Wie wäre nur eine Welt ohne die Batterie? Ohne sie gäbe es kein Handy, keine Laptops, keine Taschenlampen und keine Autos wie wir sie heute kennen. Doch wie ist es möglich, elektrische Energie so kompakt und mobil zur Verfügung zu stellen? Und wie läuft der Prozess ab, Akkus wieder aufzuladen, sodass Dein Smartphone abermals einsatzbereit ist?
Aufbau einer Batterie Physik
Eine Batterie nutzt zur Stromerzeugung chemische Prozesse, statt direkte Ladungsunterschiede wie Kondensatoren. Daher kann eine Batterie auch viel mehr Energie im gleichen Volumen speichern.
Eine Batterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher. Bei der Entladung wird die gespeicherte chemische Energie durch Reaktionen in elektrische Energie gewandet.
Der grundlegende Aufbau einer Batterie ist immer gleich. Egal, ob Haushaltsbatterien oder wiederaufladbare Akkus und auch unabhängig der verwendeten Stoffe in der Batterie, besteht eine Batterie aus vier grundlegenden Elementen.
Eine Batterie besteht aus vier Komponenten:
Zwei Elektroden: der Kathode am Pluspol und der Anode am Minuspol.
Zwischen den Elektroden befindet sich ein Elektrolyt und ein Separator.
Ein grundlegendes Schema des Aufbaus findest Du in Abbildung 1 weiter unten.
Die Kathode und die Anode bestehen bei der Batterie aus zwei verschieden leitfähigen Metallen. Je nach Wahl der Materialien ergibt sich eine andere Ausgangsspannung der Batterie.
Eine Zink-Kohle oder Alkali-Mangan Batterie, wie sie in handelsüblichen AA und AAA-Batterien zu finden sind, haben eine Ausgangsspannung von 1,5V.
Lithium-Ionen-Akkus haben eine nominelle Ausgangsspannung von 3,7V.
In 9V Blockbatterien werden keine anderen Materialien verwendet wie in AA oder AAA-Batterien. Um die 9V Nennspannung zu erreichen, werden also keine besonderen Stoffe verwendet, sondern es werden mehrere kleine Batterien hinter einander geschaltet. So ergeben 6 kleine Batterien mit 1,5V eine 9V Blockbatterie. Mehr dazu erfährst Du im Abschnitt zur Reihenschaltung.
Abb. 1 - Grundlegender Aufbau einer Batterie
Der Elektrolyt befindet sich zwischen der Kathode und Anode der Batterie und umschließt diese. Er sorgt dafür, dass sich elektrisch geladene Teilchen zwischen den Elektroden bewegen können und somit Stromfluss in der Batterie zustande kommen kann.Meist sind Elektrolyte Flüssigkeiten, es gibt aber auch feste Elektrolyte.
Weiterhin befindet sich zwischen den Elektroden ein Separator. Dieser ist für die geladenen Teilchen durchlässig, verhindert jedoch, dass die Elektroden in Kontakt zueinander kommen. Versagt der Separator und die Elektroden berühren sich, entsteht in der Batterie ein Kurzschluss.
Nicht wieder aufladbare Batterien, wie eine Zink-Kohle Batterie, nennst Du Primärbatterien. Die Batterie ist also nach dem Entladen unbrauchbar und Du kannst sie entsorgen. Wiederaufladbare Batterien heißen hingegen Sekundärbatterien.
Du kannst den Aufbau einer Batterie im Beispiel mit Abbildung 2 anhand einer Zink-Kohle Batterie konkreter nachvollziehen.
Als Anode der Zink-Kohle Batterie befindet sich außen ein Zinkgehäuse. Die Kathode besteht aus einem Kohlenstoffstab in der Mitte der Batterie und ist nach außen hin zum metallischen Pluspol verbunden.
Abb. 2 - Aufbau einer Zink-Kohle Batterie
Zwischen den Elektroden befindet sich eine in Säurelösung getränkte Pappe als Elektrolyt und Braunstein (Mangan(IV)Oxid) in einem Brei, in dem sich gelöste Zink-Ionen bewegen können. Zwischen dem Zinkgehäuse und dem Elektrolyten befindet sich ein Separator, um ein Vermischen zu verhindern.
