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充电电池知识集锦
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基本电学公式
首先来介绍几个很简单的基本电学公式,希望让没有电子方面背景的读者们能对几个物理现象有点概念.
电压(V)=电流(I)x电阻(R)
电荷量(Q)=电流(I)x时间(T)
功率(P)=VxI=
能量(W)=PxT=QxV
任何物体都有阻抗,在阻抗两端加上一电位差则会产生电荷流过该阻抗,阻抗越大则单位时间内(一秒)流过的电荷量越小,阻抗越小则单位时间内流过的电荷量越多.若将电位差增大则单位时间内流过的电荷量越多,将电位差减小则单位时间内流过的电荷量越少.此电位差称之为电压(V),单位为伏特(V),单位时间内流过的电荷量多寡称之为电流(I),单位为安培(A),阻抗称为电阻(R),单位为欧姆().电流(I)强度越大表示单位时间内流过的电荷数目越多,那麼在在T秒内流过电阻的电荷数目总共有IxT,用以描述此电荷量多寡的名词为电荷量(Q),俗称称电量,单位为库仑(Q).电阻消耗的功率(P)为IxV,单位为瓦特(W),消耗功率越大代表越耗电.,消耗的能量(W)为PxT,单位为焦耳(J),时间越久消耗能量越大,同样时间消耗功率越大的消耗能量也越大.
例如:
一颗1.5V的乾电池接上0.5的灯泡时,消耗电流为3A,消耗功率为4.5W,10秒钟内共流过了30库仑的电荷,消耗了45焦耳的能量.镍镉电池的材料电池的分类有很多种,在化学电池中不可充电用完就扔掉的电池称为一次电池,可以多次充电再使用的电池称为二次电池,而镍镉电池是属於二次电池中碱性蓄电池的一种.镍镉电池在材料方面阳极是使用过氧氢氧化镍,阴极使用镉化合物之活性物质,电解液则是使用氢氧化钾等碱性水溶液.当对镍镉电池充电时,会在阳极上面产生氢氧化镍,在阴极上面产生金属镉,因而在两极间形成了电位差.将镍镉电池的阳极和阴极两端外接负载放电时,阴极端产生带负电的电子经由外接负载流向阳极,因此提供能量供外部负载消耗.
过度充电
在充电过程中电池的电压会随著储存电量的增加而逐渐上升,当电池储存的电量达到饱和电极材料无法继续充电时,若继续充电则电解液会起电解,并且在阳极产生氧气,在阴极产生氢气,如此会在密封的电池内部造成内部压力上升,会对电池内部结构造成破坏.像这种现象称之为过度充电.
为了避免过度充电电池遭毁损,通常将阴极之容量制作得比阳极容量大,如此当过度充电时阳极会先达到饱和并产生氧气,而阴极却未饱和而不会产生氢气,阳极产生的氧气扩散到阴极之后会与充电产生的金属镉起化学反应吸收掉氧气,且此反应的速度与金属镉产生的速度平衡,因此可以有效地避免电池的压力上升.但是若充电电流过大(使用快充时)就会失去平衡,电池的内压过大会将电池的安全阀推开,氢气和氧气会泄漏到电池外部,直到压力降低安全阀关闭电池才又再密封起来.但是气体的泄漏已使得内部化学材料减少,造成电池寿命的缩短.
充电电压的变化
电池过度充电时,因为阳极产生的氧气与阴极起化学反应会产生热,使得电池温度会上升外壳发烫.由於温度越高电池的充电电压会变得比较低,因此充电时电池电压会持续上升直到过度充电时,电池温度会突然地快速上升,电压不再上升转而由峰值开始下降.
标称电压
镍镉电池在标准放电条件下放电时,电压会缓缓地下降直到当电量几乎释放完时,电压会大幅度地下降,此电压值称之为标称电压.一般镍镉电池的标称电压为1.2V,与一般乾电池标注的1.5V是相同意思,都是标注於电池外壳上面.镍镉电池只要有电量电压值一定至少在标称电压1.2V以上,储存的电量越多电压也越高.
