В настоящее время не существует проблемы приобретения гальванических элементов или перезаряжаемых источников питания (аккумуляторов). Тем не менее, умение самостоятельно сделать батарейку может пригодиться в некоторых ситуациях. Да и любителям экспериментировать это направление дает широкое поле деятельности.
Самодельная батарейка
Одноразовый гальванический элемент можно сделать из материалов, которые можно найти дома или в мастерской. В крайнем случае, некоторые ингредиенты легко купить в строительном магазине.
Материалы и инструмент
Чтобы подобрать материалы для электродов самодельного гальванического элемента питания, надо разобраться в таком понятии, как электродный потенциал.
Электродным потенциалом материала называют ЭДС элемента, сделанного из этого материала, к условному нулю, за который принят потенциал водородного электрода. Чтобы получить максимальную ЭДС от источника, надо, чтобы разность электродных потенциалов была максимальной.
Также используется величина стандартный электродный потенциал – это электродный потенциал, приведенный к определенным условиям. Для выбора материала можно воспользоваться как одним параметром, так и другим.
Чтобы в системе происходила окислительно-восстановительная реакция, преобразующая химическую энергию в электрическую, надо выбрать материалы анода и катода так, чтобы знак электродного потенциала электродов был противоположным, а разность этих величин – максимальной.
Из «отрицательных» металлов больше всего подходит цинк (хотя алюминий найти проще, его потенциал несколько ниже), а из «положительных» — медь.
Далее, для запуска ионно-обменной реакции надо, чтобы металл контактировал с электролитом, и лучший вариант здесь, если электролит будет раствор соли того же металла.
Для меди самая распространенная соль – сульфат меди или медный купорос (CuSO4).
Для алюминия и цинка тоже можно подыскать соответствующую соль (например, лекарственный сульфат цинка или хлористый цинк, используемый в качестве паяльной кислоты).
Если подобное вещество найти не получится, можно использовать раствор поваренной соли, хотя и с меньшим успехом.
Электролиты надо разделить, но так, чтобы происходил обмен ионами между катодом и анодом.
Для разделительной мембраны удобно использовать картон – он пропитается жидкостью, ионы будут проходить через стенку относительно свободно, а смешаться растворам картон не позволит.
В итоге нарисовалась конструкция источника тока, показанная на рисунке. На ее основе и будет изготовлен самодельный гальванический элемент.
Если первое условие определяется материалами, которые удалось найти, то размеры надо определить самостоятельно. В первую очередь их зададут размеры сосуда, в котором все это будет собираться.
Удобно, чтобы он был цилиндрической или близкой формы (стакан, колба, стеклянная банка и т.п.) и изготовлен из химически нейтрального материала (стекла, прочного пластика и т.п.).
Процесс изготовления
Подобрав сосуд, в котором будет в домашних условиях изготовлен гальванический элемент, в первую очередь надо сделать картонную мембрану, разделяющую электролиты (мостик).
Если в качестве основного сосуда используется стеклянная банка, мембрану тоже лучше сделать цилиндрической формы.
Клеить картон клеем для бумаги не стоит – клей в растворе размокнет. То же самое относится и к соединению скотчем и подобными материалами.
Лучший вариант – с помощью иголки и нитки сшить картонную трубочку, а потом пришить к ней дно.
Изготовление картонного цилиндра.
Но швы потом придется герметизировать.
Это можно сделать с помощью расплавленного парафина, лака и т.п. Если предстоит делать что-то фундаментальное, можно дополнительно обернуть цилиндр несколькими слоями бумаги или даже ткани.
Для экспериментов достаточно и этого.
Создание мембраны с помощью термоклея
Положительный электрод можно сделать из листовой меди. Если ее нет – можно взять медный провод в лаковой изоляции, счистить покрытие и навить провод на наружную часть цилиндра.
Чем больше намотать провода, тем больше будет мощность будущей батареи. Конец провода надо вывести наружу – он будет положительным выводом.
Намотка медного провода
Для крепления мембраны на банке удобно к цилиндру прикрепить «плечики» в виде диска. Второй электрод делается из цинка или алюминия.
От такого элемента удается получить ЭДС около 1 вольта при использовании цинка. Если электрод изготовить из алюминия, то напряжение холостого хода будет всего 0,7 вольта.
Чтобы получить напряжение в 12 вольт, потребуется соединить последовательно примерно 20 таких ячеек. Экспериментальные данные показывают, что если самодельные батарейки делать в размерах стеклянных банок объемом 0,5 литра, то одна ячейка может выдать в нагрузку ток до 40 мА.
