DE102016210838A1 - Anode for a battery cell, method for making an anode and battery cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anode (21) für eine Batteriezelle, umfassend einen Stromableiter (31) und ein anodisches Aktivmaterial (41), welches Lithium enthält und auf den Stromableiter (31) aufgebracht ist. Eine Kontaktfahne (35) des Stromableiters (31) ist dabei frei von anodischem Aktivmaterial (41). Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Anode (21), wobei ein Stromableiter (31), welcher porös ausgebildet ist und Poren aufweist, auf einer ersten Seite mit einer ersten Folie beschichtet wird, welche Lithium enthält, die Poren des Stromableiters (31) zumindest weitgehend mit Lithium gefüllt werden, und der Stromableiter (31) auf einer zweiten Seite mit einer zweiten Folie beschichtet wird, welche Lithium enthält. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, die mindestens eine erfindungsgemäße Anode (21) umfasst.The invention relates to an anode (21) for a battery cell, comprising a current conductor (31) and an anodic active material (41) which contains lithium and is applied to the current conductor (31). A contact lug (35) of the current collector (31) is free of anodic active material (41). The invention also relates to a method for producing an anode (21), wherein a current conductor (31), which is porous and has pores, is coated on a first side with a first foil which contains lithium, the pores of the current conductor (31 ) are at least substantially filled with lithium, and the current conductor (31) is coated on a second side with a second film containing lithium. The invention also relates to a battery cell comprising at least one anode (21) according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anode für eine Batteriezelle, welche einen Stromableiter und ein Aktivmaterial umfasst, welches Lithium enthält und auf den Stromableiter aufgebracht ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Anode sowie eine Batteriezelle, welche eine erfindungsgemäße Anode umfasst.The invention relates to an anode for a battery cell, which comprises a current conductor and an active material which contains lithium and is applied to the current conductor. The invention further relates to a method for producing an anode and a battery cell, which comprises an anode according to the invention.
Stand der TechnikState of the art
Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Batteriezellen.Electrical energy can be stored by means of batteries. Batteries convert chemical reaction energy into electrical energy. Here, a distinction is made between primary batteries and secondary batteries. Primary batteries are only functional once, while secondary batteries, also referred to as accumulators, are rechargeable. A battery comprises one or more battery cells.
In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.In particular, so-called lithium-ion battery cells are used in an accumulator. These are characterized among other things by high energy densities, thermal stability and extremely low self-discharge. Lithium-ion battery cells are used, inter alia, in motor vehicles, in particular in electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HEV) and plug-in hybrid electric vehicles (PHEV).
Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Als Anoden kommen unter anderem Lithium-Metall-Anoden zum Einsatz. Eine solche Anode umfasst dabei eine Metallschicht, welche Lithium oder eine Lithiumlegierung enthält.Lithium-ion battery cells have a positive electrode, also referred to as a cathode, and a negative electrode, also referred to as an anode. As anodes, inter alia lithium-metal anodes are used. Such an anode comprises a metal layer which contains lithium or a lithium alloy.
In der Anode sind Lithiumatome eingelagert. Beim Betrieb der Batteriezelle, also bei einem Entladevorgang, fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode. Innerhalb der Batteriezelle wandern Lithiumionen bei einem Entladevorgang von der Anode zur Kathode. Bei einem Ladevorgang der Batteriezelle wandern die Lithiumionen innerhalb der Batteriezelle von der Kathode zu der Anode, und Elektronen fließen in einem äußeren Stromkreis von der Kathode zur Anode.Lithium atoms are embedded in the anode. During operation of the battery cell, ie during a discharge process, electrons flow in an external circuit from the anode to the cathode. Within the battery cell, lithium ions migrate from the anode to the cathode during a discharge process. During a charging process of the battery cell, the lithium ions within the battery cell migrate from the cathode to the anode, and electrons flow in an external circuit from the cathode to the anode.
