解析铝空气电池：缘何无法替代锂离子电池？【锂电吧】_百度贴吧
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解析铝空气电池：缘何无法替代锂离子电池？
3000公里，有多远？相当于从杭州自驾到丽江。如果驾驶汽油燃料汽车，这趟旅程的油费成本在2000元左右，如果驾驶电动汽车，能源成本或许会大大下降。不过，这可能吗？　　这在理论上将是可行的。近日，美国铝业公司与以色列Phinergy公司在蒙特利尔向大众展示了这样一种具有超级续航能力的电池技术：100公斤重的铝空气电池储存了可行驶3000公里的足够电量，只需每月加注清水。相比之下，特斯拉ModelS的电池超过500公斤，而行驶里程不到500公里。　　铝空气电池真的只需加水就能续航？为何在电动汽车发展中，锂离子电池成功超越铝空气电池，它的技术瓶颈在哪里？未来，铝空气电池能否取代锂离子电池……今天，记者就电池未来新技术采访了浙江吉利汽车研究院电动汽车研发高级项目经理杜志强、车载电池系统高级工程师陈涛。　　多用于应急电源　　“铝空气电池并不是传统意义上用于多次存储电能的电池，而是一种释放电能的化学反应装置。”陈涛说，它的工作原理就是活性金属在水中发生氧化反应释放能量的过程——通过电解液及特殊的电极材料，将释放的能量以电能的形式输出。　　通俗点说，对于铝空气电池来说，其中的活性金属就是铝，类似的还有锌空气电池、镁空气电池等，只是根据金属的活性(在水或空气中发生氧化反应的剧烈程度)不同，所使用的电解液及其他辅助材料略有不同而已。　　“‘只需加注清水’只是在电池的生命周期内而言的，本质上消耗的物质是铝，而不是水。”陈涛告诉记者，在电池工作过程中，源源不断地输出电能，金属铝也在源源不断地被氧化而消耗，生成氢氧化铝，产生电能是以消耗含有化学能的铝为条件的。“100公斤重的铝空气电池储存了可行驶3000公里的足够电量”，行驶完3000公里后，电池的寿命就结束了，需要重新安装，即补充金属铝。　　据介绍，铝空气电池早在20世纪60年代就已问世。但直到现在，它的研究多半还停留在理论阶段，实际应用的并不多。在国内，它的研究多集中于应急电源；而在国外，科学家或研究某种电极材料，或研究特殊应用场合的电池系统，正试图寻求铝空气电池应用技术的突破。
　　安全风险待检验　　“使用不便是铝空气电池目前最大的瓶颈。”陈涛认为，除了较存储电能的电池使用不便外，与其他气体类的燃料电池相比也有诸多不便，比如氢燃料电池，可以将氢气方便地加注、存储、输送至化学反应装置，但对于金属固态物的铝来说，显然不方便。其次，副反应较多、反应过程不易控制，部分反应生成物一定程度上阻碍反应继续进行，释放大量热，同时产生易燃易爆气体。　　在电动汽车的研发路上，铝似乎正在扮演更重要的角色。一个有意思的现象是，美国特斯拉电动汽车的续航能力能提高到300公里至400公里，使用的电池主要是镍钴铝三元材料，而我国电动汽车则使用的是镍钴锰。其中的金属之差，正是铝。　　“特斯拉中采用的铝材料，主要是应用于可多次存储电能的电池。它的作用是，提升电池的能量密度，同等重量的电池可以存储更多电能，让汽车的续驶里程更长。”陈涛认为，单从这一点来看，确实是一个突破。但由此带来的安全风险有待实践的进一步检验。　　以锂离子电池驱动的电动汽车难以普及，最大障碍是行驶里程有限，目前的续航能力大多在135公里至480公里之间，除非沿途有大量快速充电站，否则不宜驾驶电动汽车远途旅行。少数大于200公里的车辆，价格又特别昂贵，无法普及。　　车载还是未知数　　铝空气电池能否替代锂离子电池呢？吉利汽车研究院曾经做过相关的仿真建模实验，从汽车动力学角度研究铝空气电池作为电动汽车车载能源的应用，关注其本身可释放的电量及功率。　　“从实验结果来看，铝空气电池更适合作为续航备用电池。”