8月7日消息，據(jù)連線雜志報道，從智能手機到筆記本電腦，從電動汽車到電子煙，鋰離子電池正為各種各樣的電子產(chǎn)品提供動力。但是，隨著鋰的潛力被開發(fā)至極致，研究人員正在努力尋找下一個電池突破點。
如果你在智能手機上閱讀這篇文章，這意味著你正拿著一顆“炸彈”。在防護屏下，鋰（一種非常易揮發(fā)的金屬，一旦與水接觸就會被點燃）的化合物正在被分解，并在強大的化學反應中重新構建，這種化學反應為現(xiàn)代世界提供了不可或缺的動力。
鋰正被應用在手機、平板電腦、筆記本電腦以及智能手表中，并且存在于我們的電子煙和電動汽車上。它身輕體軟，且屬于能量密集型物質(zhì)，這使它成為便攜式電子產(chǎn)品的完美動力之源。但是，隨著消費技術變得越來越強大，鋰離子電池技術卻始終難以跟上步伐。現(xiàn)在，就在全世界都對鋰上癮之際，科學家們正爭相重新發(fā)明為世界提供動力的電池。
巨大的發(fā)光屏幕、更快的處理速度、快速的數(shù)據(jù)連接以及輕薄的設計時尚，這些都意味著許多智能手機的電量很難支持使用一整天。有時候，手機用戶甚至要多次充電。在使用兩年后，很多設備的電池續(xù)航時間都會急劇縮短，不得不被扔進垃圾堆。鋰的巨大優(yōu)勢也是它最大的弱點。它是不穩(wěn)定的，可能會爆炸。鋰離子筆記本電腦電池的能量與手榴彈相差無幾。Ionic Materials創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官邁克·齊默爾曼(Mike Zimmerman)說：“口袋里有部智能手機就像口袋里揣著煤油一樣。”
齊默爾曼在他位于美國馬薩諸塞州沃本（Woburn）的公司研究實驗室，親眼目睹了這種燃燒效果。在一項實驗中，一臺機器通過電池組驅動釘子，電池組迅速膨脹，就像微波爐里的爆米花一樣，然后發(fā)出明亮的閃光。過去50年的電池研究始終在性能和安全性之間走鋼絲，即在不把鋰推向極端的情況下，盡可能多地擠出能量。
我們現(xiàn)在也在這樣做。據(jù)預測，到2022年，全球的電池市場規(guī)模將達到250億美元。但消費者認為，在一項又一項的調(diào)查中，電池續(xù)航時間是智能手機最受關注的功能。隨著未來十年能耗更高的5G網(wǎng)絡普及，問題只會越來越嚴重。而對于那些能夠解決問題的人來說，他們將會得到巨大的回報。
Ionic Materials公司只是數(shù)十家公司中的一員，它們正在進行從根本上重新思考電池問題的史詩競賽。不過，這場競賽被錯誤的開端、痛苦的訴訟以及失敗的初創(chuàng)公司所困擾。但在經(jīng)過十年的緩慢發(fā)展之后，希望仍在。世界各地的初創(chuàng)企業(yè)、大學和資金雄厚的國家實驗室的科學家們，正在使用復雜的工具尋找新材料。他們似乎即將大幅提高智能手機電池的能量密度和續(xù)航時間，并創(chuàng)造更環(huán)保、更安全的設備，這些設備將在幾秒鐘內(nèi)完成充電，并足夠持續(xù)全天使用。
電池通過分解化學物質(zhì)來發(fā)電。自從1799年意大利物理學家亞歷山德羅·沃爾塔(Alessandro Volta)發(fā)明了電池，用來解決關于青蛙的爭論以來，每塊電池都有相同的關鍵部件：兩個金屬電極——帶負電的陽極和帶正電的陰極，由被稱為電解質(zhì)的物質(zhì)隔開。當電池連接到電路時，陽極中的金屬原子會發(fā)生化學反應。它們失去一個電子，變成帶正電荷的離子，并通過電解質(zhì)被吸引到正極。與此同時，電子（也帶負電荷）則會流向陰極。但是它并沒有通過電解質(zhì)，而是通過電路在電池的外部傳播，為它連接的設備供電。
