CLASIFICACIÓN POR ESTRUCTURA FÍSICA DE LAS PILAS

Pilas y Baterías Clasificación:

Por Formato Estructural:

Pilas Cilíndricas:

Las Pilas Cilíndricas son el formato de batería más común y estandarizado del mundo. Su diseño es crucial para su durabilidad y eficiencia, albergando una amplia gama de químicas, desde las simples salinas hasta la compleja tecnología de Ion-Litio.

El diseño cilíndrico (como las AA, AAA, C, D, y las famosas 18650/21700) se prefiere por dos razones principales: resistencia mecánica y gestión térmica.

Características Técnicas y Tecnológicas:

La clasificación técnica depende de la química interna, no del formato. Dentro del cilindro se encuentran dos grandes grupos:

Celdas Primarias Cilíndricas (Desechables):

Estas se basan en la tecnología de "Vaso Seco" (dry cell).

• Formatos: AA (LR6), AAA (LR03), C, D.
• Química: Principalmente Alcalinas (1.5 V) y, en menor medida, Zinc-Carbono (1.5 V) o Litio Primario (3.0 V).
• Tecnología: El ánodo (zinc pulverizado) y el cátodo (MnO2) están separados por un electrolito en pasta/gel. La carcasa cilíndrica de acero actúa como el colector de corriente negativa o positiva, y el sello superior asegura la estanqueidad.

Celdas Secundarias Cilíndricas (Recargables):

Estas se centran en la alta densidad de energía y la longevidad.

• Formatos: Principalmente 18650 (18 mm diámetro, 65 mm largo) y 21700 (21 mm diámetro, 70 mm largo), además de versiones recargables de AA/AAA (Ni-MH).
• Química: Predominantemente Ion-Litio (3.7 V) y Ni-MH (1.2 V).
• Tecnología: Utilizan la técnica del "Jelly Roll" (rollo de gelatina), donde las láminas de ánodo, cátodo y separador se enrollan firmemente antes de ser insertadas y selladas en el cilindro. Esta estructura maximiza el área de reacción química.

Detalles de Producción (Técnica de Enrollado):

La fabricación de celdas cilíndricas de alto rendimiento (Li-ion) es un proceso de ingeniería de precisión:

• Proceso Roll-to-Roll: Láminas metálicas (cobre/aluminio) se recubren con las pastas químicas.
• Enrollado de Precisión (Jelly Roll): Las láminas recubiertas (ánodo, separador, cátodo) se enrollan en espiral muy apretada. Esta compactación es lo que permite una alta densidad de energía.
• Inserción y Sellado: El rollo se inserta en la carcasa cilíndrica de metal. En las Li-ion, se inyecta el electrolito líquido y se realiza el sellado, a menudo con un Mecanismo de Ventilación de Seguridad (CID - Current Interrupt Device) para liberar presión en caso de sobrecalentamiento.

Aplicaciones:

Tipo de Celda Cilíndrica	Aplicaciones	Justificación
Primaria AA/AAA (Alcalina)	Controles remotos, juguetes de bajo consumo, linternas sencillas.	Bajo costo inicial, larga vida útil en almacenamiento.
Secundaria AA/AAA (Ni-MH)	Cámaras de fotos, teclados inalámbricos, mandos de videojuegos.	Uso frecuente y alto drenaje (carga en $\text{mAh}$).
Li-Ion 18650/21700	Laptops, Vehículos Eléctricos (VE), cigarrillos electrónicos, linternas tácticas.	Máxima densidad energética (potencia en el menor volumen y peso).

Ventajas y Desventajas

Las características de la forma cilíndrica ofrecen ventajas claras, pero también limitaciones.

Ventajas del Formato Cilíndrico:

1. Disipación Térmica Uniforme: El calor generado se distribuye radialmente (hacia afuera) de manera más eficiente que en una celda prismática, mejorando la seguridad, especialmente en el Ion-Litio de alto rendimiento.
2. Robustez Mecánica: La forma es intrínsecamente fuerte, minimizando la deformación y el estrés interno causado por la presión química.
3. Estandarización: Tamaños como AA, AAA y 18650 son universales, facilitando el diseño de dispositivos y la sustitución.
4. Manufactura Eficiente: La técnica de enrollado continuo es más fácil de automatizar y permite una producción de alto volumen y consistencia.