杜志强说，铝空气电池是一个能量源，相对于可存储电能的蓄电池而言，同等重量的铝空气电池所能释放的电能更多，其能量密度高，但其可释放的功率却极低，单独使用不满足车用需求，特别是刚起动时。这就相当于一辆燃油汽车，油箱很大，但发动机很小，可以走很长的路，但走得很慢。相比之下，锂离子蓄电池的车速会更加稳定。如采用同等功率(即车辆具备同样车速)的铝空气电池，其重量大概会是锂离子蓄电池的4至5倍。　　也就是说，一辆电动汽车的标配能量应该是，实际使用中取铝空气电池所长，获得更长的续驶里程，同时也要补铝空气电池所短，配一个功率型的电池，使车辆具备不错的动力性能。　　“对于车载应用，铝空气电池依然是个未知数。”杜志强认为，目前铝空气电池在移动通讯设备和笔记本电脑上有些应用，但都是实验性的，并不是很广泛。未来在电动汽车领域的应用，还有很多技术问题亟待解决，能否成功成为电动汽车车载能源，还要靠市场最终选择。在其他领域，从铝空气电池本身技术特点来看，作为应急电源和移动电站似乎更合适。　　而从目前吉利的电动汽车电池选择上，基本与行业一致，即将量产车型以磷酸铁锂为主，正在研发的车型基本上都开始应用三元材料。杜志强说，“我个人认为，未来的发展方向是在现有电池基础上，增加燃料电池，形成‘燃料电池+蓄电池’的混合车载电源，在燃料电池选择上，氢燃料电池优于铝空气电池等金属燃料电池。”
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自1780年，人类发明了伽尼尔电池以来，经过200多年的技术进化和产业发展，电池已经广泛应用于电子产品、通信设备以及汽车领域。自1881年，世界上第一辆以铅酸电池为动力的三轮车诞生开始，镍镉、镍氢、锂离子、燃料等各种材料的电池也随即诞生。
近年来，成 为焦点，其最基础的动力电池在研发速度上也在不断加快。面对市场上众多品牌的电动汽车车型，单次充电续驶里程的多少，一直是消费者购买电动汽车的主要衡量 标准，甚至“里程焦虑”这样的词汇也应运而生。传统的锂电池自发明至今似乎并没有多大的革新，应用在电动汽车上受困于续驶里程短、充电难等而受到诟病。于 是，自带性能光环的很多新型电池便受到了更多的关注。
自特斯拉走红之后，几乎每隔一段时间就会冒出几篇高科技电池电动车的新闻。各种新型电池开始逐渐走入人们的视线。无论是被称为可以“革传统锂电池的命”的空气电池、氢，还是被冠以“智能穿戴设备救星”之名的固态锂电池，业内人士对新型电池的讨论可谓沸沸扬扬。传统锂电池是否会被取代、何时被取代，也成了很多业内人士关注的焦点。新的电池革命似乎马上就要到来了，实际又如何呢？
氢燃料电池：号称次时代的电池
先来看看日本研发的燃料电池，与普通化学电池相比，燃料电池通过补充燃料续航。眼下较为常见的是以氢气作为替代燃料，但氢燃料电池不储能，所以确切地讲，应该称其为“氢发电装置”。也就是说，氢燃料电池的充电方式其实就是像传统汽车加油一样，加注压缩的液态氢。
燃料电池凭 借对环境几乎无污染而戴上了光环。通过电化学反应，而不采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)的燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源(光伏电 池板、风能发电等)产生的，那么整个循环就彻底不排放任何有害物质。氢发电，电机驱动车辆，只要把加油站换成加氢站就可以了。
但氢燃料电池并非“天下无敌”，它也有几个严峻问题要面对：
一是氢气的来源。氢气不像氮气和氧气在空气中占比那么大，想得到氢气需通过电解水，但这个方法并不太经济，且能量损失极大。电解水耗费了电能，虽产生氢 气，但氢气在发电过程中还会有能量损失。更重要的是电解水过程的用电是通过燃烧煤获取，并不环保，与氢燃料电池“无污染”的优点相悖。
二是金属铂的稀缺。在氢燃料电池发电过程中需要用到金属铂作为催化剂。这是一种比24K金更贵的金属，产量少，价格高，所以大规模生产氢燃料电池，铂就是瓶颈之一，且完全没有规模化后成本减少的效应，反而需求越多越贵。
