Batería de ion de litio
La batería de iones de litio, también denominada batería Li-Ion, es un dispositivo con dos o tres celdas de energía conectadas en serie o en paralelo, diseñado para el almacenamiento de energía eléctrica que emplea como electrolito una sal de litio que consigue los iones necesarios para la reacción electroquímica reversible que tiene lugar entre el cátodo y el ánodo.
| Batería de ion de litio | ||
|---|---|---|
| Batería Li-ion Nokia para alimentar un teléfono móvil. | ||
| Energía específica | (0.36–0.95 MJ/kg) | |
| Densidad energética | (0.90–2.23 MJ/L) | |
| Potencia específica | ~250-~340 W/kg[1] | |
| Eficiencia carga/descarga | 80–90%[3] | |
| Energía / precio consumidor | 2.5 W·h/US$ | |
| Velocidad de autodescarga (%/mes) | 8% a 21 °C 15% a 40 °C 31% a 60 °C (por mes)[4] | |
| Durabilidad (ciclos) | 400–1200 ciclos [5] | |
| Voltaje de célula nominal | NMC 3.6 / 3.7 V, LiFePO4 3.2 V | |
La batería de ion de litio se conforma de 4 fragmentos: ánodo, cátodo, separador y electrolito. el primero al descargarse pierde electrones y se oxida, y cuando se carga se reduce ya que gana electrones. lo opuesto sucede en el caso del cátodo.[6]
Las propiedades de las baterías de Li-ion, como la ligereza de sus componentes, su elevada capacidad energética y resistencia a la descarga, junto con el poco efecto memoria que sufren[7] o su capacidad para funcionar con un elevado número de ciclos de regeneración, han permitido diseñar acumuladores ligeros, de pequeño tamaño y variadas formas, con un alto rendimiento, especialmente adaptados a las aplicaciones de la industria electrónica de gran consumo.[8] Desde la primera comercialización de un acumulador basado en la tecnología Li-ion a principios de los años 1990, su uso se ha popularizado en aparatos como teléfonos móviles, tabletas, ordenadores portátiles y altavoces inalámbricos.
Sin embargo, su rápida degradación y sensibilidad a las elevadas temperaturas, que pueden resultar en su destrucción por inflamación o incluso explosión, requieren, en su configuración como producto de consumo, la inclusión de dispositivos adicionales de seguridad, resultando en un coste superior que ha limitado la extensión de su uso a otras aplicaciones.
A principios del siglo XXI, en el contexto de la creciente carestía de combustibles derivados del petróleo, la industria del automóvil anunció el desarrollo, proliferación y comercialización de vehículos con motores eléctricos basados en la tecnología de las baterías de iones de litio, con los que se pueda disminuir la dependencia energética de estas fuentes a la vez que se mantiene baja la emisión de gases contaminantes.
Historia
Las baterías de litio fueron propuestas por primera vez por M.S. Whittingham, actualmente en la Universidad de Binghamton. Whittingham utilizó sulfuro de titanio(II) y metal de litio como electrodos.[cita requerida]
En 1985, Akira Yoshino ensambló un prototipo de batería usando material carbonoso en el que se podían insertar los iones de litio como un electrodo y óxido de litio cobalto (LiCoO2), que es estable en el aire, como el otro. Se obtiene la conocida “silla-hamaca”, el litio se desplaza de manera segura entre electrodos.
Al emplear materiales sin litio metálico, se incrementó espectacularmente la seguridad sobre las baterías que utilizaban el litio metal. El uso de óxido de litio cobalto facilitó alcanzar fácilmente la producción a escala industrial.[9]
Este fue el nacimiento de la actual batería Li-ion.
En la actualidad los grandes bancos de baterías de litio están formados principalmente por dos componentes principales, por un lado, las baterías propiamente dichas, y por otro lado, por el módulo BMS (sistema de gestión de baterías). Este último es el encargado de controlar la correcta carga y descarga de las celdas que componen la batería, de mantenerlas equilibradas, de hacer operar al banco en su área de operación segura, así como también medir la capacidad de carga y la temperatura entre otros datos. Además, le brinda la capacidad de comunicación al banco con los componentes externos, por ejemplo, el inversor de corriente y el cargador.[10]
La dirección de la investigación es encontrar baterías de litio no metálicas que utilizan iones de litio, como el dióxido de cobalto y litio (LiCoO2). Aunque la densidad de energía es ligeramente inferior a la del litio metálico, el ion-litio es seguro, pero solo si se toman ciertas precauciones para cargar y descargar.[11]
El Litio es el más liviano de todos los metales, posee el mayor potencial electro químico y representa el mayor contenedor de energía. Usando litio metálico como electrodo negativo las baterías recargables son capaces de proveer alto voltaje y excelente capacidad.
