DE3886406T2

DE3886406T2 - Ladeausgleich von wiederaufladbaren batterien.

Info

Publication number: DE3886406T2
Application number: DE3886406T
Authority: DE
Inventors: Graham Hazzard; Leonard Pearce
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1987-10-15
Filing date: 1988-10-13
Publication date: 1994-06-23
Anticipated expiration: 2008-10-14
Also published as: EP0371078B1; GB2230377B; US5028499A; DE3886406D1; CA1305755C; JPH03500708A; GB2230377A; GB9008303D0; WO1989003599A1; GB8724189D0; EP0371078A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Ladungsausgleich von Zellen wiederaufladbarer Batterien, die prinzipiell aber nicht ausschließlich eine negative Elektrode haben, die wenigstens teilweise aus Alkali- oder Erdalkalimaterial, beispielsweise Lithium, besteht.
Der Prozeß, durch den Zellen einer wiederaufladbaren Batterie in einen Zustand gebracht werden, in dem sie die gleiche Menge elektrischer Ladung beinhalten, ist als Ladungsausgleich bekannt. Wenn eine Anzahl von Zellen in einer Batterie elektrisch in Serie geschaltet ist, so ist es von großer Bedeutung, daß jede Zelle vollständig aufgeladen werden kann, da sonst die Leistungsfähigkeit der gesamten Zellenreihe beschränkt ist durch die Zelle, die die gerinste elektrische Ladung beinhaltet, d.h. das schwächste Glied. Wenn eine Zelle von den anderen abweicht, wird die Effizienz der Batterie reduziert. Eine Batterie verschlechtert sich weit schneller, wenn die Ladungen der Zellen nicht im Gleichgewicht sind als wenn sie ausgeglichen sind, da es wahrscheinlich ist, daß starke Überladung oder Entladung während des Entladungs/Aufladungszyklus auftritt, was Zellen in vielen Typen von Zellensystemen endgültig zerstören kann. Ein Ansatz ist es, bei der Wiederaufladung einer Batterie die Ladung der Zellen zu überwachen. Wenn jedoch die erste Zelle voll aufgeladen ist, werden Zellen, die bei einem niedrigeren Stand der Ladung begonnen haben, niemals voll aufgeladen und die Batterie kann nie ihren maximalen Spannungspegel erreichen. Auf der anderen Seite kann das Wiederaufladen bis zur Überladung der Zellen weitergeführt werden, um sie alle auf die volle Ladung zu bringen. Auf diese Art wird Ladungsausgleich bei Bleibatterien erreicht, wobei das Überladen sicherstellt, daß jede Zelle voll aufgeladen wird. Jedoch ist dies nicht bei allen Batterietypen möglich, da sonst die Zellen zerstört werden und die Batterie unbrauchbar wird. Beispielsweise führt Überladen bei der Lithium-Aluminium/Eisensulfidzelle zur Bildung von Eisen-Halid-Komplexen an der positiven Elektrode, was letztendlich zu unbehebbaren Schäden führt. Darüber hinaus führt Überladen einer Batterie zur anodischen Auflösung des Aluminiums der negativen Elektroden, was die Elektroden unwiederbringlich zerstört. US-A- 4 324 846 jedoch offenbart eine wiederaufladbare elektrochemische Sekundärzelle, die überladen werden kann. Dies wird dadurch erreicht, daß die Zelle eine positive Elektrode enthält, die ein aktives Material eines Chalcogens oder eines Übergangsmetall-Chalcogenides enthält und eine negative Elektrode, die eine Lithium-Aluminiumlegierung und einen Anteil von ternärer Legierung enthält, die ausreicht, um etwa 5 % Überladungskapazität gegenüber einer negativen Elektorde nur aus Lithium-Aluminiumlegierung zu gewährleisten.
Wenn Batteriezellen elektrisch parallel geschaltet werden, tritt das Problem nicht auf, da sich die Zellen auf etwa den gleichen Ladungszustand einstellen, wobei sich etwa die gleichen Spannungen ergeben, und die Batterie kann effektiv arbeiten.
Ladungsausgleich ist notwendig, um den Betrieb der Batterie durch den Ausgleich der Ladung aller Zellen zu glätten. Er ist außerdem notwendig, um Probleme während der Startphase der Batterie bei verschiedenen Entladungszuständen der unterschiedlichen Zellen zu vermeiden.
