WO2009156101A1 - Vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie und ladestromsignal und mit diesem ladestromsignal geladene vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a device for generating electrical energy, as well as a novel charging current signal and a device for generating electrical energy, which is loaded with this charging Ström signal.
  • Ion cells convert the stored chemical energy directly into electrical energy.
  • the energy-giving reaction, the discharge is composed of two spatially separated, but coupled to each other partial reactions (electrode reactions).
  • the electrode at which the corresponding partial reaction takes place at a lower redox potential compared to the other electrode is the negative electrode (-), the other the positive electrode (+).
  • - negative electrode
  • + positive electrode
  • the electrode current flows through an external load circuit from (-) to (+). Inside the ion cell, the current between the electrodes is transformed by ions in an ionic conductive electrolyte carried (ion current), wherein ion and electron reactions are coupled in / on the electrode.
  • ion current an ionic conductive electrolyte carried
  • an ion cell in a battery consists of an electrolyte, two electrodes which are arranged together in a battery housing, which may contain a plurality of ion cells, as well as ion-permeable, but for electrons impermeable separators , which prevents a short circuit due to internal electrode contact.
  • the so-called active masses are the actual stores of chemical energy in the battery or the accumulator. Due to their electrochemical conversion at the electrodes, the electrical energy is released during the discharge.
  • the number of electrodes released or absorbed per mass or volume unit determines the storage capacity of the active electrode material and is specified as specific charge (in Ah kg 1 ) or charge density (in Ah cm -3 ).
  • Widely used accumulators of this type are lithium-ion accumulators, which are used in particular in portable devices with high energy requirements, such as mobile phones, digital cameras, camcorders, laptops or the like, as well as in electric and hybrid vehicles. Due to their high charge density, they are also increasingly used in power tools, such as e.g. Cordless screwdrivers, used.
  • an accumulator electrical energy is converted into chemical energy during charging. If a consumer is connected, the chemical energy is converted back into electrical energy. In addition, charging and discharging of accumulators releases heat, thereby losing some of the energy needed to recharge.
  • the charging efficiency that is the ratio of the removable energy to be expended during charging is usually about 60 to 95 percent for commercial accumulators.
  • Optimal charging of different types of accumulator is usually done with not too high charging currents over a relatively long period of time. For example, a 20-hour charging It is preferable to use a lead-acid battery as a car battery in a few hours with higher charging currents, since the latter can reduce the efficiency and life of the lead-acid battery.
  • the present invention has for its object to improve the efficiency of devices for generating electrical energy with ion cells, as well as a novel charging current signal and to provide a device for generating electrical energy with which the charging efficiency of galvanic elements and electrolytic capacitors is significantly increased and the loading time can be significantly shortened.
  • the inventive device for generating electrical energy has at least one ion cell, means for generating a magnetic field at the location of the at least one ion cell and at least one capacitance or an interconnection of at least two capacitances, of which or the two Connections gegenpoliger electrodes with the opposite pole electrodes of the at least one ion cell are connected and parallel to the capacitance or the interconnection of capacitors, a consumer can be connected.
  • a consumer has at least one ion cell, means for generating a magnetic field at the location of the at least one ion cell and at least one capacitance or an interconnection of at least two capacitances, of which or the two Connections gegenpoliger electrodes with the opposite pole electrodes of the at least one ion cell are connected and parallel to the capacitance or the interconnection of capacitors, a consumer can be connected.
  • the present invention is further based on the observation that the application of a magnetic field to an ion cell, in particular a lithium-ion cell, means that the current drawn from this cell has properties which can not be characterized solely by the current intensity.
  • the current generated in this way is particularly suitable for charge separation in galvanic elements, in other words for charging galvanic elements or for charging electrolytic capacitors. Since the current thus generated, as explained in more detail below on the basis of a test description, causes a charge separation in a galvanic element or an electrolytic capacitor, which is not correlated with current physical findings in a known manner with the amount of electrical energy supply, this will be Charging current referred to as charging current signal.
  • a galvanic element charged with such a charging current signal shows a charging behavior that is optimized with regard to charging time and charging current to be expended.
  • Figure 1 is a circuit diagram of a first embodiment of the present invention
  • Figure 2a shows a second embodiment of the present invention
  • FIG. 2b shows a variant of the embodiment shown in FIG. 2a
  • Figure 3 is an exploded perspective view of an array of permanent magnet strips on a series circuit of ion cells.
  • FIG. 4 shows another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a device according to the invention for generating electrical energy.
  • six ion cells 1 are connected in series.
  • a permanent magnet 2 is as dense as possible, e.g. attached to the housing walls of the ion cells 1, so that all the ion cells 1 are penetrated by the magnetic field generated by the permanent magnet 2.
  • An embodiment of the mounting of permanent magnets is shown in Figure 3, as will be described below.
