Технология изготовления газовых, медно-окисных аккумуляторов и ионисторов

Газовые аккумуляторы

В любом аккумуляторе есть положительные и отрицательные пластины с активным веществом, состоящие из различных металлов. В качестве токопроводящей среды обычно применяются водные растворы кислот или щелочей. Такой раствор называется электролитом при погружении пластин в электролит начнет происходить химическая реакция, и если их замкнуть через измерительный прибор, мы обнаружим, что во внешней цепи проходит электрический ток. Во время работы аккумулятора, а также при его зарядке можно заметить, что на пластинах выделяются пузырьки газа. Газы, как правило, не участвуют в реакциях и выполняют в электрохимических процессах вспомогательную роль, так что в обычных аккумуляторах разность потенциалов определяется только свойствами металлов, из которых состоят пластины. Но, оказывается, различные газы тоже обладают вполне определенным электрохимическим потенциалом. Значит, эту способность можно использовать для изготовления аккумулятора, в котором роль активного вещества будут выполнять два различных газа.

Газовый аккумулятор был изобретен в 1955 году советским инженером А. Пресняковым. Важное преимущество газового аккумулятора — простота устройства и высокая экономичность. Для его изготовления не требуются цветные металлы и дорогостоящие материалы. Эксплуатационные качества газового аккумулятора также весьма высоки. Газовый аккумулятор можно долго хранить как в заряженном, так и в разряженном состоянии, и это не отразится на его работоспособности. Он допускает большой зарядный ток, что уменьшает время зарядки. Даже длительные замыкания пластин между собой безвредны для газового аккумулятора, так как в этим случае он хоть и разряжается, но без необратимых процессов в самом активном веществе, как в других типах аккумуляторов. Газовые аккумуляторы -конструктивно новые источники тока. Их создание стало возможным только после того, как были найдены вещества, способные поглощать газы в большом количестве и удерживать их в себе. Такие вещества называются адсорбентами. Один из лучших адсорбентов - активированный уголь. Поглощая газы, он сам не участвует в химических реакциях. В таблице 1, помещенной ниже, показано, какое количество различных газов может быть поглощено одним граммом активированного угля при 15°С и нормальном давлении. Вы сразу же заметите закономерность: газ поглощается тем лучше, чем выше его критическая температура, то есть чем легче он сжижается.

Рис. 1

Конструкция самодельного газового аккумулятора показана на рисунке 1. В емкость 1 налит электролит 2. В электролит опущены два электрода, которые состоят из стержня 3 и мешочка 4 с активированным углем 5. Предохраняет мешочки от смещения перегородка 6, которая изготовляется из любого электроизоляционного материала. Емкость закрывается крышкой 7. В качестве емкости газового аккумулятора с успехом могут быть использованы, например, баночки для специй - они продаются в хозяйственных магазинах. Можно взять и стеклянные банки, но их надо покрыть снаружи асфальтовым лаком, чтобы свет не проникал внутрь, а то он будет способствовать разрядке аккумулятора. Мешочки изготовьте из старого капронового чулка плотной вязки. Шов можно сшить капроновой нитью или паяльником на круглой деревянной болванке. Один конец мешочка завяжите капроновой нитью наглухо, а во второй, открытый, вставьте угольный стержень от батареек карманного фонаря, отслуживших свой срок. Наполните мешочки активированным углем, хорошо уплотнив его. Загибая края мешочка, обвяжите их капроновой нитью вокруг стержня. Теперь нужно плотными витками обвязать мешочки. Чем больше будет сделано витков, тем лучше контакт угольного порошка со стержнем, тем меньше внутреннее сопротивление аккумулятора, тем он лучше работает. Электроды нужно укрепить в крышке, а к выходящим наружу концам стержня приделать клеммы. Лучше всего использовать медицинский уголь, который продается в аптеках, или уголь выбракованных противогазов. В крайнем случае древесный уголь можно легко приготовить самому. Для этого возьмите палочки диаметром 5-10 мм, длиной 100 мм (любой породы дерева), свяжите их в пучок ниткой, поместите в железную банку и засыпьте сухим речным песком. Положите банку в печку на горячие угли или на газовую плитку и прокалите, пока из банки перестанут выделяться газы. Дайте остыть песку, после чего извлеките обуглившиеся чурки - их то и можно употребить в дело. Для получения от аккумулятора емкости в 1 ампер-час потребуется 50-90 граммов активированного угля. Для электролита лучше всего взять дистиллированную воду, которую можно купить в аптеке, или, в крайнем случае, колодезную, или водопроводную, предварительно прокипятив ее около получаса и остудив. На каждый стакан воды всыпьте 1-1,5 столовой ложки поваренной соли марки "Экстра".

