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Elektrochemische Zelle zur Kontrolle des Ladezustandes einer mit ihr
in Reihe geschalteten Batterie Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle
mit zwei reversiblen Elektroden und einem Elektrolyten, deren bei Stromdurchgang
auftretende Spannungsänderung zur Kontrolle des Ladezustandes einer mit ihr in Reihe
geschalteten Batterie dient.
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Die Aufladung einer Speicherbatterie erfolgt in der Weise, daß ein
elektrischer Strom so lange durch die Batterie hindurchgeschickt wird, bis die Menge
der durchgelaufenen elektrischen Ladung (d. h. also das Produkt aus Ladestrom
und Aufladedauer) gleich oder größer ist als die durch die Entladung entnommene
Ladung (d. h. das Produkt aus Entladungsstrom und Entladezeit). Ist nun der
Aufladevorgang beendet, so bewirkt ein weiterer Stromdurchgang in der Aufladerichtung
eine unerwünschte Elektrolyse des Elektrolyten mit dadurch bedingter Gasentwicklung,
und bei mit Abzug versehenen Batterien muß dann von Zeit zu Zeit zum Ausgleich der
so bedingten Verluste immer wieder Wasser nachgefüllt werden. Für andere Verwendungszwecke
wiederum können nur hermetisch abgeschlossene Batterien Verwendung finden, und in
diesem Fall muß dann sorgfältig darauf geachtet werden, daß eine überladung nicht
-eintritt, um auf diese Weise ein übermäßiges Anfallen von Gasen zu verhindern.
Die Speicherung von durch überladung erzeugten Gasen kann nämlich zur Entstehung
eines überdruckes führen, der unter Umständen ausreicht, das Batteriegefäß explcsionsartig
auseinanderzureißen.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, werden Kontrollzellen so mit der
Batterie in Reihe geschaltet, daß der Ladezustand überwacht werden kann. Die deutsche
Auslegeschrift 1067 094 schlägt eine Kontrollzelle vor, die negative Elektroden
aufweist, deren aktives Material neben Zink noch Eisen, Cad# mium oder Zinn als
Zusatzmaterial in beträchtlichen Mengen enthält. Diese Kontrollzelle ist speziell
auf Batterien mit alkalischem Elektrolyten und negativen Zinkelektroden abgestellt.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine elektrochemische
Kontrollzelle zu schaffen, die nicht auf alkalische Elektrolyte beschränkt ist,
deren Prinzip vielmehr auch bei sauren oder fast neutralen Elektrolyten mit Erfolg
angewendet werden, kann. Dieser Vorteil wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß
die Elektroden eine etwa gleiche elektrochemische Kapazität besitzen und daß das,
aktive Material oder die aktiven Materialien der Elektroden und der Elektrolyt so
gewählt sind, daß die in der Zelle auftretende Spannung in einem vorbestimmten Auflade-
oder Entladebereieb. im wesentlichen Null bleibt und plötzlich dann ansteigt, wenn
nach Durchgang a einer bestimmten Strommenge eine Anderung ün elektrochemischen
Prozeß an einer oder beiden Elektroden eintritt. Die plötzlich erhöhte Spannung
bildet dann ein Steuersignal für einen elektrischen Stromkreis oder aber dient als
Zeichen dafür, daß die vorbestimmte Sollstrominenge durch die Zelle hindurchgeflossen
ist.
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Die Elektroden werden vorzugsweise derart gewählt, daß sie das gleiche
Elektrodenpotential besitzen, wobei die vorstehend gewählte Angabe »im wesentlichen
das gleiche Elektrodenpotential« besagen soll, daß die Differenz der Elektrodenpotentiale
geringer ist als die in der Zelle entwickelte Spannung, wenn mehr als die vorbestimmte
Strommenge durch die Zelle hindurchgeflossen ist, so daß die eintretende Spannungsänderung
zur Steuerung eines elektrischen Stromkreises eingesetzt werden kann. Für Orewöhnlich
liegt die Differenz zwischen den Elektrodenpotentialen unterhalb 0,25 Volt.
Dementsprechend handelt es sich bei der »wesentlichen« Spannungsänderung um eine
solche Spannungsänderung, die, in bezug auf die zwischen den Elektrodenpotentialen
gegebene Differenz, noch immer groß genug ist, um einen elektrischen Stromkreis
zu steuern. Die Schnelligkeit, mit der diese Spannungsänderung stattfindet, richtet
sich jeweils nach dem Aufbau der Zelle, ist jedoch in jedem Fall im Vergleich zu
all den Spannungsänderungen, die möglicherweise kurz vor dem Durchfluß der Sollstrommenge
durch die
Zelle stattfanden, d. h. während des vorhergehenden
Ablaufes des Zyklus bis zum Eintreten der Veränderung des elektrochemischen Prozesses,
sehr plötzlich.
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Ein durch die Zelle hindurchfließender elektrischer Strom bewirkt
eine Oxydierung des aktiven Materials der einen Elektrode und eine Reduktion des
aktiven Materials der anderen Elektrode, wobei die Oxydation und die Reduktion mengenmäßig
der durch die Zelle hindurchfließenden Strommenge proportional ist. Ein in umgekehrter
Izichtung durch die Zelle hindurchfließendür Strom bewirkt entsprechend auch eine
Umkehrung der Elektrodenreaktion. Wird nun eine bestimmte Strommenge in umgekehrter
Richtung durch die Zelle hindurchgeleitet, die der vorher in der anderen Richtung
durchlaufenden Strommenge gleich ist, so werden die Elektroden hierdurch wieder
in ihren ursprünglichen Oxydationszustand versetzt. Ist dann zu einem bestimmten
Zeitpunkt so viel Strom durch die Zelle hindurchgeflossen, daß dadurch das gesamte
aktive Material der einen Elektrode oxydiert und/oder das gesamte aktive Material
der anderen Elektrode reduziert wurde, dann bewirkt ein weiteres Durchlaufen
elektrischen Stromes den Einsatz einer Änderung in dem an einer oder an beiden Elektroden
stattfindenden elektrochemischen Prozeß. Diese Änderung des elektrochernischen Prozesses
kann beispielsweise im Eintritt einer Gasentwicklung bestehen. Für den Fall, daß
Wasserstoff an einer Elektrode und Sauerstoff an der anderen Elektrode freisetzt
wird, steigt die Spannung leicht auf mindestens 1,23 Volt an, -da dies ja
bekanntlich die theoretische Mindestspannung ist, bei der diese, beiden Gase gleichzeitig
entwickelt werden können. Die Strommenge, die vor der Spannungserhöhuna, durch die
Zelle hindurchfließen muß, kann automatisch auf den entsprechenden'Wert eingestellt
werden, der sich aus den elektrischen Gegebenheiten der Zelle ergibt; es kann aber
auch ein Maximum dadurch vorgeschrieben werden, daß der Zelle einfach von vornherein
eine vorbestimmte Menge aktiven Materials gegeben wird. Die Spannungserhöhung gibt
dann an, daß eine bestimmte Strommenge durch die Zelle hindurchgeflossen ist, und
diese erhöhte Spannung kann dann auch zur Steuerung eines elektrischen Stromkreise.s,
'beispielsweise des Ladestromkreises einer Sekundärbatterie, eingesetzt werden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsfortn der Erfindung ist die Oxydations-
und die Reduktionsreaktion an beiden Elektroden gleich, auch wenn diese Reaktionen
an den beiden Elektroden in umgekehrter Richtung vor sich gehen. Wenn beispielsweise
die Oxydation nach
| Cd + 2 OH- _> Cd(OH)2 + 2e- |
erfolgt, dann ist die Reduktion an der anderen Elektrode
| Cd(OH)2 + 2 e- -> Cd + 2 OH-. |
Dadurch wird gewährleistet, daß die Elektrodenpotentiale einander im wesentlichen
gleich sind, so daß die Zelle einen verhältnismäßig einfachen Aufbau aufweisen kann.