  • a capacitor bank consisting of four capacitors 3a to 3d connected in parallel and a load 4. It has been found that the four capacitors connected in parallel can be charged together more quickly than a corresponding capacitor of the same capacitance like the sum of the capacitances of the parallel connected capacitors.
  • the accumulators were each freed from an associated electronics, by which a deep discharge is to be prevented. These were commercially available lithium-ion batteries, with a nominal capacity of 75OmAh, such as those used in mobile phones or laptops. Six lithium-ion batteries were connected in series and deeply discharged. The deep discharge was first made by coupling a load to achieve a slow discharge, and finally the series connection was short-circuited. A voltage measurement showed that no voltage at the accumulator series connection was measurable.
  • the capacitors used during the experiment were electrolytic capacitors that were connected in parallel to a capacitor bank. Once again, the capacitor bank was short-circuited separately to ensure that there is no charge on the capacitors. Subsequently, the ion-cell battery was provided with permanent magnets as shown in FIG.
  • the accumulator series connection was connected to the capacitor bank 3a-3d, and in turn a load 4 connected thereto.
  • the load 4 consisted of a DC motor with a rated voltage of 40 V and a no-load current of 0.8 A and an I ma ⁇ of 6.3 A.
  • the motor was charged with a voltage of 12V powered.
  • the resulting permanent current drain was 80 mA. The engine started and soon reached a constant speed, with which he ran in a continuous trial 144 hours.
  • the accumulator assembly was disconnected from the capacitor bank and discharged by shorting for a few seconds. After connecting the capacitor bank to the accumulator arrangement, the capacitors were charged within a very short time (order of magnitude 0.5 s).
  • the capacitor bank was discharged by means of a solder wire with a cross-sectional area of 1 mm 2 .
  • the discharge process was very fast, ie within a few milliseconds, with a high current that melted the solder wire and sparking.
  • Fig. 2a shows a further embodiment of the present invention, in which the permanent magnet 2 by a coil winding was replaced.
  • the coil 5 is wound around the accumulator series circuit and connected in series with the capacitor.
  • an electromagnet is formed, in the axial direction of which the accumulators are aligned parallel to the axis of the electromagnet.
  • Fig. 2b shows a detail of another embodiment in which the electromagnetic coil 5 is fed by an external power source.
  • the embodiment shown in Fig. 2a further comprises a changeover switch 6, with the alternately the accumulator series circuit with the capacitor bank 3a-3c or the load 4 is connected. By switching the changeover switch 6, either the capacitor bank is charged by the accumulator series connection or the load 4 is fed by the capacitor bank.
  • the switching frequency of the switch is suitably chosen so that the capacitors 3a-3c are discharged by a maximum of 20 to 30%, i. after discharge still have a residual charge of 70 to 80% of their maximum storable charge.
  • the charging of the capacitors occurs faster in this charge range than if the capacitors were discharged to a lower value per cycle.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the present invention in which, in the case shown, two capacitor banks 3a, 3b,... And 7a, 7b... Are alternately connected in clocked fashion to the accumulator arrangement by the switches 8a, 8b.
  • a capacitor bank 10 is further connected in parallel. It is also conceivable to connect more than two capacitor banks in succession to the accumulator arrangement.
  • undischarged accumulators can also be used instead of deeply discharged accumulators.
  • a moped battery in this case a lead-acid battery, with one
  • the moped battery was connected to four lithium ion rechargeable batteries, which were prepared with magnetic strips for recharging.
  • the device described in this patent application for generating electrical energy with lithium-ion batteries has to the series connection of lithium-ion batteries a parallel arrangement of one or more electrolytic capacitors).
  • electrolytic capacitors can as Caching of electrical energy are used in the experiment described here, but are not mandatory.
  • the lithium-ion battery pack described above was connected to the battery. After about 20 minutes, the moped battery was fully charged and showed at its terminals a voltage of about 14 V, ie 2 V above its nominal voltage. The astonishingly short time until fully charged the moped battery leads to the conclusion that in this time a very high charging current has flowed. Immediately measuring the current by inserting a digital multimeter meter into the circuit proved to be difficult as, for unknown reasons, the charging time increased until the moped battery was fully charged.
  • the charging cable was severed at one point and the gap in the circuit bridged by cable sections with different cross-sectional area.
  • the discharging and charging process, as described above, was repeated several times, with each again the very short charging time between 2 and 20 minutes.
  • a current equal to the amount of energy recovered by the lead-acid battery after the charging process has flowed.
  • the required charging current would have been so great within the short charging time that it would inevitably have melted the "telephone wire", but this has not even warmed up.

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Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit mindestens einer Ionen-Zelle (1), Mitteln (2) zum Erzeugen eines Magnetfeldes am Ort der mindestens einen Ionen-Zelle (1) und mindestens einer Kapazität oder einer Verschaltung mindestens zweier elektrisch verbundener Kapazitäten (3a, 3b..), von der zwei Anschlüsse gegenpoliger Elektroden mit den gegenpoligen Elektroden der mindestens einen Ionen-Zelle (1) verbunden sind und parallel zur Kapazität bzw. der Verschaltung von Kapazitäten ein Verbraucher (4) anschließbar ist.