陽極上的金屬原子最終會耗盡，此時意味著電池耗盡電量。但在可充電電池中，可以通過充電來逆轉這一過程，從而迫使離子和電子回到原位，準備再次啟動循環(huán)之旅。純金屬制成的電極無法承受原子不斷進出的壓力而不發(fā)生坍縮，因此可充電電池必須使用組合材料，使陽極和陰極通過重復的充電循環(huán)保持形狀。這種結構可被比作公寓建筑，其中有用于反應性元素的“房間”?？沙潆婋姵氐男阅茉诤艽蟪潭壬先Q于你能以多快的速度在這些房間里進出，而不會導致建筑物倒塌。
1977年，年輕的英國科學家斯坦·惠廷漢姆(Stan Whittingham)在新澤西州林登(Linden)的?？松?Exxon)工廠工作，他建造了一個陽極，用鋁來形成“公寓街區(qū)的墻壁和地板”，用鋰作為活性材料。當他給電池充電時，鋰離子從陰極移動到陽極，在鋁原子之間的空隙中沉淀。當放電時，他們向另一個方向移動，通過電解質(zhì)回到陰極一側的空間。
惠廷漢姆發(fā)明了世界上第一個可充電的鋰電池，這種硬幣大小的電池足以為太陽能手表提供動力。但當他試圖增加電壓（使更多離子進出）或試圖制造更大的電池時，它們就會繼續(xù)燃燒。1980年，在牛津大學工作的美國物理學家約翰·古德諾夫(John Goodenough)取得了突破。古德諾夫是一名基督徒，曾在第二次世界大戰(zhàn)中擔任美國陸軍氣象學家，他也是金屬氧化物方面的專家。他懷疑，與惠廷漢姆使用的鋁化合物相比，肯定有某種物質(zhì)能為鋰提供更堅固的牢籠。
古德諾夫指導兩名博士后研究人員系統(tǒng)性地在周期表中摸索，用不同的金屬氧化物對鋰進行比對，看看在它們崩潰前能從其中抽出多少鋰。最終，他們確定了鋰和鈷的混合物，后者是遍布非洲中部的藍灰色金屬。鋰鈷氧化物可以承受半數(shù)鋰被拉出的極限。當它被用作陰極時，這代表了電池技術向前邁出了一大步。鈷是一種更輕便、廉價的材料，既適用于小型設備也適用于大型設備，而且大大優(yōu)于市場上的其他材料。
如今，古德諾夫的陰極幾乎出現(xiàn)在地球上的所有掌上設備中，但他并沒有從中賺到一分錢。牛津大學拒絕申請專利，他本人也放棄了這項權利。但它改變了可能發(fā)生的事情。1991年，經(jīng)過10年的修修補補，索尼將古德諾夫的鋰鈷氧化物陰極與碳陽極結合在一起，試圖改善其新型CCD-TR1攝像機的電池續(xù)航時間。這是第一款用于消費產(chǎn)品的可充電鋰離子電池，它改變了整個世界。
圖：中國浙江省金華市坎迪工廠的生產(chǎn)線上，可以鳥瞰無數(shù)電動汽車
吉恩·伯迪切夫斯基(Gene Berdichevsky)曾是特斯拉的第七名員工。當這家電動汽車公司于2003年成立時，電池能量密度穩(wěn)步提高已經(jīng)持續(xù)了十年，每年的提高幅度約為7%。但到了2005年前后，伯迪切夫斯基發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的性能開始趨于平穩(wěn)。在過去的七八年里，科學家們不得不竭盡全力去爭取哪怕是0.5%的電池性能提高。
當時的進步主要來自工程和制造業(yè)的改進。伯迪切夫斯基說:“在現(xiàn)代化學反應被使用27年后，它們不斷接受提煉。”材料更加純凈，電池制造商已經(jīng)能夠通過使每層都變得更薄的方式將更活躍的材料裝入相同的空間中。伯迪切夫斯基稱之為“從罐子里吸出空氣”。但這也有其自身風險?，F(xiàn)代電池由極薄的陰極、電解質(zhì)和陽極材料的交替層組成，與銅和鋁電荷收集器緊密地結合起來，將電子帶出電池，送到需要的地方。
