DE2254207B1 - PROCEDURE FOR INDICATING THE CHARGE STATE OF ELECTRIC ACCUMULATORS - Google Patents

PROCEDURE FOR INDICATING THE CHARGE STATE OF ELECTRIC ACCUMULATORS

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Description

3 43 4

der innerhalb des Porensystems der Separatoren und Temperatur, bei der dieser Vorgang einsetzt, wird alsthat within the pore system of the separators and the temperature at which this process begins is called

Elektroden festgelegt ist. Taupunkt bezeichnet. Am Taupunkt ist die Atmo-Electrodes is set. Called dew point. At the dew point, the atmosphere

Aus den vorhergehenden Ausführungen ist ersieht- sphäre in unmittelbarer Nähe des Probekörpers waslich, daß in Akkumulatoren mit festgelegtem Elek- serdampfgesättigt. Bei jeder Temperatur gibt es eine trolyten die Konzentrationsmessung in der geschil- 5 ganz bestimmte Taupunktskurve in Abhängigkeit, derten Weise nicht möglich ist. Andererseits ergibt von der Konzentration des Elektrolyten. Durch die sich daraus die Aufgabe, den Ladezustand auch bei Messung des Taupunktes und der wirklichen Tempeden gas- und flüssigkeitsdichten Akkumulatoren zu ratur der Zelle ist also die Konzentration des Elek verfolgen, denn derartige Akkumulatoren werden trolyten eindeutig bestimmt und somit auch der La sehr oft in nicht tagtäglich benutzten Geräten ver- io dezustand zu bestimmen, wendet. Eine andere Möglichkeit zur Bestimmung desFrom the preceding statements it can be seen - sphere in the immediate vicinity of the test specimen, that in accumulators with fixed electric vapor saturated. There is one at every temperature trolyten the concentration measurement in the depicted 5 very specific dew point curve as a function of the other way is not possible. On the other hand, it depends on the concentration of the electrolyte. Through the from this the task, the state of charge even when measuring the dew point and the real tempeden Gas- and liquid-tight accumulators at the temperature of the cell is the concentration of the elec track, because such accumulators are clearly determined trolytes and thus also the La very often in devices that are not used every day to determine the bad state, turns. Another way to determine the

Die Lösung dieser Aufgabe gelang durch die Fest- Wasserdampfpartialdrucks bieten die Hygrometer,The solution to this problem was achieved through the fixed water vapor partial pressure offered by the hygrometers,

stellung, daß der Wasserdampfpartialdruck, der sich Das sind quellbare Körper, die in Abhängigkeit vonposition that the water vapor partial pressure, which are swellable bodies, which are dependent on

in einem derartig abgeschlossenen Zellsystem ein- dem Wasserdampfpartialdruck der umgebenden At-in such a closed cell system one to the water vapor partial pressure of the surrounding atmosphere

stellt, ein gutes Maß für die Konzentration des Elek- 15 mosphäre ihre Gestalt ändern. Eine wesentliche Be-represents a good measure of the concentration of the elec- tronium changing shape. A major concern

trolyten und damit auch für den Ladezustand ist. schränkung erfährt die Auswahl von Hygrometerntrolyten and thus also for the state of charge. The selection of hygrometers is limited

Man kann also den Wasserdampfdruck messen und jedoch durch die Nebenbedingung, daß die Materia-So you can measure the water vapor pressure and, however, by the secondary condition that the material

den Meßwert als Charakteristikum des Ladezustan- lien gegenüber der korrodierenden Wirkung desthe measured value as a characteristic of the state of charge versus the corrosive effect of the

des benutzen. Elektrolyten resistent sein müssen. So ist z.B. dieuse the. Electrolytes have to be resistant. For example, the

Allerdings ist der Dampfdruck des Elektrolyten 20 Verwendung von Haarhygrometern in schwefelsau-However, the vapor pressure of the electrolyte is 20 using hair hygrometers in sulfuric acid

bei gegebener Konzentration temperaturabhängig. ren Akkumulatoren wegen der zerstörenden Wirkungtemperature-dependent at a given concentration. ren accumulators because of the destructive effect