Description

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie und Ladestromsignal und mit diesem Ladestromsignal geladene Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, sowie ein neuartiges Ladestromsignal und eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, die mit diesem Lade ström signal geladen wird.
Es ist bekannt, Ionen-Zellen in elektrochemischen Stromquellen zu verwenden. Eine Ionen-Zelle oder mehrere in Serie geschaltete Ionen-Zellen (auch galvanische Elemente genannt) bezeichnet man als eine Batterie. Ionen-Zellen wandeln die in ihnen gespeicherte chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Die Energie liefernde Reaktion, die Entladung, ist aus zwei räumlich getrennten, aber miteinander gekoppelten Teilreaktionen (Elektrodenreaktionen) zusammengesetzt. Die Elektrode, bei welcher die entsprechende Teilreaktion bei einem im Vergleich zur anderen Elektrode niedrigerem Redoxpotential abläuft, ist die negative Elektrode (-), die andere die positive Elektrode (+). Bei der Entladung der Ionen-Zelle findet an der negativen Elektrode ein Oxidationsprozess statt, bei welchem Elektronen freigesetzt werden; an der positiven Elektrode wird parallel dazu eine entsprechende Menge von Elektronen über einen Re- duktionsprozess aufgenommen. Der Elektrodenstrom fließt durch einen äußeren Verbraucherstromkreis von (-) nach (+). Innerhalb der Ionen-Zelle wird der Strom zwischen den Elektroden durch Ionen in einem ionisch leitenden Elektrolyten getragen (Ionenstrom), wobei Ionen- und Elektronenreaktionen in/ an der Elektrode miteinander gekoppelt sind.
Man unterscheidet zwischen Primärzellen, die sich bei ihrer Entladung verbrauchen, und wiederaufladbaren Zellen, auch Akkumulatoren genannt, bei denen die elektrochemischen Entladereaktionen weitgehend reversibel sind, sodass eine mehrfache Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und zurück erfolgen kann. Während dieser Entlade- /Ladezyklen finden an jeder Elektrode abwechselnd Oxidations- und Reduktionsprozesse statt, sodass man mit dem Gebrauch der Bezeichnung Anode bzw. Kathode, die ja über die Begriffe Oxidation bzw. Reduktion definiert sind, vorsichtig sein muss. Mit der Benutzung der Begriffe negative Elektrode bzw. positive Elektrode kann man dieses Problem umgehen, da das jeweilige Elektrodenpotential im normalen Lade- /Entladebetrieb immer negativer bzw. positiver als das der anderen Elektrode bleibt. Parallel dazu gibt es allerdings noch die Konvention, dass die Elektroden entsprechend ihrer Funktion bei der Entladung benannt werden, d.h., die negative Elektrode als Anode und die positive Elektrode als Kathode bezeichnet werden.
Im Prinzip besteht eine Ionen-Zelle in einer Batterie bzw. einem Akkumulator aus einem Elektrolyten, zwei Elektroden, die zusammen in einem Batteriegehäuse, das mehrere Ionen-Zellen beinhalten kann, angeordnet sind, sowie für Ionen durchlässigen, aber für E- lektronen undurchlässigen Separatoren, mit denen ein Kurzschluss durch internen Elektrodenkontakt vermieden wird. Die sogenannten Aktivmassen sind die eigentlichen Speicher der chemischen Energie in der Batterie bzw. dem Akkumulator. Durch ihren elektrochemischen Umsatz an den Elektroden wird die elektrische Energie bei der Entladung freigesetzt. Die Zahl der dabei freigesetzten oder aufgenommenen Elektroden pro Masse - bzw. Volumeneinheit bestimmt die Speicherfähigkeit des aktiven Elektrodenmaterials und wird als spezifische Ladung (in Ah kg 1) bzw. Ladungsdichte (in Ah cm-3) angegeben.
Weitverbreitete Akkumulatoren dieser Art sind Lithium-Ionen- Akkumulatoren, die insbesondere bei tragbaren Geräten mit hohem Energiebedarf eingesetzt werden, wie beispielsweise bei Mobiltelefonen, Digitalkameras, Camcordern, Laptops oder dergleichen, sowie bei Elektro- und Hybridfahrzeugen. Aufgrund ihrer hohen Ladungsdichte werden sie derzeit auch vermehrt bei Elektrowerkzeugen, wie z.B. Akku-Schraubern, verwendet.