In gleicher Weise kann jedoch aucheine Zelle verwendet werden, in die Elektroden
mit zwei voneinander verschiedenen aktiven Substanzen eingesetzt sind, bei denen
unterschiedliche Reaktionen eintreten, wovon nur die einander ungleichen Elektroden
im wesentlichen das gleiche Elektrodenpotential besitzen. Die, zulässige Differenz
zwischen den Elektrodenpotentialen,einer derartigen Zelle hängt dabei jeweils von
dem Verwendungszweck ab, für den die Zelle eingesetzt werden soll.
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Bei der bevorzugten Ausführungsforni der Erfindung findet für die
Elektroden ein elektrisch leitendes Trägermaterial zusanimen mit einer aktiven Substanz
Verwendung, welche entweder aus einem Metall, wie z. B. Kadmium, und einer unlöslichen
Verbindung dieses Metalls, beispielsweise Cd(OH)" oder aber aus einer unlöslichen
Masse besteht, die einen Bestandteil aufweist, welcher eine unterschiedliche Wertigkeit
besitzt, beispielsweise elektrocheriiisch aktive, Nickel- oder Manganoxyde. Während
des betriebsmäßigen Einsatzes geht diese aktive Substanz jeweils an der Oxydationselektrode
in ihren höherwertigen Zustand und an der Reduktionselektrode in ihren niedrigwertigen
Zustand über, d. h. also, an der Oxydationselektrode ergibt sich Cd--#-Cd(OI)2
oder Ni++-höhere Nickeloxyde, und an der Reduktionselektrode Cd(OH)2->Cd oder höhere
Nickeloxyde --> Ni+ +. Wie jedoch Fachleuten ohne weiteres verständlich,
können selbstverständlich auch andere Elektrodensysteme Anwendung finden.
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So kann beispielsweise die eine Elektrode aus einem Trägermaterial,
wie Platin, bestehen, auf die ein überzug aus einem aktiven Material, wie metallischem
Kupfer, aufgebracht ist, während die andere Elektrode aus dem gleichen Trägermaterial
hergestellt sein kann, jedoch zunächst noch kein aktives Material trägt. Der Elektrolyt
müßte in diesem Fall aus einer Kupferionen enthaltenden Lösung bestehen. Beim betriebsmäßigen
Einsatz würe dann die an der* Oxydationselektrode stattfindende Umsetzung
und die Reaktion an der Reduktionselektrode
mit dem Ergebnis, daß das Kupfer von der einen Elektrode zur anderen wandert und
sich dort niederschlägt. Eine weitere Möglichkeit besteht auch darin, ein Elektrodensystem
von der Art anzuwenden,
bei
der die Elektroden aus einem nicht angreifbaren
Metall, beispielsweise Platin, bestehen und in eine Lösung eingetaucht sind, welche
eine geeignete oxydierte und reduzierte Form eines Oxydations-Reduktions-Systems,
z. B. Sn.... und Sn++ enthält, wobei eine geeignete elektrolytisch leitende Meinbran,
beispielsweise eine mit dem Elektrolyt imprä-Crn ierte, poröse keramische Substanz,
vorzusehen ist.
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Die elektrochemische Zelle nach der Erfindung kann mit einer bekannten
-elektrischen Kapazität (Amperestunden-Kapazität) ausg ,elegt werden, so daß die
erhöhte Potentialdifferenz dann eintritt, wenn der Oxydations- und/oder Reduktionsprozeß
in einer Richtung beendet ist. Die Zelle kann d
einfach dadurch wieder zur
Verwendung gebracht werden, daß die Flußrichtung des elektrischen Stromes durch
die Zelle umgekehrt wird.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Zelle ist das elektrische Fassungsvermögen
derselben größer als diejenige Strommenge, die bei dem für sie be, stimmten Verwendungszweck
durch diese, Zelle hindurchgeschickt wird. Dabei befindet sich das aktive Material
an der einen Elektrode im oxydierten und
an der anderen Elektrode
im reduzierten Zustand. Der elektrische Strom wird dann so durch die Zelle geschickt,
daß er einen Teil des oxydierten aktiven Materials reduziert und einen Teil des
reduzierten aktiven Materials oxydiert. Anschließend wird der Strom in umgekehrter
Richtung durch die Zelle geleitet, und wenn dann diese Strommenge gleich derjenigen
Strommenge ist, die vorher in umgekehrter Richtung hindurchgeschickt wurde, befinden
sich. die Elektroden wieder in ihrem ursprünglichen Oxydationszustand. An diesem
Punkt führt dann ein weiterer Stromdurchlauf in umgekehrter Richtung zu einer Gasentwicklung
was wiederum eine entsprechende Erhöhung der Spannung zur Folge hat.
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Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie deren Wirkungsweise
und Anwendungsmöglichkeiten seien an Hand der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch
eine Ausführungsform einer erfliidungsgemäßen Zelle, F i g. 2 eine perspektivische
Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, teilweise im Schnitt, F i
g. 3 eine graphische Darstellung der Vorgänge an der Platte X der Zelle der
F i g. 1, in der die Elektrodenspannung gegen die Amperestunden aufgetragen
sind, F i g. 4 eine ähnliche graphische Darstellung für die Platte Y, F i
g. 5 eine -schematische Schaltung für einen Stromkreis, in dem eine Zelle
eingebaut ist, welche zur Steuerung und Verhinderung des Überladens einer Sekundärbatterie
eingesetzt ist, F i g. 6 die schematische Darstellung eines anderen eine
überladung ausschließenden Stromkreises, F i g. 7 eine graphische Darstellung
für eine andere (nicht gezeigte) Ausführungsform der Erfindung, in der das Elektrodenpotential
gegen den Ladungszustand aufgetragen ist, F i g. 8 ein schematisches Schaltbild
desjenigen Stromkreises, der zum Schutz der Ausführungsforin nach F i
g. 7 Verwendung findet.