En los primeros años de producción, se descubrieron varios problemas cuando estas celdas se sobrecalentaban e incluso explotaban. Descubrieron que después de cada ciclo de carga y descarga, se formaban dendritas de litio que cruzaban la barrera electrolítica hasta llegar al cátodo, creando un cortocircuito.[12]
Desde la primera comercialización a principios de los años 1990 de un acumulador basado en la tecnología Li-ion, su uso se ha popularizado en aparatos como teléfonos móviles, agendas electrónicas, ordenadores portátiles y lectores de música.[13]
Argentina
La Argentina cuenta con el Salar del Hombre Muerto, Salar de Antofalla y el Salar de Arizaro. Estos salares se encuentran ubicados en la Puna de Atacama sobre las provincias de Catamarca, Jujuy y Salta. La USGS estimó el año 2022 que en Argentina se encuentra alrededor del 10%[14] de las reservas de litio del planeta Tierra.
Siempre se encargó de la extracción y explotación del litio, dichas acciones son realizadas por empresas, estas dejan cierta ganancia en nuestro país para que se puedan seguir comprando las baterías y celdas a China.
Debido a la gran reserva de litio que posee la Argentina, y a los grandes avances tecnológicos del país en cuanto a energía nuclear y tecnología satelital, deja en evidencia el hecho de que la Argentina está más que a la altura a la hora de comenzar a desarrollar baterías de iones de litio y posee los recursos necesarios para la producción de las mismas.
Actualmente, debido a que aprestar el recurso no es suficiente para conquistar nuevos horizontes, se están desarrollando plantas y fábricas para producir celdas de Industria Argentina para la posterior construcción de baterías, adaptadas a las demandas de nuestros habitantes. Si bien estas no serán saciadas en su totalidad, lo relevante es que se desarrollará tecnología autónoma, la cual permitirá agregarle valor al Litio y mejorar los componentes de este recurso en pos de priorizar métodos más amigables con el medio ambiente. Hay muchos agentes intervinientes: La Universidad de La Plata, Y-tec, CONICET, etc. [15][16][17]
La primera celda de ion-litio producida en la Argentina, fue hecha en los laboratorios del INIFTA. A partir de este acontecimiento, el INIFTA transfirió los conocimientos necesarios para desarrollar estas celdas a otros centros, incluyendo a Y-TEC que a día de hoy es una gran empresa de desarrollo tecnológico de la Argentina.
Reconocimiento Internacional
En el año 2017 Ernesto Calvo, profesor de una de las facultades más prestigiosas de la Argentina e investigador del CONICET, consiguió el primer puesto en la competencia global “Bright Minds Challenge”, que busca soluciones de energía renovable que puedan aumentar significativamente el potencial de la energía solar o el almacenamiento de energía.
La propuesta realizada por el ganador cumplía con el ideal de ser “eco-friendly” con el medio ambiente ya que permitía la extracción y obtención del litio de las salmueras naturales en salinas de gran altitud utilizando energía solar.
