(57)【要約】  電極製造方法は、アルカリ金属がドープされた活物質を含む活物質層を備えた電極を製造する。酸素濃度が１体積％以上１８体積％以下の雰囲気において、アルカリ金属イオンを含むドープ溶液を用い、前記活物質にアルカリ金属をドープする。蓄電デバイスイの製造方法では、酸素濃度が１体積％以上１８体積％以下の雰囲気において、アルカリ金属イオンを含むドープ溶液を用い、負極が備える負極活物質層に含まれる負極活物質にアルカリ金属をドープする。前記アルカリ金属のドープの後、前記負極と、セパレータと、前記負極とは異なる電極とを順次積層して前記電極セルを形成する。
2020110433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属がドープされた活物質を含む活物質層を備えた電極を製造する電極製造方法であって、
酸素濃度が１体積％以上１８体積％以下の雰囲気において、アルカリ金属イオンを含むドープ溶液を用い、前記活物質にアルカリ金属をドープする電極製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電極製造方法であって、
前記雰囲気における酸素濃度は３体積％以上１５体積％以下である電極製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の電極製造方法であって、
前記雰囲気における窒素濃度は３０体積％以上９７体積％以下である電極製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電極製造方法であって、
前記活物質にアルカリ金属をドープするとき、前記ドープ溶液の温度は２５℃以上５０℃以下である電極製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極製造方法であって、
前記雰囲気の圧力は０．１×１０５Ｎ／ｍ２以上５×１０５Ｎ／ｍ２以下である電極製造方法。
【請求項６】
電極セルを備える蓄電デバイスの製造方法であって、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の電極製造方法により、アルカリ金属がドープされた活物質を含む活物質層を備えた負極を製造し、
前記負極と、セパレータと、前記負極とは異なる電極とを順次積層して前記電極セルを形成する蓄電デバイスの製造方法。
【請求項７】
アルカリ金属がドープされた活物質を含む活物質層を備えた電極を製造する電極製造装置であって、
前記電極製造装置の内部の雰囲気を、酸素濃度が１体積％以上１８体積％以下の雰囲気とするように構成された雰囲気設定ユニットを備える電極製造装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本国際出願は、２０１８年１１月２８日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１８−２２２４６９号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１８−２２２４６９号の全内容を本国際出願に参照により援用する。
【技術分野】
【０００２】
本開示は電極製造方法、蓄電デバイスの製造方法、及び電極製造装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
近年、電子機器の小型化・軽量化は目覚ましく、それに伴い、当該電子機器の駆動用電源として用いられる電池に対しても小型化・軽量化の要求が一層高まっている。【０００４】
このような小型化・軽量化の要求を満足するために、リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池が開発されている。また、高エネルギー密度特性及び高出力特性を必要とする用途に対応する蓄電デバイスとして、リチウムイオンキャパシタが知られている。更に、リチウムより低コストで資源的に豊富なナトリウムを用いたナトリウムイオン型の電池やキャパシタも知られている。【０００５】
このような電池やキャパシタにおいては、様々な目的のために、予めアルカリ金属を電極にドープするプロセス（一般にプレドープと呼ばれている）が採用されている。アルカリ金属を電極にプレドープする方法として、例えば、枚葉式の方法、連続式の方法がある。枚葉式の方法及び連続式の方法では、蓄電デバイスの外でプレドープを行う。枚葉式の方法では、切り取られた電極板とアルカリ金属板とを、セパレータを介してドープ溶液中に配置した状態でプレドープを行う。連続式の方法では、帯状の電極板をドープ溶液中で移送させながらプレドープを行う。枚葉式の方法は、特許文献１、２に開示されている。連続式の方法は、特許文献３〜６に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２９３４９９号公報
【特許文献２】特開２０１２−６９８９４号公報
【特許文献３】特開平１０−３０８２１２号公報
【特許文献４】特開２００８−７７９６３号公報
【特許文献５】特開２０１２−４９５４３号公報
【特許文献６】特開２０１２−４９５４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
枚葉式の方法及び連続式の方法で使用するドープ溶液は可燃性である。また、枚葉式の方法及び連続式の方法では、電極に電流を流しながらプレドープを行う。電極が破断したり、電極の搬送ユニットでスパークが生じたりすると、ドープ溶液に引火するおそれがある。【０００８】
本開示の１つの局面では、ドープ溶液への引火を抑制できる電極製造方法、蓄電デバイスの製造方法、及び電極製造装置を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の１つの局面は、アルカリ金属がドープされた活物質を含む活物質層を備えた電極を製造する電極製造方法であって、酸素濃度が１体積％以上１８体積％以下の雰囲気において、アルカリ金属イオンを含むドープ溶液を用い、前記活物質にアルカリ金属をドープする電極製造方法である。本開示の１つの局面である電極製造方法によれば、ドープ溶液への引火を抑制できる。【００１０】
