JP2019040770A - 蓄電モジュールの製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ランニングコストを低減することができる蓄電モジュールの製造装置を提供する。【解決手段】少なくとも一方の面に活物質が設けられた電極板34と、電極板34の縁部34aに溶着された第一樹脂部52と、を備える蓄電モジュール12の製造装置であって、超音波振動を発生させる超音波発生部72と、超音波発生部によって発生した超音波振動を第一樹脂部に押し付けることにより第一樹脂部に伝達するホーン75と、第一樹脂部及び電極板が載置される定盤71と、定盤に載置された第一樹脂部及び電極板に対し、離接可能に押圧部材を移動させる駆動部74と、を備え、定盤の熱伝導率は、1.30(W/m・k)以下である。【選択図】図3
Description
本発明は、蓄電モジュールの製造装置に関する。
シート状の集電体の少なくとも一方の面に活物質が塗工された電極を積層させてなる積層体を有する二次電池が知られている。例えば、特許文献1には、プラスチックのケーシングフレームに保持された状態でバイポーラ電池プレートが積み重ねられてなるバイポーラ電池アセンブリが記載されている。このバイポーラ電池アセンブリでは、樹脂部材からなるケーシングフレームと金属箔からなるバイポーラ電池プレートとが超音波溶着によって互いに溶着されている。
樹脂部材と金属箔とを超音波溶着装置によって互いに溶着する場合、樹脂部材及び金属箔を載置する載置部を介して熱が放出されることを抑制するために、樹脂部材及び金属箔と載置部との間に断熱シートが配置された状態で溶着処理が為されている。しかしながら、断熱シートは消耗品であり、比較的に短期間に交換が必要となるため、ランニングコストがかかる。
そこで、本発明の目的は、ランニングコストを低減することができる蓄電モジュールの製造装置を提供することにある。
本発明の蓄電モジュールの製造装置は、少なくとも一方の面に活物質が設けられた金属箔と、金属箔の縁部に溶着された樹脂部材と、を備える蓄電モジュールの製造装置であって、超音波振動を発生させる超音波発生部と、超音波発生部によって発生した超音波振動を樹脂部材に押し付けることにより樹脂部材に伝達する押圧部材と、樹脂部材及び金属箔が載置される載置部と、載置部に載置された樹脂部材及び金属箔に対し、離接可能に押圧部材を移動させる駆動部と、を備え、載置部の熱伝導率は、1.30(W/m・k)以下である。
この蓄電モジュールの製造装置では、樹脂部材及び金属箔を載置する載置部そのものが所定の断熱性を有しているので、断熱シート等を配置することなく溶着作業が可能となる。これにより、断熱シートを使用しなくて済むのでランニングコストを低減することができる。
本発明の蓄電モジュールの製造装置では、載置部は、押圧部材の移動方向から見たときに、押圧部材が樹脂部材を押し付ける部分に重なる領域を少なくとも含む第一領域と、第一載置部の周囲に配置される第二領域と、を有し、第一領域の熱伝導率は、1.30(W/m・k)以下であり、第二領域の熱伝導率は、第一領域の熱伝導率よりも高くてもよい。これにより、必要な箇所のみ断熱効果の高い材質を配置することができるので、載置部の製造コストを抑制することができる。
本発明の蓄電モジュールの製造装置では、第一領域は、一方向に延びていてもよい。これにより、金属箔に樹脂部材が溶着される部分の一辺全体を載置することができ、一辺全体を一度の作業で溶着できる。この結果、生産効率を高めることができる。
本発明の蓄電モジュールの製造装置では、第一領域は、移動方向から見て枠状に形成されている。これにより、金属箔に樹脂部材が溶着される部分全体を載置することができ、一つの電極板を一度の作業で溶着できる。この結果、生産効率を高めることができる。
本発明の蓄電モジュールの製造装置は、超音波発生部及び駆動部を制御する制御部を更に備え、制御部は、駆動部により押圧部材を樹脂部材に押圧させた状態で超音波発生部による超音波振動を停止させ、超音波振動により溶融された樹脂部材が凝固した後、駆動部により押圧部材を樹脂部材から離間させる。これにより、溶融した樹脂部材が凝固して収縮する際も押圧部材が樹脂部材を押圧し続けるので、収縮により生じる樹脂部材と電極板との隙間に樹脂を流し込むことができる。これにより、樹脂部材と電極板との結合力を更に向上させることができる。