In einem Akkumulator wird beim Aufladen elektrische Energie in chemische Energie gewandelt. Wird ein Verbraucher angeschlossen, so wird die chemische Energie wieder in elektrische Energie zurückgewandelt. Beim Aufladen und Entladen von Akkumulatoren wird außerdem Wärme freigegeben, wodurch ein Teil der zum Aufladen aufgewandten Energie verloren geht. Der Ladewirkungsgrad, das heißt das Verhältnis der entnehmbaren zu der beim Laden aufzuwendenden Energie liegt in der Regel bei handelsüblichen Akkumulatoren bei etwa 60 bis 95 Prozent.
Ein optimales Laden verschiedener Akkumulatortypen erfolgt in der Regel mit nicht zu hohen Ladeströmen über einen verhältnismäßig langen Zeitraum. So ist beispielsweise ein 20-stündiges Aufladen ei- nes als Autobatterie verwendeten Blei-Akkumulators einer Schnellaufladung in wenigen Stunden mit höheren Ladeströmen vorzuziehen, da Letztere den Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Bleiakkumulators verringern können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz von Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie mit Ionen- Zellen zu verbessern, sowie ein neuartiges Lade ström signal sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie anzugeben, mit denen der Ladewirkungsgrad galvanischer Elemente und von Elektrolytkondensatoren erheblich gesteigert wird und die Ladezeit erheblich verkürzt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie gemäß den Ansprüchen 1, 20, 21, 24 und 28 gelöst.
In den Unteransprüchen sind Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gekennzeichnet.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie weist diese auf: mindestens eine Ionen-Zelle, Mittel zum Erzeugen eines Magnetfeldes am Ort der mindestens einen Ionen-Zelle und mindestens einer Kapazität oder einer Verschaltung mindestens zweier Kapazitäten, von denen bzw. der zwei Anschlüsse gegenpoliger Elektroden mit den gegenpoligen Elektroden der mindestens einen Ionen-Zelle verbunden sind und parallel zur Kapazität bzw. der Verschaltung von Kapazitäten ein Verbraucher anschließbar ist. Bei einer ersten Versuchsreihe mit Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde eine mit dem Kenntnisstand heutiger Forschung hinsichtlich sowohl der Dauer als auch der Leistung nicht erklärbare Energieabgabe der erfindungsgemäßen Vorrichtung beobachtet und gemessen.
Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Beobachtung zugrunde, dass das Anlegen eines Magnetfeldes an eine Ionen-Zelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Zelle, dazu führt, dass der dieser Zelle entnommene Strom Eigenschaften hat, die sich nicht lediglich durch die Stromstärke charakterisieren lassen.
Es wurde festgestellt, dass der auf diese Weise erzeugte Strom sich in besonderer Weise zur Ladungstrennung in galvanischen Elementen, das heißt mit anderen Worten zum Laden galvanischer Elemente oder zum Laden von Elektrolytkondensatoren, eignet. Da der so erzeugte Strom, wie im Folgenden näher anhand einer Versuchsbeschreibung erläutert wird, eine Ladungstrennung in einem galvanischen Element oder einem Elektrolytkondensator bewirkt, die nicht derzeitigen physikalischen Erkenntnissen folgend in bekannter Weise mit der Menge der Zufuhr elektrischer Energie korreliert ist, wird im Folgenden dieser Ladestrom als Ladestromsignal bezeichnet. Ein mit einem solchen Ladestromsignal beaufschlagtes galvanisches E- lement zeigt ein Lade verhalten, das hinsichtlich Ladezeit und aufzuwendenden Ladestrom optimiert ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und Versuchen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: Figur 1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2a eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2b eine Variante der in Fig. 2a gezeigten Ausführungsform;
Figur 3 eine perspektivische Explosionsansicht einer Anordnung von Permanentmagnetstreifen an einer Reihenschaltung von Ionen- Zellen; und
Figur 4 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie. Bei dieser Ausführungsform sind sechs Ionen-Zellen 1 in Reihe geschaltet. Ein Permanentmagnet 2 ist möglichst dicht, z.B. an den Gehäusewänden der Ionen-Zellen 1 angebracht, sodass alle Ionen-Zellen 1 von dem vom Permanentmagneten 2 erzeugten Magnetfeld durchdrungen werden. Eine Ausführungsform der Anbringung von Permanentmagneten ist in Figur 3 gezeigt, wie weiter unten beschrieben wird.
An die Reihenschaltung der Ionen-Zellen 1 ist eine Kondensatorbank bestehend aus vier parallel geschalteten Kondensatoren 3a bis 3d angeschlossen sowie eine Last 4. Es hat sich herausgestellt, dass die vier parallel geschalteten Kondensatoren zusammen schneller aufladbar sind als ein entsprechender Kondensator gleicher Kapazität wie die Summe der Kapazitäten der parallelgeschalteten Kondensatoren.