Die Elektroden der Batteriezelle sind folienartig ausgebildet und unter Zwischenlage eines Separators, welcher die Anode von der Kathode trennt, beispielsweise zu einem Elektrodenwickel gewunden. Ein solcher Elektrodenwickel wird auch als Jelly-Roll bezeichnet. Alternativ können Anode, Kathode und Separator auch zu einem Elektrodenstapel aufeinander gelegt sein. Die beiden Elektroden des Elektrodenwickels oder Elektrodenstapels werden mittels Kollektoren elektrisch mit Polen der Batteriezelle, welche auch als Terminals bezeichnet werden, verbunden. Eine Batteriezelle umfasst in der Regel eine oder mehrere Elektrodeneinheiten. The electrodes of the battery cell are formed like a foil and, with the interposition of a separator, which separates the anode from the cathode, for example wound into an electrode winding. Such an electrode winding is also referred to as a jelly roll. Alternatively, the anode, cathode and separator may also be superimposed to form an electrode stack. The two electrodes of the electrode coil or electrode stack are electrically connected by means of collectors to poles of the battery cell, which are also referred to as terminals. A battery cell usually comprises one or more electrode units.
Aus der
Die
In der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird eine Anode für eine Batteriezelle vorgeschlagen. Die Anode umfasst dabei einen Stromableiter und ein anodisches Aktivmaterial, welches Lithium enthält und auf den Stromableiter aufgebracht ist. Vorzugsweise ist das anodische Aktivmaterial dabei beidseitig auf den Stromableiter der Anode aufgebracht. Die Dicke des anodischen Aktivmaterials liegt bevorzugt im Bereich zwischen 1 µm und 2 µm.An anode for a battery cell is proposed. The anode comprises a current conductor and an anodic active material which contains lithium and is applied to the current conductor. Preferably, the anodic active material is applied to both sides of the current conductor of the anode. The thickness of the anodic active material is preferably in the range between 1 .mu.m and 2 .mu.m.
Der Stromableiter weist dabei eine Kontaktfahne auf, welche zum elektrischen Kontaktieren des Stromableiters dient. Die Kontaktfahne ragt dabei von der übrigen Anode weg. Erfindungsgemäß ist die Kontaktfahne des Stromableiters frei von anodischem Aktivmaterial. Es befindet sich also kein Lithium auf einer Oberfläche der Kontaktfahne.The current collector has a contact lug, which serves for electrically contacting the current collector. The contact lug protrudes away from the rest of the anode. According to the invention, the contact lug of the current conductor is free of anodic active material. So there is no lithium on a surface of the contact lug.
Vorzugsweise ist der Stromableiter dabei porös ausgebildet und weist Poren auf, welche zumindest weitgehend mit einem Füllmaterial gefüllt sind, welches Lithium enthält. Die Poren der Kontaktfahne des Stromableiters sind dabei zumindest weitgehend frei von Füllmaterial. Es befindet sich also kein Lithium in den Poren der Kontaktfahne.Preferably, the current conductor is formed porous and has pores, which are at least largely filled with a filler material containing lithium. The pores of the contact lug of the current collector are at least largely free of filling material. So there is no lithium in the pores of the contact lug.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Stromableiter der Anode als ein Streckmetall aus Kupfer ausgebildet. Ein solches Streckmetall ist mittels dem Fachmann bekannter Verfahren herstellbar. Das besagte Streckmetall weist dabei bevorzugt eine Dicke von weniger als 25 µm auf. Besonders bevorzugt weist das Streckmetall eine Dicke von weniger als 15 µm auf. Insbesondere bevorzugt weist das Streckmetall eine Dicke von weniger als 10 µm auf. According to an advantageous embodiment of the invention, the current conductor of the anode is as a Expanded metal formed of copper. Such an expanded metal can be produced by methods known to the person skilled in the art. Said expanded metal preferably has a thickness of less than 25 μm. Particularly preferably, the expanded metal has a thickness of less than 15 μm. Particularly preferably, the expanded metal has a thickness of less than 10 μm.
Vorzugsweise weist das Streckmetall eine Maschenweite von weniger als 1 mm auf. Besonders bevorzugt weist das Streckmetall eine Maschenweite von weniger als 100 µm auf.Preferably, the expanded metal has a mesh size of less than 1 mm. Particularly preferably, the expanded metal has a mesh size of less than 100 μm.
Alternativ kann der Stromableiter der Anode auch als Gewebe aus Kupfer ausgebildet sein. Ebenso kann der Stromableiter der Anode auch versinterte Kupferspäne sowie Kupferfasern umfassen.Alternatively, the current conductor of the anode can also be formed as a tissue made of copper. Likewise, the current conductor of the anode may also comprise sintered copper chips and copper fibers.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Stromableiter der Anode als ein Gewebe aus Kohlefasern ausgebildet. Das besagte Gewebe weist dabei bevorzugt eine Dicke von weniger als 30 µm auf. Besonders bevorzugt weist das besagte Gewebe eine Dicke von weniger als 20 µm auf.According to a further advantageous embodiment of the invention, the current conductor of the anode is formed as a fabric of carbon fibers. The said tissue preferably has a thickness of less than 30 μm. Particularly preferably, said tissue has a thickness of less than 20 microns.