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Die Tabelle ist eine Aufstellung typischer (jedoch nicht aller) Elektrodensysterne,
die für die Zwecke der Erfindung Verwendung finden können, und gibt gleichzeitig
auch die Elektrodenreaktion beim Entladen und Aufladen an, wenn die Zelle mit einer
Sekundärbatterie in Reihe geschaltet ist.
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Die Zelle kann nun entsprechend der Darstellung der F i
g. 1 beispielsweise aus einer insgesamt mit 10
bezeichneten elektrochemischen
Zelle bestehen, in welcher die beiden gesinterten Nickelplatten 11 und 12
eingesetzt sind, die ihrerseits wiederum mit Kadmium 13 bzw. Kadmiumhydroxyd
14 imprägniert sind. Diese beiden Platten 11 und 12 befinden sich zwar räumlich
nicht im Kontakt miteinander, sind jedoch beide jeweils an einem nicht gezeigten,
außerhalb befindlichen Stromkreis angeschlossen. Des weiteren enthält die Zelle
einen Elektrolyten 15,
wie z. B. Kaliumhydroxydlösung, über die der elektrolytische
Kontakt zwischen den beiden Platten hergestellt wird. Die eine der beiden Platten,
nämlich die Platte X, 'befindet sich im oxydierten Zustand (das Kadmium liegt also
in Form von Kadmiumoxyd oder -hydroxyd vor), während sich die zweite Platte, nämlich
die Platte Y, im reduzierten Zustand befindet (d. h., das Kadmium liegt hier
in seiner ursprünglichen metallischen Form vor). Die Zelle ist mit der Batterie
in Reihe geschaltet und derart ge-
polt, daß eine Entladung der Batterie die
Reduktion eines Teils des Kadmiumoxyds oder -hydroxyds der Platte X zu metallischem
Kadmium und die Oxyda--Lion eines Teils des Kadmiums der Platte Y zu Kadmiumhydroxyd
zur Folge hat. Solange nun an beiden Platten Kadmium und Kadmiumhydroxyd vorliegen,
bleibt die zwischen diesen Platten angelegte Spannung auch bei Stromdurchfluß klein.
Bei Beendigung des Entladungsvorganges und Beginn des Aufladungsvorganges wird das
Material in der Platte X oxydiert und in der Platte Y reduziert. Wenn das gesamte
Kadmium der Platte X oxydiert ist, nimmt die Spannung an dieser Platte ganz plötzlich
zu, und es setzt hier eine Sauerstoffentwicklung ein. Gleichzeitig ist all das Kadmiumhydroxyd
der Platte Y zu Kadmium reduziert, und ein weiterer Stroindurchlauf führt zu einer
plötzlichen Abnahme der Spannung an dieser Platte und zum Beginn einer Wasserstoffentwicklung.
Eine derartige plötzliche Spannungszunahme in der Zelle tritt jeweils nur dann ein,
wenn die Zelle (und damit auch die Batterie) mit genau der gleichen Strommenge wieder
aufgeladen wurde, die ihr während des vorhergehenden Entladungsvorganges entnommen
wurde. Diese plötzliche Spannungsänderung kann, wie nachstehend noch näher erläutert
wird, auf verschiedene Weisen dazu ausgenutzt werden, den Aufladevorgang einer Sekundärbatterie
zu steuern.
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Die F i g. 3 und 4 geben jeweils eine schematische Darstellung
des Verhaltens der Platten X bzw. Y. Es sei zunächst einmal die Wirkungsweise der
Platte X näher erläutert: Die Platte wird ursprünglich oxydiert; eine Entladung
der mit der Zelle in Reihe geschalteten Batterie bewirkt infolge des inneren Widerstandes
und der Polarisation innerhalb der Zelle ein Absinken der Spannung von
0 auf A. Diese Spannung bleibt im wesentlichen so lange gleich, bis
die Entladung bei Punkt B zu Ende geführt ist, so daß das Potential auf
0 absinkt. Wird nun ein Aufladestrom aufgedrückt, so ruft dies eine ähnliche,
jedoch in umgekehrter Richtung verlaufende Spannungsänderung von 0 auf
C hervor, und während des Aufladens der Batterie bleibt die zwischen den
Platten anliegende Spannung bis zur Erreichung des Punktes D konstant; sobald
jedoch dieser PunktD erreicht ist, steigt die Spannung ganz plötzlich auf
E an, und die Sauerstoffentwicklung setzt ein. Das wesentliche Merkmal besteht
darin, daß die Abstände A-B und C-D annähernd gleich sind, und wenn der Abstand
A -B verringert oder vergrößert wird, so wird der Ab-
stand C-D ebenfalls
um einen annähernd gleichen Betrag verringert oder verlängert. Der Abstand A-B entspricht
der Reduktion des Kadmiumhydroxyds zu Kadmium, während der Abstand C-D für die Oxydation
des Kadmiums zu Kadmiumhydroxyd steht; der Abstand E-F dagegen steht für die Entwicklung
von Sauerstoff.
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Die in Fig. 4 veranschaulichte Wirkungsweise der Platte Y ist in mancher
Hinsicht genau das Gegenteil der Wirkungsweise der PlatteX. Der Abstand G-H steht
für die Oxydierung des Kadmiums zu Kadmiumhydroxyd; J-K entspricht der Reduktion
des Kadmiumhydroxyds zu Kadmium und L-M der Entwicklung von Wasserstoff. Auch hier
sind die Ab-
stände zwischen G-H, J-K, A-B und C-D annähernd gleich.
Die
Nettospannung, welche die Zelle in jedem Wirkungsabschnitt aufweist, ist gleich
der Summe
dieser Größen, entsprechend der Darstellung der Fig. 3 und
4, von Signalen einmal abgesehen. So beträgt z. B. der Abfall während des Entladens
der Batterie AO + OG. Bei einem mit der neuen Zelle durchgeführten
Laborversuch lag dieser Wert bei 0,1 Volt. Der hier angegebene tatsächliche
Wert ist jedoch insofern bedeutungslos, als er beliebig niedriger oder höher gelegt
werden kann, da ja, wie, ohne weiteres ersichtlich, die an einem derartigen System
anliegende Spannung um so kleiner wird, je schwächer der Strom und
je größer die wirksame Plattenfläche ist. Während des Aufladens der Batterie
beträgt die an dem Gerät anliegende Spannung ursprünglich JO + OC.