Gegenwärtige Lösungen erfordern es, daß jede Zelle separat aufgeladen wird, um ausgeglichene Ladungsverteilung zu erzielen und Überladung oder Entladung der Zellen zu vermeiden. Die einzelnen Zellen werden überwacht und das Laden wird rechnergesteuert ausgeführt, um sicherzustellen, daß alle Zellen den gleichen Ladungszustand haben. Die Batterie muß speziell aufgebaut sein und ausgefeilte Schaltmechanismen sind erforderlich, um das Aufladen bei den Zellen zu unterbrechen, die vollständig aufgeladen sind, und bei den Zellen fortzusetzen, die noch nicht vollständig aufgeladen sind.
Ein spezieller Typ wiederaufladbarer Batterien basiert auf der elektrochemischen Reaktion zwischen einer negativen Elektrode aus einer Lithium-Aluminiumlegierung und einer positiven Elektrode aus Eisensulfid. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf diesen Typ von Batterie, ist aber auch anwendbar, wann immer ähnlich reversible Reaktionen auftreten. Bei einer Ausführung kann Lithium-Aluminium durch Lithium-Calcium ersetzt werden. Andererseits kann Lithium durch Natrium, Kalium, Calcium oder andere Alkali- oder Erdalkalimetalle ersetzt werden, die ausreichend reaktiv sind. Außerdem kann Eisensulfid durch Eisendisulfid oder Nickelsulfid oder gewisse Übergangsmetallsulfide oder Oxide ersetzt werden.
Der Erfinder hat entdeckt, daß es der Anwesenheit von Wasserstoff in einer Lithium-Batteriezelle zu verdanken ist, daß Selbstentladung auftritt und zu Problemen der ungleichgewichtigen Ladungen führt. Obgleich Lithium-Batterien unter möglichst trockenen Bedingungen hergestellt werden, ist es praktisch unmöglich, sicherzustellen, daß alles Wasser aus den Batteriechemikalien entfernt worden ist, und es bleibt somit immer etwas Restwasser. Wenn die Batterie in der Startphase ist, reagiert dieses Wasser mit Lithium und erzeugt Wasserstoff. Die Zellen werden in unterschiedlichem Grad entladen und daher sind die resultierenden Ladungen im Ungleichgewicht bei der Wiederaufladung.
Die beiden japanischen Patentzusammenfassungen vom 26. Juni 1981, Bd. 5, Nr. 99 (E-63) < 77> , und 14. Mai 1986, Bd. 10, Nr. 129 (E-403) < 2186> , beziehen sich beide auf Batterien, welche Vorrichtungen für die Entfernung von Wasserstoffgas haben. Die Zusammenfassung vom 26. Juni 1981, Bd. 5, Nr. 99 (E-63) < 77> bezieht sich auf die Verwendung einer "Hilfselektrode", um das Wasserstoffgas zu absorbieren. Diese Zusammenfassung bezieht sich auch auf die individuellen Erzeugungseinheiten", die in der "Luftphase der Batterie" verbunden sind. Die Zusammenfassung vom 14. Mai 1986, Bd. 10, Nr. 129 (E-403) < 2186> bezieht sich auf die Entfernung von Wasserstoffgas in der Batterie durch Verwendung einer wasserstoffabsorbierenden Legierung und insbesondere für eine Lithium-Sekundärbatterie, bei der die Metalllegierung wenigstens teilweise aus wenigstens einem der folgenden besteht: CaNi&sub5;, LaNi&sub5;, Ti0,6, Zr0,4 und Mn1,9Cu0,1. Der Zweck beim Entfernen des Wasserstoffgases aus der Batterie, wie er in dieser Zusammenfassung beschrieben ist, ist es, durch Reduzieren des internen Druckes und dadurch Vermeidung von Ausdehnung oder Explosion ihre Sicherheit zu erhöhen. EP-A-055 888 beschreibt eine Blei-Säure-Batterie, welche ein Gasvolumen aufweist, das allen Zellen der Batterie gemeinsam ist. Es wird darüber hinaus beschrieben, daß dieses Gasvolumen unter Verwendung einer Sammelleitung hergestellt werden kann. Aufgabe des Gasvolumens ist es, es zu ermöglichen, daß die Zellen "durch Gasrückverteilung so kommunizieren, daß das Ungleichgewicht der elektrolytischen Füllstände unter den Zellen bei Überladung der Batterie" kompensiert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine wiederaufladbare Alkali- oder Erdalkalimetall-Batterie zu schaffen und ein Betriebsverfahren anzugeben, durch das die Ladung der Zellen in der Batterie ausgeglichen werden kann. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, eine Batterie zu schaffen und ein Verfahren anzugeben, durch welches jede Zelle in der Batterie gleichermaßen geladen wird, ohne daß sie separat geladen werden müssen, und durch welches ein ausgeglichener Ladungszustand beibehalten werden kann.