Isolierplatten und Leerraum trennen Plus- und Minuspol, sodass eine Entladung der Batterie nur durch eine extern verbundene Schaltung erfolgt und keine Kurzschlüsse entstehen können.
Je nach spezifischem Aufbau einer Batterie gibt es mehr oder weniger Komponente. Grundsätzlich werden aber nur die vier Grundkomponenten Kathode, Anode, Elektrolyt und Separator benötigt. Ist es möglich, eine Batterie selbst zu bauen, nach dem nur vier Grundkomponenten nötig sind?
Batterie bauen Physik
Um eine Batterie selbst zu bauen, benötigst Du zunächst Anode und Kathode. Dafür kannst Du zwei verschiedene Metalle verwenden, unter anderem Eisen und Kupfer. Zusätzlich benötigst Du ein Elektrolyt. Hierfür kannst Du beliebiges säurehaltiges Obst oder Gemüse benutzen.
Dein Obst oder Gemüse ist dabei gleichzeitig der Separator: Du steckst die Metallstücke so hinein, dass sie sich nicht berühren können.
Du kannst in Abbildung 3 betrachten, wie ein möglicher Versuch mit einer Zitrone, einer Centmünze aus Kupfer und einem eisernen Nagel aussehen könnte.
Nachdem Du Nagel und Münze in die Zitrone gesteckt hast, kannst Du mit dem Multimeter eine Spannung zwischen den beiden Elektroden messen.Falls Du eine LED mit Zitronen zum Leuchten bringen möchtest, benötigst Du mehrere Zitronenbatterien hinter einander, um die nötige Spannung zu erreichen, mit der die LED leuchten kann.
Woher genau kommt eigentlich der Strom aus der Batterie? Du kannst die Funktionsweise der Batterie im nächsten Abschnitt betrachten.
Funktion einer Batterie Physik
Damit eine Spannungsdifferenz zwischen den Polen einer Batterie entstehen kann, muss ein Ladungsunterschied zwischen diesen entstehen. Ionen, die geladene Teilchen sind, werden an der Anode der Batterie gebildet. Sie befinden sich im Elektrolyt, wo sie sich frei zwischen den Elektroden bewegen können.
Durch geladene Ionen der Elektroden entsteht eine Ladungsdifferenz zwischen den beiden Polen einer Batterie.
Verbindest Du die beiden Pole einer Batterie elektrisch miteinander, können die Ionen durch den Elektrolyten fließen und die Ladungsdifferenz ausgleichen. Die Batterie entlädt sich. Elektronen fließen durch den Stromkreis vom Minus- zum Pluspol der Batterie.
Dabei finden zur Erzeugung der Ionen und Elektronen an der Anode und zur Aufnahme der Elektronen am positiven Pol chemische Reaktionen statt.
Eine Visualisierung des Flusses der Elektronen und Ionen findest Du in Abbildung 4.
Beachte, dass eine Batterie nur bei einer elektrischen Verbindung zwischen Anode und Kathode entladen werden kann, denn sonst fehlen die Elektronen an der Kathode für die chemische Reaktion und es entsteht ein Gleichgewicht in der Anode, sodass keine weiteren Ionen entstehen.
Abb. 4 - Bewegung von Elektronen und Ionen beim Entladevorgang
Wie sieht der Endladungsvorgang konkret für Zink-Kohle Batterie aus?
Zum Verständnis der Entladung einer Zink-Kohle-Batterie kannst Du Dir den Aufbau dieser weiter oben in Abbildung 2 anschauen.
Zunächst entstehen an der Zinkanode Ionen. Das Metall Zink löst sich im Elektrolyt auf und gibt dabei Zn++-Ionen ab. Durch die Abgabe der positiv geladenen Ionen lädt sich die Anode negativ, aufgrund des entstandenen Elektronenüberschuss, auf.
Solange die Pole der Batterie nicht miteinander elektrisch verbunden sind, verbleiben die freien Elektronen in der Anode. Durch die negative Überschussladung werden keine weiteren Ionen gebildet, es stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein.
Durch die in Elektrolyt gelösten positiv geladenen Ionen entsteht eine Ladungsdifferenz zwischen dem Kohlestab und dem damit verbundenem positivem Pol und der Zinkanode am negativen Pol. Die Spannungsdifferenz zwischen den Polen beträgt 1,5V.