Таблица 1

Заполните сосуд электролитом и накройте крышкой с электродами, проследив, чтобы электроды были полностью погружены в электролит. Простейший газовый аккумулятор готов, теперь его осталось только зарядить. Для этого необходимо присоединить электроды к источнику постоянного тока напряжением 4,5 в. Промаркируйте какой-либо яркой краской положительный электрод, нанеся на крышку метку "+". Отрицательный электрод можно не маркировать. При повторной зарядке придерживайтесь полярности электродов. Заканчивайте зарядку, когда напряжение на электродах аккумулятора будет 2,2-2,5 в. При постоянной работе аккумулятора электролит необходимо менять не реже одного раза в неделю (Запомните, что такая частая замена нужна только для электролита, составленного на основе поваренной соли).

Работает аккумулятор так. При зарядке, когда к электродам подключено напряжение, электролит разлагается на водород и хлор. Электрод, присоединенный к отрицательному проводу, будет поглощать водород, а к положительному -хлор. Таким образом создается разность потенциалов. Химическая реакция может быть описана уравнением: заряд - 2NaCl + 2Н3О - разряд Н2 + Cl3 + 2NaOH.

В качестве электролита в газовых аккумуляторах можно при менять растворы различных солей, кислот и щелочей. Подбирая электролит, можно осуществить его электролиз на те или иные газы и получить различную электродвижущую силу и емкость аккумулятора. Так, при электролизе слабого раствора серной кислоты получим пару водород - кислород. Раствор питьевой соды даст пару водород - углекислый газ. Вообще подбор электролита открывает очень широкие возможности для эксперимента. На рисунке 2 изображена схема газового аккумулятора, в котором используется пара хлор - сернистый газ. (Если вы вернетесь к таблице 1, то увидите, что эти газы лучше остальных поглощаются углем). Довольно высокие характеристики оправдывают конструктивное усложнение.

Рис. 2

Аккумулятор состоит из основного сосуда 1, вспомогательного сосуда 2, вспомогательных угольных электродов 3 и 7, электролита 4, которым заполняется вспомогательный сосуд, основных угольных электродов 5 и 6, электролита 8. Размеры аккумулятора подберите, исходя из размеров угольных электродов от батарейки карманного фонаря. В таком аккумуляторе сернистый газ - носитель отрицательного, а хлор - положительного потенциала. Электролит основного сосуда - раствор поваренной соли, электролит вспомогательного - раствор сернистого натрия (другие названия - сульфид натрия, моносульфид натрия). Как мы сказали, вспомогательный сосуд должен быть полупроницаемым, то есть пропускать газы, но не пропускать соли, растворенные в электролите. Такой сосуд можно приобрести в магазине химических товаров или изготовить самому, причем самодельный не будет уступать промышленному.