Erfindungsgemäß wird eine wiederaufladbare Batterie mit negativer Elektrode geschaffen, die wenigstens teilweise aus Alkali- oder Erdalkalimetallen besteht, wobei die Zellen der Batterie derart verbunden sind, daß sie eine gemeinsame Atmosphäre haben und eine Vorrichtung vorgesehen ist, durch welche Wasserstoff aus den Zellen entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie außerdem enthält
a) Vorrichtung zur Überwachung des Ladezustandes jeder Zelle;
b) Vorrichtung, über welche den Zellen Wasserstoff zugeführt wird, wenn erkannt wird, daß die Ladungen nicht im Gleichgewicht sind, so daß sich die Zellen selbst entladen; und
c) Vorrichtung für das Wiederaufladen der Zellen, wenn sie sich selbst entladen haben.
Vorzugsweise kann jede Zelle eine Öffnung zu einer Sammelleitung haben, so daß alle mit einer gemeinsamen Atmosphäre verbunden sind. Auf der anderen Seite kann die Verbindungsvorrichtung zwischen den Zellen aus Rohren zwischen jeder der Zellen bestehen.
Der Grund, warum alle Zellen einer gemeinsamen Atmosphäre ausgesetzt werden, ist sicherzustellen, daß die Konzentration von Wasserstoff in der Atmosphäre die gleiche für jede Zelle ist. Wenn daher in der Startphase der Batterie Wasserstoff bei der Reaktion von Wasser mit Lithium entsteht, wird jede Zelle bis auf Null entladen und somit werden alle von einem gemeinsamen Basisniveau aus wieder aufgeladen. Die Zellen entladen sich alle auf Null, so als wenn eine Zelle vollständig entladen wird, der Wasserstoff, der die Entladung bewirkte, wird freigesetzt und ist verfügbar für die Entladung weiterer Zellen.
Bei einer Anordnung ist Wasserstoff in der gemeinsamen Atmosphäre vorgesehen. Selbst wenn kein Wasserstoff anwesend ist, können andere Unreinheiten letztendlich die Zellen aus dem Gleichgewicht geraten lassen und erfordern daher Ausgleich. Wenn die Zellen so gut wie möglich hergestellt worden sind, ist vielleicht kein Wasserstoff vorhanden oder nur so wenig, daß eine Zelle nicht vollständig entladen wird, so daß Wasserstoff nicht freigesetzt wird zur Entladung weiterer Zellen. Wenn dies der Fall ist, stellt der zugesetzte Wasserstoff sicher, daß alle Zellen sich entladen und so die Wiederaufladung von der Null-Ladung aller Zellen beginnt. Wasserstoff kann selbst einem System zugeführt werden, welches ausreichend Wasserstoff selbst herstellt, um den Selbstentladungsprozeß zu beschleunigen.
Bei einer Anordnung sind die Zellen in Reihe wie ein offener Stapel in einer Hülle aus rostfreiem Stahl angeordnet. Die Zellen sind daher direkt einer gemeinsamen Atmosphäre gegenüber offen. Wenn das Wiederaufladen der Batterie beginnt, muß der Wasserstoff aus der Atmosphäre, in der sie sich befinden, entfernt werden oder sie werden sich wieder entladen. Der Wasserstoff kann durch das rostfreie Stahlgehäuse hinausdiffundieren, da das Gehäuse aufgrund des Betriebes der Zellen vor ihrer Entladung heiß ist und heißer rostfreier Stahl durchlässig für Wasserstoffgas ist. Wenn jedoch das Gehäuse evakuiert wird, so daß ein Vakuum zwischen den Zellen und den Wänden besteht, werden sich die rostfreien Stahlwände nicht aufheizen und daher kann der Wasserstoff nicht entweichen. In diesem Fall ist es von Vorteil, eine kleine "hot box" einzubauen, die mit den Zellen und einem Teil des Gehäuses um die Zellen außerhalb des Vakuums verbunden ist, so daß beim Aufheizen der Zellen während des Betriebes die "hot box" sich ebenso aufheizt und es ermöglicht, daß Wasserstoff hinausdiffundiert.
