超级电容器:储能新贵登场配资网首页官网
在当今全球都积极探寻可持续能源解决方案的大背景下,储能技术已然成为了能源领域的核心焦点之一。从为我们日常出行提供便利的电动汽车,到致力于将清洁的太阳能、风能接入电网的可再生能源并网项目,高效的储能设备都是其中不可或缺的关键部分。在众多储能技术中,超级电容器凭借其独特的性能优势,正逐渐崭露头角,成为储能领域一颗耀眼的新星。
超级电容器,又被称为电化学电容器,它有着十分独特的 “本领”。和传统电容器相比,它的电容量要大得多,能够存储更多的电荷;而与可充电电池相比,它又具备快速充放电的特性,并且拥有超长的循环寿命。在电动汽车领域,超级电容器的应用让车辆性能得到了显著提升。当电动汽车需要瞬间加速或者完成超车动作时,超级电容器能够在短时间内释放出大量电能,满足车辆对高功率的需求,让驾驶过程更加顺畅、安全。同时,在车辆制动过程中,超级电容器还能大显身手,将原本会被浪费掉的制动能量转化为电能储存起来,实现能量回收,这不仅提高了能源利用效率,还延长了电动汽车的续航里程。
在可再生能源并网方面,超级电容器同样发挥着重要作用。以风力发电和太阳能发电为例,这些可再生能源的发电过程很容易受到自然条件的影响,比如风力的大小、光照的强度等,导致发电功率波动较大。而超级电容器就像是一个稳定的 “能量缓冲器”,它可以快速地储存和释放能量,有效平抑功率波动,让发电过程更加稳定,提高可再生能源并网的效率和稳定性。
那么,超级电容器为什么能拥有这些出色的性能呢?这其中,电极材料起着至关重要的作用。电极材料作为超级电容器的核心组成部分,就如同心脏对于人体的重要性一样,它直接决定了超级电容器的性能优劣。从根本上来说,电极材料的特性,包括其比表面积、导电性、稳定性等,会对超级电容器的能量密度、功率密度、循环寿命等关键性能指标产生决定性的影响。因此,开发高性能的电极材料,成为了提升超级电容器性能、推动其广泛应用的关键所在,这也吸引了众多科研人员投身其中,展开深入研究 。
电极材料大揭秘
碳材料:经典老牌担当
碳材料作为超级电容器电极材料中的 “元老”,从超级电容器发展初期便崭露头角,凭借其独特优势,至今仍是研究与应用的重点对象。其中,活性炭堪称 “性价比之王”,它有着超高的比表面积,有些甚至能达到 2000m²/g 以上 ,这就像是为电荷准备了超多的 “停车位”,使其能够储存大量电荷。而且活性炭的导电性也不错,原料丰富、价格亲民,化学性质还十分稳定,加工起来也不费劲。在一些对成本较为敏感,且需要中等性能超级电容器的领域,比如小型电子产品的电源管理系统中,活性炭电极的超级电容器就得到了广泛应用,为设备的稳定运行提供可靠的能量支持。
碳纳米管则像是材料界的 “超级明星”,它具有良好的导电性,结晶度高,比表面积大。从结构上看,它就像一根细细的纳米级管道,这种独特的结构赋予了它强大的电荷吸附能力,不仅能形成双电层,还具备氧化还原的能力,就像一个功能强大的 “电荷收纳盒”。实验数据显示,增加了比表面积的碳纳米管在吸收大量的官能团之后,比活性炭吸附的电荷量要多 30% 左右,并且重复循环次数也会显著提升。在对功率密度和循环寿命要求极高的领域,如电动工具的快速充放电系统中,碳纳米管电极超级电容器能够满足其频繁、快速的能量转换需求,大大提高了电动工具的使用效率和寿命。
然而,碳材料也并非十全十美。活性炭虽然比表面积大,但它的孔径分布较宽,导致部分孔无法有效参与电荷存储,降低了电容的利用率;碳纳米管的制备成本较高,大规模制备的技术还不够成熟,限制了它在一些对成本敏感领域的广泛应用。
金属氧化物:能量密度担当