在許多高端電池中，塑料隔膜位于陰極和陽極之間，用來防止它們接觸和短路，其厚度僅為6微米（約為人類頭發(fā)厚度的1/10），這使它們很容易受到擠壓損傷。這就是航空公司的安全視頻現(xiàn)在為何警告稱，如果你的手機掉進了機械裝置里，不要試圖調(diào)整座位。
對鋰離子電池的每一次改進，都需要權衡取舍。提高能量密度會降低安全性，引入快速充電可能降低電池的循環(huán)壽命，這意味著電池的性能下降得更快。鋰離子的潛力正在接近其理論極限。自從古德諾夫的突破以來，研究人員一直在試圖尋找下一個飛躍，包括通過系統(tǒng)性地審視電池的四個主要組成部分——陰極、陽極、電解質(zhì)和分離器，并使用越來越復雜的工具。
克萊爾·格雷(Clare Grey)是古德諾夫在牛津大學的學生，他始終在研究鋰-空氣電池，即用空氣中的氧氣充當另一個電極。從理論上講，這些電池提供了巨大的能量密度，但要讓它們可靠地充電，并且持續(xù)時間超過幾十個周期，在實驗室里已經(jīng)夠困難的了，更不用說在現(xiàn)實世界骯臟而不可預知的空氣中了。
盡管格雷聲稱最近取得了突破，但由于上述問題，研究團體的注意力主要轉向了鋰-硫電池。它為鋰離子提供了更便宜、更強大的替代品，但科學家們始終在努力阻止其在陰極上形成的樹突（cathode），以及在陽極上的硫磺因重復充電而溶解。索尼聲稱已經(jīng)解決了這一問題，并希望到2020年將含有鋰-硫電池的消費類電子產(chǎn)品推向市場。
在曼徹斯特大學，材料學家劉旭清(Xuqing Liu)是那些試圖從碳陽極中擠出更多能量的人之一，他將類似于石墨烯的二維材料結合起來，以便擴大表面積，從而增加鋰原子的數(shù)量。劉旭清把它比作增加一本書的頁數(shù)。這所大學還投資建造干燥的實驗室，這將使其研究人員能夠安全、輕松地交換不同的元件，以測試不同的電極和電解質(zhì)的組合。
令人難以置信的是，即使古德諾夫本人也在研究這個問題。去年，94歲的他發(fā)表了一篇論文，描述了一種容量是現(xiàn)有鋰離子電池三倍的電池。這受到廣泛質(zhì)疑。一位研究人員說:“如果是古德諾夫之外的其他人發(fā)表了這篇文章，我可能就要罵娘。”
但是，盡管有成千上萬的論文發(fā)表，數(shù)十億美元的資金投入，數(shù)十家創(chuàng)業(yè)公司成立并提供資金支持，自1991年以來，我們大部分消費電子產(chǎn)品的基本化學功能幾乎沒有改變。在成本、性能和消費性電子產(chǎn)品的便攜性方面，還沒有什么能夠取代鋰鈷氧化物和碳的組合。iPhone X的電池的原理幾乎和索尼的第一臺便攜式攝像機一樣。
因此，2008年，伯迪切夫斯基從特斯拉離開，開始專注于研究新的電池化學反應。他對尋找石墨陽極的替代品尤其感興趣，他認為這是制造更好電池的最大障礙。伯迪切夫斯基說:“石墨的使用已經(jīng)有六七年了，它現(xiàn)在基本上是用在電池的熱力學容量上。”2011年，他與特斯拉的前同事亞歷克斯·雅各布斯(Alex Jacobs)、佐治亞理工學院材料學教授格萊布·尤辛（Gleb Yushin）共同創(chuàng)立了Sila Nanotechnologies。他們在阿拉米達的灣區(qū)辦公室有開放式布局，以雅達利游戲命名的會議室，還有充滿熔爐和燃氣管道的工業(yè)實驗室。
在調(diào)查了所有可能的解決方案之后，三人從理論上確定硅是最有前途的材料。他們只需要讓技術發(fā)揮作用。許多人在他們之前嘗試過，但都以失敗告終。不過，伯迪切夫斯基和他的同事們對他們的成功表示樂觀。一個硅原子可以附著4個鋰離子，這意味著與重量相近的石墨陽極相比，一個硅陽極可以儲存10倍的鋰。這一潛力意味著，美國國家研究院對硅陽極材料充滿了興趣，Amprius、Enovix和Envia等風投機構支持的初創(chuàng)企業(yè)也是如此。