Según el campeón esta innovación, además, ayudaría con el reciclaje de las baterías de litio.[18]
Plantas de fabricación y Producción
Se están desarrollando plantas de producción para los insumos de las celdas, de tal forma que la autonomía de la producción sea mayor, también se está trabajando en la formación de recursos humanos capacitado en el área de fabricación de celdas ion-litio, esta formación se está trabajando junto a la Escuela de Oficios de la UNLP, además se está avanzando rápidamente en la estructura del edificio, la seguridad del mismo, los procesos de licitación para la compra del equipamiento, la provisión de energía para la planta, y el tratamiento de los residuos.[19]
Si bien el Litio se encuentra concentrado en el norte, la planta piloto está ubicada en el Este de la Argentina, concretamente en la sede de Y-TEC, esto se debe a que los conocimientos y experiencia necesaria para la fabricación de baterías de iones de litio están ubicados en el polo tecnológico de La Plata, dentro del mismo se encuentran institutos del CONICET y la UNLP. Además de tener una planta piloto muy parecida a lo que sería una planta industrial, ubicarse en el Este tiene el beneficio de estar al lado del puerto, de tal forma que se puede exportar lo fabricado de una manera más cómoda y aunque alojarse lejos de la ubicación de la cual el litio es extraído parezca una desventaja, realmente no lo es, debido a que no es necesario tener una ruta llena de camiones que traigan carbonato de Litio a la planta, con un solo camión al año alcanzaría.[19]
El ministro Daniel Filmus del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación y el presidente Carlos Ramos de la empresa Yacimientos de Litio Bolivianos están cooperando con el objetivo de avanzar en la producción autónoma de celdas y baterías de iones de litio, ambos coinciden en que el desarrollo científico-tecnológico es crucial para que la soberanía sea mayor y ya no dependa del poder militar. Carlos Ramos agregó que producir insumos en ambos países (Argentina y Bolivia) sería beneficioso para evitar importaciones, de tal forma que también integraría a Sudamérica en el ámbito tecnológico.[20]
Algunas de las actividades que surgen del convenio entre Y-TEC e YLB son la producción de dos materiales catódicos: Baterías de litio-ferrofosfato (LiFePO4) y Baterías de NMC (LiNixMnyCozO2), estos materiales se fabrican a partir de sales de litio que se producirán localmente; también se desarrollará una planta enfocada en la elaboración de celdas y baterías de iones de litio que rindan al menos 10 MWh/año de capacidad; se mejorará el conocimiento que se necesita para ampliar las aplicaciones de las celdas y baterías de iones de litio, de tal forma que puedan ser utilizadas en el área de electromovilidad y en sistemas estacionarios autónomos.[20] La minería de litio en la Argentina tiene en desarrollo diversos proyectos, en distintas etapas de avance que permitirán incrementar progresivamente la producción hasta las 262.000 toneladas anuales, y convertir al país en 2025 en el segundo proveedor global de este mineral.
Con dos proyectos en operación comercial, Salar de Olaroz, en Jujuy de la empresa australiana Allkem (fusión de Galaxy Resources y Orocobre); y Fénix en Catamarca, de la estadounidense Livent, la Argentina es en la actualidad el cuarto productor mundial de litio (LCE), detrás de Australia, Chile y China; y por encima de Brasil y Zimbabue.[21]
| País | Producción en toneladas métricas |
| Australia | 55.000 |
| Chile | 26.000 |
| China | 14.000 |
| Argentina | 6.200 |
| Brasil | 1500 |
| Zimbabue | 1200 |
| Portugal | 900 |
Con una proyección para fines de 2022 de 60 mil toneladas de carbonato de litio destinadas al mercado externo, el país podría incrementar progresivamente su producción hasta las 262.000 toneladas anuales en 2025, tiempo en el cual se espera ingresen en operación las ampliaciones de los dos mega emprendimientos que ya se encuentran en funcionamiento, aparte de otros ocho en etapa de construcción.
Además existen 35 proyectos en etapas de factibilidad, pre factibilidad, evaluación económica preliminar y exploración avanzada, cuyo ingreso en construcción y producción, aunque sea parcial, generaría un impacto económico exponencial en producción, exportaciones y empleo.
El litio no es un artículo, sino que su precio se define en contratos privados donde factores como la pureza determinan su precio de venta. Hace dos años era de US $7.000 y en la actualidad se ubica en torno a US $70.000, una suba exponencial que también incluye el encarecimiento de la logística.
En la Argentina, por el tipo de recurso disponible, luego de un importante período de exploración y estudio de factibilidad, un proyecto demanda 2 a 3 años en ser construido, y una vez en producción, otros 3 años en alcanzar la plena capacidad, lo que permite proyectar la entrada en operación de cada emprendimiento.
En ese cronograma, la primera novedad se espera para diciembre de este año, en Caucharí-Olaroz, Jujuy, donde avanza la construcción del proyecto que llevan adelante la firma china Ganfeng Lithium y la estadounidense Lithium Americas, con un capex estimado en US$ 741 millones para la producción de 40.000 toneladas de LCE.