金属氧化物作为超级电容器电极材料的后起之秀,以其高理论比电容的特性,成为提高超级电容器能量密度的 “潜力股”。氧化镍便是其中的典型代表,它具有多样的价电子结构,这使其在电化学反应中能够展现出丰富的物理和化学性质。通过合理的制备工艺,如溶胶凝胶法、化学气相沉积法等,可以精确控制氧化镍的微纳结构,制备出纳米片、纳米线、纳米花等不同形貌的氧化镍材料。纳米片结构的氧化镍,就像一片片纳米级的 “小薄片”,能够提供更大的比表面积,有利于电解液的渗透和离子的传输;而纳米线结构则如同一条条纳米级的 “导线”,具有较高的机械强度和电子传输性能,这些独特的结构都为提高超级电容器的性能奠定了基础。
氧化锰也是备受关注的金属氧化物电极材料之一。它具有资源丰富、成本较低的优势,在超级电容器领域具有广阔的应用前景。研究表明,通过优化制备工艺和调控材料结构,可以显著提高氧化锰电极的比电容和循环稳定性。例如,采用水热法制备的多孔氧化锰纳米结构,能够增加电解液与活性物质之间的接触面积,提高离子传输效率,从而提升超级电容器的整体性能。
不过,金属氧化物电极材料也面临着一些挑战。一方面,它们的导电性相对较差,这就好比道路不够通畅,电子传输受到阻碍,影响了超级电容器的充放电速度;另一方面,金属氧化物的制备工艺通常较为复杂,成本较高,限制了其大规模的商业化应用。为了克服这些问题,科研人员正在积极探索各种改性方法,如与导电材料复合、进行元素掺杂等,以提高金属氧化物的导电性和综合性能。
导电聚合物:可塑性担当
导电聚合物作为超级电容器电极材料中的 “可塑性高手”,以聚吡咯、聚苯胺为代表,具有良好的导电性和可加工性,在特定应用场景中展现出独特的优势。聚吡咯就像一个神奇的 “导电聚合物精灵”,它具有典型的刚性共轭大键结构,这一结构赋予了它良好的导电性,而且它的电导率适应性强,能够在不同的环境下保持较好的导电性能。同时,聚吡咯还具有易合成、质量轻的优点,这些特性使得它在超级电容器电极材料的舞台上占据了一席之地。
在制备工艺方面,聚吡咯的合成方法多种多样,常见的有化学氧化法、电化学聚合法和模板法等。化学氧化法操作简单,就像炒菜一样,将吡咯单体和氧化剂等原料混合在一起,在适当的条件下进行反应,就能得到聚吡咯,这种方法适合大规模生产。电化学聚合法则像是在电极表面进行一场 “微观的化学魔术”,通过控制电化学条件,在电极表面直接合成聚吡咯,得到的聚吡咯具有高度的结晶度和规整的链结构,导电性能通常更优。模板法就如同制作模具一样,利用模板剂的限域作用,合成具有特定形貌和结构的聚吡咯,如纳米线、纳米管、纳米球等,这些特殊结构的聚吡咯能够进一步提升超级电容器的性能。
聚苯胺同样具有良好的导电性和环境稳定性,它的合成方法也较为多样化。与聚吡咯相比,聚苯胺在某些性能上具有独特的优势,例如它的抗氧化性能较好,能够在一定程度上抵抗环境因素的影响,保持电极材料的稳定性。
然而,导电聚合物也存在一些局限性。它们的稳定性相对较差,容易受到环境因素的影响而发生降解,就像一个容易 “生病” 的孩子,这大大缩短了超级电容器的使用寿命。此外,导电聚合物的制备成本相对较高,这也在一定程度上限制了其大规模应用。为了克服这些问题,科研人员通过与其他材料复合、优化制备工艺等方法,不断提高导电聚合物的稳定性和综合性能。
复合材料:集大成者配资网首页官网
复合材料作为超级电容器电极材料中的 “集大成者”,通过将不同材料进行复合,实现了优势互补,展现出了卓越的综合性能。将碳纳米管与金属氧化物复合,就像是给金属氧化物 “插上了导电的翅膀”。碳纳米管具有良好的导电性和大比表面积的网状结构,能够为电子传递提供快速通道,而金属氧化物则具有高理论比电容的特性。当二者复合后,金属氧化物电极上可发生快速可逆的电极反应,同时碳纳米管的优良特性使电子能够更顺利地进入到电极内部,让能量存储于三维空间中,大大提高了电极的比电容和能量密度。在一些对能量密度和功率密度都有较高要求的高端电子设备中,如高性能无人机的电源系统,这种复合电极材料的超级电容器能够为无人机提供强大而稳定的动力支持,确保其在复杂环境下的高效运行。
碳纳米管与导电聚合物的复合也是一种非常有前景的策略。将导电聚合物包覆于碳纳米管上,就像给碳纳米管穿上了一层 “功能性外衣”,使二者优势互补。复合电极材料不仅具有优于导电聚合物的导电性和循环性能,比容量也较碳纳米管有了大幅提高。在可穿戴电子设备领域,这种复合电极材料的超级电容器能够满足设备对轻薄、高效储能的需求,为可穿戴设备的长期稳定运行提供可靠保障,让用户在享受便捷科技的同时,无需为设备的电量问题担忧。
此外,还有石墨烯与金属氧化物、导电聚合物与金属氧化物等多种复合体系,它们都在不同程度上提升了超级电容器的性能。这些复合材料的出现,为超级电容器的发展注入了新的活力,推动着超级电容器在更多领域实现广泛应用 。
研究进展与突破
最新科研成果展示
在超级电容器电极材料的研究领域,国内外的科研团队不断取得令人瞩目的新成果,为超级电容器性能的提升开辟了新的道路。中科院宁波材料所的研究人员在《Materials Science and Engineering: B》期刊发表的论文中,展示了一种基于石墨烯的复合薄膜制备方法。他们通过巧妙地将氧化石墨烯与高导电性石墨烯薄片相结合,成功制备出一种新型复合薄膜电极材料 。这种复合薄膜就像是一个 “超级能量站”,片状石墨烯赋予了它高导电性,让电子能够快速穿梭其中,而氧化石墨烯则提供了额外的赝电容,大大增加了电荷的存储能力。实验数据显示,这种复合薄膜的比电容高达 191.1F/g,远远超过纯石墨烯薄膜的比电容(6.7F/g) ,展现出了卓越的电化学性能。
常州大学的科研人员则另辟蹊径,通过简单的一步水热法制备了用还原氧化石墨烯(rGO)改性的 Co 掺杂非晶 NiMoS4,并获得了 Co 掺杂的 NiMoS4/rGO 纳米复合材料。这种材料就像一个精心设计的 “能量储存宝库”,具有高比表面积,实现了从本体到表面的氧化还原反应。由于 Co 的掺杂提供了丰富的氧化还原活性位点,再加上具有高导电性和稳定结构的 rGO 片的支持,与氧化针状焦(NCO)阴极组装的 Ni1-xCoxMoS4/rGO 阳极在 968.3W/kg 的功率密度下显示出 28.9Wh/kg 的优异能量密度 ,并且该混合超级电容器还显示出卓越的循环性能,在 10000 次循环后容量保持率达到 92.4%,为高性能混合超级电容器的发展提供了新的策略。
中山大学材料科学与工程学院衣芳教授课题组围绕解决 Ti3C2Tx MXene 二维片层团聚、表面活性官能团有限和容易被氧化等问题,开展了一系列研究。他们首次利用氧化还原电位在 Ti3C2Tx 的稳定电势窗口内引入氧化还原添加剂,来提高 Ti3C2Tx 基超级电容器电极及器件的电化学性能。优化后的 MXene/CPAQ 电极在所设计的氧化还原电解质中,在 2mV/s 的扫描速率下测得 788.4F/g 的比电容,该电容值高于目前文献报道纯 MXene 和 MXene / 碳的超级电容器电极的电容,同时电极还具有良好的倍率性能和远高于纯 MXene 电极的循环稳定性 。通过应用该策略,所制备的超级电容器在 376.0W/kg 的功率密度下获得了高达 80.9Wh/kg 的能量密度,并且显著改善了器件的自放电行为,为高性能 Ti3C2Tx MXene 基超级电容器的发展提供了新的思路。
性能提升显著
这些新型电极材料和技术在提升超级电容器性能方面发挥了巨大作用,为超级电容器在更多领域的广泛应用奠定了坚实基础。从能量密度来看,云南大学柳清菊教授团队设计合成的由贵金属颗粒、MOFs 以及双金属氧化物复合而成的、具有稳定 3D 纳米结构的超级电容器电极材料,展现出了惊人的能量存储能力。他们组装的简易超级电容器设备在 3.15kW/kg 的功率密度下,实现了 204.31Wh/kg 的能量密度,高于国际上最新的同类报道 。这种高能量密度意味着超级电容器能够储存更多的能量,使其在电动汽车、航空航天等对能量需求较大的领域具有更大的应用潜力,例如可以延长电动汽车的续航里程,减少充电次数,提高电动汽车的实用性和市场竞争力。