Desventajas del Formato Cilíndrico:

1. Ineficiencia de Espacio: Cuando se agrupan en un paquete (pack), quedan pequeños huecos redondos entre las celdas (espacio intersticial). Esto reduce la eficiencia volumétrica del paquete total en comparación con las celdas prismáticas o de bolsa.
2. Peso del Envasado: La carcasa metálica cilíndrica contribuye al peso total de la celda sin aportar energía, disminuyendo ligeramente la densidad energética gravimétrica.
3. Gestión de Cableado: Un paquete de baterías de coche puede requerir miles de celdas cilíndricas (p. ej., 18650), lo que complica enormemente el cableado y el monitoreo por el BMS.

Solución de espacio de las pilas cilíndricas en vehículos:

El problema principal de las celdas cilíndricas (como las 18650 o 21700) es que al agruparlas, inevitablemente quedan espacios intersticiales (huecos) entre los cilindros, lo que reduce el aprovechamiento volumétrico total del paquete de baterías.

La solución ha evolucionado hacia la integración estructural y la eliminación de niveles de empaquetado.

La Solución: Integración de Celda en el Paquete (CTP/CTC)

La clave para resolver la ineficiencia espacial es reducir el número de capas protectoras y estructurales entre la celda y el vehículo, permitiendo que la batería ocupe el mayor volumen posible.

Método Tradicional (Desperdicio de Espacio):

• Estructura: Celda – Módulo - Paquete (Pack) - Chasis del Vehículo
• Ineficiencia: Cada capa (la carcasa del módulo, el material de amortiguación y la carcasa del paquete) añade peso, ocupa volumen y no almacena energía, resultando en una eficiencia volumétrica típica de 50% a 65%.

El Enfoque Moderno (CTP):

El concepto Cell-to-Pack (CTP) elimina los módulos intermedios, integrando las celdas cilíndricas directamente dentro de la carcasa grande del paquete.

• Estructura: Celda - Paquete (Pack) - Chasis del Vehículo
• Ganancia: El ahorro de espacio y peso es significativo, aumentando la densidad de energía del paquete total.

La Solución Definitiva: Cell-to-Chassis (CTC):

Liderado por fabricantes como Tesla, el concepto Cell-to-Chassis (CTC) lleva la integración al máximo nivel: el paquete de baterías se convierte en un elemento estructural del vehículo.

• Estructura: $\text{Celda} \rightarrow \text{Chasis del Vehículo (Pack Estructural).
• Ganancia: El suelo del vehículo ya no necesita una estructura protectora separada y, a su vez, la batería ya no necesita una carcasa robusta y pesada, lo que maximiza el volumen útil de las celdas.

Tecnologías y Formatos Aplicados:

Para complementar la integración estructural, los fabricantes han mejorado el diseño de la celda cilíndrica.

La Celda 4680 (Tesla y Otros):

El cambio a celdas cilíndricas más grandes ha sido clave para mejorar la eficiencia del espacio.

Formato	Dimensiones (Diámetro x Largo)	Problema que resuelve
18650	18 mm x 65 mm	Necesitas miles de celdas; demasiados huecos y conexiones.
21700	21 mm x 70 mm	Menos celdas requeridas que la 18650; menor ineficiencia.
4680	46 mm x 80 mm	Menos celdas aún, lo que reduce el número de conexiones, cableado y espacios intersticiales totales en el paquete.

El Impacto de la 4680: Al ser más grandes, se requiere hasta 5 veces menos celdas que si se usaran las 18650, simplificando radicalmente el ensamblaje, el cableado y, por ende, el desperdicio de volumen.

La Conexión Tabless (Sin Lengüeta):

Dentro de la celda 4680, Tesla introdujo el diseño "tabless" (sin lengüeta).

• Ventaja Técnica: Tradicionalmente, la corriente sale por una pequeña lengüeta metálica. La 4680 hace que toda la parte superior e inferior actúen como la conexión de corriente.
• Solución a la Ineficiencia: Esto reduce la resistencia interna y mejora la gestión térmica de la celda individual. Una mejor gestión térmica significa que las celdas pueden colocarse más cerca unas de otras en el paquete, usando menos material de enfriamiento voluminoso entre ellas.

