護(hù)顯然是不夠的,全球鋰電池爆炸事件還是頻傳。要確保電池系統(tǒng)的安全性,必須對電池爆炸的原因, 進(jìn)行更仔細(xì)的分析。
爆炸原因
1、內(nèi)部極化較大;
2、極片吸水,與電解液發(fā)生反應(yīng)氣鼓;
3、電解液本身的質(zhì)量、性能問題;
4、注液時(shí)候注液量達(dá)不到工藝要求;
6、粉塵、極片粉塵首先易導(dǎo)致微短路;
7、正負(fù)極片較工藝范圍偏厚,入殼難;
8、注液封口問題,鋼珠密封性能不好導(dǎo)致氣鼓;
9、殼體來料存在殼壁偏厚,殼體變形影響厚度;
10、外面環(huán)境溫度過高也是導(dǎo)致爆炸的主要原因。
爆炸類型
爆炸類型分析電池芯爆炸的類形可歸納為外部短路、內(nèi)部短路、及過充三種。此處的外部系指電芯的外部,包含了電池組內(nèi)部絕緣設(shè)計(jì)不良等所引起的短路。 當(dāng)電芯外部發(fā)生短路,電子組件又未能切斷回路時(shí),電芯內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生高熱,造成部分電解液汽化,將電池外殼撐大。當(dāng)電池內(nèi)部溫度高到 135 攝氏度時(shí),質(zhì)量好的隔膜紙,會(huì)將細(xì)孔關(guān)閉,電化學(xué)反應(yīng)終止或近乎終止,電流驟降,溫度也慢慢下降,進(jìn)而避免了爆炸發(fā)生。但是,細(xì)孔關(guān)閉率太差,或是細(xì)孔根本不會(huì)關(guān)閉 的隔膜紙,會(huì)讓電池溫度繼續(xù)升高,更多的電解液汽化,最后將電池外殼撐破,甚至將電池溫度提高到使材料燃燒并爆炸。 內(nèi)部短路主要是因?yàn)殂~箔與鋁箔的毛刺穿破隔膜,或是鋰原子的樹枝狀結(jié)晶穿破膈膜所造成。
這些細(xì)小的針狀金屬,會(huì)造成微短路。由于,針很細(xì)有一定的電阻值,因此,電流不見得會(huì)很大。銅鋁箔毛刺系在生 產(chǎn)過程造成,可觀察到的現(xiàn)象是電池漏電太快,多數(shù)可被電芯廠或是組裝廠篩檢出來。而且,由于毛刺細(xì)小, 有時(shí)會(huì)被燒斷,使得電池又恢復(fù)正常。因此,因毛刺微短路引發(fā)爆炸的機(jī)率不高。 這樣的說法,可以從各電芯廠內(nèi)部都常有充電后不久,電壓就偏低的不良電池,但是卻鮮少發(fā)生爆炸事件,得到統(tǒng)計(jì)上的支持。因此,內(nèi)部短路引發(fā)的爆炸,主要還是因?yàn)檫^充造成的。
因?yàn)?,過充后極片上到處 都是針狀鋰金屬結(jié)晶,刺穿點(diǎn)到處都是,到處都在發(fā)生微短路。因此,電池溫度會(huì)逐漸升高,最后高溫將電 解液氣體。這種情形,不論是溫度過高使材料燃燒爆炸,還是外殼先被撐破,使空氣進(jìn)去與鋰金屬發(fā)生激烈氧化,都是爆炸收場。 但是過充引發(fā)內(nèi)部短路造成的這種爆炸,并不一定發(fā)生在充電的當(dāng)時(shí)。有可能電池溫度還未高到讓材料燃燒、產(chǎn)生的氣體也未足以撐破電池外殼時(shí),消費(fèi)者就終止充電,帶手機(jī)出門。這時(shí)眾多的微短路所產(chǎn)生的熱,慢慢的將電池溫度提高,經(jīng)過一段時(shí)間后,才發(fā)生爆炸。消費(fèi)者共同的描述都是拿起手機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)手機(jī)很 燙,扔掉后就爆炸。