三是加氢站高昂的建设成本也决定了其在短时间内难以大规模铺开。以日本为例，一座加氢站的建设费用平均在4.6亿日元(合人民币2364万元)左右，日 本政府最高补贴2.8亿日元(合人民币1439万元)，那么除去政府补贴，建造一座加氢站的成本约为人民币925万元。而建设一座普通的加油站仅需200 万元。
“目前燃料电池技术已经可以迈入实用化阶段，但加氢站的建设成本将成为一道难关。虽然日本极力推广氢燃料技术，但离真正的产业化还具有相当的一段距离。”863计划节能及重大专项总体专家组成员肖成伟如是说。
铝空气电池：锂电池的后备军
3000公里的旅程，驾驶纯电动汽车， 能源成本或许会大大下降，这在理论上是可行的。目前，美国铝业公司与以色列Phinergy公司展示了这样一种具有超级续驶能力的电池技术：100公斤重 的铝空气电池储存了可行驶3000公里的足够电量，这种电池无需充电，也无需加注任何燃料，只需每月加注清水即可。相比之下，特斯拉ModelS的电池重 量超过500公斤，而行驶里程却不到500公里。
铝空气电池并不是传统意义上用于多次存储电能的电池，而是一种释放电能的化学反应装置。它的工作原理是活性金属在水中发生氧化反应释放能量的过程——通过电解液及特殊的电极材料，将释放的能量以电能的形式输出。
所谓“只需加注清水”是针对在电池的生命周期内而言，其本质上消耗的物质是铝，而不是水。金属铝通过不断被氧化生成氢氧化铝，从而产生电能。100公斤 重的铝空气电池储存了可行驶3000公里的足够电量，行驶完3000公里后，电池的寿命就结束了，需要重新安装，即补充金属铝。
眼下， 除了铝空气电池以外，类似的还有锌空气电池、镁空气电池等，它们的区别在于根据不同金属的活性(在水或空气中发生氧化反应的剧烈程度)不同，所使用的电解 液及其他辅助材料略有不同。铝空气电池长时间没有得以在电动汽车领域推广应用，也是因为存在许多技术上的短板。
首先，铝空气电池储能能 力虽不容小觑，但在能量保存方面却漏洞百出。每一个铝空气电池在出厂时背面都贴有封条，电池本身能量保存的奥秘也在于此：在封条完整的情况下，其存放一年 后电量仍能保存95%，一旦揭下封条，空气就会进入并引起化学反应，即使不使用电池，3—12周之内能量也至少会下降50%，而此时即使再贴上封条，其中 的能量也会持续快速自消。
其次，虽然目前也有利用铝空气电池在汽车上小范围试用的例子，但动能测试结果却不尽如人意——铝空气电池驱动的汽车最高时速仅为60公里，由于功率不足，基本的爬坡、加速功能完成得也都比较吃力。
如此说来铝空气电池就一无是处吗？其实不然，铝空气电池恰恰可以弥补锂电池续驶不足的尴尬。据悉，有相关部门正在研发让车辆能够根据实际路况和车速的不 同，灵活选用不同的电池组合加以应对的系统。如果车辆以每小时30至40公里的速度行驶在路况较好的路面时，就使用铝空气电池，而碰到爬坡上坎的路面时， 就切换到锂电池提供电力。
从业内人士观点来看，目前，在汽车领域，以特斯拉为代表的锂电池短期应该还是主流，未来的发展方向是在现有电池基础上，增加燃料电池，形成“燃料电池+蓄电池”的混合车载电源。
液流电池：离实用化最近的新概念电池
液流电池是普通的化学电池，它的特点是把正极和负极电解液单独存放，解决了普通化学电池活性物质利用率的问题，理论上可以有更高的能量密度，而且充放电次数也更多，有非常理想的性能。
液流电池通常包含两个容器，其中贮存有液体化学溶剂，形成两个次系统。这两个次系统间的连接部分，为发电区，以薄膜相隔。这两种化学溶剂，流动到发电区，隔着薄膜，产生离子交换，透过这种方式来进行充放电。
而对于液流电池，电动汽车厂商nanoFLOWCELL在日内瓦国际车展上已经展出了其最新一代的电动汽车产品QuantF。该车使用 nanoFLOWCELL液流电池，最大输出功率达到惊人的1075马力，百公里加速仅2.8秒，极速300km/h以上，续驶长达800km。据悉，该 车已经获准在欧洲上路。
