Представим, что нам нужен источник питания, а никаких иных возможностей для получения электрического тока, кроме химических элементов, у нас под рукой нет…
Так как, честно говоря, с самого детства меня мучает вопрос, как устроен и работает элемент питания, думаю, что многим это будет интересно, поэтому мы попробуем разобраться, как мы могли бы собрать такой элемент самостоятельно.
Примечание: здесь и далее мы будем говорить в основном о гальванических элементах питания.
Что такое элемент питания?
В общем случае гальванический элемент питания представляет собой устройство, предназначенное для подачи электрического тока потребителям, обеспечивая определённое напряжение и силу тока, которые зависят в том числе от материала электродов и типа электролита.
Типичная э.д.с. гальванического элемента находится в пределах от одного до полутора вольт. При этом во время разряда э.д.с. элемента несколько теряется, и, соответственно, напряжение на контактах тоже просаживается, а величина просадки зависит от внутреннего сопротивления элемента.
Кроме этого, можно также сказать, что максимальная величина силы тока, которую может выдать элемент, также обуславливается величиной внутреннего сопротивления. В общем случае, чем меньше это сопротивление, тем большую силу тока может выдать элемент.
Кроме того, максимальная сила тока зависит ещё и от размера электродов, а также от того, насколько близко они расположены друг к другу. То есть, можно сказать, что выдаваемая сила тока элемента находится в прямой зависимости от его физических размеров.
Самый простой в реализации гальванический элемент представляет собой диэлектрическую ёмкость (например, стеклянный стакан), куда опускаются два электрода, после чего стакан заливается дистиллированной водой, в которую добавляются соли или кислоты с целью создать электролит.
Теперь, если находящиеся в электролите электроды соединить между собой, например, тонким проводком, то от положительного электрода потечёт ток в сторону отрицательного электрода.
Зачастую в качестве самого простого варианта для электродов применяют медную (или угольную) и цинковые пластинки.
Таким образом, если соединить пластинки из озвученных материалов, то ток потечёт по этому соединительному проводнику от медной (угольной) пластинки в сторону цинковой, в то время как внутри самого элемента ток потечёт от цинковой пластинки в сторону медной — и, таким образом, образуется замкнутая электрическая цепь.
В качестве материала пластинок могут быть использованы разные металлы, и, в зависимости от того, какие именно были взяты, э.д.с. элемента также будет отличаться, так как разность потенциалов будет зависеть от того, где расположены металлы, в составе электрохимического ряда активности металлов.
В процессе работы гальванического элемента постоянно происходит растворение отрицательного контакта (в примере выше — цинковой пластинки), а также соответствующее изменение состава электролита, что в конце концов приводит к полной неработоспособности элемента питания. На практике элемент считается пришедшим в негодность при растворении отрицательного электрода примерно наполовину.
Для восстановления работоспособности элемента по сути требуется его полная замена: необходимо удалить как минимум отрицательный контакт, заменив его на новый, а также залить свежий электролит.
При этом простейший гальванический элемент (рассмотренный выше) мало подходит для сколь-нибудь продолжительного применения, так как его конструкция несовершенна и приводит к быстрому падению э.д.с., и, вследствие этого, падению выходного напряжения на контактах.
Причиной возникновения этого явления является так называемая «поляризация», которая существенно увеличивает внутреннее сопротивление элемента.
На физическом уровне поляризация представляет собой покрытие поверхности положительного электрода большим количеством мелких пузырьков водорода, который выделяется в результате разложения водной составляющей электролита в результате прохождения через него электрического тока.
То есть, другими словами, растущая газовая подушка вокруг электрода начинает всё больше и больше изолировать положительный электрод от электролита.
С этим отрицательным явлением усиленно борются, применяя разные подходы.
Например, в так называемых «элементах питания Лекланше» (широко известных нам как обычные батарейки) для этих целей служит деполяризующая масса, составленная из смеси графита и двуокиси марганца, в которую впрессовывается центральный электрод.