Somit muß zusätzlich zum Wasserdampfdruck die üblicherweise auftretender Schwefelsäurenebel kaumThus, in addition to the water vapor pressure, there is hardly any need for the sulfuric acid mist that usually occurs

Temperatur gemessen werden. In weiten Tempera- möglich.Temperature can be measured. Possible in a wide range of temperatures.

turbereichen kann die Temperaturabhängigkeit des Als besonders geeignet haben sich Hygrometer erDampfdrucks bei vorgegebener Konzentration durch 25 wiesen, bei denen als aktives Element Ionenaustaudas Clausius-Clapeyronsche Gesetz dargestellt wer- schermaterial, besonders in Form eines Ionenaustauden, wonach der Differentialquotient des Logarith- schermembranstreifens, verwendet wird, mus des Dampfdrucks nach der reziproken Tempera- Es wurde nun gefunden, daß derartige Ionenaustur eine Konstante ist. Bei nicht zu großem Tempera- tauscher, insbesondere in Form von Ionenaustauturintervall kann diese Beziehung linearisiert werden. 30 schermembranen, auch zur Konzentrationsmessung Aus der Kenntnis dieses Gesetzes folgt die Möglich- eines Elektrolyten durch Anbringung im Gasraum keit, durch Messung des Dampfdrucks und der Tem- oberhalb der Elektrolytflüssigkeit von Akkumulatoperatur die Konzentration des Elektrolyten und da- ren benutzt werden können. Die Membran nimmt mit den Ladezustand zu bestimmen. aus der umgebenden Atmosphäre so viel Wasser un-The temperature dependence of the hygrometer has proven to be particularly suitable at a given concentration by 25, in which ion exchanges as the active element Clausius-Clapeyron's law represented by shear material, especially in the form of an ion exchange, according to which the differential quotient of the logarithmic membrane strip is used, It has now been found that such an ion exchange is a constant. If the temperature exchanger is not too large, especially in the form of the ion exchange interval this relationship can be linearized. 30 shear membranes, also for concentration measurement Knowing this law makes it possible to install an electrolyte in the gas space by measuring the vapor pressure and the temperature above the electrolyte liquid of accumulator operation the concentration of the electrolyte and it can be used. The membrane takes with to determine the state of charge. so much water from the surrounding atmosphere

Bei den meisten technischen Ausführungsformen 35 ter Änderung ihrer inneren Konzentration auf, bis ihrIn most technical embodiments, their inner concentration changes until their

von Akkumulatoren ist die Zelle in einem isolieren- Dampfdruck mit dem Dampfdruck der Elektrolyt-of accumulators, the cell is in an isolating vapor pressure with the vapor pressure of the electrolyte

den Gefäß untergebracht. Daraus folgt, daß im allge- flüssigkeit übereinstimmt. Auch hierbei wird derhoused the vessel. From this it follows that in general fluency coincides. Here too, the

meinen der gesamte Zellraum mit den einzelnen Bau- Temperatureinfluß zum wesentlichen Teil selbsttätigmean the entire cell space with the individual building temperature influences to a large extent automatically

teilen ein isothermes System darstellt. Man kann des- kompensiert, denn die Temperaturabhängigkeit desshare represents an isothermal system. One can compensate, because the temperature dependence of the

halb die Temperatur sowohl auf den Elektroden als 4° Dampfdrucks der Membranflüssigkeit bei konstanterhalf the temperature both on the electrodes and 4 ° vapor pressure of the membrane liquid at constant

auch im gaserfüllten Teil messen. Elektrolytkonzentration in der Membran hat etwaalso measure in the gas-filled part. Electrolyte concentration in the membrane has about

