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2024-11-04 19:05

Senza Filo. Ma con Precauzione

BATTERIE AL LITIO

di: 
Carlotta Basili

Le batterie al litio sono ovunque, dai nostri smartphone fino ai veicoli elettrici. Con la loro diffusione, sono diventati sempre più frequenti nella cronaca incidenti che coinvolgono dispositivi che le utilizzano, alimentando timori sulla loro pericolosità. L’articolo analizza i potenziali rischi dell’uso delle batterie al litio nelle varie applicazioni.

In Copertina: Foto Unsplash 

 

Le batterie agli ioni di litio (Li-ion battery) sono una delle tecnologie di accumulo energetico più diffuse al mondo ed hanno rivoluzionato il modo in cui alimentiamo i dispositivi elettronici come smartphone, laptop, e veicoli elettrici.

Grazie alla loro elevata densità energetica, lunga durata e capacità di ricarica rapida, sono diventate la scelta principale per molte applicazioni moderne e la loro presenza è destinata a crescere. Insieme a questa tecnologia si sono diffusi anche i timori sui rischi legati al suo utilizzo, primo tra tutti il rischio incendio ed esplosione.

Sebbene siano casi piuttosto rari, considerando la quantità gigantesca di batterie che ogni giorno vengono prodotte e utilizzate all'interno dei nostri dispositivi elettronici, l’utilizzo delle batterie può comportare una serie di rischi, ma il pericolo è spesso gestibile seguendo le giuste prassi di costruzione, utilizzo (processi di carica e scarica) e conservazione.

 

Come funzionano le batterie al litio

Prima di approfondire i rischi, è importante capire come funzionano le batterie al litio. 

Fonte: Kartini, Evvy, and Carla Theresa Genardy. "The future of all solid state battery." IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 924. No. 1. IOP Publishing, 2020.

Le batterie ricaricabili al litio sono costituite da due piastre chiamate anodo (solitamente in grafite o altri materiali a base di carbonio) e catodo (formato da ossidi metallici di litio, le composizioni più comuni includono manganese, cobalto e nichel), tra cui si trova una soluzione liquida (in alcune batterie possono essere solidi o in gel) composta da un sale di litio, detta elettrolita, che permette il flusso di ioni di litio tra anodo e catodo.

Ad anodo e catodo sono collegati i collettori di corrente, strati metallici che conducono gli elettroni tra l'anodo e il catodo e i terminali esterni della batteria. I collettori per l’anodo sono solitamente in rame, mentre quelli per il catodo sono spesso in alluminio.

Tra anodo e catodo esiste una superficie che eviti il contatto tra queste due parti, detto appunto separatore. Il separatore è fatto di un materiale poroso e isolante che permette il passaggio degli ioni di litio ma impedisce il contatto fisico tra anodo e catodo. La sua funzione principale è evitare cortocircuiti interni, garantendo al tempo stesso il flusso di ioni attraverso i suoi pori.

In partenza gli ioni di litio si trovano sull'anodo, cioè una delle due piastre. Quando la batteria entra in funzione gli ioni Li+ si muovono attraverso l'elettrolita e raggiungono il catodo, mentre gli elettroni fluiscono attraverso il circuito esterno, fornendo energia al dispositivo alimentato.

Nella fase di ricarica, una fonte di energia elettrica esterna forza gli ioni di litio a muoversi nel senso opposto, cioè dal catodo verso l'anodo, riportando il tutto alla situazione di partenza.

Durante i primi cicli di carica e scarica si forma sulla superficie dell’anodo una sottile pellicola solida, detta “Solid Electrolyte Interphase” (SEI) che impedisce ulteriori decomposizioni dell'elettrolita, stabilizzando il sistema chimico e riducendo le reazioni collaterali tra l'elettrolita e l'anodo.

 

Rischio di incendio ed esplosione

Uno dei rischi più noti legati alle batterie al litio è la possibilità di incendio o esplosione. Questa possibilità è legata principalmente al loro surriscaldamento, ossia il raggiungimento di temperature più alte di quelle di esercizio.