Ya para 2023 y 2024, se espera la entrada en funciones de las ampliaciones de los dos proyectos actualmente en producción.
Argentina se ubica cuarta en producción de litio a partir de la explotación en 2 importantes provincias:
Se trata del Salar de Olaroz, que con la entrada en funcionamiento de su segunda etapa en desarrollo, permitirá alcanzar una inversión total de US$330 millones para incrementar la producción de 20 000 a 50 000 toneladas de LCE.
La segunda ampliación en marcha es la Fénix que en etapas sucesivas avanzará de las 20.000 toneladas actuales a un rango de entre 40.000 y 60.000 toneladas anuales en 2025, con una inversión de US $640 millones.
A esta última iniciativa se suma la posibilidad de concretar una planta de hidróxido de litio que elevaría la inversión por encima de los US $1.000 millones.[22]
Todos estos proyectos buscarán satisfacer una demanda creciente del mineral, en particular de Asia (China, Japón, Corea del Sur) como principal centro de consumo, que actualmente explica casi el 70% del litio a nivel agregado, y más del 90% si se considera solo lo usado para la fabricación de baterías.
Al cierre del primer semestre del corriente año, el destino de la producción argentina de litio se orientó en un 33% a China, 24% a Japón, 14% a Corea y 7% a Estados Unidos. (Con base en 2021).[23]
Para el caso del litio, en julio se exportaron un total de USD 83,9 millones, superando al anterior monto récord de junio de 2022. Esto implicó un crecimiento del 459% interanual. Se puede destacar que por primera vez desde febrero de 2008 las exportaciones de litio superaron las exportaciones de plata.
Así, el litio explicó el 29% de las exportaciones totales de minerales en el mes de julio. Cabe aclarar que este fuerte incremento interanual es explicado por un efecto en los precios, dado que las cantidades exportadas en julio cayeron un 6%.
Dado este último dato, en el acumulado de los primeros 7 meses de 2022 las ventas de litio al exterior alcanzaron los USD 335 millones, creciendo un 203% interanual y representando el 15% de las exportaciones mineras totales. En cuanto a las cantidades exportadas de litio, en el acumulado del año exhibieron una caída del 6%. Cabe mencionar que el resultado de exportaciones de litio del mes de julio es el mayor que se tiene registro, tanto la comparación mensual como el acumulado contra 2021, convirtiendo a 2022 en el año con mayores exportaciones de litio.[24]
Así, Argentina, de esta forma, cuenta con un prometedor potencial para meterse de lleno en un mercado que, se augura, tendrá una sensacional demanda. El litio se encamina a ser el metal más codiciado, ya que se usa para fabricar baterías de computadoras portátiles, celulares, juguetes en general y -atención- autos eléctricos, que es hacia dónde se encamina la producción automotriz.
Futuro
Se está analizando la posibilidad de producir electrolito en la Argentina, debido a que en la actualidad muy pocos países son productores del mismo por lo que importarlo es caro. Este recurso es muy importante ya que en las baterías de iones de litio para que se produzca la corriente hay un paso de energía desde un lado(el ánodo), hacia el otro lado (el cátodo), lo que mantiene separados ambos lados y que permite ese movimiento que produce la corriente es el electrolito, por eso es muy importante buscar la manera de producirlo en la Argentina.[25]
Baterías modernas y comercialización
En 1989, Goodenough y Arumugam Manthiram de la Universidad de Texas en Austin demostraron que los cátodos que contienen polianiones (p. ej., sulfatos), producen tensiones superiores que los óxidos debido al efecto inductivo del polianión.
En 1991, Sony y Asahi Kasei lanzaron la primera batería de Li-ion comercial.
En 1996, Goodenough, Akshaya Padhi y sus colaboradores identificaron el litio ion fosfato (LiFePO4) y otros fosfo-olivinos (fosfatos de litio metal con la misma estructura que el olivino mineral) como materiales catódicos.
En 2002, Yet-Ming Chiang[28] y su grupo del MIT mostraron una mejora sustancial en el rendimiento de las baterías de Li-ion aumentando la conductividad del material mediante dopado con aluminio, niobio y zirconio.
En 2004, Chiang incrementó de nuevo el rendimiento utilizando partículas de fosfato de hierro de menos de 100 nanómetros de diámetro.