本発明によれば、ランニングコストを低減することができる。
以下、図面を参照して、一実施形態の蓄電モジュールの製造装置について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図1は、蓄電モジュールを備える蓄電装置の一実施形態を示す概略断面図である。同図に示す蓄電装置10は、例えばフォークリフト、ハイブリッド自動車、電気自動車等の各種車両のバッテリとして用いられる。蓄電装置10は、複数(本実施形態では3つ)の蓄電モジュール12を備えるが、単一の蓄電モジュール12を備えていてもよい。蓄電モジュール12は例えばバイポーラ電池である。蓄電モジュール12は、例えばニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池などの二次電池であるが、電気二重層キャパシタであってもよい。以下の説明では、ニッケル水素電池を例示する。
複数の蓄電モジュール12は、例えば金属板等の導電板14を介して積層され得る。積層方向D1から見て、蓄電モジュール12及び導電板14は例えば矩形形状を有する。各蓄電モジュール12の詳細については後述する。導電板14は、蓄電モジュール12の積層方向D1(Z方向)において両端に位置する蓄電モジュール12の外側にもそれぞれ配置される。導電板14は、隣り合う蓄電モジュール12と電気的に接続される。これにより、複数の蓄電モジュール12が積層方向D1に直列に接続される。積層方向D1において、一端に位置する導電板14には取出部24が接続されており、他端に位置する導電板14には取出部26が接続されている。取出部24は、接続される導電板14と一体であってもよい。取出部26は、接続される導電板14と一体であってもよい。取出部24及び取出部26は、積層方向D1に交差する方向(X方向)に延在している。これらの取出部24及び取出部26により、蓄電装置10の充放電を実施できる。
導電板14は、蓄電モジュール12において発生した熱を放出するための放熱板としても機能し得る。導電板14の内部に設けられた複数の空隙14aを空気等の冷媒が通過することにより、蓄電モジュール12からの熱を効率的に外部に放出できる。各空隙14aは例えば積層方向D1に交差する方向(Y方向)に延在する。積層方向D1から見て、導電板14は、蓄電モジュール12よりも小さいが、蓄電モジュール12と同じかそれより大きくてもよい。
蓄電装置10は、交互に積層された蓄電モジュール12及び導電板14を積層方向D1に拘束する拘束部材16を備え得る。拘束部材16は、一対の拘束プレート16A,16Bと、拘束プレート16A,16B同士を連結する連結部材(ボルト18及びナット20)と、を備える。各拘束プレート16A,16Bと導電板14との間には、例えば樹脂フィルム等の絶縁フィルム22が配置される。各拘束プレート16A,16Bは、例えば鉄等の金属によって構成されている。積層方向D1から見て、各拘束プレート16A,16B及び絶縁フィルム22は例えば矩形形状を有する。絶縁フィルム22は導電板14よりも大きくなっており、各拘束プレート16A,16Bは、蓄電モジュール12よりも大きくなっている。積層方向D1から見て、拘束プレート16Aの縁部には、ボルト18の軸部を挿通させる挿通孔H1が蓄電モジュール12よりも外側となる位置に設けられている。同様に、積層方向D1から見て、拘束プレート16Bの縁部には、ボルト18の軸部を挿通させる挿通孔H2が蓄電モジュール12よりも外側となる位置に設けられている。積層方向D1から見て拘束プレート16A,16Bが矩形形状を有している場合、挿通孔H1及び挿通孔H2は、拘束プレート16A,16Bの角部に位置する。
一方の拘束プレート16Aは、取出部26に接続された導電板14に絶縁フィルム22を介して突き当てられ、他方の拘束プレート16Bは、取出部24に接続された導電板14に絶縁フィルム22を介して突き当てられている。ボルト18は、例えば一方の拘束プレート16A側から他方の拘束プレート16B側に向かって挿通孔H1に通され、他方の拘束プレート16Bから突出するボルト18の先端には、ナット20が螺合されている。これにより、絶縁フィルム22、導電板14及び蓄電モジュール12が挟持されてユニット化されると共に、積層方向D1に拘束荷重が付加される。