本開示の別の局面は、電極セルを備える蓄電デバイスの製造方法であって、酸素濃度が１体積％以上１８体積％以下の雰囲気において、アルカリ金属イオンを含むドープ溶液を用い、負極が備える負極活物質層に含まれる負極活物質にアルカリ金属をドープし、前記アルカリ金属のドープの後、前記負極と、セパレータと、前記負極とは異なる電極とを順次積層して前記電極セルを形成する蓄電デバイスの製造方法である。本開示の別の局面である蓄電デバイスの製造方法によれば、ドープ溶液への引火を抑制できる。【００１１】
本開示の別の局面は、アルカリ金属がドープされた活物質を含む活物質層を備えた電極を製造する電極製造装置であって、前記電極製造装置の内部の雰囲気を、酸素濃度が１体積％以上１８体積％以下の雰囲気とするように構成された雰囲気設定ユニットを備える電極製造装置である。本開示の別の局面である電極製造装置によれば、ドープ溶液への引火を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】電極製造装置の構成を表す説明図である。
【図２】電解液槽を下方に移動させた状態を表す説明図である。
【図３】電極製造装置の電気的構成を表す説明図である。
【図４】対極ユニット及び多孔質絶縁部材の構成を表す側断面図である。
【図５】電極前駆体の構成を表す平面図である。
【図６】図５におけるVI-VI断面での断面図である。
【符号の説明】
【００１３】
１…電極製造装置、１０…チャンバー、７、２０３、２０５、２０７…電解液槽、９、１１、１３、１５、１７、１９、２１、２３、２５、２７、２９、３１、３０５、３０７、１０９、３１１、３１３、３１５、３１７、１１９、３２１、３２３、３３、３５、３７、３９、４１、４３、４５…搬送ローラ、４７…供給ロール、４９…巻取ロール、５１、５２、５４…対極ユニット、５３…多孔質絶縁部材、５５…支持台、５７…循環濾過ユニット、６１、６２、６４…直流電源、６３…ブロア、６６…電源制御ユニット、６７、６８、７０…支持棒、６９…仕切り板、７１…空間、７３…電極前駆体、７５…電極、７７…導電性基材、７９…アルカリ金属含有板、８１…フィルタ、８３…ポンプ、８５…配管、８７、８９、９１、９３、９７、９９…ケーブル、９３…集電体、９５…活物質層、１０１…ＣＰＵ、１０３…洗浄槽、１０５…メモリ
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本開示の例示的な実施形態について図面を参照しながら説明する。
＜第１実施形態＞
１．電極製造装置１の構成
電極製造装置１の構成を、図１〜図４に基づき説明する。図１に示すように、電極製造装置１は、チャンバー１０と、電解液槽２０３、２０５、７、２０７と、洗浄槽１０３と、搬送ローラ９、１１、１３、１５、１７、１９、２１、２３、２５、２７、２９、３１、３０５、３０７、１０９、３１１、３１３、３１５、３１７、１１９、３２１、３２３、３３、３５、３７、３９、４１、４３、４５（以下ではこれらをまとめて搬送ローラ群と呼ぶこともある）と、供給ロール４７と、巻取ロール４９と、対極ユニット５１、５２、５４と、多孔質絶縁部材５３と、支持台５５と、循環濾過ユニット５７と、３つの直流電源６１、６２、６４と、ブロア６３と、電源制御ユニット６６と、を備える。
【００１５】
チャンバー１０は、電解液槽２０３、２０５、７、２０７と、洗浄槽１０３と、搬送ローラ群と、供給ロール４７と、巻取ロール４９と、対極ユニット５１、５２、５４と、多孔質絶縁部材５３と、支持台５５と、循環濾過ユニット５７と、ブロア６３とを内部に収容する。
【００１６】
電解液槽２０５は、図１及び図２に示すように、上方が開口した角型の槽である。電解液槽２０５の底面は、略Ｕ字型の断面形状を有する。電解液槽２０５内には、仕切り板６９と、４個の対極ユニット５１と、４個の多孔質絶縁部材５３と、搬送ローラ２７とが存在する。図２に示すように、４個の多孔質絶縁部材５３には、５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄが含まれる。
【００１７】
仕切り板６９は、その上端を貫く支持棒６７により支持されている。支持棒６７は図示しない壁等に固定されている。仕切り板６９のうち、上端を除く部分は、電解液槽２０５内にある。仕切り板６９は上下方向に延び、電解液槽２０５の内部を２つの空間に分割している。仕切り板６９の下端に、搬送ローラ２７が取り付けられている。仕切り板６９と搬送ローラ２７とは、それらを貫く支持棒６８により支持されている。なお、仕切り板６９の下端付近は、搬送ローラ２７と接触しないように切り欠かれている。搬送ローラ２７と、電解液槽２０５の底面との間には空間が存在する。
【００１８】
４個の対極ユニット５１は、それぞれ、それらの上端を貫く支持棒７０により支持され、上下方向に延びている。支持棒７０は図示しない壁等に固定されている。対極ユニット５１のうち、上端を除く部分は、電解液槽２０５内にある。４個の対極ユニット５１のうち、２個は、仕切り板６９を両側から挟むように配置されている。残りの２個の対極ユニット５１は、電解液槽２０５の内側面に沿って配置されている。
【００１９】
図１に示すように、仕切り板６９側に配置された対極ユニット５１と、電解液槽２０５の内側面に沿って配置された対極ユニット５１との間には空間７１が存在する。対極ユニット５１は、直流電源６１のプラス極に接続される。対極ユニット５１の詳しい構成は後述する。
【００２０】
それぞれの対極ユニット５１における空間７１側の表面に、多孔質絶縁部材５３が取り付けられている。多孔質絶縁部材５３の詳しい構成は後述する。
【００２１】
電解液槽２０３は、基本的には電解液槽２０５と同様の構成を有する。ただし、電解液槽２０３は、対極ユニット５１及び多孔質絶縁部材５３を備えない。また、電解液槽２０３は、搬送ローラ２７に代えて、搬送ローラ１７を備える。搬送ローラ１７は、搬送ローラ２７と同様のものである。
【００２２】
