CN114242949A - 一种重型车辆用高循环高容量锂电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种重型车辆用高循环高容量锂电池及其制备方法，该方法使用导电水性粘结剂涂布在集流体上，再将负极片与集流体热压合。导电水性粘结剂采用石墨烯或碳纳米管作为导电基材，然后将表面改性处理后的导电基材混入交联聚合物中，以通过化学键键合形成三维导电网络结构；再加入多价金属离子盐溶液，以交联形成三维粘结网络结构，以制备得到所述导电水性粘结剂。使用这种导电水性粘结剂的负极片在与正极片和隔膜压合制备得到电芯后，再基于预设的温升曲线进行热处理，以保证成品电池的容量和循环特性。
Description
技术领域
本申请涉及锂电池技术领域，具体涉及一种重型车辆用高循环高容量锂电池及其制备方法。
背景技术
随着新能源技术的发展，尤其是新能源汽车领域，锂电池作为新能源汽车常用的电池类型之一。为了使得新能源汽车上的锂电池能够具有更高的容量、更好的循环特性，如何提高锂电池的循环特性、提高锂电池容量等问题，都是行业内面临的主要问题。而目前不同的电池厂家，采用了不同的技术来提高锂电池容量，提高锂电池循环特性。例如，改进负极材料、改进装配工艺等方法。
发明内容
本申请实施例提供了一种重型车辆用锂电池改性负极片及其制备方法，能够有效提高成品锂电池的循环特性。
本申请实施例提供了一种重型车辆用锂电池改性负极片的制备方法，包括：
制备集流体；
制备导电水性粘结剂，包括：
准备导电基材，并对所述导电基材进行表面改性处理；所述导电基材包括石墨烯和碳纳米管中的至少一种；
将表面属性处理后的导电基材混入交联聚合物中，以通过化学键键合形成三维导电网络结构；
再加入多价金属离子盐溶液，以交联形成三维粘结网络结构，以制备得到所述导电水性粘结剂；
将所述导电水性粘结剂涂布至所述集流体表面；
制备负极浆料，包括：
在溶剂中加入负极聚合物，待负极聚合物溶解后，依次加入导电剂和负极活性材料，以制备得到负极浆料；
将所述负极浆料涂布在一中间介质薄膜上，制备得到负极膜片；所述中间介质薄膜为聚酯材料薄膜，且所述中间介质薄膜采用的聚酯材料与所述负极聚合物属于同一种聚合物；
制备负极片，包括
将所述负极膜片与所述涂布有所述导电水性粘结剂的集流体进行贴合，并热压粘合；
热处理：将热压粘合后的负极片静置于一热处理设备中，基于一预设的温升曲线，待温度升高至目标温度，以制备得到所述负极片。
在一实施例中，所述温升曲线的时长不小于6小时。
在一实施例中，所述热处理的步骤还包括：基于一预设的温降曲线，从所述目标温度降到室温，以制备得到所述负极片。
在一实施例中，所述热处理的步骤还包括，维持所述目标温度预设时间后，再基于所述预设的温降曲线，从所述目标温度降到室温，以制备得到所述负极片。
在一实施例中，所述预设时间小于所述温升曲线的时长。
在一实施例中，所述预设时间小于所述温升曲线的时长的1/2。
在一实施例中，所述温升曲线具有递增的斜率。
在一实施例中，所述温降曲线与所述温升曲线为两条对称的曲线。
在一实施例中，制备负极浆料的步骤还包括，待所述负极聚合物溶解后，加入塑化剂，搅拌均匀后再依次加入导电剂和负极活性材料，以制备到得负极浆料；
所述方法还包括萃取步骤，包括：将制备得到的所述负极片置于萃取溶液中，以萃取出所述负极片中的塑化剂。
本申请实施例还提供了一种重型车辆用锂电池改性负极片，所述重型车辆用锂电池改性负极片通过上述任意一项所述的重型车辆用锂电池改性负极片的制备方法制备得到。
本申请实施例提供了一种重型车辆用高循环高容量锂电池及其制备方法，能够有效提高成品锂电池的循环特性。
本申请实施例提供了一种重型车辆用高循环高容量锂电池制备方法，包括：