Andererseits kann ein Metallhydrid vorgesehen werden, um den Wasserstoff zu absorbieren und ihn für die Wiederverwendung bereitzuhalten, wenn die Zellen wieder aus dem Gleichgewicht geraten sollten. Aufheizen des Metallhydrides entläßt den Wasserstoff zurück in die Zellen, um diese alle wenn nötig zu entladen. Sonst wird der Wasserstoff durch das Metallhydrid absorbiert und beeinflußt so nicht die Atmosphäre, welcher die Zellen ausgesetzt sind.
In einer anderen Anordnung, insbesondere geeignet für Gehäuse um ein Vakuum oder aus wasserstoffundurchlässigem Material, kann der Wasserstoff abgepumpt werden. Vorzugsweise können die Zellen unter den Gefrierpunkt des Elektrolyts abkühlen, bevor mit dem Abpumpen des Gases begonnen wird. Dadurch wird das Risiko der Zerstörung der Zelle vermieden, das gegeben sein kann durch das Ausströmen von Wasserstoff aus dem geschmolzenen Elektrolyt.
Mit einem Pumpsystem ist es dann von Vorteil, Batterieleitungen und andere elektrische Verbindungen durch die Pumprohre zu verlegen. Somit können die Zellen in einer Batterie vollständig eingeschlossen und abgedichtet gegenüber der umgebenden Atmosphäre sein, die elektrische Verbindung mit anderen Batterien oder externen Verbindungen ist jedoch gewährleistet.
Wenn mehrere Batterien verwendet werden, so werden diese vorzugsweise derart verbunden, daß sie eine gemeinsame Atmosphäre haben. Auf diese Art ist es möglich, mehrere Batterien in Reihe aufzuladen, so daß jede Zelle ausgeglichen ist.
Der Betrieb von Zellen oder Batterien, die parallel geschaltet sind, kann auch dadurch verbessert werden, daß sie eine gemeinsame Atmosphäre haben. Wenn Zellen oder Batterien parallel geschaltet sind, gleicht sich die Ladung zwischen ihnen etwa aus und sie arbeiten effizient. Wenn sie jedoch der gleichen Atmosphäre ausgesetzt sind, gleicht sich die Ladung gleichmäßiger zwischen ihnen aus und ihre Leistungsfähigkeit kann optimiert werden.
Die Erfindung schafft darüber hinaus als zweiten Aspekt ein Verfahren zum Ladungsausgleich bei Zellen einer wiederaufladbaren Alkali- oder Erdalkalimetall-Batterie, das die Schritte umfaßt:
1) Verbindung von allen Zellen, so daß sie eine gemeinsame Atmosphäre haben;
2) Zufuhr von Wasserstoffgas zu den Zellen, so daß sie sich selbst entladen;
3) Entfernen von Wasserstoff aus den Zellen; und
4) Wiederaufladen der Zellen.
Der Wasserstoff kann, bevor die Entladung beginnt oder während der Entladung entfernt werden.
Dieses Verfahren kann angewendet werden, um Zellen zu entladen, bevor die Batterie gelagert wird. Wasserstoff wird den Zellen zugeführt, um sie sich alle auf Null entladen zu lassen, so daß sie unaufgeladen gelagert werden können, und wenn die Batterie wieder gebraucht wird, wird der Wasserstoff entfernt und die Zellen werden wieder aufgeladen.
Das Verfahren kann den weiteren Schritt umfassen, die Ladung jeder Zelle zu überwachen, um zu erkennen, wann eine Zelle in Bezug auf die anderen Zellen aus dem Gleichgewicht gerät, bevor Wasserstoff den Zellen zugeführt wird, wenn diese als aus dem Gleichgewicht geraten erkannt werden, so daß jede Zelle sich selbst entlädt.
Bequemerweise wird der Ladungszustand der Zellen durch die Messung der Spannung von jeder Zelle überwacht und daher kann die Vorrichtung für die Überwachung der Ladung ein Voltmeter sein, welches die Spannung jeder Zelle anzeigt.