電解液槽７は、基本的には電解液槽２０５と同様の構成を有する。ただし、電解液槽７は、４個の対極ユニット５１及び搬送ローラ２７に代えて、４個の対極ユニット５４及び搬送ローラ１０９を備える。４個の対極ユニット５４は、４個の対極ユニット５１と同様のものである。搬送ローラ１０９は、搬送ローラ２７と同様のものである。対極ユニット５４は、直流電源６２のプラス極に接続される。
【００２３】
電解液槽２０７は、電解液槽２０５と同様の構成を有する。ただし、電解液槽２０７は、４個の対極ユニット５１及び搬送ローラ２７に代えて、４個の対極ユニット５２及び搬送ローラ１１９を備える。４個の対極ユニット５２は、４個の対極ユニット５１と同様のものである。搬送ローラ１１９は、搬送ローラ２７と同様のものである。対極ユニット５２は、直流電源６４のプラス極に接続される。
【００２４】
洗浄槽１０３は、基本的には電解液槽２０５と同様の構成を有する。ただし、洗浄槽１０３は、対極ユニット５１及び多孔質絶縁部材５３を備えない。また、洗浄槽１０３は、搬送ローラ２７に代えて、搬送ローラ３７を備える。搬送ローラ３７は、搬送ローラ２７と同様のものである。
【００２５】
搬送ローラ２５、２９、３０７、３１１、３１７、３２１は、導電性の材料から成る。搬送ローラ群のうち、その他の搬送ローラは、軸受部分を除き、エラストマーから成る。搬送ローラ群は、後述する電極前駆体７３を一定の経路に沿って搬送する。搬送ローラ群が電極前駆体７３を搬送する経路は、供給ロール４７から、電解液槽２０３の中、電解液槽２０５の中、電解液槽７の中、電解液槽２０７の中、及び洗浄槽１０３の中を順次通り、巻取ロール４９に至る経路である。
【００２６】
その経路のうち、電解液槽２０３の中を通る部分は、まず、電解液槽２０３の内側面と、仕切り板６９との間を下方に移動し、次に、搬送ローラ１７により移動方向を上向きに変えられ、最後に、電解液槽２０３の内側面と、それに対向する仕切り板６９との間を上方に移動するという経路である。
【００２７】
また、上記の経路のうち、電解液槽２０５の中を通る部分は、まず、電解液槽２０５の内側面に沿って取り付けられた多孔質絶縁部材５３と、それに対向する仕切り板６９側の多孔質絶縁部材５３との間の空間７１を下方に移動し、次に、搬送ローラ２７により移動方向を上向きに変えられ、最後に、電解液槽２０５の内側面に沿って取り付けられた多孔質絶縁部材５３と、それに対向する仕切り板６９側の多孔質絶縁部材５３との間の空間７１を上方に移動するという経路である。
【００２８】
また、上記の経路のうち、電解液槽７の中を通る部分は、まず、電解液槽７の内側面に沿って取り付けられた多孔質絶縁部材５３と、それに対向する仕切り板６９側の多孔質絶縁部材５３との間の空間７１を下方に移動し、次に、搬送ローラ１０９により移動方向を上向きに変えられ、最後に、電解液槽７の内側面に沿って取り付けられた多孔質絶縁部材５３と、それに対向する仕切り板６９側の多孔質絶縁部材５３との間の空間７１を上方に移動するという経路である。
【００２９】
また、上記の経路のうち、電解液槽２０７の中を通る部分は、まず、電解液槽２０７の内側面に沿って取り付けられた多孔質絶縁部材５３と、それに対向する仕切り板６９側の多孔質絶縁部材５３との間の空間７１を下方に移動し、次に、搬送ローラ１１９により移動方向を上向きに変えられ、最後に、電解液槽２０７の内側面に沿って取り付けられた多孔質絶縁部材５３と、それに対向する仕切り板６９側の多孔質絶縁部材５３との間の空間７１を上方に移動するという経路である。
【００３０】
また、上記の経路のうち、洗浄槽１０３の中を通る部分は、まず、洗浄槽１０３の内側面と、仕切り板６９との間を下方に移動し、次に、搬送ローラ３７により移動方向を上向きに変えられ、最後に、洗浄槽１０３の内側面と、仕切り板６９との間を上方に移動するという経路である。
【００３１】
供給ロール４７は、その外周に電極前駆体７３を巻き回している。すなわち、供給ロール４７は、巻き取られた状態の電極前駆体７３を保持している。搬送ローラ群は、供給ロール４７に保持された電極前駆体７３を引き出し、搬送する。
【００３２】
巻取ロール４９は、搬送ローラ群により搬送されてきた電極７５を巻き取り、保管する。なお、電極７５は、電極前駆体７３に対し、電解液槽２０５、７、２０７においてアルカリ金属のプレドープを行うことで製造されたものである。
【００３３】
対極ユニット５１、５２、５４は、板状の形状を有する。図４に示すように、対極ユニット５１、５２、５４は、導電性基材７７と、アルカリ金属含有板７９とを積層した構成を有する。導電性基材７７の材質としては、例えば、銅、ステンレス、ニッケル等が挙げられる。アルカリ金属含有板７９の形態は特に限定されず、例えば、アルカリ金属板、アルカリ金属の合金板等が挙げられる。アルカリ金属含有板７９の厚さは、例えば、０．０３〜３ｍｍとすることができる。
【００３４】
多孔質絶縁部材５３は、板状の形状を有する。多孔質絶縁部材５３は、図４に示すように、アルカリ金属含有板７９の上に積層され、対極ユニット５１、５２、５４の表面に取り付けられている。多孔質絶縁部材５３が有する板状の形状とは、多孔質絶縁部材５３が対極ユニット５１、５２、５４の表面に取り付けられている際の形状である。多孔質絶縁部材５３は、それ自体で一定の形状を保つ部材であってもよいし、例えばネット等のように、容易に変形可能な部材であってもよい。
【００３５】
図４に示すように、多孔質絶縁部材５３と、搬送ローラ群により搬送される電極前駆体７３とは非接触である。多孔質絶縁部材５３の表面から、電極前駆体７３までの最短距離ｄは、０．５〜１００ｍｍの範囲内であることが好ましく、１〜１０ｍｍの範囲内であることが特に好ましい。最短距離ｄとは、多孔質絶縁部材５３の表面のうち、電極前駆体７３に最も近い点と、電極前駆体７３との距離である。
【００３６】
多孔質絶縁部材５３は多孔質である。そのため、後述するドープ溶液は、多孔質絶縁部材５３を通過することができる。そのことにより、対極ユニット５１、５２、５４は、ドープ溶液に接触することができる。
【００３７】
