Статии за: Направи си сам

Медно – алуминиева – хипохлоритна батерия (МАХ – 2) (Copper – aluminum – bleach battery – CAB – 2)

Както може да се предположи, около месец след успеха на първата медно – алуминиева – хипохлоритна батерия, започнах работа и по нейното логично продължение „МАХ – Версия 2″. Основните цели, които преследвах тук бяха компактност и мобилност, тъй като Версия 1 определено не ставаше за бързо отскачане до мазето или навестяване на тоалетната, в случай на по-продължителен срив в електропреносната система.

Като цяло, резултатите отново бяха доста обнадеждаващи, което от своя страна даде тласък и на тестовете около последната (засега….) „Версия 3“.

Нужните материали.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

  • Три плоски, пластмасови бутилки („патрончета“) от алкохол. Тук съм използвал такива от водка, които в името на науката бяха пресушени по пейките на Борисовата градина в компанията на намиращите се под и над тях бири.
  • Три кенчета от бира.
  • Две кутийки от компактдискове.
  • Меден кабел. В случая, разфасован мостов (2 Х 1,5).
  • Пластмасови бутилки от бира или безалкохолно.
  • Лустер клема.
  • Гумен ластик.
  • Помощни инструменти (клещи, макетен нож, ножици и т.н.).

Информация за принципа на действие на описаната тук батерия може да се открие в статията за „МАХ – Версия 1“, така че тук мисля да разгледам само някои от техническите аспекти свързани с нейната изработка.

Първата ни задача е да изготвим контейнерите за отделните клетки, като за целта просто премахваме горната част на „патрончетата“ в зоната, където те започват да се стеснява към гърлото на бутилката.

Височината на така получените контейнери служи и като отправна точка за оразмеряването на алуминиевите аноди, които се изрязват от алуминиеви кенчета за бира или безалкохолно. Същите се прегъват / оформят внимателно около външната част на пластмасовата бутилка така, че когато се поставят в нейната вътрешност да се придържат към стените само под въздействието на създаденото в материала напрежение.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

С цел да се улесни свързването на отделните клетки, в горната част на всеки един от анодите се оформя малко „ухо“, с отвор за преминаващия кабел. Работната повърхност на анодите, както и при предишната версия се почиства от евентуалните покрития или окиси с помощта на финна шкурка за метал или дърво.

Държача за катодите изработваме от малки, изрязани от прозрачния капак на кутийките за компактдискове пластини, които се оразмеряват така, че да има свободно пространство от около половин сантиметър между тях и повърхността на анода. Тъй като капаците обикновено са изработени от лесно напукващ се полистирол, тяхното изрязване става с помощта на макетен нож и „чупене“ по линията на направения разрез.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Самият анод се навива по показаната по-долу схема, благодарение на което се елиминира нуждата от каквито и да е било други средства за укрепване.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Разделението на катода от анода се осъществява с помощта на двойка изолатори от пластмаса, които се изрязват от бирените бутилки с шаблон под формата на обикновено календарче и рекламен кибрит.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Сглобяваме клетките по показания на снимките начин, след което ги свързваме помежду им с ластик, меден проводник и лустер клема. Целта е да получим максимално стабилна и компактна конструкция, затова при желание ластика може да се замени с тиксо, изолирбанд или свински опашки.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Както може да се види, за свърването на проводника тук съм използвал единствено механично прегъване на ухото на анода, което не е най-удачният вариант, но определено върши работа, ако се наложи да импровизираме с материалите, които имаме под ръка. Самата батерия поставяме в малка чинийка или друг подходящ контейнер, с цел да избегнем евентуални разливания на белина по време на зареждането на клетките или тяхната употреба.

При теста на батерията, мултицета закова на впечатляващите 5,20 V още в първите минути след наливането на електролита, които след час се покачиха до 5,60 V за да се заковат в последствие на „стабилните“ 5,40 V.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Изненадващо, предвид обема на изработените клетки и количеството на електролита, с което ясно се доказа, че определящ фактор за ефективността на батерията е не нейната големина, а правилното използване и разположение на отделните компоненти.

За съжаление, амперажът тук отново е под въпрос, тъй като великолепният китаец, с който работех до този момент издъхна броени часове след първите замервания. Трагично събитие, което от своя страна доведе до закупуването на далеч по-качествен и модерен мултицет, който така или иначе висеше от години в списъка ми с належащи покупки.