Материалы: белая глина, которая используется для побелки, железистосинеродистый калий (другие названия: ферроцианид калия, желтая кровяная соль; не спутайте с железосинеродистым калием - ферроцианидом калия), медный купорос. И железистосинеродистый калий, и медный купорос можно купить в отделах фотоматериалов. Замесите глину до пластического состояния и вылепите из нее стаканчик. Стенки стаканчика должны быть возможно тоньше. Высушите стаканчик, а потом обожгите над горячими углями до такой степени, чтобы бумага, положенная в стаканчик, обуглилась, но не вспыхнула. Лучше, если обжиг провести в муфельной печи. После охлаждения наполните стаканчик насыщенным раствором железистосинеродистого калия и оставьте до тех пор, пока наружные стенки его не станут влажными. Вылейте раствор (его можно использовать повторно), дайте стаканчику высохнуть, после чего опустите его на 4-5 часов в насыщенный раствор медного купороса. Растворы нужно готовить на дистиллированной, снеговой или дождевой воде. Надо брать такое количество соли, чтобы обязательно оставался нерастворимый ее остаток - это и будет насыщенный раствор.

Рис. 3

На рисунке 3 показана схема подключения на зарядку аккумулятора с четырьмя электродами. Схема зарядного устройства изображена на рисунке 4. Потенциометром R3 регулируется ток базы транзистора, в результате чего можно изменять величину напряжения на выходе от 0,5 до 15 В и силу тока в пределах 0-5 А. Силовой трансформатор можно использовать от старого радиоприемника или телевизора. На его выходе должно быть напряжение 20 В при силе тока 6 А. Диоды и транзисторы надо монтировать на теплоотводящих панелях или радиаторах. Величины шунта R5 и добавочного сопротивления R4 можно изменять в зависимости от чувствительности и внутреннего сопротивления прибора, применяемого для измерения величины тока и напряжения. Зарядное устройство не требует специальной наладки и при правильной сборке готово к работе.

Рис. 4

Предложенные нами аккумуляторы могут устанавливаться на моделях автомобилей и судов. Аккумуляторная батарея приведет в движение даже педальный автомобиль, если вы установите на нем электромотор. Но не советуем торопиться - сперва хорошенько рассчитайте параметры ваших аккумуляторов и их соответствие тому электродвигателю, который вы выберете.

Конструкция медно-окисного аккумулятора

Рис. 5. Конструкция медно-окисного аккумулятора:
1 — цинковый (отрицательный) электрод, 2 — сосуд, 3 — сепараторы, 4 — стержень из гальванического угля, 5 — положительный электрод (окись меди), 6 — мешочек из стеклоткани, 7 — крышка, 8 — клемма, 9 — пробка сквозная, 10 — пробка заливная.

Ионисторы

В последние годы появился новый класс приборов, функционально близких к конденсаторам очень большой емкости; по существу - занимающих положение между конденсаторами и источниками питания. Это - ионисторы, конденсаторы с двойным электрическим слоем. Номинальное напряжение ионистора зависит от вида используемого в нем электролита и является для него максимально допустимым. Для получения более высокого рабочего напряжения ионисторы соединяют последовательно. Но делать это самостоятельно не рекомендуется - параметры ионисторов в такой связке должны быть очень близкими.

Внутреннее сопротивление Rвн ионистора может быть рассчитано по формуле: Rвн = U\Iкз,
где Rbh - в омах; U -напряжение на ионисторе, В; Iкз - ток короткого замыкания, А.

Для ионистора К58-3 (японский аналог DC - 2R4D225) Rbh = 10...100 ом.

Электрическую емкость ионистора рассчитывают по формуле:
С = I x t \ Uном,
где С - емкость, Ф; I -постоянный ток разрядки от Uном - номинальное напряжение ионистора, В; t - время разрядки от Uном до нуля, с;

Рис. 6. Ионисторы.

Важнейший параметр ионистора - ток утечки. Особенно при использовании его в качестве резервного источника питания. Габариты некоторых ионисторов, выпускаемых в России, показаны на рис. 6. Ионистор К58-9а представляет собой залитый компаундом ионистор К58-3 с приваренными проволочными выводами ("+" маркирован черной точкой). Ионисторы К58-9б и К58-9в (японский аналог DB - 5R5D105) на напряжение 5 и 6,3 В состоят, соответственно, из двух и трех соединенных последовательно ионисторов К58-3. В принципе ионистор - неполярный прибор. Вывод "+" указывается для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе изготовителе. Основные характеристики отечественных ионисторов приведены в таблице 2. Их рабочие температуры - -25...+70°С; отклонения емкости от номинальной – -20...+80%.