Resultado Final: Máxima Utilización:

La combinación del formato Cell-to-Chassis y las celdas 4680 ha permitido a los fabricantes de VE superar la ineficiencia de espacio:

1. Aumento de la Densidad Volumétrica: El volumen de la batería total es máximo porque se utiliza la propia estructura del coche como su envasado final.
2. Reducción de Componentes Pasivos: Menos módulos, menos carcasas, menos cableado, lo que libera espacio para más celdas.
3. Integración Térmica: La estructura del chasis suele integrar directamente los conductos de refrigeración, optimizando el espacio que antes ocupaban voluminosos sistemas de gestión térmica.

En resumen, no se eliminaron los huecos entre los cilindros, sino que se hizo que el paquete completo fuera más eficiente al eliminar las estructuras intermedias y hacer que el vehículo absorbiera la función estructural del paquete.

 

Ejemplo Específico: Tesla Model Y con Paquete Estructural 4680

El Formato de Celda Inteligente: La 4680

Tesla pasó de usar miles de celdas cilíndricas pequeñas (como la 2170) a la celda 4680 (46 mm de diámetro y 80 mm de largo).

Beneficio Clave	Explicación sobre la Eficiencia Espacial
Menos Celdas en Total	Al ser cinco veces más voluminosa que una 2170, se requiere hasta un 80% menos de celdas para lograr la misma capacidad energética. Esto reduce drásticamente el número de conexiones, cableado y, crucialmente, la cantidad total de espacios intersticiales ineficientes en el paquete.
Diseño "Tabless" (Sin Lengüeta)	Elimina los puntos calientes al permitir que la corriente fluya uniformemente. Una mejor gestión térmica a nivel de celda significa que se requiere menos material voluminoso de refrigeración (como tuberías serpentinas) entre las celdas, permitiendo agruparlas de forma más compacta.

La Solución Estructural: Cell-to-Chassis (CTC):

Aquí es donde se elimina la ineficiencia del embalaje externo:

Principio de Ingeniería	Impacto en la Eficiencia Espacial
Eliminación del Módulo	Se elimina la estructura intermedia conocida como "módulo". Las celdas cilíndricas se agrupan y se colocan directamente en la carcasa grande del paquete (Cell-to-Pack), y luego esta se sella.
Integración Estructural (CTC)	El paquete de baterías se convierte en el suelo o chasis del vehículo. Esto elimina la necesidad de tener dos estructuras separadas (el piso del coche y la robusta carcasa de la batería). El volumen y el peso que antes ocupaba la estructura de soporte ahora se destinan a más celdas.
Relleno Adhesivo Estructural	Una vez que las celdas están empaquetadas en una matriz de "panal" (honeycomb), se inyecta una resina epoxi o adhesivo de baja densidad en los pequeños huecos restantes. Este material cumple tres funciones: une las celdas en una sola pieza rígida, proporciona protección térmica entre las celdas y utiliza el espacio intersticial para contribuir a la rigidez estructural del vehículo.

Resultado Final:

Al convertir el paquete de baterías en una pieza funcional del vehículo, los ingenieros logran:

• Mayor Densidad Volumétrica: El volumen total de la batería es ocupado principalmente por material activo que almacena energía, en lugar de metal, plástico o sistemas de gestión térmica voluminosos.
• Reducción de Peso: Menos carcasas y menos material pasivo se traduce en un vehículo más liviano, lo que mejora la eficiencia general (autonomía y rendimiento).

En esencia, la solución no fue eliminar los huecos, sino darle una función estructural al material que debe llenar esos huecos, maximizando el volumen útil que ocupan las celdas

Pilas Rectangulares:

La clasificación Rectangular / Prismática abarca dos tipos de baterías muy diferentes, pero unidas por el objetivo de maximizar el uso del espacio dentro de dispositivos planos o con geometría definida, sus características, cubriendo tanto la clásica pila de 9V como las modernas celdas de Ion-Litio/Polímero.

Tipo A: Pilas Rectangulares de 9 Voltios (Primarias):

Este es un caso único donde una sola carcasa contiene múltiples celdas.

Características Técnicas y Tecnológicas:

• Formato: Rectangular con clips de conexión (+/-) en la parte superior.
• Voltaje Nominal: 9.0 V.
• Química: Principalmente Zinc-Carbono o Alcalinas.
• Tecnología: No es una sola celda grande. Internamente, contiene seis celdas pequeñas de 1.5 V conectadas en serie para sumar los 9 voltios. A menudo, estas mini-celdas son cilíndricas o prismáticas diminutas.