綜合以上爆炸的類型,可以將防爆重點(diǎn)放在過充的防止、外部短路的防止及提升電芯安全性三方面。其中過充防止及外部短路防止屬于電子防護(hù),與電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)及電池組裝有較大關(guān)系。電芯安全性提升 之重點(diǎn)為化學(xué)與機(jī)械防護(hù),與電池芯制造廠有較大關(guān)系。
設(shè)計(jì)規(guī)范
由于全球手機(jī)有數(shù)億只,要達(dá)到安全,安全防護(hù)的失敗率必須低于一億分之一。由于,電路板的故障率 一般都遠(yuǎn)高于一億分之一。因此,電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),必須有兩道以上的安全防線。常見的錯(cuò)誤設(shè)計(jì)是用充電器(adaptor)直接去充電池組。這樣將過充的防護(hù)重任,完全交給電池組上的保護(hù)板。雖然保護(hù)板的故障率不高,但是,即使故障率低到百萬分之一,機(jī)率上全球還是天天都會(huì)有爆炸事故發(fā)生。 電池系統(tǒng)如能對過充、過放、過電流都分別提供兩道安全防護(hù),每道防護(hù)的失敗率如果是萬分之一,兩道防護(hù)就可以將失敗率降到一億分之一。
常見的電池充電系統(tǒng)包含充電器及電池組兩大部分。 ①充電器又包含適配器及充電控制器兩部分。適配器將交流電轉(zhuǎn)為直流電,充電控制器則限制直流 電的最大電流及最高電壓。②電池組包含保護(hù)板及電池芯兩大部分,以及一個(gè) PTC 來限定最大電流。適配器交流變直流作用:電控制器限流限壓。充電器作用: 保護(hù)板過充、 過放、過流等防護(hù)。
電池組作用:限流片。電池芯以手機(jī)電池系統(tǒng)為例,過充防護(hù)系統(tǒng)利用充電器輸出電壓設(shè)定在 4.2V 左右,來達(dá)到第一層防護(hù),這樣就算電池組上的保護(hù)板失效,電池也不會(huì)被過充而發(fā)生危險(xiǎn)。第二道防護(hù)是保護(hù)板上的過充防護(hù)功能,一般設(shè)定為 4.3V。這樣,保護(hù)板平常不必負(fù)責(zé)切斷充電電流,只有當(dāng)充電器電壓異常偏高時(shí),才需要?jiǎng)幼?。過電流防護(hù)則是由保護(hù)板及限流片來負(fù)責(zé),這也是兩道防護(hù),防止過電流及外部短路。由于過放電只會(huì)發(fā)生在電子產(chǎn)品被使用的過程。因此,一般設(shè)計(jì)是由該電子產(chǎn)品的線路板來提供第一道防護(hù),電池組上的保護(hù)板則提供第二道防護(hù)。當(dāng)電子產(chǎn)品偵測到供電電壓低于 3.0V 時(shí),應(yīng)該自動(dòng)關(guān)機(jī)。如果該產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)未設(shè)計(jì)這項(xiàng)功能,則保護(hù)板會(huì)在電壓低到 2.4V 時(shí),關(guān)閉放電回路。
總論:電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),必須對過充、過放、與過電流分別提供兩道電子防護(hù)。 把保護(hù)板拿掉后充電,如果電池會(huì)爆炸就代表設(shè)計(jì)不良。 上述方法雖然提供了兩道防護(hù),但是由于消費(fèi)者在充電器壞掉后,常會(huì)買非原廠充電器來充電,而充電 器業(yè)者,基于成本考慮,常將充電控制器拿掉,來降低成本。結(jié)果,劣幣驅(qū)逐良幣,市面上出現(xiàn)了許多劣質(zhì)充電器。這使得過充防護(hù)失去了第一道也是最重要的一道防線。而過充又是造成電池爆炸的最重要因素,因 此,劣質(zhì)充電器可以稱得上是電池爆炸事件的元兇。 當(dāng)然,并非所有的電池系統(tǒng)都采用如上述的方案。在有些情況下,電池組內(nèi)也會(huì)有充電控制器的設(shè)計(jì)。