Vorzugsweise weisen die Kohlefasern des Gewebes jeweils eine Dicke zwischen 1/2 und 1/10 der Dicke des Gewebes auf.Preferably, the carbon fibers of the fabric each have a thickness between 1/2 and 1/10 of the thickness of the fabric.
Auch kann der Stromableiter der Anode als massive Folie aus Kupfer ausgebildet sein, welche eine Dicke von weniger als 10 µm aufweist. Insbesondere weist der als massive Folie aus Kupfer ausgebildete Stromableiter der Anode eine Dicke im Bereich zwischen 5 µm und 6 µm auf.Also, the current conductor of the anode may be formed as a solid sheet of copper, which has a thickness of less than 10 microns. In particular, the current conductor of the anode formed as a solid sheet of copper has a thickness in the range between 5 μm and 6 μm.
Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer Anode vorgeschlagen. Verfahrensgemäß wird zunächst ein Stromableiter auf einer ersten Seite mit einer ersten Folie beschichtet. Die erste Folie enthält dabei Lithium oder besteht aus Lithium. Der Stromableiter der Anode ist dabei porös ausgebildet und weist Poren auf.Furthermore, a method for producing an anode is proposed. According to the method, a current conductor is first coated on a first side with a first film. The first film contains lithium or consists of lithium. The current collector of the anode is porous and has pores.
Das Beschichten des Stromableiters mit der ersten Folie erfolgt vorzugsweise in einem Rolle-zu-Rolle Prozess. Sofern der Stromableiter als Streckmetall ausgebildet ist, so wird das Streckmetall mittels bekannter und hier nicht beschriebener Verfahren hergestellt, und bevorzugt als Rollenmaterial verwendet. The coating of the current collector with the first film preferably takes place in a roll-to-roll process. If the current conductor is designed as an expanded metal, the expanded metal is produced by means of known methods, not described here, and is preferably used as a roll material.
Nach erfolgtem Beschichten wird der Stromableiter mit der ersten Folie kalandriert. Das Kalandrieren erfolgt dabei derart in einem Kalander, dass die Poren des Stromableiters zumindest weitgehend mit Lithium aus der ersten Folie gefüllt werden. Das Lithium aus der ersten Folie wird während des Kalandrierens in die Poren des Stromableiters hinein gedrückt. Das nach dem Kalandrieren in den Poren des Stromableiters befindliche Lithium aus der ersten Folie stellt somit ein Füllmaterial dar.After coating, the current collector is calendered with the first film. The calendering takes place in such a calender that the pores of the current collector are at least largely filled with lithium from the first film. The lithium from the first film is pressed into the pores of the current collector during calendering. The lithium from the first film located in the pores of the current collector after calendering thus represents a filling material.
Nach erfolgtem Kalandrieren wird der Stromableiter auf einer zweiten Seite, welche der ersten Seite gegenüber liegt, mit einer zweiten Folie beschichtet. Auch die zweite Folie enthält dabei Lithium oder besteht aus Lithium. Auch das Beschichten des Stromableiters mit der zweiten Folie erfolgt vorzugsweise in einem Rolle-zu-Rolle Prozess.After calendering, the current conductor is coated on a second side, which is opposite to the first side, with a second film. The second film also contains lithium or consists of lithium. Also, the coating of the current collector with the second film is preferably carried out in a roll-to-roll process.
Nach dem Beschichten des Stromableiters der Anode stellen das Lithium der ersten Folie und das Lithium der zweiten Folie ein anodisches Aktivmaterial der Anode dar. Der Stromableiter der Anode ist somit beidseitig mit anodischem Aktivmaterial beschichtet.After coating the current conductor of the anode, the lithium of the first film and the lithium of the second film constitute an anodic active material of the anode. The current conductor of the anode is thus coated on both sides with anodic active material.
