CN104718644B - 碱性电池中的气体压强和电极充电状态的管理 - Google Patents

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Abstract

描述了测量含水电解质电池的顶部空间中的气体组成和压强的有创造性的新系统。该系统包括微控制器，所述微控制器能够使用所述组成和压强信息来使第三电极连接至(一个或多个)阳极或(一个或多个)阴极，以平衡两者之间的充电状态。结果显示这样的系统能够将密封浸没式含水电解质电池中的气体压强控制为保持在20kPa(3psi)以下并且极大的延长了电池的使用寿命。

Description

碱性电池中的气体压强和电极充电状态的管理
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2012年2月23日提交的美国临时专利申请61/602325的优先权，其内容以全文引用的方式并入于此。
政府支持声明
在此描述和要求权利的本发明由美国能源部按照合同号DE-EE0004224提供部分资金支持。美国政府对本发明具有一定的权利。
技术领域
本发明一般涉及电池，以及更具体地涉及在循环期间安全管理副产品气体和电极充电不平衡的方法。
背景技术
一些普通可充电的含水电解质电池技术通过电解电解质中的水，在阳极上产生氢气，在阴极上产生氧气。这样的电池技术包括但不限于，铅-酸、镍金属-氢化物、氧化银-锌、镍-镉、溴-锌、锰-锌和镍-锌系统。不幸的是，产生气体的电化学反应与用于存储能量的电化学反应发生竞争。从而气体产生降低了电池用于存储能量的效率。另外，如果用于产生氧(氢)气的库仑比用于产生氢(氧)气的库仑多，则阴极(阳极)相比阳极(阴极)具有更低的充电状态(SOC)，这可导致整体性能差以及电池短路。
所产生的气体的一小部分作为附着气泡留在电极上，但绝大部分气体(大于95％)在电池的公共顶部空间(headspace)中混合。一种称为再化合(recombination)的过程可以将氢气和氧气转化成液态水，所述液态水可回到电解质中。再化合器(recombiner)通常放置在顶部空间中以执行气体转化。它们通常由高表面积的催化材料(例如铂或钯的粉末)制成。在密封的阀控式铅-酸电池中，吸收性玻璃布容纳着电解质，当氧气接触到阳极时和当氢气接触到阴极时再化合也会发生。其最终的结果是相同的：将氢气和氧气转化成水。
再化合器将氢气和氧气转化为水的化学反应是：
2H2(g)+O2(g)←→2H2O(liq)
当反应物的浓度增加，以及当温度升高时，化学反应速率单调增加。如果氢或氧的分压变低，例如低于约3.5千帕(0.5psi)，再化合的速率将变得非常缓慢。
当前用于密封电池的技术包括能将气体排到环境中的安全阀(relief valve)。当气体产生的速率与用于氢气和氧气化学计量再化合为水的速率不同时，电池中的气压增加。如果电池中气压变得过高，安全阀将气体释放到环境中，从而恢复电池中的安全压强水平。增大压强和释放气体都是非常不希望的，因为增大压强会产生电池容器破裂的风险，特别是在安全阀发生故障时。氢气和氧气的混合物是可燃的，并且当释放到环境中时可以是易爆炸的。如果氢气浓度足以导致窒息，或者如果少量气体成分或微粒(诸如铅-酸电池情况中的硫化氢)被释放出来，则出现其它健康危害。
已经做出了巨大的努力来最大化氢气和氧气再化合的速率。如果再化合器可以将气体压强保持在安全水平(例如，介于约7和70千帕(约1和10psi)之间)，不采用安全阀并减少安全上的顾虑。
如果能够找到一种新方法，其用于控制在密封的电化学电池中的气压，使得将压强保持在安全限度内，维持正极和负极之间的平衡的充电状态，以及最大化电池效率，那么这种方法是极其有用的。
附图说明
本领域技术人员在结合附图阅读下面对说明性实施例的描述时，将很容易理解前述的方面及其它。
图1是根据本发明实施例的基于Ni-Zn化学的电化学电池的示意图。
图2是概述了根据本发明实施例的操作电池的步骤的过程流程图。