制备正极片；
制备负极片，包括：
制备集流体；
制备导电水性粘结剂，包括：
准备导电基材，并对所述导电基材进行表面改性处理；所述导电基材包括石墨烯和碳纳米管中的至少一种；
将表面属性处理后的导电基材混入交联聚合物中，以通过化学键键合形成三维导电网络结构；
再加入多价金属离子盐溶液，以交联形成三维粘结网络结构，以制备得到所述导电水性粘结剂；
将所述导电水性粘结剂涂布至所述集流体表面；
制备负极浆料，包括：
在溶剂中加入负极聚合物，待负极聚合物溶解后，依次加入导电剂和负极活性材料，以制备得到负极浆料；
将所述负极浆料涂布在一中间介质薄膜上，制备得到负极膜片；所述中间介质薄膜为聚酯材料薄膜，且所述中间介质薄膜采用的聚酯材料与所述负极聚合物属于同一种聚合物；
将所述负极膜片与所述涂布有所述导电水性粘结剂的集流体进行贴合，并热压粘合；
制备隔膜；
制备电芯，包括：
依次将制备好的正极片、隔膜、负极片层叠粘合在一起，然后进行热处理，以制备得到电芯；
所述热处理的步骤包括：将粘合好的正极片、隔膜、负极片静置于一热处理设备中，基于一预设的温升曲线，待温度升高至目标温度，以制备得到所述电芯；
将制备得到的电芯裁切、入壳、注液、化成后得到成品锂电池。
在一实施例中，所述温升曲线的时长不小于6小时。
在一实施例中，所述热处理的步骤还包括：基于一预设的温降曲线，从所述目标温度降到室温，以制备得到所述电芯。
在一实施例中，所述热处理的步骤还包括，维持所述目标温度预设时间后，再基于所述预设的温降曲线，从所述目标温度降到室温，以制备得到所述电芯。
在一实施例中，所述预设时间小于所述温升曲线的时长。
在一实施例中，所述预设时间小于所述温升曲线的时长的1/2。
在一实施例中，所述温升曲线具有递增的斜率。
在一实施例中，所述温降曲线与所述温升曲线为两条对称的曲线。
在一实施例中，制备负极浆料的步骤还包括，待所述负极聚合物溶解后，加入塑化剂，搅拌均匀后再依次加入导电剂和负极活性材料，以制备到得负极浆料；
所述方法还包括萃取步骤，包括：将制备得到的所述电芯置于萃取溶液中，以萃取出所述电芯中的塑化剂。
本申请实施例还提供了一种重型车辆用高循环高容量锂电池，所述重型车辆用高循环高容量锂电池通过上述任意一项所述的重型车辆用高循环高容量锂电池制备方法制备得到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一实施例中重型车辆用锂电池改性负极片的制备方法的流程示意图；
图2为不同方法制备的锂电池循环特性对比示意图；
图3为一实施例中重型车辆用高循环高容量锂电池制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了提高锂电池的容量和循环特性，有一种路线是改进锂电池的负极材料，如中国专利CN10548998B所记载。其公开了一种新型导电水性粘结剂，包括石墨烯、碳纳米管、交联聚合物以及多价金属离子水溶性盐溶液，其中，所述石墨烯与所述碳纳米管分别与所述交联聚合物通过化学键键合形成三维导电网络结构，所述交联聚合物与所述多价金属离子水溶性盐溶液交联形成三维粘结网络结构；其中，所述导电水性粘结剂中，所述交联聚合物的质量百分比含量为5-50％，所述石墨烯的质量百分比含量为0.1-5％，所述碳纳米管质量百分比含量为0.3-15％，所述多价金属离子水溶性盐与所述交联聚合物质量比为a，其中，0<a<0.5。
需要说明的是，专利CN10548998B中的所有内容通过引用的方式记载于本申请中。