Описаната тук батерия работи по 12 часа на ден в продължение на близо една седмица, преди да деградира до степен, в която волтажа падна под нужния за захранването на трите диода в самоделната лампа. Разтвора на натриев хипохлорит също така видимо се разреди и замърси от получените по време на процеса медни съединения, които както и при „Версия 1“ паднаха на дъното под формата на неразтворима утайка. Като цяло, основните зони на корозия бяха в областта на контактните точки и анода, докато катода (макар и почти напълно почернял от меден окис) след почистването не показа кой знае какви следи от ерозия. Последното е изключително важно от гледна точка на това, че след подмяната на анода и електролита, батериите отново могат да функционират на 100 % без да се налагат каквито и да е било промени по останалите елементи.

Следващите снимки (без първата) са направени в пълна тъмнина (нощ и при спуснати щори), като за източник на светлина е използвана единствено тази, идваща от направената в предишната статия „гето“ лампа на базата на три LED диода и отражател от облепено с фолио гърло на туба от минерална вода.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Както може да се види, излъчваната светлина (предвид обема и характеристиките на клетките) не е особено впечатляваща, но е повече от достатъчна за да може човек да маневрира спокойно в осветяваното помещение, да чете книга, да се храни или да разглоби оръжие, без да се притеснява, че ще загуби някоя част в процеса.

Мнозина вероятно ще се запитат защо е необходимо да се занимаваме с изработването на подобен тип батерии, при положение, че е далеч по-лесно да използваме класически източници на светлина като свещи, газени лампи и т.н. Лично за мен, първата и най-важна причина е възможността да имаме алтернатива на посочените по-горе осветителни тела,  особено в случай,  че се окажем на „собствени разноски“ за по-дълъг период от време. В крайна сметка и свещите и горивото за газениците са изчерпаем ресурс, докато описаните тук батерии могат да се сглобят с помощта на подръчни материали в почти всякаква конфигурация и капацитет, в зависимост от конкретните нужди.

Втората (и не по-маловажна) причина се крие в безопасността на подобен тип батерии за сметка на пожароопасни източници на светлина като свещи или лампи на газ или течно гориво. При горенето си последните също така отделят значително количество сажди, „аромат“, въглероден окис и редица други нежелани продукти, докато описаната тук хипохлоритна батерия отделя единствено водород и микроскопични количества хлор.

Както може да се види, предимствата са повече от очевидни, дори без да отчитаме бонуси като нужните за презареждането на клетките и на оператора бирени кенчета….

Ето и няколко от изводите, до които достигнах в процеса на работа.

- Значително по-малък обем на катода за сметна на този на анода.

- Намалено количество на електролита и максимално близко разположение на катода и анода.

- Изработване на батериите в плоска форма, с цел да се пести както от обем, така и от използваните за изготвянето материали.

- Закрепване на кабелите между отделните клетки с помощта на припой или здрава механична връзка под формата на болт и гайка.

Медно – алуминиева – хипохлоритна батерия (Copper – aluminum – bleach battery)

(Версия 1)

Идеята за направата на самоделни електрически батерии от лесно достъпни или отпадъчни материали ме е вълнувала от край време, затова преди около месец реших да се разровя из мрежата за повече информация по въпроса. Оказа се, че съществуват стотици вариации на т.нар. сухи или електролитни батерии и акумулатори, но за съжаление в повечето от тях се използват прекалено скъпи или трудно достъпни материали.

За късмет, след дълго търсене попаднах на тип батерия, която напълно се вместваше в критериите за лесно изпълнима от подръчни материали и дори превъзхождаща по качества някои от вече известните разновидности. Информацията за нея е доста оскъдна като цяло, затова поех по познатия ми от повечето проекти път на експериментацията.

Накратко. Изработената тук батерия спокойно може да се причисли към категорията на т.нар. течни или електролитни батерии и се състои от катод (мед), анод (алуминий) и електролит (натриев хипохлорит или познатата на всички ни „Белина“). За разлика от метал – въздушните батерии, където за редуктор се използва кислорода, тук като такъв действат съдържащите се в белината хипохлоритни йони (ClO−) и натриев хидроксид (NaOH) , поради което реакцията протича далеч по-бързо, освобождава повече електрони и в крайна сметка генерира по-високо, силно и постоянно напрежение.

Добре е да се има предвид, че описаната тук батерия е първа версия по темата и като такава носи всички грешки и недостатъци, характерни за всеки един стартов продукт. В крайна сметка, търсенето на перфектната конфигурация продължава и към днешна дата, като личното ми мнение е, че възможностите за развитие са неограничени.

Как работи самата батерия? За целта е необходимо първо да разберем същността на процесите, които протичат в една типична електро-химическа клетка, каквато например е обикновената батерия от 1,5 V.

http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_electrode_potential

“The basis for an electrochemical cell such as the galvanic cell is always a redox reaction which can be broken down into two half-reactions: oxidation at anode (loss of electron) and reduction at cathode (gain of electron).”