Die Erfindung ist selbst bei "perfekten" Zellen von Nutzen, welche hergestellt wurden, ohne daß Wasser in den Chemikalien verhanden war und somit keine Selbstentladungsprobleme aufgrund intern produzierten Wasserstoffs auftreten. Keine Zelle kann absolut perfekt sein und es können andere Unreinheiten bewirken, daß die Zellen aus dem Gleichgewicht geraten, nachdem die Batterie viele Zyklen durchlaufen hat. Die Batterieanordnung und der Betrieb entsprechend der Erfindung ermöglichen es, daß die Zellen in einen Null-Ladungszustand gebracht werden durch Zuführung von Wasserstoff und dann von einem gemeinsamen Niveau wieder aufgeladen werden, um sicherzustellen, daß die Ladungen aller Zellen wieder im Gleichgewicht sind.
Bei allen obigen Aspekten der Erfindung können die Vorrichtungen für das Wiederaufladen der elektrischen Zellen die auf diesem Gebiet wohlbekannten sein. Wasserstoff kann den Zellen von einer äußeren Quelle zugeführt werden oder kann innerhalb des Batteriesystems gespeichert sein, beispielsweise in einem Metallhydrid, und je nach Bedarf regeneriert werden. Der Wasserstoff kann aus den Zellen durch Diffusion durch die heiße Zellwand entfernt werden, durch Absorption in einem Metallhydrid oder anderen wasserstoffabsorbierenden Chemikalien oder er kann abgepumpt werden.
Die Erfindung wird im folgenden an einem Beispiel mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert, von denen:
Fig. 1 im Querschnitt eine vereinfachte schematische Darstellung von zwei Lithium-Aluminium/Eisensulfid- Batterien darstellt, die in Reihe geschaltet sind;
Fig. 2 im Querschnitt eine vereinfachte schematische Darstellung einer evakuierten Lithium-Aluminium/Eisensulfid-Batterie zeigt, die eine "hot box" umfaßt, um die Diffusion von Wasserstoff aus dem Batteriegehäuse zu ermöglichen.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine vereinfachte schematische Darstellung von zwei Lithium-Aluminium/Eisensulfid-Batterien 1 und 2, die in Reihe geschaltet sind. Jede Batterie 1, 2 enthält in der Darstellung Stapel von drei Zellen 3a, b, c und 4a, b, c, die der Atmosphäre innerhalb der jeweiligen Batterie 1, 2 ausgesetzt sind. Diese Zellen sind in Reihe geschaltet, wobei der negative Anschluß der Zelle 3c mit einem Anschlußkabel 5 mit dem positiven Anschluß der Zelle 4a verbunden ist. Ein Eingang 6 ist mit dem positiven Anschluß der Zelle 3a verbunden und ein Ausgang 7 ist mit dem negativen Anschluß der Zelle 4c verbunden. Der Eingang 6 und Ausgang 7 kann mit weiteren Batterien oder einer Spannungsversorgung für die Wiederaufladung oder einem Ausgang verbunden sein, für welchen die Batterien 1, 2 die Spannungsquelle darstellen (nicht gezeigt).
Ein Verbindungsrohr 8 befindet sich zwischen den beiden Batterien 1 und 2, um die Verteilung von Gasen zwischen den Batterien zu ermöglichen, so daß jede Zelle eine gleiche Atmosphäre hat. Wenn weitere Batterien in Reihe geschaltet sind (nicht dargestellt), so werden Verbindungsrohre zwischen einer Batterie und der nächsten angebracht, um bei allen sicherzustellen, daß sie die gleiche Atmosphäre haben.
Die gesamte elektrochemische Reaktion der Zellen kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden:
2Li(Al) + FeS = Li&sub2;S + Fe + Al.
Elektrolyt wird weder verbraucht noch erzeugt in dieser Reaktion.
Wenn das Wiederaufladen der Zellen 3, 4 beginnt, reagiert das anwesende Wasser mit dem Lithium in den Zellen und es entsteht Wasserstoffgas. Der Wasserstoff agiert als "Fähre" für den Transport von Lithium von der negativen zu der positiven Elektrode. Das Reaktionsschema kann wie folgt geschrieben werden:
2Li + H&sub2; - 2LiHLösung - 2LiH + FeS - Li&sub2;S + Fe + H.