然而，该专利记载的锂电池制备工艺中，需要将导电水性粘结剂与负极活性物质混合配置的浆料经涂布并烘干形成负极片。使用专利记载的导电水性粘结剂确实可以在一定程度上提高锂电池的容量和循环特性，但是对于采用热压合工艺制备负极片的工艺步骤中，需要先将导电水性粘结剂涂布于制备好的集流体表面；再将负极浆料涂布在一中间介质薄膜上，制备得到负极膜片；最后将负极膜片与集流体热压合得到负极片。对于这种工艺步骤制备的锂电池，虽然使用了该专利记载的导电水性粘结剂，但并不能很好地提高锂电池的容量和循环特性。发明人在研究中发现，由于使用热压合工艺制备负极片，导电水性粘结剂是涂布于集流体上的，其与负极浆料的结合特征存在一定的缺陷。
因此，为了克服这种缺陷，本申请实施例提供了一种重型车辆用锂电池改性负极片的制备方法，如图1所示，该方法包括下面步骤：
步骤101：制备集流体。常用的负极片集流体材料为铜箔。
步骤102：制备导电水性粘结剂。
在一实施例中，步骤102包括下面子步骤：
1.1：准备导电基材，并对所述导电基材进行表面改性处理；所述导电基材包括石墨烯和碳纳米管中的至少一种。
1.2：将表面改性处理后的导电基材混入交联聚合物中，以通过化学键键合形成三维导电网络结构。
在一实施例中，交联聚合物可以采用海藻酸盐，例如海藻酸钠以、海藻酸钾等。
在一实施例中，对导电基材进行改性处理具体可以是采用亚硫酰氯对导电基材进行表面处理，以使得导电基材表面具有相应的官能团。
1.3：再加入多价金属离子盐溶液，以交联形成三维粘结网络结构，以制备得到所述导电水性粘结剂。
在一实施例中，多价金属离子盐溶液可以采用Ca2+、Al3+、Ba2+、Zn2+、 Fe3+、Cu2+水溶性盐中的至少一种。
步骤103：将所述导电水性粘结剂涂布至所述集流体表面。
步骤104：制备负极浆料。
在溶剂中加入负极聚合物，待负极聚合物溶解后，依次加入导电剂和负极活性材料，以制备得到负极浆料。
在一实施例中，负极活性材料可以采用碳材料、硅系材料或其他金属复合氧化物。
步骤105：将所述负极浆料涂布在一中间介质薄膜上，制备得到负极膜片；所述中间介质薄膜为聚酯材料薄膜，且所述中间介质薄膜采用的聚酯材料与所述负极聚合物属于同一种聚合物。在一实施例中，负极浆料涂布在中间介质薄膜上烘干后可以将中间介质薄膜撕离。
步骤106：制备负极片。
将所述负极膜片与所述涂布有所述导电水性粘结剂的集流体进行贴合，并热压粘合。
步骤107：热处理。将热压粘合后的负极片静置于一热处理设备中，基于一预设的温升曲线，待温度升高至目标温度，以制备得到所述负极片。
发明人发现，如果单纯地将本实施例中采用的导电水性粘结剂涂布于集流体上，然后按正常工艺生产成品锂电池，其容量和循环特性并不能得到很好的改进。考虑到，由于采用的是将导电水性粘结剂涂布于集流体的工艺，导电不性粘结剂在负极膜片与集流体热压合后，两者之间的导电效果、粘合效果不是太理想。因此，本实施例中，负极膜片与集流体热压合后，再增加热处理步骤。
然而，当采用常规的热处理方式，即直接将负极片送入恒温装置中进行处理一定时间，得到的成品锂电池的容量和循环特性虽有一定改善，但改善不明显。
为了更好地利用本实施例采用的导电水性粘结剂的材料特性，本实施例中，对负极片进行热处理时，基于一预设的温升曲线，待温度升高至目标温度后，即完成热处理步骤。
如图2所示，Line 1为使用常规热处理方式得到的锂电池的循环特性曲线，Line 2为使用本实施例中基于温升曲线的热处理方式得到的锂电池的循环特性曲线。可见，由于基于预设的温升曲线对负极片进行热处理，能够更好地利用导电水性粘结剂的材料特征，同时使得该各类的导电水性粘结剂可以复用到使用热压合制备负极片的工艺中，并提高电池的容量和循环特性。
在一实施例中，温升曲线的时长不小于6小时。通过控制温升曲线的温升时长，可以避免对负极片进行热处理时产生突然的温度变化。