放电终止电压
电池在放电时其电压会随著电池电量的减少而逐渐降低,当电压降到所要求的准位时就不再让它继续放电,称为放电终止,而此电压准位称之为放电终止电压.通常厂商建议的放电终止电压约在0.9V~1.1V左右,电压放电到此准位时电量几乎已经放光了,此状况称为完全放电.镍镉电池已经完全放电了还不移掉负载而让它继续放电下去,那麼就成了过度放电,电压会急速下降直到0V为止.若电压尚未降到0V左右就终止放电,则电池电压会自动快速回升到标称电压1.2V左右.
过度放电
镍镉电池的一大致命伤就是被过度放电,将放电终止电压设定在此状况下,不但没有电力可以推动负载,对电池寿命也会造成损害.而且一旦不慎让电压继续下降到几乎等於0V时,就算想终止放电把负载移走恐怕也来不及了,电池的电压无法再自动回升,一般的充电器也无法再把电充进去,它的电压会一直固定住停留在0V不动.此刻的它就像是中风似的瘫痪在那边,就别说折寿了,更是往往一命呜呼哀哉不能再使用了.
电池容量的定义
电池的容量系指对电池放电,直到电压降到终止电压为止,在这期间所能取得的放电电荷量.若是在规定的电流和温度等标准放电条件下,对充饱电的电池进行放电直到放电终止,所得到的容量称之为额定容量(或标称容量).容量的大小与其所消耗的电极材料之活性物质的量有关,而标准放电条件则是依照电池种类的不同有所规定.容量是根据电池的放电反应来定义,而非充电反应来定义,因此我们常说的电池容量有多大,是指放电时可得到的累积放电电荷量有多少,而非充电时流进去的电荷量有多少.
电池容量的表示法
电池的容量的大小,可以用[(放电电流)x(电压降到放电终止电压所经之放电时间)],计算后所得到的值来表示.之前所介绍的基本电学公式中,电量为电流x时间,单位是库仑(Q),电池若以多少库仑来表示电池容量的话,可能是比较不好理解,因此电池的容量都是把电流x时间的值,直接以C=IT(单位以mAh或Ah)来表示,其中C是容量(与库仑是同意义),I是电流,A是安培,mA表示电流大小为豪安(千分之一安培,A),h代表小时(hour),也就是说以千分之一安培的电流放电一小时所累积的放电量为1mAh.因此C=IxT=多少mAh,mAh就是库仑的等效表示方式.通常电池的外壳包装上面都会标明电池的额定容量,用来表示该电池的最大容量.新的镍镉电池在第一次充放电时容量都可以达额定容量,但容量会随著充放电次数的增加而减少.
例子:
以1安培电流放电需要二小时才能将电池电量放光,那麼电池容量约为2000mAh.若将电池容量以库仑来表示的话,那麼C=IxT=1Ax7200sec=7200库伦.您是不是也发现用2000mah来表示比用7200库伦来表示比较不空洞而明了多了呢。
C表示式
电池除了以安培(或毫安)做单位来表示电池的充放电流大小之外,也使用英文字母C(capacity)来当作额定容量(电流x时间)之电流部分,以它做为电流大小衡量的单位.比如说额定容量600mAh的电池,C就是600mA的意思,所以电流1C就是600mA,电流2C就是1.2mA,电流0.1C就是60mA.以后购买电池时若在规格上找不到充放电流的安培数时,请先别著急,别忘了找找看有没有写著多少C喔.
充放电率
所谓充(放)电率是将全部容量的电荷放(充)完所需要的时间,做为充(放)电时的标准速度.一般用来说明放(充)电的速度是多少,比如说二小时率的放电,是指用0.5C的电流,在二个小时的时间将电池全部容量放完.20分钟率表示用3C的电流在20分钟内将电池额定电量全部放完.在厂商的电池规格书上面,也常使用小时率来表示标准放电时间,只要根据额定容量来换算就知道标准放电电流是多少了.通常厂商提供的规格上额定容量是以温度20℃,而放电是以5小时率0.2C的条件来量测.