當鋰離子在電池充電時附著在陽極上時，它會輕微膨脹，然后在使用時再次收縮。在重復的充電循環(huán)中，這種膨脹和收縮破壞了固態(tài)電解質(zhì)界面層，后者是一種保護物質(zhì)，在陽極表面形成斑塊。這種損害會產(chǎn)生副作用，消耗電池中的部分鋰。伯迪切夫斯基說：“它被困在無用的垃圾里。”
隨著時間的推移，這是智能手機開始快速損失儲能的主要原因。石墨陽極膨脹和收縮約7%，因此在性能開始急劇下滑之前，它可以完成大約1000個充放周期。這相當于一部智能手機持續(xù)兩年、每天充電。但由于硅顆粒能吸附如此多的鋰，它們在充電時膨脹的幅度要大得多（高達400%）。大多數(shù)硅陽極經(jīng)過幾次充電循環(huán)后會發(fā)生斷裂。在實驗室的5年多時間里，Sila Nanotechnologies創(chuàng)造了一種納米復合材料來解決膨脹問題。
伯迪切夫斯基解釋說，如果石墨陽極是個“公寓區(qū)”，那么所有的“房間”都是一樣大小，而且都緊緊地擠在一起。經(jīng)過3萬次迭代（不同的柱子和房間組合），他們形成了陽極，那里每層都有足夠的空間讓硅原子在獲取鋰時膨脹。他說：“我們把多余的空間困在建筑內(nèi)部。”這就解決了膨脹問題，同時保持陽極的外部尺寸和形狀穩(wěn)定。
伯迪切夫斯基表示，明年Sila Nanotechnologies將向制造商提供的第一代材料，將使能源密度提高20%，并最終提高40%，同時也能提高安全性。他說：“硅能讓你遠離邊緣，你可以空出1%或2%的空間，以真正大幅提高你的安全。”最重要的是，它也可以直接轉換成現(xiàn)有的設計。隨著亞洲的電池生產(chǎn)商爭相增加工廠產(chǎn)能，為電動汽車時代到來做準備，伯迪切夫斯基認為，任何與當前生產(chǎn)工藝不兼容的產(chǎn)品都可能被排除在外。他說：“如果現(xiàn)在還不存在可以替代鋰離子的技術，到上市的時候，它將迎來無數(shù)的用戶群。”
圖：這名男人在玻利維亞烏尤尼的鹽灘工作，這個面積4000平方英里的偏遠地區(qū)擁有世界上最大的鋰儲量
當電池充滿電并放電時，鋰離子在兩個電極之間舞動，有時它們很難返回。相反，尤其是當電池充電太快時，它們會在電極的外面聚集，逐漸形成樹枝狀的分支，就像洞穴頂部的鐘乳石。最終，這些看起來像窗玻璃上結了霜的樹突，可以通過電解質(zhì)一路延伸，穿透隔膜，并通過觸碰對面的電極產(chǎn)生短路。
隨著各層之間的距離越來越近，這種風險就會增加，出錯的可能性也會隨之增加。正如三星去年發(fā)現(xiàn)的那樣，出錯可能會造成損害，代價相當高昂。微小的制造缺陷曾導致Galaxy Note 7手機電池內(nèi)部短路。在某些設備上，陽極和陰極最終彼此接觸，這起災難性的召回事件估計導致三星損失了34億歐元。Ionic Materials公司的齊默爾曼解釋道：“當這種情況發(fā)生時，電池會變得非常熱，液體電解質(zhì)會發(fā)生熱逃逸，最終引發(fā)火災和爆炸。”
因為這種情況非常危險，實際上鋰離子電池中沒有那么多鋰，僅為百分之二左右。但如果有一種方法可以安全地把純金屬鋰從金屬鈷氧化物籠子里釋放出來，就像惠廷漢姆在20世紀70年代嘗試的那樣，可能會帶來增加十倍的能量密度。這被稱為電池研究的“圣杯”，齊默爾曼可能發(fā)現(xiàn)了它。