In hermetisch verschlossenen Zellen ändert sich denselben Verlauf wie die Temperaturabhängigkeit der Gesamtdruck während des Betriebes. Er kann je des Dampfdrucks des Elektrolyten. Wenn also Isonach Konstruktion bei starker Überladung eine oder therme im Gasraum wie im übrigen Zellgefäß mehrere Atmosphären betragen. Man könnte vermu- 45 herrscht, kann der Quellzustand der Membran bei ten, daß dadurch die Konzentrationsbestimmung entsprechender Auswahl des Membranmaterials unüber den Wasserdampfdruck beeinflußt würde. Das mittelbar als Maß für die Konzentration und damit ist jedoch nicht der Fall, denn, da die einzelnen Bau- als Maß für den Ladezustand genommen werden, teile mit dem Gasraum ein isothermes System dar- Wie bei den Konzentrationsmeßelementen zur Anstellen, ist der Wasserdampfpartialdruck stets im 50 zeige des Ladezustands innerhalb der Elektrolyt-Gleichgewicht mit dem Elektrolyten und daher eine phase verwendet man zweckmäßigerweise auch im Funktion der Konzentration bei der jeweiligen Tem- Gasraum einen Ionenaustauschermembranstreifen, peratur. der am einen Ende fixiert ist und dessen anderesIn hermetically sealed cells, the same course changes as the temperature dependence the total pressure during operation. It can depend on the vapor pressure of the electrolyte. So if Isonach In the event of severe overloading, one or therme in the gas space as in the rest of the cell vessel several atmospheres. One could presume that the swelling state of the membrane can prevail th that thereby the determination of the concentration of the appropriate selection of the membrane material unüber the water vapor pressure would be affected. That indirectly as a measure of concentration and thus is not the case, however, because, since the individual structural dimensions are taken as a measure of the state of charge, share an isothermal system with the gas space - As with the concentration measuring elements for switching on, the water vapor partial pressure is always in the 50 show the state of charge within the electrolyte equilibrium with the electrolyte and therefore a phase is expediently also used in Function of the concentration at the respective temperature gas space an ion exchange membrane strip, temperature. which is fixed at one end and the other

Die Messung der Temperatur einer Akkumulator- Ende unter dem Einfluß einer Federspannung in zelle ist jedem Fachmann geläufig. Quecksilber- 55 konzentrationsabhängiger Weise sich relativ zum anThermometer, Widerstands-Thermometer, Dampf- dem Ende bewegt. Die Lageänderung des freien Endruck-Thermometer und Thermoelement sind nur des wird mit optischen und mechanischen oder elekeinige Beispiele aus der Reihe von Temperaturmeß- trischen Methoden ausgemessen, wobei die Meßskala geräten, die es in allen Formen zur Lösung praktisch zugleich in Einheiten der Konzentration oder in Einbeliebiger Meßprobleme gibt. Auch die Messung des 60 heiten des Ladezustandes der Batterie kalibriert sein Wasserdampfpartialdrucks ist dem Fachmann geläu- kann. Sehr einfach ist die Anzeige mit Hilfe des Bifig. So gibt es z. B. Geräte zur Feststellung des Tau- membranstreifens. Bei diesem wird das eine Ende fipunktes eines wasserhaltigen Gases. Bei der Tau- xiert unter gleichzeitiger Festlegung der Tangente im punktmessung wird die Temperatur eines Probekör- Fixpunkt. Da ein solcher Bimembranstreifen immer pers so weit erniedrigt, bis Wasserkondensation an 65 einen Kreisbogen beschreibt, ändert sich der Radius seiner Oberfläche eintritt, die sich durch Änderung dieses Kreisbogens, den man als Maß für den Ladeder optischen, elektrischen oder thermischen Eigen- zustand nehmen kann. Man kann jedoch auch die schäften des Probekörpers bemerkbar macht. Die Position des freien Endes des Bimembranstreifens,The measurement of the temperature of an accumulator end under the influence of a spring tension in cell is familiar to every person skilled in the art. Mercury- 55 concentration-dependent way relative to the thermometer, Resistance thermometer, steam-moved to the end. The change in position of the free final pressure thermometer and thermocouples are only used with optical and mechanical or electronic ones Examples from the series of temperature-measuring methods measured with the measuring scale devices that can be used in all forms practically at the same time in units of concentration or in one arbitrary There are measurement problems. The measurement of the 60 units of the state of charge of the battery can also be calibrated The person skilled in the art is familiar with the water vapor partial pressure. The display is very easy with the help of the Bifig. So there are z. B. Devices for determining the membrane strip. With this one end becomes fipoint a water-containing gas. In the case of tau- xed with simultaneous definition of the tangent in the point measurement is the temperature of a specimen fixed point. Since such a bimembrane strip always pers lowered until water condensation at 65 describes an arc, the radius changes its surface occurs, which is changed by changing this circular arc, which is used as a measure for the loading spring optical, electrical or thermal state of its own. However, you can also use the Shafts of the test specimen makes noticeable. The position of the free end of the bimembrane strip,