En 2011, las baterías de Li-ion supusieron el 66% de todas las baterías recargables en Japón.
En 2015, la empresa Tesla Motors presentó dos sistemas de almacenamiento de energía mediante baterías de ion de litio, Tesla Powerwall, cuyo fin es almacenar energía eléctrica proveniente de energías renovables, como instalaciones fotovoltaicas o eólicas.[29]
Inconvenientes
A pesar de todas sus ventajas, esta tecnología no es el sistema perfecto para el almacenaje de energía, pues tiene varios defectos, como pueden ser:
- Rentabilidad en su fabricación: En la fabricación de celdas y Baterías de Iones de Litio existen solamente 2 materiales disponibles como insumo de litio: El Hidróxido de Litio que es difícil de mantener, es inestable e higroscópico(Tiende a absorber la humedad) y el Carbonato de Litio que es más fácil de mantener, es más estable y puede estar expuesto al aire libre sin ningún problema, por lo que el Carbonato de Litio es el único rentable como insumo.[30]
- Duración media: depende de la cantidad de carga que almacenen, independientemente de su uso. Tienen una vida útil de unos 3 años o más si se almacenan con un 40% de su carga máxima (en realidad, cualquier batería, independientemente de su tecnología, se deteriora si se almacena sin carga. Basta con recordar el proceso de sulfatación que ocurría en las antiguas baterías de zinc-carbón cuando se almacenaban al descargarse completamente).
- Soportan un número limitado de cargas: entre 300 y 1000, menos que una batería de níquel cadmio e igual que las de Ni-MH, por lo que ya empiezan a ser consideradas en la categoría de consumibles.
- Son costosas: su fabricación es más costosa que las de Ni-Cd e igual que las de Ni-MH, si bien el precio en la actualidad baja rápidamente debido a su gran penetración en el mercado, con el consiguiente abaratamiento. Podemos decir que se utilizan en todos los teléfonos móviles y ordenadores portátiles del mundo y continúa extendiéndose su uso a todo tipo de herramientas portátiles de baja potencia.
- Pueden sobrecalentarse hasta el punto de explotar: están fabricadas con materiales inflamables que las hace propensas a detonaciones o incendios, por lo que es necesario dotarlas de circuitos electrónicos que controlen en todo momento su temperatura.[31]
- Peor capacidad de trabajo en frío: ofrecen un rendimiento inferior a las baterías de Ni-Cd o Ni-MH a bajas temperaturas, reduciendo su duración hasta en un 25%.
- Tensión muy variable: debido a que la variación de la tensión de celda es muy grande, se hace imprescindible usar un pequeño convertidor CC/CC en función de la aplicación de la que se trate si se quiere tener una tensión de salida constante.[31]
Cuidados de la batería
Estas baterías tienen el menor efecto memoria de todas las demás tecnologías,[32] por ello es necesario que tras un número de ciclos incompletos se realice una calibración completa de la batería para que el efecto memoria desaparezca. Para alargar su vida útil necesitan ciertos cuidados:
- No es cierto que sea beneficioso el dejar descargarse la batería periódicamente. Al contrario, puede perjudicar la eficacia. Lo mejor es evitar que la carga baje más allá de un 15%.
- Es recomendable que permanezcan en un sitio fresco (15 °C) y evitar el calor. Son muy sensibles a la temperatura; dejarlas al sol y la humedad disminuye su rendimiento.
- Cuando se vayan a almacenar mucho tiempo, se recomienda dejarlas con carga intermedia (40%). Asimismo, se debe evitar mantenerlas con carga completa durante largos períodos.
- La primera carga no es decisiva en cuanto a su duración ni es preciso hacerla; el funcionamiento de una batería de ion de litio en la primera carga es igual al de las siguientes. Es un mito probablemente heredado de las baterías de níquel.
- Es necesario cargarlas con un cargador específico para esta tecnología. Usar un cargador inadecuado dañará la batería y puede hacer que se incendie.
- Para recargar no es imprescindible usar un cargador específico para la marca y modelo del dispositivo (a pesar de ser lo ideal, también es costoso). Se puede emplear cualquier cargador de buena calidad y que cumpla con las características eléctricas del dispositivo.