В процессе работы элемента эта масса активно поглощает водород, соединяясь с кислородом из марганца, в результате чего образуется вода, а сам элемент не поляризуется, что позволяет ему долговременно отдавать электрический ток.
Кроме такого способа, существует ещё и подход, при котором деполяризация осуществляется просто кислородом атмосферы: для этого угольный электрод должен быть специальным образом подготовлен (максимально увеличена пористость — об этом ниже будет ещё подробнее), что позволяет ему активно поглощать кислород воздуха, который в элементе связывается с водородом.
Мне самому это было весьма удивительно узнать, так как я привык думать, что связывание кислорода и водорода требует какого-то более сложного подхода, ну как минимум повышения температуры, то бишь сжигания водорода в кислороде; а вот, оказывается, есть ещё и такой интересный вариант; я здесь умышленно не говорю о топливных элементах, так как это уже немного другая история, так как читатель наверняка захочет привести пример с топливными элементами.
Существуют также элементы с гибридной деполяризацией, где используются оба озвученных подхода сразу. Они отличаются тем, что в верхней части таких элементов имеются отверстия «для дыхания», то есть для поступления кислорода из атмосферы. Благодаря такому подходу эти элементы могут обеспечить больший, чем обычно, разрядный ток, а также продолжительность работы.
Виды самодельных элементов питания
▍ Медно-цинковые элементы
Одним из самых дешёвых и простых элементов питания является медно-цинковый элемент, как на картинке ниже:
Элемент такого типа получается очень надёжным и простым, почти не поляризуется во время работы (в качестве деполяризатора выступает сам раствор медного купороса), может работать месяцами, и какого-либо особого ухода за собой не требует. Кроме того, как можно видеть, для его сборки требуются довольно доступные реагенты.
Кстати говоря, в оригинале для такого цилиндра используется картон и обматывание его несколькими слоями пергамента. Думаю, что в наше время можно попробовать найти нечто на замену — такое же пористое (или даже более) и полимерное, повышенной прочности, что сможет легко заменить эти компоненты.
Возможности такого устройства при использовании ёмкости в 1 л и медного купороса в 125 г позволяют выдавать напряжение в 1 В при разрядном токе в 200 мА в течение месяца при условии работы устройства порядка 4 часов в день. При этом расход цинкового электрода составит около 40 г.
Ещё одним любопытным элементом питания является изготовление его в виде достаточно большого ящика, также имеющего э.д.с. в районе 1 В, однако способного обеспечить разрядный ток в районе 3А (для этого площадь электродов должна быть не менее 100 см²):
▍ «Сухой» элемент
Слово «сухой» здесь не случайно взято в кавычки, так как этот элемент является сухим только условно, так как электролит здесь всё же присутствует, только он превращён в студень, что исключает проблемы с его проливанием и протеканием из элемента питания.
Посмотрим на его устройство:
Как было уже сказано, в качестве электролита используется желированный раствор следующего состава:
- хлористый цинк — 0,5;
- нашатырь — 1,0;
- пшеничная мука — 1,0;
- вода — 5,0.
Все цифры выше даны в весовых долях. Разведение приведённых компонентов производится в тёплой воде, при примерно 30°С, при этом сначала производят растворение нашатыря, после чего добавляется уже хлористый цинк и мука.
Далее смесь непрерывно помешивается во избежание появления комочков и подогревается на огне (до какой температуры, не оговаривается, но, насколько я понимаю, до кипения), после чего смесь должна остыть снова до температуры примерно в 30°С. Затем её заливают в будущий корпус элемента, где дают постоять приблизительно порядка 12 часов, чтобы смесь окончательно желировалась.
В целом, работы производятся так: для начала подготавливается угольный электрод (для этого необходимо защитить его верхнюю часть, выступающую за пределы ёмкости самого элемента от воды).
Но перед этим на нём делают концентрическую бороздку (она поможет нам далее при заливке).