das in Abhängigkeit der Konzentration eine bestimmte Ortskurve beschreibt, zur Charakterisierung der Konzentration und des Ladezustandes benutzen. Es hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, das eingespannte Ende am Zellgehäuse zu fixieren und das freie Ende über eine in einem durchsichtigen Gehäuseteil eingeprägte Skala streichen zu lassen. Diese Skala kann im Konzentrations- oder Ladezustandsmaß kalibriert sein. which describes a specific locus depending on the concentration, for characterization the concentration and the state of charge. It has been found to be particularly useful that the to fix the clamped end to the cell housing and the free end over a in a transparent housing part to have the embossed scale crossed out. This scale can be calibrated in terms of concentration or state of charge.

In vielen Fällen möchte man jedoch den Meßwert des Ladezustandes nicht an der Batterie selbst, sondern außerhalb, auf einer Schalttafel z.B. oder in einer Meßwarte, ablesen können. In diesem Fall kann man die Bewegung des freien Endes eines Ionenaustauschermembranstreifens in an sich bekannter Weise optisch oder magnetisch abtasten und den Meßwert nach einer eventuellen Verstärkung in an sich bekannter Weise anzeigen.In many cases, however, you do not want the measured value of the state of charge on the battery itself, but rather outside, on a control panel, for example, or in a control room. In this case one can see the movement of the free end of an ion exchange membrane strip in a per se known Way, optically or magnetically and the measured value after a possible amplification in show in a known manner.

Claims (8)