在功率密度方面,中山大学制备的优化后的 MXene/CPAQ 电极在特定氧化还原电解质中展现出了优异的性能,在 2mV/s 的扫描速率下测得 788.4F/g 的比电容 ,这使得超级电容器能够在短时间内快速释放和存储大量能量。在电动工具、轨道交通等需要瞬间高功率输出的场景中,高功率密度的超级电容器可以满足设备对快速充放电的需求,提高设备的工作效率和性能。比如在电动工具中,超级电容器能够在瞬间提供强大的电能,使工具在工作时更加有力、高效,同时还能减少电池的负担,延长电池寿命。
循环寿命也是衡量超级电容器性能的重要指标之一。常州大学制备的 Co 掺杂的 NiMoS4/rGO 纳米复合材料与氧化针状焦(NCO)阴极组装的混合超级电容器,在 10000 次循环后容量保持率达到 92.4% ;云南大学组装的超级电容器设备也表现出了优异的循环稳定性,5000 次充放电后,其电容保留率为 90.3% 。长循环寿命意味着超级电容器在长期使用过程中性能更加稳定,能够减少更换设备的频率,降低使用成本。在工业领域的不间断电源系统中,长循环寿命的超级电容器可以确保系统长期稳定运行,减少维护和更换设备的时间和成本,提高生产效率。
面临挑战与应对策略
技术瓶颈剖析
尽管超级电容器电极材料的研究取得了显著进展,但在实际应用中仍面临诸多挑战。从制备工艺来看,一些高性能电极材料,如碳纳米管、金属氧化物纳米结构等,其制备过程往往涉及复杂的化学合成方法和高精度的实验条件控制。以碳纳米管的制备为例,化学气相沉积法虽然能够制备出高质量的碳纳米管,但该过程需要精确控制反应温度、气体流量和催化剂等参数,稍有偏差就可能导致碳纳米管的质量和性能不稳定。而且,这种制备方法的设备昂贵,生产效率较低,难以满足大规模工业化生产的需求 。
成本控制也是一个关键问题。部分电极材料,如石墨烯、贵金属氧化物等,由于原材料稀缺或制备工艺复杂,导致成本居高不下。石墨烯作为一种具有优异性能的新型材料,其制备成本却限制了它在超级电容器中的广泛应用。目前,石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法等。机械剥离法虽然能够制备出高质量的石墨烯,但产量极低,无法满足工业化生产的需求;化学气相沉积法可以在大面积基底上生长石墨烯,但设备昂贵,工艺复杂,生产成本高;氧化还原法虽然成本相对较低,但制备出的石墨烯存在较多缺陷,影响其性能。这些因素都使得石墨烯电极材料的成本难以降低,限制了超级电容器在一些对成本敏感领域的应用。
稳定性方面,电极材料在充放电过程中容易发生结构变化和化学降解,影响超级电容器的循环寿命和性能稳定性。例如,金属氧化物电极材料在充放电过程中,由于离子的嵌入和脱出,会导致材料的体积发生膨胀和收缩,长期循环后,材料的结构会逐渐破坏,从而降低电容性能和循环稳定性。导电聚合物电极材料则容易受到环境因素的影响,如湿度、温度等,发生降解反应,导致性能下降 。
解决方案探讨
针对上述挑战,科研人员和产业界积极探索各种解决方案。在制备工艺改进方面,不断开发新的制备技术和优化现有工艺,以提高生产效率和降低成本。例如,采用自组装技术可以在温和条件下制备出具有特定结构和性能的电极材料。这种技术利用分子间的相互作用,使材料在溶液中自发地组装成有序的结构,无需复杂的设备和高温高压等条件。通过自组装技术制备的石墨烯基复合材料,具有良好的导电性和高比表面积,能够有效提高超级电容器的性能,同时简化了制备过程,降低了成本。