Schließt Du nun den Stromkreis zwischen den beiden Polen, können die Elektronen von Anode zu Kathode fließen, um den Ladungsunterschied auszugleichen. Diesen Stromfluss kannst Du zur Versorgung der Verbraucher im Stromkreis nutzen.
Die Elektronen werden an der Kathode in einer chemischen Reaktion mit dem Mangan(IV)Oxid verwendet, um die freien Ionen zu binden.
Dadurch wird das Gleichgewicht zwischen Ionen und Elektronen an der Anode aufgehoben und neue Zink-Ionen werden durch die chemische Reaktion mit dem Elektrolyten freigesetzt.
Der Vorgang geht so lange weiter, bis Du den Stromkreis zwischen den Polen unterbrichst oder kein Mangan(IV)Oxid für die Reaktion mehr verfügbar ist. Die Batterie ist dann leer.
Wie sieht der Entladevorgang elektrisch aus und wann genau ist eine Batterie leer?
Batterie leer Physik
Wenn Du die Spannung an einer Batterie misst, die voll ist, siehst Du die maximale Spannung der Batterie. Bei der Zink-Kohle-Batterie ist diese Spannung beispielsweise 1,5V.
Ist die Batterie jedoch entladen, sinkt die Spannung der Batterie. Der Zusammenhang zwischen Entladezustand und Spannung ist jedoch nicht linear. Er variiert auch je nach verwendeten Materialien und der Entladerate.
Die Spannung einer Batterie fällt zunächst langsam während des Endladungsprozesses ab. Von der Maximalspannung der Batterie fällt die Spannung zur Entladeschlussspannung ab. Gegen Ende der Entladung beschleunigt sich die Rate des Spannungsabfalls. Je höher der Entladestrom, desto niedriger die Spannung und Gesamtkapazität der Batterie. Die durchschnittliche Spannung der Batterie heißt Nennspannung.
Du kannst den Verlauf der Batteriespannung in Abbildung 5 betrachten:
Abb. 5 - Entladekurve einer Batterie
Wann ist also eine Batterie leer?
Zunächst kannst Du eine Batterie nur bis zur Entladeschlussspannung entladen, da die Spannung nicht mehr für den elektrischen Verbraucher ausreicht oder die Batterie beschädigt werden könnte. Bei einer Zink-Kohle-Batterie liegt diese Spannung bei 0,8V.
Dass die Batterie leer wird, liegt daran, dass die Ausgangsstoffe in der Batterie verbraucht werden. Ab einem gewissen Punkt sind die chemischen Prozesse, die den Ladungsfluss in der Batterie ermöglichen, dann nicht mehr möglich. Die Spannung der Batterie sinkt dadurch schnell ab.
Doch manche Batteriearten lassen sich nach dem Entladen wieder aufladen. Wie genau funktioniert das?
Batterie aufladen Physik
Wie nervig wäre es, wenn Du jedes Mal, nachdem Dein Handy leer ist, eine neue Batterie einlegen müsstest! Gut, dass es wiederaufladbare Batterien gibt.
Wiederaufladbare Batterien, genannt Akkus oder Sekundärbatterien sind im Gegensatz zu Pimärbatterien wiederverwendbar.
Beim Aufladen wird der Batterie elektrische Energie zugeführt, welche diese als chemische Energie speichert.
Dabei läuft der Aufladevorgang genau entgegen dem Entladevorgang ab. In Abbildung 5 siehst Du den Vorgang visualisiert.
Abb. 6 - Bewegung von Elektronen und Ionen beim Entladevorgang
Durch den umgekehrten Ladungsfluss wechseln nun auch die Bezeichnungen der Anode und Kathode: Der positive Pol ist nun die Anode, der negative Pol die Kathode.
Erneut wandern nun die Ionen von der Anode zur Kathode, jedoch ist dies die umgekehrte Richtung im Vergleich zur Entladung. Die Elektronen, die am negativen Pol zur Bindung der Ionen benötigt werden, werden durch die Zufuhr elektrischer Energie von Anode zur Kathode bewegt. Denn sie müssen aus dem Gleichgewicht mit den Ionen an der Anode durch eine chemische Reaktion herausgelöst werden, die endotherm verläuft, also Energiezufuhr benötigt.