Da die Größe dieser Spannung außerdem von Strom und der wirksamen Plattenfläche
abhängt, kann sie durch entsprechende Konstruktion verhältnismäßig niedrig gehalten
werden. Im wesentlichen hängt die Spannung bei Beendigung des Aufladevorganges
jedoch von dem Sauerstoff-und Wasserstoffentwicklungspotential des Systems sowie
von der Größe des Stromes ab, und die Summe EO + OL ist infolgedessen
stets mindestens gleich 1,5 Volt und kann bis auf mehr als 2,0 Volt anstei--gen,
wenn die Stromdichte entsprechend hoch ist. Wie nachstehend noch näher beschrieben,
kann diese plötzlich eintretende Spannungsänderung zur Steuerung des Aufladevorganges
einer Batterie angewandt werden.
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Bei einer anderen in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform besteht die
erfindungsgemäße Zelle aus einer Anzahl von abwechselnd hintereinander angeordneten
Platten X und Y und einem jeweils zwischen den einzelnen Platten eingebrachten dünnen
Nylongewebe20 als Separator. Die Platten können aus einer entladenen -und auseinandergenommenen
alkalischen Speicherbatterie entnommen werden, die ein Sinterplatten-Nickel-Kadmium-Element
enthält, und bestehen aus einem porösen gesinterten Nickelträger 21, in dessen Poren
eine dünne Schicht Kadmiumhydroxyd 22 niedergeschlagen wurde. An die nüt X bezeichneten
Platten angeschweißte Metallfahnen 23 sind untereinander verbunden und an
einem mit 24 bezeichneten positiven Anschluß angeschlossen. Die mit Y bezeichneten
Platten sind in ähnlicher Weise miteinander verbunden und an dem necrativen Außenanschluß
25 angeschlossen. Die gesamte Plattenanordnung wird in einen äußeren Behälter
26 eingebracht, der aus einem mit alkalischen Substanzen nicht reagierenden
Material, wie Kunststoff, z. B. Nylon oder Metall, wie Nickel oder rostfreier Stahl,
besteht und in Form eines rechteckigen Körpers ausgebildet ist. Auf diesen Behälter
ist ein Deckel 27 aufgesetzt, durch den die elektrischen Anschlüsse 24 und
25 für die Platten hindurchgeführt sind und der außerdem eine Öffnung
28 aufweist, durch die einerseits der Elektrolyt 29 eingefüllt werden
kann und andererseits die während der ersten Aufladuno, entstehenden Gase entweichen
können.
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Sobald die Zelle dann zusammengebaut ist, wird so viel 20- bis
30 O/ciger KOH-Lösung in die Zelle eingegeben, daß der Separator 20 damit
durchtränkt wird, die in den Platten befindlichen Poren damit aufgefüllt werden
und die Flüssigkeit die Platten abdeckt. Zu diesem Zeitpunkt ist das aktive Material
an beiden Platten Kadmiumoxyd oder -hydroxyd. Dann wird der Strom in einer derartigen
Richtung durch C
die Zelle geschickt, daß dadurch das an der Platte Y befindliche
Material zu metallischem Kadmium reduziert und an der Platte X gasförmiger Sauerstoff
freigesetzt wird. Der auf diese Weise freigesetzte Sauerstoff kann durch die in
den Zellendeckel vorgesehene öffnung 28 nach außen entweichen. Ist nun genügend
Strom durch die Zelle geflossen, um das gesamte auf der Platte Y befindliche aktive
Material zu metallischem. Kadmium zu reduzieren, so wird der Stromfluß unterbrochen.
Auf diese Weise wurde in dieser Platte eine chemische Kapazität entwickelt, da höherwertiges
Nickeloxyd 5 bis 10 % Kadmium an der Platte Y entspricht. Dieser Zustand
kann jedoch ohne weiteres dadurch behoben werden, daß entweder die Zelle kurzgeschlossen
oder aber der Stromfluß in der Zelle so lange umgekehrt wird, bis die Zellenspannung
auf 0 absinkt. Im ursprünglich auf-Geladenen Zustand liegt also das gesamte
aktive Material der PlatteX in Form von Cd(OI-1)2 vor, während bei der Platte
Y 5 bis 10 1/o des aktiven Materials in Form von Cd(OH), und
der Rest in Form von Kadmium vorliegt. Das bedeutet also, daß, wenn eine Strommenge
in umgekehrter Richtung durch die Zelle geschickt wurde, welche der vorher in der
anderen Richtung durchgeschickten Strommenge gleich ist, eine Neigung zur Entwicklung
von Sauerstoff, jedoch nicht zur Entwicklung von Wasserstoff besteht, da an der
Platte Y noch immer einiges oxydiertes Material vorhanden ist. Dies ist, wie nachstehend
noch näher erläutert, von Vorteil.
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Anschließend wird die im Zellendeckel vorggesehene Öffnung verschlossen,
um das Eindringen von Sauerstoff zu verhindern, der sich ja sonst mit dem Kadmium
der Platte Y chemisch umsetzen und da durch Cd(OH), bilden und damit die Kapazität
weiter herabsetzen würde; außerdem soll aber auch gleichzeitig das Eindringen von
Kohlendioxyd verhindert werden, das eine Verunreinigung des Elektrolyten verursachen
würde. Hierauf ist die Zelle dann für die Steuerung des Aufladevorganges einer Batterie
einsatzbereit.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht dann, daß eine
hermetisch abgeschlossene sekundäre Alkalibatterie mit Nickel-Kadmium-Elementen
und mit einer Kapazität von annähernd 5 Amperestunden, wie sie häufig im
Satellitenbau Verwendung findet, entsprechend modifiziert wird. Zu diesem Zweck
werden in der Zelle die folgenden Veränderungen vorgenommen: i) Zunachst einmal
wird ein aus rostfreiem Stahl bestehendes Rohr mit einer Länge von 5,08 cm,
einem Außendurchmesser von 3,175 mm und einem Innendurchmesser von 1,5875mm
durch eine einen Durchmesser von 3,175 mm aufweisende, an einem Ende des
unteren Gehäuses einer Zelle ausgearbeitete Bohrung so weit in die Zelle eingeschoben,
daß das Rohr nicht mehr als 1,5875 mm in die Zelle hineinragt. Anschließend
wird das Rohr unter Zuhilfenahme eines Lichtbogenschweißverfahrens mit Argon als
Schutzgas festgeschweißt.