充电效率
电池不可能充多少电量进去就能储存有多少电量,一定会有所耗损,除了阳极和阴极漏电间的绝缘体漏电之外,材料也不可能无瑕地储存所有电量.电池放电时取出的电量与充电时流进去电池的电量之比,称之为充电效率.
通常电池厂商都是建议充电量必须为额定容量的1.5倍,才能将电池充饱.也就是说若以0.1C的电流充电需要充15小时,以3C的电流充电需要充半小时,虽理论填充量是额定容量的1.5倍,但实际填充量差不多刚好为额定容量.
利用率
虽然理论上电池的额定容量很大,但实际上充饱电后再放电时可得到的电量却往往小於理论容量,表示电池可储存的实际储存容量并没有那麼大,此实际容量相对於理论容量的比率称之为利用率.通常电池的放电电流越大,或者周遭温度降低时,利用率会减小.
放电深度
电池放电时所放电量与所储存电量的比率称之为放电深度,比百分比表示.例如放电深度20%表示电量放电到剩下80%电量的程度.
1、一次电池和充电电池有什么区别?
电池内部的电化学性决定了该类型的电池是否可充,根据它们的电化学成分和电极的结构可知,真正的可充电电池的内部结构之间所发生反应是可逆的。
理论上,这种可逆性是不会受循环次数的影响,既然充放电会在电极体积和结构上引起可逆的变化,那么可充电电池的内部设计必须支持这种变化,既然,一次电池仅做一放电,它内结构简单得多且不需要支持这种变化,因此,不可以将一次电池拿来充电,这种做法很危险也很不经济,如果需要反复使用,应有尽有选择真正的循环次数在1000次左右的充电电池,这种电池也可称为一次电池或蓄电池。
2、一次电池和二次电池还有其他的区别吗?
另一明显的区别就是它们能量和负载能力,以及自放电率,二次电池能量远比一次电池高,然而他们的负载能力相对要小。
3、可充电便携式电池的优缺点是什么?
充电电池寿命较长,可循环1000次以上,虽然价格比干电池贵,但如果经常使用的话,是比较划算的。
充电电池的容量比同规格的碱锰电池或锌碳电池低,比如,他们放电较快。
另一缺点是由于他们几近恒定的放电电压,很难预测放电何时结束。
当放电结束时,电池电压会突然降低。
假如在照相机上使用,突然电池放完了电,就不得不终止。
但另一方面可充电电池能提供的容量比太部分一次电池高。
但Li-ion电池却可被广泛地用照相器材中,因为它容量高,能量密度大,以及随放电深度的增加而逐渐降低的放电电压。
4、充电电池是怎样实现它的能量转换?
每种电池都具有电化学转换的能力,即将储存的化学能直接转换成电能,就二次电子(也叫蓄电池)而言(另一术语也称可充电使携式电池),在放电过程中,是将化学能转换成电能;而在充电过程中,又将电能重新转换成化学能。
这样的过程根据电化学系统不同,一般可充放电500次以上,而我司产品li-ion可重复充放电1000次以上。
Li-ion是一种新型的可充电便携式电池。
它的额定电压为3.6V,它的放电电压会随放电的深度逐渐衰退,不象其他充电电池一样,在放电未,电压突然降低。
5、什么是Li-ion电池?
Li-ion是锂电池发展而来。
所以在介绍Li-ion之前,先介绍锂电池。
举例来讲,以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。
锂电池的正极材料是锂金属,负极是碳。
当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。
而作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。
同样,当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回正极。
回正极的锂离子越多,放电容量越高。
我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。
在Li-ion的充放电过程中,锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。
Li-ion就像一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。
所以Li-ion又叫摇椅式电池。
6、Li-ion电池有哪几部分组成?
(1)电池上下盖
(2)正极——活性物质为氧化锂钴(3)隔膜——一种特殊的复合膜
(4)负极——活性物质为碳(5)有机电解液(6)电池壳(分为钢壳和铝壳两种)
7、Li-ion电池有哪些优点?
哪些缺点?