Sind alle Ionen zurück an dem negativen Pol der Batterie eingelagert, ist der Ladevorgang abgeschlossen, die Batterie ist vollständig geladen und bereit, wieder an einem Verbraucher angeschlossen zu werden.
Wie verhält sich eine Batterie in einem Stromkreis mit Verbrauchern?
Batterie im Schaltkreis
Damit eine Batterie überhaupt Energie liefern kann, ist ein Verbraucher, also ein angeschlossener Schaltkreis an der Batterie, nötig. Dieser Verbraucher erhält seine Energie aus den chemischen Prozessen der Batterie, wie Du im vorherigen Abschnitt sehen konntest. Doch wie erkennst Du überhaupt eine Batterie in einer Schaltskizze?
Schaltkreiszeichen einer Batterie Physik
Grundsätzlich verhält sich eine Batterie in einem Schaltkreis ähnlich wie eine Spannungsquelle.
Wenn Du mehr zum Prinzip von Schaltkreisen lernen möchtest, findest Du die Grundlagen in der Erklärung Elektrische Stromkreise.
Dabei verwendet die Batterie ein eigenes Schaltzeichen.
Das Schaltzeichen der Batterie sind zwei parallele Striche, wobei der negative Pol kürzer ist.
Abb. 7 - Schaltzeichen Batterie
In einem Stromkreis kann die Batterie, damit beliebig mit Verbrauchern verbunden werden. Jedoch sind ein paar Besonderheiten der Batterie im Unterschied zu einer idealen Spannungsquelle zu beachten. Welche sind das?
Spannung und Innenwiderstand Batterie Physik
Je nach Batteriematerialien und Ladezustand variiert die Spannung der Batterie entsprechend.
Batterien haben verschiedene Spannungsangaben:
Maximalspannung: Die maximale Spannung einer Batterie, wenn sie vollgeladen ist.
Nennspannung: Die durchschnittliche Spannung einer Batterie, während sie vollständig entladen wird.
Entladeschlussspannung: Die Spannung, bei der eine Batterie vollständig entladen ist und nicht weiter entladen werden darf.
Leerlaufspannung U0: Die Spannung einer bestimmten Batterie, wenn sie nicht am Stromkreis angeschlossen ist.
Klemmenspannung UKl: die Spannung der Batterie unter einer bestimmten Last.
Wird eine Batterie am Schaltkreis angeschlossen und ein Strom I von der Batterie fließt, so sinkt die Spannung der Batterie. Die Spannung sinkt währenddessen von der Leerlaufspannung zur Klemmenspannung ab.
Abb. 8 - Schaltzeichnung einer Batterie mit Innenwiderstand
Wie stark die Spannung unter Last abfällt, lässt sich durch den Innenwiderstand der Batterie berechnen. Du kannst Dir diesen wie einen zusätzlichen Widerstand innerhalb der Batterie vorstellen.
Der Innenwiderstand Ri einer Batterie hemmt die Stromabgabe der Batterie. Je höher der Entnahmestrom I, desto niedriger die Klemmenspannung UKl im Vergleich zur Leerlaufspannung U0 der Batterie:
\[U_{Kl}=U_0-R_i\cdot IR_i=\frac{U_0-U_{Kl}}{I}\]
Du kannst somit den maximalen Kurzschlussstrom einer Batterie berechnen, bei dem der Widerstand zwischen den Polen der Batterie null beträgt. Der Kurzschlussstrom ist der maximal mögliche Stromfluss der Batterie.
Den Kurzschlussstrom Ik einer Batterie berechnest Du mit Leerlaufspannung U0 und Innenwiderstand Ri :
\[I_k=\frac{U_0}{R_i}\]
Zusätzlich kannst Du den Verlauf der Werte der Batterie auch über den Entladevorgang beobachten, denn die Werte ändern sich je nach Ladezustand. Wie viel Energie kann eine Batterie speichern bzw. "wie viel geladen werden" und für wie lange Strom liefern?
Ladung Batterie Physik
Eine Batterie hat eine gewisse Ladung, also eine bestimmte Menge gespeicherter Energie. Mithilfe der Ladung einer Batterie kannst Du beispielsweise bestimmen, wie lange eine Batterie einen Verbraucher versorgen kann.
