Как сделать батарейку или аккумулятор своими руками

Аккумуляторы

Сегодня гальванический элемент (батарейку) или аккумулятор можно найти практически в любом магазине. Но куда интересней попробовать повторить эксперименты Вольта и Якоби — сделать источник питания собственными руками. В этой статье мы узнаем, как сделать аккумулятор и гальванический элемент самостоятельно. Пусть они не будут обладать характеристиками промышленных устройств, но зато это будет наша личная конструкция.

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, примеры приведены в таблице ниже.

Электродный потенциал некоторых металлов

Металл
Потенциал, мкВ
Хром
+0.23
Серебро
+0.20
Медь
+0.04
Никель
-0.13
Олово
-0.25
Кадмий
-0.58
Железо
-0.52
Алюминий
-0.53
Цинк
-0.83
Мнение эксперта
Алексей Бартош
Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.
Задать вопрос
Из таблицы хорошо видно, что некоторые металлы имеют отрицательный электродный потенциал, некоторые — положительный. Так из каких материалов сделать батарейку? Ответ простой — нужно выбрать такие материалы, чтобы разница в их электродных потенциалах была максимальной. Идеальное решение — цинк (отрицательный электрод) и хром (положительный электрод). С цинком немного проще — его можно попытаться найти. Но вот хром… Заменить на серебро? Дороговатый элемент получится.

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.

гальванический элемент
Простейший гальванический элемент

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. Что ж, пойдём дальше и займемся упрощённым элементом Даниэля-Якоби.

Как сделать батарейку или аккумулятор своими руками
Схематическая конструкция элемента 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.

Как сделать батарейку или аккумулятор своими руками
Упрощённая конструкция элемента Даниэля-Якоби

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.

Мнение эксперта
Алексей Бартош
Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.
Задать вопрос
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. 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.

Как сделать батарейку или аккумулятор своими руками
Прошитый ионопроницаемый стакан

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.

Конструкция батарейки
Конструкция батарейки Даниэля-Якоби
Мнение эксперта
Алексей Бартош
Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.
Задать вопрос
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.
медный электрод
Вариант изготовления медного электрода

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.

Как сделать батарейку или аккумулятор своими руками
Батарея из шести элементов Даниэля-Якоби в работе

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.

Делаем аккумулятор

А теперь решим вопрос, как сделать аккумуляторную батарею своими руками в домашних условиях. Точнее, пока не батарею, а единичный аккумулятор. Начнём с самой интересной по принципу работы конструкции — газового аккумулятора. Чтобы собрать такой источник тока, нам понадобятся:

  • два угольных стержня;
  • активированный уголь;
  • непрозрачная ёмкость;
  • хлопковая ткань;
  • иголка с ниткой;
  • поваренная соль.

Угольные стержни можно добыть из солевых батареек, причём подойдут и отслужившие свой срок. Активированный уголь продаётся в аптеках в таблетках. В качестве непрозрачной ёмкости подойдёт пластиковый стаканчик, окрашенный или оклеенный непрозрачной бумагой.

В отличие от гальванических элементов, оба электрода в газовых аккумуляторах выполнены из одинаковых материалов и имеют одинаковую конструкцию. Но перейдём к делу. Начнём с добычи электродов. Лучше брать солевые батарейки типоразмера D — там стержни больше. Достать из них графит будет нетрудно. Развальцовываем верхний бортик верхней части батарейки, поддеваем металлическую крышку шилом и снимаем её. Под крышкой пластиковая прокладка. Шилом снимаем и её.

Снятие верхней крышки и прокладки

Видим графитовый стержень, воткнутый в чёрную плотную массу. Расковыриваем шилом массу и вынимаем стержень.

Стержень
Стержень у нас в руках

Теперь берём два добытых графитовых стержня, тем или иным способом прикрепляем к их концам провода — это будут токовыводы. Шьём из Х/Б ткани два мешочка такого размера, чтобы в них вошло примерно по 80–100 граммов порошкообразного активированного угля.

Как сделать батарейку или аккумулятор своими руками
Шьём 2 тканевых мешочка

Настал черёд угля. Продаётся он в виде таблеток, нам он нужен в порошке. Долго и упорно толчём таблетки в ступке, пока не получится очень мелкая пыль. Насыпаем её в мешочки, вставляем угольные стержни, подтрамбовываем, если нужно, подсыпаем. Зашиваем наши мешочки как можно тщательнее и плотно обматываем нитками. Чем лучше обмотаем, тем лучшим будет контакт угля с графитовым стержнем.

Как сделать батарейку или аккумулятор своими руками
Готовые электроды — графитовый стержень + уголь

Устанавливаем электроды в стаканчик и разделяем их каким-либо сепаратором. На фото ниже в качестве сепаратора использована обычная щепка, но лучше сделать что-то более ионопроницаемое. К примеру, толстый ватин.