Аккумулятор своими руками
Набравшись опыта в изготовлении практических конструкций батареек, можно попробовать свои силы в создании возобновляемого накопителя энергии – аккумуляторе. Для этого пригодятся навыки, приобретенные на предыдущем этапе.
Щелочной аккумулятор самостоятельно изготовить достаточно сложно, так как потребуются достаточно редкие реагенты – никель или кадмий (последний еще и токсичен).
Свинцово-кислотный аккумулятор также непрост для домашнего изготовления. Да и свинец плюс его оксид далеко не безвредны, не говоря о серной кислоте.
Дома можно сделать аккумулятор на основе угольных электродов.
Понадобится
- угольный стержень из старой пальчиковой батарейки
- таблетки активированного угля, которые надо перемолоть в мелкий порошок.
Сами угольные электроды в химических реакциях не участвуют, но на них выделяются при зарядке, хранятся и расходуются под нагрузкой водород и хлор. Поэтому такой аккумулятор называется газовым.
- сосуд из химически нейтрального материала – пластика или стекла.
Очень важно, чтобы сосуд был светонепроницаемым – свет ускоряет саморазряд такого элемента. Если в качестве емкости используется стеклянная банка, ее надо покрасить (например, непрозрачным лаком).
Для изготовления электродов сначала надо сшить два тканевых мешочка. В них вставляются графитовые стержни, и плотно набивается угольный порошок, приготовленный из таблеток активированного угля.
Мешочки зашиваются так, чтобы концы стержней выглядывали наружу.
Для подключения к электродам надо предусмотреть зажимы из металла. Дальше каждый мешочек надо плотно обмотать нитками. Чем плотнее они будут обмотаны, тем лучше будет контакт порошка со стержнями.
Электролит выполняется из поваренной соли – на 200 миллилитров воды 1..1,5 чайных ложки. Готовая жидкость заливается в сосуд, туда же вставляются мешочки с электродами и закрепляются каким-либо способом.
Конструкция газового аккумулятора
В начальный момент электроды не делятся на положительный и отрицательный, поэтому заряжать можно постоянным напряжением любой полярности уровнем около 5 вольт.
Зарядка производится до тех пор, пока напряжение на электродах аккумулятора не достигнет 2,2..2,5 вольт.
Как собрать мощную аккумуляторную батарею
Самодельные источники тока выдают небольшую ЭДС — 0,7 вольта совершенно недостаточно, чтобы запитать подавляющее большинство потребителей. Мощность элементов также невелика.
Чтобы сделать источники, изготовленные в домашних условиях, более применимыми на практике, применяют различные типы их соединения в батареи.
Соединение элементов
Для увеличения выходного напряжения применяется последовательное соединение источников энергии. Плюсовой вывод одного элемента соединяется с минусовым другого и т.п.
Таким способом собирается цепочка ячеек, ЭДС которых складываются. Например, из трех банок по 0,7 вольта можно получить батарею, у которой на выходе будет 2,1 В. Если нужно большее напряжение, число ячеек соответственно увеличивают.
Последовательное соединение банок
Чтобы получить большую мощность (увеличить отдаваемый ток), элементы соединяют параллельно. Плюсовые выводы всех элементов соединяют между собой, и минусовые также объединяют в одну цепь. Если единичная ячейка может выдавать ток, например, 10 мА, то три соединенных в параллель отдадут уже 30 мА.
Параллельное соединение банок
Если три указанных выше элемента соединить параллельно, то общее напряжение составит те же 0,7 вольт. Зато нагрузочная способность увеличится втрое – до 30 мА.
При параллельном соединении аккумуляторов их емкости также складываются.
Если надо увеличить и напряжение, и нагрузочную способность источника энергии, применяется смешанное (последовательно-параллельное соединение). Если взять девять ячеек, и соединить их по три параллельно, а затем все цепочки соединить последовательно, можно получить батарею с выходом 2,1 вольт и выдающую в нагрузку до 30 мА.
Смешанное соединение ячеек
Контроллер заряда
Батарею на нужное напряжение и ток можно собрать не только из самодельных, но и из промышленных элементов. В настоящее время распространены литий-ионные аккумуляторы. Они обладают многими достоинствами, но есть и минусы
Самодельную батарею нельзя заряжать бесконтрольно.
В процессе зарядки применяется контроллер зарядного тока. Он ограничивает ток, потребляемый аккумулятором, сигнализирует об окончании процесса или автоматически прекращает его при достижении полного уровня, а продвинутые модели формируют необходимый алгоритм пополнения энергии.
Схема простого ЗУ для литий-ионных батарей
Несложное зарядное устройство можно собрать на распространенной микросхеме LM317. Настройка сводится к установке резистором R8 напряжения на выходе 4,2 вольта на холостом ходу (без подключенного аккумулятора).