Temperature di surriscaldamento possono essere raggiunte in determinate condizioni:

  • se una batteria viene caricata oltre la sua capacità massima (overcharging) e, anche se meno comune, anche quando viene scaricata al di sotto di un certo livello di tensione causandone l’instabilità chimica;
  • se si effettuano ricariche rapide, soprattutto se con caricabatterie difettosi, non compatibili o non certificati;
  • se una batteria è esposta a temperature molto alte (anche temperature molto basse possono causare il malfunzionamento della batteria, compromettendone le prestazioni e aumentando il rischio di danni durante la ricarica);
  • se si verificano cortocircuiti interni nella batteria, che avvengono quando i separatori che dividono l’anodo e il catodo si danneggiano (per difetti di fabbricazione, danni fisici come forature o impatti oppure degrado dovuto all’usura della batteria), permettendo il contatto diretto tra i due e causando una scarica rapida di energia sotto forma di calore.

Il surriscaldamento può innescare reazioni chimiche incontrollate che, tramite un effetto a catena, portano al cosiddetto “thermal runaway”, ossia un aumento incontrollato della temperatura guidato da processi che producono calore (reazioni esotermiche).

Il processo avviene in tre fasi. Nella prima fase le alte temperature di surriscaldamento della batteria (intorno agli 85°C) portano alla dissoluzione del SEI sull’anodo portando quindi alla corrosione dell’anodo da parte dell’elettrolita; se la batteria non viene raffreddata si raggiunge un punto in cui il processo e le reazioni chimiche che lo governano diventano autosufficienti, il separatore si fonde e la batteria inizia a riscaldarsi autonomamente a una velocità superiore a 0,2 °C/min. La seconda fase si avvia quando la temperatura della batteria diventa superiore a 140 °C, segnando l'inizio della corrosione del catodo, con rilascio di ossigeno e un tasso di surriscaldamento che arriva a circa 5 °C/min. Il processo termina quando l’elettrolita reagisce con l’ossigeno liberato ossidandosi e portando la velocità di autoriscaldamento  fino a 100 °C/min.

Fonte: Arora, Shashank. "Selection of thermal management system for modular battery packs of electric vehicles: A review of existing and emerging technologies." Journal of Power Sources 400 (2018): 621-640.

Il processo può comportare la formazione di gas, di fiamme e la fusione di alcune componenti della batteria. Nei peggiori casi, i gas che si vengono a formare possono causare l'esplosione delle batterie.

 

Rischi per i piccoli dispositivi

I rischi correlati all’utilizzo delle batterie possono essere riscontrati in ogni tipo di dispositivo che le utilizza, dagli smartphone fino alle auto elettriche. Il livello di rischio può variare a seconda del tipo di batteria al litio, dell'applicazione specifica e del tipo di dispositivo che la utilizza.

Per quanto riguarda i dispositivi come smartphone e laptop (ma anche dispositivi indossabili come smartwatch e cuffie bluetooth oppure powerbank e batterie portatili), quotidianamente nelle nostre tasche e nelle nostre case, i rischi sono spesso correlati ad un utilizzo intenso e ventilazione insufficiente, a processi di carica/scarica eccessivi, all’utilizzo di caricabatterie inadeguati e non certificati, a difetti di fabbricazione o a urti e danni fisici.

Sono famosi i casi di alcuni modelli di cellulari e computer portatili che hanno subito richiamo per problemi di surriscaldamento e incendio: Sony nel 2006 fu costretta a richiamare circa 9,6 milioni di batterie utilizzate in computer portatili in seguito a segnalazioni di malfunzionamenti e Samsung nel 2016 ha ritirato i suoi dispositivi Galaxy Note 7 perché erano stati riscontrati dei difetti di fabbricazione nelle batterie che potevano comportare il rischio di esplosione nella fase di ricarica.

Per le batterie al litio dei piccoli dispositivi possono essere applicate alcune azioni di mitigazione per ridurre il rischio di incendi ed esplosioni, come l’utilizzo di caricabatterie originali o certificati, evitare l’esposizione a temperature elevate, evitare di bloccare le ventole di raffreddamento nei laptop ed evitare di lasciare i dispositivi in ricarica durante la notte.

Per diffondere una maggiore consapevolezza su questi temi, la Confederation of Fire Protection Associations Europe (CFPA-Europe, un'associazione di organizzazioni nazionali in Europa che si occupano principalmente di prevenzione e protezione antincendio) ha pubblicato nel giugno 2023 le linee guida di sicurezza per l'uso e la ricarica di dispositivi di piccole e medie dimensioni alimentati con batterie agli ioni di litio (Guideline no. 41:2023 F “Safety instructions for the use and charging of small and medium size lithium ion powered devices”).