多孔質絶縁部材５３としては、例えば、樹脂製のメッシュ等が挙げられる。樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。メッシュの目開きは適宜設定でき、例えば、０．１μｍ〜１０ｍｍとすることができるが、０．１〜５ｍｍの範囲内にあることが好ましい。メッシュの厚みは適宜設定でき、例えば、１μｍ〜１０ｍｍとすることができるが、３０μｍ〜１ｍｍの範囲内にあることが好ましい。メッシュの目開き率は適宜設定でき、例えば、５〜９８％とすることができるが、５〜９５％であることが好ましく、５０〜９５％の範囲内にあることがさらに好ましい。
【００３８】
多孔質絶縁部材５３は、その全体が絶縁性の材料から成っていてもよいし、その一部に絶縁性の層を備えていてもよい。
【００３９】
支持台５５は、電解液槽２０３、２０５、７、２０７及び洗浄槽１０３を下方から支持する。支持台５５は、その高さを変えることができる。仕切り板６９、対極ユニット５１、及び多孔質絶縁部材５３の上下方向における位置を維持したまま、電解液槽２０５を支持する支持台５５を低くすると、図２に示すように、仕切り板６９、対極ユニット５１、及び多孔質絶縁部材５３に対し、電解液槽２０５を相対的に下方に移動させることができる。また、支持台５５高くすると、仕切り板６９、対極ユニット５１、及び多孔質絶縁部材５３に対し、電解液槽２０５を相対的に上方に移動させることができる。電解液槽２０３、７、２０７及び洗浄槽１０３を支持する支持台５５も同様の機能を有する。
【００４０】
循環濾過ユニット５７は、電解液槽２０３、２０５、７、２０７にそれぞれ設けられている。循環濾過ユニット５７は、フィルタ８１と、ポンプ８３と、配管８５と、を備える。
【００４１】
電解液槽２０３に設けられた循環濾過ユニット５７において、配管８５は、電解液槽２０３から出て、ポンプ８３、及びフィルタ８１を順次通り、電解液槽２０３に戻る循環配管である。電解液槽２０３内のドープ溶液は、ポンプ８３の駆動力により、配管８５、及びフィルタ８１内を循環し、再び電解液槽２０３に戻る。このとき、ドープ溶液中の異物等は、フィルタ８１により濾過される。異物としては、ドープ溶液から析出した異物や、電極前駆体７３から発生する異物等が挙げられる。フィルタ８１の材質は、例えば、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン等の樹脂とすることができる。フィルタ８１の孔径は適宜設定でき、例えば、３０〜５０μｍとすることができる。
【００４２】
電解液槽２０５、７、２０７に設けられた循環濾過ユニット５７も、同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。なお、図１、図２において、ドープ溶液の記載は便宜上省略している。
【００４３】
図３に示すように、直流電源６１におけるマイナス端子は、ケーブル８７を介して、搬送ローラ２５、２９とそれぞれ接続する。また、直流電源６１のプラス端子は、ケーブル８９を介して、合計４個の対極ユニット５１にそれぞれ接続する。電極前駆体７３は、導電性の搬送ローラ２５、２９と接触する。電極前駆体７３と対極ユニット５１とは、電解液であるドープ溶液中にある。そのため、電極前駆体７３と対極ユニット５１とは電気的に接続する。
【００４４】
直流電源６１は、ケーブル８７、８９、及び搬送ローラ２５、２９を介して対極ユニット５１に電流を流す。
【００４５】
図３に示すように、直流電源６２におけるマイナス端子は、ケーブル９１を介して、搬送ローラ３０７、３１１とそれぞれ接続する。また、直流電源６２のプラス端子は、ケーブル９３を介して、合計４個の対極ユニット５４にそれぞれ接続する。電極前駆体７３は、導電性の搬送ローラ３０７、３１１と接触する。電極前駆体７３と対極ユニット５４とは、電解液であるドープ溶液中にある。そのため、電極前駆体７３と対極ユニット５４とは電気的に接続する。
【００４６】
直流電源６２は、ケーブル９１、９３、及び搬送ローラ３０７、３１１を介して対極ユニット５４に電流を流す。
【００４７】
図３に示すように、直流電源６４におけるマイナス端子は、ケーブル９７を介して、搬送ローラ３１７、３２１とそれぞれ接続する。また、直流電源６４のプラス端子は、ケーブル９９を介して、合計４個の対極ユニット５２にそれぞれ接続する。電極前駆体７３は、導電性の搬送ローラ３１７、３２１と接触する。電極前駆体７３と対極ユニット５２とは、電解液であるドープ溶液中にある。そのため、電極前駆体７３と対極ユニット５２とは電気的に接続する。
【００４８】
直流電源６４は、ケーブル９７、９９、及び搬送ローラ３１７、３２１を介して対極ユニット５２に電流を流す。
【００４９】
ブロア６３は、洗浄槽１０３から出てきた電極７５にガスを吹きつけて洗浄液を気化させ、電極７５を乾燥させる。使用するガスは、アルカリ金属がプレドープされた活物質に対して不活性なガスであることが好ましい。そのようなガスとして、例えば、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、水分が除去された除湿空気等が挙げられる。
【００５０】
図３に示すように、電源制御ユニット６６は、直流電源６１、６２、６４と電気的に接続している。電源制御ユニット６６は、ＣＰＵ１０１と、例えば、ＲＡＭ又はＲＯＭ等の半導体メモリ（以下、メモリ１０５とする）と、を有するマイクロコンピュータである。
【００５１】
２．電極前駆体７３の構成
電極前駆体７３の構成を図５及び図６に基づき説明する。電極前駆体７３は、図５に示すように、帯状の形状を有する。電極前駆体７３は、図６に示すように、帯状の集電体９３と、その両側に形成された活物質層９５とを備える。
【００５２】
集電体９３としては、例えば、銅、ニッケル、ステンレス等の金属箔が好ましい。また、集電体９３は、上記金属箔上に炭素材料を主成分とする導電層が形成されたものであってもよい。集電体９３の厚みは、例えば、５〜５０μｍとすることができる。
【００５３】
活物質層９５は、例えば、アルカリ金属をドープする前の活物質及びバインダー等を含有するスラリーを調製し、このスラリーを集電体９３上に塗布し、乾燥させることにより作製できる。
【００５４】