图3是概述了根据本发明另一个实施例的操作电池的步骤的过程流程图。
图4示出了对于密封的电化学电池，压强作为时间的函数的曲线图，如下面的示例所讨论的。
发明内容
根据本发明的一个实施例，描述具有高级气体管理系统的电化学电池。该电池具有部分填充液体电解质的密封容器，以及至少部分浸没在电解质中的阴极、阳极和第三电极。第三电极由当连接到阳极或阴极时催化电解反应的材料构成。在第三电极和阴极之间有带开关的阴极电路，并且在第三电极和阳极之间有带开关的阳极电路。在电池的顶部空间中，氢气压强传感器可以测量氢分压，以及氧气压强传感器可以测量氧分压。还有与阳极开关、阴极开关、氢气压强传感器和氧气压强传感器通信的微控制器。
在本发明的一个实施例中，当氢(氧)分压相对于氧(氢)分压过高时，微控制器使阴极(阳极)电路中的开关接合(engage)以便将第三电极与阴极(阳极)连接，从而使阴极(阳极)放电，产生额外的氧气(氢气)并降低氢(氧)分压。
具体实施方式
在镍-锌电池系统的情况下例示优选实施例。然而，本领域技术人员将容易理解在此公开的材料和方法将应用在许多其它其中气体管理系统有用的电池系统中。
定义
在本公开中，术语“负极”和“阳极”都用于意指“负极”。同样地，术语“正极”和“阴极”都用于意指“正极”。术语“顶部空间”和“公共气体空间”都用来意指在电池中的没有液体电解质并且可混合所放出的气体的空间。
虽然本公开是在具有液体电解质的镍-锌电化学电池的情况下进行描述的，但是应当理解的是，本发明的实施例也可以用于其中阴极产生氧气且阳极产生氢气的其它含水电解质化学作用以及使用吸收性玻璃垫或其它方法来容纳电解质的电解质技术。这种电池化学作用的示例包括但不限于铅-酸、镍金属-氢化物、氧化银、镍-镉、锰-锌、镍-锌和金属锂电池。
贯穿于本公开，对于密封的含水电解质电池，经常给出20kPa作为压强安全限度。但是应当理解的是，在实际的实践中，压强安全限度取决于许多因素，例如化学作用的种类、应用的类型以及电池壳的强度。20kPa的值意图作为许多传统的密封的含水电解质电池的有用压强安全限度的示例，并不意图对本发明有任何方式的限制。
在密封的含水电解质电池中，根据在电池的公共气体空间中的氢气与氧气浓度的比例来容易地计算电极的相对的充电状态。应当理解的是，为了本发明实施例的目的，如本文中所描述的，分压与浓度直接相关，并且相对分压与相对浓度具有相同的值。如果阳极(阴极)比阴极(阳极)产生更多的气体，则阴极(阳极)比阴极(阳极)处于更高的充电状态。阴极(阳极)增长到更高的充电状态，并最终可能会过充电。过充电的阳极可引起短路。因此，可以以与那里产生的气体量成比例的量来降低电极充电效率。
例如，在镍-锌电池中的充电循环接近结束时，与阳极产生氢气相比，镍阴极产生氧气迅速得多。这意味着与阴极相比阳极每秒被充电的库仑多。如果气体产生的不平衡持续存在(例如，经过许多个充放电循环)，则阳极构建了一个非常厚的电沉积锌层，其最终可导致电池的短路。因此在电池的公共气体空间中的氧气与氢气的摩尔浓度比是用于了解阴极相比于阳极的相对充电状态的可靠的度量。管理电极使得氢气与氧气(产生)的浓度比为2∶1可以帮助确保将电极保持在相同的充电状态，从而避免了任一电极的过充电或者过放电。目前的技术还不能管理顶部空间中的气体以使其保持在规定的比例，因而无法平衡电极的充电状态。
目前，一旦电池电极的充电状态变得不平衡(除非是故意过放电)，就不可能恢复电池电极的均衡的充电状态(在不关闭的情况下)。如果充电状态不同并且该电池完全放电，则电池容量减少或电池会过度放电一个电极，可能会损坏该电极。采用本文公开的新技术，现在可以对任一电极随意放电。因此，当发现电极有明显不同的充电状态时，可以立刻恢复平衡。在放电结束时确保电极完全放电，这已知会大大延长镍-锌电池的循环寿命。这种新的能力将延长电池的循环寿命和提高甚至旧(worn)电池的充电容量。