他認為電解質(zhì)實際上是增加電池能量密度的最大障礙。人們已經(jīng)逐漸不再使用浸在液體電解質(zhì)中的物質(zhì)，而是使用凝膠和聚合物，但它們通常仍然是易燃的，而且對阻止快速的熱逃逸過程毫無幫助。齊默爾曼自己承認，他不是一個“電池控”。他主修的專業(yè)是材料科學，尤其是聚合物，他在貝爾實驗室和塔夫茨大學任教了14年，之后才開始創(chuàng)業(yè)。
21世紀初，齊默爾曼開始對可充電電池產(chǎn)生興趣。當時，有些人在努力從液態(tài)電解質(zhì)轉向固態(tài)電解質(zhì)。資深儲能科學家唐納德·海格特（Donald Highgate）解釋說：“原則上，因為固態(tài)電解質(zhì)電池更安全，你可以讓它更努力工作。同樣的應用程序，你可以使用更小的電池。”但它們大多是陶瓷或玻璃制品，因此很脆，很難大規(guī)模生產(chǎn)。”
塑料已經(jīng)在電池中被用于隔離器，即位于電解質(zhì)中間以阻止電極接觸的部分。齊默爾曼認為，如果他能找到合適的材料，他就可以拋棄液體電解質(zhì)和分離器，取而代之的是一層固體塑料，這層塑料是可以防火的，而且還可以防止在兩層之間生長樹突。通過Ionic Materials，齊默爾曼用一種全新的傳導機制創(chuàng)造了一種聚合物，它模仿了電子穿過金屬的方式。這是第一個能在室溫下導電鋰離子的固態(tài)聚合物。材料是靈活的，低成本的，經(jīng)得起各種各樣的考驗。
在一次實驗中，他們把原材料送到了彈道學實驗室，那里通常被用來測試防彈背心，并用9mm的子彈來射擊它。兩根電線將電池（扁平的銀袋子）連接到三星平板電腦上，后者的電源被小心移除。子彈擊中后，電池就像火山一樣炸開了。在慢鏡頭里，可以看到塑料和金屬從火山口噴出，就像熔巖。但電池內(nèi)部沒有爆發(fā)，沒有爆炸或起火。每次碰撞，設備都保持開啟狀態(tài)。齊默爾曼說:“我們一直認為聚合物會使它更安全，我們從來沒有指望電池還能繼續(xù)工作。”
據(jù)齊默爾曼說，這種聚合物將推動鋰金屬的發(fā)展，并加速采用新的電池化學物質(zhì)，如鋰-硫或鋰-空氣。但長遠的未來可能不只是鋰。曼徹斯特大學的研究員劉旭清表示:“這種改進不能與設備性能的改進速度相匹配，我們需要一場革命。”
在牛津郡龐大的哈韋爾科學與創(chuàng)新園區(qū)，也就是約翰·古德諾夫(John Goodenough)簽署協(xié)議宣布放棄他在鋰離子領域取得重大突破專利的地方，史蒂芬·沃勒（Stephen Voller）舉著一塊與飲料杯大小和形狀相似的碳纖維。沃勒是一位和藹可親的曼城球迷，年近50歲。在加盟首個瀏覽器品牌網(wǎng)景（Netscape）公司之前，他曾在IBM擔任軟件工程師。在公司被AOL收購后，沃勒對筆記本電腦電池續(xù)航時間的限制越來越感到失望，于是決定采取些措施。
沃勒的第一個想法是使用氫燃料電池來延長電池巡航時間，但它的波動性證明是便攜式電子產(chǎn)品無法克服的挑戰(zhàn)。他說:“讓氫氣通過機場安檢是相當困難的。”然后，通過牛津大學的熟人，沃勒聽說了一些令人興奮的研究，包括性能更像超級電容器的極快充電材料。當電池以化學方式儲存能量時，超級電容器卻可將其置于電場中，就像氣球上的靜電收集一樣。
超級電容器的問題在于，它們不能像電池一樣儲存那么多的能量，而且電量會很快泄露出去。如果你不經(jīng)常使用，鋰離子電池的放電可持續(xù)2周，而超級電容器只能保持數(shù)小時。許多業(yè)內(nèi)人士認為，將超級電容器與電池結合起來，可能對智能手機和其他耗電的消費科技產(chǎn)品有利。海格特表示，超級電容器可以被用來制造一、兩分鐘內(nèi)就能充滿電的混合手機，而且還可以作為備用的鋰離子電池。他說:“如果你可以非?？焖俚某潆?，你可以把它放在感應圈上，在你攪拌咖啡的時候充電。”