上記バインダーとしては、例えば、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ＮＢＲ等のゴム系バインダー；ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂；ポリプロピレン、ポリエチレン、特開２００９−２４６１３７号公報に開示されているようなフッ素変性（メタ）アクリル系バインダー等が挙げられる。
【００５５】
上記スラリーは、活物質及びバインダーに加えて、その他の成分を含んでいてもよい。その他の成分としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛、気相成長炭素繊維、金属粉末等の導電剤；カルボキシルメチルセルロース、そのＮａ塩又はアンモニウム塩、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリビニルアルコール、酸化スターチ、リン酸化スターチ、カゼイン等の増粘剤が挙げられる。
【００５６】
活物質層９５の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば、５〜５００μｍ、好ましくは１０〜２００μｍ、特に好ましくは１０〜１００μｍである。
【００５７】
活物質層９５に含まれる活物質は、アルカリ金属イオンの挿入／脱離を利用する電池又はキャパシタに適用可能な電極活物質であれば特に限定されるものではなく、負極活物質であってもよいし、正極活物質であってもよい。
【００５８】
負極活物質は、特に限定されるものではないが、例えば、黒鉛、易黒鉛化炭素、難黒鉛化炭素、黒鉛粒子をピッチや樹脂の炭化物で被覆した複合炭素材料等の炭素材料；リチウムと合金化が可能なＳｉ、Ｓｎ等の金属若しくは半金属又はこれらの酸化物を含む材料等が挙げられる。炭素材料の具体例としては、特開２０１３−２５８３９２号公報に記載の炭素材料が挙げられる。リチウムと合金化が可能な金属若しくは半金属又はこれらの酸化物を含む材料の具体例としては、特開２００５−１２３１７５号公報、特開２００６−１０７７９５号公報に記載の材料が挙げられる。
【００５９】
正極活物質としては、例えば、活性炭、コバルト酸化物、ニッケル酸化物、マンガン酸化物、バナジウム酸化物等の遷移金属酸化物；硫黄単体、金属硫化物等の硫黄系活物質が挙げられる。
【００６０】
正極活物質、及び負極活物質のいずれにおいても、単一の物質から成るものであってもよいし、２種以上の物質を混合して成るものであってもよい。本開示の電極製造装置１は、負極活物質にアルカリ金属をプレドープする場合に適しており、特に、負極活物質が炭素材料又はＳｉ若しくはその酸化物を含む材料であることが好ましい。
【００６１】
活物質にプレドープするアルカリ金属としては、リチウム又はナトリウムが好ましく、特にリチウムが好ましい。電極前駆体７３を、リチウムイオン二次電池の電極の製造に用いる場合、活物質層９５の密度は、好ましくは１．５０〜２．００ｇ／ｃｃであり、特に好ましくは１．６０〜１．９０ｇ／ｃｃである。
【００６２】
３．ドープ溶液の組成及び温度
電極製造装置１を使用するとき、電解液槽２０３、２０５、７、２０７に、アルカリ金属イオンを含む溶液（以下ではドープ溶液とする）を収容する。
【００６３】
ドープ溶液は、アルカリ金属イオンと、溶媒とを含む。溶媒として、例えば、有機溶媒が挙げられる。有機溶媒としては、非プロトン性の有機溶媒が好ましい。非プロトン性の有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、１−フルオロエチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、塩化メチレン、スルホラン、ジエチレングリコールジメチルエーテル（ジグライム）、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル（トリグライム）、トリエチレングリコールブチルメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル（テトラグライム）等が挙げられる。
【００６４】
また、上記有機溶媒として、第４級イミダゾリウム塩、第４級ピリジニウム塩、第４級ピロリジニウム塩、第４級ピペリジニウム塩等のイオン液体を使用することもできる。上記有機溶媒は、単一の成分から成るものであってもよいし、２種以上の成分の混合溶媒であってもよい。
【００６５】
上記ドープ溶液に含まれるアルカリ金属イオンは、アルカリ金属塩を構成するイオンである。アルカリ金属塩は、好ましくはリチウム塩又はナトリウム塩である。アルカリ金属塩を構成するアニオン部としては、例えば、ＰＦ６−、ＰＦ３（Ｃ２Ｆ５）３−、ＰＦ３（ＣＦ３）３−等のフルオロ基を有するリンアニオン；ＢＦ４−、ＢＦ２（ＣＦ）２−、ＢＦ３（ＣＦ３）−、Ｂ（ＣＮ）４−等のフルオロ基又はシアノ基を有するホウ素アニオン；Ｎ（ＦＳＯ２）２−、Ｎ（ＣＦ３ＳＯ２）２−、Ｎ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２−等のフルオロ基を有するスルホニルイミドアニオン；ＣＦ３ＳＯ３−等のフルオロ基を有する有機スルホン酸アニオンが挙げられる。
【００６６】
上記ドープ溶液におけるアルカリ金属塩の濃度は、好ましくは０．１モル／Ｌ以上であり、より好ましくは０．５〜１．５モル／Ｌの範囲内である。この範囲内である場合、アルカリ金属のプレドープが効率よく進行する。
【００６７】
上記ドープ溶液は、更に、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、１−フルオロエチレンカーボネート、１−（トリフルオロメチル）エチレンカーボネート、無水コハク酸、無水マレイン酸、プロパンスルトン、ジエチルスルホン等の添加剤を含有することができる。
【００６８】