“现在全球都比较重视可再生能源，可是由于可再生能源本身具有不连续、不稳定、不可控的特性，因此需要贮存装置。目前，液流电池被认为是最有发展前景的储能产品之一，因为它具有设计灵活、规模大、寿命长等诸多优点。”肖成伟评价道。
石墨烯电池：充电8分钟行驶1000km
什么是石墨烯？石墨烯(Graphene)是一种只有一个碳原子厚度的二维平面薄膜。此前一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004 年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈&dot；海姆和康斯坦丁&dot；诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以 单独存在。两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
西班牙Graphenano公司(一家以工 业规模生产石墨烯的公司)同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池。按照估算，石墨烯电池比锂电池的充放电速度要快10倍，其储电量是目前 市场最好产品的三倍，用此电池提供电力的电动车一次充电最多能行驶1000公里，充电时间不到8分钟。另外，其成本比锂电池低77%，完全在消费者承受范 围。
肖成伟对于石墨烯的应用前景持肯定态度，“石墨烯的特点是导电速度快，导电性能好。目前很多研究都在实验，具体哪一块很难说，不过缩短充电时间等是肯定的。”
毫无疑问，在如今政府新一轮新能源汽车优惠政策的影响下，新能源车的普及也只是时间问题。而与之应用息息相关的电池行业，其发展也会随之相应提速。各式新型电池层出不穷，从突破技术瓶颈到规模化应用也会在不久的将来成为现实。
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氢燃料电池的理论效率远低于锂离子电池是真的么?真的如此,为什么车企还是坚持研究燃料电池?
提问时间： 19:43:53
氢燃料电池的电动车前景如何，有哪些技术和政策的限制？这个问题下,junxiang chen的回答里提到:氢氧燃料电池的额定电压是1.23 V。而现在最好的Pt催化剂下，阴极的过电势都在0.3 V左右。做好了电池，刚产生一丢丢电流，理论能量利用率就只剩75%。而且，这个瓶颈，就像是卡诺热机永远也不会100%一样，是不可逾越的理论鸿沟。
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第三，甲烷热值19.9MJ/Kg，PEM-FC按照50%效率来算，能量密度也有接近10MJ/Kg，文章中铝空气电池的能量密度在1.44MJ/Kg(重量不考虑燃料电池系统重量) 最后，液体燃料更容易在加油站补充，比换电池方便太多 欢迎指正...@_@铝空气电池能量密度高，但其功能密度低，而且由于技术原因，现阶段成品离其理论能量密度差距较大。 目前难以满足汽车动力需求，现阶段仅能作为锂电池的备用电池使用。这个问题可以说成一本书了，我先从锂离子电池说开： 锂离子电池的质量比能量（Wh/kg）是衡量能量密度的一个标准，其限制条件为：正负极材料和电池工作的电化学原理。 量子电池（自己理解吧，我跟不上了） 英国、意大利等四国的物理学家在英国物理学会（IOP）《新物理学》杂志上证明了量子电池的可行性，多量子比特相互纠缠而产生的&量子加速&可以加速充电过程，所以用量子电池充电比传统电池更快。
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金属复合燃料电池