Die Ladung Q einer Batterie kann in Amperestunden oder Coulomb angegeben werden. Berechnen kannst Du sie mit dem Strom I, der durch die Batterie fließt, mal die Zeit t, über die der Stromfluss erfolgt:
\begin{align} Q&= I\cdot t \\ [Q]&=1 \,C\\3600\,C&=1\, Ah\end{align}
Die Energie E, die in einer Batterie gespeichert ist, kannst Du mit der Nennspannung U der Batterie berechnen:
\begin{align} E&= Q\cdot U \\ [E]&=1 \, J\\3600\,J&=1\, Wh\end{align}
Die SI-Einheiten für Kapazität ist Coulomb und für Energie Joule, jedoch ist die Angabe in Amperestunden oder Wattstunden in der Praxis üblicher.
Betrachte bei Gelegenheit die Angaben auf wiederaufladbaren Batterien: Oft findest Du Angaben in mAh oder Wh, die Dir verraten, wie viel Energie die Batterie maximal speichern kann.
Eine Kapazität von einer Amperestunde heißt, dass eine Batterie ein Ampere für genau eine Stunde abgeben kann. Kennst Du also den Verbrauch Deines Stromkreises, kannst Du berechnen, wie lange eine Batterie ihn am Laufen halten würde.
Wenn die Kapazität oder Spannung Deiner Batterie jedoch nicht ausreicht, besteht eine Möglichkeit mehrere Batterien zu verwenden?
Reihenschaltung und Parallelschaltung Batterie Physik
Du kannst mehrere Batterien in einer Schaltung kombinieren: Entweder schaltest Du mehrere Batterien parallel zusammen oder hintereinander in Reihe.
Bei der Reihenschaltung von Batterien addieren sich ihre Spannungen. Die gemeinsame Kapazität ist gleich der niedrigsten Kapazität der Einzelbatterien. Das Schaltzeichen siehst Du in Abbildung 8, dabei kannst Du beliebig viele Batterien in die Reihenschaltung einfügen:
Abb. 9 - Schaltzeichen für mehrere Batterien in Reihe
Bei der Parallelschaltung von Batterien addieren sich die Kapazitäten der einzelnen Batterien, die Spannung bleibt jedoch gleich. Die Batterien verhalten sich wie eine Batterie mit höherer Kapazität, Du benötigst also kein neues Schaltzeichen.
Beachte, dass Du verschiedene Batteriearten zwar in Reihe kombinieren kannst, dies jedoch mit Parallelschaltungen nicht möglich ist! Die Batterien würden sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Spannungen gegenseitig entladen.
Wie kannst Du denn eine Batterie in einer beispielhaften Schaltung berechnen?
Batterie berechnen Physik - Aufgaben mit Lösungen
Eine Autobatterie, wie sie in Benzinern und Dieselautos genutzt wird, basiert auf Bleiakkumulatoren. Um die Nennspannung von 12V zu erreichen, werden mehrere wiederaufladbare Bleibatterien kombiniert.
Aufgabe 1
Ein Bleiakku hat eine Nennspannung von \(U=12\, V\). Erkläre, wie viele Batterien mindestens wie kombiniert wurden, wenn eine einzelne Batterie eine Nennspannung von 2V hat?
Lösung 1
Es müssen 6 Batterien in Reihe geschaltet werden, um eine addierte Spannung von 12V zu erhalten.
Im Auto muss der Bleiakku die verschiedenen Verbraucher wie Licht und Bordelektrik versorgen.
Aufgabe 2
Eine Bleibatterie liefert eine Spannung von \(U=12\, V\) und enthält eine Ladung von \(Q= 36\, Ah\).
Berechne wie viel Energie E in Wh in der Batterie gespeichert ist und wie lange können die Scheinwerfer des Autos mit einem Verbrauch von \(P=72\, W\) mit Strom versorgt werden?
Lösung 2
Zunächst solltest Du den Energiegehalt der Batterie berechnen:
\begin{align} E&=Q\cdot U\\&=36\, Ah\cdot 12\, V\\ &= 432 \, Wh\end{align}
Der Energiegehalt der Batterie liegt also bei 432 Wh. Nun kannst Du diese Zahl durch den Verbrauch P teilen, um die Anzahl an Betriebsstunden zu berechnen.
\begin{align} t&=\frac{E}{P}\\ &= \frac{432\, Ah}{72\, W} \\ &= 6\, h\end{align}
Die Lichter können also 6h lang mit Energie versorgt werden.