最后的防線:如果電子的防護(hù)措施都失敗了,最后的一道防線,就要由電芯來提供了。電芯的安全層級, 可依據(jù)電芯能否通過外部短路和過充來大略區(qū)分等級。由于,電池爆炸前,如果內(nèi)部有鋰原子堆積在材料表面,爆炸威力會(huì)更大。而且,過充的防護(hù)常因消費(fèi)者使用劣質(zhì)充電器而只剩一道防線,因此,電芯抗過充能力比抗外部短路的能力更重要。 鋁殼電芯與鋼殼電芯安全性比較,鋁殼具有很高的安全優(yōu)勢。
辨別電池
1.比較電池容量的大小。一般的鎘鎳電池為500mAh或600mAh,氫鎳電池也不過800-900mAh;而鋰離子手機(jī)電池的容量一般都在1300-1400mAh之間,所以鋰電池充足電后使用的時(shí)間約是氫鎳電池的1.5倍,是鎘鎳電池的3.0倍左右。如果發(fā)現(xiàn)所購買的鋰離子手機(jī)電池塊工作時(shí)間并沒有宣傳的或說明書上規(guī)定的長,就有可能是假冒的。
2.看塑膠表面及塑膠材質(zhì)。正品電池防磨面均勻,采用的是PC材質(zhì),無脆裂現(xiàn)象;假冒電池?zé)o防磨面或過于粗糙,采用的是再生材質(zhì),易脆裂。
3.測量電池塊的充電電壓。如果用鎘鎳、氫鎳電池塊假冒鋰離子手機(jī)電池塊,就必須由5個(gè)單體電池組成,單個(gè)電池的充電電壓一般不超過1.55V,電池塊的總電壓不超過7.75V。當(dāng)電池塊的充電總電壓低于8.0V時(shí)就有可能是鎘鎳、氫鎳電池。
4.對于原裝電池,它的電池表面色澤紋理清晰、均勻、乾凈、無明顯劃痕及損傷;電池標(biāo)志應(yīng)印有電池型號、種類、額定容量、標(biāo)準(zhǔn)電壓、正負(fù)極標(biāo)志、制造廠名。手感要光滑無阻塞,松緊適宜,與手配合良好,鎖扣可靠;五金片無明顯劃痕及發(fā)黑、發(fā)綠現(xiàn)象。如果購買的手機(jī)電池與上面的現(xiàn)象不符合的,可以初步斷定是假貨。
5.許多手機(jī)生產(chǎn)廠商也從自身的角度出發(fā),通過努力提高工藝水準(zhǔn),來提高手機(jī)及其配件的造假難度,從而進(jìn)一步遏制假貨水貨泛濫的現(xiàn)象。一般正規(guī)的手機(jī)產(chǎn)品及其配件要求在外表上必須做到一致性。因此如果把買回來的手機(jī)電池裝上時(shí),應(yīng)該仔細(xì)對照一下機(jī)身與電池底殼,假如色澤光暗一致,就是原裝電池。否則,電池本身較暗淡無光澤,就有可能是假電池。
6.觀察充電的異常情況。一般,正品手機(jī)電池內(nèi)部應(yīng)有過流保護(hù)器,在外部短路等導(dǎo)致電流過大的情況下,自動(dòng)切斷回路,以免燒毀或損壞手機(jī);鋰離子電池另具有過流保護(hù)線路,當(dāng)使用不規(guī)范電器,交電電流過大時(shí)也會(huì)自動(dòng)切斷電源,導(dǎo)致充不進(jìn),在電池正常情況,可自動(dòng)恢復(fù)到導(dǎo)通狀態(tài)。如果,在充電的過程中,發(fā)現(xiàn)電池嚴(yán)重發(fā)熱或者冒煙,甚至爆炸,說明電池肯定是假的。
7.借助專用工具。面對市場上的手機(jī)電池的種類越來越多,而假冒的技術(shù)也是越來越高明,一些大公司也在不斷地提高防偽技術(shù)。隨著防偽技術(shù)的提高,也就很難從外觀上來識別真假了。
選購方法