一般，一旦其温度达到一定的阈值，电池单元中的再化合器就开始以大速率将氢气和氧气再化合成水，这在每种气体具有至少约3.5千帕(0.5psi)的分压之前通常不会发生。如果一种气体相比于另一种气体被更多地产生，则会出现其中量较少的气体没有足够的分压使再化合器变热和运行的情况。如果这种情况持续存在，则因为没发生再化合，气体压强会增加到不安全的水平，迫使安全阀打开并将气体释放到环境中。这一系列事件导致在许多电池技术中持续压强增加，并且不能利用当前的电池或再化合器技术来减轻。
图1示出了根据本发明实施例的电化学电池100。该电池100具有一系列的NiOOH阴极120、Zn阳极140、以及至少一个由催化性材料制成的第三电极160。在一个布置中，催化性材料是镍板或镍泡沫状物。其它可以使用的材料的示例包括但不限于铂、钯、氧化钌、NiMoZn、钴-氧代-磷酸盐(cobalt-oxo-phosphate)、镍钴析氧催化剂(NiCo-OEC)以及其它催化性材料。任何合适的催化性材料可用于制造电极，但是在某些情况中使用催化性材料作为更便宜导电材料上的涂层可以更划算。所有电极都放置在其中溶解有ZnO的氢氧化钾溶液的电解浴150中。存在顶部空间155，所述顶部空间155没有液体电解质并且在其中可以收集放出的气体。第三电极160被连接到阴极开关125和阳极开关145，阴极开关125控制与阴极的导电性连接，阳极开关控制与阳极的导电性连接，如图1所示。第三电极160不存储电化学能量，而仅仅是一个用于氢或氧产生的催化剂。电池100的顶部空间155中有催化性的气体再化合器190(简称为“再化合器”)，如图1所示。再化合器190可以将顶部空间155中的氢气和氧气转化成水，该水可以重新进入液体电解质180中。
有一组传感器170和180，两者都用于测量顶部空间155中的气压。有微控制器185，所述微控制器185接收来自第一气体传感器170和第二气体传感器180的气压信息。在一种布置中，第一气体传感器170是氢气传感器并测量氢分压。第二气体传感器180是氧气传感器并测量氧分压。在另一种布置中，第一气体传感器170是氢气传感器或氧气传感器并分别测量氢分压或氧分压。第二气体传感器180测量总气压，与种类无关。微控制器185接收来自第一气体传感器170和第二气体传感器180的压强信息，并使用该信息来确定氢分压和氧分压以及总压强。这通过对压强数据进行适当的加法或减法来完成。微控制器185被编程，以基于其接收到的压强数据来闭合或打开阴极开关125或阳极开关145，如在下文更详细地描述的。
在本发明的一个实施例中，初始组装之后且气密地密封电池之前，电池100中的氢气分压和氧气分压被测量并记录在微控制器185中。
在本发明的另一实施例(未示出)中，在顶部空间中只有一个压强传感器。该一个传感器测量总气压，与种类无关。当电池第一次组装时，顶部空间填充氧气至已知压强。压强的任何显著增加主要是由于增加的氧气，因为增加的氢气将与已存在于顶部空间中的氧气再化合。该微控制器被编程为当总气压显著增加时闭合阳极开关从而提供额外的氢气，并且一旦总气压回到安全水平就打开阳极开关。
在正常的电池操作中，阳极140在充电期间被镀上金属锌，并在放电期间剥离金属锌。在阳极上发生产生氢气的副反应。NiOOH阴极120保持为固体，在充电和放电期间没有溶解到电解质中。在充电循环接近结束时，阴极上可以发生产生氧气的副反应。
通过以下电解反应利用电解质中的水发生阳极处的气体产生：
2H2O+2e-←→2OH-+H2 (1)
通过以下电解反应利用电解质中的水发生阴极处的气体产生：
4OH-←→2H2O+O2+4e- (2)
反应(1)和(2)使用在电池充电操作期间可用于对电极充电的电子(库仑)。因此，所产生的气体的摩尔数与从对电极充电中转移的电子(例如，库仑)的摩尔数直接相关。电极的充电状态(用库仑测量)的减少量为可使用充电循环期间已生成气体的量而计算出来的量。库仑的损失被称为“充电无效”。由于电池是气密地密封的，所以所产生的气体的总量可以通过测量电池的顶部空间中的分压来确定。下面的表达式给出了阳极和阴极之间的充电状态的差(作为电池单元的总库仑容量的百分比)：
((O2pp-O2i)*4)-(H2pp-H2i*)*2)*V*F/(R*T*C)*100％ (3)