1 2 metallischem Blei, die positiven Elektroden aus Blei-Patentansprüche: dioxid. In diesem Zustand hat die als Elektrolyt dienende Schwefelsäure ihre höchste Konzentration, die1 2 metallic lead, the positive electrodes from lead claims: dioxide. In this state, the sulfuric acid serving as the electrolyte has its highest concentration, the 1. Verfahren zur Anzeige des Ladezustandes sich während einer weiteren Stromzuführung nur von elektrischen Akkumulatoren, in denen die 5 noch dadurch ändern kann, daß Wasseranteile in Beschaffenheit des Elektrolyten sich mit dem La- Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt werden und den dezustand ändert, insbesondere bei Akkumulato- Akkumulator als Gase verlassen.1. Procedure for displaying the state of charge during a further power supply only of electrical accumulators, in which the 5 can still change by the fact that water shares in The nature of the electrolyte is decomposed with the La, oxygen and hydrogen destatus changes, especially when leaving accumulators as gases. ren, deren Elektrolyt in einem Anteil des Kapil- Im entladenen Zustand besteht die aktive Masse in larsystems von Separatoren und Elektroden fest- beiden Elektrodenarten aus Bleisulfat. Dieser Zugelegt ist, dadurch gekennzeichnet, io stand wird unter Verringerung der Schwefelsäuredaß der Wasserdampfpartialdruck im gaserfüllten konzentration des Elektrolyten erreicht. Je stärker Teilraum eines Zellgefäßes als Maß für den La- der Akkumulator entladen ist, desto geringer ist die dezustand bestimmt wird. Konzentration des schwefelsauren Elektrolyten.Ren, whose electrolyte is in a portion of the cap- In the discharged state, the active mass consists in larsystems of separators and electrodes fixed - both types of electrodes made of lead sulfate. This added is characterized in that io stand is reduced by reducing the sulfuric acid the water vapor partial pressure in the gas-filled concentration of the electrolyte is reached. The stronger Subspace of a cell vessel as a measure of the charge the accumulator is discharged, the lower the state is determined. Concentration of the sulfuric acid electrolyte. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- Es ist durch den Anmelder bereits bekanntgeworkennzeichnet, daß der Wasserdampfpartialdruck 15 den (deutsche Patentschrift 2 057 097), die Elektroin an sich bekannter Weise durch Messung des lytkonzentration zur Anzeige des Ladezustandes ausTaupunktes bestimmt wird. zunutzen, indem man z. B. mit Hilfe einer in den2. The method according to claim 1, characterized in that it is already known by the applicant, that the water vapor partial pressure 15 den (German patent specification 2 057 097), the Elektroin in a manner known per se by measuring the lyt concentration to display the state of charge from the dew point is determined. benefit by z. B. with the help of one in the 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- flüssigen Elektrolyten eintauchenden Ionenaustaukennzeichnet, daß der Wasserdampfpartialdruck schermembran dessen Konzentration mißt. Dieses mit Hilfe ernes Hygrometers in an sich bekannter 20 Verfahren bewährt sich bei allen Akkumulatoren, die Weise bestimmt wird. eine freie, flüssige Elektrolytphase besitzen. In ver-3. The method according to claim 1, characterized in liquid electrolyte immersing ion exchange, that the water vapor partial pressure shear membrane measures its concentration. This with the help of a hygrometer known per se has proven itself in all accumulators that Way is determined. have a free, liquid electrolyte phase. In ver 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, schiedenen technischen Varianten werden reversibel dadurch gekennzeichnet, daß als Hygrometer ein quellende Ionenaustauschermembranstreif en in den reversibel quellbarer Körper eingesetzt und seine Elektrolyten einer Akkumulatorenzelle eingetaucht, lineare, flächenhafte oder räumliche Dimension as Der Quellzustand ändert sich mit der Konzentration bestimmt wird. des Elektrolyten. Man mißt ihn an der Änderung4. The method according to claims 1 and 3, different technical variants are reversible characterized in that a swelling ion exchange membrane strip as a hygrometer in the reversibly swellable body inserted and its electrolytes immersed in a battery cell, linear, two-dimensional or spatial dimension as the source state changes with concentration is determined. of the electrolyte. You measure him by the change 5. Verfahren nach den vorhergehenden An- einer räumlichen, flächenhaften oder linearen Disprüchen 1,2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß mension, die damit ein Maß für die Konzentration die vom Wasserdampfpartialdruck abhängige des Elektrolyten und des Ladezustandes ist. Beson-Länge eines Ionenaustauschermembranstreifens 30 ders in der Form eines Ionenaustauschermembrangemessen wird. Streifens oder eines Bimembranstreifens, bestehend5. Method according to the preceding an a spatial, areal or linear disagreement 1, 2 and 4, characterized in that dimension, which is a measure of the concentration that of the electrolyte and the state of charge is dependent on the water vapor partial pressure. Beson length an ion exchange membrane strip 30 in the form of an ion exchange membrane will. Strip or a bimembrane strip, consisting 6. Verfahren nach den vorhergehenden An- aus einem quellbaren und einem wenig oder gar nicht Sprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage- quellbaren Streifen nach Art eines Bimetallstreifens, änderung eines aus einem stärker und einem ließen sich eine Reihe technisch interessanter Ausschwächer oder gar nicht quellbaren Streifen be- 35 führungsformen zur Messung des Ladungszustandes stehenden Biquellstreifens gemessen wird. entwickeln. Ein