沃勒認為，他可以做得更好。2013年，他創(chuàng)立了ZapGo，該公司正在開發(fā)碳基電池，其充電速度與超級電容器一樣快，但充電時間與鋰離子電池差不多。到2017年11月，該公司的員工已增至22人，分別在哈韋爾的盧瑟福德阿普爾頓實驗室和北卡羅來納州夏洛特的辦公室工作。它的第一個消費電池將被用在今年年底推出的第三方產(chǎn)品上，包括用于汽車的助推起動裝置，以及充電時間從8小時縮短至5分鐘的電動滑板車。
沃勒手里拿著的那塊碳纖維是一塊電池，使用了固態(tài)電解質(zhì)，不會著火。兩個電極是由薄層鋁制成的，上面覆蓋著納米結構的碳，用來增加表面積。沃勒說：“你希望它看起來像喜馬拉雅山。”盡管在顯微鏡下，它更像是城市天際線的輪廓。ZapGo技術的關鍵在于提高效率和減少漏電量，主要是通過確保電解液無縫地與上面的碳天際線相吻合，就像尼龍搭扣一樣。
碳基電池的最大優(yōu)勢是長壽。因為ZapGo的電池存儲更像氣球，而不是傳統(tǒng)的電池。正如沃勒所說“沒有化學反應”，他聲稱新電池可以持續(xù)10萬個放電周期，這是鋰離子電池的100倍。即使每天給手機充電，也可以使用30年。目前的第三代ZapGo電池還沒有強大到可以運行智能手機的地步，但由于使用的材料沒有提供增加電壓的障礙，沃勒預計這種電池將在2022年，也就是“iPhone 15前后”投入應用。
這需要改變充電基礎設施。許多爆炸事件被歸咎于廉價的第三方充電器，而這些充電器沒有阻止爆炸所需的電子設備。對于ZapGo的電池，或者任何基于超級電容的系統(tǒng)，你需要一個充電器來做相反的事情——從電網(wǎng)中吸取和儲存能量，然后在短時間內(nèi)把它送到你的手機上。在實驗室里，沃勒的團隊已經(jīng)制造出了筆記本電腦大小的電源，但他們正在努力使它變得更小、更高效。
包括戴森設計工程學院的薩姆·庫珀(Sam Cooper)在內(nèi)的許多人質(zhì)疑，這些公司是否真的希望在產(chǎn)品中植入能持續(xù)使用如此之久的附件。庫珀說：“手機公司有個明確的利潤激勵，就是要在下次發(fā)布時讓老款設備及時停產(chǎn)。為此，研發(fā)更好電池的競賽可能根本不存在。”沃勒承認，ZapGo持有的大約30項專利中，有一種方法可人為地降低電池的使用壽命，阻止它們持續(xù)使用30年。他說：“我們不會這么做，但如果客戶愿意，我們有能力提供給他們。”
與現(xiàn)有技術相比，碳基儲能技術還有另一個主要優(yōu)勢。它實際上可以作為手機外部結構使用。沃勒并沒有設計出適合當前手機設計的電池，而是在為柔性屏幕和可折疊設備的未來做準備。在5G網(wǎng)絡下，我們所有的數(shù)據(jù)都來自云端，電池續(xù)航時間變得更加重要。
沃勒沿著他辦公室狹窄的走廊走著，走到午后的陽光下，穿過Diamond Light Source的陰影，這是個巨大的環(huán)形建筑，看起來像是外星飛船降落在牛津郡的鄉(xiāng)村。在內(nèi)部，研究人員正在利用加速光束在微觀尺度上對潛在的電池材料進行研究，探究為何鋰-硫電池會失敗，以及尋找替代材料以獲得陽極和陰極，這些問題已經(jīng)困擾了這個領域近30年。
沃勒在空中揮舞著他的智能手機，哀嘆著鋰離子電池的缺陷，正是這些缺陷促使他和其他數(shù)百人加入了這場高風險的競賽，以期重新發(fā)明這些絕好卻又存在缺陷的電池。他說:“我們都必須制定策略來應對這種情況，不管是背夾式電池，還是帶著兩部手機，這都太瘋狂了，事情不應該是那樣的。”
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