Detalles de Producción y Aplicaciones:

• Producción: Requiere un proceso de ensamblaje minucioso para conectar y aislar las seis celdas dentro del espacio limitado de la carcasa rectangular. El proceso es de alta automatización para manejar las micro-celdas internas.
• Aplicaciones: Dispositivos que requieren un voltaje más alto con bajo drenaje de corriente: Detectores de humo, micrófonos inalámbricos, juguetes sencillos, medidores de instrumentos.

Ventajas y Desventajas:

Ventajas	Desventajas
Alto Voltaje: Suministra 9V en un paquete compacto.	Baja Capacidad: Tienen una capacidad (mAh) muy limitada; se agotan rápido en aparatos de consumo medio-alto.
Confiabilidad: Larga vida útil en almacenamiento (Alcalinas).	Costo por Energía: El costo por kilovatio-hora ($\text{kWh}$) es alto.
Fácil Conexión: Los clips terminales son sencillos y robustos.	Estructura Compleja: La necesidad de seis celdas internas hace que la fabricación sea más compleja que una celda AA simple.

Tipo B: Baterías Prismáticas y de Bolsa (Secundarias - Li-ion/Li-Po)

Este es el formato estándar para la mayoría de los dispositivos electrónicos modernos recargables y vehículos eléctricos.

Características Técnicas y Tecnológicas

• Formato: Generalmente planas, rectangulares o cuadradas, optimizadas para el espacio.
• Prismáticas (Hard-cased): Tienen una carcasa de metal rígida (aluminio) y son modulares (ej. en algunos VE como BMW, Audi).
• Bolsa/Pouch (Soft-cased): Envueltas en una película flexible de polímero de aluminio. Son las más ligeras y eficientes en volumen (ej. smartphones, drones).
• Voltaje Nominal: 3.7 V (Li-ion/Li-Po).
• Tecnología: Ion de Litio / Polímero de Litio. Permiten apilar (stacking) o doblar (folding) las capas activas de ánodo, cátodo y separador.

Detalles de Producción:

• Doble Tecnología:
• Apilado (Stacking): Las capas de electrodos se cortan y se apilan como un mazo de cartas. Esto es ideal para prismáticas, ya que reduce la tensión mecánica y mejora la vida útil.
• Doblado (Folding): Las láminas largas se doblan en forma de "Z" y se insertan en la bolsa.
• Sellado de Alta Precisión: En las baterías de bolsa, el sellado de la película de polímero (sellado térmico) es la parte más crítica, ya que debe ser totalmente impermeable para evitar que la humedad ingrese o que el electrolito escape.

Aplicaciones:

• Prismáticas (Rígidas): Baterías de vehículos eléctricos (VE), sistemas de almacenamiento de energía (ESS) a gran escala.
• Bolsa (Pouch): Smartphones, tablets, laptops ultradelgadas, drones, wearables.

Ventajas y Desventajas (Formato Prismático/Bolsa):

Ventajas	Desventajas
Máxima Eficiencia Volumétrica: Ocupan el 90-95% del espacio dentro de un dispositivo (sin los huecos de las cilíndricas).	Gestión Térmica Compleja: La forma plana dificulta la disipación del calor desde el centro de la celda.
Diseño Flexible: El formato de bolsa se puede adaptar a casi cualquier forma o espacio disponible.	Vulnerabilidad Mecánica: La carcasa flexible de la bolsa es muy susceptible a pinchazos o hinchazón por gases.
Alta Densidad Energética: Contienen gran capacidad para su volumen.	Menor Ciclo de Vida (General): Pueden tener una vida útil ligeramente inferior a las mejores cilíndricas, debido al estrés por el hinchamiento y la disipación de calor.

El formato rectangular/prismático es la respuesta de la ingeniería al requisito de integración. Mientras que la cilíndrica se enfoca en la robustez y la termodinámica, la prismática se enfoca en la estética y la densidad de volumen, encajando perfectamente en los dispositivos electrónicos delgados que dominan el mercado.