 

Rischi per i veicoli elettrici (Electric Vehicles, EV)

Dispositivi come gli e-scooter e le e-bike hanno subito un'attenzione particolare dopo vari incidenti legati a batterie che esplodevano durante la ricarica. Spesso questi incidenti erano correlati a ricariche non adeguate e non supervisionate, effettuate in luoghi non abbastanza ventilati, oppure all’utilizzo di batterie o caricabatterie, magari acquistati perché più economici ma non conformi a standard di sicurezza.

Anche le auto elettriche, le cui batterie hanno un'alta capacità e densità energetica, sono soggette a rischi, soprattutto in seguito ad incidenti. In caso di incidente, le batterie dei veicoli elettrici possono subire danni fisici, aumentando il rischio di cortocircuiti interni e thermal runaway.

Sono stati anche documentati incendi in auto elettriche parcheggiate, in cui veicoli sono andati a fuoco senza un apparente fattore scatenante esterno, probabilmente a causa di malfunzionamenti o di difetti di fabbricazione.

In Italia, un particolare allarme riguardo alla sicurezza delle auto elettriche derivò dall’ordinanza che il Sindaco di Ravenna emanò in occasione dell’alluvione in Emilia Romagna del 2023. L’ordinanza raccomandava a concessionari e soggetti privati possessori di veicoli elettrici e ibridi immersi di “adottare alcune misure preventive a tutela della pubblica incolumità”, ossia porre i veicoli per 15 giorni in quarantena in spazi esterni, con una distanza tra un veicolo e l’altro, da edifici e da altri veicoli di almeno cinque metri. Le misure, definite “a scopo precauzionale”, erano state disposte su richiesta dei Vigili del fuoco sulla base delle loro linee guida che raccomandano una particolare attenzione nel caso di immersione di veicoli elettrici in acqua salata. Infatti, sebbene le auto elettriche siano progettate per essere sicure anche in caso di immersione in acqua dolce, l’acqua salata potrebbe comportare danneggiamenti ai componenti elettrici e provocare cortocircuiti e quindi incendi una volta che il veicolo è fuori dall'acqua.

Nonostante questi rischi legati alle batterie, le auto elettriche non sono necessariamente più soggette a incendi rispetto alle auto tradizionali a combustione interna, anzi, alcuni studi suggeriscono che le probabilità di incendio sono inferiori nei veicoli elettrici.

Uno studio del 2022, commissionato da AutoinsuranceEZ (una piattaforma online statunitense specializzata nel fornire informazioni e confronti sulle assicurazioni auto, che pubblica anche ricerche e statistiche legate alla sicurezza automobilistica) sulla base dei dati del National Transportation Safety Board americano, del Bureau of Transportation Statistics e di altre fonti ufficiali, riporta che per 100.000 auto elettriche vendute, ci sono stati 25 casi di incendio (lo 0,025%), contro 1.529 casi per le auto a benzina e 3.474 casi per i veicoli ibridi, 1,5% e 3,4% rispettivamente.

Tipologia di veicolo

Incendi ogni 100.000 veicoli

Incendi totali

Ibrido

3474,5

16.051

Combustione interna

1529,9

199.533

Elettrico

25,1

52

Fonte: elaborazione AutoinsuranceEZ basata su un campione di dati 2022 sugli incendi di auto dell'NTSB e sulle vendite di veicoli dal BTS.

Anche uno studio realizzato in Svezia dalla Swedish Civil Contingencies Agency, conferma questi dati. Lo studio, che ha raccolto i dati su tutti i veicoli incendiati nel 2022, conclude che le vetture elettriche hanno un tasso di incendio inferiore di 20 volte rispetto a quelle termiche. Nello specifico, rapportando il numero degli incendi che coinvolgono veicoli elettrici (106, di cui 38 erano monopattini elettrici, 20 e-bike e 23 auto elettriche) e veicoli termici (circa 3.400) rispettivamente con il totale del parco auto elettrico e quello termico, ne risulta che la percentuale delle auto elettriche incendiate è pari allo 0,004%, mentre per quelle termiche è lo 0,08%.