上記ドープ溶液は、ホスファゼン化合物等の難燃剤をさらに含有することができる。本開示の電極製造方法のように、特定の酸素濃度雰囲気において活物質にアルカリ金属をドープする場合には、難燃剤の添加量を従来よりも少なくすることが可能となる。難燃剤を添加する場合には、難燃剤の添加量の下限は特に限定されないが、アルカリ金属をドープする際の熱暴走反応を効果的に制御する観点から、難燃剤の添加量は、ドープ溶液１００質量部に対して０．０１質量部以上であることが好ましく、０．０３質量部以上であることがより好ましく、０．０５質量部以上であることがさらに好ましい。また、難燃剤の添加量は、高品質のドープ電極を得る観点から、ドープ溶液１００質量部に対して１質量部以下とすることができ、０．８質量部以下であることがより好ましく、０．５質量部以下であることがさらに好ましい。プレドープを行うとき、ドープ溶液の温度は２５℃以上５０℃以下であることが好ましい。
【００６９】
４．電極製造装置１を用いた電極７５の製造方法
まず、電極７５を製造するための準備として、以下のことを行う。電極前駆体７３を供給ロール４７に巻き回す。次に、搬送ローラ群により、電極前駆体７３を供給ロール４７から引き出し、上述した経路に沿って巻取ロール４９まで通紙する。そして、電解液槽２０３、２０５、７、２０７、及び洗浄槽１０３を上昇させ、図１に示す定位置へセットする。電解液槽２０３、２０５、７、２０７にドープ溶液を収容する。ドープ溶液は、上記「３．ドープ溶液の組成」で述べたものである。洗浄槽１０３に洗浄液を収容する。洗浄液は有機溶剤である。その結果、電解液槽２０３、２０５、７、２０７の空間７１は電解液で満たされる。洗浄槽１０３の空間７１は洗浄液で満たされる。
【００７０】
次に、搬送ローラ群により、供給ロール４７から巻取ロール４９まで通紙された電極前駆体７３を供給ロール４７から巻取ロール４９に向かって、引き出し、上述した経路に沿って搬送する。電極前駆体７３が電解液槽２０５、７、２０７内を通過するとき、活物質層９５に含まれる活物質にアルカリ金属がプレドープされる。
【００７１】
プレドープのとき、チャンバー１０内の雰囲気における酸素濃度は、１体積％以上１８体積％以下である。すなわち、チャンバー１０は、チャンバー１０内の雰囲気を、酸素濃度が１体積％以上１８体積％以下の雰囲気とする。チャンバー１０内の雰囲気は、電解液槽２０５、７、２０７の雰囲気である。チャンバー１０内は、電極製造装置１の内部に対応する。チャンバー１０は、雰囲気設定ユニットに対応する。
【００７２】
チャンバー１０内の雰囲気における酸素濃度は、３体積％以上であることが好ましく、５体積％以上であることがさらに好ましい。チャンバー１０内の雰囲気における酸素濃度は、１５体積％以下であることが好ましく、１２体積％未満であることがさらに好ましく、１１．５体積％以下であることが特に好ましい。チャンバー１０内の雰囲気における酸素濃度を上記範囲内とすることで、ドープ溶液への引火性を低下させるとともに、アルカリ金属がドープされた電極の性能を向上させることができる。
【００７３】
また、チャンバー１０内の雰囲気における窒素濃度は３０体積％以上であることが好ましく、４０体積％以上であることがより好ましく、５０体積％以上であることがさらに好ましい。チャンバー１０内の雰囲気における窒素濃度は９７体積％以下であることが好ましく、９５体積％以下であることがより好ましく、８８体積％以下であることがさらに好ましい。チャンバー１０内の雰囲気における窒素濃度を上記範囲内とすることで、アルカリ金属がドープされた電極の性能を向上させることができる。
【００７４】
また、チャンバー１０内の雰囲気は、ヘリウムガス、アルゴンガス等の希ガスをさらに含むことができる。チャンバー１０内の雰囲気が希ガスを含む場合、希ガス濃度は１０体積％以上であることが好ましく、２０体積％以上であることがより好ましく、３０体積％以上であることがさらに好ましい。チャンバー１０内の雰囲気における希ガス濃度は８０体積％以下であることが好ましく、７５体積％以下であることがより好ましく、７０体積％以下であることがさらに好ましい。チャンバー１０内の雰囲気における希ガス濃度を上記範囲内とすることで、アルカリ金属がドープされた電極の性能を向上させることができる。
【００７５】
また、チャンバー１０内の雰囲気の圧力は０．１×１０５Ｎ／ｍ２以上５×１０５Ｎ／ｍ２以下であることが好ましい。チャンバー１０内の雰囲気の圧力を上記範囲内とすることで、ドープ溶液への引火性を低下させるとともに、アルカリ金属がドープされた電極の性能を向上させることができる。
【００７６】
プレドープのとき、電解液槽２０５、７、２０７に収容されたドープ溶液の温度は、２５℃以上５０℃以下であることが好ましい。
【００７７】
活物質にアルカリ金属がプレドープされることにより、電極前駆体７３が電極７５となる。電極７５は搬送ローラ群により搬送されながら、洗浄槽１０３で洗浄される。最後に、電極７５は、巻取ロール４９に巻き取られる。
【００７８】
電極製造装置１を用いて製造する電極７５は、正極であってもよいし、負極であってもよい。正極を製造する場合、電極製造装置１は、正極活物質にアルカリ金属をドープし、負極を製造する場合、電極製造装置１は、負極活物質にアルカリ金属をドープする。
【００７９】
アルカリ金属のドープ量は、リチウムイオンキャパシタの負極活物質にリチウムを吸蔵させる場合、負極活物質の理論容量に対して好ましくは７０〜９５％であり、リチウムイオン二次電池の負極活物質にリチウムを吸蔵させる場合、負極活物質の理論容量に対して好ましくは１０〜３０％である。
【００８０】
５．蓄電デバイスの製造方法
蓄電デバイスは電極セルを備える。蓄電デバイスとして、例えば、キャパシタ、電池等が挙げられる。キャパシタとしては、アルカリ金属イオンの挿入／脱離を利用するキャパシタであれば特に限定されるものではないが、例えば、リチウムイオンキャパシタ、ナトリウムイオンキャパシタ等が挙げられる。その中でもリチウムイオンキャパシタが好ましい。
【００８１】
キャパシタを構成する正極の基本的な構成は、一般的な構成とすることができる。正極活物質としては活性炭を使用することが好ましい。
【００８２】