在一实施例中，所述热处理的步骤还包括：基于一预设的温降曲线，从所述目标温度降到室温，以制备得到所述负极片。
在某些实施例中，采用温升曲线对负极片进行热处理，可以一定程度地提高成品锂电池的容量和循环特性，但从图2中Line 2可以看出，锂电池的循环特性曲线的后半部分下降地比较快。因为，仅采用温升曲线对负极片进行热处理，在达到目标温度后，进行自然降温的工艺，还是会使用负极片在达到目标温度后存在较大的温度变化。因此，本实施例中，当达到目标温度后，再基于一预设的温降曲线，从所述目标温度降到室温。该实施例中，对成品锂电池的循环特性进行测试，得到如图2中Line 3曲线，可见，通过这种热处理方式，可以改善锂电池循环特性的后半段。
当然，在一实施例中，所述热处理的步骤还包括，维持所述目标温度预设时间后，再基于所述预设的温降曲线，从所述目标温度降到室温，以制备得到所述负极片。维持目标温度一定时间，是为了对负极片的热处理完全。如果温度曲线和温降曲线的时长已足够完成热处理，则可以不必维持目标温度，两者得到的成品电池的特性差异不大。
在一实施例中，维持目标温度的所述预设时间小于所述温升曲线的时长，例如，小于所述温升曲线的时长的1/2。
在一实施例中，为了更好地避免热处理过程中温度的急剧变化，所述温升曲线具有递增的斜率。
在一实施例中，所述温降曲线与所述温升曲线为两条对称的曲线。
在一实施例中，制备负极浆料的步骤还包括，待所述负极聚合物溶解后，加入塑化剂，搅拌均匀后再依次加入导电剂和负极活性材料，以制备到得负极浆料。塑化剂可采用邻笨二甲酸酯类化合物，增加塑化剂可以加强负极片的柔韧性，一方面方便涂布工艺和热压合工艺，另一方面也可以提高成品锂电池的整体强度。
所述重型车辆用锂电池改性负极片的制备方法还包括萃取步骤：将制备得到的所述负极片置于萃取溶液中，以萃取出所述负极片中的塑化剂。从而使得负极片具有细微的小孔，以充分吸附电解液。
本申请实施例还提供了一种重型车辆用锂电池改性负极片，所述重型车辆用锂电池改性负极片通过上述任意一实施例所述的重型车辆用锂电池改性负极片的制备方法制备得到。
上述实施例提供的工艺是对负极片进行热处理，考虑到负极片和正极片还需要压合在一起，因此，本申请实施例还提供了一种重型车辆用高循环高容量锂电池制备方法，该方法在制备得到负极片后，先与正极片压合得到电芯，再将电芯进行热处理。
如图3所示，本实施例提供的重型车辆用高循环高容量锂电池制备方法包括下面步骤：
步骤301：制备正极片。
步骤302：制备负极片。步骤302包括下面子步骤：
3.1：制备集流体；
3.2：制备导电水性粘结剂，包括：
准备导电基材，并对所述导电基材进行表面改性处理；所述导电基材包括石墨烯和碳纳米管中的至少一种；
将表面改性处理后的导电基材混入交联聚合物中，以通过化学键键合形成三维导电网络结构；
再加入多价金属离子盐溶液，以交联形成三维粘结网络结构，以制备得到所述导电水性粘结剂；
3.3：将所述导电水性粘结剂涂布至所述集流体表面；
3.4：制备负极浆料，包括：
在溶剂中加入负极聚合物，待负极聚合物溶解后，依次加入导电剂和负极活性材料，以制备得到负极浆料；
将所述负极浆料涂布在一中间介质薄膜上，制备得到负极膜片；所述中间介质薄膜为聚酯材料薄膜，且所述中间介质薄膜采用的聚酯材料与所述负极聚合物属于同一种聚合物；
3.5：将所述负极膜片与所述涂布有所述导电水性粘结剂的集流体进行贴合，并热压粘合。
步骤303：制备隔膜。
步骤304：依次将制备好的正极片、隔膜、负极片层叠粘合在一起，得到电芯。
步骤305：对电芯进行热处理。所述热处理的步骤包括：将粘合好的正极片、隔膜、负极片静置于一热处理设备中，基于一预设的温升曲线，待温度升高至目标温度，以制备得到所述电芯；