Risultati analoghi sono stati ottenuti da altri studi in Norvegia, Australia (qui uno studio finanziato dal Dipartimento della Difesa australiano) ed altri paesi occidentali (spesso commissionati dalle agenzie di assicurazione). Nonostante questi dati rassicuranti, la tipologia e le dinamiche degli incendi delle auto elettriche sono diverse da quelle delle auto termiche e spesso si tratta di incendi più complessi da gestire.

Un aspetto particolarmente importante è che l’incendio di un’auto elettrica può essere più difficile da estinguere rispetto a quelli delle auto a combustione interna e può presentare una serie di rischi per il pubblico e i primi soccorritori.

Le batterie al litio possono continuare a bruciare per ore e i vigili del fuoco devono utilizzare metodi specifici e sistemi sicuri che consentano di rispondere efficacemente e garantire che non si verifichi alcuna riaccensione dopo che l'incendio è stato spento. Lo scopo principale di un intervento nel caso di incendio di una batteria al litio è abbassare la temperatura, quindi gli estinguenti classici, il cui scopo è estinguere la fiamma, risultano inefficaci perché il calore delle batterie continuerà ad innescare il fuoco. Un metodo efficace risulta essere l’immergere l'auto in acqua o applicare grandi quantità di acqua per il raffreddamento del pacco batteria, ma sono in sperimentazione estinguenti di vario tipo.

Per prevenire incendi, inoltre, si sta intervenendo anche a monte del problema, ossia dalla produzione. Sono stati implementati sistemi di protezione meccanica attorno alle batterie per minimizzare i danni fisici in caso di incidente, sistemi di raffreddamento avanzati per mantenere la temperatura della batteria entro limiti sicuri, e sistemi per monitorare costantemente la temperatura della batteria.  I sistemi di gestione della batteria (Battery Management System, BMS) sono uno dei componenti chiave per prevenire incendi ed esplosioni nelle batterie al litio. Questo sistema monitora la temperatura, il livello di carica e altri parametri critici, disattivando la batteria in caso di anomalie. Inoltre, sono in via di sviluppo batterie con design più sicuri, ad esempio con separatori più resistenti ed elettroliti solidi o meno infiammabili.

 

La sostenibilità delle batterie al litio

Oltre ai rischi legati ad incendi ed esplosioni, le batterie al litio possono presentare problematiche anche di carattere ambientale. Infatti, la produzione e lo smaltimento delle batterie al litio possono avere un impatto ambientale significativo.

L’estrazione delle materie prime per la produzione delle batterie, tra cui litio, cobalto, nichel e manganese, può provocare danni ambientali notevoli, come il degrado del suolo, l'inquinamento dell'acqua e l'emissione di sostanze tossiche. Ad esempio, l'estrazione del litio, che avviene prevalentemente in America Latina (Argentina, Cile e Bolivia), richiede ingenti quantità di acqua, minacciando gli ecosistemi locali (se ne parla approfonditamente in questo articolo). La produzione delle batterie al litio solleva anche preoccupazioni legate ai diritti umani e alle condizioni lavorative. L'estrazione del cobalto, in particolare, è associata a condizioni di lavoro precarie e sfruttamento nelle miniere della Repubblica Democratica del Congo (di cui si parla qui), che fornisce circa il 70% del cobalto mondiale. Sono noti casi di lavoro minorile e mancanza di adeguati standard di sicurezza, fattori che pongono un serio dilemma etico nella catena di approvvigionamento globale.

La lavorazione delle materie prime richiede inoltre un grande apporto energetico che, soprattutto nei paesi in cui si concentra la produzione, come la Cina, deriva da fonti energetiche impattati come il carbone (ulteriori informazioni qui).

Infine, le batterie al litio hanno una vita utile limitata, e il loro smaltimento improprio può comportare il rilascio di sostanze tossiche nell'ambiente. Attualmente, solo una piccola frazione delle batterie al litio viene riciclata, e il processo di riciclaggio stesso è ancora complesso, costoso ed ha un basso recupero delle materie economicamente significative.