鋰離子電池分為液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池。鋰離子電池的電解質(zhì)是流動(dòng)的,因此,比鋰聚合物電池更不穩(wěn)定,碰到外力摔打,或者使用不符合標(biāo)準(zhǔn)的充電器,都可能引起電池爆炸。很多手機(jī)、手提電腦等便攜式電子產(chǎn)品,所用的電池都是鋰電池。也就是說,很多人的身邊有一個(gè)“炸彈”。為安全起見,選購時(shí)一定要注意以下幾點(diǎn)。
一、有沒有標(biāo)示明確容量。無明確標(biāo)示容量(如1000mAh或1000毫安培小時(shí))的電池很有可能就是使用劣質(zhì)電池或回收電池。市場上充斥的許多廉價(jià)的電池,就是使用回收電池心做的,價(jià)格雖然便宜,但是壽命短、品質(zhì)不穩(wěn)定,使用不慎可能會(huì)損壞手機(jī)。
二、有沒有保證待機(jī)時(shí)間。待機(jī)時(shí)間即電池裝入手機(jī)后到下一次充電的連續(xù)使用時(shí)間。一般市場上銷售的電池都無法對顧客保證待機(jī)時(shí)間,這是因?yàn)殡姵仄焚|(zhì)不穩(wěn)定的關(guān)系,許多廉價(jià)的電池因?yàn)槭鞘褂闷焚|(zhì)不良的電池心,所以待機(jī)時(shí)間很短 。
三、是否加裝安全保護(hù)電路板。無保護(hù)電路板,則鋰電池就有變形、漏液、爆炸的危險(xiǎn)。在惡性削價(jià)競爭下,各家尋求更低價(jià)位的保護(hù)電路板,或者根本省略了這個(gè)裝置,使得市面上充斥著有爆炸危險(xiǎn)的鋰電池。消費(fèi)者無法從外觀分辨出來是否有保護(hù)電路板,因此最好選擇有信譽(yù)的商家購買。
2022年01月19日工信部將指導(dǎo)有關(guān)單位加快制定鋰電編碼標(biāo)準(zhǔn)。
水溶液電池
2013年3月13日消息,最新一期《自然》(Nature)雜志子刊《科學(xué)報(bào)道》(Sci.Report)刊發(fā)了復(fù)旦大學(xué)教授吳宇平課題組的一項(xiàng)重磅研究成果。這項(xiàng)關(guān)于水溶液鋰電池體系的最新研究,可將鋰電池性能提高80%。電動(dòng)汽車只需充電10秒即可行駛400公里,這種電池成本低廉,安全不易爆炸。
吳宇平課題組13日向記者展示了這種鋰電池體系。一片薄薄的金屬鋰,被特制的復(fù)合膜緊密包裹,將其置于pH值呈中性的水溶液中,與鋰離子電池中傳統(tǒng)的正極材料尖晶石錳酸鋰組裝,即可制成平均充電電壓為4.2V、放電電壓為4.0V的新型水鋰電,這一成果大大突破了水溶液的理論分解電壓1.23V。
吳宇平課題組的這項(xiàng)成果對發(fā)展新型的低成本、易大規(guī)模生產(chǎn)、安全環(huán)保的蓄電池體系提供了可能。據(jù)稱,新型的水鋰電采用水溶液作為電解質(zhì),阻燃性增強(qiáng),使電池在使用過程中不易發(fā)燙發(fā)熱,安全性能高;用高分子材料和無機(jī)材料制成復(fù)合膜,能將電池的能量損耗降到5%以下。
據(jù)估計(jì),如果將這種電池用于手機(jī),同樣大小的電池至少能將手機(jī)通話時(shí)間延長一倍,成本則不足原有的一半;用于汽車同樣如此,對環(huán)境構(gòu)成的污染也比現(xiàn)有鋰電池小得多。
吳宇平說,美國能源研究所已“瞄”上這項(xiàng)研究,希望與他達(dá)成合作意向。但他更希望能與國內(nèi)有前瞻性的企業(yè)合作。他表示,“新型水鋰電在生活中可具體應(yīng)用到各方各面,希望水鋰電的突破能夠最終使消費(fèi)者對安全放心、對成本接受,解決目前全球躊躇不前的電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)。”