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金属复合燃料电池与传统电池相比，该电池有三个特点，一是在世界上独创了以流动的液体作为正极材料，电流与功率大，可以做到千、万安培级；二是以铝作为材料，解决了铝的自腐问题，在世界上首次实现了铝大电流应用；三是不需要充电桩，仅仅需要加入含固体的电池水，可以不受时间和空间的限制。该项目标志着我国新能源领域又将迈上一个新的台阶，并可大大减少对石油的依赖和环境的污染。前期已经在电动叉车上应用，效果非常好，未来投入工业生产后，适用范围广。
由于对环境的影响相对较小，电动汽车日益受到各国重视，其前景也被广泛看好。燃料电池汽车是电动汽车的一种，氢燃料电池车已在加快市场化进程。而金属燃料电池也正在进入大众视野，其中，金属空气电池被寄予厚望。据了解，在我国，锌空气电池和铝空气电池已列入研发范围。
在2014年亚特兰大先进汽车电池会议上，美国铝业公司与以色列 Phinergy公司就Phinergy铝空气电池的进一步研发问题签订了联合开发协议，目的是为了尽快地推动铝空气电池的商业化进程。有分析人士认为，除了美铝的最新研究成果外，特斯拉的专利技术也在瞄准金属空气电池，未来不排除铝空气电池出现真正商业化契机的可能。
日，有媒体报道，新研制的一种以铝为材质的金属复合燃料电池已经在电动汽车上开始试验，效果良好。业内分析认为，铝电池概念有望受到市场关注。
金属空气电池目前仅有锂电池装备实际形成了量产，相关概念从实验室研制到综合测试乃至量产还都需要较长的时间，同时，过程中也存在较多不确定性。
．新华网[引用日期]
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> 解析四大动力电池技术：锂电池和铝空气电池等
解析四大动力电池技术：锂电池和铝空气电池等
　　一、氢燃料电池产业本文引用地址：　　在氢燃料电池产业链中，上游是氢气的制取、运输和储藏，在加氢站对氢燃料电池系统进行氢气的加注；中游是电堆等关键零部件的生产，将电堆和配件两大部分进行集成，形成氢燃料电池系统；在下游应用层面，主要有交通运输、便携式电源和固定式电源三个方向。　　　　二、动力电池优劣势比较　　目前在交通运输用动力源方面，主要有四种技术路线：锂离子电池、氢燃料电池、超级电容和。其中锂离子电池、超级电容和氢燃料电池得到广泛的应用，而尚处于实验室研究阶段。能源补给方面，锂离子电池、超级电容适用于纯电动汽车，但是需要外部充电，而氢燃料电池汽车则需要外部氢气加注，则需要补充铝板和电解液。　　四种技术路线优劣势比较　　　　1、氢燃料电池特性　　（1）良好的环境相容性　　氢燃料电池提供的是高效洁净能源，其排放的水不仅量少，而且非常干净，因而不存在水污染问题。同时由于燃料电池不像发动机那样需要将热能转换为机械能，而是直接把化学能转化为电能和热能，能量转换效率高，噪音小。　　（2）良好的操作性能　　氢燃料电池发电，不需要复杂庞大的配置设备，电池堆可以模块化组装。例如，一个 4.5MW 的发电装置可以 有 460 个电池组件组成，其发电厂占地面积比火力发电厂小得多。氢燃料电池适合作为分散发电装置。另外与火力、水力和核能发电相比，氢燃料电池电厂的建设周期短，扩建容易，可以完全根据实际需要分期建设。同时氢燃料电池的运行质量高，应对负载的快速变动（如高峰负载）特性优良，在数秒内就可以从低功率变换到额定功率。　　（3）高效的输出性能　　氢燃料电池工作时将燃料储存的能量转化为电和热，转换电能的效率在 40%以上，而汽轮机只有 1/3 可以转化为电。　　（4）灵活的结构特性　　氢燃料电池组装非常灵活，功率大小容易调配，与传统发动机相比，由于氢燃料电池良好的模块性可以在不增加基础设施投资的基础上，通过增减单电池的片数即可轻松实现输出功率和电压的调整，所以建设起来也很容易，而且比较容易实现对电网的调控。燃料电池的这一特点提高了系统稳定性。　　