Как сделать батарейку или аккумулятор своими руками
Электроды на месте, электролит готов  

Заливаем электролит (100 г соли на 1 л воды), но не доверху — контакты должны остаться сухими. Аккумулятор готов, но его ещё нужно зарядить. Поскольку электроды у нас одинаковые, произвольно выбираем, какой будет плюсовым, какой минусовым. Можно приступать к зарядке. Для этого  понадобится источник постоянного тока с напряжением 4,5–5 В. Подойдёт, к примеру, зарядное устройство от любого пятивольтового гаджета. Подключаем его к клеммам и начинаем зарядку.

Полезно! Перед зарядкой лучше выждать 10–15 минут, чтобы уголь в мешочках как следует пропитался.

В процессе зарядки начинается электролиз электролита (натрия хлорид + вода). В результате электролиза на одном из электродов накапливается водород, на другом — хлор. Запасается он в порах активированного угля в чистом виде и ни с чем не взаимодействует. Как только «контейнеры» будут заполнены, начнётся бурное выделение газов (аккумулятор «закипит», поскольку водороду и хлору негде больше накапливаться). Напряжение к тому времени на клеммах аккумулятора станет равным 2,2–2,4 В.

Газовый аккумулятор
Газовый аккумулятор заряжен

При таких габаритах наша перезаряжаемая батарейка будет иметь ёмкость примерно 1 А·ч, а ток короткого замыкания составит примерно 300 мА. По мере разряда напряжение будет снижаться, пока не упадёт до нуля — устройство не боится полного разряда. А при желании его можно даже переполюсовать, зарядив наоборот. Пока мы будем разряжать аккумулятор, газы будут покидать электроды, восстанавливая соль и воду. В чём недостатки газовых аккумуляторов? Основной — большой саморазряд. Даже если нагрузка полностью отключена, электроды будут терять газ, и буквально через пару дней источник снова придётся заряжать.

Мнение эксперта
Алексей Бартош
Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.
Задать вопрос
Важно! Чтобы уменьшить саморазряд, необходимо полностью защитить электроды от света — взять непрозрачный корпус и сделать светонепроницаемую крышку.

Теперь о свинцовых аккумуляторах. Хороших показателей от аккумулятора такого типа (как и от щелочного), конечно, добиться можно. Но процесс изготовления свинцовой батареи большой ёмкости настолько затратный и трудоёмкий, что заниматься изготовлением источника тока этого типа не имеет смысла. Поэтому мы не станем возиться с изготовлением свинцового аккумулятора, а просто посмотрим занимательное видео. И если будет желание, каждый сможет повторить этот эксперимент самостоятельно.

Самодельный свинцово-медный аккумулятор

Вроде всё просто, но, как видим, результаты неутешительные. А самому лить пластины, наносить на них оксид и диоксид свинца, как было замечено выше, смысла нет.

Схемы соединения аккумуляторов в батарею

С аккумуляторами и гальваническими элементами мы поэкспериментировали. Теперь перейдём к батареям, ведь чаще всего напряжения одного элемента — будь то гальванический элемент или аккумулятор — недостаточно для решения наших задач. Прежде всего, разберёмся, какими способами можно соединить отдельные элементы и что это даст. Для наглядности будем работать с популярными и весьма эффективными промышленными аккумуляторами 18650.

Как сделать батарейку или аккумулятор своими руками
Аккумулятор 18650

Этот источник тока имеет следующие характеристики:

  • тип — литийионный;
  • выходное напряжение — 4,2–2,8 В (зависит от степени разряжённости);
  • электрическая ёмкость — от 1 800 мА·ч до 3 500 мА·ч в зависимости от модели;
  • габариты (высота/диаметр, мм) — 66,8/18,5;
  • встроенный контроллер (см. раздел ниже) — зависит от модели.

Предположим, в нашем распоряжении 3 аккумулятора ёмкостью 2 200 мА·ч каждый и 1 ёмкостью 1 800 мА·ч. Для начала соединим их последовательно:

Как сделать батарейку или аккумулятор своими руками
Последовательное соединение аккумуляторов

При последовательном соединении источников тока напряжение их складывается, а электрическая ёмкость будет равна ёмкости самого маломощного аккумулятора в цепи. Таким образом, мы получили батарею с выходным напряжением 3,7 х 4 = 14,8 В и ёмкостью 1 800 мА·ч.

Важно! Напряжение 14,8 В — типовое значение. В зависимости от степени зарядки это напряжение может колебаться от 16,8 до 11,2 В. Обычно сборку из 4 элементов считают батареей на 12 В.

А теперь соединим наши аккумуляторы параллельно:

Как сделать батарейку или аккумулятор своими руками
Параллельное соединение аккумуляторов

При параллельном соединении элементов напряжение не изменяется, а электрическая ёмкость складывается. Значит, наша батарея выдаст всё те же 3,7 В, но ёмкость её составит 2 200 х 3 +1 800 = 8 400 мА·ч. Больше 8 А·ч!