Li-ion具有以下优点:
1)单体电池的工作电压高达3.6-3.8V:
2)比能量大,目前能达到的实际比能量为100-115Wh/kg和240-253Wh/L(2倍于Nl-Cd,1.5倍于Ni-MH),未来随着技术发展,比能量可高达150Wh/kg和400Wh/L
3)循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至1000次.对于小电流放电的电器,电池的使用期限将倍增电器的竞争力.
4)安全性能好,无公害,无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池,因金属锂易形成枝晶发生短路,缩减了其应用领域:
Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素:
部分工艺(如烧结式)的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”,严重束缚电池的使用,但Li-ion根本不存在这方面的问题。
5)自放电小
室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为10%左右,大大低于Ni-Cd的25-30%,Ni、MH的30-35%。
Li-ion也存在着一定的缺点,如:
1)电池成本较高。
主要表现在LiCoO2的价格高(Co的资源较小),电解质体系提纯困难。
2)不能大电流放电。
由于有机电解质体系等原因,电池内阻相对其他类电池大。
故要求较小的放电电流密度,一般放电电流在0.5C以下,只适合于中小电流的电器使用。
3)需要保护线路控制。
A、过充保护:
电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命;同时过充电使电解液分解,内部压力过高而导致漏液等问题;故必须在4.1V-4.2V的恒压下充电;
B、过放保护:
过放会导致活性物质的恢复困难,故也需要有保护线路控制。
8、什么是锂离子制造过程?
1)配料
用专门的溶液和粘接剂分别与粉末状的正负极活性物质混合,经高速搅拌均匀后,制成浆状的正负极物质。
2)涂漠
将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔的表面,烘干,分别制成正负极极片。
3)装配
按正极片——隔膜——负极片——隔膜自上而下的顺序放好,经卷绕制成电池极芯,在经注入电解液、封口等工艺过程,即完成电池装配过程。
制成成品电池。
4)化成
用专用的电池充放电设备对成品电池进行充放电测试,对每一只电池都进行检测。
筛选出合格的成品电池,待出厂。
9、锂离子安全特性是如何实现的?
为了确保Li-ion安全可靠的使用,专家们进行了非常严格、周密的电池安全性能设计,以达到电池安全考核指标。
1)隔膜135℃自动关断保护
采用国际先进的Celgars2300PE-PP-PE三层复合膜。
在电池升温达到120℃的情况下,PE复合膜两侧的膜孔闭合,电池内阻增大,电池内部升温减缓,电池升温达到135℃时,PP膜孔闭合,电池内部断路,电池不再升温,确保电池安全可靠。
2)向电解液中加入添加剂
在电池过充,电池电压高于4.2V的条件下,电解液添加剂与电解液中其他物质聚合,电池内阻大幅度增加,电池内部形成大面积断路,电池不再升温。
3)电池盖复合结构
电池盖采用刻痕防爆球结构,电池升温时,电池内部活化过程中所产生的部分气体膨胀,电池内压加大,压力达到一定程度刻痕破裂、放气。
4)各种环境滥用测试
进行各项滥用实验,如外部短路、过充、针刺、冲击、焚烧等,考察电池安全性能。
同时对电池进行温度冲击实验和振动、跌落、冲击等力学性能实验,考察电池在实际使用环境焉的性能情况。
9、什么充电限制电压?
额定容量?
额定电压?
终止电压?
A、充电限制电压
按生产厂家规定,电池由恒流充电转入恒压充电时的电压值。
B、额定容量
生产厂家标明的电池容量,指电池在环境温度为20℃±5℃条件下,以5h率放电至终止电压时所应提供的电量,用C5表示,单位为Ah(安培小时)或mAh(毫安小时)。
C、标称电压
用以表示电池电压的近似值。
D、终止电压
规定放电终止时电池的负载电压,其值为n*2.75V(锂离子单体电池的串联只数用“n”表示)。
10、为什么恒压充电电流为逐渐减少?
因为恒流过程终止时,电池内部的电化学极化然保持再整个恒流中相同的水平,恒压过程,再恒定电
场作用下,内部Li+的浓差极化在逐渐消除,离子的迁移数和速度表现为电流逐渐减少。
11、什么是电池的容量?