Der freigesetzte Wasserstoff reagiert weiter mit mehr Lithium und der Prozeß führt letztendlich zur vollständigen Entladung der Zelle. Die Endprodukte bei beiden Elektroden sind die gleichen wie bei der elektrochemischen Entladungsreaktion und können daher durch einen normalen Wiederaufladungsprozeß umgekehrt werden. Der Wasserstoff wird zwischen den Batterien 1 und 2 über das Rohr 8 verteilt. Der Wasserstoff bewirkt, daß die Zelle 3, 4 vollständig entladen werden, so daß ihre resultierende Ladung Null ist. Wenn einmal die Zellen entladen worden sind, beginnen sie sich wieder auf zuladen. Die Wände 9 und 10 der Batterien 1 und 2 bestehen aus rostfreiem Stahl und Wasserstoff kann hinausdiffundieren, wenn sie beim Betrieb der Batterien heiß werden, so daß es möglich wird, daß die Zellen vollständig aufgeladen werden für den effektiven Betrieb der Batterien.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei welcher Wasserstoff aus der Batterie 20 hinausdiffundieren kann, die ein evakuiertes Gehäuse 21 hat, so daß die Batteriewände 22 daran gehindert werden, sich aufzuheizen und somit nie wasserstoffdurchlässig werden.
Wie bei den Batterien 1 und 2 in Fig. 1 enthält die Batterie 20 einen Stapel von Zellen 23a, b, c, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Ein elektrischer Eingang 24 und Ausgang 25 ist mit weiteren Batterien, Spannungsversorgungen etc. je nach Bedarf (nicht dargestellt) verbunden. Ein Rohr 26 verbindet die Batterie 20 mit jeder weiteren Batterie in dem System (nicht dargestellt) oder ist blindgeflanscht, wenn keine weiteren Batterien angeschlossen sind. Die Zellen 23a, b, c haben eine gemeinsame Atmosphäre innerhalb des Behälters 29 und das Rohr 26 ermöglicht es, daß alle angeschlossenen Batterien derselben Atmosphäre ausgesetzt sind. Wasserstoff verteilt sich so zwischen den Zellen 23a, b, c und den Zellen in weiteren Batterien und bewirkt, daß sie sich alle auf Null entladen. Die Zellen werden dann wieder aufgeladen. Anders als die Batterien 1, 2 in Fig. 1 heizen sich jedoch die Wände der Batterie nicht beim Betrieb der Batterie auf, da Vakuum innerhalb des Gehäuses 21 herrscht. Daher wird eine "hot box" 27 in dem Behälter 29 eingebaut. Diese Box 27 besteht aus rostfreiem Stahl und heizt sich ebenso auf wie die Zellen während des Betriebes der Batterie und wird somit durchlässig für Wasserstoff. Der Wasserstoff kann dann durch die rostfreie Stahlwand der Box 27 hinausdiffundieren und aus der Batterie 20 durch das Rohr 28 entweichen.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß es ermöglicht wird, daß Lithiumzellen und damit Batterien in Reihe aufgeladen werden, wogegen vorher jede Zelle separat aufgeladen werden mußte. Die Erfindung vermeidet außerdem, daß ein ausgefeiltes Überwachungssystem das bei den Verfahren nach dem Stand der Technik notwendig war, und eine Vorrichtung für das Aufladen von Lithium-Batterien eingesetzt werden muß.
Die gemeinsame Atmosphäre stellt sicher, daß die Zellen nahezu sofort beim Beginn der Aktivierung im Gleichgewicht sind und dies bei vielen Zyklen bleiben.
Wenn zu irgendeiner Zeit die Zellen beim Betrieb aus dem Gleichgewicht geraten, können sie einfach und leicht ins Gleichgewicht gebracht werden durch bewußte Zufuhr von Wasserstoff, um sie vollständig zu entladen, so daß sie vom Null-Ladungszustand wieder aufgeladen werden. Der Wasserstoff kann von einer externen Quelle zugeführt werden, oder er kann innerhalb der betriebsbereiten Batterie gespeichert werden, beispielsweise in einem Metallhydrid, wobei der Wasserstoff erzeugt oder reabsorbiert wird durch Steuerung der Temperatur des Metallhydrids.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf Lithium-Aluminium/Eisensulfid-Batterien, sondern kann angewendet werden, wo immer ähnliche reversible Reaktionen wie die besprochenen zwischen Lithium und Wasserstoff und Lithiumhydrid und Eisensulfid auftreten.