Т.е. при окислително-редукционните процеси имаме окисление на анода (в случая алуминия) и загуба/отдаване на електрони, а при редукцията на катода (в случая медта) имаме привличане на отдадените от анода електрони.

В зависимост от химическия състав на използваните в клетката материали, имаме и различен по тип електроден потенциал, който е определящ за мощността и качествата на получената батерия.

http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_electrode_potential

Както може да се види от посочената таблица, алуминия има сравнително добър и отрицателен потенциал, което прави възможно използването му в настоящия проект.

Al3+ + 3 e− <–> Al (s) -1.66 V

Метода на действие е следния. Съдържащите се в белината хипохлоритни йони (ClO−) и натриев хидроксид (NaOH) атакуват алуминия и го окисляват, при което той отдава 3 електрона, свързва се с намиращите се във водата хидроксилни йони и пада на дъното на клетката под формата на неразтворима утайка от алуминиев хидроксид (Al(OH)3).

Процеса е непрекъснат и стабилен, тъй като алуминия не може да образува защитно оксидно покритие и по този начин се поддържа непрекъсната контактна повърхност, която гарантира постоянно и силно напрежение в самата клетка.

Медта от своя страна е със слаб и положителен електроден потенциал, на което се дължи и факта, че в случая тя действа като редуктор и колектор за отдадения при окислението на алуминия отрицателен заряд.

Cu2+ + 2 e− <–> Cu(s) +0.340V

С времето, по повърхността на медния катод ще се образуват също така синьо – зелени налепи от меден хидроксид (Cu(OH)2) или меден карбонат (Cu2(OH)2CO3). Част от тях по-късно ще се превърнат в черни примеси от меден окис (CuO), който пък се образува при обезводняването на посочените соли.

Толкова за теорията. Да разгледаме изработката и на самата батерия. Както може да се види съм работил почти изцяло с материалите, които съм имал на разположение вкъщи, на което се дължи както прекалено големия обем на клетките, така и техния нестабилен дизайн. Общо взето задоволителни резултати и натрупан опит, който ми бе от полза при направата на батерия МАХ (Медно – алуминиева – хипохлоритна батерия) – Версия 2.

Нужните материали.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

1. Алуминиеви кенчета от бира или безалкохолно.

За разлика от някои експериментатори в мрежата, които ползват алуминиево фолио, аз използвам алуминий от кенчета за бира или безалкохолно. Причините за това са няколко. Първата е, че алуминиевият анод от кенече е с далеч по-плътна и хомогенна структура, което значително забавя процесите на разпад в следствие на окислението, а от там се удължава и живота на самата батерия. Втората е, че повечето съвременни алуминиеви фолиа са прекалено тънки за употреба, като някои от тях дори са покрити с тънък слой високо температурни полимери. Последната, но не и по важност причина се корени във факта, че алуминият от кенечета се явява отпадъчен продукт от консумацията на бира или безалкохолно, които при нужда могат да бъдат открити по кофите за боклук или градските паркове.

Добре е да се има предвид, че за направата на кенчетата на някои от по-евтините бири се използва тънка ламарина, затова е добре те да се тестват предварително с помощта на магнит.

2. Медна тел.

Използваната тук е доста дебела (Ф 2,5 мм.), тъй като това беше единственото, с което разполагах в момента, но в последствие се оказа, че тя може да бъде с далеч по-малко сечение. Контактната площ също е по-голяма от необходимото, поради което същата бе редуцирана в по-късните вариации.

3. Натриев хипохлорит („Белина“) 3 %.

Както може да се види, разтвора не е от най-концентрираните, но това е една от най-евтините и разпространени марки на пазара. Използването на по-висока концентрация увеличава мощността на батерията, но значително съкращава нейния живот, поради по-силното окислително действие на концентрираната „Белина“.

Като част от бъдещ проект мисля също така да тествам направата на концентрирана белина в домашни условия, както и на батерия, която да използва за електролит директно разтвор на калциев хипохлорит или т.нар. „Хлорна вар“.

4. Помощни материали. Подходящи стъклени и пластмасови бутилки от бира, свински опашки, лустер клеми, клещи, ножици, отвертка и шкурка.

Първо се изготвя катода на батерията. За целта медната тел се оформя на спирала около стъклена бутилка с по-малък диаметър от тази на бирената, за да може по-късно да прилепне максимално плътно към нея и без допълнително осигуряване. В случая, единственото, което използвах бе под формата на скоба от свинска опашка в горната част на бирената бутилка.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Анода се изработва по показания по-долу начин, като вътрешната част на кенчето предварително се минава със ситна шкурка. По този начин се елиминира не само натрупания по повърхността алуминиев окис, но се премахват и използваните в индустрията защитни покрития.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Показното на снимките „мостче“ от алуминиева лента може да оказва някакво положително влияние, а може и да е напълно безполезно, но все пак реших да го вкарам в конструкцията, тъй като разполагах с още доволно количество кенчета.