Die erste Folie aus Lithium weist dabei eine Dicke auf, die derart bemessen ist, dass damit die Poren des Stromableiters mit Lithium als Füllmaterial gefüllt werden können, und dass die danach verbleibende Restdicke der ersten Folie genau der zur Zyklierung benötigten Dicke des anodischen Aktivmaterials auf der ersten Seite des Stromableiters der Anode entspricht. Die zweite Folie aus Lithium weist eine Dicke auf, die der zur Zyklierung benötigten Dicke des anodischen Aktivmaterials auf der zweiten Seite des Stromableiters der Anode entspricht. The first sheet of lithium in this case has a thickness which is dimensioned such that with it the pores of the current conductor can be filled with lithium as filler, and that the remaining thickness of the first film then exactly the required for the cyclization thickness of the anodic active material on the first side of the current collector of the anode corresponds. The second foil of lithium has a thickness which corresponds to the required for cyclization thickness of the anodic active material on the second side of the current conductor of the anode.
Alternativ zu dem Kalandrieren des Stromableiters mit der ersten Folie ist es auch denkbar, dass die Poren des Stromableiters galvanisch und/oder elektrochemisch zumindest weitgehend mit Lithium gefüllt werden.As an alternative to calendering the current conductor with the first foil, it is also conceivable that the pores of the current conductor are at least largely filled with lithium galvanically and / or electrochemically.
Wenn in der Batteriezelle auch ein lithiumhaltiges kathodisches Aktivmaterial verwendet wird, so ist zur Zyklierung nur eine verhältnismäßig dünne Schicht von ca. 1 µm auf der Anode erforderlich um eine homogene Abscheidung von Lithium auf der Anode zu gewährleisten. If a lithium-containing cathodic active material is also used in the battery cell, only a relatively thin layer of about 1 μm on the anode is required for the cyclization in order to ensure homogeneous deposition of lithium on the anode.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bleibt eine Kontaktfahne des Stromableiters beim Beschichten frei von Lithium. According to a preferred embodiment of the method according to the invention, a contact lug of the current conductor during coating remains free of lithium.
Ebenso bleiben die Poren der Kontaktfahne beim Kalandrieren sowie beim galvanischen und/oder elektrochemischen Füllen der Poren des Stromableiters zumindest weitgehend frei von Lithium.Likewise, the pores of the contact lug remain at least largely free of lithium during calendering and during the galvanic and / or electrochemical filling of the pores of the current conductor.
Insbesondere wird der Stromableiter im Bereich der Kontaktfahne weder mit der ersten Folie noch mit der zweiten Folie, welche Lithium enthalten, beschichtet. Somit gelangt beim Kalandrieren auch kein Lithium in die Poren des Stromableiters. Die Kontaktfahne des Stromableiters ragt dabei von der übrigen Anode weg und dient zum elektrischen Kontaktieren des Stromableiters. In particular, the current conductor is coated in the region of the contact lug neither with the first foil nor with the second foil which contains lithium. Thus, calendering also occurs no lithium in the pores of the current conductor. The contact lug of the current collector protrudes away from the rest of the anode and is used for electrical contact of the current conductor.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die erste Folie vor dem Beschichten auf einer dem Stromableiter abgewandten Seite mit einer ersten Polymerfolie versehen. Ebenso ist die zweite Folie vor dem Beschichten auf einer dem Stromableiter abgewandten Seite mit einer zweiten Polymerfolie versehen. Die erste Polymerfolie und die zweite Polymerfolie werden nach dem Beschichten des Stromableiters von der ersten Folie sowie von der zweiten Folie entfernt. Die erste Polymerfolie und die zweite Polymerfolie sind bevorzugt aus PP oder PTFE gefertigt.According to a preferred development of the method according to the invention, the first film is provided with a first polymer film on a side facing away from the current conductor before coating. Likewise, prior to coating, the second film is provided with a second polymer film on a side facing away from the current collector. The first polymer film and the second polymer film are removed after coating the current collector of the first film and the second film. The first polymer film and the second polymer film are preferably made of PP or PTFE.
Es wird auch eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche mindestens eine erfindungsgemäße Anode umfasst.A battery cell is also proposed which comprises at least one anode according to the invention.
Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), in einem Elektrofahrrad oder in einem tragbaren Gerät, insbesondere in einem Mobiltelefon, in einem Tablet, in einem Laptop oder in einem Elektrowerkzeug.A battery cell according to the invention advantageously finds use in an electric vehicle (EV), in a hybrid vehicle (HEV), in a plug-in hybrid vehicle (PHEV), in an electric bicycle or in a portable device, in particular in a mobile telephone, in a tablet a laptop or a power tool.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Batteriezellen mit Lithium-Metall-Anoden, deren Aktivmaterial Lithium enthält, weisen eine verhältnismäßig hohe volumetrisch Energiedichten und eine erhöhte spezifische Energie auf. Durch geeignete Wahl des Volumenverhältnisses von Kupfer und Lithium in dem Stromableiter, insbesondere im Falle der Ausführung als Streckmetall oder Gewebe, aber auch als versinterte Kupferspäne sowie Kupferfasern, kann die Gesamtmasse des Stromableiters konstant gehalten werden, wodurch die volumetrische Energiedichte weiter steigt und die spezifische Energie leicht ansteigt oder zumindest nicht sinkt.Battery cells with lithium metal anodes whose active material contains lithium have relatively high volumetric energy densities and increased specific energy. By suitable choice of the volume ratio of copper and lithium in the current conductor, in particular in the case of the execution as expanded metal or fabric, but also as sintered copper chips and copper fibers, the total mass of the current conductor can be kept constant, whereby the volumetric energy density continues to increase and the specific energy slightly increases or at least does not decrease.
Im Vergleich zu einer reinen Lithiumfolie als Stromableiter ist eine Folie, die Kupfer enthält, mechanisch stabiler, besser handhabbar und damit dünner ausführbar als eine reine Lithiumfolie. Somit kann die Kupfer enthaltende Folie auch mit verringertem Gewicht ausgeführt sein. Ferner ist die Stromableitung im Vergleich zu einer reinen Lithiumanodenfolie verbessert.In comparison with a pure lithium foil as a current conductor, a foil containing copper is mechanically more stable, easier to handle and thus thinner than a pure lithium foil. Thus, the copper-containing film can also be designed with reduced weight. Furthermore, the current dissipation is improved compared to a pure lithium anode foil.
Auch ist Kontaktierung des Stromableiters sowie insbesondere die Stromableitung durch die Anode aufgrund der höheren elektrischen Leitfähigkeit des Kupfers im Vergleich zum Lithium verbessert. Also contacting the Stromableiters and in particular the current dissipation through the anode is improved due to the higher electrical conductivity of the copper compared to lithium.
Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lithium-Metall-Anoden weist eine erfindungsgemäße Anode eine verringerte, beziehungsweise verlangsamte Alterung auf. Auch bei einem Ausdünnen des Lithiums verbleibt eine definierte Restdicke der Anode, die an jeder Stelle stets mindestens der Dicke des Stromableiters entspricht. Ein Überschuss an Lithium ist minimiert, wodurch die Sicherheit der Zelle verbessert ist. Je weniger Lithium Metall in der Batteriezelle vorhanden ist, desto sicherer ist die Zelle, da Lithium ein sehr starkes Reduktionsmittel ist.In comparison to lithium-metal anodes known from the prior art, an anode according to the invention has a reduced or slowed aging. Even with a thinning out of the lithium remains a defined residual thickness of the anode, which always corresponds at any point at least the thickness of the Stromableiters. An excess of lithium is minimized, which improves the safety of the cell. The less lithium metal is present in the battery cell, the safer the cell, since lithium is a very strong reducing agent.
Eine erfindungsgemäße Anode kann insbesondere zur Realisierung von Batteriezellen verwendet werden, die einen Festelektrolyten aufweisen, hohe Elektrodenbeladungen mit Aktivmaterial von bis zu 3 mAh/cm2 aufweisen und gleichzeitig eine hohe Konstantstrombelastungen von bis zu 3C oder höher in Laderichtung sowie in Entladerichtung zulassen.An anode according to the invention can be used in particular for the realization of battery cells having a solid electrolyte, high electrode loadings with active material of up to 3 mAh / cm 2 and at the same time allow a high constant current loads of up to 3C or higher in the loading direction and in the discharge direction.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below.
Es zeigen:Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, wherein a repeated description of these elements is dispensed with in individual cases. The figures illustrate the subject matter of the invention only schematically.
Die Batteriezelle
Innerhalb des Gehäuses
Die Anode
Die Kathode
Der Stromableiter
Der Stromableiter
Von dem Stromableiter
Mit der Kontaktfahne
Der als Streckmetall aus Kupfer ausgebildete Stromableiter
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen. The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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