其中，O2pp是顶部空间中的氧分压，O2i是电极最近平衡时氧的初始分压，H2pp是顶部空间中的氢分压，H2i是电极最近平衡时氢的初始分压，V是在电池的顶部空间中的气体体积，R是通用气体常数，T是开氏温度，C是以库仑为单位的电池单元的总库仑容量，F是法拉第常数。当表达式(3)的值为零时，阳极和阴极具有相同的充电状态，并且它们是平衡的。当表达式(3)的值大于零时，阳极具有比阴极更高的充电状态。当表达式(3)的值小于0时，阴极具有比阳极更高的充电状态。
例如，如果表达式(3)的值为10％，则阳极的SOC比阴极的SOC高出电池单元的总充电容量的10％。当表达式(3)的值是-15％时，阴极的SOC比阳极的SOC高出电池单元的总充电容量的15％。
微控制器185读取压强传感器，计算氧分压和氢分压，并且计算阳极和阴极之间的SOC差。当阴极的SOC过高时，微控制器185指示阴极开关125接合，连接第三电极160至阴极120。当第三电极160连接至阴极120时，电子从第三电极流到阴极120，其在第三电极处催化电解，产生氧气。电荷从阴极120的流动降低了阴极的SOC。氧气的增加量可用于与在阴极120处由于阴极SOC增加而产生的过量氢气进行再化合。
当阳极的SOC过高时，微控制器185指示阳极开关145闭合，连接第三电极160到阳极140。当第三电极160连接到阳极140时，电子从阳极140流进第三电极，其在第三电极处催化电解，产生氢气。电荷从阳极140的流动降低了阳极的SOC。氢气的增加量可用于与在阳极140处由于阳极SOC增加而产生的过量氧气进行再化合。
因此，当阳极和阴极之间存在平衡的充电状态时，表达式(3)的值为零或接近零。微控制器响应于表达式(3)的值的变化来操作开关，以平衡阴极120和阳极140之间的充电状态。在布置中，微控制器被配置为当(3)的值大于第一阈值时闭合阳极开关，并且当(3)的值小于第二阈值时闭合阴极开关。在一些布置中，所述第一阈值是正的，且可以是约40％、25％、15％、5％和1％中的任何一个。在一些布置中，所述第二阈值是负的，并且可以是约40％、25％、15％、5％和1％中的任何一个。
采用本文所描述的系统能实现的一个重要好处是，能够避免阳极上的过量金属电沉积。阳极不能积累过量的电沉积金属，因为微控制器操作开关以保持阴极和阳极的充电状态处于平衡。这能够避免由于金属沉积物累积在阳极上而会发生的短路问题。第三电极使得能够容易地从阳极除去所有电沉积的金属，这对于一些电池化学作用来说是有益的。
在本发明的一个实施例中，图2的处理流程描述了对含水电解质电池系统进行操作的方法。在步骤210中，提供如上文参考图1所述的电池。在步骤220中，对电池进行循环。在步骤230中，在循环期间监视电池顶部空间中的氢分压和氧分压。在一个布置中，以大约0.5秒到1分钟之间的间隔来监视压强。在另一种布置中，以大约1至30秒之间的间隔来监视压强。在另一种布置中，以大约1至10秒之间的间隔来监视压强。在另一种布置中，以大约5秒的间隔来监视压强。在步骤240中，当氢分压超过预定的安全值(例如，20千帕)时，第三电极与阴极进行电连接。在步骤250中，当氢分压回到预定的安全值时，第三电极和阴极之间的电连接被断开。在步骤260中，当氧分压超过预定的安全值(例如，20千帕)时，第三电极与阳极进行电连接。在步骤270中，当氧分压回到预定的安全值时，第三电极和阳极之间的电连接被断开。
在本发明另一个实施例中，图3的处理流程中描述了对含水电解质电池系统进行操作的方法。在步骤310中，提供如上文参考图1所述的电池。在步骤320中，电池的顶部空间填充氧气并密封电池壳。在步骤330中，在循环期间监视电池的顶部空间中的总气压。在一个布置中，以大约0.5秒至1分钟之间的间隔来监视压强。在另一种布置中，以大约1至30秒之间的间隔来监视压强。在另一种布置中，以大约1至10秒之间的间隔来监视压强。在另一种布置中，以大约5秒的间隔来监视压强。在步骤340中，当总气压超过预定的安全值(例如，20千帕)时，第三电极与阳极电连接。在步骤350中，当总气压回到预定的安全值时，第三电极和阳极之间的电连接被断开。