С соединением разобрались, теперь о «слабом звене» — аккумуляторе с ёмкостью 1 800 мА·ч. Последовательное соединение, все аккумуляторы заряжены. Начинаем разряжать. Первым, естественно, разрядится это самое «слабое звено». В остальных элементах энергия есть, но пользоваться батареей нельзя — литиевые аккумуляторы не терпят глубокого разряда. При дальнейшем использовании наше «звено» уйдёт в глубокий разряд и его однозначно придётся выбросить. Значит, мало того что этот аккумулятор уменьшает ёмкость достаточно мощной батареи, так за ним ещё и следить надо — не разрядился ли?

Следующий вариант: последовательное соединение, все аккумуляторы разряжены. Начинаем зарядку. Первым зарядится, естественно, наш дружок. Всё, заряжать батарею дальше нельзя, поскольку литиевые аккумуляторы не терпят и перезарядки. Продолжим, «слабое звено» просто взорвётся. Таким образом, три элемента окажутся недозаряженными, а значит, наша батарея с теоретической ёмкостью 8 400 мА·ч превратилась в батарею ёмкостью 1 800 х 4 = 7 200 мА·ч.

Теперь параллельное соединение. Все аккумуляторы заряжены, начинаем разрядку. Первым разрядится наш маломощный аккумулятор, и ёмкие соседи начнут его «кормить», напрасно тратя энергию. Ведь КПД аккумулятора не 100 %, а им нужно больше отдать, чем потом отдаст он.

С зарядкой проще. Первым зарядится маломощный аккумулятор, но остальные будут его «прикрывать», забирая лишнюю энергию от ЗУ и спасая своего слабого товарища от перезаряда.

Мнение эксперта
Алексей Бартош
Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.
Задать вопрос
Делаем вывод. Включать параллельно аккумуляторы с разной ёмкостью просто неэффективно, но не смертельно. Последовательно — не только губительно для менее ёмких, но и опасно. Ну и конечно, при соединении аккумуляторов в батарею все они должны быть однотипными и с одинаковым выходным напряжением.

Пора заняться практической работой и попробовать собрать батарею, но прежде поговорим о специальных приборах — контроллерах литиевых батарей и аккумуляторов.

Платы для зарядки и защиты литиевых сборок

Поскольку литиевые аккумуляторы не терпят глубокой разрядки и перезарядки, за ними нужно постоянно следить. Сидеть с вольтметром в руках? Нет, конечно. Для этого существуют специальные модули — контроллеры. Они следят за тем, чтобы аккумулятор не переразрядился и не перезарядился, а также не перегрелся. В любом из аварийных случаев контроллер отключает аккумулятор от нагрузки или от зарядного устройства. Контроллеры бывают встроенными и внешними.

контроллер литиевого аккумулятора
Встроенный (слева) и внешний контроллер литиевого аккумулятора

Но такие контроллеры назначены для контроля одного аккумулятора. Мы же собираемся делать сборку самодельной батареи, поэтому нам нужен контроллер другого типа — BMS-контроллер (Battery Management System).

BMS-контроллер
BMS-контроллер для батареи из двух (слева) и трёх аккумуляторов

Он следит сразу за несколькими аккумуляторами одновременно — не допускает их перезаряда, переразряда и перегрева. Причём контролирует каждый аккумулятор отдельно, а не всю аккумуляторную батарею (АКБ) в общем. Но есть у такого контроллера ещё одна важная функция — функция балансировки. Если какой-то один аккумулятор разрядился, то вся батарея будет отключена от нагрузки — пора на подзарядку. Ставим на зарядку. Если какой-то аккумулятор уже зарядился, то он отключается, остальные продолжают заряжаться.

Хорошее решение для нашего случая со «слабым звеном». Но зачем эта функция, если в батарее будут стоять аккумуляторы одинаковой емкости? Дело в том, что в процессе эксплуатации ёмкость любого аккумулятора падает. У одного аккумулятора в батарее упала больше, у другого меньше. Таким образом, даже в батарее с вроде бы одинаковыми аккумуляторами ёмкость у всех разная, а значит, функция балансировки нужна в любом случае. Для примера рассмотрим схему подключения батареи из трёх аккумуляторов к BMS-контроллеру.

Как сделать батарейку или аккумулятор своими руками
Схема подключения BMS-контроллера к батарее из трёх ячеек

Схема достаточно простая, и из неё видно, что каждая ячейка батареи подключена к контроллеру и он может следить за любой из них. Почему ячейка, когда нарисован аккумулятор? Рисунок условный, а ячейка потому, что на месте одного может стоять несколько элементов, подключённых параллельно. Что значит вход/выход? Только то, что к этим контактам можно подключать как нагрузку, так и зарядное устройство. Контроллер сам определит, что подключено, и либо будет отдавать энергию, либо получать, заряжая батарею.

На этом нашу беседу можно закончить. Поэкспериментировали, попробовали сделать гальванические элементы и аккумуляторы, а также научились собирать из них батареи.

Читайте далее:
Плохо
0
Помогло
0
Спасибо
0
Акумы.ру
Добавить комментарий

Adblock
detector