 

Standard di sicurezza e regolamentazione

Per ridurre i rischi associati alle batterie sono stati introdotti a livello internazionale dei rigidi test di sicurezza che le batterie devono superare prima di essere messe in commercio, compresi test di resistenza agli urti, alle vibrazioni e alle variazioni di temperatura.

In Europa gli standard di sicurezza e gli obiettivi inerenti le batterie agli ioni di litio sono definiti da diverse norme tecniche e da Regolamenti (in particolare il Regolamento UE 2023/1542) che mirano a garantire la sicurezza durante il ciclo di vita delle batterie: produzione, utilizzo, stoccaggio e smaltimento.

Gli standard tecnici per le batterie agli ioni di litio sono sviluppati da organizzazioni come CENELEC (Comitato europeo di normazione elettrotecnica), IEC (International Electrotechnical Commission) e ISO (Organizzazione Internazionale per la Normazione). Alcuni degli standard più rilevanti sono:

  • IEC 62133-2:2017: uno degli standard più importanti per la sicurezza delle batterie al litio nei dispositivi portatili, copre i requisiti di sicurezza delle celle e delle batterie ricaricabili, incluse le condizioni di test come cortocircuiti e sovraccarichi;
  • IEC 62619:2022 e IEC 63056:2020: relativi rispettivamente alle batterie Li-ion per applicazioni industriali (con requisiti per evitare condizioni di guasto, come surriscaldamenti o guasti termici) e per batterie utilizzate in sistemi di accumulo di energia stazionari, SBESS (definisce le specifiche di sicurezza);
  • EN 50604-1:2016: specifica i requisiti di sicurezza per le batterie al litio utilizzate nei veicoli leggeri elettrici, come biciclette elettriche e scooter;
  • ISO 12405-4:2018 e ISO 62660-3:2022: specifici per le batterie Li-ion per veicoli elettrici, con requisiti su sicurezza, affidabilità e prestazioni di questi sistemi, i test comprendono simulazioni di condizioni reali come collisioni, urti e incendi e condizioni ambientali avverse.

Anche per quanto riguarda il trasporto e lo stoccaggio le batterie al litio sono soggette a rigide normative, soprattutto perché rappresentano un rischio di incendio durante la movimentazione. Un esempio è il regolamento UN 38.3 delle Nazioni Unite che si applica a tutte le batterie agli ioni di litio prima che possano essere spedite. Si tratta di una serie di test (simulazione di altitudine, test termici, vibrazioni e urti, cortocircuiti esterni, test d'urto meccanico) volti a garantire che le batterie possano essere trasportate in sicurezza via terra, aria o mare. Le normative europee sul trasporto di batterie al litio si allineano a regolamenti internazionali, come l'ADR (Accordo europeo sul trasporto internazionale di merci pericolose su strada) e le linee guida dell'ICAO/IATA per il trasporto aereo.

Il Regolamento UE 2023/1542 punta a migliorare la sostenibilità e la sicurezza lungo l'intero ciclo di vita delle batterie prevedendo obiettivi di raccolta e riciclo delle batterie (per le batterie portatili il tasso di raccolta deve raggiungere il il 63% entro la fine del 2027 e il 73% entro la fine del 2030, mentre l’obiettivo specifico per la raccolta dei rifiuti di batterie per mezzi di trasporto leggeri è del 51% entro la fine del 2028 e del 61% entro la fine del 2031), obiettivi di recupero di specifici materiali (a partire dal 2027 dovranno essere recuperati Cobalto: 90%, Rame: 90%, Piombo: 90%, Litio: 50%, Nichel: 90%) e obiettivi di quantità minima di materiali riciclati (6% per il litio, il 16% per il cobalto, …). Inoltre, a partire dal 2024, il Regolamento introduce nuovi requisiti di etichettatura che prevedono l’inserimento in etichetta di informazioni generali sulla batteria, informazioni sulle sostanze pericolose e materie prime critiche oltre che il simbolo della raccolta differenziata delle batterie e la marcatura CE. Dal 2027 tutte le batterie per mezzi di trasporto leggeri, le batterie industriali con capacità superiore a 2 kWh e le batterie per veicoli elettrici immesse sul mercato o messe in servizio dovranno essere registrate in formato elettronico, attraverso il cosiddetto “Passaporto digitale delle batterie”, accessibile tramite un codice QR.