寻找替代材料也是降低成本的重要途径。研究人员致力于开发储量丰富、价格低廉的新型电极材料,以替代昂贵的石墨烯、贵金属氧化物等。比如,以废弃生物质为原料制备碳材料,不仅实现了废弃物的资源化利用,降低了环境污染,还能大幅降低碳材料的制备成本。将废弃的木材、秸秆等生物质经过碳化、活化等处理后,可得到具有高比表面积和良好导电性的碳材料,这种碳材料在超级电容器电极材料领域展现出了良好的应用潜力。
在优化结构设计方面,通过合理设计电极材料的微观结构,提高材料的稳定性和电化学性能。例如,构建三维多孔结构的电极材料,就像搭建了一个四通八达的 “高速公路网络”,这种结构能够增加电解液与电极材料的接触面积,缩短离子传输路径,提高电荷存储和转移效率,同时还能缓冲充放电过程中的体积变化,增强材料的稳定性。通过模板法制备的三维多孔金属氧化物电极材料,在保持高比电容的同时,循环稳定性得到了显著提高 。
应用领域与前景展望
广泛应用领域
超级电容器凭借其独特的性能优势,在众多领域得到了广泛应用,为这些领域的发展带来了新的活力和变革。
在交通运输领域,超级电容器的身影随处可见。在电动汽车中,它与电池组成的混合动力系统成为了提升车辆性能的关键。超级电容器能够在车辆启动、加速和爬坡等需要高功率的瞬间,迅速释放大量电能,为车辆提供强大的动力支持,让驾驶过程更加顺畅和高效。同时,在车辆制动时,它又能高效地回收制动能量,将其转化为电能储存起来,实现能量的循环利用,大大提高了能源利用效率,延长了电动汽车的续航里程。在公交领域,以超级电容器为动力源的纯电动公交车展现出了卓越的性能。这种公交车充电速度极快,通常只需在站点停靠的短暂时间内就能完成充电,然后继续投入运营,有效解决了传统电动公交车充电时间长、运营效率低的问题。而且,由于超级电容器的循环寿命长,减少了电池更换的频率,降低了运营成本,同时也更加环保。
在电子设备领域,超级电容器为可穿戴设备、智能手机等带来了全新的体验。在可穿戴设备中,超级电容器能够快速充电,满足设备对即时能量的需求,让用户无需长时间等待充电。同时,它的长循环寿命也确保了设备在长期使用过程中的稳定性和可靠性。对于智能手机来说,超级电容器可以作为辅助电源,在手机电量不足时,提供额外的电能,保证手机的基本功能正常运行,避免因电量耗尽而带来的不便。此外,在一些对电池续航和充电速度要求较高的高端电子设备中,超级电容器也发挥着重要作用,为设备的高性能运行提供了有力保障。
在可再生能源领域,超级电容器是实现能源稳定供应的重要保障。在风力发电和太阳能发电中,由于风能和太阳能的不稳定性,发电功率会出现较大波动。超级电容器能够快速响应功率变化,在发电功率过剩时,迅速储存多余的电能;在发电功率不足时,及时释放储存的电能,有效平抑功率波动,确保电力输出的稳定。这不仅提高了可再生能源的利用效率,还增强了其在能源市场中的竞争力,为可再生能源的大规模并网和广泛应用奠定了坚实基础。
在军事领域,超级电容器也展现出了巨大的应用潜力。在导弹武器系统中,超级电容器作为电源的重要组成部分,能够在瞬间提供高能量密度的电能,满足导弹发射时对大功率的需求,确保导弹的快速发射和精确打击。在舰艇的电磁弹射系统中,超级电容器的快速充放电特性使其成为理想的储能装置。它可以在短时间内储存大量能量,然后在弹射舰载机时迅速释放,为舰载机提供强大的弹射动力,提高舰载机的起飞效率和作战能力。此外,超级电容器还具有体积小、重量轻的特点,能够有效减轻武器装备的重量和体积,提高其机动性和灵活性 。
未来发展趋势
随着新能源汽车的普及和 5G 技术的快速发展,超级电容器电极材料迎来了前所未有的发展机遇,其市场前景十分广阔,未来发展趋势也备受关注。