步骤306：将制备得到的电芯裁切、入壳、注液、化成后得到成品锂电池。
本申请实施例中，正极片、隔膜的制备工艺可以与负极片的涂布压合工艺类似，也可以采用其他常规的制备工艺。
本实施例中，直接对电芯进行热处理，相当于上述实施例中，将对负极片进行热处理的步骤放到后面节点进行。这种工艺顺序同样能实现提高锂电池容量和循环特性的目的。
在一实施例中，所述温升曲线的时长不小于6小时。
在一实施例中，所述热处理的步骤还包括：基于一预设的温降曲线，从所述目标温度降到室温，以制备得到所述电芯。
在一实施例中，所述热处理的步骤还包括，维持所述目标温度预设时间后，再基于所述预设的温降曲线，从所述目标温度降到室温，以制备得到所述电芯。
在一实施例中，所述预设时间小于所述温升曲线的时长。例如，所述预设时间小于所述温升曲线的时长的1/2。
在一实施例中，所述温升曲线具有递增的斜率。
在一实施例中，所述温降曲线与所述温升曲线为两条对称的曲线。
在一实施例中，制备负极浆料的步骤还包括，待所述负极聚合物溶解后，加入塑化剂，搅拌均匀后再依次加入导电剂和负极活性材料，以制备到得负极浆料。
所述重型车辆用高循环高容量锂电池制备方法还包括萃取步骤，包括：将制备得到的所述电芯置于萃取溶液中，以萃取出所述电芯中的塑化剂。
上述实施例提供的重型车辆用高循环高容量锂电池制备方法的相关工艺与上述实施例提供的重型车辆用锂电池改性负极片的制备方法的相关工艺类似，此处不再赘述。
本申请实施例还提供了一种重型车辆用高循环高容量锂电池，所述重型车辆用高循环高容量锂电池通过上述任意一实施例所述的重型车辆用高循环高容量锂电池制备方法制备得到。
需要说明的是，本申请实施例中涉及的锂电池制备工艺涉及的步骤、材料配比等规格可参考通用的工艺，本申请仅针对所涉及的发明点做详细说明，至于其他次要内容，不再赘述。
本文参照了各种示范实施例进行说明。然而，本领域的技术人员将认识到，在不脱离本文范围的情况下，可以对示范性实施例做出改变和修正。例如，各种操作步骤以及用于执行操作步骤的组件，可以根据特定的应用或考虑与系统的操作相关联的任何数量的成本函数以不同的方式实现(例如一个或多个步骤可以被删除、修改或结合到其他步骤中)。
本文的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法或设备固有的其他步骤或单元。
前述具体说明已参照各种实施例进行了描述。然而，本领域技术人员将认识到，可以在不脱离本披露的范围的情况下进行各种修正和改变。因此，对于本披露的考虑将是说明性的而非限制性的意义上的，并且所有这些修改都将被包含在其范围内。同样，有关于各种实施例的优点、其他优点和问题的解决方案已如上所述。然而，益处、优点、问题的解决方案以及任何能产生这些的要素，或使其变得更明确的解决方案都不应被解释为关键的、必需的或必要的。本文中所用的术语“包括”和其任何其他变体，皆属于非排他性包含，这样包括要素列表的过程、方法、文章或设备不仅包括这些要素，还包括未明确列出的或不属于该过程、方法、系统、文章或设备的其他要素。
以上实施例仅表达了几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种重型车辆用高循环高容量锂电池制备方法，其特征在于，包括：
制备正极片；
制备负极片，包括：
制备集流体；
制备导电水性粘结剂，包括：
准备导电基材，并对所述导电基材进行表面改性处理；所述导电基材包括石墨烯和碳纳米管中的至少一种；
将表面改性处理后的导电基材混入交联聚合物中，以通过化学键键合形成三维导电网络结构；
再加入多价金属离子盐溶液，以交联形成三维粘结网络结构，以制备得到所述导电水性粘结剂；