Ток заряда устанавливается подборкой резисторов R4 и R6. Когда ток заряда снизится до минимума, светодиод погаснет. Это означает окончание процесса пополнения энергии. При необходимости этот пороговый ток можно установить подбором резистора R1.
Зарядник на микросхеме MAX1555
Более продвинутое устройство можно собрать на микросхеме MAX1555. Она ограничивает ток зарядки (при питании от входа USB – на уровне 100 мА, при питании от внешнего входа – на уровне 280 мА).
Также можно приобрести готовые платы контроллеров зарядки, например, на базе MCP73831
Готовое ЗУ на микросхеме MCP73831
Если заряжается цепочка последовательно соединенных литий-ионных элементов, не обойтись без платы балансировки. Дело в том, что перезаряд Li-ion ячеек опасен и может привести к возгоранию. Но одновременно зарядить несколько аккумуляторов не получится из-за разброса параметров.
При равном токе (а при последовательном соединении дело обстоит именно так), часть банок уже зарядится и, при продолжении процесса, они будут представлять собой опасность. Если зарядку прервать, оставшиеся элементы будут недозаряжены, что нерационально.
Поэтому при зарядке последовательно соединенных элементов применяется плата балансира (BMS). Она контролирует уровень заряда каждой банки, и при достижении предельного значения шунтирует зарядившийся аккумулятор. Остальные ячейки продолжают заряжаться.
Такую плату можно сделать своими руками, отыскав схему в интернете, но проще ее купить на торговых интернет-площадках.
Корпус
Корпус для батареи можно подобрать любой готовый, подходящий по размерам или сделать самостоятельно. Удобный корпус можно напечатать на 3D-принтере, сейчас эта услуга широкодоступна.
Очевидно, что сделать аккумулятор или батарейку самостоятельно совсем не сложно. Сложнее в домашних условиях выполнить надежную конструкцию и добиться от нее хороших параметров, чтобы источник питания можно было бы использовать на практике в качестве замены покупным элементам. Но для пытливого ума и умелых рук любые ограничения отсутствуют, а область для опытов открыта всем.
Как сделать батарейку в домашних условиях
Наш первый эксперимент — простейшая самодельная батарейка. Для начала решим, из каких материалов будем делать электроды. Именно от правильного состава будет зависеть эффективность нашего источника тока.
Из каких элементов можно сделать электроды
Для изготовления электродов подойдут практически все металлы, главное, подобрать пару, поскольку каждый металл имеет свой электродный потенциал.
Остановимся на меди. Хотя она сильно уступает серебру, но найти её будет несложно. Цинк для отрицательного электрода тоже искать не будем, а возьмём алюминий.
Итак, положительным электродом у нас будет медь, отрицательным — алюминий. Теоретически для нашей конструкции нужен медный стержень диаметром 8–10 мм и длиной 100–150 мм. Но мы не будем его искать, а ограничимся медным обмоточным проводом диаметром 1–2 мм.
Берём кусок обмоточного провода длиной 1 м, счищаем с него лаковую изоляцию, складываем в 10 раз и скручиваем. Оборачиваем наш электрод пористой салфеткой и поверх этой конструкции наматываем алюминиевую проволоку. Это будет отрицательный электрод.
В качестве электролита используем 15%-й раствор поваренной соли. Наливаем электролит в подходящую ёмкость и опускаем туда наш элемент, предварительно припаяв или прикрутив (алюминий сложно паять) к его электродам провода.
Важно! Опускаем элемент не полностью — токоотводящие провода, если они оба медные, не должны быть в электролите.
Подключаем к нашей батарейке вольтметр. На дисплее 0,8 В. Неплохо. А какой ток отдаст такой элемент?
Подключаем к нему амперметр и измеряем ток короткого замыкания. 10 мА. Маловато, но будем считать, что эксперимент, скорее, удался, чем нет. Во всяком случае, батарея из нескольких таких элементов вполне сможет запитать светодиод.
Элемент Даниэля-Якоби.
Что ж, пойдём дальше и займемся упрощённым элементом Даниэля-Якоби.
Напряжение, выдаваемое элементом, зависит от материала электродов и типа электролита, а ток пропорционален их площади. Увеличим площадь электродов, а в качестве электролита возьмём раствор сульфата меди (медного купороса) + раствор поваренной соли, поскольку электрод у нас не цинковый, а алюминиевый.
Электроды будут побольше, поэтому воспользуемся литровой банкой. Берём ту же медную проволоку и сворачиваем её в плоскую спираль. Диаметр спирали равен диаметру дна банки. К спирали припаиваем медный монтажный изолированный (это важно) провод.
Из листа алюминия сворачиваем цилиндр. Диаметр цилиндра — по диаметру горлышка банки. Высота — на 40 мм меньше высоты банки. Укладываем на дно банки медную спираль, устанавливаем алюминиевый цилиндр, на котором мы заранее сделали «ушки», чтобы он повис на горлышке и не упал на дно.
Насыпаем на медную спираль 30 г кристаллического медного купороса (его можно найти в хозяйственном магазине). Готовим электролит — в 1 л воды растворяем 100 г поваренной соли.
Аккуратно по стенке банки заливаем электролит так, чтобы он был на 10 мм ниже верхнего края алюминиевого цилиндра.
Теперь наш элемент необходимо запустить. Когда медный купорос слегка растворится и на дне ёмкости появится тонкий слой голубой жидкости, замыкаем на 10–20 сек. выводы элемента.
Батарейка готова к работе. Измеряем напряжение — 0,9 В. Ток — 80 мА. Лучше, но всё равно мало.
Важно! Судя по всему, ток невелик из-за того, что электролиты не разделяются как следует, а в электролите медного купороса вообще полно поваренной соли. Да и медный электрод имеет небольшую площадь.
Придётся делать диафрагму, которая не даст смешаться электролитам, но будет пропускать ионы.
Делаем диафрагму
Переходим к варианту 3. По диаметру горлышка банки 5 мм делаем медный цилиндр, высота которого на 50 мм меньше высоты банки. На верхнем краю цилиндра делаем два ушка и отгибаем их так, чтобы цилиндр повис на горлышке и не провалился в банку.
Теперь ионопроницаемый стакан. Сделаем его из обычного плотного картона (не гофрированного). Сворачиваем цилиндр по диаметру на 2–3 мм меньше диаметра медного цилиндра, прошиваем его. Высота цилиндра по высоте медного. Пришиваем к нему донышко.
Герметизируем швы стакана любым удобным способом — водоупорным клеем, термопистолетом и пр. К верхнему краю стакана-мембраны приклеиваем кольцо из такого же картона. Оно не даст мембране провалиться и одновременно будет служить изолятором.
В цилиндре с самого края делаем два небольших отверстия — одно под мешалку, другое для заливки воды в отсек с купоросом. Проверяем свою работу на герметичность — наливаем воду и ждём несколько минут. Стенки стакана должны стать влажными, но без видимых протечек.
Полезно! Для проверки на герметичность лучше использовать не воду, а солевой электролит — 100 г поваренной соли на 1 л воды.
Мешалку изготовим из тонкого пластмассового стержня, согнув его над газовой горелкой в форме хоккейной клюшки. Остался алюминиевый электрод. Снова цилиндр той же высоты с диаметром на 1–2 мм меньше диаметра стакана.
Также делаем и отгибаем ушки. Вот вроде и всё, можно приступать к сборке батарейки. Устанавливаем мешалку и медный электрод. На дно банки насыпаем 100 г кристаллического медного купороса. Ставим сверху ионопроницаемую мембрану-стакан, пропуская сквозь одно из отверстий в кольце ручку мешалки. Опускаем в него алюминиевый цилиндр.
Полезно. Если нет листовой меди, то можно воспользоваться обмоточным проводом со счищенной изоляцией, намотав его прямо на стакан-мембрану. На время намотки в стакан лучше вставить оправку соответствующего диаметра, чтобы не раздавить его.
В отверстие кольца заливаем воду. Уровень на 1 см ниже края горлышка банки. В стакан — раствор соли (100 г соли на 1 л воды).
Подключаем к клеммам батарейки амперметр и работаем мешалкой, размешивая медный купорос, до тех пор, пока ток короткого замыкания не достигнет значения 500–600 мА. Вот и всё, отключаем амперметр, измеряем напряжение. Как и требуется — 0,9 В. Совсем другое дело. Такой элемент уже можно использовать.
Какими характеристиками обладает такая батарея?
Конструкция проработала полтора месяца, отдавая полную нагрузку в течение 4 часов в сутки. После этого её пришлось разобрать и перезарядить купоросом и солевым раствором.
При перезарядке не помешает осмотреть алюминиевый электрод, поскольку в процессе работы расходуется не только медный купорос, но и алюминий. Его тоже придётся периодически менять, правда, гораздо реже. Ориентировочная ёмкость гальванической батареи из 6 элементов составила 550 Вт·ч, выходное напряжение — 5,4 В.
Важно! При эксплуатации такой батареи необходимо следить за разрядным током. Если он уменьшается — работаем мешалкой.