図2は、図1の蓄電装置を構成する蓄電モジュールを示す概略断面図である。同図に示す蓄電モジュール12は、複数のバイポーラ電極(電極)32が積層された積層体30を備える。バイポーラ電極32の積層方向D1から見て積層体30は例えば矩形形状を有する。隣り合うバイポーラ電極32間にはセパレータ40が配置され得る。
バイポーラ電極32は、電極板(金属箔)34と、電極板34の一方の面34bに設けられた正極36と、電極板34の他方の面34cに設けられた負極38とを含む。積層体30において、一のバイポーラ電極32の正極36は、セパレータ40を挟んで積層方向D1に隣り合う一方のバイポーラ電極32の負極38と対向し、一のバイポーラ電極32の負極38は、セパレータ40を挟んで積層方向D1に隣り合う他方のバイポーラ電極32の正極36と対向している。積層方向D1において、積層体30の一端には、内側面に負極38が配置された電極板34(負極側終端電極)が配置され、積層体30の他端には、内側面に正極36が配置された電極板34(正極側終端電極)が配置される。負極側終端電極の負極38は、セパレータ40を介して最上層のバイポーラ電極32の正極36と対向している。正極側終端電極の正極36は、セパレータ40を介して最下層のバイポーラ電極32の負極38と対向している。これら終端電極の電極板34はそれぞれ隣り合う導電板14(図1参照)に接続される。
蓄電モジュール12は、積層方向D1に延在する積層体30の側面30aにおいて電極板34の縁部34aを保持する枠体50を備える。枠体50は、積層体30の側面30aを取り囲むように構成されている。枠体50は、電極板34の縁部34aを保持する第一樹脂部(樹脂部材)52と、積層方向D1から見て第一樹脂部52の周囲に設けられる第二樹脂部54とを備え得る。
枠体50の内壁を構成する第一樹脂部52は、各バイポーラ電極32の電極板34の一方の面34b(正極36が形成される面)から縁部34aにおける電極板34の端面にわたって設けられている。積層方向D1から見て、各第一樹脂部52は、各バイポーラ電極32の電極板34の縁部34a全周にわたって設けられている。隣り合う第一樹脂部52同士は、各バイポーラ電極32の電極板34の他方の面34c(負極38が形成される面)の外側に延在する面において当接している。その結果、第一樹脂部52には、各バイポーラ電極32の電極板34と同様に、積層体30の両側に配置された電極板34の縁部34aも第一樹脂部52に埋没した状態で保持されている。これにより、積層方向D1に隣り合う電極板34,34間には、当該電極板34,34と第一樹脂部52とによって気密に仕切られた複数の内部空間Vが形成されている。当該内部空間Vには、例えば水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液からなる電解液(不図示)が収容されている。
枠体50の外壁を構成する第二樹脂部54は、積層方向D1を軸方向として延在する筒状部である。第二樹脂部54は、積層方向D1において積層体30の全長にわたって延在する。第二樹脂部54は、積層方向D1に延在する第一樹脂部52の外側面を覆っている。第二樹脂部54は、積層方向D1から見て内側において第一樹脂部52に溶着されている。第二樹脂部54は、例えば、射出成型時の熱によって第一樹脂部52の外表面に溶着されている。
第一樹脂部52及び第二樹脂部54は、例えば、アルカリ耐性を有する絶縁性の樹脂によって矩形の筒状に形成されている。第一樹脂部52及び第二樹脂部54を構成する樹脂材料としては、例えばポリプロピレン(PP)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、又は変性ポリフェニレンエーテル(変性PPE)等が挙げられる。
電極板34は、金属製であり、例えばニッケル又はニッケルメッキ鋼板からなる。電極板34は、例えばニッケルからなる矩形の金属箔である。電極板34の縁部34aは、正極活物質及び負極活物質が塗工されない未塗工領域となっており、当該未塗工領域が枠体50の内壁を構成する第一樹脂部52に埋没して保持される領域となっている。正極36を構成する正極活物質としては、例えば水酸化ニッケルが挙げられる。負極38を構成する負極活物質としては、例えば水素吸蔵合金が挙げられる。電極板34の他方の面34cにおける負極38の形成領域は、電極板34の一方の面34bにおける正極36の形成領域に対して一回り大きくなっている。電極板34の少なくとも一方の面34bには、凹凸が形成されている。本実施形態では、正極36が配置される面が、電界メッキ処理されることにより凹凸が形成されている。電界メッキ処理される範囲は、正極36が配置される面の全てあってもよいし、縁部34aの一部であってもよい。
セパレータ40は、例えばシート状に形成されている。セパレータ40を形成する材料としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン等からなる織布又は不織布等が例示される。また、セパレータ40は、フッ化ビニリデン樹脂化合物等で補強されたものであってもよい。
次に、上述した蓄電モジュール12の製造方法で用いられる蓄電モジュール12の製造装置70(以下、単に「製造装置」とも称する。)について説明する。製造装置70は、蓄電モジュール12を製造するための製造装置であり、超音波(エネルギー)によって第一樹脂部52と電極板34の縁部34aとを溶着させるための超音波溶着装置である。
図4に示されるように、製造装置70は、定盤(載置部)71と、超音波発生部72と、ホーン(押圧部材)75と、駆動部74と、コントローラ80と、を備えている。定盤71は、ホーン75の先端と対向して配置されている。以下では、定盤71とホーン75の対向方向を上下方向とする。
定盤71は、超音波溶着の対象(溶着対象)となる電極板34及び第一樹脂部52が載置される載置面71aを有している。定盤71の載置面71aの熱伝導率は、1.30(W/m・k)以下である。載置面71aは、断熱効果の高い例えば、ケイ酸、イソ系不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、又はホウ酸塩等により構成されている。
超音波発生部72は、例えば、ピエゾ素子からなる超音波振動子により超音波振動を発生させる。超音波発生部72は、例えば、上下方向の振動を発生させる。超音波発生部72は、ブースターにより振幅の調整を行った後、超音波振動をホーン75に入力する。
ホーン75は、超音波発生部72に連結され、超音波発生部72において発生した超音波振動を溶着対象である第一樹脂部52に伝達する。ホーン75は、例えば、アルミニウム又はチタンのような金属材料により形成されている。
駆動部74は、例えば、エアシリンダであり、ホーン75はエアシリンダのピストンに上下動自在に取り付けられている。駆動部74は、ホーン75を溶着対象に向けて下方に駆動することで、所定の荷重で第一樹脂部52にホーン75を押し付ける。
コントローラ(制御部)80は、超音波発生部72及び駆動部74を制御する。コントローラ80は、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)及び入出力インターフェース等から構成される。ROMには、各種プログラム又はデータが格納されている。本実施形態のコントローラ80は、例えば、ホーン75を第一樹脂部52に押圧させた状態で超音波発生部72による超音波振動を停止させ、超音波振動により溶融された第一樹脂部52が凝固した後、ホーン75を第一樹脂部52から離間させるように、超音波発生部72及び駆動部74を制御する。
次に、上記蓄電モジュール12の製造装置70を用いて、蓄電モジュール12を製造する方法について説明する。本実施形態では、少なくとも一方の面34bに凹凸が形成されている電極板34の縁部34aに樹脂からなる第一樹脂部52を溶着する。少なくとも一方の面34bに凹凸が形成されている電極板34は、例えば、上流工程において、金属箔を加工することにより形成してもよい。具体的には、電極板34の一方の面34bが電界メッキ処理されることにより凹凸を形成してもよい。電極板34の一方の面34bに形成される凹凸の大きさは特に限定されないが、電極板34の厚みが0.1μm〜1000μmであれば、凹凸の大きさは、0.1μm〜30μmに設定することができる。その後、電極板34の一方の面34bに正極活物質層が形成され、他方の面34cに負極活物質層が形成される。すなわち、バイポーラ電極32が形成される。
次に、上記の電極板34の縁部34aに枠状に配置された第一樹脂部52(図4(A)参照)を、ホーン75によって所定の荷重で押圧した状態で、ホーン75を介して第一樹脂部52に超音波振動を付与する(図4(B)参照)。具体的には、超音波発生部72によって超音波振動を発生させて、ホーン75を振動させる。続いて、駆動部74によって第一樹脂部52に向けてホーン75を下方に移動させ、所定の荷重で第一樹脂部52にホーン75を押し付ける。ホーン75は、超音波発生部72において発生した超音波振動の振動エネルギーを第一樹脂部52に伝達する。これにより、第一樹脂部52と電極板34との境界面では、摩擦による熱(摩擦熱)が発生し、第一樹脂部52の温度が上昇する。この結果、第一樹脂部52が溶融する。
次に、駆動部74によりホーン75を第一樹脂部52に押圧させた状態で超音波発生部72による超音波振動を停止させ、超音波振動により溶融された第一樹脂部52が凝固した後、駆動部74によりホーン75を第一樹脂部52から離間させる。なお、駆動部74による駆動のタイミング、超音波発生部72による超音波振動発生のタイミングは、上述の内容に限定されない。
次に、上記のとおり形成された、電極板34の縁部34aに第一樹脂部52が配置されたユニットを積層する。次に、積層された第一樹脂部52の外側面52sを覆う第二樹脂部54を形成する。第二樹脂部54は、例えば、射出成型時によって形成される。このような工程を経て、図2に示されるような蓄電モジュール12が製造される。
以上説明したように、上記実施形態の蓄電モジュール12の製造装置70によれば、第一樹脂部52及び電極板34を載置する定盤71そのものが所定の断熱性を有しているので、断熱シート等を配置することなく溶着作業が可能となる。これにより、断熱シートを使用しなくて済むのでランニングコストを低減することができる。
上記実施形態の蓄電モジュール12の製造方法では、電極板34の少なくとも一方の面34bに凹凸を形成している。このため、凹凸がない電極板34又は凹凸量が比較的小さな電極板34に凹凸を形成することができるので、電極板34と第一樹脂部52との接合をより強固にすることができる。具体的には、電極板34の一方の面34bが電界メッキ処理により粗面化される。このように電極板34が粗面化されている場合、溶融した第一樹脂部52が粗面化により形成された凹部内に入り込み、アンカー効果が発揮される。この場合、凹部内に空気が残留し易くなるものの、上記蓄電モジュール12の製造装置70によれば、定盤71の載置面71aが断熱性を有する部材により形成されているので、溶融樹脂の温度が下がり難く、その凹凸に溶融状態にある樹脂が入り込み易くなる。
電極板34が粗面化されている場合について、図5(A)〜図5(C)を参照して詳細に説明する。図5(A)〜図5(C)に示されるように、電極板34の一方の面34bが粗面化されることにより、複数の突起34dが形成される。突起34dは、例えば、基端側から先端側に向かって先太りとなる形状を有していてもよい。なお、図5(A)〜図5(C)は模式図であって、突起34dの形状及び密度等は特に限定されない。
図5(A)には、超音波溶着前の第一樹脂部52及び電極板34が示されている。図5(B)には、従来の方法により、すなわち、断熱性に乏しい定盤を有する製造装置により製造された蓄電モジュールにおける第一樹脂部52及び電極板34が示されている。この場合、複数の突起34d間に形成された凹部内に空洞が残留し、複数の空洞34gが形成される。これに対して、本実施形態の製造装置70により製造された蓄電モジュール12では、溶融樹脂が溶融している時間を長く確保することができるので、その凹凸に溶融状態にある樹脂を十分に入り込ませることができる。このため、電極板34が粗面化されていても、空洞34gの形成を抑制することができる。
以上、一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
上記実施形態では、定盤71の載置面71aの全体を断熱性材料(熱伝導率は、1.30(W/m・k)以下)により形成する例を挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、図3(B)に示されるように、定盤71は、上下方向(ホーン75の移動方向)から見たときに、ホーン75が第一樹脂部52を押し付ける部分に重なる領域を少なくとも含む第一領域A1と、第一領域A1の周囲に配置される第二領域A2と、を有し、第一領域の熱伝導率を、1.30(W/m・k)以下としてもよい。なお、図3(B)に示される実施形態の定盤71では、上下方向から見たときに、ホーン75が第一樹脂部52を押し付ける部分に重なる領域と第一領域A1とが完全に一致している。第二領域A2の熱伝導率は、第一領域A1の熱伝導率と同じか、それよりも高くてもよい。
このとき、図6(A)に示されるように、第一領域A1は、一方向に延びていてもよい。例えば、当該第一領域A1の長さL1と、電極板34の一辺の長さを略一致又はそれ以上の長さで形成すれば、電極板34の一辺全体を一度の作業で溶着できる。この結果、生産効率を高めることができる。
また、図6(B)に示されるように第一領域A1は、上下方向(移動方向)から見て枠状に形成してもよい。例えば、上記枠状に形成される第一領域A1のサイズを電極板34のサイズに合わせて形成することにより、電極板34に第一樹脂部52が溶着される部分全体を載置することができる。この結果、一つの電極板34を一度の作業で溶着できるので、生産効率を高めることができる。
上記実施形態又は変形例では、電極板34の一方の面34bに凹凸を形成する例を挙げて説明したが、他方の面34c又は両方の面34b,34cに凹凸が形成された電極板34を準備してもよい。また、この場合、他方の面34cにおいて第一樹脂部52を溶着してもよいし、両方の面34b,34cにおいて第一樹脂部52を溶着してもよい。
10…蓄電装置、12…蓄電モジュール、14…導電板、32…バイポーラ電極、34…電極板(金属箔)、34a…縁部、50…枠体、52…第一樹脂部(樹脂部材)、52s…外側面、54…第二樹脂部、70…製造装置、71…定盤、71a…載置面、72…超音波発生部、74…駆動部、75…ホーン(押圧部材)、80…コントローラ、A1…第一領域、A2…第二領域。
Claims (5)
- 少なくとも一方の面に活物質が設けられた金属箔と、前記金属箔の縁部に溶着された樹脂部材と、を備える蓄電モジュールの製造装置であって、
超音波振動を発生させる超音波発生部と、
前記超音波発生部によって発生した前記超音波振動を前記樹脂部材に押し付けることにより前記樹脂部材に伝達する押圧部材と、
前記樹脂部材及び前記金属箔が載置される載置部と、
前記載置部に載置された前記樹脂部材及び前記金属箔に対し、離接可能に前記押圧部材を移動させる駆動部と、
を備え、
前記載置部の熱伝導率は、1.30(W/m・k)以下である、蓄電モジュールの製造装置。 - 前記載置部は、前記押圧部材の移動方向から見たときに、前記押圧部材が前記樹脂部材を押し付ける部分に重なる領域を少なくとも含む第一領域と、前記第一載置部の周囲に配置される第二領域と、を有し、
前記第一領域の熱伝導率は、1.30(W/m・k)以下であり、
前記第二領域の熱伝導率は、前記第一領域の熱伝導率よりも高い、請求項1記載の蓄電モジュールの製造装置。 - 前記第一領域は、一方向に延びている、請求項2記載の蓄電モジュールの製造装置。
- 前記第一領域は、前記移動方向から見て枠状に形成されている、請求項2又は3記載の蓄電モジュールの製造装置。
- 前記超音波発生部及び前記駆動部を制御する制御部を更に備え、
前記制御部は、前記駆動部により前記押圧部材を前記樹脂部に押圧させた状態で前記超音波発生部による超音波振動を停止させ、超音波振動により溶融された前記樹脂部が凝固した後、前記駆動部により前記押圧部材を前記樹脂部から離間させる、請求項1〜4の何れか一項記載の蓄電モジュールの製造装置。
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| JP2017162726A JP2019040770A (ja) | 2017-08-25 | 2017-08-25 | 蓄電モジュールの製造装置 |
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-
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- 2017-08-25 JP JP2017162726A patent/JP2019040770A/ja active Pending
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