电池的容量有额定容量和实际容量之分。
电池的额定量是指设计与制造电池时规定或保证电池在一定的放电条件下,应该放出最低限度的电量。
Li-ion规定电池在常温、恒流(1C)恒压(4.2V)控制的充电条件下充电3h,电池的实际容量是指电池在一定的放电条件下所放出的实际电量,主要受放电倍率和温度的影响(故严格来讲,电池容量应指明充放电条件)。
容量常见单位有:
mAh、Ah=1000mAh)。
12、什么是电池内阻?
是指电池在工作时,电流流过电池内部所受到的阻力。
有欧姆内阻与极化内阻两部分组成。
电池内阻大,会导致电池放电工作电压降低,放电时间缩短。
内阻大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响。
是衡量电池性能的一个重要参数。
注:
一般以充电态内阻为标准。
测量电池的内阻需用专用内阻仪测量,而不能用万用表欧姆档测量。
13、什么是开路电压?
是指电池在非工作状态下即电路无电流流过时,电池正负极之间的电势差。
一般情况下,Li-ion充满电后开路电压为4.1-4.2V左右,放电后开压为3.0V左右,通过电池的开路电压,可以判断电池的荷电状态。
14、什么是工作电压?
又称端电压,是指电池在工作状态下即电路中有电流过时电池正负极之间电势差。
在电池放电工作状态下,当电流流过电池内部时,不需克服电池的内阻所造成阻力,故工作电压总是低于开路电池,充电时则与之相反。
Li-ion的放电工作电压在3.6V左右。
15、什么是放电平台?
放电平台是恒压充到电压为4.2V并且电电流小于0.01C时停充电,然后搁置10分钟,在任何们率的放电电流下下放电至3.6V时的放电时间。
是衡量电池好坏的重要标准。
16、什么是(充放电)倍率?
时率?
是指电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值,它在数据值上等于电池额定容量的倍数,通常以字母C表示。
如电池的标称额定容量为600mAh为1C(1倍率),300mAh则为0.5C,6A(600mAh)为10C.以此类推.
时率又称小时率,时指电池以一定的电流放完其额定容量所需要的小时数.如电池的额定容量为600mAh,以600mAh的电流放完其额定容量需1小时,故称600mAh的电流为1小时率,以此类推.
17、什么是自放电率?
又称荷电保持能力,是指电池在开路状态下,电池所储存的电量在一定条件下的保持能力。
主要受电池制造工艺、材料、储存条件等因素影响。
是衡量电池性能的重要参数。
注:
电池100%充电开路搁置后,一定程度的自放电正常现象。
在GB标准规定LI-ion后在20±2℃条件下开条件下开路搁置28天。
可允许电池有容量损失。
18、什么是内压?
指电池的内部气压,是密封电池在充放电过程中产生的气体所致,主要受电池材料、制造工艺、电池结构等因素影响。
其产生原因主要是由于电池内部水分及有机溶液分解产生的气体于电池内聚集所致。
高倍率的连续过充,会导致电池温度升高、内压增大,严重时对电池的性能及外观产生破坏性影响,如漏液、鼓底,电池内阻增大,放电时间及循环寿命变短等。
Li-ion任何形式的过以都会导致电池性能受到严重破坏,甚至爆炸。
帮Li-ion在充电过程中需采用恒流恒压充电方式,避免对电池产生过充。
19、为什么电池要储存一段时间后才能包装出货?
电池的储存性能是衡量电池综合性能稳定程度的一个重要参数。
电池经过一定时间储存后,允许电池的容量及内阻有一定程度的变化。
经过了一段时间的储存,可以让内部各成分的电化学性能稳定下来,可以了解该电池的自放电性能的大小,以便保证电池的品质。
20、为什么要化成?
电池制造后,通过一定的充放电方式将其内部正负极物质激活,改善电池的充放电性能及自放电、储存等综合性能的过程称为化成,电池粉有经过化成后才能体现真实性能。
21.什么是分容?
电池在制造过程中,因工艺原因使得电池的实际容量不可能完全一致,通过一定的充放电制度检测,并将电池按容量分类的过程称为分容。
22.什么是压降?