キャパシタを構成する電解質の形態は、通常、液状の電解液である。電解液の基本的な構成は、上述したドープ溶液の構成と同様である。また、電解質におけるアルカリ金属イオン（アルカリ金属塩）の濃度は、好ましくは０．１モル／Ｌ以上であり、より好ましくは０．５〜１．５モル／Ｌの範囲内である。電解質は、漏液を防止する目的で、ゲル状又は固体状の形態を有していてもよい。
【００８３】
キャパシタは、正極と負極との間に、それらの物理的な接触を抑制するためのセパレータを備えることができる。セパレータとしては、例えば、セルロースレーヨン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド等を原料とする不織布又は多孔質フィルムを挙げることができる。
【００８４】
キャパシタの構造としては、例えば、正極及び負極と、それらを介するセパレータとから成る板状の構成単位が、３単位以上積層されて積層体を形成し、その積層体が外装フィルム内に封入された積層型セルが挙げられる。
【００８５】
また、キャパシタの構造としては、例えば、正極及び負極と、それらを介するセパレータとから成る帯状の構成単位が捲回されて積層体を形成し、その積層体が角型又は円筒型の容器に収納された捲回型セル等が挙げられる。
【００８６】
キャパシタは、例えば、少なくとも負極及び正極を含む基本構造を形成し、その基本構造に電解質を注入することにより製造できる。
【００８７】
リチウムイオンキャパシタの場合、その活物質層の密度は、好ましくは０．５０〜１．５０ｇ／ｃｃであり、特に好ましくは０．７０〜１．２０ｇ／ｃｃである。
【００８８】
電池としては、アルカリ金属イオンの挿入／脱離を利用する電池であれば特に限定されるものではなく、一次電池であっても二次電池であってもよい。電池としては、例えば、リチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン二次電池、空気電池等が挙げられる。その中でもリチウムイオン二次電池が好ましい。
【００８９】
電池を構成する正極の基本的な構成は、一般的な構成とすることができる。正極活物質としては、既に例示したものの他、ニトロキシラジカル化合物等の有機活物質や酸素を使用することもできる。
【００９０】
電池を構成する電解質の構成、電池自体の構成については、キャパシタの場合と同様である。電池は、例えば、少なくとも負極及び正極を含む基本構造を形成し、その基本構造に電解質を注入することにより製造できる。
【００９１】
本開示の蓄電デバイスの製造方法では、まず、前記「４．電極製造装置１を用いた電極７５の製造方法」に記載の方法で負極を製造する。次に、負極と、セパレータと、負極とは異なる電極とを順次積層して電極セルを形成する。
【００９２】
６．電極製造方法が奏する効果
（１Ａ）本開示の電極製造方法では、酸素濃度が１体積％以上１８体積％以下の雰囲気において、アルカリ金属イオンを含むドープ溶液を用い、活物質にアルカリ金属をドープする。そのため、ドープ溶液に引火し難い。また、活物質にドープされたアルカリ金属が変性することを抑制できる。変性として、例えば、ドープされたリチウムが窒化リチウムに変性することが挙げられる。
【００９３】
（１Ｂ）本開示の電極製造方法では、酸素濃度が３体積％以上１５体積％以下の雰囲気において、アルカリ金属イオンを含むドープ溶液を用い、活物質にアルカリ金属をドープすることができる。この場合、ドープ溶液に一層引火し難い。また、活物質にドープされたアルカリ金属が変性することを一層抑制できる。
【００９４】
（１Ｃ）本開示の電極製造方法では、窒素濃度が３０体積％以上９７体積％以下の雰囲気において、アルカリ金属イオンを含むドープ溶液を用い、活物質にアルカリ金属をドープすることができる。この場合、ドープ溶液に一層引火し難い。また、活物質にドープされたアルカリ金属が変性することを一層抑制できる。
【００９５】
（１Ｄ）本開示の電極製造方法では、活物質にアルカリ金属をドープするとき、ドープ溶液の温度を、２５℃以上５０℃以下とすることができる。この場合、ドープ溶液に一層引火し難い。また、活物質にドープされたアルカリ金属が変性することを一層抑制できる。
【００９６】
（１Ｅ）本開示の電極製造方法では、活物質にアルカリ金属をドープするとき、雰囲気の圧力を０．１×１０５Ｎ／ｍ２以上５×１０５Ｎ／ｍ２以下とすることができる。この場合、ドープ溶液に一層引火し難い。また、活物質にドープされたアルカリ金属が変性することを一層抑制できる。
【００９７】
（１Ｆ）本開示の蓄電デバイスの製造方法では、負極を製造するとき、酸素濃度が１体積％以上１８体積％以下の雰囲気において、アルカリ金属イオンを含むドープ溶液を用い、負極活物質にアルカリ金属をドープする。そのため、ドープ溶液に引火し難い。また、負極活物質にドープされたアルカリ金属が変性することを抑制できる。
【００９８】
７．実施例
本開示を以下の実施例および比較例を用いてさらに詳細に説明する。
【００９９】
（実施例１−１）
（１−１Ａ）電極７５の製造
長尺の帯状の負極集電体を用意した。負極集電体のサイズは、幅１５０ｍｍ、長さ１００ｍ、厚さ８μｍである。負極集電体の表面粗さＲａは０．１μｍである。負極集電体は銅箔から成る。図６に示すように、負極集電体９３の両面に、それぞれ負極活物質層９５を形成し、電極前駆体７３を得た。負極活物質層９５の厚みは８０μｍである。負極活物質層９５は、負極集電体９３の長手方向に沿って形成されている。負極活物質層９５は、負極集電体９３の幅方向における中央部に、幅１２０ｍｍにわたって形成されている。負極集電体９３の幅方向の両端における負極活物質層未形成部はそれぞれ１５ｍｍである。負極活物質層未形成部とは、負極活物質層９５が形成されていない部分である。
【０１００】
負極活物質層９５は、黒鉛、カルボキシメチルセルロース、アセチレンブラック、バインダ及び分散剤を、質量比で８８：３：５：３：１の比率で含む。黒鉛は負極活物質に対応し、炭素系材料に対応する。アセチレンブラックは導電剤に対応する。
【０１０１】