Im Folgenden wird ein erster Versuch beschrieben, der mit folgenden Mitteln durchgeführt wurde:
Die Akkumulatoren wurden jeweils von einer zugehörigen Elektronik befreit, durch die eine Tiefentladung verhindert werden soll. Es handelte sich dabei um handelsübliche Lithium-Ionen-Akkumulatoren, mit einer Nennkapazität von 75OmAh, wie sie z.B. in Handys oder Laptops Verwendung finden. Es wurden sechs Lithium-Ionen- Akkumulatoren in Reihe geschaltet und tiefentladen. Die Tiefentladung erfolgte zuerst durch Ankoppeln eines Verbrauchers, um eine langsame Entladung zu erreichen, und zum Schluss wurde die Reihenschaltung kurzgeschlossen. Eine Spannungsmessung ergab, dass keine Spannung an der Akkumulator-Reihenschaltung messbar war. Bei den während des Versuchs verwendeten Kondensatoren handelte es sich um Elektrolytkondensatoren, die zu einer Kondensatorbank parallelgeschaltet wurden. Auch hier wurde die Kondensatorbank separat erst einmal kurzgeschlossen, um sicherzustellen, dass sich keine Ladung auf den Kondensatoren befindet. Anschließend wurde die Ionen-Zellen-Batterie mit Permanentmagneten, wie in Fig. 3 gezeigt, versehen. Es handelt sich dabei um handelsübliche Magnetstreifen von etwa 1 cm Breite, an deren Außenkanten eine magnetisierte Substanz parallel zur Längserstreckung der Streifen angebracht war. Die Polarität der parallel zueinander verlaufenden Magneten war entgegengesetzt. Die zu einem Block parallel zueinander angeordneter Akkumulatoren zusammengefasste Batterieeinheit wurde mit den Magnetstreifen umgeben.
Es hat sich also vorteilhaft erwiesen den Block aus den in Reihe geschalteten Akkumulatoren mit einer Metallfolie, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer zu umwickeln.
Anschließend wurde die tiefentladene Lithium-Ionen-Akkumulator- Reihenschaltung mit den entsprechenden Polen der Kondensatorbank verbunden.
Vollkommen überraschend und unerwartet baute sich nach etwa 10 s eine Spannung zwischen den Polen der Akkumulator- Reihenschaltung von 23,8 V auf. Nach einem Abtrennen der Kondensatorbank von der Akkumulatoranordnung und einem Kurzschließen bis auf einen Spannungswert Null baute sich wider Erwarten nach etwa 90 s erneut eine Spannung von 33 V zwischen den Polen der Kondensatorbank auf.
Dies ist umso erstaunlicher, als Elektrolytkondensatoren üblicherweise keine Ladungsremanenz aufweisen.
Schließlich wurde die Akkumulator-Reihenschaltung an die Kondensatorbank 3a-3d angeschlossen, und an diese wiederum eine Last 4 geschaltet. Bei dem ausgeführten Versuch bestand die Last 4 aus einem Gleichstrommotor mit einer Nennspannung von 40 V und einem Leerlaufstrom von 0,8 A sowie einem Imaχ von 6,3 A. Bei dem ausgeführten Versuch wurde der Motor mit einer Spannung von 12 V gespeist. Die dadurch resultierte permanente Stromentnahme lag bei 80 mA. Der Motor lief an und erreichte bald eine konstante Drehzahl, mit der er in einem Dauerversuch 144 Stunden lief. Bei einem handelsüblichen vollständig aufgeladenen Akkumulator hätte erwartungsgemäß der Motor spätestens nach wenigen Stunden mangels ausreichender anliegender Spannung anhalten müssen, hier wurde jedoch eine tiefentladene Akkumulatorenanordnung verwendet, bei der während der Stromentnahme über der Zeit ein Spannungsanstieg anstatt eines Spannungsabfall beobachtet und gemessen wurde.
Während der Leistungsentnahme erwärmten sich weder die Kondensatoren noch die Akkumulator-Reihenschaltung spürbar.
Ferner wurden bei dieser Anordnung folgende Phänomene beobachtet. Die Akkumulatoranordnung wurde von der Kondensatorbank getrennt und durch Kurzschließen einige Sekunden lang entladen. Nach dem Anschließen der Kondensatorbank an die Akkumulatoranordnung wurden die Kondensatoren innerhalb sehr kurzer Zeit (Größenordnung 0,5 s) aufgeladen.
Das Entladen der Kondensatorbank erfolgte mit Hilfe eines Lötdrahtes mit einer Querschnittsfläche von 1 mm2. Der Entladungsvorgang erfolgte sehr schnell, d.h. innerhalb einiger Millisekunden, mit einem hohen Strom, der den Lötdraht zum Schmelzen brachte, und unter Funkenbildung.
Fig. 2a zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Permanentmagnet 2 durch eine Spulenwicklung ersetzt wurde. Die Spule 5 ist um die Akkumulator- Reihenschaltung gewickelt und zur Kapazität in Reihe geschaltet. Dadurch wird ein Elektromagnet gebildet, in dessen Axialrichtung die Akkumulatoren parallel zur Achse des Elektromagneten ausgerichtet sind.