电池按定性充电至80%以上,测量其电池空载电压。
5W/2W电池作为负载连接电池正负极端开关作为电池的断路,通路的装置进行串联。
打开开关后5秒电压下降不大于0。
4V,为合格主要为测试电池负载性能。
23.什么是静态电阻?
即放电时电池内阻
24.什么是动态电阻?
即充电时电池内阻。
25.什么是电池的负载能力?
当电池的正负极两端连接在用电器上时,带动用电器工作时的输出功率,即为电池的负载能力。
26,什么是充电效率?
什么是放电效率?
充电效率是指电池在充电过程中所消耗的电能转化成电池所能储蓄顾的化学能程度的量度。
主要受电池工艺,配方及电池的工作环境温度影响,一般环境温度越高,则充电效率要低。
放电效率是指在一定的放电条件下放电至终点电压所放出的实际电量与额定容量之比,主要受放电倍率,环境温度,内阻等到因素影响,一般情况下,放电倍率越高,则放电效率越低。
温度越低,放电效率越低。
27.目前常见的各种可充电电池之间有什么区别?
目前镍镉,镍氢,锂离子充电电池大量应用于各种便携式用电设备(如笔记本电脑,摄像机和移动电话等到)中,每种充电电池都具自已独特的化学性质。
镍镉和镍氢电池之间主要差别在于:
镍氢电池能量密度比较高。
与相同型号电池对比,镍氢电池容量是镍镉电池的二倍。
这意味着在不为用电设备增加额外重量时,使用镍氢电池能大大地延长设备工作时间。
镍氢电池另一优点是;A大大减少了处镉电池中存在的:
“记忆效应”问题,从而使得镍氢电池可更方便地使用。
镍氢电池比镍镉电池更环保,因为它内部没有有毒重金属元素。
Li-ion也已经快速成为便携设备的标准电源,Li-ion能提供和镍氢电池一样的能量,但在重量方面则可减少大约35%,这对于旬摄像机和笔记本电脑之类的用电设备来说是至关重要的。
Li-ion完全没有“记忆效应”和不含有毒物质的优点也是使它成为标准电源的重要因素。
32、Ni、Cd、NiMH、Li-ion各技术参数比较。
电池类型项目镍镉充电电池镍氢充电电池锂离子充电电池
1.21.21.23.6
重量比能量5065105-140
体积比能量150200300
充放电寿命5005001000
自放电率(%)25-3030-356-9
有无记忆效应有无无
有无污染有无无
注:
充电速率均为1C
33、目前在使用和研究的“绿色电池”有哪些?
新型绿色环保电池是指近年来已经投入使用或正在研制开发的一类高性能、无污染的电池。
目前已经大量使用的锂离子蓄电池、金属氢化物镍蓄电池和正在推广使用的无汞碱性锌锰电池以及正在研制开发的锂或锂离子塑料蓄电池、燃烧电池、电化学储能超级电容器都属于新型绿色环保电池的范畴。
此外,目前已经广泛应用的利用太阳能进行光电转换的太阳电池。
34、什么电池将会主宰电池市场?
随着照相机,移动和无绳电话,笔记本电脑,带图像,声音的多媒体设备在家用电器中占据越来越重要的位置,与一次电池相比较,二次电池即可充电式电池也大量的应用到这些领域中。
而二次充电电池将向体积小,重量轻,容量,智能化的方向发展。
35、什么是锂离子蓄电池?
是指以锂离子为反应活性物质的可充式电池,当电池放电到终止电压后能够再充电,以恢复到放电前的状态。
36、锂离子蓄电池的工作原理?
放电时,锂与碳的相嵌化合物中的锂,从负极溶解形成锂离子到电解液中,穿过电解液并在正极晶体中嵌入形成嵌入化合物.充电时,在正极嵌入的锂离子重新回到电解液中,然后在负极上与碳形成嵌入化合物,周而复始.
37、锂离子蓄电池与镍/镉、镍/氢、铅酸蓄电池相比有哪些优点?
比能量高,自放电率低,高低
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