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ii) Dann wird an die Stelle der positiven Platte der Zelle eine negative
Platte gesetzt, welche aus einer zweiten ähnlichen Zelle entnommen wurde.
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iii) Schließlich wird zusätzlich zu dem normalerweise in hermetisch
abgeschlossenen Batterien verwendeten Elektrolyten noch mehr Elektrolytflüssie,
keit hinzugegeben, um zu gewährleisten, daß stets ausreichend freier, im flüssigen
Zustand befindlicher
Elektrolyt vorliegt, um somit den Widerstand
der Zelle auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Anschließend wird die Zelle, wie bereits
im Zusammenhang mit dem vorstehend beschriebenen Beispiel dargelegt, noch im einzelnen
fertiggestellt, und schließlich wird das Einfüllrohr verschlossen.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Platte X
aus einem inerten Metall, z. B. aus Platin, und die Platte Y aus dem gleichen Trägermetall
bestehen, auf dem jedoch ein Metall, wie Kupfer, niedergeschlagen wurde. Bei dem
Elektrolyten handelt es sich dann in diesem Fall um eine Kupferionen enthaltende
Lösung. Während der Entladung einer in Reihe mit der Zelle geschalteten Batterie
würde auf der Platte X metallisches Kupfer niedergeschlagen und von der Platte Y
gelöst. Während des Wiederaufladungsvorganges bleibt die Spannung so lange niedrig,
wie Kupfer auf der Platte X verbleibt. Eine plötzliche Änderung in der Potentialdifferenz
tritt dann ein, wenn sämtliches Kupfer von der PlatteX abgetragen ist und somit
die Entwicklung von Sauerstoff an der Platinelektrode einsetzt.
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Die baulichen Merkmale der Zelle sind in vieler Hinsicht denen der
bekannten Sekundärbatterien ähnlich-, der einzi-e wesentliche Unterschied liegt
darin, daß die positiven und negativen Elektrodensubstanzen bei Akkumulatoren derart
gewählt sind, daß ihre Spannung bei offenem und geschlossenem Stromkreis jeweils
möglichst hoch liegt, während die Platten für die Zwecke der vorlieerenden Erfindung
derart gewählt werden müssen, daß die Spannung bei offenem Stromkreis nur sehr niedrig
ist. Dies wird dadurch erreicht, daß für beide Platten das gleiche aktive Elektrodenmalterial
verwendet wird, wobei es an der einen Platte vorwiegend in seiner reduzierten und
an der anderen Platte vorwiegend in seiner oxydierten Form vorliegt. So bestand
die eine Platte bei den vorbesehriebenen Ausführungsbeispielen beispielsweise vorwiegend
aus in den Poren eines gesinterten Nickelträgers feinverteiltem Kadmiummetall, während
die andere Platte vorwiegend aus in den Poren eines gleichen gesinterten Nickelträgers
feinverteiltem Kadmiumoxyd oder Kadmiumhydroxyd bestand. Steuerung des Ladestromes
a) Bei der Aufladung mit konstantem Potential sind zwei Möglichkeiten denkbar. Wenn
der Spannungsregler derart eingestellt werden kann, daß innerhalb eines Bereiches
von 1,5 Volt gearbeitet wird, Sorbet die Zelle selbst für eine entsprechende
Steuerung, indem sie gewährleistet, daß bei Beendigung des Aufladevorganges die
gesamte elektromotorische Kraft in der Batterie und in der Zelle ausreichend hoch
ist, um eine Steuerung durch den Spannungsregler innerhalb desjenigen Temperaturbereiches
sicherzustellen, in dem die Batterie aufgeladen werden soll. Ist der Regler dagegen
nicht in der Lage, die erforderliche Steuerung"innr-rhalb des Bereiches bis
1,5 Volt durchzuführen, so können zwei mit der Batterie in Reihe geschaltete
derartige Zellen eingesetzt werden, um den Arbeitsbereich auf 3,0 Volt zu
erhöhen usw. Wahlweise kann die von der Zelle entwickelte Spannung auch mittelbar
zur Steuerung des Spannungsreglerrelais oder anderer äquivalenter Schaltmittel eingesetzt
werden, mit deren Hilfe der Ladestrom begrenzt oder abgeschaltet werden kann. Bei
einem derartioen Einsatz dient also die erfin-C dungsgemäße Zelle zur Ergänzung
von Spannungsreglern, beispielsweise in Fahrzeugen, und ermöglicht somit eine genauere
Steuerung des Aufladungsvorganges unabhängig von eventuell auftretenden Temperaturveränderungen.
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b) Beim Aufladen mit konstantem Strom hat es sich als zweckmäßig
erwiesen, einen elektronischen Stromkreis zum Einsatz zu bringen, der durch die
an der Zelle verfügbare Spannung gesteuert wird, so daß der verfügbare Ladestrom
teilweise oder, wenn notwendig, auch insgesamt umgeleitet werden kann, sobald die
Batterie den vollen Aufladungszustand erreicht hat. Ein derartiger Stromkreis, der
zur Steueruno, des Aufladevorganges von verschlossenen Nikkel-Kadmium-Batterien
durch Sonnenzellen für Zwecke der Satellitentechnik bestimmt ist, ist in Fig.
5 dargestellt. Bei einer derartigen Verwendung der erfindungsgemäßen Zelle
wurde bei der Entladung die Energie von einer Amperestunde aus der Batterie entnommen
und die Aufladung mit 0,4100 Ampere durchgeführt. Sobald bei dem Aufladevor--reicht
war, "ano, ein Wert von einer Amperestunde ei begann die Spannung in der Zelle anzusteigen.
Diese Sp annung wurde durch einen Transistor T, verstärkt und das so verstärkte
Signal zur Steuerung des Stromes durch den Transistor T, verwendet. Der Stromkreis
war dabei derart ausgelegt, daß, wenn die elektromotorische Kraft der Zelle
0,5 Volt betrug, der Transistor T, praktisch den gesamten Ladestrom führte
und durefi die Batterie kein Strom hindurchging. Ein wahlweise einsetzbarer Stromkreis
mit nur einem einzigen Transistor ist in Fig. 6 gezeigt. Bei diesem Stromkreis
erfolgt die Aufladung bei einem Wert von 2,5 Ampere so lange, bis die entnommene
Strommenge wieder ersetzt war, und zu diesem Zeitpunkt wurde dann der Strom auf
0,15 Ampere herabgesetzt.