Далее, как было уже сказано, нужно защитить кончик от воды. Для этого кончик угольной палочки нагревают на огне примерно до 70°С, после чего натирают парафином и сильно растирают парафин до тех пор, пока его впитывание не прекратится.
После чего изготавливают из картона небольшую форму, похожую на шляпу, вставляют туда этот угольный электрод и заливают ёмкость свинцом (полагаю, с успехом можно заменить глиной, размятой до состояния пластилина — по крайней мере, мы так делали в детстве).
Таким образом, после остывания на кончике угольного электрода появляется свинцовый контакт, а бороздка, которую мы сделали до заливки, не даёт этой свинцовой головке сваливаться с электрода.
Почему нужно использовать свинец: так как другие металлы, например, медь, будут сильно окислены парами нашатыря.
Далее смешивается уже купленная в молотом виде двуокись марганца (60 вес. частей) и графит (40 вес. частей) до однородной массы, которая после тщательного перемешивания намачивается нашатырём таким образом, чтобы стала только влажной, и её можно было мять в руках наподобие пластилина, при этом нашатырь не должен выделяться (то есть смесь должна быть как бы полусухой).
После чего эта смесь наподобие пластилина руками или механическим способом прессуется вокруг угольного электрода — такая система из электрода и деполяризатора называется «агломератом».
Чтобы защитить получившуюся систему от механического разрушения, агломерат оборачивается тканью и обматывается нитками.
В качестве отрицательного электрода используется цинковый лист прямоугольной формы, который сворачивается в трубочку, по стыку пропаивается и место пайки заливается воском.
Так как дно в работе элемента не принимает участия, его заливают парафином.
Чтобы агломерат не касался цинка, на верх и низ агломерата надевают резиновые кольца, вставляют его внутрь получившегося цинкового «стакана» и в пространство между цинковым стаканом и агломератом заливается тёплый электролит, после чего его оставляют в покое до загустения электролита (на срок примерно в 12 часов). Далее верх загустевшего электролита засыпается слоем древесных опилок, в которые вставляется стеклянная трубочка (должна быть одним концом утоплена в опилки, а другой конец должен быть выше картонного корпуса элемента питания), после чего опилки закрываются вырезанным диском из картона, в котором предварительно сделано отверстие для стеклянной трубочки, после чего картонный диск заливается смесью воска и канифоли в пропорции 3:1.
После окончательного застывания смеси канифоли и воска, стеклянная трубочка обламывается вровень с этой застывшей смесью, и элемент готов к работе: он может выдавать порядка 1,5 В с током до 70 мА.
Элемент гибридной деполяризации
Описанный ниже элемент собирается из обычного цветочного горшка, а в качестве деполяризатора у него используется гибридный подход: горшок засыпается смесью графита и двуокиси марганца (так же, как и в сухом элементе), а в качестве электролита используется раствор нашатыря (20%), в которой добавлены пара столовых ложек сахара или глицерина (служат для предотвращения образования кристаллов).
Для насыщения деполяризатора кислородом воздуха используются специально проделанные каналы (штук 6-7), которые как трубочки пронизывают сверху вниз весь объём деполяризатора, и через них он обогащается кислородом воздуха. Кроме того, воздух хорошо проникает через пористые стенки цветочного обожжённого горшка из глины (не должен быть покрыт глазурью). Такой элемент способен выдавать э.д.с. в районе 1,45 В.
Элементы с воздушной деполяризацией
Описанный ниже элемент достаточно простой и в то же время может отдавать большой ток в течение продолжительного времени.
Принцип действия этого элемента заключается в цикличном окислении/восстановлении губчатого свинца.
Положительный электрод изготавливается из свинцовой, свёрнутой в цилиндр сетчатой пластины от аккумулятора, у которой в ячейки сетки вмазана смесь, составленная из свинцового глёта, десятипроцентной серной кислоты и пятипроцентного глицерина.
После окончательного высыхания смеси на сетке батарея готова к работе!
В качестве отрицательного электрода выступает палочка из цинка диаметром 10 мм.