Le batterie, sebbene non siano esenti da rischi, rappresentano uno strumento fondamentale per il futuro dell’energia, della tecnologia e della mobilità sostenibile. Nello specifico, i rischi di incendio ed esplosione delle batterie al litio dipendono in gran parte dall'applicazione e dal dispositivo in cui sono utilizzate, oltre che dalla qualità del design e dalla gestione della batteria stessa. Miglioramenti nei sistemi di gestione delle batterie, l'uso di materiali più sicuri e l'adozione di protocolli di sicurezza durante la produzione e l'uso possono ridurre significativamente questi rischi.

È cruciale affrontare questi aspetti per garantire che l’utilizzo sempre più diffuso delle batterie al litio avvenga in modo sicuro e sostenibile. La sicurezza di questi dispositivi richiede una combinazione di design innovativo, test rigorosi e un uso consapevole da parte dei consumatori. Anche la regolamentazione e lo sviluppo di tecnologie di riciclaggio più efficienti sono passi fondamentali per mitigare gli impatti e massimizzare i benefici di questa tecnologia.

La ricerca, quindi, prosegue su più fronti anche sulla batteria al litio stessa, allo scopo di realizzare dispositivi sempre più efficienti, sicuri e performanti. Alcuni dei principali fronti verso cui si sta concentrando la ricerca: miglioramento dei materiali per le celle, miglioramento delle tecnologie costruttive, dispositivi di scarico e interruzione della corrente, realizzazione di cassoni resistenti e antifiamma, miglioramento dei BMS e sistemi di controllo anche grazie all’utilizzo della digitalizzazione e dell’intelligenza artificiale.

Oltre ad ottimizzare la produzione delle batterie al litio, sarà anche necessario impegnarsi per trovare i processi di riciclo e di recupero materiali che siano implementabili su scala industriale permettendo il maggior recupero possibile di materie prime seconde che aiutino a ridurre l’import da Paesi extra-UE.

 

 

Bibliografia

  • Arora, Shashank. "Selection of thermal management system for modular battery packs of electric vehicles: A review of existing and emerging technologies." Journal of Power Sources 400 (2018): 621-640.
  • Kartini, Evvy, and Carla Theresa Genardy. "The future of all solid state battery." IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 924. No. 1. IOP Publishing, 2020.
  • Vanesa Ruiz and Andreas Pfrang, JRC exploratory research: Safer Li-ion batteries by preventing thermal propagation – Workshop report: summary & outcomes (JRC Petten, Netherlands, 8-9, March2018), EUR 29384 EN, Publications Office of the European Union, Luxembourg, 2018, ISBN 978-92-79-96399-5, doi:10.2760/096975, JRC113320
  • Confederation of Fire Protection Associations Europe (CFPA-Europe). “Safety instructions for the use and charging of small and medium size lithium ion powered devices”, CFPA-E Guideline No 41:2023 F, June 2023
  • https://www.autoinsuranceez.com/gas-vs-electric-car-fires/
  • https://www.msb.se/sv/publikationer/sammanstallning-av-brander-i-elfordo...
  • https://www.evfiresafe.com/
  • Giovanni Brussato. “Ma Quanto è Verde la Tua Auto Elettrica?” L’Astrolabio 04/03/2020
  • Giovanni Brussato. “Il Lato Oscuro del Pannello” L’Astrolabio 04/02/2020
  • Giovanni Brussato. “Che C’è Dietro il Blu Cobalto della Tua Auto Green” L’Astrolabio 31/05/2022
  • Giovanni Brussato. “La “Mela” Cinese dell’Industria Mineraria” L’Astrolabio 19/12/2023
  • Fontana D., Forte F., Porta P., Puzone M., Pasquali M. “Le batterie al litio: catena del valore e chiusura del ciclo” Enea Magazine - Energia, ambiente e innovazione 3/2019 125-127 DOI 10.12910/EAI2019-053
  • La Monica, M., Scagliarino, C., Nania, F., Massacci, G., & Cutaia, L. “Materie prime principali e critiche nelle batterie agli ioni di litio degli autoveicoli elettrici: analisi delle catene del valore in un’ottica di economia circolare” Sum2020 / 5th Symposium on urban mining and circular economy / 18-20 November 2020
  • https://www.consilium.europa.eu/it/press/press-releases/2023/07/10/counc...

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