和鉛酸電池區(qū)別
鋰電池和鉛酸電池作為兩種不同的化學(xué)電源體系,它們在多個(gè)方面存在顯著的區(qū)別。以下是關(guān)于鋰電池和鉛酸電池的主要區(qū)別:
一、材料組成
鋰電池:主要使用鋰元素或其化合物(如鋰離子)作為電極活性材料,并配以碳材料(如石墨)作為負(fù)極。鋰電池的正極材料種類繁多,包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰等。
鉛酸電池:主要使用鉛及其化合物(如鉛酸)作為電極活性材料,電解液為硫酸溶液。鉛酸電池的結(jié)構(gòu)相對簡單,由正極板、負(fù)極板、隔板、電解液和電池槽等組成。
二、能量密度
鋰電池:具有更高的能量密度,這意味著相同重量的鋰電池可以存儲(chǔ)更多的電能。這種特性使得鋰電池在便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
鉛酸電池:雖然也具有一定的能量密度,但相比鋰電池而言要低得多。
三、充電速度
鋰電池:通常具有較快的充電速度,可以在較短時(shí)間內(nèi)充滿電。
鉛酸電池:充電速度相對較慢,需要更長的時(shí)間才能充滿電。
四、使用壽命
鋰電池:使用壽命通常比鉛酸電池長。鋰電池可以在數(shù)千次的充放電循環(huán)中保持其性能。
鉛酸電池:通常在數(shù)百次充放電循環(huán)后就需要更換。
五、環(huán)保性
鋰電池:是一種相對環(huán)保的能源儲(chǔ)存方式。雖然鋰電池在生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生一些有害物質(zhì),但其回收和處理過程相對較少產(chǎn)生有害物質(zhì)。此外,鋰電池的高能量密度和長使用壽命也有助于減少廢棄電池的數(shù)量和對環(huán)境的污染。
鉛酸電池:則存在較為嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。鉛酸電池中含有有毒的鉛和硫酸等物質(zhì),在生產(chǎn)、使用和處置過程中都可能對環(huán)境和人類健康造成危害。
六、成本
鋰電池:的成本通常高于鉛酸電池。這主要是由于鋰電池的原材料成本較高以及生產(chǎn)工藝復(fù)雜等原因所致。然而,考慮到鋰電池的高能量密度和長使用壽命等優(yōu)點(diǎn),其在長期應(yīng)用中可能具有更好的成本效益。
鉛酸電池:則因其生產(chǎn)成本相對較低而在一些低成本應(yīng)用中具有競爭優(yōu)勢。
七、應(yīng)用領(lǐng)域
鋰電池:廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)車、儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域,這些應(yīng)用對能量密度、自放電率和環(huán)保性有較高要求。
鉛酸電池:主要應(yīng)用于汽車啟動(dòng)電源、電動(dòng)自行車、不間斷電源等領(lǐng)域,這些應(yīng)用對能量密度要求不高,但對成本和循環(huán)壽命有一定要求。
綜上所述,鋰電池和鉛酸電池在材料組成、能量密度、充電速度、使用壽命、環(huán)保性、成本以及應(yīng)用領(lǐng)域等方面都存在明顯的差異。在選擇電池類型時(shí),應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用場景和預(yù)算來做決策。
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