示例
下面的示例提供了与根据本发明一些实施例的电化学电池的组成、制备和性能特性有关的细节。应当理解的是，以下内容仅是代表性的，并且本发明不受本示例所述细节的限制。
一个34Wh的原型电池单元由8个NiOOH阴极和9个镍片阳极制成，所有电极尺寸为大约10cm×9cm。60g/L的ZnO和37％w/w的氢氧化钾的水溶液被用作电解质。阴极与阳极相隔3mm的间隙，并且泵推动0.5cm/s的流穿过由间隙形成的通道。不使用隔膜或隔板(separator)。密封的电池壳大约17cm高×6cm宽×14cm长。第三电极是与其它电极相同大小的单个镍泡沫板。在图2中的曲线所示的数据的测量期间，电池以其总存储容量的95％进行循环，并且获得90％以上的库仑效率和80％以上的能量效率。高表面积的铂再化合器放置在该电池的顶部空间中。
图4示出了原型电池单元中压强作为时间的函数的曲线图。原型在气体分压保持在约20千帕(3psi)以下的情况下操作超过了35次连续的充电/放电循环。
图4中的数据示出了针对密封浸没式的电池单元技术已经做出新颖的进步。典型地，密封浸没式含水氢氧化镍-锌电池中的压强在两个或三个循环之后上升到约35千帕(5psi)的安全限度以上，并在十个循环内继续上升到约70至700千帕(10-100psi)的极端压强。类似的压强增加发生在密封浸没式的铅-酸电池中。因为该原因，铅-酸行业一直未能使密封浸没式的铅-酸电池商业化。在图2中所示出的数据显示了在此描述的新颖的新技术在不需要将气体排出到环境中的情况下通过将计量器(gauge)气压保持在20kPa(3psi)以下来使得浸没式含水电池的操作能够进行无限次数的循环。
在本文中已相当详细地描述了本发明，从而为本领域技术人员提供了与应用该新颖的原理和按照需要构建、使用这种专门的部件相关的信息。然而，要理解的是，本发明可以通过不同的设备、材料和装置来实现，并且可在不脱离本发明本身的范围的情况下完成对设备和操作过程这两者的各种修改。

Claims (15)

1.一种电化学电池，包括：
包括安全阀的密封容器，所述密封容器被部分地填充有液体电解质；
至少部分地浸没在所述液体电解质中的阴极；
至少部分地浸没在所述液体电解质中并且不与阴极直接接触的阳极；
至少部分地浸没在所述液体电解质中并且不与阴极和阳极中的任一个直接接触的第三电极；
在第三电极和阴极之间的阴极电路，其中所述阴极电路包含阴极开关；
在第三电极和阳极之间的阳极电路，其中所述阳极电路包含阳极开关；
在所述密封容器内的第一气体压强传感器，所述第一气体压强传感器不与所述液体电解质接触；
在所述密封容器内的第二气体压强传感器，所述第二气体压强传感器不与所述液体电解质接触；以及
与阳极开关、阴极开关、第一气体压强传感器和第二气体压强传感器通信的微控制器，其中，在使用中，所述微控制器读取压强传感器，计算氧分压和氢分压，并且计算阳极和阴极之间的充电状态的差，以及其中，所述微控制器被配置为当阳极和阴极之间的充电状态的差大于第一阈值时闭合阳极开关，当阳极和阴极之间的充电状态的差小于第二阈值时闭合阴极开关。
2.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述阴极包含从由铅、银、锰、镍和铁的氧化态组成的组中选择的活性材料。
3.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述阳极为从由铅、锌、镉、锂和铁组成的组中选择的电沉积材料。
4.如权利要求1所述的电化学电池，其中第三电极包括能催化电解的材料。
5.如权利要求4所述的电化学电池，其中第三电极包括从由铂、钯、氧化钌、镍、NiMoZn、钴-氧代-磷酸盐以及镍钴析氧催化剂(NiCo-OEC)中的一种或更多种组成的组中选择的材料。
6.如权利要求1所述的电化学电池，其中第一气体压强传感器被配置为测量氢分压，并且第二气体压强传感器被配置为测量氧分压。