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Mit Rücksicht darauf, daß die Ladekapazität eines Akkumulators im
allgemeinen, insbesondere, wenn der Aufladevorgang seinem Ende zugeht, keine
100 ()/o beträgt, erscheint es zweckmäßig, die Aufladung in einem etwas stärkerem
Maß durchzuführen als die Entladung. Deshalb ist es am besten, die erfindungsgemäße
Zelle in der Weise einzusetzen, daß sie den Strom auf einen noch sicheren ständiaen
Überladungswert begrenzt statt ihn vollständig abzuschalten. Dies läßt sich ohne
weiteres erreichen, Bei dem in den Zeichnungen dargestellten Schaltungen ist die
Zelle nämlich mit der Reihenschaltung des in den Fig. 5 und 6 mit
RB und DI3 bezeichneten Widerstandes und der Diode in Nebenschluß gelegt. Aufgabe
der Diode ist es, während der Entladung der Batterie einen Stromdurchgang durch
den WiderstandRB ZU verhindern (da dies zu Fehlmessungen der entnommenen
Strommenge führen würde). Bei zahlreichen Verwendungszwecken wäre die Anordnung
der DiodeDj3 gar nicht notwendig, da der wirksame Widerstand der Zelle wesentlich
kleiner wäre als derjenigevon RB, ausgenommen der Fall, in dem ein hoher Spannungsabfall
in der Zelle anzeigt, daß die Batterie vollständig aufgeladen ist. Dabei ist zu
bemerken, daß, nachdem der Spannungsabfall in der Zelle fast gleich 0 ist,
wenn die Batterie in einen offenen Stromkreis eingeschaltet ist, nur eine sehr geringe
oder gar keine Entladung des Gerätes durch RB bei offenem Stromkreis stattfindet,
ganz gleichgültig, ob eine Diode DB verwendet wird oder nicht. Der jeweils für RB
gewählte Wert richtet sich nach
der Art der zur Verwendung gelangenden
Batterie und nach der oberen Grenze der für den Betrieb der Zelle gewählten Spannung.
Ist beispielsweise bekannt, daß in der Praxis der überladungsstrom einer bestimmten
Batterie 0,1 Ampere beträgt und ist der Stromk.,reis derart, aufgelegt, daß
er maximal einen Anteil des Gesamtladestromes von 0,5 Ampere nebenschließt,
wenn die Meßspannung der Zelle 0,5 Volt beträgt, so würde ein angemessener
Wert für RB bei 5 Ohm lie 'gen. Es wird hierzu vorgeschlagen, die durch die
verschiedenen Zweige des Stromkreise-s fließenden Ströme wie folgt zu wählen: a)
annähernd 0,1 Ampere durch RB und die Batterie, b) annähernd 0,4 Ampere
durch den Transistor T., c) ein verhältnismäßig wesentlich niedrigerer Strom (beispielsweise
0,001 Ampere) durch die Zelle, d) ein schwacher Strom durch die :aus
R., T., und Ri bestehende Zweigleitung und e) verhältnismäßig schwache
Steuerströme für die Transistoren.
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Wie ohne weiteres ersichtlich, kann die elektronische Schaltung auf
die verschiedensten Weisen ausgelegt würden, um damit die gewünschte Strombegrenzun
herbeizuführen, vorausgesetzt, daß nur die an der Zelle anfallende Steuerspannung
abgr,-nommen werden kann. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei die Tatsache, daß
mit dieser Zelle eine einzigartige Möglichkeit zur Bestimmung desjenigen Zeitpunktes
gegeben ist, zu dem eine einem Auflade.-vorgang unterzogene Batterie annähernd ihre
volle Aufladung erreicht hat.
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Bei der Schaltung nach der F i g. 5 wurden gute Ergebnisse
mit folgenden Werten erzielt: Ri 3300 Q, R., 189,
RL Ladewiderstand,
RB den Betriebsbedingungen entsprechender Widerstand, T, Transistor, 2
N 188,
T,> Transistor, 2 N 1047, Di Silizumdiode
1 N 2071
DB den Betriebsbedingungen entsprechende Siliziumäiode, S,
Lastschalter, X Platte X, Y Platte Y. Für den Stromkreis nach der
F i g. 6 wurden gute Ergebnisse mit folgenden Werten erzielt: T, Transistor
2 N 627,
RB 0,5 Q, DB Transistor 2 N 278 mit verkürztem
Emitter-Kollektor-Abstand. Bei der Konstruktion einer Zelle ist darauf zu achten,
daß die gesamte verfügbare elektrische, Kapazität der Zelle mindestens der elektrischen
Kapazität der Batterie oder aber dem zum Einsatz gelangenden Anteil der Batterickapazität
gleich ist, um auf diese Weise eine möglichst genaue Messung der bei der Entladung
entnommenen Strommenge zu gewährleisten. Des weiteren ist es auch von ganz wesentlicher
Bedeutung, daß bei der Aufladung und Entladung der Zelle bei den für die zu steuernde
Batterie erforderlichen Werten nur eine geringe Polarisation eintritt
(d. h., daß die Summa AO + OG und JO -'- OC klein
sein muß). Des weiteren sind auch noch andere Änderungen und Vorteile erzielbar.
Da es sich mit Ausnahme des voll aufgeladenen Zustandes bei der Zelle im wesentlichen
um einen Nullspannungs-Akkumulator handelt, kann davon ausgegangen werden, daß das
Verhalten der erfindungsgemäßen Zelle demjenigen der von ihm zu steuernden Batterie
näherkommt, als dies bei im Festzustand befindlichen und anderen nicht elel"trochemisdh
wirksamen Geräten der Fall sein würde. Bei Verwendung der im Zusammenhang
mit
den Fig. 5 und 6 beschriebenen Schaltungen läßt sich noch ein weiterer
Vorteil erzielen. Die von der Zelle entwickelte maximale Spannung kann ohne weiteres
auf beispielsweise 0,5 Volt, d. h. also auf eine Spannung begrenzt
werden, bei der keine Gasentwickluna eintreten kinn. Um weiter zu gewährleisten,
daß innerhalb der Zelle keinerlei Gasentwicklung stattfindet, erscheint es zweckmäßig,
derart vorzugehen, daß sich zunächst einmal das gesamte aktive Material der einen
Platte im oxydierten Zustand befindet, während an der anderen Platte eine gleiche
Menge aktiven Materials im reduzierten Zustand gegeben ist, zu dem noch
5 bis 10 1/o ebenfalls ün oxydierten Zustand befindliches überschüssiges
aktives Material hinzukommt. Dadurch wird verhindert, daß bei überladung eine Wasserstoffentwicklung
einsetzt, da zunächst einmal das überschüssige oxydierte Material reduziert wird.