Die Autobatterie wird durch die Lichtmaschine aufgeladen. Sie erzeugt aus der mechanischen Energie des Motors elektrische Energie.
Aufgabe 3
Berechne, welchen Ladestrom I die Lichtmaschine liefern muss, um die Batterie \(U = 12 \, V, \, Q= 36 \, Ah\) in \(t=12\, h\) zu laden, wenn sie vollständig entladen ist.
Lösung 3
Um den Ladestrom zu berechnen, kannst Du die Kapazität durch die Ladedauer teilen:
\begin{align} I &= \frac{Q}{t} \\ &=\frac{36\, Ah}{12\, h}\\&=3\, A\end{align}
Die Lichtmaschine muss also 3A an Strom liefern.
Dabei gehen wir von idealen Ladebedingungen aus. In der Realität treten auch Ladeverluste auf, sodass nicht sie gesamte zugeführte Energie in der Batterie gespeichert wird.
Batterie Physik - Das Wichtigste
- Eine Batterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher. Bei der Entladung wird die gespeicherte chemische Energie durch chemische Reaktionen in elektrische Energie gewandet.
- Eine Batterie besteht aus vier Komponenten:
Zwei Elektroden: der Kathode am Pluspol und der Anode am Minuspol.
Zwischen den Elektroden befindet sich ein Elektrolyt und ein Separator.
Durch geladene Ionen der Elektroden entsteht eine Ladungsdifferenz zwischen den beiden Polen einer Batterie.
Verbindest Du die beiden Pole einer Batterie elektrisch miteinander, können die Ionen durch den Elektrolyten fließen und die Ladungsdifferenz ausgleichen. Die Batterie entlädt sich. Elektronen fließen durch den Stromkreis vom Minus- zum Pluspol der Batterie.
Wiederaufladbare Batterien, genannt Akkus oder Sekundärbatterien sind im Gegensatz zu Pimärbatterien wiederverwendbar.
Beim Aufladen wird der Batterie elektrische Energie zugeführt, welche diese in chemischer Energie speichert.
Dabei finden zur Erzeugung der Ionen und Elektronen an der Anode und zur Aufnahme der Elektronen am positiven Pol chemische Reaktionen statt.
- Spannungen einer Batterie:
Maximalspannung: Die maximale Spannung einer Batterie, wenn sie vollgeladen ist.
Nennspannung: Die durchschnittliche Spannung einer Batterie, wenn sie vollständig entladen wird
Entladeschlussspannung: Die Spannung, bei der eine Batterie vollständig entladen ist und nicht weiter entladen
Leerlaufspannung U0: Die Spannung einer bestimmten Batterie, wenn sie nicht am Stromkreis angeschlossen ist.
Klemmenspannung UKl: die Spannung der Batterie unter einer bestimmten Last.
Innenwiderstand Ri einer Batterie hemmt die Stromabgabe der Batterie. Je höher der Entnahmestrom I, desto niedriger die Klemmenspannung UKl im Vergleich zur Leerlaufspannung U0 der Batterie:
\[ U_{Kl}=U_0-R_i\cdot IR_i=\frac{U_0-U_{Kl}}{I}\]
Die Ladung Q einer Batterie kann in Amperestunden oder Coulomb angegeben werden. Berechnen kannst Du sie mit dem Strom I der in oder aus der Batterie fließt mal die Zeit t:
\begin{align} Q&= I\cdot t \\ [Q]&=1 \,C\\3600\,C&=1\, Ah\end{align}
Die Energie E, die in einer Batterie gespeichert ist, kannst Du mit der Nennspannung U der Batterie berechnen:
\begin{align} E&= Q\cdot U \\ [E]&=1 \, J\\3600\,J&=1\, Wh\end{align}
Nachweise
- conrad.de Was ist eine Batterie? (10.7.2022)
- batterie.org: Batterie Aufbau (10.7.2022)
- energizer.eu: Aufbau einer Batterie (10.7.2022)
- energie-lexikon.info: Akkumulator (10.7.2022)
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