Как сделать батарейку или аккумулятор своими руками

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Кислота и свинец

Наиболее проста в устройстве свинцово-кислотная конструкция для накопления электроэнергии. Для её сборки требуются:

• устойчивая ёмкость, с возможностью её плотного закрытия крышкой;
• электролит – раствор аккумуляторной кислоты и дистиллированной воды;
• свинцовая пластина – можно использовать сплющенный кусок свинца с кабельной изоляции или приобретённый в охотничьем или рыболовном магазине;
• два металлических штыря – электроды, которые необходимо вбить вертикально в свинцовые пластины.

Далее приведем сам процесс изготовления этого устройства. Пластины свинца одеваются на металлические штыри, с небольшим расстоянием между ними. После чего конструкцию погружают в ёмкость с залитым электролитом. Свинец должен полностью находиться под раствором. Контактные концы штырей проводят через крышку ёмкости и надёжно фиксируют на ней. К концам электродов можно подключить потребитель электроэнергии. Ёмкость устанавливают на устойчивой поверхности, после чего заряжают устройство. Усложнив конструкцию, свернув свинцовые пластины в рулон и, соответственно, увеличив их площадь, при малом объёме можно добиться неплохих показателей такого устройства. По этому же принципу делают рулоны в современных гелевых накопителях энергии.

Пластины, подготовленные к погружению в банку

Важно! При работе с самодельными электронакопителями соблюдайте правила безопасности: кислота, использованная в электролите, – довольно агрессивное вещество.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

Качественные системы зарядки Li-ion 18650

Литий-ионные источники электричества этого типа широко эксплуатируются с различными устройствами. Для их продолжительной работы необходима постоянная подзарядка. При заряде напряжение на элементе достигает значения 4,2 В, после чего снижается до 2-3 В. При глубоких разрядах (ниже 3 В) срок службы Li-ion 18650 значительно сокращается.

Важно! На долговечность влияет количество циклов «заряд-разряд». Это оптимальное число циклов, при которых ёмкость батареи при первом заряде (номинальная), отличается от текущей ёмкости после заряда не более, чем на 20%. Нормальным считается показатель – 350-500 циклов «заряд-разряд».

Существуют специальные зарядные устройства для подобных аккумуляторов, но их можно сделать самостоятельно, используя схему.

Регулировка тока осуществляется подбором резистора R4 на первоначальное значение тока зарядки. Он зависит от емкости аккумулятора. Например, если ёмкость батареи 3000 мА/ч, то ток зарядки равен 2-3 А.

Заводские системы контроля заряда самостоятельно делают регулировку этого параметра в рамках всего времени заряда.

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.

Этот источник тока имеет следующие характеристики:

• тип — литий-ионный;
• выходное напряжение — 4,2–2,8 В (зависит от степени разреженности);
• 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:

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:

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!

Техника безопасности

Самому собрать АКБ для электровелосипеда – посильная задача, но при ее выполнении необходимо соблюдать правила безопасности. Элементы питания и собранную из них батарею нужно оберегать от падений, нагрева, деформации, повреждения, перезарядки, короткого замыкания, глубокого разряда и обратной полярности.

Если в процессе сборки или тестирования АКБ наблюдается значительный нагрев, процесс необходимо прекратить. При использовании паяльника воздействие на ячейки должно быть кратковременным – до 2 секунд, чтобы исключить риск перегрева. Паяльник должен иметь мощность не менее 80 Вт и тепловую стабилизацию. Припой должен быть легкоплавкий.

Простое автоматическое зарядное устройство

Кому некогда «заморачиваться» со всеми нюансами зарядки автомобильного аккумулятора, следить за током зарядки, вовремя отключить, чтоб не перезарядить и т.д., можно порекомендовать простую схему зарядки автомобильного АКБ с автоматическим отключением при полной зарядке аккумулятора. В этой схеме используется один не мощный транзистор для определения напряжения на аккумуляторе.

Схема простого автоматического зарядного устройства автомобильного аккумулятора

Список необходимых деталей:

• R1 = 4,7 кОм;
• Р1 = 10K подстроечный;
• T1 = BC547B, КТ815, КТ817;
• Реле = 12В, 400 Ом, (можно автомобильное, например: 90.3747);
• TR1 = напряжение вторичной обмотки 13,5-14,5 В, ток 1/10 от емкости АКБ (например: АКБ 60А/ч — ток 6А);
• Диодный мост D1-D4 = на ток равный номинальному току трансформатора = не менее 6А (например Д242, КД213, КД2997, КД2999 …), установленные на радиаторе;
• Диоды D1(параллельно реле), D5,6 = 1N4007, КД105, КД522…;
• C1 = 100uF/25V.
• R2, R3 — 3 кОм
• HL1 — АЛ307Г
• HL2 — АЛ307Б

В схеме отсутствует индикатор зарядки, контроля тока (амперметр) и ограничение зарядного тока. При желании можно поставить на выход амперметр в разрыв любого из проводов. Светодиоды (HL1 и HL2) с ограничительными сопротивлениями (R2 и R3 — 1 кОм) или лампочки параллельно С1 «сеть», а к свободному контакту RL1 «конец заряда».

Изменённая схема

Ток, равный 1/10 от ёмкости АКБ подбирается количеством витков вторичной обмотки трансформатора. При намотке вторички трансформатора необходимо сделать несколько отводков для подбора оптимального варианта зарядного тока.

Заряд автомобильного (12-ти вольтового) аккумулятора считается законченным, когда напряжение на его клеммах достигнет 14,4 вольт.

Порог отключения (14,4 вольт) устанавливается подстроечным резистором Р1 при подключенном и полностью заряженном аккумуляторе.

При зарядке разряженного аккумулятора напряжение на нём будет около 13В, в процессе зарядки ток будет падать, а напряжение возрастать. Когда напряжение на аккумуляторе достигнет 14,4 вольт, транзистор Т1 отключит реле RL1 цепь заряда будет разорвана и АКБ отключится от зарядного напряжения с диодов D1-4.

При снижении напряжения до 11,4 вольт, зарядка снова возобновляется, такой гистерезис обеспечивают диоды D5-6 в эмиттере транзистора. Порог срабатывания схемы становится 10 + 1,4 = 11,4 вольт, которые могут быть рассмотрены как для автоматического перезапуска процесса зарядки.

Такое самодельное простое автоматическое автомобильное зарядное устройство поможет Вам проконтролировать процесс зарядки, не проследить окончание зарядки и не перезарядить свой аккумулятор!

Использованы материалы сайта:homemade-circuits.com