Bei anderen Zellen wiederum ist es zweckmäßig, wenn zunächst einmal das gesamte
aktive Material der einen Platte reduziert und eine gleiche Menge des aktiven Materials
der anderen Platte oxydiert und gleichzeitig 5 bis 10 1/o überschüssigen
aktiven Materials reduziert wird. Unter diesen Umständen kann nämlich die
erfindungsgemäße Zelle hermetisch abgeschlossen und zusammen mit ebenfalls
abgeschlossenen Batterien auch bei vermindertem Außendruck, beispielsweise un Satellitenbau
eingesetzt und betrieben werden.
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Wie für Fachleute ohne, weiteres ersichtlich, können außer den vorstehend
beschriebenen Elektrodensystemen auch noch andere Systeme in einer derartigen Zelle
Verwendung finden. So kann in der Praxis für die Zwecke der vorliegenden
Erfindung praktisch jede beliebige Elektrode. Verwendung fin-
den, wie sie
ganz allgemein auch in anderen Akkumulatoren verwendet wird bzw. verwendet werden
kann. Eine teilweise Aufstellun g von jeweils zwei zusarnmengehörigen Elektroden
und deren Reaktion während des Entladungs-, Aufladungs- und Überladungsvorganges
ist in der Tabelle unter gleichzeitiger Angabe der damit verwendbar-en Elektrolyten
aufgeführt. Dabei wird vorgeschlagen, für die erfindungsgemäßen Zwecke Akkumulatorenelektroden
im Hinblick darauf einzusetzen, daß a) der Lade- bzw. Entladevorgang umkehrbar sein
soll,
b) eine große Kapazität pro Gewichtseinheit und Volumen erzielt
werden soll, c) in manchen Fällen die Möglichkeit ge.Oleben sein soll, Strom mit
hoher Geschwindigkeit, aber mit geringer Polarisation aufzunehmen.
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Soll nun die Erfindung für solche, Stromkreise verwendet werden, bei
denen die von der Zelle, entwikkelte Spannung auf jeden Fall auf solche Werte zu
beschränken ist, unterhalb deren auch bei einer überladung keine Gasentwicklung
oder keine andere sekundäre Reaktion eintreten karin (wie es beispielsweise
bei
der Verwendung für hermetisch verschlossene Batterien der Fall ist), so kann jedes
beliebige aufgeführte System zum Einsatz gebracht werden. Erscheint jedoch eine
derartige Beschränkung für das System nicht erforderlich (was beispielsweise für
normale Fahrzeuge gilt, bei denen ja belüftete Batterien verwendet werden), so kann
die Aufstellung der Tabelle auf solche Systeme beschränkt werden, in denen das verwendete
Metall jeweils nur zwei voneinander abweichende Wertigkeitszustände aufweist. Als
Beispiele für derartige Systeme sei auf die Beispiele (1.), (4) und
(7) der Tabelle verwiesen. Die übrigen Systeme würden nämlich nicht umkehrbar
integrieren, wenn die Spannung wie bei den vorstehend beschriebenen Beispielen sich
bei überladun- unkontrolliert verändern kann, und sie würden außerdem eine elektrische
Restkapazität wie Batterien entwickeln und bei offenem Stromkreis eine von Null
stark abweichende Spannung aufweisen. Dadurch, daß die Zelle mit einem entsprechend
gewählten Widerstand oder mit einem mit einer Diode kombinierten Widerstand, wie
z. B. Ru oder R" + D,9 (F i g. 5), überbrückbar ist, kann
jedoch die Zellenspannun 'g entsprechend begrenzt werden, so daß für
sämtliche Verwendungszwecke all die in der Tabelle aufgeführten Systeme Anwendung
finden können. In diesem Fall errechnet sich der Wert des Widerstandes aus dem Verhältnis
der gesamten in der Zelle bei überladung zulässigen Spannung zu dem mit dem Ladestrom
erzielbaren Maximalstrom.
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Eine besondere Anwendungsmöglichkeit einer eine geringere Kapazität
aufweisenden Ausführungsform einer Zelle, bei der ein Metall von der einen auf die
andere Elektrode übertragen und niedergeschlagen wird, sei nachstehend näher beschrieben.
Zink-Quecksilber-Primär-Elemente lassen sich bekanntlich auch über längere Zeiträume
hinweg außerordentlich gut lagern und haben außerdem bei offenem Stromkreis eine
sehr stabile Spannung. Es bedarf nunmehr einer wenig kostspieligen Zelle, welche
anzeigt, wann derartige Batterien einen großen Teil ihrer Nutzladung im Wege einer
normalen Entladung abgegeben haben, um auf diese Weise zu verhindern, daß noch brauchbare
Batterien anläßlich normaler Wartungsprüfungen weggeworfen werden. Bei einem derartigen
Verwendungszweck müßte die Platte X eine beispielsweise aus Kupfer bestehende Metallmenge
aufweisen, welche annähernd 75 % der Kapazität des damit in Reihe geschalteten
Primärelements entspricht. Während der Entladung der Batterie würde das Kupfer von
dieser Platte aboetragen und auf der Platte Y niedergeschlagen, und die Spannung
würde so lange niedrig bleiben, als noch Kupfer auf der Platte X verbleibt. Das
Ende der Lebensdauer der Batterie würde durch einen plötzlichen Spannungsanstieg
oder durch einen Abfall der gesamten Batteriespannung (entsprechend der an der Platte
X während der normalen Entladung der Batterie stattfindenden Sauerstoffentwicklung)
angezeigt. (Selbstverständlich könnte die Zelle dann in der Praxis kurzgeschlossen
und die Batterie weiter gebrauchsfähig gemacht werden, wobei dann die Batterie jedoch
zu einem gegebenen Zeitpunkt ausgetauscht werden sollte, nachdem die Aufgabe der
Zelle erfüllt ist, welche darin besteht, das herankommende Ende der Lebensdauer
einer Batterie anzuzeigen.) Eine wahlweise verwendbare elektrolytische Zelle, welche
noch weniger kostspielig ist als die vorstehend beschriebene Zelle, bei der es sich
bei dem von einer auf die andere Elektrode niedergeschlagenen Material um Kupfer
handelt, ist eine Zelle, bei dem als aktives Elektrodenmaterial Zink oder amalgamiertes
Zink Verwendung findet. Der Aufbau einer derartigen Zelle ist ähnlich derjenigen
eines Zink-Quecksilberoxyd-Eicments, mit Ausnahme dessen, daß das positive aktive
Material (nämlich Hg0) wegfällt. Die zur Anwendung gelangende Zinkmenge entspricht
beispielsweise annähernd 75 % der Kapazität des mit der Zelle -in Reihe zu
schaltenden Primärelements. Bei dem Elektrolyten handelt es sich um neutrale oder
alkalische Ammoniumsalze oder um KOH + Zn0. Die während der Entladung des
Primärelements an der Platte X stattfindende Umsetzung verläuft nach der Gleichung
Zn --> Zn0, -, wobei an der Platte Y Zink niedergeschlagen wird. Nähert
sich allmählich der Zeitpunkt, zu dem die Lebensdauer der Batterie erschöpft ist,
so wird dies durch eine plötzlich an der elektrochemischen Zelle auftretende Spannungsänderung
angezeigt, die sich dann bemerkbar macht, wenn das Zink der Platte X vollständig
aufgebraucht ist, so daß die Entwicklung von Sauerstoff einsetzt. Verwendung zur
Bestimmung des »Ladungszustandes« Bis zum heutigen Tag gab es noch kein zufriedenstellendes
Verfahren, mit dessen Hilfe der »Ladungszustand« von Nickel-Kadmium-Batterien hätte
bestimmt werden können, da sowohl die in der Elektrolytkonzentration als auch in
der Spannung bei offenem Stromkreis beim Übergang der Batterie vom voll aufgeladenen
bis zum fast vollständig entladenen Zustand eintretenden Veränderungen nur sehr
geringfügig sind. Das geeignetste ausfindig gemachte Verfahren bestand bisher darin,
die vollständige Entladung einer Batterie herbeizuführen und die Batterie dann wieder
ganz aufzuladen, jedoch ist dies ein sehr umständliches Verfahren.