Fig. 2b zeigt ein Detail einer weiteren Ausführungsform, bei der die Elektromagnetspule 5 von einer externen Stromquelle gespeist wird.
Die in Fig. 2a gezeigte Ausführungsform weist ferner einen Umschalter 6 auf, mit dem alternativ die Akkumulator-Reihenschaltung mit der Kondensatorbank 3a-3c oder der Last 4 verbunden wird. Durch Umschalten des Wechselschalters 6 wird entweder die Kondensatorbank durch die Akkumulator-Reihenschaltung aufgeladen oder die Last 4 durch die Kondensatorbank gespeist.
Die Schaltfrequenz des Umschalters ist zweckmäßigerweise so gewählt, dass die Kondensatoren 3a-3c um maximal 20 bis 30 % entladen werden, d.h. nach der Entladung noch eine Restladung von 70 bis 80 % ihrer maximal speicherbaren Ladung aufweisen. Die Aufladung der Kondensatoren erfolgt in diesem Ladungsbereich schneller, als wenn pro Zyklus die Kondensatoren auf einen niedrigeren Wert entladen würden.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der, im gezeigten Fall, zwei Kondensatorbänke 3a, 3b, ... und 7a, 7b ... alternativ durch die Umschalter 8a, 8b getaktet mit der Akkumulatoranordnung verbunden werden. Zur Akkumulatoranordnung ist ferner eine Kondensatorbank 10 parallel geschaltet. Es ist ebenso denkbar, mehr als zwei Kondensatorbänke aufeinanderfolgend mit der Akkumulatoranordnung zu verbinden.
Ferner ist es anzumerken, dass anstelle der tiefentladenen Akkumulatoren auch nicht entladene Akkumulatoren verwendet werden können.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie können Anwendungen umgesetzt werden, die sowohl hinsichtlich der Leistungsabgabe als auch hinsichtlich der Bestrebung, Energiequellen kompakter und leichter zu machen, bisher unerreichte Dimensionen erschließen.
Beschreibung einer zweiten Versuchsreihe
Eine Mopedbatterie, in diesem Fall ein Blei-Akkumulator, mit einer
Nennspannung von 12 V und einer Kapazität von 12 Ah wurde über einen Verbraucher langsam entladen, bis die Klemmenspannung nur noch etwa 3 V betrug. Die Entladung erfolgte mit einem kleinen
Entladestrom, so dass sich die Mopedbatterie nicht bemerkenswert erhitzte.
Dann wurde die Mopedbatterie an vier in Reihe geschaltete Litium- Ionen-Akkus, die mit Magnetstreifen präpariert waren zum Aufladen angeschlossen. Die in dieser Patentanmeldung beschriebene Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit Lithium-Ionen- Akkus weist zu der Reihenschaltung von Lithium-Ionen-Akkus eine parallel geschaltete Anordnung eines oder mehrer Elektrolyt- Kondensatoren) auf. Solche Elektrolyt-Kondensatoren können als Zwischenspeicher elektrischer Energie bei dem hier beschriebenen Versuch genutzt werden, sind aber nicht zwingend erforderlich.
Bei dem hier beschriebenen Versuch wurde eine Reihenschaltung mit Permanentmagnetstreifen präparierter Lithium-Ionen-Akkus ohne parallel geschaltete Elektrolytkondensatoren verwendet.
Zum Laden der Mopedbatterie wurde die oben beschriebene Lithium-Ionen-Akku-Anordnung an die Batterie angeschlossen. Nach etwa 20 Minuten war die Mopedbatterie vollständig aufgeladen und zeigte an ihren Klemmen eine Spannung von etwa 14 V, also 2 V über ihrer Nennspannung. Die erstaunlich kurze Zeit bis zur vollständigen Aufladung der Mopedbatterie lässt den Schluss zu, dass in dieser Zeit ein sehr hoher Ladestrom geflossen ist. Den Strom unmittelbar zu messen, indem ein Digitalmultimeter-Messgerät in den Stromkreis eingefügt wurde erwies sich als schwierig, da dadurch aus nicht bekannten Gründen die Ladezeit bis zur vollständigen Aufladung der Mopedbatterie stark anstieg.
Um trotzdem eine Vorstellung von der Größe des Ladestroms zu bekommen wurde an einer Stelle das Ladekabel durchtrennt und die Lücke im Stromkreis durch Kabelabschnitte mit unterschiedlicher Querschnittsfläche überbrückt. Der Entlade- und Ladevorgang, wie oben beschrieben, wurde mehrmals wiederholt wobei sich jeweils wieder die sehr kurze Ladezeit zwischen 2 und 20 Minuten einstellte. Das erstaunlichste war jedoch, dass selbst als die Stromkreislücke mit einem „Telefondraht" mit einer Querschnittsfläche von etwa 0,75 mm2 und einer Länge von etwa 20 cm überbrückt wurde, dieser nicht über Raumtemperatur erhitzte. Somit steht fest, dass wäh- rend des Aufladens des Blei-Akkus innerhalb der kurzen Ladezeit nicht ein Strom der der Energiemenge entspricht, die der Blei-Akku nach dem Aufladevorgang wieder gewonnen hat, geflossen ist. Der dazu erforderliche Ladestrom hätte innerhalb der kurzen Ladezeit so groß sein müssen, dass er den „Telefondraht" unweigerlich zum Schmelzen gebracht hätte. Dieser hat sich jedoch noch nicht einmal erwärmt.