besonderer Vorteil der Ionenaustau-6. Method according to the preceding approach from a swellable and a little or not at all Proverbs, characterized in that the layer swellable strips in the manner of a bimetallic strip, Changing one out of one stronger and one, a number of technically interesting attenuators could be created or strips which do not swell at all, embodiments for measuring the state of charge standing biquell strip is measured. to develop. A particular advantage of the ion exchange 7. Verfahren nach den vorhergehenden An- schermembranen ist die Tatsache, daß der Temperasprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage- tureinfmß nahezu in gleicher Weise auf die Aktiviänderung des nicht eingespannten freien Endes tätsänderung des Wassers in der Membran wie im eines Ionenaustauschermembranstreifens oder 40 Elektrolyten wirkt, so daß bei entsprechender Auseines Biquellstreifens optisch, elektrisch oder ma- wahl kaum Temperatureinflüsse gefunden werden,
gnetisch gemessen wird. Die Weiterentwicklung auf diesem Gebiet geht je-7. The method according to the preceding anchoring membranes is the fact that the tempera claims, characterized in that the position changes in almost the same way to the change in activity of the unrestrained free end of the water in the membrane as in an ion exchange membrane strip or electrolyte acts so that if there is a corresponding deviation from a biquell strip, there are hardly any optical, electrical or optional temperature influences to be found,
is measured magnetically. The further development in this area is 8. Verfahren nach den vorhergehenden An- doch in Richtung auf gas- und flüssigkeitsdichte Aksprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage- kumulatoren. Bei derartigen Akkumulatoren müssen änderung eines quellbaren Körpers, der minde- 45 die bei der Be- oder Entladung entwickelten Gase stens in einem Punkt am Zellgehäuse fixiert ist, Wasserstoff und/oder Sauerstoff an den Elektroden relativ zu einer am Gehäuse angebrachten Wer- wieder zu Wasser reduziert bzw. oxydiert werden, teskala, die in absoluten oder relativen Einheiten Das geschieht z. B. im gasdichten alkalischen Akkudes Ladezustandes kalibriert ist, bestimmt wird. mulator über den sogenannten »Sauerstoffzyklus«,8. The method according to the preceding claims, however, in the direction of gas- and liquid-tight claims, characterized in that the position accumulators. Such accumulators must Modification of a swellable body that contains at least 45 the gases evolved during loading or unloading is fixed at least in one point on the cell housing, hydrogen and / or oxygen on the electrodes be reduced to water or oxidized again relative to a surface mounted on the housing, teskala, in absolute or relative units. B. in gastight alkaline batteries State of charge is calibrated, is determined. mulator on the so-called "oxygen cycle", 50 bei dem durch entsprechende Abstimmung der Kapazitäten der Elektroden zunächst die positiven nikkelhaltigen Elektroden vollgeladen werden. Der bei50 in which the positive nickel-containing electrodes are first fully charged by appropriate adjustment of the capacities of the electrodes. The at weiterer Ladung an diesen Elektroden entwickeltefurther charge developed on these electrodes Sauerstoff strömt oder diffundiert zu den negativen 55 Cadmium-Elektroden und wird dort wieder reduziert. Oxygen flows or diffuses to the negative cadmium electrodes and is reduced again there. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Man kann den sogenannten »Gasverzehr« auchThe subject of the present invention is a so-called "gas consumption" can also be used Verfahren zur Anzeige des Ladezustandes von elek- mit Hilfe einer zusätzlichen Elektrode durchführen, irischen Akkumulatoren insbesondere der gasdichten z. B. im Bleiakkumulator mit Hilfe einer Wolfram-Bauweise, in denen die Zusammensetzung oder Kon- 60 carbid-Elektrode.Carry out a procedure for displaying the state of charge of elec- tric with the help of an additional electrode, Irish batteries in particular the gas-tight z. B. in the lead accumulator with the help of a tungsten construction, in which the composition or con- 60 carbide electrode. zentration des Elektrolyten sich mit dem Ladezu- Auf jeden Fall muß der Gastransport zur gasumstand ändert. wandernden »Verzehr«-Elektrode im Rahmen derThe electrolyte is centered with the charging. In any case, the gas transport must be related to gas changes. wandering »consumption« electrode as part of the Bei den meisten Akkumulatoren ändert sich die zulässigen Ladeströme ungehemmt erfolgen können, Beschaffenheit des flüssigen Elektrolyten in Abhän- wofür prinzipiell elektrolytfreie Kapillaren in den Segigkeit von der Entladung bzw. Aufladung. Beson- 65 paratoren und Elektroden erforderlich sind. Derarders ausgeprägt ist diese Erscheinung beim Bleiakku- tige Akkumulatoren des gasdichten und wartungsmulator mit schwefelsaurem Elektrolyten. Im gelade- freien Typs enthalten also im allgemeinen keine freie, nen Zustand bestehen seine negativen Elektroden aus flüssige Elektrolytphase, sondern einen Elektrolyten,With most accumulators, the permissible charging currents can change unchecked, Characteristics of the liquid electrolyte depending on which capillaries in principle are electrolyte-free in the segments from the discharge or charge. Special equipment and electrodes are required. Derarders This phenomenon is pronounced in the lead-acid accumulators of the gas-tight and maintenance modulator with sulfuric acid electrolytes. In the charge-free type, therefore, generally do not contain any free, its negative electrodes consist of a liquid electrolyte phase, but rather an electrolyte,
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