在新能源汽车领域,随着全球对环境保护和可持续发展的关注度不断提高,新能源汽车的市场需求持续增长。超级电容器作为新能源汽车储能系统的重要组成部分,将发挥更加重要的作用。为了满足新能源汽车对续航里程、充电速度和安全性等方面的更高要求,未来超级电容器电极材料将朝着高能量密度、高功率密度和长循环寿命的方向发展。科研人员将不断探索新的材料体系和制备工艺,开发出性能更加优异的电极材料。例如,进一步优化复合材料的设计和制备,实现不同材料之间的协同效应,提高超级电容器的综合性能。同时,随着技术的不断进步,超级电容器的成本将逐渐降低,使其在新能源汽车中的应用更加广泛和经济可行。
在 5G 技术领域,5G 网络的快速部署和应用对电子设备的性能提出了更高的要求。超级电容器作为一种高性能的储能器件,能够为 5G 基站、智能手机等设备提供快速、稳定的电源支持。随着 5G 技术的不断发展,设备对超级电容器的功率密度和响应速度要求将越来越高。未来,超级电容器电极材料将不断创新,以满足 5G 技术发展的需求。例如,开发具有更高导电性和更快离子传输速率的电极材料,提高超级电容器的充放电速度和功率密度,确保 5G 设备在高速数据传输和复杂工作环境下的稳定运行。
除了新能源汽车和 5G 技术领域,超级电容器电极材料在其他新兴领域也具有广阔的应用前景。在智能电网中,超级电容器可以用于电力调峰、负荷调节和分布式能源管理等,提高电网的稳定性和可靠性。在物联网领域,随着大量智能设备的接入,对小型化、高性能的储能器件需求大增,超级电容器有望成为物联网设备的理想电源。在航空航天领域,超级电容器的高比能、快速充放电和长寿命等特点,使其在卫星电源系统、飞行器动力系统等方面具有巨大的应用潜力。
超级电容器电极材料的开发对于推动超级电容器的发展和应用具有至关重要的意义。尽管目前在技术和成本等方面仍面临一些挑战,但随着科研人员的不断努力和技术的持续创新,这些问题将逐步得到解决。相信在不久的将来,超级电容器电极材料将取得更大的突破,为能源存储和转换领域带来革命性的变化,为实现全球可持续发展目标做出重要贡献 。
结语:期待更多突破
超级电容器电极材料的研究与开发,在当下能源转型和技术革新的大浪潮中,承载着举足轻重的使命。从我们对各类电极材料的剖析不难看出,每一种材料都像是一把独特的 “钥匙”,在解锁超级电容器性能提升的道路上发挥着关键作用。碳材料凭借其历史悠久的应用和不断挖掘的潜力,依然是超级电容器电极材料领域的中流砥柱;金属氧化物以其高能量密度的突出优势,为超级电容器在高能量需求场景的应用带来了新的可能;导电聚合物则以其良好的可塑性和独特的导电性能,在特定领域展现出不可替代的价值;而复合材料更是通过巧妙的组合,实现了 “1+1>2” 的协同效应,成为超级电容器性能突破的新希望。
目前,科研人员在超级电容器电极材料的研究上已经取得了一系列令人瞩目的成果,这些成果不仅在实验室中闪耀着创新的光芒,更在逐步走向实际应用,为各个领域的发展注入新的活力。然而,我们也必须清醒地认识到,前方的道路依然充满挑战。制备工艺的复杂、成本的居高不下以及稳定性的有待提高,这些问题就像一道道 “关卡”,阻碍着超级电容器电极材料的大规模应用和进一步发展。
但我们有理由对未来充满信心。随着全球对可持续能源和高效储能技术的需求日益迫切,超级电容器电极材料作为关键技术领域,必将吸引更多的关注和投入。科研人员将继续在材料科学的 “海洋” 中探索配资网首页官网,不断寻找新的材料体系、优化制备工艺、创新结构设计,以克服当前面临的挑战。我们期待着在不久的将来,超级电容器电极材料能够实现更大的突破,让超级电容器在新能源汽车、可再生能源并网、电子设备等众多领域发挥更加重要的作用,为构建一个更加绿色、高效、可持续的能源未来贡献力量 。让我们共同关注超级电容器电极材料的发展,见证这一领域的更多精彩!
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