Claims

1. Wiederaufladbare Batterie mit negativer Elektrode, die wenigstens teilweise aus Alkali- oder Erdalkalimetallen besteht, wobei die Zellen der Batterie derart verbunden sind, daß sie eine gemeinsame Atmosphäre haben und eine Vorrichtung vorgesehen ist, durch welche Wasserstoff aus den Zellen entfernt wird,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Batterie außerdem enthält:

(a) Vorrichtung zur Überwachung des Ladezustandes jeder Zelle;

(b) Vorrichtung, über welche den Zellen Wasserstoff zugeführt wird, wenn erkannt wird, daß die Ladungen nicht mehr im Gleichgewicht sind, so daß sich die Zellen selbst entladen, und

(c) Vorrichtung für das Wiederaufladen der Zellen, wenn sie sich selbst entladen haben.

2. Wiederaufladbare Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen als offener Stapel in einer Hülle aus rostfreiem Stahl in Reihe geschaltet sind.

3. Verfahren zum Ladungsausgleich bei Zellen in einer Batterie mit einer negativen Elektrode, die wenigstens teilweise aus Alkali- oder Erdalkalimetallen besteht, das die Schritte umfaßt:

1) Verbinden von allen Zellen, so daß sie eine gemeinsame Atmosphäre haben;

2) Zufuhr von Wasserstoffgas zu den Zellen, so daß sie sich selbst entladen;

3) Entfernen des Wasserstoffgases aus den Zellen; und

4) Wiederaufladen der Zellen.

4. Verfahren zum Ladungsausgleich bei Zellen in einer Batterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff vor Beginn des Wiederaufladens oder während des Wiederaufladens entfernt wird.

5. Verfahren zum Ladungsausgleich bei Zellen in einer Batterie nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren den Schritt umfaßt, die Ladung jeder Zelle zu überwachen, um festzustellen, wann eine Zelle gegenüber den anderen Zellen aus dem Gleichgewicht gerät, und zwar bevor Wasserstoff den Zellen zugeführt wird, wenn erkannt wird, daß sie nicht mehr im Gleichgewicht sind und sich daher selbst entladen.

6. Verfahren zum Ladungsausgleich bei Zellen in einer Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladezustand der Zellen über die Spannung jeder Zelle überwacht wird.