De Botón (Coin cells:

Las Pilas y Baterías de Botón (Coin Cells) son celdas electroquímicas de tamaño diminuto, con forma de disco o moneda, diseñadas para alimentar dispositivos electrónicos pequeños. Su forma plana y compacta es ideal para espacios limitados.

Existen tanto versiones primarias (desechables) como secundarias (recargables) en este formato, utilizando principalmente Litio, Óxido de Plata o Alcalina como su química interna.

Características Técnicas y Tecnológicas:

El factor tecnológico clave de las pilas de botón es la miniaturización y la densidad de energía volumétrica (cuánta energía se puede almacenar en el pequeño volumen).

Nomenclatura Estándar

Su nombre suele indicar su tamaño físico, por ejemplo: CR2032.

• C = Sistema electroquímico (Litio MnO2).
• R = Forma redonda.
• 20 = Diámetro (20 mm).
• 32 = Altura (3.2 mm).

Químicas Dominantes:

Química	Tipo	Voltaje Nominal	Característica Clave
Litio Primario (Li-MnO2)	Primaria (Desechable)	3.0 V	Máxima densidad de energía y larga vida útil.
Óxido de Plata (Ag2O)	Primaria (Desechable)	1.55 V	Voltaje extremadamente estable y preciso.
Alcalina (Zn-MnO2)	Primaria (Desechable)	1.5 V	La opción más barata, pero con baja capacidad.
Litio Recargable (Li-ion)	Secundaria (Recargable)	3.7 V	Recargable, utilizada en auriculares inalámbricos.

Detalles de Producción:

La producción de pilas de botón exige una precisión extrema para el sellado, ya que deben ser a prueba de fugas a pesar de sus dimensiones diminutas.

• Prensado y Apilado: Los materiales activos (polvo de óxido de metal y zinc o litio metálico) se prensan en forma de discos muy finos. En las pilas de Óxido de Plata, la precisión del prensado es vital para la estabilidad del voltaje.
• Sellado Hermético: El cuerpo de la pila se compone de una tapa y un fondo de metal que se presionan juntos (crimping), separando los dos electrodos con una junta aislante y hermética. Este proceso debe garantizar que la pila sea resistente a la humedad y que no haya fugas de electrolito.
• Manejo en Seco: Las pilas de Litio Primario requieren un entorno de producción totalmente seco para evitar que el litio metálico reaccione con la humedad del aire.

Aplicaciones:

Química	Aplicación Principal	Razón
Litio Primario (CR)	Placas base de PC (CMOS), llaves de coche, sensores de seguridad, juguetes avanzados.	Alto voltaje (3 V) y larga vida útil de almacenamiento.
Óxido de Plata (SR)	Relojes de pulsera, audífonos de alta precisión, instrumental de medición digital.	Voltaje constante y estable para precisión.
Litio Recargable	Auriculares inalámbricos (TWS), dispositivos vestibles (wearables) y juguetes de alto rendimiento.	Permite la recarga sin comprometer el tamaño.

Ventajas y Desventajas:

Ventajas:

1. Miniaturización y Diseño: Permiten alimentar dispositivos electrónicos extremadamente pequeños y planos, como relojes de pulsera y llaves de coche.
2. Larga Vida Útil en Almacenamiento: Especialmente las de Litio Primario y Óxido de Plata, pueden durar de 5 a 10 años sin usar.
3. Voltaje Constante (Ag₂O): Las de Óxido de Plata ofrecen la curva de descarga más plana, crucial para la precisión 

Desventajas:

1. Baja Capacidad de Corriente: Están diseñadas para un drenaje de energía muy bajo. No son adecuadas para alimentar motores o cargas altas de manera sostenida.
2. Riesgo de Ingestión Infantil: Su pequeño tamaño y apariencia de caramelo representan un grave peligro de ingestión por parte de niños, especialmente las de Litio (3 V) que pueden causar graves quemaduras internas al quedar atrapadas en el esófago.
3. Alto Costo (Ag₂O): Las de Óxido de Plata son costosas debido al uso del metal precioso.
4. Baja Capacidad (Alcalinas): Las pilas alcalinas de botón tienen una capacidad muy limitada y se agotan rápidamente en comparación con sus equivalentes de Óxido de Plata o Litio.