- La mayoría de los dispositivos actuales tiene un comportamiento inteligente. En otras palabras, pueden detectar cuándo se completó la carga de sus baterías para desconectarlas automáticamente y desviar la corriente al resto del dispositivo.
- Existen bolsas especiales ignífugas donde poder almacenarlas, ya que estas baterías son muy delicadas.[33]
Ventajas
Esta tecnología se ha situado como la más interesante en su clase para usarlas en ordenadores portátiles, teléfonos móviles y otros aparatos eléctricos y electrónicos. Los teléfonos móviles, las tabletas y los equipos portátiles vienen con baterías basadas en esta tecnología, gracias a sus varias ventajas:
- Una elevada densidad de energía: acumulan mucha mayor carga por unidad de peso y volumen.
- Poco peso: a igualdad de carga almacenada, son menos pesadas y ocupan menos volumen que las de tipo Ni-MH y mucho menos que las de Ni-Cd y plomo.
- Gran capacidad de descarga. Algunas baterías de Li-ion —las llamadas "Lipo" Litio-ion Polímero (ion de litio en polímero)— que hay en el mercado, se pueden descargar totalmente en menos de dos minutos.
- Alta tensión por célula: cada batería proporciona 3,7 voltios, lo mismo que tres baterías de Ni-MH o Ni-Cd (1,2 V cada una).
- Mínimo efecto memoria.
- Descarga lineal: durante toda la descarga, la tensión varía mucho: si la tensión nominal de una celda de litio es de 3,6V, la tensión máxima se hallará en torno a 4,2V, mientras que la tensión mínima recomendada es 2,5V para evitar la descarga profunda de la batería y la reducción de su vida útil. Esto significa que la variación de la tensión de celda con respecto al estado de carga es constante. Es decir, la pendiente de la recta dV/dC es constante (si se representa gráficamente, la tensión en función de la descarga es una línea recta). Eso facilita el conocer con buena precisión el estado de carga de la batería.
- Larga vida en las baterías profesionales para vehículos eléctricos (con el tipo LiFePO4). Algunos fabricantes muestran datos de más de 3000 ciclos de carga/descarga para una pérdida de capacidad del 20% a C/3.
- Facilidad para saber la carga que almacenan. Basta con medir, en reposo, la tensión de la batería. La energía almacenada es una función de la tensión medida.
- Muy baja tasa de autodescarga: cuando guardamos una batería, ésta se descarga progresivamente aunque no la usemos. En el caso de las baterías de Ni-MH, esta "autodescarga" puede suponer más de un 20% mensual.[31]
Combinaciones
Hay que tener en cuenta que existen en el mercado numerosas combinaciones de litio, lo que puede llevar a muchas características diferentes. Entre ellas encontramos:
- Las baterías de ion de litio en polímero, en las que la principal diferencia con las baterías de ion de litio ordinarias es que el electrolito litio-sal no está contenido en un solvente orgánico, sino en un compuesto polimérico sólido como el óxido de polietileno o poliacrilonitrilo. Las ventajas del litio polímero sobre el litio-ion son: menores costes de fabricación, adaptabilidad a una amplia variedad de formas de empaquetado, confiabilidad y resistencia.
- Las de litio hierro fosfato (LiFePO4), también conocidas como LFP. Comparadas con las baterías tradicionales de ion de litio, en las que el LiCoO2 es uno de sus componentes más caros, las de litio hierro fosfato son significativamente más baratas de producir.
- Las de tipo olivino de litio hierro fosfato. Tienen la característica de que pueden durar unos 10 años si se cargan una vez al día. Además de tener una larga vida, se pueden cargar muy rápidamente, ya que emplean sólo dos horas para el 95% de su capacidad. Entre otros está comercializada por Sony Business Solutions (ESSP-2000).[34]
Estándares
El IEEE ha establecido los estándares:[35]
- 1625 baterías de ordenador portátil.
- 1725 baterías de teléfono móvil.
- 1825 baterías de cámaras de fotografía o de video.
Véase también
Referencias
- ↑ «Rechargeable Li-Ion OEM Battery Products». Panasonic.com. desde el original el 13 de abril de 2010. Consultado el 23 de abril de 2010.
- ↑ «Panasonic Develops New Higher-Capacity 18650 Li-Ion Cells; Application of Silicon-based Alloy in Anode». greencarcongress.com. Consultado el 31 de enero de 2011.
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