次に、以下のようにして対極ユニット５１を製造した。まず、厚さ２ｍｍの長尺の銅板を用意した。この銅板上に、リチウム金属板を貼り付けた。リチウム金属板のサイズは、幅１２０ｍｍ×長さ８００ｍｍ、厚さ１ｍｍである。リチウム金属板は、銅板の長手方向に沿って貼り付けられている。このようにリチウム金属板を貼り付けた銅板を、対極ユニット５１とする。同じ対極ユニット５１を８枚製造した。対極ユニット５１はリチウム極に対応する。
【０１０２】
図１に示す電極製造装置１を用意した。電極前駆体７３及び対極ユニット５１をチャンバー１０内に収容した。次に、電極製造装置１の電解液槽２０３、２０５、７、２０７に電解液を供給した。電解液は、１．２ＭのＬｉＰＦ６を含む溶液である。電解液の溶媒は、エチレンカーボネートと、エチルメチルカーボネートと、ジメチルカーボネートとを、３：４：３の体積比で含む混合溶媒である。
【０１０３】
次に、電極製造装置１が備える電極前駆体７３及び対極ユニット５１を電流・電圧モニター付き直流電源に接続し、電極前駆体７３を０．１６ｍ／ｍｉｎの速度で搬送しながら、４０Ａの電流を通電した。通電する際のチャンバー１０内の雰囲気は、酸素濃度１０体積％、窒素濃度９０体積％、温度２５℃に調整し、電解液の温度は４０℃とした。通電時間は、不可逆容量を考慮した上、負極活物質層９５におけるリチウムドープ割合が負極の放電容量Ｃ２の７０％になる時間を設定した。なお、不可逆容量は、リチウムをドープした後の負極の放電容量を測定することにより予め見積もっておいた。この工程により、負極活物質層９５中の負極活物質にリチウムがドープされ、電極前駆体７３は電極７５となった。なお、本実施例及び後述する各実施例及び各比較例において電極７５はリチウムイオンキャパシタ用負極である。
【０１０４】
電極７５を、２５℃のＥＭＣ（エチルメチルカーボネート）を収容した洗浄槽１０３を通過させた。その後、電極７５を巻取ロール４９に巻き取り、７時間保管した。以上のようにして、電極７５を製造した。
【０１０５】
（１−１Ｂ）電極７５の外観評価の評価方法と評価結果
上記（１−１Ａ）で得られた電極７５の外観を観察した。電極７５において黒色への変色が観察されない場合は「Ａ」、黒色への変色が電極７５の一部の領域で観察された場合は「Ｂ」、黒色への変色が電極７５の全面で観察された場合は「Ｃ」と評価した。評価結果を表１に示す。
【０１０６】
【表１】
2020110433.tif 000003
（１−１Ｃ）負極放電容量の評価方法と評価結果
上記（１−１Ａ）で得られた電極７５から打ち抜きの方法により、４．０ｃｍ×２．６ｃｍの大きさ（ただし端子溶接部を除く）の負極を用意した。次に、前記のように作成した負極を作用極とし、リチウム金属を対極及び参照極とする３極セルを組み立てた。この３極セルに、電解液を注液した。電解液は、１．２ＭのＬｉＰＦ６を含む溶液である。電解液の溶媒は、エチレンカーボネートと、エチルメチルカーボネートと、ジメチルカーボネートとを、３：４：３の体積比で含む混合溶媒である。以上の工程により、評価用セルが完成した。
【０１０７】
作製した評価用セルを、電流密度０．１ｍＡ／ｃｍ２の定電流で負極電位が３．０Ｖｖｓ．  Ｌｉ／Ｌｉ＋になるまで放電し、放電容量を測定した。評価結果を表１に示す。
【０１０８】
（実施例１−２〜１−６、比較例１−１、１−２）
通電の際のチャンバー１０内の雰囲気の酸素濃度、窒素濃度、及び温度、並びに電解液の温度を表１に示す数値とした点以外は実施例１−１と同様にして、電極の製造及び評価を行った。評価結果を表１に示す。
【０１０９】
（実施例２−１）
以下のようにして引火性の評価を行った。容器内に電解液を供給した。電解液は、１．２ＭのＬｉＰＦ６を含む溶液である。電解液の溶媒は、エチレンカーボネートと、エチルメチルカーボネートと、ジメチルカーボネートとを、３：４：３の体積比で含む混合溶媒である。電解液を投入した後、電解液の温度を４０℃に調整した。容器内の雰囲気は、酸素濃度１０体積％、窒素濃度９０体積％とした。容器内の温度は２５℃であった。そして、容器を開けた後に直ちに着火し、燃焼が観察されない場合は「Ａ」、一時的な燃焼が観察された場合は「Ｂ」、燃焼が観察された場合は「Ｃ」と評価した。評価結果を表２に示す。
【０１１０】
【表２】
2020110433.tif 000004
（実施例２−２〜２−６、比較例２−１）
容器内の雰囲気の酸素濃度、窒素濃度、及び温度、並びに電解液の温度を表２に示す数値とした点以外は実施例２−１と同様に引火性の評価を行った。評価結果を表２に示す。＜他の実施形態＞
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
【０１１１】
（１）第１実施形態において、枚葉式の方法でプレドープを行ってもよい。枚葉式とは、切り取られた電極板とアルカリ金属板とを、セパレータを介して電解液中に配置した状態でプレドープを行う方法である。
【０１１２】
（２）上記各実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記各実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記各実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
【０１１３】
（３）上述した電極製造方法の他、電極製造装置、当該電極製造装置を構成要素とするシステム、プレドープ方法等、種々の形態で本開示を実現することもできる。
【図１】
2020110433.tif 000005
【図２】
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【図３】
2020110433.tif 000007
【図４】
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【図５】
2020110433.tif 000009
【図６】
2020110433.tif 000010
【国際調査報告】
2020110433.tif 000011
2020110433.tif 000012
2020110433.tif 000013
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