De Bolsa (Pouch):

Las Baterías o Celdas de Bolsa (Pouch Cells) son una forma de empaquetado del Ion de Litio (Li-ion) que se ha vuelto fundamental en la electrónica de consumo y en muchos vehículos eléctricos. Su principal característica es su carcasa flexible y su alta eficiencia volumétrica.

 

Características Técnicas y Tecnológicas:

Las celdas de bolsa son esencialmente baterías de Li-ion o Polímero de Litio (Li-Po) sin una carcasa metálica rígida.

Estructura de la Carcasa:

• Material: La celda se sella dentro de una bolsa de aluminio-polímero laminada. Este material es ligero, flexible y se sella por calor.
• Formato: Son inherentemente prismáticas (planas y rectangulares), pero su flexibilidad les permite adaptarse mejor a los espacios curvos o irregulares de los dispositivos.
• Electrolito: Utilizan el electrolito en gel de polímero (el término Li-Po se usa a menudo para referirse a esta estructura de bolsa, aunque la química interna sigue siendo de Ion de Litio).

Densidad y Voltaje:

• Densidad Volumétrica: Máxima. Al no tener carcasa rígida (que no almacena energía), las celdas de bolsa logran la mejor utilización del espacio disponible, superando a las cilíndricas y prismáticas de carcasa dura.
• Voltaje Nominal: 3.7 V o superior, dependiendo de la química de cátodo (NMC, LFP, etc.) que se utilice internamente.

Detalles de Producción:

La producción de celdas de bolsa es diferente a la de las cilíndricas, centrándose en el apilamiento de capas y la precisión del sellado flexible.

• Apilamiento (Stacking): En lugar de enrollar las láminas de electrodos, estas se cortan y se apilan una encima de la otra (ánodo/separador/cátodo, etc.). El apilamiento reduce las tensiones internas y es ideal para el formato plano.
• Sellado Térmico (Heat Sealing): El proceso más crítico es el sellado hermético de los bordes de la bolsa de aluminio-polímero. Cualquier fallo en el sellado permite la entrada de humedad, lo que destruye rápidamente la celda.
• Terminales Flexibles: Los terminales de conexión son lengüetas delgadas de aluminio (cátodo) y cobre/níquel (ánodo) que salen de la bolsa sellada y son flexibles.

Aplicaciones:

Las celdas de bolsa son la columna vertebral de cualquier dispositivo que priorice el diseño delgado y el peso ligero.

• Electrónica de Consumo: Smartphones, Laptops ultradelgadas, Tablets, Wearables (relojes inteligentes). Permite el diseño de dispositivos con siluetas muy finas.
• Vehículos Eléctricos: Fabricantes como Hyundai/Kia y algunos modelos de GM utilizan celdas de bolsa por su excelente eficiencia volumétrica, facilitando la creación de paquetes de baterías grandes y planos.
• Drones y RC: Las celdas Li-Po de bolsa son esenciales en drones y modelismo de alto rendimiento por su increíble densidad de potencia y peso ligero

Ventajas y Desventajas:

Ventajas:

1. Máxima Eficiencia Volumétrica: Utilizan más del 90% del volumen interno para materiales que almacenan energía.
2. Flexibilidad de Diseño: Se pueden fabricar en casi cualquier forma o tamaño para llenar cada hueco disponible en un dispositivo.
3. Peso Ligero: La carcasa de polímero es significativamente más ligera que el acero o el aluminio rígido de otras celdas.
4. Disipación de Calor (por la superficie): La gran superficie plana permite una buena disipación de calor a través de la superficie

Desventajas:

1. Vulnerabilidad Mecánica: Son altamente susceptibles a daños físicos (pinchazos, dobleces) porque la bolsa no ofrece protección rígida.
2. Hinchazón (Swelling): Con la edad, el sobrecalentamiento o la sobrecarga, pueden generar gases internos que hinchan la bolsa. Esto puede dañar el dispositivo circundante (p. ej., doblar pantallas o carcasas).
3. Vida Útil (Cíclica): Algunas variantes tienen una vida útil ligeramente más corta que las celdas cilíndricas robustas debido a las tensiones internas en la estructura flexible.
4. Manejo de Presión: Las celdas de bolsa dependen de la presión externa (la carcasa del dispositivo o el paquete de baterías) para mantener la compresión interna, lo cual es vital para su rendimiento a largo plazo.

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