За да се избегне контакта между катода и анода бе изработен пластмасов предпазител от средна половина на еднолитрова бирена бутилка.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Макар и да не се вижда много добре на снимката, в изблик на творческо вдъхновение бяха изрязани правоъгълни отвори по цялата дължина на получения цилиндър, с цел да се „облекчи“ евентуалния трансфер на електрони по време на работния цикъл.

Кабела за анода се присъединява с помощта на болт и гайка, а този за катода с помощта на лустер клема.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

В случая с анода е добре да се използва допълнително осигуряване под формата на малки шайби, тъй като се оказа, че тези точки на свързване са обект на най-силна корозия, което естествено води до влошаване на показателите и на самата батерия.

Събираме всичко по показания по-долу начин, което позволява да съхраняваме готовите клетки в „сух“ вид за неограничен период от време и използваме само в случай на крайна необходимост като гражданска война, ядрен & зомби апокалипсис и т.н. Пълна херметичност не е необходима, тъй като няма летливи компоненти, а по време на работа клетките така или иначе отделят известно количество водород и малко хлор, който присъства в напълно безобидни концентрации.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

За да използваме така приготвените батерии е нужно само да налеем електролит, под формата на „Белина“ от 3 %. Количеството трябва да е достатъчно за да покрие катода и анода, но не и техните контактни точки, като инцидентно се случи при мен само след няколко дни работа. Ако разтвора на натриев хипохлорит покрие контактната точка на анода протича ускорена електролиза, която „изяжда“ метала буквално за часове и в дългосрочен план обикновено води до прекъсването на веригата.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

В ролята на баласт за стъклените бутилки от бира (катода), използваме пясък или обикновена, чешмяна вода.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

И такааа…..След вливането на електролита и свързването на трите клетки, китайския ми мултицет отчете точно 4,44 V, който (след предишните ми тестове на няколко метал – въздушни батерии) бяха изненадващи дори за мен самия.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Същите в рамките на около час достигнаха до 4,87 V и по-късно се заковаха на „стабилните“ 4,92 V.

Опиянен от успеха (и няколкото бири, които метнах в процеса на работа) реших да изработя и нещо като импровизирана, постапокалиптична осветителна система, базирана отново на материалите, които имах под ръка вкъщи. Предвид очаквания слаб ампераж, реших да използвам LED диодите от няколко празни (и не толкова празни) запалки с фенерче, които се търкаляха из чекмеджетата от доста време, въпреки лютите упреци на моята SWMBO, че бавно, но сигурно се превръщам в закоравял вехтошар.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Както може да се види, изработката на осветителното тяло е повече от елементарна, затова не мисля да навлизам в големи детайли. Единственият по-важен момент е употребата на две капачки от бира за държач на диодите, тъй като се оказа, че само една е недостатъчна за да ги изнесе в зоната на рефлектора, изработен от горната част на 10 литрова туба за минерална вода.

Предвид характеристиките на диодите, използването на три от тях (вместо само на един) беше продиктувано от желанието ми да събера общо девет клетки, с идеята да симулирам нещо като чудовищно голяма батерия от 9 V, но изненадващото гостуване от страна на тъщата попари по нататъшните ми мераци, а „самоделната бомба“ още същата вечер бе изнесена на терасата при температури около нулата, с което реално се предопредели нейната преждевременна и трагична кончина.

Въпреки всички опити за саботаж на творческия ми дух и ентусиазъм, чудото на прогреса все пак се случи! При свързването на получената „гето“ лампа към медно – алуминиевата – хипохлоритна батерия (Версия 1) в напълно затъмнената стая се разля слаба, но осезаема светлина, която най-отчетливо се регистрираше при насочване към предмети от близко разстояние.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Тъй като тогава нямах подходящ товар, към който да закача батерията за да проверя ампеража, теста с трите диода ми беше повече от достатъчен за да се уверя, че съм на прав път.

Описаната конфигурация работи на терасата непрекъснато за около три дни (без сериозни колебания във волтажа), преди ниските температури до доведат до замръзването на водата в бирените бутилки, а от там до тяхното пръскане, разреждането на електролита и покриване на контактната точка на анода. Като вече споменах, това бе и основаната причина за ускорената деградация на метала в тази зона и прекъсването на веригата между отделните клетки.

Степента на ерозия може да се види дори с просто око, тъй като в зоната на контактните точки метала почти напълно липсва.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Като цяло доста забавен проект с определено практическа насоченост, в случай, че се окажем извън системата за неопределен период от време, без достъп до каквито и да е било други източници за осветление.