将所述导电水性粘结剂涂布至所述集流体表面；
制备负极浆料，包括：
在溶剂中加入负极聚合物，待负极聚合物溶解后，依次加入导电剂和负极活性材料，以制备得到负极浆料；
将所述负极浆料涂布在一中间介质薄膜上，制备得到负极膜片；所述中间介质薄膜为聚脂材料薄膜，且所述中间介质薄膜采用的聚脂材料与所述负极聚合物属于同一种聚合物；
将所述负极膜片与所述涂布有所述导电水性粘结剂的集流体进行贴
合，并热压粘合；
制备隔膜；
制备电芯，包括：
依次将制备好的正极片、隔膜、负极片层叠粘合在一起，然后进行热处理，以制备得到电芯；
所述热处理的步骤包括：将粘合好的正极片、隔膜、负极片静置于一热处理设备中，基于一预设的温升曲线，待温度升高至目标温度，以制备得到所述电芯；
将制备得到的电芯裁切、入壳、注液、化成后得到成品锂电池。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温升曲线的时长不小于6小时。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述热处理的步骤还包括：基于一预设的温降曲线，从所述目标温度降到室温，以制备得到所述电芯。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述热处理的步骤还包括，维持所述目标温度预设时间后，再基于所述预设的温降曲线，从所述目标温度降到室温，以制备得到所述电芯。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预设时间小于所述温升曲线的时长。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预设时间小于所述温升曲线的时长的1/2。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述温升曲线具有递增的斜率。
8.如权利要求3-6任意一项所述的方法，其特征在于，所述温降曲线与所述温升曲线为两条对称的曲线。
9.如权利要求1-7任意一项所述的方法，其特征在于，
制备负极浆料的步骤还包括，待所述负极聚合物溶解后，加入塑化剂，搅拌均匀后再依次加入导电剂和负极活性材料，以制备到得负极浆料；
所述方法还包括萃取步骤，包括：将制备得到的所述电芯置于萃取溶液中，以萃取出所述电芯中的塑化剂。
10.一种重型车辆用高循环高容量锂电池，其特征在于，所述重型车辆用高循环高容量锂电池通过如权利要求1-9任意一项所述的方法制备得到。
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| CN202111278925.9A CN114242949A (zh) | 2021-10-31 | 2021-10-31 | 一种重型车辆用高循环高容量锂电池及其制备方法 |
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| CN105958012A (zh) * | 2016-06-07 | 2016-09-21 | 程建聪 | 单体大容量聚合物锂离子电池负极片及其制造方法 |
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2021
- 2021-10-31 CN CN202111278925.9A patent/CN114242949A/zh not_active Withdrawn
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