Для начала работы элемента сетка погружается в двадцатипроцентный раствор нашатыря (являющийся электролитом в этом элементе), где она остаётся до тех пор, пока эта вмазанная смесь не перейдёт в губчатый свинец, то есть не восстановится до металла (этот момент отдельно не оговаривается в литературе, но, полагаю, здесь следует добавить «при подключённой нагрузке»).
На что способен этот элемент: при погружении положительного контакта в электролит он способен выдавать напряжение порядка 0,65 В с током в 2А в течение 2 часов.
После чего отдаваемый ток падает до 0,2-0,1А и элемент требует «перезарядки»: положительный электрод вынимают из электролита и оставляют на воздухе на срок порядка 12 часов.
За это время под влиянием влажности и атмосферы воздуха губчатый свинец окисляется — и, стало быть, снова готов к работе!
В течение впервые нескольких циклов, за счёт того, что на положительном электроде происходит окончательное формирование структуры губчатого свинца, эффективность элемента подрастает ещё примерно на 15%.
При последующих циклах эффективность начинает снижаться, и элемент начинает выдавать 1,9А и меньше (примерно на 0,1А меньше после каждого цикла). Тем не менее, его эффективность можно практически полностью восстановить, если просто заменить раствор нашатыря.
Несмотря на несовершенство элемента, известны батареи из таких элементов, питающие нагрузку в течение полутора лет (без перезарядки), а первое их упоминание в литературе относится ещё к 1930-м годам.
Но это всё как-то сложно, а можно ли как-то проще?
Конечно, можно: и в видео ниже как раз показан такой способ, вкратце заключающийся в воздушной деполяризации с использованием губчатого электрода.
То есть один электрод делается из алюминия, второй — губчатый угольный, а в качестве электролита используется обычный раствор поваренной соли.
Как можно видеть, результаты вполне себе интересные:
В качестве комментария к видео выше хочу добавить, что он здесь использует токопроводящую сажу, пытаясь с помощью клея её связать, однако есть способ лучше!
Дело в том, что, насколько мне известно, сажа представляет собой частицы вплоть до микронных размеров (-6 степени), но есть очень простой способ, как получить частицы наноразмеров (-9 степени): для этого нужно всего лишь осадить их из раствора!
Такой способ я описывал вот здесь, где для этого необходимо всего лишь прилить к раствору медного купороса раствор аскорбиновой кислоты (витамин из аптеки), что сразу приведёт к выпадению металлической меди в виде частиц порошка наноразмера, которые необходимо процедить и высушить.
Теперь останется только сформовать (например, чтобы он стал представлять собой пластину) тем или иным механическим способом этот порошок и связать его частицы, также используя клей или, например, некий способ сплавления их, наподобие точечной сварки.
Таким образом, мы можем получить электрод гораздо большей площади за счёт его очень высокой пористости, что в теории должно существенно увеличить эффективность такого элемента питания.
Кроме того, мне кажется, что ещё одним интересным альтернативным способом является использование цеолитов, имеющих внутреннюю структуру огромной пористости (они продаются в виде шариков, наподобие наполнителя для кошачьего туалета).
Ещё один любопытный на мой взгляд способ — рассмотреть возможность использования плёнок фильтров для обратного осмоса.
А в целом в завершение можно сказать, что изучение существующих элементов питания — весьма увлекательное занятие, после которого руки сами рвутся сделать какой-нибудь свой :-) Мы здесь рассмотрели далеко не все возможные варианты, а только некоторые, которые показались мне наиболее интересными.
Понимание принципов функционирования элементов питания даёт возможность получать электроэнергию порой весьма неожиданным образом.
Например, с помощью земляной батареи:
От которой запитываются вполне себе городские элементы инфраструктуры:
Список использованных источников
- В.П.Сенницкий – «Самодельные гальванические элементы».
- И.И.Спижевский – «Гальванические элементы и аккумуляторы».
- В.В.Скорчеллетти – «Теоретическая электрохимия».
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻
