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. Данная характеристика для некоторых материалов приведена в таблице.
| Металл | Стандартный электродный потенциал, В |
|---|---|
| Золото | +1,69 |
| Ртуть | +0,8 |
| Серебро | +0,79 |
| Медь | +0,52 |
| Железо | -0,4 |
| Цинк | -0,76 |
| Алюминий | -1,7 |
| Хром | -1,18 |
| Барий | -2,9 |
| Литий | -3,0 |
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.
В итоге нарисовалась конструкция источника тока, показанная на рисунке. На ее основе и будет изготовлен самодельный гальванический элемент.
При изготовлении надо понимать, что:
- напряжение элементов определяется электрохимическими реакциями, которые зависят от примененных реагентов (материалов электродов и электролитов);
- выходной ток (мощность) источника зависит от площади, на которой происходит реакция (площадью электродов), при этом электролита должно быть достаточно (или в избытке)для протекания реакций.
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.
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.
Для изготовления цилиндра вместо сшивания можно применить термоклей. Он химически нейтрален, не размокает в воде и герметизирует швы.
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.
Для крепления мембраны на банке удобно к цилиндру прикрепить «плечики» в виде диска. Второй электрод делается из цинка или алюминия.
В качестве источника алюминия можно использовать пивные банки, но с них надо тщательно счистить с двух сторон краску и лаковое покрытие.
Далее сборка пойдет в следующем порядке:
- делается насыщенный раствор медного купороса;
- раствор заливается в сосуд;
- туда же вставляется картонный «стаканчик» с медным электродом;
- в него заливается насыщенный раствор поваренной соли (или соли соответствующего металла);
- в цилиндрическую мембрану вставляется цинковый или алюминиевый отрицательный электрод.
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.
Материалы и инструмент
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 и 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. Также понадобится 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).
Процесс изготовления
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.
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.
Во время первой зарядки происходит формовка электродов. Один из них станет катодом, второй – анодом. Их надо пометить, и при последующих зарядках соблюдать полярность подключения зарядного устройства.
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.
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.
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.
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, главные из которых:
- Литий-ионные аккумуляторы боятся глубокого разряда (могут выйти из строя).
- Li-Ion элементы боятся перезаряда (могут загореться).
Поэтому 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.
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.
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
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.