Таблица 2

Долговечность ионистора зависит от условий эксплуатации. Так, при работе под напряжением Uном при температуре окружающей среды +70°С гарантированная долговечность составит 500 часов. При работе под напряжением 0,8 Uном она увеличивается до 5000 часов. Если же напряжение на ионисторе не превышает 0,6 Uном, а температура окружающей среды - +40°С, то ионистор будет исправно работать не менее 40000 часов.

Рис. 7. Типовые разрядные характеристики ионисторов.

Рис. 8. Зависимость емкости ионистора от тока разряда.

Рис. 9. Зависимость тока зарядки от времени зарядки ионистора.

Рис. 10. Зависимость тока утечки ионистора от рабочего напряжения.

Обычная схема включения ионистора в качестве резервного источника питания приведена на рис. 11. Диод VD1 предотвращает разряд ионистора С1 при Uпит = 0. Резистор R1 ограничивает зарядный ток ионистора, защищая источник питания от перегрузки при включении. Он не потребуется, если источник питания выдерживает кратковременную нагрузку током 100...250 мА.

Рис. 11. Включение ионистора в качестве резервного источника питания.

Во многих случаях ионистр с успехом заменяет встраиваемые в прибор резервные источники питания. Весьма перспективен ионистор в качестве накопителя энергии при работе совместно с солнечными батареями. Здесь особенно ценна его некретичность к режиму заряда, практически неограниченное число циклов заряд-разряд. Ионистор не требует ухода в течении всего срока службы.

Ионикс свими руками

Работает ионикс на электрохимическом принципе. Значит, в его конструкции есть и электроды и электролит. Для электродов нам подойдут два кружочка из меди, латуни или нержавейки. Еще понадобится угольный порошок. Купите в хозяйственном магазине сменные угольные таблетки для водоочистителя "Родничок" и растолките их мелко-мелко. Электролит приготовим из обыкновенной воды, растворив в ней на 100 граммов 25 граммов поваренной соли.

Рис. 12. Устройство ионистора:
1, 5 – электроды; 2, 4 – угольно-электролитная обмазка, 3 – прокладка.

Смешайте раствор с угольным порошком до консистенции замазки и нанесите слоем в несколько миллиметров сначала на один электрод, потом на другой. Теперь очередь за прокладкой, которая должна разделить электроды так, чтобы электролит свободно проходил сквозь ее поры, а угольный порошок нет. Из наиболее распространенных материалов для такой цели подойдет обыкновенная промокашка, но можно поискать и что-нибудь попрочнее, например, кусочек поролона или стеклоткани. Начинка нашего ионикса готова. Остается найти ему подходящий кожух. Это может быть пластмассовая коробочка от косметического набора. Но не забудьте просверлить в ней дырочки и пропустить сквозь них проводки, припаянные к электродам. Закрываем коробочку. Подсоединяем проводки к электрической батарейке (необходимо напряжение не более 0,7 В; его нетрудно получить при помощи одного гальванического элемента и переменного сопротивления 0...20 Ом) и смотрим, произошла ли зарядка. При этом на разных электродах должна образоваться концентрация разнообразных ионов. Отсюда и названия: ионикс. Конечно, лучше всего проверить заряд на приборе, например, вольтметре. Заранее ясно, что одного элемента будет для нас недостаточно. Это зависит от величины от величины тока и напряжения, которые требуются электродвигателю. Если гирлянда из элементов, соединенных последовательно, будет получаться очень большая, попробуйте поэкспериментировать, меняя толщину угольно-электролитной обмазки, ее консистенцию, а также диаметры электродов.