7.如权利要求1所述的电化学电池，其中第一气体压强传感器被配置为测量氢分压和氧分压中的任一个，并且第二气体压强传感器被配置为测量总气体压强。
8.如权利要求7所述的电化学电池，其中所述微控制器被配置为根据第一气体压强传感器和第二气体压强传感器所做的测量来确定氧分压和氢分压。
9.如权利要求1所述的电化学电池，其中，在使用中，所述微控制器使用下式来计算阳极和阴极之间的充电状态的差：
((O2pp-O2i)×4-(H2pp-H2i)×2)×V×F/(R×T×C)×100％，
其中，O2pp是顶部空间中的氧分压，O2i是氧的初始分压，H2pp是顶部空间中的氢分压，H2i是氢的初始分压，V是在电池的顶部空间中的气体体积，R是通用气体常数，T是开氏温度，C是以库仑为单位的电池的总库仑容量，F是法拉第常数。
10.如权利要求9所述的电化学电池，其中第一阈值是大约+25％。
11.如权利要求9所述的电化学电池，其中第二阈值是大约-25％。
12.一种电化学电池，包括：
包括安全阀的密封容器，所述密封容器被以已知压强填充有液体电解质和氧气；
至少部分地浸没在所述液体电解质中的阴极；
至少部分地浸没在所述液体电解质中并且不与所述阴极直接接触的阳极；
至少部分地浸没在所述液体电解质中并且不与所述阴极和所述阳极中的任一个直接接触的第三电极；
在第三电极和所述阳极之间的阳极电路，其中所述阳极电路包含阳极开关；
在所述密封容器内但不浸没在所述液体电解质中的总气体压强传感器；以及
与所述阳极开关和所述总气体压强传感器通信的微控制器，其中，在使用中，所述微控制器读取总气体压强传感器，并且计算阳极和阴极之间的充电状态的差，以及其中，所述微控制器被配置为当阳极和阴极之间的充电状态的差大于第一阈值时闭合阳极开关，当阳极和阴极之间的充电状态的差小于第二阈值时闭合阴极开关。
13.如权利要求12所述的电化学电池，其中所述微控制器被配置为只要总压强大于预先设定的安全水平就闭合所述阳极开关。
14.一种操作电池的方法，包括以下步骤：
a)提供电化学电池，所述电化学电池包括：
包括安全阀的密封容器，所述密封容器被部分地填充有液体电解质；
至少部分地浸没在所述液体电解质中的阴极；
至少部分地浸没在所述液体电解质中并且不与所述阴极直接接触的阳极；
至少部分地浸没在所述液体电解质中并且不与所述阴极和所述阳极中的任一个直接接触的第三电极；
在第三电极和所述阴极之间的阴极电路，其中所述阴极电路包含阴极开关；
在第三电极和所述阳极之间的阳极电路，其中所述阳极电路包含阳极开关；
在所述密封容器内但不浸没在所述液体电解质中的第一气体压强传感器；
在所述密封容器内但不浸没在所述液体电解质中的第二气体压强传感器；以及
与所述阳极开关、所述阴极开关、所述第一气体压强传感器和所述第二气体压强传感器通信的微控制器；
b)使所述电池循环；
c)用第一气体压强传感器监视氢分压和用第二气体压强传感器监视氧分压；
d)使用氢分压和氧分压计算阳极和阴极之间的充电状态的差；
e)当阳极和阴极之间的充电状态的差大于第一阈值时，闭合所述阳极开关；以及
f)当阳极和阴极之间的充电状态的差小于第二阈值时，闭合所述阴极开关。
15.一种操作电池的方法，包括以下步骤：
a)提供电化学电池，所述电化学电池包括：
包括安全阀的密封容器，所述密封容器被填充有液体电解质和氧气；
至少部分地浸没在所述液体电解质中的阴极；
至少部分地浸没在所述液体电解质中并且不与所述阴极直接接触的阳极；
至少部分地浸没在所述液体电解质中并且不与所述阴极和所述阳极中的任一个直接接触的第三电极；
在第三电极和所述阳极之间的阳极电路，其中所述阳极电路包含阳极开关；
在所述密封容器内但不浸没在所述液体电解质中的总气体压强传感器；以及
与所述阳极开关和所述总气体压强传感器通信的微控制器；
b)使所述电池循环；
c)监视总气体压强；
d)只要总气体压强超过预先确定的安全值就闭合所述阳极开关以产生氢气；以及
e)使用当阳极开关闭合时产生的氢气的量来计算阳极和阴极之间的充电状态的差。
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