Dies lässt den Schluss zu, dass bei dem oben beschriebenen Ladevorgang nicht wie üblich elektrische Energie von einer elektrischen Energiequelle in einen galvanischen Speicher für elektrische Energie überführt wird, die dann diesem nach Abzug der in Reaktionswärme umgewandelten Energie wieder entnommen werden kann, sondern dass hier der im folgenden Ladestromsignal genannte Ladestrom das galvanische Element lediglich „triggert", d.h. das die in dem galvanischen Element stattfindende chemische Reaktion lediglich durch das Ladestromsignal ausgelöst wird und nicht durch eine entsprechende elektrische Energiezugabe unterhalten wird.
Fest steht, dass der beschriebene technische Effekt, nämlich die schnelle Ladbarkeit eines galvanischen Elements, mit dem wie oben beschrieben erzeugten Ladestromssignal und der unerklärlich hohe Ladewirkungsgrad auf die oben beschriebene Weise reproduzierbar nachvollzogen werden können, wie es die Vielzahl von erfolgreich durchgeführten Versuche belegen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit: mindestens einer Ionen-Zelle (1),
Mitteln (2) zum Erzeugen eines Magnetfeldes am Ort der mindestens einen Ionen-Zelle (1) und mindestens einer Kapazität oder einer Verschattung mindestens zweier elektrisch verbundener Kapazitäten (3a, 3b..), von der zwei Anschlüsse gegenpoliger Elektroden mit den gegenpoligen Elektroden der mindestens einen Ionen-Zelle (1) verbunden sind und parallel zur Kapazität bzw. der Verschattung von Kapazitäten ein Verbraucher (4) anschließbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen-Zelle (1) positiv geladene Ionen der Metalle Li, Na, Mg, Pd, Al, Zn, Cd, Pb oder Verbindungen dieser Metalle aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ionen-Zelle (1) ein Lithium-Ionen- Akkumulator ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen-Zelle (1) ein Lithium-Ionen Akkumulator ist, dessen positive Elektrode Ionen der Verbindungen: LiCoθ2; LiNiθ2; Li- Ni1-xCoxθ2; LiNio,85Coo,iAlo,o5θ2; LiNio,33Cθo,33Mno,33θ2; LiMn2θ4 Spinell oder LiFePO4 aufweist.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Ionen-Zellen (1) in Reihe geschaltet sind.
6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Ionen-Zellen (1) parallel und /oder in Reihe geschaltet sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (2) zur Erzeugung eines Magnetfeldes Permanentmagnete (2a, 2b) aufweisen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (2a, 2b) streifenförmig sind und die Anordnung der Ionen-Zellen (1) mit diesen Magnet- Streifen (2a, 2b) dicht belegt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnet-Streifen (2a, 2b) mit abwechselnder Polarität parallel zueinander angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnet- Streifen (2a, 2b)im Wesentlichen parallel zu Achsen verlaufen, die durch die gegenpoligen Elektroden der mindestens einen Ionen-Zelle (1) verlaufen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Mehrzahl von Ionen-Zellen (1) die Achsen durch deren gegenpolige Elektroden jeweils parallel zueinander verlaufen.
12. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (2) zur Erzeugung eines Magnetfeldes mindestens ein Elektromagnet (5) ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (5) bzw. die Elektromagneten mit von der mindestens einen Ionen-Zelle (1) mit Gleichstrom gespeist ist bzw. sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet bzw. die Elektromagneten von einer externen Stromquelle (7) mit Gleichstrom gespeist ist bzw. sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (5) ein statisches Magnetfeld erzeugt und die Ionen-Zelle (n) (1) in dem Magnetfeld angeordnet ist (sind).
16. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein getakteter Wechsel- Schalter (6) die Verbindung zwischen der Ionen-Zellen-Anordnung (1) und der Kapazitäten-Verschaltung (3a, 3b,...) periodisch unterbricht und die Verbindung zwischen der Kapazitätenverschaltung und einem Verbraucher herstellt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktfrequenz so gewählt ist, dass sich die Kapazität bzw. Verschattung der Kapazitäten (3a, 3b,...) während eines Taktes, in dem der Kreis zum Verbraucher geschlossen ist, um 20 bis 30 % entlädt.
18. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen-Zellen- Anordnung (1) vor der Inbetriebnahme der
Stromquelle tief-entladen ist.
19. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität (3) bzw. die Kapazitäten (3a, 3b,...) ein Elektrolyt- Kondensator ist bzw. Elektrolyt- Kondensatoren sind.
20. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Kapazität (3) oder einer Kapazitätenbank mit einer Mehrzahl verschalteter Kapazitäten (3a, 3b, 3c.) der bzw. die mit einer ersten Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 19 aufgeladen sind, dann von dieser ersten Vorrichtung elektrisch getrennt sind und ein Verbraucher (4) an den bzw. die von der ersten Vorrichtung elektrisch getrennten Kapazität bzw. Kapazitäten (3a, 3b,...) anschließbar ist.
21. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer ersten Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei mindestens zwei Kapazitätenbänke (3a, 3b, ...; 7a, 7b,...), jeweils mit einer Kapazität oder einer Mehrzahl verschalteter Kapazitäten abwechselnd durch einen Umschalter (8a, 8b) mit der ersten Vorrichtung getaktet verbunden werden, und mit ei- nem gegenphasigen Takt gleicher Frequenz von der ersten Vorrichtung getrennt und an einen oder mehrere Verbraucher anschließbar sind.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbraucher die erste Vorrichtung ist, die periodisch geregelt durch eine Kondensatorbank aufgeladen wird.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einer Kapazitätenbank und dem Verbraucheranschluß eine weitere Kondensatorbank (9a, 9b,...) mit mindestens einem Kondensator oder mehreren parallelgeschalteten Kondensatoren geschaltet ist.
24. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitäten Kondensatoren sind, wobei mindestens einer der verwendeten Kondensatoren ein Elektrolyt-Kondensator ist.
25. Ladestromsignal zur Bewirkung einer Ladungstrennung in einem galvanischen Element oder einem Elektrolytkondensator, erzeugt durch eine sich, zumindest über einen vorbestimmten Zeitraum in einem Magnetfeld befindende Vorrichtung mit zwei Elektroden in einem Elektrolyten, getrennt durch einen für E- lektronen undurchlässigen Separator.
26. Ladestromsignal zur Bewirkung einer Ladungstrennung in einem galvanischen Element oder einem Elektrolytkondensator, erzeugt durch eine sich, zumindest über einen vorbestimmten Zeitraum in einem Magnetfeld befindende Ionen-Zelle.
27. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem galvanischen Element, dem abwechselnd an seinen Elektroden entweder ein Ladestromsignal gemäß Patentanspruch 25 oder 26 zugeführt wird, bis ein erstes vorbestimmtes Spannungsniveau erreicht wird, oder Strom durch einen Verbraucher entnommen wird, bis die Spannung auf ein zweites Spannungsniveau abgefallen ist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die von der sich in einem Magnetfeld befindenden Ionen-Zelle während einer Ladezeit t1 an das galvanische Element abgegebene elektrische Energie kleiner ist als die im Entladezyklus t2 des galvanischen Elements entnehmbare Energie.
29. Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass das galvanische Element aus mindestens einer Sekundärzelle besteht.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das galvanische Element ein Blei-Akku, Nickel- Cadmium- Akku, Nickel- Wasserstoff- Akku, Nickel- Metallhydrid-Akku, Lithium-Ionen-Akku, Lithium-Polymer- Akku, Lithium-Metall-Akku, Nickel-Eisen-Akku, SCiB, Silber- Zink-Akku, Vanadium-Redox-Akku oder ein Zink-Chrom-Akku ist.
31. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem E- lektrolyt-Kondensator, einem Super-Cap oder Gold-Cap- Kondensator, dem abwechselnd an seinen Elektroden entweder ein Ladestromsignal gemäß Patentanspruch 25 oder 26 zugeführt wird, bis ein vorbestimmtes Spannungsniveau erreicht ist, oder Strom durch einen Verbraucher entnommen wird, bis die Spannung auf ein zweites Spannungsniveau abgefallen ist.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen-Zelle eine Lithium-Ionen-Zelle ist.
33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld durch an der Ionen-Zelle angebrachte Permanentmagneten erzeugt wird.
34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Permanentmagnet(en) parallele Magnet- Streifen alternierender Polarität aufweist bzw. aufweisen, die am Gehäuse der Ionen-Zelle angebracht sind.
35. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit: mindestens einer Ionen-Zelle, die zumindest über einen vorbestimmten Zeitraum einen am Ort der Ionenzelle erzeugten Magnetfeld ausgesetzt ist und einem dazu parallel-schaltbaren galvanischen Element.
36. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass bei offener Verbindung zwischen dem galvanischen Element und der Ionenzelle ein Verbraucher an das galvanische Element anschließbar ist.
37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenzelle ein Lithium-Ionen Akku oder ein Lithium-Polymer Akku ist.
38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 33 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Magneten bestickte Ionen-Zelle oder der Block aus hintereinander geschalteten Ionenzellen mit einer Metallfolie umwickelt ist (sind).
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