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Eine Ausführungsform der vorstehend beschriebenen neuartigen Zelle
kann nun auch zu dem Zweck eingesetzt werden, eine annähernde Anzeige des Ladezustandes
einer Nickel-Kadmium-Batterie zu geben und gleichzeitig den überladungsstrom zu
steuern. Die erfindungsgemäße Zelle besteht zu diesem Zweck aus mindestens zwei
mit X und Y bezeichneten Elektroden oder Platten sowie aus einem entsprechenden
Behälter, geeigneten nach außen füh-
renden Anschlüssen, einem entsprechenden
Elektrolyten, entsprechend gewählten Separatoren usw. Als aktives Material kommt
eine Substanz in Frage, deren Potential sich in dem Maß ständig verändert, in dem
der durchschnittliche Oxydationszustand des aktiven Materials infolge des Stromdurchlaufes
durch die Zelle verändert wird. Ist die Zelle mit der Batterie in Reihe geschaltet
und handelt es sich bei dem durch die Zelle fließenden Strom um den aus der Batierie
entnommenen Entladestrom, so ist die Potentialdifferenz der Zelle bei offenem Stromkreis
ein Maß für den jeweiligen Ladungszustand der Batterie. Selbstverständlich kann
die Zelle außerdem gleichzeitig auch ihre in der Steuerung des überladestromes bestehende
Aufgabe erfüllen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das
Trägermaterial aus einem stark porösen Nickelmetall und die darin und auf den Porenoberflächen
verteilten aktiven Substanzen aus elektrochemisch
aktiven Man-,anoxyden;
bei dem aktiven Material der PlatteX handelt es sich vorwiegend um zweiwertiges
oder dreiwertiges Mangan und bei der Platte Y vorwiegend um dessen höherwertige
Formen, dir- an der geladenen Mangandioxydelcktrode vorliegen. Die elektrochemische
Kapazität der Platten X bzw. Y entspricht annäherungsweise derjenigen der
Batterie, mit der zusammen das Gerät zur Anwendung gelangen soll. Als Elektrolyt
wird eine neutrale oder alkalische Lösung, beispielsweise KOH, gewählt.
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Beim betriebsmäßigen Einsatz wird die Zelle derart mit der Batterie
in Reihe geschaltet, daß der durch die Zelle und die Batterie hindurchaehende Stromfluß
während einer normalen Entladuna und Aufladung der gleiche ist. Die Wirkungsweise
ist in F i g. 7 näher dargestellt.
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Der auf der Abszisse von der 100-%-Marke links angegebene Bereich
entspricht dem überladungszustand der Zelle (und der Batterie), bei dem an der Platte
Y Sauerstoff -und an der Platte X Wasserstoff frei wird. Der auf der Abszisse rechts
vom 0-%-Wert angegebene Bereich dagegen entspricht einer übermäßigen Entladung,
bei der an der Platte X Sauerstoff und an der Platte Y Wasserstoff frei wird. Zwischen
den Werten von 100 und 0 % liegende Punkte entsprechen jeweils einem
größer werdenden Anteil an zwei- oder dreiwertigem Mangari an der Platte Y und einem
geringer werdenden Anteil an zwei- oder dreiwertigem Mangan an der Platte
X. Die mit einem Spannungsmesser mit in der Mitte angegebenem Nullpunkt zwischen
den Platten X und Y gemessene Spannung stellt jeweils eine Anzeige für den Ladungszustand
dar, wobei die Spannung bei voller Aufladung bei einem Maximalwert, bei etwa 50%iger
Aufladung bei 0 und bei vollständiger Entladung bei einem Mindestwert liegt
und sämtliche zwischen 0
und 100 % vor-enomTnenen Ablesungen bei offenem
Stromkreis vorgenommen werden. Typische Werte der Höchst- und Mindestspannung liegen
bei plus bzw. minus 0,1 Volt. Innerhalb der eine überladung bzw. eine übermäßige
Entladung erfassenden Bereiche wird die Ablesung der Spannung bei konstantem Stromdurchfluß
durch die Zelle vorgenommen. Die Kapazität der Zelle muß nicht unbedingt mit derjenigen
der Batterie identisch sein, da die Abweichungen der einzelnen Zellen einer Batterie
voneinandor mehr als + 10 % betragen können. Trotzdem ist es zweckm- ig,
eine weitere Reduktion des zweiwertigen Nickels und eine weitere Wasserstoffentwicklung
an der Platte X bei einer überladung und an der Platte Y bei einer übermäßigen Entladung
möglichst zu verhindern. Dies kann ohne weiteres dadurch erreicht werden, daß entsprechend
der Darstelluno, der Fig. 8 zwei umgekehrt gepolte Dioden parallel zu der
Zelle geschaltet werden. überschreitet .nun die an der Zelle anfallende Spannung
bei einer Überladung die Durchlaßspannung der Diode D 2 (annähernd
0,3 bis 0,6 Volt), so fließt ein großer Teil des überladungsstromes
anstatt durch die Zelle durch diese Diode. überschreitet dagegen die Zellenspanming
bei einer übermäßigen Stromentnahme die Durchlaßspannung der Diode D., so
fließt ein großer Teil des übermäßiaen Entladungsstromes durch D
C,
C V
Während der normalen Aufladungs- und Entladungs-C vorgänge ist die an
der Zelle anfallende Spannung C ZD C
jedoch im Vergleich zu der Batteriespannung
stets verhältnismäßig klein.