（5）氢的来源广泛　　氢作为二次能源，可通过多种方式获得，如煤制氢、天然气重整制氢、电解水制氢等等。在化石能源被耗尽时，氢将成为世界上的主要燃料及能量。而采用太阳能电解水制氢，过程中没有碳排放，可以认为氢是终极能源。　　（6）存在的瓶颈　　从现阶段发展来看，氢燃料电池的普及遇到一定的瓶颈，如电池本身成本较高，基础设施尚未普及等。　　2、锂离子电池特性　　（1）电压平台　　锂离子电池由于采用的正负极材料不同，其单体电池的工作电压范围为3.7~4V，其中应用规模较大的磷酸铁锂单体电池工作电压为 3.2V，是镍氢电池的 3 倍、铅酸电池的 2 倍。　　（2）比能量　　当前乘用车锂离子动力电池的能量密度接近 200Wh/kg，预计 2020 年达到300Wh/kg。　　（3）电池寿命短　　由于电化学材料特性的制约，锂离子电池的循环次数没有取得突破，以磷酸铁锂为例，单体电池循环次数可以达到 2000 次以上，成组后仅为 1000 次以上。无法满足公交运行 8 年期限的要求。　　（4）对环境影响较大　　锂离子电池采用轻金属锂，尽管不含汞、铅等有害重金属，被认为是绿色电池，对环境污染较小。但实际上由于其正负极材料、电解液包含镍、锰等金属物，美国已经将锂离子电池归类为一种包含易燃、浸出毒性、腐蚀性、反应性等有毒有害性的电池，是目前各类电池中包含毒性物质最多的电池，并且因为其回收再利用的工艺较为复杂导致成本较高，因此目前的回收再利用率不高，废弃的电池对环境影响较大。　　（5）成本依然较高　　锂离子电池初期购置成本高，以目前公交车用动力电池主流产品磷酸铁为例，价格大约在 2500 元/kWh，随着电动汽车的普及，有望在 2020 年降低到 1000 元/kWh以下。由于单体电池成组后循环次数的制约，公交车通常在 3 年左右即需要更换电池，运营单位成本压力较大。　　（6）对电网影响较大　　首先大规模应用纯电动汽车，由于充电需求较大，充电设备对电网的谐波干扰将会凸显，影响电网的供电质量；其次，在快充时，由于是大倍率充电，因此充电功率较高（乘用车在 50kW、客车在 150~250kW 左右），对电网的负荷冲击较大。　　因此，基于目前锂离子电池的技术水平来看，其电动汽车方面的应用主要在行驶里程小于 200km 的短途纯电动汽车中。　　3、超级电容器特性　　（1）极高的充放电倍率　　超级电容具备较高的功率密度，可在短时间内放出几百到几千安培的电流，充电速度快，可在几十秒到几分钟内完成充电过程。超级电容公交车和有轨电车就是利用此特性在短时间内完成充电，驱动车辆前进。　　（2）循环寿命长　　超级电容的充放电过程损耗极小，因此在理论上其循环寿命为无穷，实际可达 100000 次以上，比电池高 10 ~100 倍。　　（3）低温性能较好　　超级电容充放电过程中发生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行，所以容量随温度衰减非常小，而通常锂离子电池在低温下容量衰减幅度甚至高达70%。　　（4）能量密度太低　　超级电容应用的瓶颈之一就是能量密度太低，仅为锂离子电池的 1/20 左右，约 10Wh/kg。因此不能作为电动汽车主电源，大多作为辅助电源，主要用于快速启动装置和制动能量回收装置。　　4、铝空气电池特性　　（1）材料成本低、能量密度高　　铝空气电池的负极活性材料是含量丰富的金属铝，价格便宜，环保，正极活性物质是空气中的氧气，正极容量可视无限大。因此铝空气电池具有质量轻，体积小，使用寿命长的优势。　　（2）关键技术未取得突破，尚未走出实验室　　空气电极极化和氢氧化铝沉降等问题是影响金属空气电池走向市场化的重要障碍，铝空气电池性能的提高遇到很大的瓶颈。目前尚处于实验室阶段，距离商业化推广还有一段不小的距离。
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